阿不力米提江·阿布力克木，李 娜，赵克明*，孙鸣婧，闵 月

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

大气边界层是地球大气最主要的物理特征之一，它与天气、气候的形成和演化密切相关，大气边界层厚度一直是大气数值模式和大气环境评价的重要物理参数之一[1]。 北京、甘肃、西藏等地学者采用各种特定仪器对当地的大气边界层特征量及其对大风、沙尘天气的影响进行分析，得出了大气边界层结构特征[2-6]。 新疆的气象学者对乌鲁木齐市、塔克拉玛干沙漠腹地的大气边界层对环境的响应等问题进行了研究， 得出城市边界层特征及沙漠腹地边界层风场结构[7-9]。

沙尘暴是发生在沙漠或是干旱沙漠化地带的区域性天气现象，其影响波及全球。据联合国环境计划署（UNEO）报告[10]，近50 a 以来，亚洲沙尘暴的强度增加了近5 倍，是全球自然灾害增多的重要方面。新疆南疆是中国沙尘暴发生频率最高的地区[11]。 国内专家学者通过研究认为， 沙尘暴是发生在近地面边界层内的天气现象， 是由风场的剧烈扰动和干旱共同产生的[12-23]。李岩瑛等[12]对于中国西北干旱区由较强西北风引发的沙尘天气的大气层结特征做了深入的研究，指出大气混合层厚度对强沙尘暴的形成、环境及气旋强度都有较强的影响。 由于大气边界层厚度最大在4000 m 左右， 可以应用最大混合层厚度分析风沙天气在垂直高度上的温湿场结构待征。 已有研究指出，暖季（春夏季）热低压的存在是塔里木盆地沙尘暴形成的主要因素之一， 冷空气入侵塔里木，将加强热低压的发展，从而形成沙尘暴天气[11]。

据统计近10 a 来塔里木盆地出现了80 余次沙尘暴过程，其中春季出现频次明显高于秋季，在春秋冷暖空气频繁交替的季节， 秋季冷空气频次和强度仅次于春季， 但是秋季发生沙尘暴的次数明显少于春季，目前对塔里木盆地秋季沙尘天气出现频次少、强度低的原因认识较浅， 尤其是大气边界层结构特征对塔里木盆地的沙尘天气的影响， 尚未有定论。“东灌”天气指新疆地区当高压冷空气由西向东或西北向东南移动， 遇到天山山脉和阿尔金山脉阻隔由北疆再向东移至吐鲁番地区后南压， 导致吐鲁番地区与塔里木盆地形成比较大的气压差，从而形成“东灌”大风，导致扬沙或者沙尘暴天气。 本文通过研究大气边界层结构特征及大气边界层结构特征在典型沙尘暴天气中的表现，旨在了解冷空气“东灌”时大气边界层结构特征对秋季塔里木盆地沙尘天气的影响，提高对塔里木盆地沙尘暴天气发生机制的认识。

1 数据方法

使用2014 年10 月28—29 日，NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，哈密、库尔勒、若羌、阿克苏、喀什、库车、民丰、和田8 个探空站的探空数据、地面气象站观测资料。

根据每日8:00 的常规探空数据，利用大气科学中的计算方法计算K 指数、沙氏指数、理查逊数大气稳定度参数， 选择干绝热法计算日平均最大混合层厚度，具体步骤参考文献[24]中的逐步逼近法，以此来分析沙尘暴前后的各边界层特征量的特征。

本文中所提的天气过程前指天气过程发生前的4 d：10 月24 日、25 日、26 日、27 日； 天气过程中指天气过程正在发生的2 d：10 月28 日、29 日； 天气过程后指天气过程结束后的3 d：10 月30 日、31日、11 月1 日。

2 结果分析

2.1 天气实况

沙尘天气演变（表1）可知，28 日08 时，铁干里克站出现浮尘天气，随着“东灌”天气的加强，巴州南部到和田等地出现了扬沙， 而铁干里克出现了沙尘暴，到20 时，铁干里克和若羌都出现了沙尘暴，由于夜间无人观测， 从形势来看， 沙尘暴持续到了后半夜，到29 日08 时，逐渐减弱为浮尘天气，从此时开始，后续几天塔里木盆地都维持着浮尘天气。

2.2 环流背景

从500 hPa 环流形势演变（图1a、1b）可知，25日20 时， 欧亚范围内以两槽一脊型的经向环流为主，中西伯利亚受高压脊控制，下游贝加尔湖为低槽活动区， 上游西西伯利亚至巴尔喀什湖为深厚的低值系统，新疆处于西西伯利亚低槽前部，受西南气流影响；26—27 日，由于上游里海脊发展，推动西西伯利亚低槽东移，但下游脊强盛，使西西伯利亚低槽在东移的过程中分为南北两支， 北支东移影响北疆地区，南支移速缓慢，滞留在中亚地区，形成中亚低槽，这种形式维持在28 日， 有利的形势易形成冷空气“东灌”，随后，在29—30 日，由于冷空气“东灌”加之中亚低槽东移， 造成南疆西部的弱降水天气及盆地大部维持浮尘天气。

从海平面气压场演变（图1c、1d）看到，过程前期，25 日20 时，新疆在均压场控制之下，天气晴好；27 日，随着系统的发展，上游冷高压发展东移，中心强度达1040 hPa， 偏西路径影响新疆， 到28 日08 时，系统已经影响北疆，此时冷高压中心达到1 042.5 hPa，1040 hPa 的冷高压影响北疆，塔里木盆地低压中心为1010 hPa，北疆冷高压与南疆的热低压压差达30 hPa，造成“北高南低”“东灌”天气的环流形势，与沙尘暴出现时刻相对应，这种气压场形势一直维持到28 日20 时， 造成沙尘暴的范围和强度也逐渐扩大和增强，随着系统的进一步东移，冷空气逐渐进入塔里木盆地，气压差逐渐减小，造成南疆的浮尘天气和西部的弱降水过程。

表1 2014 年10 月28 日08 时—31 日08 时BT各站出现沙尘天气时间时序演变

2.3 边界层特征分析

2.3.1 过程前、中、后大气稳定度指数

K 指数能够反映大气的层结稳定情况，K 指数越大说明大气层结越不稳定，反之说明大气层结越稳定。由沙尘暴过程前、中、后K 指数变化（表2）可知，各站都表现不同程度增大，发生沙尘暴的若羌站从过程前的-13 ℃增大到过程中的-11 ℃， 仅增大2 ℃，但K 指数仍然为0 ℃以下，大气层结仍处于较稳定，过程后增大到15 ℃，但各站沙尘过程发生前到发生中K 指数＜20 ℃；从逐日的K 指数变化看（图2a），在沙尘暴发生之前，27 日所有站的K 指数都有所减小，大气层结处于稳定状态，到28 日沙尘暴发生时，库尔勒、和田、民丰等站未产生沙尘暴，而发生扬沙或浮尘，K 指数都开始增大，大气层结仍处于不稳定， 而在发生沙尘暴的若羌站K 指数继续下降，沙尘暴天气结束后，K 指数快速增大，说明沙尘暴发生时K 指数会减小， 大气层结从不稳定变为稳定。

图1 2014 年10 月27 日与28 日08 时BT 500 hPa 高度场（a、b）及海平面气压（c、d）

沙氏指数是判断对流性天气稳定度的一个重要指标，沙氏指数＞0 表示气层较稳定，正值越大，气层越稳定。 在此次沙尘暴过程前中后沙氏指数变化来看（表2），从过程前到过程中盆地东部站点都表现为增大的趋势，尤其是若羌站，从过程前的13.2 ℃增大到14.8 ℃。 说明沙尘暴发生时，沙氏指数会增大，沙尘暴过程结束后各站沙氏指数减少。从逐日的沙氏指数变化来看（图2b），26—27 日，各站沙氏指数都有所减小，到28 日，各站的沙氏指数都有明显的增大， 尤其是若羌站， 从27 日的11 ℃增大到16 ℃，充分说明沙尘暴来时沙氏指数会增大，大气层结越来越稳定。

表2 过程前中后K 指数、沙氏指数、理查逊数变化℃

理查逊数作为描述大气湍流强弱的参数， 从湍流生消的角度出发，综合了热力因素对湍流的激发、抑制作用及摩擦切应力产生湍流的作用。 在此次沙尘暴过程前中后的理查逊数变化来看（表2），过程前到过程中盆地东部站都减小， 其中若羌站减小得最多， 从原来的7.3 ℃减小到0.6 ℃， 到过程后0.4℃，说明大气层逐渐稳定下来，沙尘导致的湍流交换逐渐减弱。 逐日的理查逊数变化来看（图2c），过程前各站理查逊数变化都较大， 尤其是盆地南部的民丰站，变化最为剧烈，从27 日的30 ℃减小到28 日的0 ℃。发生沙尘暴的若羌站也从过程前的13 ℃逐步减小到28 日的0 ℃，进一步说明沙尘暴发生之前大气湍流较强，大气处于不稳定，当沙尘暴发生时大气湍流减弱，大气变为稳定。

2.3.2 过程前、中、后混合层厚度

混合层是由温度层结不连续产生上下层间的湍流不连续而形成。 混合层厚度指大气混合层伸展的高度。 从沙尘暴过程前、中、后的混合层厚度变化来看（表3），从冷空气开始“东灌”前后，库尔勒、若羌、和田、民丰站的混合层厚度都有所下降，偏东地区的若羌、民丰和和田站下降较为明显，尤其是民丰与和田站，下降500 m 左右，发生沙尘暴时若羌站下降了63 m，因为它本身混合层厚度就低，加之系统的影响，混合层厚度继续下降。

图2 2014 年10 月24 日—11 月01 日K 指数（a）、沙氏指数（b）、理查逊数（c）

表3 过程前中后混合层厚度/m

从逐日的混合层厚度变化来看（图3），各站的混合层厚度在天气进来之前先上升趋势， 当天进来时都快速剧烈下降，也就是在28 日这一天，各站的混合层厚度都较低，但从下降的剧烈程度来看，偏西的阿克苏、库车、偏东的民丰都较剧烈，阿克苏站从27 日的1400 m 下降到28 日的400 m， 库车则从2400 m 下降到650 m， 而民丰站下降最为剧烈，从2750 m 下降到550 m。 由此可见，当“东灌”天气发生时，混合层厚度呈下降趋势，不同区域下降趋势不尽相同。 发生沙尘暴附近的站点下降趋势反而不剧烈，铁干里克至若羌一线的若羌站及库尔勒站，混合层下降了200～300 m，因为过程前混合层厚度就低，若羌站过程前25—26 日混合层厚度只有550～600 m，而到“东灌”天气开始前上升至1100 m，“东灌”天气开始后混合层厚度维持在800 m 左右。 民丰站在天气进来之前混合层厚度都较高，在1850～2750 m 之间，而“东灌”天气进来后下降到550 m，“东灌”天气维持时，混合层厚度也只有850 m，由此可见，塔里木盆地偏东地区由于“东灌”天气造成沙尘天气时，混合层厚度在800 m 左右。

图3 2014 年10 月24 日—11 月01 日各站混合层厚度变化

2.4 过程前、中、后风场分析

从过程前中后的风场资料分析来看，700 hPa上，过程前基本处于弱的偏西风气流中，但在28 日08 时，风向转为偏东风，最大风速在12 m/s 左右，且气流带位置比较靠西， 过程后塔里木盆地基本处于弱的气流中；850 hPa（图4a，4b）上，过程前为弱的偏东气流，但在28 日08 时，整个盆地中东部在偏东气流影响下，最大风速达30 m/s，对塔里木盆地地面产生偏东风有利，易造成沙尘天气，过程后，风速逐渐减小，基本维持在10 m/s 左右，这也是造成后期持续的浮尘天气的原因；从地面风场资料来看（图4c，4d），过程前，盆地各站的风向还是比较乱，风速在2～4 m/s，但从发生“东灌”起，盆地偏东地区出现了整齐的偏东风，且风速在6～8 m/s，为起沙提供了很好的风场条件， 过程后， 盆地中东部为统一的偏东风，但都比较弱，风速在2～4 m/s，有利于塔里木盆地浮尘天气的维持。

2.5 过程前中后温、湿廓线分析

从若羌站过程前后温湿廓线可以看出（图5），26—27 日，温度从地面到3000 m 先增大后减小，贴地逆温比较明显，高度在500 m 以下，而到了沙尘暴开始时的28 日08 时， 逆温出现在500～1200 m，说明此时500 m 以下大气混合比较均匀，28 日20时和29 日08 时，整层都没有出现逆温，说明沙尘暴天气破坏了逆温环境，大气混合很均匀，到沙尘暴结束后，30 日08 时，又恢复了逆温环境。

26—27 日， 相对湿度随高度先减小后增大，但在500 m 以上变化不大， 但在发生沙尘暴开始时，28 日08 时，相对湿度先增加，到500 m 以后迅速减小，之后变化不大，20 时是沙尘暴最严重时刻，相对湿度随高度增加直到1500 m 后又迅速减小， 这也明显可以看出，偏东急流携带一定水汽，但随着沙尘暴天气的发生，维持时间较短，又迅速减小，这与温度呈明显的负相关。

3 结论与讨论

利用探空、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面气象站观测资料， 对新疆塔里木盆地2014 年10 月28—29 日的沙尘暴天气过程前中后大气稳定度、混合层厚度、风、温、湿廓线等边界层特征量进行分析，得出如下结论：

（1）整个过程是前期欧洲脊发展，脊前北风带引导冷空气南下在西西伯利亚地区堆积， 随后由于欧洲脊东移，推动西西伯利亚低槽分为南北两支东移，北支快速进入北疆地区造成降水天气随后东移翻越东天山进入塔里木盆地，造成“东灌”天气。

（2）沙尘暴天气发生后K 指数减小，沙氏指数增大，理查逊数减小，混合层厚度降低，都表现为大气层结较为稳定，不利于空气湍流。

（3）风向风速有明显的变化，风向由过程前的偏西风转为偏东风， 风速则在静风状态下转为明显的偏东急流，850 hPa 偏东风最大达30 m/s，地面风速也由之前的2～4 m/s 增大到6～48 m/s， 风速对起沙较为有利。

（4）温湿廓线表现为沙尘暴发生前为贴地逆温，之后大气混合比较均匀，相对湿度为先增加后减小，都打破了原有分布规律， 沙尘暴过程影响大气边界层结构的发展变化。

图4 2014 年10 月28 日与29 日08 时BT 850 hPa 风场（a、b）和10 月28 日20 时BT（c）、10 月30 日08 时BT（d）地面风场变化

图5 2014 年10 月26 日08 时BT（a）、27 日08 时BT（b）、28 日08 时BT（c）、28 日20 时BT（d）、29 日08 时BT（e）和30 日08 时BT（f）的温湿廓线变化

在沙尘暴过程发生前大气层结处于不稳定状态，沙尘暴期间大气层结调整到稳定状态，这种大气层结的变化原因可能是过程发生前由于冷暖空气交接剧烈造成大气层结不稳定， 是有利于沙尘暴的发生发展；过程期间由于冷空气主导作用，且沙尘使空气混浊，抑制了对流的发展，造成大气层结稳定。 但以上分析所得出的一些结论还未经大量样本验证，尚待进一步的定量分析研究。