张学文
新疆气象状况--新疆气象手册(14)第2篇第1章续
2019-12-27 18:22
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新疆气象状况--新疆气象手册(14)第2篇第1

 20191227

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3 大风的形成和预报

新疆是我国著名的大风盛行地区,出现大风的地方多、风力强、持续时间长。它对新疆经济、社会发展和人民生命财产造成危害,也是风能资源之所在。关于风的气候特点、风能资源的开发利用、大风及其次生、衍生灾害等,有专门章节介绍,本节主要从天气动力学角度介绍新疆大风的形成和预报。

31 新疆大风的分类

新疆大风按风向来划分,主要有偏西大风和偏东大风二大类,但是,同是偏西(东)风形成的原因可能是不同的,主要有冷空气的入侵、热力对流的发展、动量下传等。据此,根据形成大风的原因把新疆大风分为:

西北(偏西)大风;

回流型偏东大风;

对流性偏西风;

塔里木热风暴;

动量下传型大风。

32 气压梯度力是形成大风的根本动力

321 大气运动中的力的简要分析

一般说来,大风是近似于沿水平方向快速流动着的空气。在水平方向上作用于大气的力有气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力和摩擦力。其中,气压梯度力是使空气产生运动的直接动力,是最基本的力。其他力是在空气开始运动后产生和起作用的,而且所起的作用视具体情况而有所不同。地转偏向力对中、高纬地区或大尺度运动影响明显,对赤道附近的空气运动影响甚小。惯性离心力仅在空气作曲线运动时起作用。摩擦力对自由大气中的空气运动的影响可以忽略不计,但是对靠近地面的摩擦层里有作用,在新疆的复杂地形下,它经常使风从高气压区吹向低气压区(对中、高纬地区,自由大气中风平行于等压线)。

322 地面气压梯度力在形成新疆大风中的作用

强冷空气入侵形成的大风。在地面天气图上,有一个逼近新疆的强冷高压,通常新疆内外气压差在20hPa以上,冷锋后有大片强度较大的3小时正变压区。当冷锋到达国境线时造成阿拉山口等地的西北大风,随着冷高压前的冷锋东移,大风区也自西向东移动,当冷高压进入北疆,南北疆之间有很强的气压差,虽有天山阻挡,冷空气翻越天山造成南疆沿天山一带的偏北大风(有的入侵新疆的冷空气向南伸展,部分直接翻越西部山区,造成南疆西部的西北风);当冷高压移到达河西走廊一带,会形成气压场“东高西低”形势,冷空气“东灌”(自东向西)进入南疆形成偏东大风。

新疆脊发展形成的大风。从北半球114500hPa多年平均流场来分析,新疆是在浅高压脊控制下。在北半球冬半年平均海平面气压分布图上,蒙古是一个强大的高压,新疆正处于它的西侧。在每日500hPa高空图上,当新疆浅脊发展,从而加强了地面图上“东高西低”的气压分布形势,在北疆北部的塔城盆地和额尔齐斯河河谷等地经常形成偏东大风。

在春夏季,500hPa高空图上,中亚低槽东移向南加深,槽前新疆脊东移缓慢并向北或东北方向发展,塔里木盆地的高空强烈辐散,“强迫”地面要有强的辐合上升进行补偿,如同“抽气筒”效应,地面形成热低压并发展加强,盆地四周刮起了气旋式大风,这就是著名的“塔里木热风暴”。

随颮线而来的大风。颮线是带状雷暴群所构成的风向、风速突变的狭窄的强对流天气带。颮线过境时,风向突变、风速急增、气压骤升、气温剧降,同时伴有雷暴、强阵雨甚至冰雹等天气现象。颮线同积雨云云群相伴出现,是在气团内有深厚不稳定层,低层有丰富水汽,以及有引起不稳定能量释放的触发机制的条件下产生的。

在夏季的傍晚到前半夜,在合适的天气形势下,北疆沿天山一带有时会受到颮线袭击。在北京时23点地面图上,最突出的表现是西部国境线附近一块突然增强的3小时正变压区(一般超过3hPa/3h)快速东移。

33 湍流对动量的垂直输送

331 边界层和湍流

边界层。 距离地面10001500m高度以上为自由大气,在这个高度以下便是行星边界层(简称为边界层)。边界层里,按其动力学性质又可细分为三层:贴地层、常值通量层和爱克曼(Ekman)层。边界层里的摩擦力,在贴地层中主要表现为分子粘性力,在其它两层(特别是Ekman层)主要表现为湍流应力。

湍流。湍流是这样的一种不规则运动:其流场的各种特征量是时间和空间的随机变量,只有统计平均值才具有规律性。湍流是相对于层流而言的一种流动。层流的特点是轨线和流线为一簇光滑的空间曲线,流体各层间层次清晰,没有混合现象,其流场的各种特征量是时间和空间的连续变量。根据圆管试验得出:当流速V大于临界速度Vc时,流动由层流变成湍流(此时测得的雷诺数称为上临界雷诺数)。当V<Vc时流动恢复成层流,此时测得的雷诺数称下临界雷诺数。显然,Vc就是达到上、下临界雷诺数时流体的平均速度。根据多次试验结果,得到雷诺数Re=Vd/r。式中V为实验所用圆管中流体的平均速度,d为圆管半径,r为粘滞系数。据此再计算临界雷诺数,判断是湍流还是层流。

332 动量下传与新疆大风

动量下传。对大风的形成来说,与圆管试验不同的是空气根本不是在一个确定的“圆管”中流动,自由大气低层的风速是不断变化的,其它的条件也在不断改变着(如气温变化,大气层结条件在不断变化等),因而使自由大气低层的风速有可能与不断变化的上临界速度接近,从而使湍流发生。湍流的动量输送使增大了的低层风速迅速向底层传递形成地面大风。但湍流混合的结果会破坏湍流形成和维持的条件,可以推论,当湍流混合发生以后,上临界速度也已经开始提高,自由大气低层的强风就会小于上临界速度,但此时湍流尚能维持,直至风速低于下临界速度,湍流才变为层流。

判断大气湍流是否发展的重要指标是“理查逊数”。理查逊数的应用,一般局限于热力稳定与所研究问题的统计关系。

动量下传的新疆大风。动量下传的新疆大风以偏西大风为主(乌鲁木齐东南大风因动量下传而加强和维持),主要出现在北疆北部、东部及东疆地区,特别是吐、鄯、托盆地,风速十分大。大部分地区因常与冷锋过境的偏西大风相伴难以区分。但哈密这两种大风风向截然不同,冷锋过境刮东北风,动量下传刮偏西风。

对流层中层强西北风带的建立是动量下传偏西大风形成的必要条件;大气稳定度是重要条件,而判别稳定度(湍流是否发展)经常使用理查逊数。

34 地形条件与大风的关系

地形条件是改变大风风速和风向的重要因子。新疆地形复杂,因而对大风的影响表现为多种形式:

穿流。这是地形影响的重要类型。大风沿山间、河谷穿越而过,根据“狭管效应”原理,在喇叭口处风速显著增大,如阿拉山口、老风口、达坂城等地的西北大风及乌鲁木齐的东南大风。

绕流。冷空气入侵北疆后,沿着天山东移再折向西行(即“东灌”),形成南疆偏东风。

阻挡。冷空气入侵形成的大风受到山脉阻挡,风速明显减小。因此新疆山区测站的大风日数要明显少于平原地区。

翻山。当强冷空气入侵北疆,天山南北两侧气压差很大,冷空气翻越天山形成翻山下坡风,特别是冷空气能够轻易地翻越山间盆地的“盆边”而进入盆地,造成很强的大风,如托克逊大风。

35 新疆大风天气预报问题

大风天气形势预报。在对数值预报产品进行解释的基础上,着重分析500hPa图上欧亚环流形势、极锋(北支)急流、主导系统、影响系统的演变;地面天气图上,“西高东低”(指气压,下同),形成大范围西北风、“北高南低”可能使冷空气翻山、“东高西低”可能使南疆出现“东灌”大风。而吐鲁番、达板城的气压高于乌鲁木齐气压,会出现乌鲁木齐东南大风。低层大气的稳定程度、新疆脊稳定(东移缓慢)发展,高空强西北风带的建立等也是考虑因素。

大风天气强度、分布、持续时间的预报。在确定将要出现大风天气过程的前提下,进而要确定“过程”的强度,最后根据比较成熟的“新疆大风天气过程模式”,确定大风天气强度、分布和持续时间。其中,气压差(梯度)、大气稳定度和地形影响是确定具体的大风天气预报的重要因子。

冬季从西部进北疆的冷锋,尽管它在国外有大风相随,但通常是进北疆地区而没有明显的大风,其原因是盆地的强逆温层使冷空气从上层滑过,而地面风不大。这也是新疆冬季大风比我国东北少的原因。

4 一般天气预告

新疆寒潮天气过程、大降水天气过程都伴随着比较强、比较深的天气系统的入侵和激烈的天气现象。如果进入新疆的天气系统没有那么强,没有那么深,它在新疆所形成的天气现象也比较弱一些。所以,理解了寒潮、大降水的天气系统的基本活动特点后,对于与它们类似,但是强度要弱一些的天气系统的天气预告也就可以类比地去处理。

当地面天气图上没有外来系统入侵,而本地的气压梯度也十分弱时(等压线稀疏),新疆多为晴天,温度的日变化明显,山前的地方性的山谷风环流(白天吹向山区,夜间吹山风)明显。而地方性的风有多大,风几时转方向,最高、最低温度出现在什么时间,它们的差值有多大,地方性的云的变化规律等都是需要细心掌握的知识。准确把握一般天气系统和没有天气系统入侵时的天气特点,是预告人员最常遇到的问题。

5 准噶尔盆地阴雾天气

51 准噶尔盆地阴雾天气的特征

新疆准噶尔盆地的秋末、冬季经常会出现一种数日难散的低云,云的底部有时接触到了地面,于是成了雾。它有时还拌有微量的米雪或者出现雾凇、雨凇。这种天气在新疆被称为阴雾天气。它是盆地地形、地面潮湿(有积雪)和特有天气条件的共同产物。

一般的云都是随风移动的,但是从卫星云图上看准噶尔盆地的低云雾的顶部有清楚的边界,这个边界几乎与准噶尔盆地周围的地形等高线走向一致。说明它是恰好装在准噶尔盆地内而不流动的云。这块低云可以连续维持多日不消。它有时覆盖整个盆地,有时仅出现在准噶尔盆地西南部的精河、乌苏、乌鲁木齐一带。在那里平均每年可出现2528天低云雾天气,而盆地北部、东部出现的机会比较少。准噶尔盆地的低云雾几乎是每年都出现的天气现象,但是不同年份维持时间不同。有的年份仅数日,多者达10天以上。19731127日开始的一次阴雾天气一直维持到1218日才结束。

阴雾天气一般在11月到翌年3月出现,个别地区在l0月和到翌年4月也偶有出现。以12月最多,2月份次之,为35天。准噶尔盆地的低云雾多出现在地面有了大面积的积雪以后(地面湿度很大),一般是温度在−6℃−18℃的范围内。温度再低(如1月)阴雾就比较少了。它与一般的夜成昼消的辐射雾或者平流雾不同。阴雾天气下的云雾呈灰白色的层状,结构均匀,有时虽有团块结构,但一般没有云的波状或辐辏状结构。

如果在南疆、东疆盆地也形成了比较大面积的积雪,那里也会出现比较稳定的阴雾天气。

52 阴雾天气的大气垂直结构

最早认为阴雾天气的大气垂直结构特点是它伴有逆温层,后来发现逆温层下还有个湿中性层或者不稳定层,低云雾主要存在于这个气层内。下图是1973年冬阴雾天气严重的半个月的乌鲁木齐的平均大气低层的情况(实线和虚线分别表示温度和露点)。它显示阴雾天气下的近地面3000m大气中的垂直结构大致可以分为三层:

准噶尔盆地地面(海拔约400600m)到海拔1000m附近这400m厚气层内温度随高度升高而降低的很快,大约是100m下降1。这种层结内的空气是可以自由上下运动的中性或者不稳定大气。气层内的空气的露点与温度接近,即空气近于饱和状态。低云雾就存在于这个气层内。







 

海拔1000m1700m的气层是逆温层,那里温度随高度升高而迅速升高,温度递增率为1.3/100m,逆温层顶比底部的温度高10以上。逆温层下部湿度大(有云存在)而逆温层内的湿度迅速减少。云在这里就难以存在了。所以这低云雾的顶部在海拔1100m处,低云雾厚度500m(海拔6001100m)。

海拔高度1700m以上,盆地内大气又转为正常的温度随高度下降的气层,它与对流层自由大气的情况一致。那里空气干,没有云。

53 阴雾天气的形成条件

根据新疆短期天气预告指导手册资料,乌鲁木齐、克拉玛依、乌苏三地的阴雾天气出现在温度为0−15的范围内的占92% 。更冷或者更暖阴雾天气都比较少见。物理学指出在相同的温度下,冰面和水面的饱和水汽压力是不同的。其最大差值出现于温度在−10−12附近。云雾天气最容易出现的温度与它十分符合。

湿度大是阴雾天气产生的必要条件。低云雾一般存在于温度与露点差在02的小范围内。据统计,8090%的阴雾天气出现在相对湿度大于90%的环境,有520%出现在相对湿度为8090%的情况下,低于80%的相对湿度很少出现阴雾天气。

此外,阴雾天气出现时地面一般都有积雪,约占7090%,而无积雪时出现的阴雾天气只占1030%。雪(面,体)蒸发的水分是阴雾天气水分的来源。

准噶尔盆地的阴雾天气是封在稳定的逆温层下的贴近地面的含有云雾的湿空气层。调查显示有低云雾的天气时地面的温度高于空气温度,这有利于雪的升华并为低云雾提供水分,它也是低层维持中性或者不稳定的空气层结的条件。

54 阴雾天气的环流形势和预告

阴雾天气既然是盆地内空气层的湿度、温度层结等局部条件形成的。它自然要求没有外来的新冷空气进入准噶尔盆地搅乱这个局面。这时地面附近风力十分微弱。准噶尔盆地一般为地面冷高压西南部的弱东风。

阴雾天气形成和维持的环流形势主要有暖脊型和槽前型两类。

暖脊型:是形成阴雾天气的主要形势,占78%。一般在阴雾天气出现前这里先有降水天气,随后700hPa天气图槽后暖脊控制新疆。由于准噶尔西部山体的阻挡西方过来的暖空气(暖平流)只能从山顶的高度以上部分滑进准噶尔盆地上空而不能沉到地面。这些上空的暖空气反而加强了准噶尔盆地的逆温层(上暖下冷)。于是前期降水使低层增湿,暖脊控制使中层形成逆温,为阴雾天气的形成提供了有利的天气条件。地面高压在蒙古西南部稳定增强时,最有利于阴雾天气的形成。暖脊型天气形势的持续时间,决定了阴雾天气的维持时间。

槽前型:本型占22%。这类形势下,在500hPa天气图上巴尔喀什湖附近为稳定的低压或低槽,或者北疆北部为横槽控制,不断有冷空气进入北疆地区。地面图上新疆位于脊前的倒槽,不断有弱冷锋侵入。本型下的阴雾天气云层较厚,常为雨层云、碎层云、间或有雾出现,伴有降雪,雪量在0.4mm以下。槽前型阴雾天气的维持长短决定于低槽、低压和横槽的稳定时间。

既然大部分阴雾天气的存在要求没有外界的天气系统干扰,那么当有明显的天气系统(冷空气入侵,或者高空槽经过等)入侵时盆地的阴雾天气就结束了。另外,温度冷到20℃以下、或者大面积积雪的消失、地面变干、稳定逆温层的消失都是预告阴雾天气结束的思考点。

随着航空事业和高速公路的发展,雾对交通的影响日益成为重要灾害。新疆低云雾不是从外地移来的,而是本地产生的。低云雾的生成、变化(雾的浓度、能见度、云的厚度)、消退和存在范围,以及它产生的雨凇、雾凇都是十分棘手的预告难题。利用低云雾人工形成降雪和消雾也是日益重要的气象和社会问题。

6 升温过程

气象台主要是预告冷空气从外界进入本地和它伴随的各种天气变化。但温度突然上升的天气过程也是存在的。在新疆,这种升温过程有时对洪水预告有重要意义,而某些地区,升温有时与大风相伴。升温有时意味着冷空气和降水要来了。

61 外来暖空气难进盆地

在中纬度地区不仅外来的冷空气过往频繁(在地面天气图上它表现为冷锋移动),外来的暖空气使当地温度迅速升高的过程也很多,在地面天气图上它表现为有地面暖锋过境。在新疆由于山体的阻挡,外界的暖空气难以进入吐鲁番盆地和塔里木盆地,在地面天气图上这表现为没有暖锋进入这些地区。这些地区的突然升温的天气过程很少。

62 北疆地区的升温过程

北疆西侧有比较低的准噶尔西部山地也有阻止暖空气进入准噶尔盆地低层的作用。在天气图上准噶尔盆地也是没有地面暖锋进入。一般认为从西部来的暖空气可以进入准噶尔盆地的上空(不是地面)。这表现为850hPa(海拔1500m左右)和700hPa(海拔3000m左右)的天气图上可以有外来暖空气进入北疆地区。冬季这些低空的暖空气有时反而起着加强大气逆温层的作用(使地面冷的局面得以维持)。冬末外来的暖空气如果温度高于0℃,还可以引起3000m以下的中低山区积雪的融化而形成小股洪水。

但是新疆向西开口的伊犁地区、塔城额敏盆地、额尔齐斯河谷有时可以有西方来的暖空气进入(暖锋尾部可以沿伸到这些地方),从而造成温度的迅速上升。在气候上它使西部伊犁冬季比东部哈密暖和。在天气方面它可以促成冬天下雨或者低层的积雪的融化。20062月上旬末新疆伊犁地区在前期丰厚积雪的基础上连续数日底层温度升到0℃以上,10日不仅地面以上2400m的气层温度高于0℃,而且其中部温度达到12℃。这使海拔3000m以下的积雪、冰凌大量消融,从而形成冬季的洪水。报纸上称它为冰凌、冰雪性洪水,损失接近2000万元人民币。

63 逆温层破坏引起的升温

冬季准噶尔盆地在没有明显的外来天气系统入侵时存在逆温层,气层下冷上暖。当有天气系统进来时,哪怕是弱冷空气入侵,天气系统的动力破坏了逆温层的结构。结果是低空的温度下降而地面附近的温度反而上升。于是出现了冷空气进入,地面变暖的现象。群众的感受就是下雪时不冷(破坏了逆温层),下雪后(又恢复了逆温层)才冷。

64 高空升温过程和它引起的洪水

夏季天山和昆仑山地区如果海拔40005000m的高度上有暖空气移入当地,或者局地升温,使大气0℃层的高度迅速升高。它会使高山的积雪大量迅速融化,并且可能形成洪水。这种高空升温过程一般与高空天气图上的暖空气移动和加强对应。它也是气象水文部门十分关心的预告对象。做好高空温度的突然升高预告对预告洪水有重要意义。

65 下沉东风的升温过程

在地面天气图上,当新疆位于高压的西南部时,高压下的下沉气流配合当地地形会形成当地的偏东大风。乌鲁木齐的东南大风是例子,阿拉山口、哈巴河等地也有类似现象。下沉气流会使空气温度升高(也变干),所以刮起偏东大风经常伴随着当地的温度的突然升高。这种高温大风有时也会在冬末引起局部融雪洪水。这种升温的预告与偏东大风预告是联在一起的。

66 升温过程有时是冷空气入侵的前兆

在对流层里,冷暖空气经常沿着高空气流依序东移。当我们感到这里的温度异常的高,可能有冷空气和降水过程即将来临。高温对冷空气的入侵也有预告意义。850hPa700hPa的高空天气图上有暖中心进入北疆有时就是后面有大的降水过程的预兆。而当850hPa上的冷中心控制北疆以后(原有的暖中心经常是北去减弱、消失)新疆的降水也就结束了。

7 东、南疆的冬季低温

冬季与积雪配合的逆温层可以锁住严寒的现象不仅可以出现在北疆地区。吐鲁番盆地(含哈密)、塔里木盆地有了数万平方公里(不必覆盖整个盆地)的积雪,也可以在积雪区形成稳定的贴地逆温层。这个贴地的薄冷空气使当地的冬天特别冷。严重时那里的温度比北疆还要低。19601月吐鲁番到哈密都有积雪,吐鲁番和哈密1月平均温度分别是−20.6℃−19.8℃,比多年平均值分别低了11.1℃7.6℃,而北疆乌鲁木齐同期温度仅为−14.8℃2002年冬塔里木盆地比北部的准噶尔盆地还冷也是例子。

下图就是吐鲁番11月到翌年3月各旬的多年平均温度的变化曲线(虚线)和19591960年冬对应旬的温度情况。它清楚地表明在12月下旬到2月上旬的温度比常年低了大约10℃。当时1218日开始有积雪,它延续到216日才消失。积雪期与低温期十分吻合。

只要冬季吐鲁番盆地或者塔里木盆地出现比较大面积的积雪,就可以形成贴地逆温层,它锁住地面附近的冷空气使那里持续低温。这个低温与积雪相拌,比及雪消,逆温层消失,空气温度迅速上升。

 

 

 

 

 

 

由于吐鲁番和塔里木盆地一般年份没有积雪,只有个别年份、个别地区有积雪,所以那里冬季一般比北疆暖和,而夏季塔里木盆地的温度与准噶尔盆地差别并不大。

8 新疆没有台风和龙卷风

台风和龙卷风都是可能形成严重危害的天气现象。台风可以影响上千公里的长度,数百公里的宽度范围,它一般生成于热带洋面后向西移动。在亚洲台风活动在太平洋、印度洋以及与之临近的大陆,新疆处于内陆,不会受台风危害。

龙卷风是强积雨云下的旋风漏斗,直径约250m,寿命不足一小时,移动距离数百米到几十公里,但它却是破坏力最强的天气系统之一,可以把上千吨的轮船卷到岸上。有的年份我国东部地区在暖季会出现龙卷风,北美洲一年出现的龙卷风约500次。新疆50年来没有发现过龙卷风。

新疆暖季晴天的平坦戈壁、沙漠也会在近地面空气不稳定(温度垂直递减大于1℃/100m)时出现尘卷风,它卷起来的沙尘不高,没有对流性云对应,一般寿命也较短,只有几分钟,它们的出现机会不少,但是危害不大。

 

 

 

参考文献

徐吉庆、崔耀凯、单学荣,新疆寒潮若干问题研究,乌鲁木齐:新疆人民出版社,1983

《新疆短期天气预报指导手册编写组》,新疆短期天气预报指导手册,新疆人民出版社,1986.10

张家宝、邓子风,新疆降水概论,气象出版社,1987.12

邓子风,暴雨预报研究的某些进展,新疆气象,1987.139-41

邓子风,新疆大降水时空分布的基本特征,新疆气象,1984.514-24

邓子风、王扣兰、王政宇,塔里木盆地的东风低空急流与南疆降水,北方天气文集(4),北京大学出版社,1983194

新疆气象局气象台预告室,准噶尔盆地冬季低云雾个例分析,气象,197712

张学文、杨秀松,从熵原理得出的暴雨面积和雨量的关系,高原气象,1991年,10卷,3期:225–232

张学文、马淑红、马力,从熵原理得出的雨量时程方程,大气科学,1991年,15卷,6期:17–25

张学文,东南疆的积雪和低温的关系,新疆农业科学,1963年,12期:497473

仲勤,盆地积雪与严寒天气过程,新疆气象,1989.711–15

 

(邓子风执笔,张家宝、张学文补充)

 

 

2篇第1章结束

 


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