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user: 5. 物理量场分析 5.1. 风场变化分析 高空急流是影响沙尘暴形成的重要因子 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。12日14时(图4)，200 hPa高空存在南北两支西风急流，北支急流位于45˚N附近，急流轴上存在两个急流中心，位于新疆北部的急流中心值为48 m∙s −1 ，位于我国东北地区的急流中心值为48 m∙s −1 ，南支急流位于低纬27˚N附近，急流强度很强，中心最大风速达60 m∙s −1 。 12日08时，500 hPa及其以上和田地区上空时偏西气流，急流中心位于200 hPa附近。700 hPa和田地区流场上出现气旋式弯曲，850 hPa (图5)出现闭合低压中心，和田地区为一热低压控制。由此可见，和田地区高低空之间存在强烈的风切变，切变主要发生在500 hPa和700 hPa之间。 图4. 12日14时200 hPa风速分布图(彩色填充区为风速 ≥ 40 m∙s −1 ) 图5. 12日08时850 hPa流场图(单位：m∙s −1 ) 沿着沙尘暴中心79˚E对风速作经向剖面分析。12日08时(图6(a))，高空急流位于250~300 hPa之间，49˚N附近，中心风速为57 m∙s −1 ，急流中心下部不断有动量下传，850 hPa风速增加至20 m∙s −1 ，达到急流标准，沙尘暴区位于高空急流右侧；12日14时(图6(b))，急流范围扩大，向低层和低纬延伸，急流中心仍位于250~300 hPa之间，同时南移至47˚N附近，中心风速有所减小，变为51 m∙s −1 ，200 hPa急流区向低纬伸展，和田上空风速增大，高层动量下传增强，高空急流下方低层850 hPa风速增加至24 m/s，和田地区低层风速也明显增大；12日20时(图6(c))，高空急流明显南移，纬向宽度扩大，急流中心位于200~400 hPa，41˚N~48˚N之间，中心风速明显减小，变为39 m∙s −1 ，动量下传有所减弱，低层风速减小；13日02时(图6(d))，高空急流中心进一步南移，范围缩小，急流中心位于250~300 hPa之间，42˚N附近，中心风速再次增大为45 m∙s −1 ，和田地区低层风速明显减小。 综上可知：本次沙尘暴发生在高空急流右侧，沙尘暴来临前，高低空之间存在强烈的风速、风向切变，使大气不稳定状态加剧，高空急流的存在使得高空动量下传，进而引起低层风速增加，为沙尘暴天气的形成提供了有利条件。 图6. 过沙尘暴中心沿79˚E风速的经向垂直剖面图(单位：m∙s −1 )。(a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 5.2. 动力条件分析 5.2.1. 涡度场和涡度平流场 图7为沿37˚N涡度纬向剖面图。12日08时(图7(a))，涡度在垂直方向上从低层到高层表现为明显的“正–负–正”分布，即低层700 hPa以下和高层150 hPa以上为正涡度区，700~200 hPa为大片负涡度区。和田地区低层有一个正涡度大值中心，位于78˚E，850 hPa附近，中心强度为1.5 × 10 −5 s −1 ，对应850 hPa上的气旋式涡旋，和田上空500 hPa为负涡度，对应巴尔喀什湖东侧高脊；12日14时(图7(b))，由于低层冷高压向东南方向移至新疆境内，因此和田西侧地区大气低层变为负涡度区，低层正涡度区经向范围缩小，但和田地区仍为正涡度所控制，且垂直方向上向上发展至600 hPa，正涡度中心数值也增大为2 × 10 −5 s −1 ，表明和田低层仍为热低压所控制，且热低压发展增强，对流层中上层由于贝加尔湖西侧高脊西移，因此位于200~300 hPa之间的负涡度中心也向西移动至84~88˚E之间；12日20时(图7(c))，随着地面冷高压和冷锋到达和田地区，低层正涡度区垂直方向上范围明显缩小，且正涡度区进一步向东移动，和田地区低层正涡度减弱为1 × 10 −5 s −1 ；13日02时(图7(d))，随着系统的进一步东移，低层正涡度区进一步向东收缩，77˚E以西500 hPa以下直至地面全部为负涡度，地面冷高压和冷锋移出和田地区，本次沙尘暴天气结束。 图7. 过沙尘暴中心沿37˚N涡度的纬向垂直分布图(单位：10 −5 s −1 )。(a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 图8为500 hPa涡度平流图。12日08时(图8(a))，在95˚E，37˚N附近有一个涡度平流正值中心，和田上空500 hPa涡度平流为零；12日14时(图8(b))，冷槽位于黑海和巴尔喀什湖之间，巴尔喀什湖位于槽前，有强烈的正涡度平流，中心数值为4 × 10 −9 s −2 ；12日20时(图8(c))，由于低槽移至巴尔喀什湖附近，因此槽前正涡度平流主要位于新疆北侧地区；13日02时(图8(d))，槽仍位于巴尔喀什湖附近，经向度加大，和田地区位于槽前，500 hPa为弱的正涡度平流，数值为1 × 10 −9 s −2 。综上可见，本次过程中，由于500 hPa和田地区位于巴湖槽底部，盛行西风气流，因此涡度平流较弱，接近零。 图8. 12日500 hPa涡度平流图(单位：10 −9 s −2 ) (a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 5.2.2. 散度场 图9为沿37˚N散度纬向剖面图。12日08时(图9(a))，和田地区对流层中层500 hPa以下均为散度负值区，垂直方向上有两个散度负值中心，分别位于600 hPa和地面，中心数值均为−1.5 × 10 −5 s −1 ，表明和田地面为热低压控制，500 hPa以下低层均存在气旋式环流，有水平气流的辐合，和田上空250 hPa以上为散度正值区，有水平气流的辐散，这样低层辐合高层辐散的流型配置有利于上升运动的发展，为沙尘天气的发生提供有利条件；12日14时(图9(b))，低层冷高压和冷锋向东南方向移至新疆境内，和田西侧地区大气低层变为辐散区，低层负散度区范围缩小，和田地区500 hPa以下为散度负值区，中心略有增强，变为−1.8 × 10 −5 s −1 ，位于地面附近，高层散度正值区范围缩小，位于和田上空500~300 hPa之间，表明此时仍维持低层辐合高层辐散的流场；12日20时(图9(c))，高层气流辐散区范围明显扩大，强度也增强至1.5 × 10 −5 s −1 ，和田低层仍为水平辐合区，散度分布的范围和强度变化都不大；13日02时(图9(d))，和田地区低层散度辐合区强度减弱，说明冷高压的到达使得水平辐合减弱，300~600 hPa之间为辐合区，辐合中心位于400 hPa附近，强度略有减弱，为1.2 × 10 −5 s −1 。 图9. 过沙尘暴中心沿37˚N散度的纬向剖面图(单位：10 −5 s −1 )。(a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 5.2.3. 垂直速度场 无论是上升运动还是下沉运动，都有可能产生沙尘暴：低层辐合高层辐散的流场配置，可形成抽吸作用，在近地面形成大风和沙尘暴，而强的下沉运动可引起高层动量下传有利于沙尘暴的产生 [ 11 ]。图10为沿37˚N垂直速度纬向剖面图。12日08时(图10(a))，和田地区对流层中层500 hPa以下为显著的下沉运动区，大值中心位于近地面，中心强度为7 × 10 −4 hPa∙s −1 ，其上500~150 hPa之间为上升运动区，上升运动数值较小，为−1 × 10 −4 hPa∙s −1 ；12日14时(图10(b))，和田地区低层700 hPa以下仍为下沉运动，中心强度有所减弱，变为5 × 10 −4 hPa∙s −1 ，其上500 hPa附近有一个范围较小的上升运动区，中心强度为−1 × 10 -4 hPa∙s −1 ；12日20时(图10(c))，和田从地面到高空150 hPa全部为较强的上升运动，上升运动中心在和田东侧，位于88˚E附近；13日02时(图10(d))，垂直速度分布发生很大变化，对流层700 hPa以下全部为下沉运动，300~700 hPa之间为上升运动。 图10. 过沙尘暴中心沿37˚N垂直速度的纬向剖面图(单位：10 −4 hPa∙s −1 )。(a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 5.3. 热力条件分析 5.3.1. 温度平流场 图11为沿37˚N温度平流纬向剖面图。12日08时(图11(a))，图上有两个明显的负值中心，一个位于高层150 hPa，85˚E，中心强度较强，为−16 × 10 −3 K∙s −1 ，另一个位于对流层中高层，72˚E~76˚E，对应巴尔喀什湖西侧低槽槽前的冷平流，其中心分裂为两个，分别位于300 hPa和500 hPa附近，中心强度均为−12 × 10 −3 K∙s −1 ，和田200 hPa以下基本为暖平流区；12日14时(图11(b))，温度平流分布变化较大，对流层300 hPa以下全部为冷平流所控制，冷平流中心数值为−8 × 10 −3 K∙s −1 ，300 hPa以上82˚E以东为冷平流，中心强度为−12×10 −3 K∙s −1 ，以西为强烈的暖平流，中心强度为16 × 10 −3 K∙s −1 ；12日20时(图11(c))，温度平流分布为明显的上正下负，冷平流中心位于85˚E，250 hPa附近，中心强度为−16 × 10 −3 K∙s −1 ，且冷平流中心随高度明显向东倾斜，暖平流中心有两个，分别位于87˚E，150 hPa以及75˚E，150~200 hPa，后者强度较强，为16 × 10 −3 K∙s −1 ；13日02时(图11(d))，图上冷暖平流分布基本上为东北西南向，东南部为冷平流区，西北部为暖平流区，和田上空200 hPa以下均为冷平流。通过温度平流分析可看出，沙尘发生前，和田低层为热低压控制，有一定的暖平流，沙尘发生时和发生后，地面冷高压移入和田，和田对流层中下层均为明显的冷平流，冷平流与低层气压系统时空变化一致。 图11. 过沙尘暴中心沿37˚N温度平流的纬向剖面图(单位：10 −3 K∙s −1 )。(a) 12日08时；(b) 12日14时；(c) 12日20时；(d) 13日02时 5.3.2. 假相当位温 假相当位温具有保守性质，当大气中 ∂ θ s e ∂ z < 0 ，大气层结为对流不稳定，θ se 大值区为高能量区，容 易发生强对流天气，等θ se 线密集区为能量锋区。地面气旋上空对应的高假相当位温区是导致气旋发展的重要热力因子，也是影响沙尘天气发生的主要热力因子 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]。 从12日08时1000 hPa假相当位温分布图上可以看到(图略)，整个南疆为高假相当位温区，θ se 大值中心正好位于和田，中心数值高达144 K，中心周围等θ se 线非常密集，说明沙尘来临前，和田地区处于不稳定状态，热力条件较理想。从沿着区域中心和田站(37˚N， 79˚E)做的12日08时经向和纬向垂直剖面图中明显可看出(图12)，和田地区925 hPa以下θ se 值明显偏大，等θ se 线非常密集，说明该地处于能量高 值区，为能量锋区，且和田地区经度范围内，800 hPa以下大气为 ∂ θ s e ∂ z < 0 ，说明低层大气处于对流不稳 定状态，很容易在被扰动触发后，形成很强的上升运动，爆发对流天气。 图12. 12日08时过沙尘暴中心沿79˚E假相当位温经向垂直剖面图(a)和沿37˚N假相当位温纬向垂直剖面图(b)。(单位：K)