2019 年8 月阿克苏罕见翻山大风精细特征及成因分析

时间：2024-08-31

肉孜·阿基，于碧馨，李如琦

（新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830002）

大风是在大尺度环流天气系统或局地强对流天气系统条件与特殊地形（峡谷、山谷、河谷）共同作用产生的一种灾害性天气，具有很强的破坏力［1-5］。气象上将2 min平均风速达到10.8 m·s-1或瞬间风速达到17.2 m·s-1的风造成的灾害称之为大风灾害［6］。大风灾害是全球造成死亡人数仅次于地震灾害的第二大灾害，约占所有自然灾害造成死亡人数的45%［7］。新疆由于特殊的地理位置和地形作用而盛行大风，因大风日数多、风力强、持续时间长，对工农业生产和人民生活影响大而广受关注［8］，近40 a来新疆风灾灾损呈波动性上升趋势，尤其是1998年以后风灾损失呈偏重发生［9］。

近年来，对大风的研究有许多成果，孙玉莲等［10］研究中高空急流是大风的动量来源；程月星等［11］认为探空曲线中低层接近于干绝热的环境温度直减率和下沉对流有效位能突增等现象，对预报大风天气有较好的指示意义；马鸿青等［12］认为强温度直减率、较强的低空垂直风切变、低层丰富能量的聚集是雷暴大风爆发的前提条件，地面冷锋、干侵入和地面中尺度辐合线为触发机制；潘新民等［13］研究了新疆百里风区地形对大风的影响，指出虽然造成大风的根本原因是冷空气活动，但特殊的地形影响使风速增幅；肉孜·阿基等［14-15］对乌鲁木齐东南大风典型个例进行了分析，表明大尺度环流配置、冷平流的输送以及动量下传是大风产生的重要物理因素。

地形对大气运动有显著影响，气流过山是一个非常经典的问题，国外于19世纪40年代就开始了过山气流的动力学理论方面的研究。Scorer［16］使用二层模式讨论背风波，提出了Scorer 系数；Klemp 等［17］用二维线性流体静力模式解释了美国科罗拉多博尔多地区的强下坡风暴，指出由于背风波的破碎而出现的湍流混合使得来自低层的重力内波在波破碎区产生反射进而导致下坡风暴的形成；Lilly［18］提出了大振幅背风波及重力波破碎与下坡风暴的关系；在理论研究的基础上，Doyle 等［19］模拟了强下坡风的结构及特征，并于次年利用观测结果表述了强下坡风的结构与大振幅重力波的关系［20］。

国内，叶笃正［21］研究了小尺度地形对过山气流的影响；桑建国［22］求解了大气波动方程，得出了下坡运动的普适分析解；臧增亮等［23］利用三层理想模式对山坡背风侧的气流进行模拟分析后，给出了背风波的理论波长及扰动的分析解；卢冰等［24］利用WRF 模式对克拉玛依下坡风暴进行模拟后提出，当上游风速不断增大时，气流能够翻山在背风坡侧形成重力波，重力波相位向气流上游方向倾斜产生非线性效应，促进了波不稳定区域的形成并导致波破碎，形成湍流活跃层，不断把上层的能量向下传播；汤浩等［25］利用WRF 模式模拟天山峡谷穿谷急流后指出，在天山两侧强气压梯度作用下，气流爬坡进入天山峡谷过程中受地形强迫形成重力波，并在背风坡的断崖式突降地形区产生背风波，最终形成下坡风暴；张俊兰等［26-27］认为中低层较深厚的强冷平流输送、盆地热低压发展是天山翻山大风形成的热力因子。

阿克苏地区地处新疆维吾尔自治区南疆中西部，天山山脉西段南麓、塔里木盆地北缘，地势西北高东南低，平均海拔高度为960 m，阿克苏市城区海拔高度为1109 m，海拔7435.3 m 的托木尔峰是境内的最高点，海拔945～1020 m 的塔里木河两岸则是境内最低处。入侵的地面冷空气很强时，容易翻越天山，重力作用使风速增大而形成翻山大风，最大风速可达40 m·s-1，对农业、林果业、交通运输、人民生活构成严重威胁，破坏力极大，使阿克苏地区成为新疆风灾损失最严重的区域［28］。2019 年8 月15—18 日，阿克苏地区出现了一场罕见的灾害性大风天气过程，近6 成站点出现8 级以上大风，给农业、林果业造成直接经济损失达9×108元。数值模式对此次大风出现漏报，本文使用多种资料对大风成因及漏报原因进行分析，以期为今后分析、预报此类翻山大风提供经验。

1 资料来源

利用高空及地面的常规观测气象资料、阿克苏探空站的探空观测资料、欧洲中心粗网格（空间分辨率为0.5×0.5，时间分辨率为24 h）、细网格（空间分辨率为0.125×0.125，时间分辨率为3 h）的模式预报资料和NCEP 逐6 h 格距1°×1°的再分析资料、阿克苏站和托万克提根洪沟站2个地面自动气象观测站自8 月15 日08:00 至18 日14:00 的逐时风向风速资料，从动力、热力等条件及下坡风理论对大风成因进行分析。

2 天气实况和环流背景

2.1 大风概况和特点

2019 年8 月15—18 日，西天山南坡出现连续大风天气，喀什、阿克苏地区、巴音郭楞蒙古自治州瞬间极大风力达11～12 级，其中阿克苏地区有110 个站（共188 站）出现8 级以上大风，极大风出现在阿克苏市阿依库勒乡托万克提根洪沟，风力达12级（瞬间极大风速35.9 m·s-1）。南疆共13站出现扬沙，4站出现沙尘暴。大风天气造成4 次旅客列车停运，给阿克苏地区农业、林果业造成重大损失，受灾农作物1999.1 hm2、林果5.9×104hm2、蔬菜瓜果2.1 hm2，损坏大棚161 座，杨树500 棵，造成直接经济损失达9×108元。从托万克提根洪沟站和阿克苏站风速变化时序图可以看出，阿克苏地区有3 次明显的风速波动（表1、图1）。以托万克提根洪沟站为例，15 日20:00 至16 日03:00 为第一波，8 级以上大风维持了8 h，极大风速35.9 m·s-1（12级）。16日03:00之后的5 h 风力维持在6～7 级，16 日09:00 至14:00 为第二波，8 级以上大风维持了6 h，极大风速22.6 m·s-1（9级）。16 日14:00 以后风力再次减弱，之后的16 h 风力维持在4～7 级，17 日07:00 至22:00 为第三波，8 级以上大风维持了16 h，极大风速29.8 m·s-1（11 级），17 日22:00 以后才开始减弱。第三波大风维持时间最长，且连续6 h极大风力维持在10～11级。阿克苏站的风力比托万克提根洪沟站弱一些，但是变化趋势基本一致。纵观整个过程，以托万克提根洪沟站为例，15日19:00的极大风速仅为4.9 m·s-1，10 min平均风速为0，而20:00 突然起风且极大风速达到了过程最大值35.9 m·s-1，10 min 平均风速为22.2 m·s-1；15 日20:00 起风到18 日14:00 风速降到8.7 m·s-1（5级），前后66 h 的过程中，出现了3 次明显的风速波动，8 级以上大风累计维持了30 h。而3 次波动之间，风力小于8 级的时候，也基本都在5 级以上，极个别时段降到了4 级。由此可见，此次大风天气过程具有突发性强、风速峰值与峰谷差值大、大风范围广、风力强、持续时间长、大风期间风速波动明显的特征。而此次强风天气主要集中在背风坡侧及山脚局地一带，大风强度明显大于山前地面风速，是一次明显的气流过山引起的强下坡风暴（附阿克苏周边站点及地形图见图2）。

图1 2019年8月15—18日两站风速变化Fig.1 Changes of wind speed at two stations from August 15 to 18,2019

图2 阿克苏周边站点分布及地形Fig.2 Distribution of stations around Aksu Prefecture and topography

表1 三波大风极大风速实况数据Tab.1 Real-time wind speed data of three gales /m·s-1

2.2 环流形势演变

2.2.1 高空斜压槽和强锋区本次大风过程属于脊（阻高）衰退类大风［29］。在2019 年8 月13 日08:00（北京时间，下同）500 hPa 高空图（图略）上，欧亚中高纬度为两槽两脊的经向环流，东欧阻塞高压脊发展加强，脊后乌拉尔低涡位置偏南，低涡中心位于50°N 处，-16 ℃的冷中心落后于556 dagpm 高度中心，等温线与等高线交角几乎垂直，大气斜压性很强。此时新疆受暖高压脊控制，天气晴好，温度较高。15 日08:00，欧洲高压脊进一步发展加强，脊顶东伸到乌拉尔山，脊前北风带加强，最大风速达28 m·s-1，低涡东南移到巴尔喀什湖以西，中心逆转，锋区上分裂一个短波沿低涡外围快速东南移到低涡底部，形成不稳定小槽，同时温度槽移速较快，15 日08:00 已领先于高度槽。受新疆脊阻挡，低涡在48 h仅东移了不到10个经度，能量得以积聚。15日20:00（图3a），泰米尔半岛处极涡南压，挤压欧洲脊，脊顶部分正变高南落，推动低涡底部的不稳定小槽东移进入南疆，引导地面冷空气翻越西天山进入阿克苏、喀什等地，形成下坡风。同时地面冷锋触发阿克苏地区对流发展，地面出现短时雷暴大风，阿克苏上空500 hPa 风速也明显增大，系统性翻山大风和对流性雷暴大风叠加导致地面风速急剧增大，此时正是托万克提根洪沟突然起风并出现过程最大风速的时间。16 日08:00（图3b），欧洲脊继续发展东扩，推动低涡略向东南移，槽前西南风明显增大，低涡底部分裂第2 个短波快速东移开始进入新疆，同时引导另一股冷空气翻越西天山进入南疆，16 日09:00 第二波大风开始，持续到16 日14:00。16日20:00，低涡分裂成两部分，北段快速东移北收，南段滞留在中亚地区。17 日08:00（图3c），低涡南段再次分裂，主体东移进入南疆缓慢东移，底部部分冷空气则滞留在中亚，并于18日白天减弱东南移到昆仑山上空。由于低涡主体进入南疆后移速较慢，持续的引导地面冷空气源源不断的翻越西天山，所以第三波地面灾害性大风维持时间长达16 h，10 级以上大风维持时间长达6 h，且风速出现了过程的次高值。18日午后，风力降到5级以下，本次大风过程彻底结束。在整个过程中，中低层风向与地面风向不同，且低层风速并未随着中层风速而增大，因而这次大风过程中，动量下传不明显。

图3 500 hPa综合图Fig.3 500 hPa comprehensive map

2.2.2 地面冷锋过程前的8 月13 日，冷高压形成于欧洲，之后缓慢东南移动。14 日20:00，冷高压中心移到里海，强度为1022.5 hPa，高压前端伸到巴尔喀什湖南部，此时南疆受热低压控制，低压中心位于南疆盆地东南部，强度为992.5 hPa。15 日08:00，冷高压中心位置基本没有变化，高压前端在巴尔喀什湖南部形成了一个小中心，强度为1012.5 hPa。15 日白天，地面冷锋进入阿克苏地区，气压梯度逐渐增大。15日20:00（图4a），气压梯度达到5个纬距内9 条等压线，高低压中心压差达到20 hPa，托万克提根洪沟的瞬间极大风速从4.9 m·s-1（3 级）骤然增大到35.9 m·s-1（12 级）。16 日08:00（图4b），冷高压位于巴尔喀什湖南部的小中心消失，但是冷锋依然位于西天山，南疆盆地内的热低压没有发生大的变化。16 日11:00 开始，冷高前端开始西退，盆地内的热低压中心减弱为997 hPa，地面风速也有所减弱，14:00 第二波大风结束。16 日17:00 开始，冷高压前端再次东伸到巴尔喀什湖以南，热低压中心加强为990 hPa，气压梯度达到5 个纬距内10 条等压线，高低压中心压差达27.5 hPa，但是从16 日15:00 至17日06:00，托万克提根洪沟的风速维持在5 级左右，而没有随着高低压中心压差的增大而增大。17 日08:00（图4c）以后，冷高压基本没有变化，热低压则逐渐减弱并东移出我区，冷锋继续维持在西天山，而此时托万克提根洪沟出现了第三波大风。以上变化说明，本次大风主要是高空槽分裂东移的过程中，先后3 次引导地面冷空气翻越西天山后势能转化为动能而形成，3 次起风时间恰好都是高空短波槽进入西天山的时间。

图4 海平面气压场Fig.4 Sea level presure field

3 大风过程的动力和热力诊断分析

3.1 T-lnP图分析

从8 月15 日阿克苏探空站的温度对数压力图（图5）上来看，08:00 阿克苏上空对流抑制能量达829 J·kg-1，有利于能量的积累。对流有效位能（Convective available potential energy，CAPE）较弱，仅为7.3 J·kg-1，而下沉对流有效位能（Down convective available potential energy，DCAPE）达1110 J·kg-1，低层较干，中层较湿，存在一定的垂直风切变。这种形势有利于对流的触发和雷暴大风的形成。15 日20:00 对流抑制能量降为零，对流有效位能增大到221 J·kg-1，下沉对流有效位能则急剧增大到1726 J·kg-1，而15 日20:00 也是突然出现12 级大风的时间，21:00 风力就降到了9 级，随后的7 h，风力始终是8～9级。下沉对流有效位能的急剧增加伴随着突然出现短时12 级大风，说明15 日20:00 地面冷锋触发了对流，出现了短时雷暴大风，同时高空槽引导地面冷空气翻越天山，势能向动能转化，而很强的下沉对流有效位能有利于翻山气流快速下沉形成下坡风暴，翻山风和雷暴大风叠加而产生了短时的12级灾害性大风。短时雷暴大风结束后，高空短波槽引导的地面冷空气继续翻过天山形成下坡风，8级以上大风继续维持了7 h。

3.2 温度平流分析

根据位势倾向方程和ω方程，暖平流区有等压面升高，产生上升运动，低层减压，在冷平流区，等压面降低产生下沉运动，导致地面加压。不同区域冷暖平流不同，地面气压的改变导致气压梯度的改变，有利于形成大风。温度平流越强，越有利于大风的产生。从图5 的垂直风场变化情况来看，15 日08:00，阿克苏上空低层到中层风向随高度增加而顺时针旋转，表明中低层存在明显的暖平流；而15 日20:00，低层风场逆时针旋转，中层顺时针旋转，表明低层转为冷平流，中层依然是暖平流。阿克苏上空温度平流的高度时间剖面图（图6a）显示的更为清楚。在整个过程当中，阿克苏上空低层始终存在一个强冷平流中心，15 日夜间强度为-40×10-4K·s-1，16 日白天冷平流减弱，16 日夜间再次出现强度为-40×10-4K·s-1的中心，17日白天冷平流中心强度达-100×10-4K·s-1。冷平流中心最强的时段恰好是地面灾害性大风维持的时段。持续的冷平流一方面说明大气斜压性强，在力管作用下，冷空气趋于下沉，暖空气趋于上升，大气的势能转化为动能，下沉运动有利于大风产生［30］；另一方面，冷空气可以使地面变压加大，变压风也会加强地面的风速［31］。

图5 2019年8月15日阿克苏探空站T-lnP图Fig.5 T-lnP diagrams on 15 August 2019 at Aksu Sounding Station

图6 阿克苏上空的高度时间剖面Fig.6 Altitude time profile over Aksu Prefecture

3.3 高空急流和散度场分析

高空急流入口区易引发次级环流，其右侧（南部）辐散，下部产生上升运动，上升气流使锋前低压加强，其左侧（北部）辐合，下部产生下沉运动，下沉气流有利于锋后高压加强，冷锋前后气压梯度加强，近地层风速加大。从200 hPa 的风速分布可以看出（图略），15 日08:00，高空急流轴位于西天山上空，急流轴中心最大风速达60 m·s-1，急流轴呈西南—东北向，阿克苏地区位于高空急流轴南侧，向南的非地转风偏差分量使该上空有较强的高空辐散。由阿克苏上空散度的高度时间剖面图（图6b）上可以看到，过程前后200 hPa 高空始终是较明显的辐散，15 日08:00 在阿克苏上空200 hPa 有散度为3×10-5·s-1的辐散区。17 日08:00，高空急流轴中心最大风速达64 m·s-1，此时阿克苏上空300 hPa 有散度为10×10-5·s-1的辐散区，表明高空急流附近有较强的辐散。与此同时，700 hPa 始终是辐合区，散度为-4×10-5·s-1，16 日夜间散度达-8×10-5·s-1，17 日白天最强辐合区在500 hPa，散度达-10×10-5·s-1，而850 hPa 以下一直为较强的辐散区，17 日白天辐散最强，最大散度为8×10-5·s-1。结合8 月17 日14:00阿克苏上空垂直速度W沿41°N 的纬向剖面图可以看出，300 hPa以下垂直运动非常强，因此认为，高空急流引起高层、近地层辐散和中低层辐合，说明垂直运动和次级环流非常强，低层气流辐合下沉有利于大风的维持。

3.4 垂直速度分析

从阿克苏上空垂直速度ω的高度时间剖面图（图7a）上可以看到，过程前后，阿克苏上空800 hPa以下始终有较明显的下沉气流，15 日夜间下沉运动范围向上伸展到750 hPa附近，中心强度达1.5 Pa·s-1；17日白天下沉运动范围进一步向上伸展到500 hPa，中心强度达3 Pa·s-1，下沉运动最强的区域在近地层850 hPa 附近。同时从图7a 也可以看到，本次过程中，前2 次风速波动时，垂直下沉运动位于800 hPa以下，800 hPa 以上为上升运动；第3 次风速波动，虽然下沉运动范围向上伸展到了500 hPa，且下沉运动明显加强，但是500 hPa 以上依然为上升运动，这也再次说明本次过程中没有明显的动量从高层下传到低层。从阿克苏上空垂直速度W的纬向剖面及地形叠加图（图7b～d）可知，15日20:00（图7b），阿克苏以西区域整层均为较强上升气流，以东在600 hPa以下为较强下沉气流，阿克苏刚好位于上升气流与下沉气流的中间位置，而这也有利于触发阿克苏的强对流天气。20:00 随着翻山风与雷暴大风突然出现，82°E 以西区域600 hPa 以下均变成了下沉气流，下沉中心位于阿克苏上空800 hPa 附近；16 日08:00（图7c），500 hPa以下均为弱上升气流，09:00出现第二波大风以后，阿克苏上空依然是弱上升气流，这是由于引起第二波大风的短波槽较弱，引导的冷空气沿天山南坡下来以后，在阿克苏本地上空引起弱的上升运动，因此第二波大风时间相对较短，强度也相对较弱；16 日夜间（图略），300 hPa 以下均为上升气流，最强上升气流位于阿克苏偏东上空500～850 hPa，中心强度达7×10-2m·s-1。而随着主槽东移引导大量冷空气翻山，引起第三波大风，17日08:00（图7d），82°E以西区域500 hPa以下均变成强下沉气流，中心位于阿克苏上空700 hPa 附近。17 日14:00（图略），下沉气流中心下移到800 hPa 以下，此时也是出现过程次高值的时间。分析其原因，17 日白天阿克苏及以西区域500 hPa 以下均为强下沉气流，且当天的下沉气流最强，垂直下沉运动的中心就位于阿克苏上空800 hPa附近，强度达-7×10-2m·s-1，而阿克苏以东区域为较强的上升气流，中心强度达7×10-2m·s-1，而17日恰好主槽过境，从时间推算，14:00槽线恰好位于阿克苏上空（80.21°E，41.17°N），槽前为上升区，槽后为下沉区。这种槽前上升、槽后下沉运动，使大量扰动有效位能转化为扰动动能，形成斜压不稳定，使翻山风在下坡过程中风速增大并长时间维持。因此，第三波大风持续时间长达16 h，且从17 日14:00 起连续6 h 维持10～11 级，而第一波大风开始时在雷暴大风的加持下瞬间达到12级，之后维持在8～9级。

图7 阿克苏上空垂直速度的高度时间剖面和沿41°N的纬向剖面Fig.7 Altitude time profile of vertical velocity over Aksu Prefecture and latitudinal profile along 41°N

4 可预报性分析

本次灾害性大风天气在服务上出现了漏报，究其原因，主要有2个方面。漏报的第一个原因：模式预报误差。用8 月14 日20:00 初始场的ECMWF 模式资料与实况图进行了对比分析，结果表明，8月15日20:00 模式500 hPa 高度预报图中，低涡主体位置、形状、中心强度跟实况图差别不大，但是对分裂短波的走向预报跟实况差别较大，预报图中新疆脊较强，短波是沿脊后西南气流向东北移动扫过西国境线（图8a），随后低涡整体缓慢东移进入新疆。17日槽前西南气流控制了南北疆大部区域（图8b），系统的这种走势有利于新疆大部自西向东出现降水，而实况图中15日20:00至17日20:00，低涡先后分裂4 次，前2 次分裂的短波和最后1 次分裂后的低槽主体进入了南疆盆地，先后3 次引导地面冷空气翻过天山，系统的这种变化则是有利于天山南坡出现翻山大风。而EC-thin（欧洲中心细网格预报模式）的10 m 风场（图8c～d）和850 hPa 风场（图略）预报中，天山南坡没有预报大风天气，而是预报了弱的冬灌，这也有利于南疆西部的降水。因此，本场大风天气过程出现了漏报。而漏报的第2 个原因，则是15 日20:00，有短时对流性雷暴大风发生，与翻山风叠加，增大了风力的同时，也增加了预报难度。

图8 500 hPa高度预报场与实况场对比及EC-thin10 m风场预报Fig.8 500 hPa altitude prediction field versus live field and EC-thin10 m wind field forecast