乌鲁木齐东南风时空分布及层结稳定度特征分析

Spatial and Temporal Distribution and Stratification Stability Characteristics of Southeast Wind in Urumqi

摘要

分析蒲氏3、6两级风力阈值下东南风时空分布、代表站气候变化、大风过程中层结稳定度特征，东南风季节变化的大气环流背景归因，结果表明：天山峡谷是乌鲁木齐东南风的主气流通道，峡谷北端向西北、东北延伸出两支大值区。两级阈值总体表现为冬季最强，春、秋季次之，夏季最弱；峡谷南北两端存在大值中心，大阈值全年及小阈值除冬季外北端强于南端。天山峡谷内冬季高发，夏季最低，峡谷出口、主城区、东北支为春、秋季高发，西北支春、秋、冬季高发。西北、东北两支上午高发，其他区域午后高发。乌鲁木齐、达坂城近50 a积风均呈现下降趋势，其中达坂城的下降速率比乌鲁木齐快。乌鲁木齐2000年之前快速下降，2000年后下降速率变缓；达坂城的变化特征恰好相反。乌鲁木齐存在12 a、5～7 a的周期，其中12 a周期最明显，达坂城在2000年前存在到6～8 a周期。强风过程中迎风坡1 900 m高度存在稳定层结带，背风坡稳定层结带在500 m高度。大风过程结束时，迎风坡稳定层结高度下降，背风坡稳定层结高度抬升、强度减弱。主城区、峡谷出口处东南风频率不高，但风速高于其他风向的风速；天山峡谷内、乌鲁木齐低空东南风秋、冬季频率及风速均强于其他季节。春季中纬度锋区活跃，易形成天山两侧气压场南高北低的形势且气压差较大，导致城区东南大风高发，秋、冬季蒙古国及我国内蒙古地区高压引起的回流和中低空反气旋环流造成天山峡谷及乌鲁木齐低空东南风常态化。

Abstract

This study analyzes the spatio-temporal distribution of southeast winds under Beaufort scale 3 and 6 wind thresholds, climate change at representative stations, and the stability characteristics of the atmospheric stratification during strong wind events. It also explores the atmospheric circulation responsible for the seasonal variation of southeast winds.The results show that:（1）The Tianshan Grand Canyon is the primary airflow channel for the southeast wind in Urumqi. Two areas with large values extend from the northern end of the Canyon to the northwest and northeast. The wind thresholds are strongest in winter, followed by spring and autumn, and weakest in summer. Large value centers are found at both the north and south ends of the Canyon, with the larger threshold consistently stronger at the north end than the south end throughout the year, except in winter. （2）The inter-monthly distribution characteristics show the highest frequency of southeast winds in winter and the lowest in summer within the Tianshan Grand Canyon. Wind frequency peaks in spring and autumn at the Canyon exit, the main urban area, and the northeast branch, while the highest frequency in the northwest branch occurs in spring, autumn, and winter. The diurnal variation shows a higher incidence in the morning along the northwest and northeast branches, while other areas experience peak occurrences in the afternoon. （3）The inter-annual variation characteristics at representative stations indicate that the annual accumulated wind in Urumqi and Dabancheng has decreased over the past 50 years, with the decline rate in Dabancheng being faster than in Urumqi. From 2000 onward, Urumqi experienced a rapid decline before 2000, followed by a slower decline after 2000, whereas Dabancheng showed the opposite trend. The variation cycles are as follows: Urumqi exhibits 12-year and 5-7 year cycles, with the 12-year cycle being the most prominent, while Dabancheng shows a 6-8 year cycle before 2000. （4）During strong wind events, a stable stratification zone is observed at a height of 1 900 m on the windward slope, and another stable stratification zone is present at 500 m on the leeward slope. At the end of the wind event, the stable stratification height on the windward slope decreases, while the stable stratification height on the leeward slope increases, and wind intensity weakens. （5）Although the frequency of southeast winds is relatively low in the main urban area and the exit of the Canyon, the wind speed is higher than that of other wind directions. The frequency and wind speed of low-level southeast winds in the Tianshan Grand Canyon and Urumqi are stronger in autumn and winter than in other seasons. （6）In spring, the mid-latitude frontal zone is active, leading to a situation of south-high and north-low pressure fields on both sides of the Tianshan Mountains. The resulting significant pressure differences contribute to the high frequency of southeast gales in the urban area. In autumn and winter, the backflow caused by the Mongolian high and the mid-low level anticyclone circulation contribute to the normal low-level southeast wind in the Tianshan Grand Canyon and Urumqi.

Graphical abstract

关键词

乌鲁木齐 / 东南风 / 时空分布 / 层结稳定度 / 环流归因

Key words

Urumqi / southeast wind / spatio-temporal distribution / stratification stability / circulation attribution

乌鲁木齐东南大风是新疆高影响天气研究的重点之一，具有显著的焚风特征，给人民生活生产、交通运输带来较大影响^[1]，诸多学者从不同的角度开展了研究，内容涉及天山大地形及天山峡谷地形作用^[2-5]、东南大风时空分布及温压湿等要素演变特征^[6-9]、山谷风环流及焚风特征^[10-12]、中尺度成因机理、风切变及低空大气结构特征^[5,13-20]，数值天气预报产品释用^[21]等。东南大风春、秋两季高发，尤以4、10月居多，持续时间从几个小时到3 d均有出现，南郊至西郊一线和市区较大^[5-21]。对乌鲁木齐东南风期间大气层结分析多采用探空或微波辐射观测资料分析逆温状况分析，没有考虑气流过山过程中迎风坡、背风坡层结的总体演变特征。

受资料限制，以往研究仅使用了2个测站的数据并使用大风过程的次数为计量单位进行分析，无法充分描述其精细特征。近年来，气象观测站网发展迅速，为乌鲁木齐区域内东南风精细化特征分析提供了数据支撑。本文使用更多的测站资料，分析东南风的时空分布精细特征，并对年变化、年代际变化进行讨论；使用层结稳定度相关物理量分析天山峡谷南北两端即气流过山过程中迎风坡、背风坡大气层结的变化特征；从环流形势演变的层面探讨东南风季节变化特征归因。

1 研究区域地形、资料与方法

1.1 地形概况

天山山脉中部存在西北—东南走向的天山峡谷（图1a）。天山峡谷宽度约10 km，两侧山体高度约3 000 m（图1b），谷底海拔高度1 100～1 200 m，海拔高度高于峡谷两端的盆地（图1c）。当天山两侧气压场为北疆高、南疆低时，气流可穿越峡谷，受峡谷内地形强制作用转为西北—东南向运动，形成达坂城到吐鲁番盆地的西北风^[22-25]，反之则形成达坂城到乌鲁木齐城区（南郊）的东南风。

1.2 “积风”的概念

东南风天气过程的持续时间和风速差异较大，既往的研究中普遍使用大风过程的次数为计量单位，这种计量方式无法体现出过程的持续时间和风速大小，受农业气象学中“积温”概念的启发，提出“积风”的计量方法。

东南风积风：对于一个气象观测站，在特定时段内的规定观测时次，当风向在16分位风向东东南至南东南之间（即112.5°E～157.5°E）且风速大于一定阈值时，将风速累加即可得到东南风积风，积风的单位为m·s^-1。站点东南风积风可以同时体现东南风的频次和风速，较大风过程次数的计量方式更为量化和客观，本研究中选取乌鲁木齐辖区内各区县61个地面气象观测站（图1d）1991—2020年的资料，观测时次为北京时02:00、08:00、14:00、20：00，风观测项目选取2 min平均风速及方向。风速阈值确定为3.4 m·s^-1（蒲氏3级）、10.8 m·s^-1（蒲氏6级）。时段划分：年统计按照每年1—12月，四季以 3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。取样时间间隔为6 h。

1.3 小波分析

小波分析可用于时间序列的周期分析。常用的有Morlet能谱小波函数，具体方法如下：

Ψ（t)=e-2^πit exp［-(2π/kФ)²|t|²］，（1）

小波变换系数为：

ξ(t′，a)=a^-1/2\int f(t)\Psi^* (t|a-t′|a)dt。（2）

ξ(t′,a)是小波系数，f(t)是时间序列，\Psi^*是\Psi的共轭函数。

1.4 浮力频率

浮力频率可用于描述大气层结稳定度特征^[5]，定义为：

N²=［（g/θ）（\partialθ/\partialz）］。（3）

式中：θ为位温，位温定义为气块沿干绝热线运动到1 000 hPa时的温度。θ计算公式如下：

θ=T{\left(\frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{p}\right)}^{\frac{R_{\mathrm{d}}}{C_{\mathrm{p}\mathrm{d}}}}，（4）

式中：T为气温，P为气压，R_d为干空气气体常数，C_pd为干空气定压比热。

浮力频率值＞2×10^-4 s^-2时认为大气为稳定层结，值越大层结越稳定^[5]。

2 东南风积风空间分布特征

吕新生等^[12]指出，乌鲁木齐存在显著的山谷风，年平均日数达245 d，山风和谷风的平均风速分别为1.1、1.6 m·s^-1。为剔除山谷风的影响，对3.4 m·s^-1以下风速不予考虑，分别统计 3.4、10.8 m·s^-1两级阈值的东南风积风。

2.1 <bold>3.4 m·s^-1</bold>阈值东南风积风

图2为乌鲁木齐区域内3.4 m·s^-1阈值的逐季节平均东南风积风散点填色图，散点为站点东南风积风；对数值大小在前20%的站点（共12个）填写了东南风积风值（蓝色字）和站名（红色字）。

春季天山峡谷内从达坂城至乌拉泊、红雁池一线东南风积风较大（图2a），在峡谷北端东南风分为西北和东北两支，西北支延伸至头屯河区马家庄子，东北支顺水磨沟区、米东区沿东天山区域分布。大值区域集中在天山峡谷北端，最大中心位于天山区红雁池达385 m·s^-1。夏季东南风积风值明显减小（图2b），除水磨沟区康普水库在186 m·s^-1外，其余站点均不足100 m·s^-1，大值区由峡谷北端向东北延伸至米东区峡门子。秋季东南风积风值总体略大于春季（图2c），天山峡谷两端形成两个大值中心，其中北端的乌拉泊455 m·s^-1略强于南端的达坂城428 m·s^-1。由北端向西北和东北两支延伸中，西北支略强并延伸至八钢附近。从季节分布看，冬季东南风积风最大，最大中心在达坂城，达1 158 m·s^-1，远大于次高值716 m·s^-1（乌拉泊），峡谷北端向西北和东北延伸的2支大值区中，西北支更大。

2.2 <bold>10.8 m·s^-1</bold>阈值东南大风积风

图3为乌鲁木齐区域内10.8 m·s^-1阈值的逐季节平均东南风积风散点填色图，对数值大小在前20%的站点填写了数值（蓝色字）和站名（红色字）。春季东南大风积风大值区在天山峡谷北端（图3a），最大值在红雁池，为333 m·s^-1；次大值在乌拉泊，为136 m·s^-1；达坂城为9 m·s^-1。峡谷北端向西北和东北延伸的2支大值区依然存在，但东北支强度弱于西北支。夏季东南风积风强度为四季最弱，仅峡谷北端存在弱的大值区，最大中心红雁池为33 m·s^-1，约为春季的10%（图3b）。秋季峡谷北端高值区强度略小于春季，而南端达坂城的强度高于春季（图3c）。冬季天山峡谷内以及峡谷北端向西北延伸至八钢一线的强度为四季最强，峡谷两端存在2个高值中心，分别为峡谷南端的达坂城（1 158 m·s^-1）和北端的乌拉泊（716 m·s^-1）（图3d）。

3 代表站东南风积风变化特征

3.1 月际分布特征

选取代表站3.4 m·s^-1阈值月平均东南风积风月际分布进一步分析，其中主城区选取乌鲁木齐站，天山峡谷北端出口选取红雁池站，天山峡谷南北两端分别选达坂城站、乌拉泊站，峡谷北端向西北、东北两个方向延伸的东南风积风大值区分别选八钢、康普水库。图4为6站平均东南风积风的月际分布。乌鲁木齐东南风积风呈双峰型分布（图4a），主峰值在4月，次峰值在9月，1月最小，年内呈“春、秋季高，冬、夏季低”的特征；4个观测时间中14:00时段东南风积风占比最高，为37.7%，远高于其他时段，说明乌鲁木齐东南风主要在午后发展维持，夜间东南风积风值总体较小。红雁池东南风积风也呈双峰型分布（图4b），主峰值（4月）与次峰值（11月）较接近，冬季明显大于夏季，呈春、秋、冬季高而夏季低的特征，14:00时段占比最高，与02:00、08:00两时段的值较接近。天山峡谷内的乌拉泊（图4c）、达坂城（图4d）两站东南风积风均呈U型分布，冬季远高于夏季。八钢东南风积风呈U型分布，但4月存在峰值，兼具天山峡谷内和出口处的特征，年内呈“秋、冬、春季高，夏季低”的特征。日变化表现为08:00时段最强，午后减弱。康普水库总体呈双峰型分布，以秋季为主峰值，春季为次峰值，08:00时段最强，14:00、20:00时段占比合计不足10%。

3.2 年际变化及周期特征

选取站点中资料序列最长（1976—2023年）的乌鲁木齐、达坂城站进行东南风积风年际变化及周期进行分析。乌鲁木齐站历史上经历多次迁站，其中1976年1月1日迁站水平距离超过20 km，站点海拔高度增加约260 m。2000年1月1日迁站，水平距离约1 km，海拔高度增加约18 m，2000年1月1日迁站后风速略有增加^[26]，可以视为连续序列。乌鲁木齐、达坂城东南风积风均呈下降趋势，达坂城的下降速率为36.4 a^-1，较乌鲁木齐13.8 a^-1更快。逐年代平均来看，乌鲁木齐2000年之前快速下降，1981—1990年平均积风为857 m·s^-1,1991—2000年平均积风为666 m·s^-1，2000年后下降速率变缓（表1），1976—2000年下降速率为21.6 a^-1，2001—2023下降速率为4.1 a^-1，（图5a）；达坂城的逐年代平均的变化趋势表现为：2000年前下降速率较慢，为6.3 m·s^-1a^-1，2000年之后增加到60.8 m·s^-1a^-1（表1，图5b）。

乌鲁木齐存在12 a左右的振荡周期（图5c），尤其在2000年之前最显著，经历了4次“增大—减小”的波动变化；1976—2005年存在明显的5～7 a的振荡周期，2010年后5～7 a周期变化不明显。达坂城周期变化不如乌鲁木齐显著（图5d），主要在1976—2000年存在7～8 a的振荡周期，期间经历了2次“增大—减小”的循环变化，2000年之后7～8 a的振荡周期趋于减弱。

4 层结稳定度特征

背风坡下坡风往往伴随中低空层结稳定度的变化^[27]，为综合分析气压梯度作用下，气流从吐鲁番盆地爬坡由南端进入天山峡谷，在峡谷内加速并在天山峡谷北端下坡形成东南大风过程中，迎风坡、背风坡处中低空的大气层结稳定度的演变，将峡谷南端入口处的小草湖（海拔593 m）作为迎风坡参考站，峡谷北端红雁池（海拔1 007 m）作为背风坡参考站，选取近年来典型东南风过程进一步分析，重点讨论大风起止过程中迎风坡、背风坡低空浮力频率的生消演变过程，浮力频率使用ERA5再分析资料计算得到。ERA5资料使用逐小时分辨率，垂直方向上为1 000 、975、950、925、900、875、850、825、800、775、750、700、650、600、550、500 hPa共16层，逐层计算浮力频率，格点计算后使用双线性发插值到站点。

图6为4场东南大风过程中的迎风坡、背风坡浮力频率的时间高度图及其对应的红雁池实况风速。强风过程中，中低空往往伴随着浮力频率高值区，即大气稳定层结的维持，但迎风坡、背风坡上空稳定层结的强度和高度不同。背风坡稳定层结大值中心高度在900～800 hPa，主体在850 hPa，考虑到背风坡参考站红雁池海拔高度为1 007 m，可以初步认为背风坡稳定层结高度大致在距离地面500 m高度。迎风坡的稳定层结的大值中心大致在800～700 hPa，主体在750 hPa，迎风坡参考站小草湖海拔高度593 m，可以认为迎风坡稳定层结的高度大致距离地面1 900 m。迎风坡2 000 m高度存在稳定层结，坡底气块抬升爬坡进入天山峡谷过程中，无须进入或穿越稳定层结，气块的能量变化主要体现为动能转化为势能，其抬升过程中受到的抑制也主要来自于此，层结对抬升的抑制较少。背风坡500 m高度存在稳定层结，气块下沉运动加强。迎风坡稳定层结高度下降及背风坡稳定层结高度抬升、强度减弱时，风速减小，大风过程结束。

5 东南风时空分布归因分析

东南风的空间分布存在显著的季节变化特征，以下进一步分析各风向中东南风频次、强度的季节变化特征，并结合大尺度环流背景探讨东南风时空分布归因。

5.1 代表站风玫瑰特征

选取乌鲁木齐、达坂城、红雁池10 m风代表地面风场，选取乌鲁木齐探空700、850 hPa代表中低空风场。

乌鲁木齐10 m风各季节的风玫瑰图上（图7a1～a4），春季偏北风、偏西南风频次较高但风速较小，风速较大的为东南风（含ESE、SE、SSE风向，下同），春季东南风的频次及风速均为最高，其次是秋季。这样的季节分布与既往文献中乌鲁木齐东南风春、秋季高发的结论一致，冬、夏季东南风频次低且风速小。各季节风向风速分布的共同特征为：除东南风之外，其他风向的频次大多高于东南风，但风速不大。

红雁池位于天山峡谷北端，盛行风向一定程度上受天山峡谷地形强迫作用影响（图7b1～b4），频率上，西北（偏北）风高于东南风；风速上，西北风各季节接近，东南风除夏季风速接近西北风外，其余3个季节东南风显著强于西北风，其中秋、冬季风速更大。

达坂城位于天山峡谷南端，受到天山峡谷地形强迫作用，盛行风向与峡谷走向基本一致（图7c1～c4）。春、夏季，受北支冷空气活动影响，盛行风为西北风；秋季西北风依然强盛，但东南风明显较春、夏季增强；冬季盛行风为东南风，西北风显著减小。就全年来看，从春季到冬季，西北风频率及风速逐渐下降，东南风逐渐增加。

乌鲁木齐气象站探空850、700 hPa高度的风玫瑰图上（图7d1～d4，图7e1～e4），与10 m高度风场不同之处在于，850 hPa除夏季外，其他季节均存在明显的东南风，且风速大于西北风，冬季东南风的频率及风速显著高于其他风向，其特征与达坂城10 m风场大体相同。700 hPa风玫瑰上，西北风的频率及风速均大于东南风，依然存在一定占比的东南风，但频率及风速较850 hPa明显下降，其季节变化表现为冬季最高。

5.2 大气环流归因分析

春季极锋锋区与副热带锋区共同影响新疆（图8a），500 hPa图上表现为平直的西风气流。海平面气压场分布图（图8b）上，新疆北部存在一个高压区域。春季，冷暖空气交绥频繁，易出现北疆的锋前减压及南疆的冷空气回流，形成天山两侧气压场南高北低的形势，造成天山峡谷北端出口及城区东南风多发。

夏季500 hPa图上副热带锋区活跃（图8c），新疆处于巴尔喀什湖槽前西南气流区。副热带锋区南北震荡及锋区多短波活动，形成新疆多降水天气。海平面气压场上乌鲁木齐处于相对的均压场之中（图8d)，这样的环流形势不利于东南风形成。

秋季环流相对稳定，演变不及春季表现剧烈（图8e），极锋锋区逐渐加强并南压，副热带锋区逐渐收缩南撤，新疆受弱脊控制。海平面气压场上，蒙古国及我国内蒙古地区高压发展，受其反气旋环流影响，达坂城上空850 hPa风场出现东南风（图8f），对应地面风场达坂城、红雁池东南风频率及强度增大。

冬季新疆脊比较稳定（图8g），极峰急流位置偏北。地面图上蒙古国及我国内蒙古地区高压达到最强（图8h），850 hPa反气旋风场在吐鲁番盆地存在偏东风，达坂城的东南风较秋季有所加强，造成天山峡谷内、乌鲁木齐850 hPa探空东南风的频率达到四季最高。春、冬季在乌鲁木齐850 hPa高度均存在显著的东南风，地面东南风在春、冬季差异显著，其原因有待进一步研究。

6 结论和讨论

（1）乌鲁木齐区域东南风时空分布特征为：天山峡谷内多发，峡谷内存在南北端2个大值中心；峡谷北端延伸出两支大值区，向西北伸展至八钢一线以及向东北延伸至康普水库、峡门子一线；小阈值风速，东北支总体多于西北支，大阈值风速分布相反。两级阈值东南风积风总体表现为冬季最高，春、秋季次之，夏季最低；大阈值四季及小阈值除冬季外，峡谷北端多于南端。

（2）天山峡谷东南风积风月际变化呈U型，峡谷出口下坡及主城区呈春季为主、秋季次之的双峰型。峡谷北端西北支大值区兼具U型与双峰特征，东北支呈秋季为主、春季次之的双峰型。天山峡谷内、下坡处、主城区14:00时段占比最高，西北、东北两支08:00时段占比最高。

（3）近50年乌鲁木齐、达坂城东南风积风均呈下降趋势，达坂城的下降速率为36.4 a^-1，较乌鲁木齐的13.8 a^-1更快。逐年代平均来看，乌鲁木齐2000年之前下降速率为21.6 a^-1，较2000年之后的下降速率（4.1 a^-1）更快；达坂城的逐年代平均的变化趋势表现为2000年前下降速率较慢，为6.3 a^-1，而2000年之后下降速率激增，为60.8 a^-1。乌鲁木齐存在12 a的强周期和5～7 a的弱周期，达坂城存在7～8 a的弱周期。

两站的东南风积风变化周期表现为：乌鲁木齐存在12 a左右的振荡周期，尤其在2000年之前最显著，经历了4次增大-减小的循环变化；1976—2005年5～7 a的振荡周期比较明显，也经历了4次正值区和负值区的交替变化，2010年后5～7年周期变化不明显。达坂城周期变化不如乌鲁木齐显著，主要在1976—2000年存在7～8 a的振荡周期，期间经历了2次增大-减小的循环变化，2000年之后7～8 a的振荡周期趋于减弱。

（4）迎风坡1 900 m高度存在稳定层结，坡底气块抬升爬坡进入天山峡谷过程中，不受大气层结抑制。而背风坡500 hPa高度存在稳定层结，气块下沉运动加强。风速减小、大风过程结束多伴随迎风坡稳定层结高度下降及背风坡稳定层结高度抬升或强度减弱。

（5）代表站风玫瑰特征：主城区、峡谷出口下坡处东南风频率不高，但风速明显高于其他风向的风速；天山峡谷内、乌鲁木齐低空东南风秋冬频率及风速均强于其他季节。

（6）大气环流季节变化归因：极锋锋区、副热带锋区、蒙古国及我国内蒙古地区高压的位置与强度变化对乌鲁木齐东南风的季节变化影响显著，春季西风带天气系统活跃、冷暖空气交绥剧烈，易于出现天山两侧南高北低的气压场分布，使得东南大风高发；秋冬蒙古国及我国内蒙古地区高压的反气旋环流，造成天山峡谷及乌鲁木齐低空东南风常态化存在。

（7）乌鲁木齐区域内不同位置的东南风月际变化呈截然不同的双峰型或U型两类分布，其起因可能与引起气压场南高北低的影响系统及蒙古国及我国内蒙古地区高压调整有关，东南风在低空的生消及其是否接地也会影响到东南风时空分布的变化。乌鲁木齐、达坂城两站年际变化趋势呈相反特征的原因有待进一步研究。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42165002)

新疆维吾尔自治区重点基金项目(2024D01D33)