沙漠腹地强沙尘暴过境的近地层湍流分析

摘要

沙尘暴北非、中东、美国中西部、澳大利亚一些地区、俄罗斯的中亚地区以及我国西北和华北等干旱荒漠地区特有的一种灾害性天气,直接影响人类的生存环境,危害极大.沙尘暴和扬沙天气具有显著的地域性,我国北方干旱、半干旱地区是沙尘暴和扬沙的易发区,尤其是西北地区为亚洲沙尘暴的多发区之一.研究表明,塔里木盆地是中国大陆沙尘暴活动最频繁的区域.实验采用的资料来自塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2006年建成的垂直梯度探测系统,其中的三维超声风速仪和温度仪可实现24小时实时监测超声风速和脉动温度变化.对2006年4月8日-13日塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过境期间的实时资料进行分析,结果表明:沙尘暴过境期间,近地层风速经历了逐渐增大,略有减小,再次增大直至到达最大值,随后逐渐减小,最后稳定变化的过程;风速变化的同时水平风向则经历了先缓慢跳跃,随后快速振荡跳跃,然后达到稳定少变,最后稳定结构崩溃又回到复杂的振荡跳跃期的过程.沙尘暴爆发过程中,0.5米高度30分钟平均风速达到7.34m/s,瞬时值达到13.1m/s,80米高度30分钟平均值为19.59m/s,瞬时风速高达25.7m/s.沙尘暴过境前,近地面附近为弱稳定的逆温层,空气处于暖干的状态,有利于起沙、扬沙,垂直气流在10m高度上表现为系统性的下沉运动,有利于沙尘的沉降;随着沙尘暴爆发,湍流交换增强,气温快速降低,日较差最高达到29.5℃,相对湿度逐渐上升,在气温最低时达到最大55%,空气进入相对冷湿状态,地面气压升高41.2hPa,气流有上升运动趋势,但强度不大;沙尘暴爆发过程中气流并不是各项同性的,垂直方向的湍流动能总体比较小,不及水平方向的1/5,说明湍流输送仍以水平方向为主,垂直方向仅有少量输送.沙尘暴过境期间,近地层10米高度动量向下输送,热量输送只有很小的上传趋势.在沙尘暴过境前,摩擦速度表现为正常的日变化特征;沙尘暴过境时,随着风速的突然增大,摩擦速度也有一个突变,迅速增大到0.8m/s以上,最大值可达到1.2m/s;沙尘暴过境后,随着风速的降低摩擦速度也逐渐回落到正常的日变化状态.