0 ℃层高度是预报汛期强对流天气的重要依据(濮文耀等, 2015), 其与中国西部天山、昆仑山和祁连山等水文站径流量普遍表现为正相关, 西北干旱区夏季0 ℃层高度的升降已成为影响河流径流量变化的一个至关重要的因素, 祁连山北坡夏季径流量对0 ℃层高度变化的敏感性系数为2.79(秦艳等, 2011; 强芳等, 2016; 商莉等, 2016; 陈忠升等, 2012)。0 ℃层高度与地面温度呈正相关性, 其空间变化通常与纬度和海拔相关, 北京再分析资料和观测资料地面气温与0 ℃层高度的相关系数均大于0.9(曹杨等, 2017); 近50年来, 祁连山北坡夏季0 ℃层高度上升趋势显著(毛炜峄等, 2016; 黄小燕等, 2011, 2017; 周盼盼等, 2017)。

河西走廊位于甘肃西部, 祁连山北坡, 气候干旱, 年降水量大多不足200 mm, 走廊地势平坦, 海拔在1500 m左右, 境内戈壁和沙漠广泛分布, 是我国大风沙尘暴的高发区和重灾区, 生态环境问题较为严重(韩永翔等, 2005; Yang et al, 2007; Choi et al, 2008; 王琼真, 2012; 郭勇涛, 2013; 李岩瑛等, 2008, 2013)。本文应用河西走廊仅有的4个高空观测站逐日07 : 00和19 : 00 0 ℃层高度资料, 目的在于探讨干湿、不同灾害天气与0 ℃层高度的相关关系, 试图为灾重天气开启新的预报思路。

河西敦煌、酒泉、张掖、民勤4个观测站海拔在1100~1500 m, 年均气温在8~10 ℃, 年均降水量在40~130 mm, 年均≥1 mm降水日数不足30天, 干旱少雨, 光照强, 风沙多(1981—2010年气候资料)。其中汛期5—10月降水量占全年总降水量的75% ~90%, ≥1 mm降水日数占全年总≥1 mm降水日数的68% ~85% [图 1, 图 1是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2893号的中国地图制作, 底图无修改]。文中日降水量≥0.1 mm表示湿天气, 无降水或日降水量为0.0 mm表示干天气(李岩瑛, 2009)。

图 1(Fig. 1)

图 1 河西走廊4个观测站海拔(a, 单位: m)、气温(b, 单位: ℃)、降水量(c, 单位: mm)和降水日数(d, 单位:天)分布 Fig. 1 Distribution of altitude (a, unit: m), temperature (b, unit: ℃), precipitation (c, unit: mm) and precipitation days (d, unit: d) at 4 stations over Hexi Corridor

应用河西4个站点2006—2015年5—10月逐日07 : 00(北京时, 下同)和19 : 00 0 ℃层高度探空资料, 分析得出河西5—10月平均0 ℃层高度在4100~4300 m, 气压在605~620 hPa, 温度露点差在10~16 ℃, 其中0 ℃层高度、气压有明显的日变化, 0 ℃层高度19 : 00比07 : 00高60~120 m, 气压小5~10 hPa, 地理分布上民勤、敦煌较高, 酒泉最低。温度露点差中民勤、敦煌日变化显著, 清晨较湿, 从干到湿分别为敦煌、民勤、酒泉和张掖(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 河西走廊07 : 00和19 : 00 0 ℃层高度(a)、气压(b)及温度露点差(c)对比 Fig. 2 Comparison of 0 ℃ isotherm height (a), pressure (b) and temperature dew point difference (c) between 07 : 00 and 19 : 00 over Hexi Corridor

年际变化中0 ℃层高度2013年最高在4200 m以上, 其次是2010年, 比2013年略低一点; 气压的变化则相反, 在2013年和2010年较低, 在600 hPa左右。温度露点差中07 : 00 2009年河西中西部较大, 敦煌、酒泉和张掖分别为18, 15和12 ℃, 而东部的民勤在2006年较大, 达15 ℃; 19 : 00大值年为敦煌2008—2009年接近19 ℃、酒泉2010年达15 ℃, 张掖和民勤均出现在2008年分别达12和15 ℃(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 2006—2015年5—10月逐日07 : 00(上)和19 : 00(下)河西0 ℃层高度(a, d)、气压(b, e)及温度露点差(c, f)的年际变化 Fig. 3 Annual variation of daily 0 ℃ isotherm height (a, d), pressure (b, e) and temperature dew point difference (c, f) at 07 : 00 (up) and 19 : 00 (down) from May to October during 2006—2015 over Hexi Corridor

河西0 ℃层高度月际变化从低到高为10月、5月、9月、6月、8月、7月, 高度分别从10月的3300 m、5月的3700 m升高到6—9月的4000 m以上, 7月最高接近5000 m左右。相应气压分别从10月的680 hPa、5月的630 hPa下降到6—9月的620~560 hPa, 7月最低接近560 hPa左右(图 4)。

图 4(Fig. 4)

图 4 2006—2015年5—10月逐日07 : 00和19 : 00河西0 ℃层高度(a)、气压(b)及温度露点差(c)的月变化 Fig. 4 Monthly variation of daily 0 ℃ isotherm height (a), pressure (b) and temperature dew point difference (c) between 07 : 00 and 19 : 00 from May to October during 2006—2015 over Hexi Corridor

0 ℃层高度19 : 00比07 : 00高, 5—7月高出100 ~170 m, 8—9月高出60~90 m, 10月接近。0 ℃层气压19 : 00比07 : 00低5~13 hPa, 10月无差别, 5月相差较大为13 hPa。温度露点差T-Td在10~17 ℃, 6—7月为10~11 ℃, 5月、10月为16~17 ℃, 19 : 00比07 : 00略大一点, 但相差小于0.5 ℃。

湿天气时, 0 ℃层高度月际变化从低到高为10月、5月、9月、6月、8月、7月, 高度分别从10月的2700 m、5月的3300 m升高到6—9月的4000 m以上, 7月最高接近4800 m左右; 相应的气压分别从10月的740 hPa、5月的680 hPa下降到6—9月的610~570 hPa, 7月最低接近570 hPa。T-Td≤9 ℃, 6—9月07 : 00 T-Td≤5 ℃(图 5)。

图 5(Fig. 5)

图 5 5—10月07 : 00和19 : 00河西干天气和湿天气时0 ℃层高度(a)、气压(b)及温度露点差(c)的月变化 Fig. 5 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height(a), pressure (b) and temperature dew point difference (c) at 07 : 00 and 19 : 00 when the weather is dry or wet from May to October over Hexi Corridor

干天气时, 0 ℃层高度月际变化从低到高为10月、5月、9月、6月、8月、7月, 高度分别从10月的3300 m、5月的3800 m上升到6—9月的4100 m以上, 7月最高接近5000 m左右; 相应的气压分别从10月的680 hPa、5月的630 hPa下降到6—9月的620~550 hPa, 7月最低接近550 hPa左右。温度露点差中5月、10月为17 ℃, 6—9月在11~14 ℃, 7月较小为11 ℃。

干湿天气对比中(图 5), 0 ℃层高度中干天气比湿天气高, 19 : 00高出200~700 m, 而07 : 00高出50~640 m, 5月、10月差距大, 8—9月差距小, 早晚变化湿天气时差距小, 干天气时差距大。温度露点差在湿天气时19 : 00比07 : 00高2~3 ℃, 但干天气时早晚变化较小。

0 ℃层高度与近地面温度关系密切, 而灾害性天气发生时高空有冷空气, 近地面常常伴有强烈的增温变化, 高低空热力对流旺盛, 因而0 ℃层高度高。

运用月均资料计算河西4个站点0 ℃层高度变量与各气象要素的相关系数(表 1)显示, 0 ℃层高度与日极端气温、0 cm最低地温关系最为密切, 日极端气温越高, 0 ℃层高度越高, 19 : 00 0 ℃层高度与张掖、民勤的最低气温、0 cm最低地温相关性最好, 系数均达0.95以上。温度露点差(T-Td)与日降水量、日最低气温和0 cm最低地温成反相关, 而与气温日较差成正相关, 日降水量越大、日最低气温越低、气温日较差越小, 温度露点差值越小, 湿度越大; 张掖相关较好, 与日较差和0 cm最低地温的相关系数均达0.7以上。表中相关系数均通过通过了0.01的显著性水平检验。

表 1(Table 1)

表 1 河西4个站点0 ℃层高度、温度露点差与各气象要素的相关系数 Table 1 Correlation coefficients between 0 ℃ isotherm height, temperature dew point difference and meteorological elements at 4 stations over Hexi Corridor 0 ℃层变量 气象要素 敦煌 酒泉 张掖 民勤 07:00 0 ℃层高度 日最高气温(Tg) 0.91 0.91 0.89 0.88 日最低气温(Td) 0.91 0.92 0.92 0.92 0 cm最低地温(Td0) 0.92 0.93 0.93 0.94 19:00 0 ℃层高度 日最高气温(Tg) 0.94 0.93 0.93 0.92 日最低气温(Td) 0.94 0.94 0.95 0.95 0 cm最低地温(Td0) 0.94 0.94 0.95 0.96 07:00温度露点差 日降水量(R) -0.41 -0.61 -0.52 R白天=-0.43 日最低气温(Td) -0.63 -0.68 -0.64 -0.55 0 cm最低地温(Td0) -0.64 -0.76 -0.71 -0.60 日较差(Tg-Td) 0.77 0.52 0.79 0.61 19:00温度露点差 日降水量(R) -0.38 -0.60 -0.52 R白天=-0.37 日最低气温(Td) -0.66 -0.58 -0.66 -0.57 0 cm最低地温(Td0) -0.65 -0.67 -0.72 -0.62 日较差(Tg-Td) 0.74 0.53 0.74 0.54 加粗部分表示在各因子中相关性较好

表 1 河西4个站点0 ℃层高度、温度露点差与各气象要素的相关系数 Table 1 Correlation coefficients between 0 ℃ isotherm height, temperature dew point difference and meteorological elements at 4 stations over Hexi Corridor

进一步应用河西4站逐日0 ℃层高度、极端气温和0 cm地温资料, 分析不同天气出现时他们之间的相关系数(表 2)。19 : 00较07 : 00 0 ℃层高度与极端气温和0 cm地温的相关性较好, 日最高气温和0 cm平均地温的相关系数达0.7以上, 但由于≥35 ℃高温和雷暴天气发生时, 近地面温度本身就高, 相关不太明显。

表 2(Table 2)

表 2 河西不同天气时0 ℃层高度与极端气温、0 cm地温的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between 0 ℃ isotherm height and the extreme temperature and 0 cm ground temperature in different weather conditions over Hexi Corridor 0 ℃层 气象要素 大风 扬沙浮尘 沙尘暴 高温 无降水 有降水 雷暴 07:00 0 ℃层高度 日最高气温(Tg) 0.80 0.75 0.79 0.33 0.77 0.75 0.35 日最低气温(Td) 0.75 0.71 0.72 0.47 0.73 0.71 0.52 0 cm平均地温(T0) 0.64 0.66 0.39 0.22 0.70 0.66 0.35 0 cm最低地温(Td0) 0.66 0.65 0.56 0.45 0.71 0.64 0.52 19:00 0 ℃层高度 日最高气温(Tg) 0.81 0.82 0.75 0.38 0.82 0.82 0.44 日最低气温(Td) 0.74 0.69 0.72 0.41 0.72 0.69 0.57 0 cm平均地温(T0) 0.77 0.78 0.72 0.28 0.77 0.78 0.46 0 cm最低地温(Td0) 0.62 0.64 0.52 0.40 0.68 0.64 0.51

表 2 河西不同天气时0 ℃层高度与极端气温、0 cm地温的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between 0 ℃ isotherm height and the extreme temperature and 0 cm ground temperature in different weather conditions over Hexi Corridor

降水也是河西重要的天气之一, 强降水(暴雨)会引发、泥石流、洪涝等次生灾害, 比较不同量级降水是为了预防强降水的发生, 为强降水预报预警提供阀值。如最为干旱的敦煌阳关南临祁连山, 每年汛期都会受到来自肃北、阿克塞和当地洪水的影响, 2~3年就有一场特大洪灾, 而夏季0 ℃层高度的升降与祁连山的径流量、洪水多少有关(李培都等, 2018; 段圣泽等, 2018)。

前一日20 : 00至当日20 : 00的降水量为今日日降水量, 前一日20 : 00至当日08 : 00的降水量为今日夜间降水量, 当日08 : 00—20 : 00的降水量为今日白天降水量, 进一步分析降水昼夜变化中0 ℃层高度的变化特征。

有降水时, 0 ℃层高度在3000~4800 m, 气压在750~570 hPa, T-Td < 8 ℃。夜间降水中19 : 00的0 ℃层高度比07 : 00高100~250 m, 气压低22~8 hPa, T-Td中07 : 00小于6 ℃, 19 : 00大于8 ℃。但白天降水中除7月相差不大外, 19 : 00的0 ℃层高度比07 : 00低70~200 m, 气压高20~5 hPa, 07 : 00 6—10月T-Td < 5 ℃, 19 : 00小于8 ℃(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 河西昼(上)、夜(下)降水时0 ℃层高度(a, d)、气压(b, e)及温度露点差(c, f)的月变化 Fig. 6 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height (a, d), pressure (b, e) and temperature and dew point difference (c, f) during daytime (up) and night (down) precipitation over Hexi Corridor

24 h降水量在0~9.9 mm、10~24.9 mm和25~49.9 mm时, 分别为小雨、中雨和大雨。07 : 00, 0 ℃层高度中6—7月大雨较高达4500~4900 m, 8—9月中雨较高达4100~5000 m, 6—9月气压为630~550 hPa, T-Td中从小到大为大雨、中雨和小雨, 相应最大值分别为2 ℃、5 ℃和7 ℃(图 7)。

图 7(Fig. 7)

图 7 河西不同降水量级时07 : 00(上)和19 : 00(下)的0 ℃层高度(a, d)、气压(b, e)及温度露点差(c, f)的月变化 Fig. 7 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height (a, d), pressure (b, e) and temperature dew point difference (c, f) at 07 : 00 (up) and 19 : 00 (down) at different precipitation levels over Hexi Corridor

19 : 00, 0 ℃层高度小雨除7—8月略低于中雨外, 其他月高于中雨, 10月比中雨高1200 m以上, 6—8月大雨较高为4900 m左右; 6—9月气压为630~570 hPa; 温度露点差在小雨、中雨情况下相应最大值分别为9 ℃和5 ℃, 大雨情况下变率较大, 7月、9月小于2 ℃, 而6月、8月则大于10 ℃。

有雷暴出现时, 0 ℃层高度在5月、10月达3600~3700 m, 6月、9月在4200~4400 m, 7—8月较高, 达4700~4900 m。早晚对比显示, 5月和9月0 ℃层高度在07 : 00比19 : 00高100~200 m, 其他月份均是19 : 00高于07 : 00, 但6月、8月仅相差20 m, 7月、10月相差150 m左右; 气压在660~560 hPa, 早晚变化不明显。温度露点差5月较大, 为11 ℃, 其他月份温度露点差均≤7 ℃。分析说明雷暴天气时, 0 ℃层高度在3600~4900 m, 温度露点差≤7 ℃, 湿度较大(图 8)。

图 8(Fig. 8)

图 8 河西雷暴天气时的0 ℃层高度(a)、气压(b)及温度露点差(c)的月变化 Fig. 8 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height(a), pressure (b) and temperature dew point difference (c) in thunderstorm weather over Hexi Corridor

河西地区沙尘暴的高发期是4—5月, 但强沙尘暴主要集中在4—6月, 5—6月的沙尘暴灾情也较重, 往往伴随大风和强降水, 所以分析很有必要。

以上分析说明0 ℃层高度与地面极端气温、0 cm地温关系密切, 气温、地温越高, 0 ℃层高度越高。在沙尘暴出现之前近地面气温和地温都较高, 据民勤2006—2015年5—9月沙暴统计, 在沙尘暴出现前一天或当日0 cm地温均在40 ℃以上, 其中50 ℃以上占87%。汛期河西4站沙暴出现时0 cm地温最高在70 ℃以上, 按高度0.6 ℃·(100m)^-1递减率计算, 0 ℃层高度可以达到5000 m以上。

据2006—2017年1—12月河西4个站点沙尘暴天气影响系统分析, 西风槽占66%, 西北气流中下滑冷平流占28%, 平直西风气流型占6%。如民勤汛期5—9月沙尘暴影响系统中西风槽占83.3%, 西北气流中下滑冷平流占8.3%, 平直西风气流型占8.3%;汛期沙尘暴中伴有17 m·s^-1以上大风的占83.3%, ≥0.1 mm降水的占95.8%。因而汛期的沙尘暴出现前常伴随地面强烈的升温, 当有冷空气来临时, 对流层低层的干暖空气与中高层的冷空气形成上冷下暖剧烈的热力对流, 致使上升运动加强, 风速增大, 容易形成大风沙尘暴天气。

大风与沙尘密不可分, 为了更深入地了解风沙天气中0 ℃层高度的变化, 突出汛期沙尘暴的0 ℃层特征, 把天气细分为大风、浮尘扬沙和沙尘暴进行对比分析(图 9): 0 ℃层高度大风与浮尘扬沙差距不大, 但沙尘暴07 : 00 7—9月明显比前两者高出300~500 m, 7—8月在5000 m以上, 8月高达5300 m; 19 : 00沙尘暴除8月较大风和浮尘扬沙高出300 m, 其他月份三者差距较小。0 ℃层气压在700~540 hPa, 其中最低值出现8月07 : 00, 对应沙尘暴天气, 最高值则出现在10月, 浮尘扬沙和沙尘暴天气均接近700 hPa。5—9月07 : 00沙尘暴显著较大, 温度露点差也有显著变化, 8月最大达23 ℃; 而在19 : 00, 温度露点差明显变小, 6—10月沙尘暴最小, 温度露点差小于等于7 ℃。

图 9(Fig. 9)

图 9 河西风沙天气时07 : 00(上)和19 : 00(下)0 ℃层高度(a, d)、气压(b, e)及温度露点差(c, f)的月变化 Fig. 9 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height (a, d), pressure (b, e) and temperature dew point difference (c, f) at 07 : 00 (up) and 19 : 00 (down) during wind-sand weather over Hexi Corridor

综上可知, 大风沙暴的早晚变化中, 07 : 00 0 ℃层高度高且湿度小, 7—9月19 : 00比07 : 00下降300~1000 m, 并且7—10月19 : 00沙尘暴的温度露点差小于5 ℃。说明沙尘暴天气出现时温度露点差在07 : 00较大, 而在19 : 00较小, 沙暴多发生在午后且伴有降水。

≥35 ℃高温天气出现时, 0 ℃层高度5—6月07 : 00在4700~4800 m, 19 : 00在5000 m; 7—8月07 : 00在5100~5200 m, 19 : 00在5200~5300 m, 7月较高在5200 m以上(图 10)。0 ℃层高度早晚变化中19 : 00比07 : 00高100~300 m; 气压在570~530 hPa, 19 : 00比07 : 00低20 hPa。温度露点差除5月在22 ℃左右外, 其余月份温度露点差在07 : 00为16~17 ℃, 19 : 00为13~14 ℃。说明高温天气时, 0 ℃层高度在4600~5300 m, 温度露点差大于等于13 ℃。

图 10(Fig. 10)

图 10 河西高温天气时(日最高气温≥35 ℃)的0 ℃层高度(a)、气压(b)及温度露点差(c)的月变化 Fig. 10 Monthly variation of 0 ℃ isotherm height(a), pressure (b) and temperature dew point difference (c) in high temperature weather (daily maximum temperature ≥35 ℃) over Hexi Corridor

为了更清楚地了解河西0 ℃层高度在汛期降水和不同灾害天气发生时的分布特征, 应用站点、区域平均统计方法, 得出他们之间的天气学关系, 旨在为灾重天气预报提供思路和方法。得出主要结论如下:

(1) 河西汛期5—10月平均0 ℃层高度在4100~4300 m, 气压在620~605 hPa, 温度露点差在10~16 ℃之间, 其中高度、气压有明显的早晚变化, 19 : 00较高。沿沙区高度高, 湿度小, 降水量与0 ℃层湿度有关, 湿度越大, 降水越多。日极端气温越高, 0 ℃层高度越高。

(2) 0 ℃层高度年际变化中2013年最高在4200 m以上, 月变化中7月最高在5000 m左右, 气压达560 hPa左右。早晚变化中0 ℃层高度19 : 00比07 : 00高, 5—7月高出100~170 m, 8—9月高出60~90 m, 10月接近; 0 ℃层气压19 : 00比07 : 00低5~13 hPa, 5月相差较大达13 hPa。温度露点差T-Td在10~17 ℃, 6—7月在10~11 ℃, 5月、10月在16~17 ℃。

(3) 有降水时, 0 ℃层高度7月最高接近4800 m左右, 气压7月最低接近570 hPa左右; 温度露点差T-Td≤9 ℃, 6—9月07 : 00 T-Td≤5 ℃。干湿天气对比0 ℃层高度干天气比湿天气高出50~700 m, 早晚变化无降水时差距大; T-Td中有降水时19 : 00比07 : 00大2~3 ℃, 但无降水时差距小。不同降水量级中07 : 00 0 ℃层高度6—7月大雨较高为4500~4900 m, 8—9月中雨较高为4100~5000 m; 大雨、中雨和小雨相应温度露点差的最大值分别为2, 5和7 ℃; 6—8月19 : 00, 0 ℃层高度在大雨情况下较高, 为4900 m左右。

(4) 各灾害天气中, ≥35 ℃高温0 ℃层高度在4600~5300 m, 温度露点差大于等于13 ℃, 湿度小; 雷暴0 ℃层高度在3600~4900 m, T-Td≤7 ℃, 湿度大。沙尘暴0 ℃层高度07 : 00 7—9月明显比大风沙尘高出300~500 m, 7—8月在5000 m以上, 8月高达5300 m且气压最低接近540 hPa; 沙尘暴早晚变化中07 : 00高度高且湿度小, 7—9月19 : 00比07 : 00下降300~1000 m, 7—10月沙尘暴天气发生时, 19 : 00的温度露点差小于5 ℃。