汪結(jié)華 陳凱諾 穆 楊 徐建宇 戴仁威

(1.92493部隊(duì)21分隊(duì) 葫蘆島 125000)(2.中國(guó)人民解放軍海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125000)(3.91566部隊(duì) 大連 116043)(4.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺(tái) 舟山 316000)

對(duì)“霸王級(jí)”寒潮引起大風(fēng)降溫成因的研究*

汪結(jié)華1陳凱諾2穆 楊2徐建宇3戴仁威4

(1.92493部隊(duì)21分隊(duì) 葫蘆島 125000)(2.中國(guó)人民解放軍海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125000)(3.91566部隊(duì) 大連 116043)(4.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺(tái) 舟山 316000)

寒潮一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程,它會(huì)帶來劇烈降溫、大風(fēng)、暴雪等災(zāi)害性天氣。論文選用的個(gè)例是2016年1月17日到25日的“霸王級(jí)”強(qiáng)寒潮過程,該次寒潮過程使得多地最低氣溫跌到有史以來的記錄以下。通過計(jì)算渦度平流、溫度平流、西風(fēng)環(huán)流指數(shù)等物理量和分析高空環(huán)流形勢(shì),發(fā)現(xiàn)該次寒潮有連續(xù)兩次的橫槽轉(zhuǎn)豎過程而且地面配合著兩次東海氣旋北上入海。強(qiáng)的冷平流是大風(fēng)降溫的熱力條件,不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)為大風(fēng)天氣的出現(xiàn)提供了動(dòng)力和能量條件。

寒潮; 降溫; 大風(fēng); 溫度平流; 西風(fēng)環(huán)流指數(shù)

Class Number P425

1 引言

寒潮,是指來自高緯度地區(qū)的寒冷空氣,在特定的天氣形勢(shì)下迅速加強(qiáng)并向中低緯度地區(qū)侵入,造成沿途地區(qū)劇烈降溫、大風(fēng)和雨雪天氣,在海上會(huì)引起大的風(fēng)浪和風(fēng)暴潮。這種冷空氣南侵達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的就稱為寒潮[1]。近年來,不少學(xué)者對(duì)我國(guó)錯(cuò)綜復(fù)雜的寒潮天氣過程進(jìn)行了天氣動(dòng)力學(xué)診斷和數(shù)值模擬研究[2～4]。許愛華等[5]對(duì) 2005年3月的寒潮天氣過程進(jìn)行了診斷分析,認(rèn)為其主要成因是西歐上空500hPa強(qiáng)暖平流致使在西伯利亞地區(qū)形成阻塞高壓,建立橫槽,橫槽北側(cè)的東北氣流引導(dǎo)超極地冷空氣和西路冷空氣合并加強(qiáng);形成了異常強(qiáng)的冷高壓、鋒區(qū)、冷溫度中心?；菪∮⒌萚6]利用數(shù)值模式研究了地形對(duì)兩次寒潮天氣過程的影響,發(fā)現(xiàn)地形的動(dòng)力作用對(duì)冷空氣的移動(dòng)路徑有重要影響。王麗等[7]分析了發(fā)生在湖北省的一次罕見寒潮過程,發(fā)現(xiàn)濕位渦斜壓項(xiàng) MPV2的時(shí)空演變和強(qiáng)冷空氣的發(fā)展、移動(dòng)、氣溫陡降有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以往對(duì)寒潮的研究多側(cè)重于冷空氣路徑分析、環(huán)流形勢(shì)分析、平流分析等,本文將在借鑒前人的基礎(chǔ)上,采用天氣學(xué)原理和天氣動(dòng)力學(xué)診斷方法,在分析引發(fā)寒潮爆發(fā)的環(huán)流形勢(shì)的基礎(chǔ)上,對(duì)2016年1月17日到1月25日的寒潮過程中的大風(fēng)、降溫以及海上大風(fēng)浪的成因進(jìn)行診斷分析。

2 天氣過程概況

2.1 寒潮影響情況

2016年1月17日至25日,我國(guó)連續(xù)遭受兩次強(qiáng)寒潮天氣襲擊,南北各地紛紛進(jìn)入“速凍模式”,80 多個(gè)氣象觀測(cè)站突破當(dāng)?shù)亟ㄕ疽詠碜畹蜌鉁貧v史極值[8]。北京1月23日白天,最高氣溫僅-13℃,為 58 年來最低晝溫；廣州 1 月 24 日正午,鵝毛大雪漫天飄舞,南國(guó)雪景亦真亦幻,百年一遇。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的最低氣溫下降至-10℃左右,0℃線南壓至華南北部一帶,中東部大部地區(qū)將出現(xiàn)入冬以來氣溫最低值,這次寒潮過程可謂時(shí)間長(zhǎng)、降溫快、風(fēng)力強(qiáng),給飛機(jī)航行、船舶運(yùn)輸、農(nóng)作物生長(zhǎng)等方面帶來不利影響,嚴(yán)重影響了人民生活。因此,對(duì)這次持續(xù)時(shí)間極長(zhǎng)的寒潮過程成為“霸王級(jí)”世紀(jì)寒潮。(注：本文時(shí)間均為北京時(shí)間)

2.2 地面天氣系統(tǒng)的發(fā)展情況

寒潮冷空氣在17日之前一直在貝加爾湖以西堆積,在整個(gè)寒潮過程中,高壓中心基本上停滯于此,但是強(qiáng)度逐漸增大。在22日02時(shí),冷高壓中心強(qiáng)度高達(dá)1080hPa(圖略),為這次寒潮過程中的峰值,這在中國(guó)氣象記錄歷史上,也較為罕見。在18日17時(shí),日本以東的西北太平洋上,有一個(gè)24h內(nèi)中心氣壓下降大于24hPa的爆發(fā)性氣旋,這個(gè)氣旋是16日23時(shí)鞍形場(chǎng)條件下在臺(tái)灣以北洋面生成的東海氣旋演變而來。在這個(gè)東海氣旋向東北方向消亡后,又一個(gè)東海氣旋在高壓后面的低壓區(qū)生成,地理位置在臺(tái)灣以東洋面,氣壓梯度高達(dá)55hPa/10經(jīng)距,可見這次寒潮大風(fēng)降溫過程的地面天氣系統(tǒng)極其復(fù)雜。

3 高空環(huán)流形勢(shì)分析

3.1 西風(fēng)環(huán)流指數(shù)分析

緯向環(huán)流與經(jīng)向環(huán)流相互轉(zhuǎn)化與交替出現(xiàn),常變現(xiàn)為西風(fēng)分量的強(qiáng)弱變化。為了定量地表示西風(fēng)強(qiáng)弱,Rossby提出,把兩個(gè)緯度帶間的平均位勢(shì)高度差作為西風(fēng)指數(shù)I[9]:

(1)

其中λ為沿緯圈每隔10個(gè)經(jīng)度取一個(gè)位勢(shì)高度值。高指數(shù)表示西風(fēng)強(qiáng)大,與緯向環(huán)流對(duì)應(yīng)；低指數(shù)表示西風(fēng)弱,對(duì)應(yīng)大槽大脊。

對(duì)2016年1月15日至25日的歐洲西風(fēng)指數(shù)和亞洲西風(fēng)指數(shù)做以分析,從圖1～2看出,歐洲西風(fēng)指數(shù)經(jīng)歷了兩次起伏變化,說明整個(gè)環(huán)流經(jīng)歷了兩次長(zhǎng)波調(diào)整,與此同時(shí),亞洲西風(fēng)指數(shù)基本上趨于逐漸減小,也就是說經(jīng)向的槽脊強(qiáng)烈發(fā)展,最低低至100gpm,直至25日才開始增大,說明冷空氣對(duì)我國(guó)的影響開始減弱,轉(zhuǎn)換為緯向環(huán)流。

3.2 500hPa環(huán)流形勢(shì)分析

此次寒潮過程的冷空氣的來源有兩部分：一部分是受來自新地島以東喀拉海附近的極地冷空氣,另一部分是南掉至西伯利亞地區(qū)的極渦中的冷空氣。此次寒潮過程的初始階段是兩槽一脊的倒大“Ω”流型。醞釀階段主要是由歐洲有緯向型環(huán)流向經(jīng)向型轉(zhuǎn)變中,東歐烏拉爾山暖脊強(qiáng)烈發(fā)展,引導(dǎo)極地的冷空氣在西伯利亞地區(qū)堆積、蓄勢(shì)待發(fā)。當(dāng)烏拉爾山暖脊東移至亞洲地區(qū)后,東亞地區(qū)環(huán)流向經(jīng)向型轉(zhuǎn)變,在亞洲低渦西伸的擠壓作用下,暖脊迅速減弱南退,隨后橫槽轉(zhuǎn)豎,槽后的環(huán)流經(jīng)向度進(jìn)一步增大,有利于槽后冷空氣的南下。而且特殊的是,該次寒潮有連續(xù)兩次的橫槽轉(zhuǎn)豎過程(圖3(a)和圖3(b))。橫槽前有負(fù)變高,橫槽后有負(fù)變高,導(dǎo)致橫槽轉(zhuǎn)豎,即兩次阻塞高壓崩潰(圖3(c)和圖3(d)),因此降溫幅度、大風(fēng)強(qiáng)度極大,被稱為“霸王級(jí)”寒潮。

4 強(qiáng)降溫成因分析

一個(gè)地方溫度的變化可以用熱流量方程來表征[1]：

(2)

通過比較各項(xiàng)的量級(jí),保留最大項(xiàng)的熱力學(xué)能量方程的零級(jí)簡(jiǎn)化公式中僅保留溫度的局地變化項(xiàng)、溫度平流項(xiàng)和非絕熱變化項(xiàng),而非絕熱因子考慮輻射、水汽凝結(jié)、蒸發(fā)和地面感熱對(duì)氣溫的影響。氣溫的非絕熱變化主要表現(xiàn)為氣溫的日變化和氣團(tuán)變性。在本次寒潮過程中,由于有大范圍的鋒面云系,太陽輻射和地表輻射引起的氣溫日變化較小,所以局地溫度變化主要考慮溫度平流的影響。溫度平流的冷暖性質(zhì)和強(qiáng)度決定了局地溫度的變化。

從圖4(a)看出冷平流進(jìn)入中國(guó)西北北部和黃渤海地區(qū),冷平流中心值為-2.7×10-2K·s-1,冷空氣很強(qiáng),從24h(當(dāng)前時(shí)刻前后各12h,下同)變溫可以看出,降溫較大的地區(qū)主要在天山以北地區(qū)和朝鮮半島,最大降溫達(dá)8℃以上,此時(shí)為第一次橫槽轉(zhuǎn)豎爆發(fā)寒潮的過程；從圖4(b)看出冷平流控制中國(guó)大多數(shù)地區(qū),冷平流中心值為-2.0×10-2K·s-1,此時(shí)降溫中心位于華南和華中地區(qū),可見該次寒潮降溫影響范圍是全國(guó)的。在冷平流區(qū)空氣有下沉運(yùn)動(dòng),而在暖平流區(qū)空氣有上升運(yùn)動(dòng)；由于強(qiáng)大的上升、下沉運(yùn)動(dòng),必然會(huì)在冷平流區(qū)形成高層輻合、低層輻散,而在暖平流區(qū)形成高層輻散、低層輻合,這樣在垂直方向上構(gòu)成經(jīng)向的環(huán)流圈,加速了冷空氣的擴(kuò)散。此次大范圍的寒潮天氣的強(qiáng)降溫主要是由強(qiáng)盛的冷平流造成的。冷平流強(qiáng)的地方降溫幅度大,冷空氣強(qiáng)度低于-2×10-2K·s-1,與日平均氣溫下降幅度在8℃的區(qū)域基本一致,而且冷平流區(qū)向南擴(kuò)展的速度要超前于地面氣溫24h負(fù)變溫區(qū)向南擴(kuò)展的的速度12h左右。另外,在冷平流區(qū)的空氣下沉運(yùn)動(dòng)和暖平流區(qū)的空氣上升運(yùn)動(dòng)有利于經(jīng)向垂直環(huán)流圈的形成,對(duì)冷空氣的南侵有促進(jìn)作用。

5 強(qiáng)風(fēng)成因分析

5.1 溫度平流的影響

溫度平流與地面風(fēng)場(chǎng)之間是通過變壓場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)和促進(jìn)的[10]。強(qiáng)的冷平流不僅會(huì)造成強(qiáng)的降溫,還會(huì)使得地面正變壓場(chǎng)加強(qiáng)、地面變壓梯度和氣壓梯度增大,促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展；同理,強(qiáng)的暖平流會(huì)使得地面負(fù)變壓場(chǎng)加強(qiáng)、地面變壓梯度、氣壓梯度增大,同樣促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展。通過比較圖4和圖5同時(shí)刻圖,溫度平流越強(qiáng),出現(xiàn)的風(fēng)力越大。在正、負(fù)變壓中心的帶狀區(qū)域,24h變壓梯度達(dá)圖到40hPa/10經(jīng)緯距,地面氣壓梯度達(dá)到55hPa/10個(gè)經(jīng)緯距,地面變壓梯度、氣壓梯度都已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大,這時(shí)候在這一區(qū)域出現(xiàn)了7～10級(jí)大風(fēng),渤海、黃海、東海北部風(fēng)力在20m·s-1以上。

在18日14時(shí),第一個(gè)橫槽轉(zhuǎn)豎,槽前正渦度平流區(qū)地面東海氣旋發(fā)展加深(圖6(a)),并且不斷向東北方快速移動(dòng),造成華北、東北、黃渤海海域地面氣壓梯度增大,氣旋后部的偏北氣流起到了引導(dǎo)冷空氣向南擴(kuò)張的作用,有利于大風(fēng)天氣的維持和發(fā)展；槽線附近的形成的垂直環(huán)流圈有利于高空的動(dòng)量下傳,對(duì)風(fēng)場(chǎng)的增強(qiáng)也起到了重要作用。第一次的阻塞高壓經(jīng)歷崩潰和重建之后,第二個(gè)橫槽由于槽前存在負(fù)渦度平流(圖6(b)),使得橫槽減弱開始轉(zhuǎn)豎,東伸至貝加爾湖以北的阻塞高壓第二次崩潰。到了25日正渦度中心移動(dòng)至日本以東的洋面,這意味著重建的東亞大槽已經(jīng)東移,對(duì)我國(guó)的影響基本結(jié)束。從圖6(c)看出,我國(guó)日平均降溫和日最低溫度下降6℃以上地區(qū)均在內(nèi)蒙古中部和黑龍江東部,說明第一次橫槽轉(zhuǎn)豎降溫過程影響還沒波及華南等地,日最大風(fēng)速在6級(jí)以上地區(qū)為黃海東北部。圖6(d)是第二次橫槽轉(zhuǎn)豎,影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,中國(guó)中西部和黃渤海、朝鮮海峽、日本海均有6～8級(jí)大風(fēng)天氣,貝加爾湖以東地區(qū)還出現(xiàn)了日平均降溫為14℃的值。

6 黃渤海大風(fēng)浪成因診斷分析

在黃渤海海域出現(xiàn)大風(fēng)浪的這段時(shí)間,沿著123°E做一個(gè)散度經(jīng)向剖面,在大氣的低層(最高延伸到600hPa)始終為輻散場(chǎng),在輻散場(chǎng)之上為輻合場(chǎng)(圖7(a),7(b)),這種低層輻散高層輻合的垂直結(jié)構(gòu)有利于高空風(fēng)動(dòng)量下傳至底層的海面,有利于海面風(fēng)場(chǎng)的發(fā)展。這有利于風(fēng)浪從風(fēng)中獲得能量得到補(bǔ)充,促進(jìn)了海浪的發(fā)展。

通過分析假相當(dāng)位溫沿123°E經(jīng)向的垂直剖面圖(圖7(c),7(d))上,在850hPa～300hPa以下的空中,等假相當(dāng)位溫線由北向南的低空向傾斜,強(qiáng)冷中心位于地面渤海以北的區(qū)域,說明高空不斷有干冷空氣從高緯向低緯入侵。從地面到850hPa的低空在30°～40°N(黃渤海從南到北的緯度范圍)的區(qū)間上等假相當(dāng)位溫線陡峭密集,而且在近地面層等值線接近垂直,這表明在這段時(shí)間在此區(qū)域?qū)α鞣€(wěn)定性較差。不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)為大風(fēng)天氣的出現(xiàn)提供了動(dòng)力和能量條件。

7 結(jié)語

通過運(yùn)用天氣圖,常規(guī)觀測(cè)資料和FNL大氣再分析資料對(duì)2016年1月17日～25日的“霸王級(jí)”強(qiáng)寒潮大風(fēng)降溫天氣過程進(jìn)行了綜合分析與研究,得出了以下結(jié)論：

1) 這次“霸王級(jí)”寒潮大風(fēng)降溫過程的地面天氣系統(tǒng)極其復(fù)雜,不僅寒潮冷高壓中心在貝加爾湖以西盤踞不動(dòng),氣壓值高達(dá)1080hPa,而且配合著兩次東海氣旋東移北上入海獲取能量成為爆發(fā)性氣旋。氣壓梯度達(dá)到55hPa/10經(jīng)距。

2) 歐洲西風(fēng)指數(shù)經(jīng)歷了兩次起伏變化,整個(gè)環(huán)流經(jīng)歷了兩次長(zhǎng)波調(diào)整,即兩次橫槽轉(zhuǎn)豎導(dǎo)致阻塞高壓崩潰。與此同時(shí),亞洲西風(fēng)指數(shù)基本上趨于逐漸減小,也就是說經(jīng)向的槽脊強(qiáng)烈發(fā)展,最低低至100gpm,直至1月25日才開始增大,這時(shí)冷空氣對(duì)我國(guó)的影響才開始減弱,轉(zhuǎn)換為緯向環(huán)流。

3) 此次大范圍的寒潮天氣的強(qiáng)降溫主要是由強(qiáng)盛的冷平流造成的,這是寒潮大風(fēng)降溫的熱力條件。冷平流強(qiáng)的地方降溫幅度大,冷空氣強(qiáng)度低于-2×10-2K·s-1,與日平均氣溫下降幅度在8℃的區(qū)域基本一致,而且冷平流區(qū)向南擴(kuò)展的速度要超前于地面氣溫24h負(fù)變溫區(qū)向南擴(kuò)展的的速度12h左右。

4) 大風(fēng)浪海區(qū)處于正渦度控制下,位于正渦度中心西南的位置上,這保證了引起海上大風(fēng)浪的上空風(fēng)狀態(tài)較為穩(wěn)定,風(fēng)時(shí)較長(zhǎng),有利于偏北風(fēng)浪的形成；低層輻散高層輻合的垂直結(jié)構(gòu)有利于高空動(dòng)量下傳至底層的海面,這有利于風(fēng)浪從風(fēng)中獲得能量得到補(bǔ)充,促進(jìn)了海浪的發(fā)展；假相當(dāng)位溫表明在850hPa以下的低層區(qū)域?qū)α鞣€(wěn)定性較差,不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)為大風(fēng)天氣的出現(xiàn)提供了動(dòng)力和能量條件。

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Reason of “Overlord” Cold Wave Caused by Strong Cooling Wind

WANG Jiehua1CHEN Kainuo2MU Yang2XU Jianyu3DAI Renwei4

(1. Unit 21, No. 92493 Troops of PLA, Huludao 125000)(2. PLA Naval Aviation Academy, Huludao 125000)(3. No. 91566 Troops of PLA, Dalian 116043)(4. The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory, Zhoushan 316000)

Cold wave processes a mass of strong cold air activity, it will bring rapid wind, blizzard and other severe weather. This paper focuses on the “overlord” strong cold wave process which lasts from January 17 to 25 in 2016. The cold wave process made the lowest temperature fell to an all-time record. After calculating vorticity advection,temperature advection, west wind circulation index and other physical quantities and analysing the upper air circulation situation, it is found that the time of cold wave has two consecutive translots turned vertical process. It also accompanies two cyclones which moves north. Strong cold advection is the thermal condition of strong wind, which makes the cold air invading. Convective instability of lower atmosphere layer provides motivation and energy conditions for the strong wind weather.

cold wave, cooling, strong wind, temperature advection, west wind circulation index

2016年10月10日,

2016年11月26日

汪結(jié)華,男,工程師,研究方向:海洋氣象分析與預(yù)報(bào)。

P425

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.023