田曉璐

摘 要：本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析數(shù)據(jù)、氣象常規(guī)資料，對(duì)2018年春季新鄉(xiāng)一次罕見(jiàn)的大風(fēng)天氣進(jìn)行深入分析，研究假相當(dāng)位溫、溫度平流、散度、垂直速度等在此次過(guò)程中的作用和演變特征。結(jié)果表明：700hPa以下較強(qiáng)的冷平流，有利于形成強(qiáng)的地面氣壓梯度和變壓梯度。鋒面前側(cè)低空輻合、高空輻散的強(qiáng)烈抽吸作用，促進(jìn)了華北暖低壓的不斷發(fā)展，從而有利于氣壓梯度加強(qiáng)：槽前上升、槽后下沉運(yùn)動(dòng)，有利于大量擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能，形成斜壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致地面出現(xiàn)大風(fēng)。

關(guān)鍵詞：大風(fēng);假相當(dāng)位溫;冷平流;動(dòng)量下傳

中圖分類(lèi)號(hào)：P458.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0132-05

Diagnostic Analysis of a Rare Gale in Xinxiang in Spring 2018

TIAN Xiaolu

（Xinxiang Meteorological Bureau，Xinxiang Henan 453003）

Abstract： Based on NCEP/NCAR 6-hour reanalysis data and routine meteorological data， this paper made an in-depth analysis of a rare gale weather in Xinxiang in spring of 2018， and studied the functions and evolution characteristics of PSEUDO-EQUIVALENT potential temperature， temperature advection， divergence and vertical velocity in this process. The results showed that the strong cold advection below 700hPa was beneficial to the formation of strong surface pressure gradient and pressure gradient. The strong suction effect of low-altitude convergence and high-altitude divergence in front of the front promotes the continuous development of warm and low pressure in North China， which was conducive to the enhancement of pressure gradient. The upward motion in front of the trough and the sinking motion behind the trough were beneficial to the transformation of a large number of disturbance effective potential energy into disturbance kinetic energy， resulting in baroclinic instability and strong wind on the ground.

Keywords： rare gale;potential pseudo-equivalent temperature;temperature advection;momentum transfer down

1 研究背景

大風(fēng)是我國(guó)北方地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力、通信設(shè)施等，而且對(duì)人們的日常生活構(gòu)成嚴(yán)重威脅。新鄉(xiāng)市位于太行山南麓，地處太行山與華北平原結(jié)合地帶，春季由于西風(fēng)槽及冷鋒活動(dòng)頻繁，西伯利亞冷空氣南下的時(shí)間尺度加大，新鄉(xiāng)市的冷空氣活動(dòng)極為常見(jiàn)。姬興杰等[1]對(duì)1971—2009年河南省110個(gè)氣象站的大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)新鄉(xiāng)市為春季大風(fēng)高發(fā)區(qū)，全省平均大風(fēng)日數(shù)最大值出現(xiàn)在新鄉(xiāng)市的延津縣。針對(duì)冷空氣大風(fēng)的成因，氣象工作者做了大量研究，馬月枝等[2]發(fā)現(xiàn)高空西風(fēng)急流配合適合的垂直環(huán)流產(chǎn)生動(dòng)量下傳，有利于產(chǎn)生超出一般強(qiáng)度的冷空氣大風(fēng)。肉孜·阿基等[3]研究發(fā)現(xiàn)，高空中期環(huán)流形勢(shì)、冷空氣強(qiáng)度、動(dòng)量下傳決定了大風(fēng)的類(lèi)型和強(qiáng)度，溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度及配置與大風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系密切。

2018年3月15日，受高空低槽東移及地面冷鋒共同影響，新鄉(xiāng)市出現(xiàn)了一次罕見(jiàn)的大風(fēng)過(guò)程，平均風(fēng)力6～7級(jí)，瞬間最大風(fēng)力11級(jí)（30.6m·s-1）。此次大風(fēng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且風(fēng)力大，造成2 217人受災(zāi)，多處房屋倒塌及塑料大棚損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 432.99萬(wàn)元。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析數(shù)據(jù)、氣象常規(guī)資料，對(duì)此次大風(fēng)天氣進(jìn)行深入分析，討論假相當(dāng)位溫、溫度平流、散度、垂直速度等在此次過(guò)程中的作用和演變特征，旨在為今后大風(fēng)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2 天氣概況

從3月12日開(kāi)始，新鄉(xiāng)市氣溫持續(xù)偏高。從表1可知，12—14日新鄉(xiāng)市平均氣溫為14.5～19.3℃，較常年同期偏高5.7～10.5℃，尤其是13日最高氣溫升至27.2℃。而平均氣壓值連續(xù)3天呈緩慢下降趨勢(shì)，14日降至最低值1 000.0hPa。氣溫持續(xù)偏高為大風(fēng)的出現(xiàn)提供了熱力不穩(wěn)定因素[4]，一方面有利于華北低壓的生成;另一方面，有利于冷鋒過(guò)境時(shí)不穩(wěn)定能量的釋放，促使地面風(fēng)力加大。

新鄉(xiāng)市各國(guó)家站大風(fēng)從15日08：00陸續(xù)開(kāi)始，在13：00前后風(fēng)速達(dá)到最大，持續(xù)至15日夜間結(jié)束（見(jiàn)表2）。各站的極大風(fēng)速均超過(guò)20m·s-1，輝縣及原陽(yáng)突破歷史極值。陣風(fēng)系數(shù)為1h內(nèi)極大風(fēng)速和最大風(fēng)速之比[5，6]。從圖1可知，新鄉(xiāng)站極大風(fēng)速與最大風(fēng)速變化趨勢(shì)類(lèi)似，而陣風(fēng)系數(shù)維持在1.7左右，說(shuō)明陣風(fēng)和平均風(fēng)變化的影響因子基本一致。此次過(guò)程中，封丘、延津及長(zhǎng)垣48h最低氣溫降幅為10.2～14.2℃。根據(jù)河南省寒潮定義標(biāo)準(zhǔn)（48h內(nèi)最低氣溫降溫幅度為10℃及以上，且最低氣溫小于等于4℃）可知，這三站均達(dá)到寒潮。此外，大風(fēng)發(fā)生前，新鄉(xiāng)多站出現(xiàn)鋒面霧天氣，封丘最小能見(jiàn)度降至59m。

3 主要影響系統(tǒng)

3.1 500hPa低槽

從圖2可知，14日08：00 500hPa亞歐高緯地區(qū)為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)，勒拿河附近有一深厚的低渦系統(tǒng)，中心強(qiáng)度達(dá)-44℃，冷渦中心至100°E、50°N附近有一低槽，其后部伴隨有冷溫槽。高壓脊線位于80°E附近，脊后存在暖舌，暖平流有利于脊前正變高及西北氣流的加強(qiáng)。在冷溫槽落后于低槽的情況下，槽后西北風(fēng)加大有利于冷平流增強(qiáng)，從而使低槽進(jìn)一步發(fā)展。80°E以東的中高緯地區(qū)（30～50°N）以緯向環(huán)流為主，高空鋒區(qū)位于40～50°N，有9條等高線與之對(duì)應(yīng)，位勢(shì)高度差為36dagpm。隨著高壓脊前西北風(fēng)加強(qiáng)及泰米爾半島附近冷空氣的補(bǔ)充，冷空氣不斷向南輸送，低槽持續(xù)加深，經(jīng)向度加大。15日08：00，高空鋒區(qū)繼續(xù)南壓，槽底伸展至華北平原，等溫線與等高線夾角為45°左右，存在很強(qiáng)的斜壓性。45°N附近最大風(fēng)速達(dá)32m·s-1，低槽后部強(qiáng)勁的西北氣流引導(dǎo)冷空氣快速南下，給新鄉(xiāng)帶來(lái)一次大風(fēng)過(guò)程。15日夜間，低槽東移入海形成東亞大槽，過(guò)程趨于結(jié)束。

3.2 地面形勢(shì)

14日08：00，貝加爾湖附近有一中心值為1 045hPa的冷高壓，華北地區(qū)受中心值為1 010hPa的暖低壓控制，高低壓中心壓差達(dá)35hPa，鋒面位于中蒙邊界。15日08：00，鋒面途徑華北平原移至豫北，暖低壓南壓至黃河以南，與冷鋒后側(cè)的冷高壓形成北高南低的氣壓場(chǎng)形勢(shì)，華北地區(qū)呈現(xiàn)較強(qiáng)的氣壓梯度，10個(gè)緯距內(nèi)壓差32.5hPa。同時(shí)，河北與山東交界處出現(xiàn)了3h變壓值為6hPa的變壓中心，該處風(fēng)力顯著增加。11：00，新鄉(xiāng)位于鋒面后部，3h變壓值也呈南壓趨勢(shì)，新鄉(xiāng)位于5hPa的變壓中心（見(jiàn)圖3）。較強(qiáng)的氣壓梯度與變壓梯度相配合，導(dǎo)致全區(qū)出現(xiàn)6～7級(jí)偏北大風(fēng)，獲嘉縣黃堤站于11：43出現(xiàn)此次過(guò)程的瞬間最大風(fēng)力，達(dá)30.6m·s-1。此后，強(qiáng)冷空氣不斷沿華北平原直驅(qū)南下，大風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)。直至16日白天，冷高壓控制整個(gè)華北地區(qū)，過(guò)程結(jié)束。

此次大風(fēng)發(fā)生在亞歐中高緯環(huán)流由緯向型過(guò)渡為經(jīng)向型，高緯小槽東移發(fā)展及東亞大槽重建的過(guò)程之中。在強(qiáng)高空鋒區(qū)上東移南壓的小槽，是引發(fā)此次大風(fēng)過(guò)程的主要高空天氣系統(tǒng)。華北暖低壓的持續(xù)發(fā)展有利于冷鋒前后氣壓梯度增大，較強(qiáng)的氣壓梯度與變壓梯度相配合，促使地面風(fēng)力加強(qiáng)。

4 環(huán)境物理量場(chǎng)分析

4.1 假相當(dāng)位溫

假相當(dāng)位溫是把溫度、氣壓、濕度包括在一起的一個(gè)綜合物理量，不僅考慮了氣壓對(duì)溫度的影響，也考慮了水汽的凝結(jié)和蒸發(fā)對(duì)溫度的影響[7]。筆者選用850hPa的假相當(dāng)位溫為例進(jìn)行分析。

15日02：00，冷空氣入侵至40°N附近，河北中部為θse密集區(qū)，高值位于38°N以南。豫北自地面至850hPa盛行偏南風(fēng)，暖濕氣流的持續(xù)輸送有利于近地層水汽增加，使空氣達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致冷鋒前側(cè)能見(jiàn)度轉(zhuǎn)差。15日早晨出現(xiàn)了大范圍鋒面霧天氣，封丘、獲嘉、原陽(yáng)的最小能見(jiàn)度均低于100m。由圖4（a）可知，08：00，θse的低值區(qū)伸展至河北南部，自山東伸向豫北為θse高能舌，影響新鄉(xiāng)的最大值達(dá)314K。伴隨著冷空氣繼續(xù)東移南壓，大氣靜穩(wěn)條件快速破壞，大霧逐漸消散。14：00，冷空氣前沿迅速南壓至35°N附近，從圖4（b）可以看出，冷鋒后部有一條冷舌沿華北平原快速南下影響豫北。在35～37°N范圍內(nèi)，θse從312K降至290K，相差22K，說(shuō)明此次冷空氣勢(shì)力很強(qiáng)。16日08：00，豫北地區(qū)已被冷空氣完全控制，θse達(dá)284K，24h降溫幅度為30K。此次強(qiáng)冷空氣帶來(lái)了劇烈的降溫，從而造成新鄉(xiāng)多站出現(xiàn)寒潮。

4.2 溫度平流

某地溫度變化的熱流量方程如公式（1）所示。其中，右側(cè)第1項(xiàng)為溫度平流，第2項(xiàng)為垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)局地氣溫變化的影響，第3項(xiàng)為變壓和氣壓平流引起的溫度變化，第4項(xiàng)為非絕熱因子的作用。

[?T?t=-V·?T-λd-γ·W+λdρg?P?t+V·?P+1CpdQdt]（1）

由于近地層W近似為0，并且變壓和氣壓平流引起的溫度局地變化也很小，在實(shí)際預(yù)報(bào)中可以忽略[8]，因此，某地溫度的變化主要取決與溫度平流和非絕熱因子。然而，15日當(dāng)天，大范圍云系覆蓋華北平原，從而導(dǎo)致太陽(yáng)輻射引起的氣溫日變化較小。因此，本次大風(fēng)過(guò)程主要考慮溫度平流的影響。

溫度平流是斜壓擾動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展最主要的動(dòng)力條件。此次過(guò)程中，850hPa等溫線與風(fēng)場(chǎng)接近垂直，冷平流非常明顯，強(qiáng)冷平流有利于地面氣壓梯度快速加大，造成地面風(fēng)力加強(qiáng)。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°資料對(duì)溫度平流的作用進(jìn)行分析。15日02：00，700hPa冷平流位于內(nèi)蒙中部至河北北部（圖略），中心值為-5×10-4K·s-1。850hPa鋒區(qū)南壓至40°N附近，冷平流位于陜西北部至河北北部，呈狹長(zhǎng)的帶狀分布，并有多個(gè)冷平流中心。而河北南部位于槽前西南氣流中，仍為暖平流，中心值為3×10-4K·s-1，這有利于河北中部上空產(chǎn)生很強(qiáng)的斜壓結(jié)構(gòu)。08：00，850hPa鋒區(qū)南壓至35°N附近，冷平流沿華北地區(qū)快速南下移至豫北，并呈加強(qiáng)趨勢(shì)，中心值為-6×10-4K·s-1[見(jiàn)圖5（a）]。04：00—20：00，850hPa冷平流中心一直維持在豫北上空，直至16日02：00，該冷平流中心才減弱消散，大風(fēng)過(guò)程趨于結(jié)束。

從15日08：00沿114°E（新鄉(xiāng)上空）的溫度平流經(jīng)向剖面[見(jiàn)圖5（b）]可以看出，700hPa以下均為冷平流，最強(qiáng)中心位于900hPa附近，為-6×10-4K·s-1。14：00，冷平流中心緩慢南壓，并加強(qiáng)至-12×10-4K·s-1（圖略），且該中心位于新鄉(xiāng)上空。由氣壓傾向方程及狀態(tài)方程[p=ρRT]可知，整層氣柱的密度平流將導(dǎo)致地面氣壓的局地變化，冷平流越強(qiáng)越有利于地面正變壓的加強(qiáng)，進(jìn)而形成密集的氣壓梯度，導(dǎo)致風(fēng)力加大。此外，強(qiáng)冷空氣所伴隨的冷平流增強(qiáng)了地面變壓場(chǎng)及變壓梯度，從14：00地面天氣圖可以看出，新鄉(xiāng)位于3h變壓中心，強(qiáng)的變壓梯度與氣壓梯度相結(jié)合，促使地面風(fēng)力快速加強(qiáng)。

綜上分析，15日08：00至16日02：00是冷平流中心南下影響新鄉(xiāng)的集中時(shí)段。新鄉(xiāng)上空700hPa以下均為較強(qiáng)的冷平流，有利于形成強(qiáng)的地面氣壓梯度和變壓梯度。此外，冷平流中心移動(dòng)較為緩慢是此次大風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間維持的因素之一。

4.3 散度

分析沿114°E（新鄉(xiāng)上空）的散度經(jīng)向剖面[見(jiàn)圖6（a）]發(fā)現(xiàn)，15日08：00，鋒面前側(cè)（33～35°N）800hPa以下對(duì)應(yīng)輻合區(qū)，中心值為-5×10-5s-1，而800hPa之上以輻散為主，中心值為3×10-5s-1。鋒面前側(cè)低空輻合，高空輻散的強(qiáng)烈抽吸作用，促進(jìn)了華北暖低壓的不斷發(fā)展，有利于氣壓梯度加強(qiáng)。同時(shí)，鋒面后側(cè)（35～38°N）700hPa以下均為強(qiáng)勁的偏北氣流，最大風(fēng)速達(dá)到22m·s-1，且該區(qū)域?qū)?yīng)輻散區(qū)，最大值為9×10-5s-1，位于38°N上空800hPa附近。這種垂直結(jié)構(gòu)意味著鋒面后側(cè)700hPa以下存在一支較強(qiáng)的動(dòng)力強(qiáng)迫下沉氣流，有利于地面強(qiáng)烈的偏北大風(fēng)出現(xiàn)。伴隨著冷空氣南壓，14：00，新鄉(xiāng)上空800hPa之下轉(zhuǎn)為輻散區(qū)[見(jiàn)圖6（b）]，且強(qiáng)度快速增加，中心值為8×10-5s-1，位于1 000hPa附近，說(shuō)明高層動(dòng)量開(kāi)始向近地面層傳遞，地面風(fēng)速的強(qiáng)度也達(dá)到頂峰。

4.4 垂直速度

從新鄉(xiāng)上空（114°E）做垂直速度與風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向剖面圖可以看出，15日08：00（見(jiàn)圖7），上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于34～39°N附近，1 000～850hPa對(duì)應(yīng)強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，最大速度達(dá)-6×10-3Pa·s-1。此時(shí)，39°N以北為偏北氣流，并對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)，最大值位于41°N上空的750hPa附近，達(dá)5×10-3Pa·s-1，說(shuō)明有下沉氣流將高空動(dòng)量向下傳遞。而冷鋒后部冷空氣強(qiáng)烈下沉，有利于地面偏北大風(fēng)的出現(xiàn)，高空動(dòng)量下傳會(huì)導(dǎo)致地面風(fēng)力的加大并延長(zhǎng)大風(fēng)持續(xù)時(shí)間。14：00，伴隨著高空低槽過(guò)境，新鄉(xiāng)上空800hPa以下均轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，最大值位于850hPa附近，達(dá)2×10-3Pa·s-1（見(jiàn)圖8）。下沉氣流與高空動(dòng)量下傳相互疊加，造成35°N上空850hPa以下區(qū)域出現(xiàn)了大于24m·s-1的強(qiáng)風(fēng)速區(qū)（圖略），此時(shí)正是新鄉(xiāng)風(fēng)力最強(qiáng)時(shí)段。這種槽前上升、槽后下沉運(yùn)動(dòng)，有利于大量擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能，形成斜壓不穩(wěn)定，促使地面風(fēng)力持續(xù)加大。

5 結(jié)論

①此次大風(fēng)發(fā)生在亞歐中高緯環(huán)流由緯向型過(guò)渡為經(jīng)向型，高緯小槽東移發(fā)展及東亞大槽重建的過(guò)程之中。在強(qiáng)高空鋒區(qū)上東移南壓的小槽，是引發(fā)此次大風(fēng)過(guò)程的主要高空天氣系統(tǒng)。華北暖低壓的持續(xù)發(fā)展有利于冷鋒前后氣壓梯度增大，較強(qiáng)的氣壓梯度與變壓梯度相配合，促使地面風(fēng)力加強(qiáng)。

②此次冷空氣勢(shì)力很強(qiáng)，新鄉(xiāng)上空850hPa假相當(dāng)位溫降溫劇烈，24h降幅達(dá)30K，造成多站出現(xiàn)寒潮。15日08：00至16日02：00是冷平流中心南下影響新鄉(xiāng)的集中時(shí)段，700hPa以下均為較強(qiáng)的冷平流，有利于形成強(qiáng)的地面氣壓梯度和變壓梯度。此外，冷平流中心移動(dòng)緩慢是此次大風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間維持的因素之一。

③鋒面前側(cè)低空輻合，高空輻散的強(qiáng)烈抽吸作用，促進(jìn)了華北暖低壓的不斷發(fā)展，有利于氣壓梯度加強(qiáng)。鋒面后側(cè)存在較強(qiáng)的動(dòng)力強(qiáng)迫下沉氣流，有利于地面出現(xiàn)偏北大風(fēng)，高空動(dòng)量下傳導(dǎo)致風(fēng)力加大并延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。槽前上升、槽后下沉運(yùn)動(dòng)，有利于大量擾動(dòng)有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能，形成斜壓不穩(wěn)定，促使地面風(fēng)力加強(qiáng)。

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