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        保定市一次大風(fēng)天氣過程診斷分析

        2021-04-30 06:06:04張思涵董疆南高萬泉馬鴻青王志超
        甘肅科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        張思涵,董疆南,高萬泉,馬鴻青,王志超

        (1.河北省定州市氣象局;河北 定州 073000;2.河北省保定市氣象局,河北 保定 071000)

        大風(fēng)是影響保定的重要?dú)庀鬄?zāi)害性天氣之一。大風(fēng)沙塵天氣不僅會對生態(tài)環(huán)境、人民生活等造成重大影響,同時也會對農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)等的生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。位于河北中部的保定市地處太行山北部東麓,冀中平原西部,地勢由西北向東南傾斜,有山地、丘陵、平原,地形較為復(fù)雜,春季易出現(xiàn)大風(fēng)天氣[2]。長期以來,由于大風(fēng)天氣出現(xiàn)頻率較高、危害程度較大,眾多學(xué)者圍繞大風(fēng)及其成因做了深入研究。關(guān)于冷空氣大風(fēng)的成因,一些學(xué)者[3-6]認(rèn)為是斜壓大氣能量轉(zhuǎn)換、西北急流活動及動量下傳等因素共同作用的結(jié)果;張鵬等[7]分析了山東省一次高空冷渦誘發(fā)的渤海氣旋大風(fēng)過程,對渦度平流、溫度平流、散度等動力和熱力條件進(jìn)行了診斷分析,指出高層與中低層的反位相垂直分布特征;康志明等[8]、牛若蕓等[9]研究指出,冷鋒過境前冷高壓加強(qiáng),冷空氣堆積時冷平流輸送顯著;陳淑琴等[10]、尹盡勇等[11]發(fā)現(xiàn)冷鋒過境時氣象要素發(fā)生明顯變化,大氣動量下傳使近地層的風(fēng)向突變,風(fēng)速加大。

        文章選取了2020 年3 月18 日河北省保定市出現(xiàn)的一次大風(fēng)天氣過程,從環(huán)流形勢、物理量場等多角度深入分析,加深對其物理機(jī)制的理解,總結(jié)預(yù)報和服務(wù)經(jīng)驗(yàn),以期為今后出現(xiàn)類似天氣過程提供理論依據(jù),提高對保定市大風(fēng)天氣的預(yù)報預(yù)警服務(wù)能力。

        1 天氣實(shí)況

        2020 年3 月18 日白天到夜間,受冷空氣影響,河北省出現(xiàn)大風(fēng)天氣過程,共有121 個國家站日極大風(fēng)速達(dá)到17m·s-1,55 個測站極大風(fēng)速突破3 月歷史極值,其中保定地區(qū)有9 個測站突破3 月歷史極值。此次過程影響范圍廣,強(qiáng)度大,經(jīng)統(tǒng)計(jì)日最大風(fēng)風(fēng)速普遍達(dá)5-8 級,最大徐水19.4m·s-1;日極大風(fēng)風(fēng)速普遍達(dá)8-11 級,最大安國28.9m·s-1。大風(fēng)過程中伴有揚(yáng)沙天氣,19 時保定PM10 濃度達(dá)1117mg·m-3。本次大風(fēng)過程致使多地出現(xiàn)火災(zāi),大風(fēng)給救火工作造成較大困難。

        2 環(huán)流背景分析

        從500hPa 形勢來看(如圖1a 所示),3 月17 日20 時,亞洲中緯度為兩槽一脊型,亞洲東部與烏拉爾山東部分別有一高空槽,高壓脊位于90°E 附近,與東亞大槽形成西高東低的形勢,在極鋒鋒區(qū)上不斷有大風(fēng)速區(qū)東傳。此時貝加爾湖附近極渦底部有冷空氣南下疊加在鋒區(qū)之上;18 日08 時冷空氣與極渦脫離,逐漸南下,形成-36℃的閉合冷中心,同時溫度槽落后于高度槽,使得貝加爾湖短波槽加深為東西向橫槽。在高壓脊后部有暖平流,脊前為冷平流,隨著系統(tǒng)移動,風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),冷平流明顯增強(qiáng)。20 時橫槽加深轉(zhuǎn)豎,槽后冷平流明顯,此時河北出現(xiàn)大風(fēng)天氣。隨后高空槽繼續(xù)東移入海,最終取代原東亞大槽的位置。

        從850hPa 形勢來看(圖略),3 月17 日20 時,貝加爾湖南側(cè)也有高空槽下滑加深,溫度場上有溫度脊向北伸展與高空槽反位相疊加,槽前后冷暖平流均較明顯;18 日08 時高空槽南下加強(qiáng)呈東北-西南向,保定受槽前暖區(qū)控制,有利于白天升溫及氣壓下降。高壓脊前冷空氣南下,鋒區(qū)加強(qiáng)壓在40°N以北;20 時高空槽轉(zhuǎn)豎加深南下,等高線與等溫線接近垂直,保定受鋒區(qū)控制,形成極強(qiáng)冷平流,從而出現(xiàn)大風(fēng)天氣,此時850hPa 偏北風(fēng)風(fēng)速也在20m·s-1左右。

        分析地面形勢可知(如圖1b 所示),3 月18 日08 時冷鋒在40°N 以北,冷高壓中心值大于1037.5hPa,河北中南部為西高東低的形勢,偏西風(fēng)有利于產(chǎn)生焚風(fēng)效應(yīng),氣溫上升,氣壓下降;14 時冷高壓分裂南下與河北東北部低壓區(qū)形成對峙,等壓線梯度明顯增大;16 時隨著冷鋒后地面高壓的臨近,山西北部到河北西北部一帶的3h 正變壓增強(qiáng),冷鋒前為大片的負(fù)變壓區(qū),河北境內(nèi)最大變壓差達(dá)到10.5hPa/1 經(jīng)度;17 時變壓梯度大值區(qū)到達(dá)河北中部地區(qū)??梢姳6|部極值大風(fēng)主要是變壓風(fēng)起主導(dǎo)作用;20 時鋒面已南壓至河北山東交界,此時保定處在鋒后等壓線梯度大值區(qū),多地出現(xiàn)大風(fēng)。

        圖1 2020 年3 月18 日20 時500hPa 位勢高度場(實(shí)線,單位:dagpm)、溫度場(虛線,單位:℃)、風(fēng)場(a),以及海平面氣壓場(b)(單位:hPa)

        3 物理量分析

        3.1 動力條件分析

        高空槽下滑過程中逐漸加深,槽區(qū)附近正渦度不斷增強(qiáng),槽后及高壓脊為負(fù)渦度控制,從垂直結(jié)構(gòu)看,低層700hPa、850hPa 高空槽呈東北-西南走向,偏前于500hPa,系統(tǒng)呈后傾結(jié)構(gòu)。渦度場垂直剖面上可以看到兩個正負(fù)渦度對,槽線上正渦度最強(qiáng),中心在350hPa 附近(如圖2a 所示)。渦度平流垂直分布為槽前正渦度平流,槽后負(fù)渦度平流達(dá)最強(qiáng),中心在350hPa 附近,負(fù)渦度平流有利于地面加壓,渦度平流隨高度迅速減小,有利于產(chǎn)生較強(qiáng)下沉運(yùn)動。同時低層也存在下沉負(fù)渦度平流區(qū),與地面大風(fēng)區(qū)配合較好(如圖2b 所示)。

        圖2 2020 年3 月18 日20 時渦度(a)(單位:10-5s-1)、渦度平流(b)(單位:10-8s-2)垂直剖面

        18 日14 時高空急流入口區(qū)38~41°N 有次級環(huán)流形成,主要環(huán)流位于300-650hPa,垂直速度剖面圖有速度對與之配合,急流南側(cè)輻散,形成一支上升氣流,北側(cè)輻合,對應(yīng)著氣流下沉支。18 日08 時115°E 附近有“漏斗”狀北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向近地面伸展,高空動量下傳,14-20 時北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速到達(dá)地面,形成大風(fēng)天氣(如圖3、圖4 所示)。

        圖3 2020 年3 月18 日急流入口處次級環(huán)流14 時v、w 合成風(fēng)場沿115°E 的垂直剖面(a);14 時w 沿115°E 的垂直剖面(b)(負(fù)值表示上升運(yùn)動,單位:Pa·s-1)

        圖4 2020 年3 月18 日08 時(a)、14 時(b)、20 時(c)經(jīng)向風(fēng)v 沿38.9°N 的垂直剖面(單位:m·s-1)

        3.2 熱力條件分析

        3.2.1 溫度平流

        溫度平流的本質(zhì)是密度平流,是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)動力學(xué)中的熱力強(qiáng)迫項(xiàng),與地面變壓密切相關(guān)。溫度平流是斜壓擾動發(fā)展的主要動力條件[12],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)。利用NCEP/NCAR1°×1°資料對溫度平流的作用進(jìn)行分析(如圖5 所示),18 日08 時,鋒區(qū)位于內(nèi)蒙中部,對應(yīng)冷平流區(qū)也位于內(nèi)蒙中部,中心強(qiáng)度為-5×10-4K﹒s-1;20 時850hPa 鋒區(qū)南壓至河北中部,冷平流南下移至河北上空,大值中心位于河北東北部至河北中部一帶,并呈加強(qiáng)趨勢,中心值加強(qiáng)至-12×10-4K﹒s-1。受強(qiáng)冷平流影響,20 時前后保定多地出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

        圖5 2020 年3 月18 日08 時、20 時850hPa 溫度平流(單位:10-4K﹒s-1)

        3.2.2 500hPa 和850hPa 溫差與相對濕度

        大風(fēng)的產(chǎn)生與氣壓差、溫度差密切相關(guān)。3 月18 日08-14 時,隨著高層500hPa 槽后冷平流的東移,500hPa 和850hPa 溫差逐漸增大,14 時達(dá)到-33℃,大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。與此同時,濕度廓線顯示對流層中層及以下相對濕度均小于20%,整層均為干空氣,有利于高空動量下傳,形成地面大風(fēng)(如圖6 所示)。

        圖6 2020 年3 月18 日大氣層結(jié)特征T500-850(單位:℃)(a)、相對濕度垂直分布圖(單位:%)(b)

        3.2.3 探空

        18 日08 時,北京和邢臺上空都有不同程度的逆溫,說明此時處于鋒前位置,且850hPa 以下為偏西風(fēng),風(fēng)速較小。隨著鋒區(qū)南壓,鋒面過境,逆溫層遭到破壞,20 時低層風(fēng)速明顯增大,邢臺探空700hPa 以下、北京探空850hPa 以下溫度層結(jié)曲線接近干絕熱,有利于動量下傳。

        3.3 風(fēng)廓線分析

        風(fēng)廓線雷達(dá)是通過發(fā)射不同方向的電磁波束,接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進(jìn)行氣象探測的[13]。從風(fēng)廓線雷達(dá)圖可以看出(如圖7 所示),16 時保定上空基本為偏西風(fēng),大風(fēng)速區(qū)在3000m 以上,17 時30 分降至3000m以下,風(fēng)速為20m·s-1,但近地面風(fēng)速較小,在6m·s-1左右;19 時30 分轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),大風(fēng)速區(qū)已發(fā)展至近地面,近地面風(fēng)速明顯加大,達(dá)到22m·s-1,保定開始出現(xiàn)大風(fēng)天氣。分析可知,16 時-19 時30 分大風(fēng)速區(qū)高度明顯下降,底層風(fēng)速明顯增大,說明有動量下傳。由此可見,風(fēng)廓線的速度特征能夠很好地反映出這次大風(fēng)的演變過程。

        圖7 2020 年3 月18 日風(fēng)廓線雷達(dá)圖(單位:m·s-1)

        4 結(jié)論

        1)這是一次超極地冷空氣的以偏北路徑快速南下形成的大風(fēng),主要影響系統(tǒng)為高空槽、地面冷高壓以及冷鋒。

        2)貝加爾湖冷高壓分裂南下,在河套地區(qū)形成冷高壓,與河北地區(qū)低壓形成西高東低對峙形勢。河北地區(qū)氣壓梯度大,變壓強(qiáng),有利于大風(fēng)出現(xiàn)。

        3)負(fù)渦度平流產(chǎn)生較強(qiáng)下沉運(yùn)動,有利于槽后較高動量的冷空氣向下傳送。同時高空急流入口區(qū)次級環(huán)流的形成加速了大氣的上下交換,“漏斗”狀北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向地面伸展,激發(fā)了地面大風(fēng)的出現(xiàn)。

        4)鋒區(qū)明顯,冷平流強(qiáng),大氣層結(jié)極不穩(wěn)定,有利于高空動量下傳,形成地面大風(fēng)。

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