許楓 王璐思 張曉涵 李華 胡壤支

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：許楓（1967—） ，男 ，四川廣元人，工程師，研究方向?yàn)闅庀?、大氣科學(xué)。

摘 要：利用廣元市國家基準(zhǔn)站和區(qū)域站2010—2020年的常規(guī)地面、高空觀測資料，對近10年廣元市出現(xiàn)的區(qū)域性大風(fēng)天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別從大氣環(huán)流背景、冷空氣活動源地、路徑、中心氣壓、氣壓梯度等方面進(jìn)行天氣學(xué)診斷分析，同時(shí)考察其相關(guān)性和獨(dú)立性，通過嚴(yán)格篩選，得出具有顯著意義和代表性的5個預(yù)報(bào)指標(biāo)和2個補(bǔ)充條件，并通過近2年的實(shí)際應(yīng)用和檢驗(yàn)表明效果顯著。

關(guān)鍵詞：冬季大風(fēng)；冷空氣路徑和顯著通道；高空關(guān)鍵區(qū)；指標(biāo)閾值；動力下傳

中圖分類號：P732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

廣元市地處四川盆地北部，嘉陵江上游，屬龍門山東側(cè)高原與盆地的過渡帶，是米倉山、龍門山和四川盆地北部低山三大地貌的交會帶，氣候獨(dú)特，天氣變化較大，在冬季，平均每5～10 d就有一次冷空氣影響。素有“川北門戶”之稱的廣元作為冷空氣入川之首站，大風(fēng)發(fā)生頻率在四川盆地各地市中最為顯著，大風(fēng)頻發(fā)是其一大主要天氣特征，對其進(jìn)行研究有很大的必要性。

1 資料來源和個例篩選

資料來源于廣元市5個國家氣象觀測站，分別為廣元國家基本氣象站與青川、劍閣、旺蒼、蒼溪國家氣象觀測站的地面氣象要素觀測資料，以及廣元市所屬的160個區(qū)域自動站地面氣象要素觀測資料，采用2011—2020年的逐日與逐時(shí)數(shù)據(jù)。

按照中國氣象局對風(fēng)力等級劃分，7級風(fēng)為13.9～

17.1 m/s，8級風(fēng)為17.2～20.7 m/s，個例選取標(biāo)準(zhǔn)中要求2個大監(jiān)站達(dá)到7級風(fēng)，保證此個例屬區(qū)域性大風(fēng)，同時(shí)要求達(dá)7級大風(fēng)的大監(jiān)站轄區(qū)內(nèi)至少有1個自動站達(dá)到8級（出現(xiàn)≥17.2 m/s的大風(fēng)），說明此大風(fēng)具災(zāi)害性，滿足這2個條件的個例定義為一次區(qū)域性大風(fēng)。

以上述大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，2010—2020年廣元市共發(fā)生區(qū)域性大風(fēng)37次。

2 廣元市大風(fēng)的地理分布與季節(jié)特征

大風(fēng)地理分布方面，由于地處嘉陵江河谷的原因，

廣元（3個區(qū)）和劍閣出現(xiàn)區(qū)域性大風(fēng)的概率最高，為

36/37（97%）；青川縣主要受到西方路徑冷空氣影響，但由于其海拔較高，西北還受到龍門山和摩天嶺阻擋，出現(xiàn)大風(fēng)概率相對較小，為19/37（51%），并且青川縣即使出現(xiàn)大風(fēng)，也只有6～7級，很難達(dá)到8級或以上；旺蒼縣則受其北部米倉山阻擋，冷高壓爬山減弱，下山增溫變性，加之冷空氣東北回流路徑也較少，因此旺蒼縣的大風(fēng)概率只占7/37（19%）；蒼溪縣西部處于廣元市大風(fēng)顯著通道，發(fā)生大風(fēng)概率較大，但影響面積有限，監(jiān)測站點(diǎn)有限，故大風(fēng)概率不高，為15/37（41%）。各縣區(qū)大風(fēng)分布見表1。

從季節(jié)上分析，春季區(qū)域性大風(fēng)相對較多，達(dá)63/113，占比55.7%；秋冬季50/113，占比44.3%。

3 冷空氣源地、路徑與通道

冷空氣源地主要是新地島以西洋面，其次是新地島以東洋面和冰島以南洋面，三源地冷空氣一般在地面關(guān)鍵區(qū)（70°～90°E，43°～65°N）積累加強(qiáng)后暴發(fā)南下，入侵四川盆地的主要路徑有4條：西北路徑、北方路徑、東北路徑、西方路徑。其中，西北路徑和北方路徑，先達(dá)廣元市北部的川陜交會處，再經(jīng)朝天區(qū)進(jìn)入而影響廣元市（圖1）。

冷空氣路徑統(tǒng)計(jì)顯示，北方路徑最多，達(dá)51.8%，其次為西北路徑，達(dá)25.9%，這是造成廣元市大風(fēng)的2條主要路徑，西方路徑和東北路徑較少，兩者之和僅占22.2%（圖2）。

西北路徑和北方路徑來的冷空氣進(jìn)入廣元首先影響的是沿嘉陵江河谷分布的朝天區(qū)、利州區(qū)、昭化區(qū)，冷空氣沿河谷移動，加之地處龍門山和米倉山之間，有明顯的狹管加速效應(yīng)，地處廣元中部，這是廣元大風(fēng)發(fā)生的最顯著通道，風(fēng)力最強(qiáng)；西方路徑來的冷空氣翻越龍門山后影響廣元市西部縣區(qū)，東北路徑冷空氣翻越米倉山后影響廣元市東部縣區(qū)，此二路冷空氣均存在爬山減弱，越山后下沉增溫變性，因此風(fēng)力相對稍?。▓D3）。

4 環(huán)流背景

廣元市區(qū)域性大風(fēng)在環(huán)流背景上均受到500 hPa烏拉爾山周邊（45°～100°E）長波脊的影響，當(dāng)高壓脊在50°E附近時(shí)，亞洲是一個緯向上很寬廣的大低壓；在70°E附近時(shí)，表現(xiàn)為二槽一脊的形勢；在90°E附近時(shí)，多構(gòu)成一種高壓阻塞形勢，大風(fēng)暴發(fā)前均出現(xiàn)環(huán)流調(diào)整，觸發(fā)條件是歐洲低槽東移或冷槽發(fā)展，致使烏山長波脊減弱東移，高空轉(zhuǎn)為西北氣流，引導(dǎo)西伯利亞或蒙古冷空氣向南暴發(fā)，給廣元市帶來一次區(qū)域性大風(fēng)天氣。根據(jù)引導(dǎo)冷空氣移動快慢特點(diǎn)，典型的可分為低槽東移型和橫槽轉(zhuǎn)豎型。

5 理論依據(jù)和預(yù)報(bào)因子

據(jù)研究，利用2011—2020年廣元市的大風(fēng)資料及廣元站逐日和逐時(shí)各個地面氣象要素資料，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析大風(fēng)的影響因素，發(fā)現(xiàn)極大風(fēng)速與3 h變壓和24 h變壓呈極顯著正相關(guān)，也是制作大風(fēng)預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)著重分析的要素，并應(yīng)給出明確的閾值。

5.1 動力下傳模型

根據(jù)ω方程：

（1）

式（1）中，右邊第一項(xiàng)為渦度平流隨高度變化項(xiàng)，當(dāng)

渦度平流隨高度增加時(shí)，[-Vg·▽（ f +ζg）]＞0，有上升運(yùn)動（ω＜0）；當(dāng)渦度平流隨高度減小

時(shí)，[-Vg·▽（ f +ζg）]＜0，有下沉運(yùn)動（ω＞0），在地面高壓中心，渦度平流很小，而在其上空高空槽后為負(fù)渦度平流，于是在該地區(qū)渦度平流隨高度減弱，有下沉運(yùn)動。

當(dāng)右邊第二項(xiàng)-▽2[Vg·▽∝Vg·▽-Vg·

▽T時(shí)，暖平流區(qū)（-Vg·▽T＞0），有上升運(yùn)動（ω＜0）；冷平流區(qū)（-Vg·▽T＜0），有下沉運(yùn)動（ω＞0）。

綜上所述，地面高壓上空的負(fù)渦度平流和中低層冷平流都有利于下沉運(yùn)動，其結(jié)果加速了高空和地面不同能量、不同密度空氣的交換，有利動力下傳。動力下傳對于大風(fēng)的產(chǎn)生十分重要[1]。

5.2 中空關(guān)鍵區(qū)

根據(jù)地面氣壓局地變化方程：

（2）

式（2）中，槽后脊前渦度平流Aζ為負(fù)，地面渦度隨時(shí)間減小，加壓，反氣旋發(fā)展；脊后槽前為正，地面渦度隨時(shí)間增加，減壓，氣旋發(fā)展；溫度平流項(xiàng)在冷平流的情況下，＜0，地面渦度隨時(shí)間減小，加壓，反氣旋發(fā)展；反之，暖平流情況下，氣旋發(fā)展[2]。

可見，地面高壓上空的負(fù)渦度平流和冷平流不僅對地面反氣旋的發(fā)展有利，同時(shí)也對動力下傳極其重要，高空700 hPa和500 hPa 80°～105°E，33°～50°N的

區(qū)域是廣元市渦度平流、溫度平流來源的上游，是廣元市產(chǎn)生地面大風(fēng)的高空關(guān)鍵區(qū)（圖4）。

6 預(yù)報(bào)指標(biāo)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)和研究，得出廣元市區(qū)域性大風(fēng)預(yù)報(bào)指標(biāo)如下：

（1）環(huán)流背景條件：過去數(shù)天受到500 hPa烏拉爾山周邊（45°～100°E）高壓脊影響，未來24～36 h內(nèi)將有環(huán)流調(diào)整，受脊前西北氣流影響。

（2）斜壓性條件：700 hPa在高空關(guān)鍵區(qū)（85°～10°E，

33°～50°N）有溫度槽落后的斜壓槽存在，且500 hPa和700 hPa的溫度鋒區(qū)在10個緯度內(nèi)≥4根等溫度線。

（3）700 hPa溫度差，反映低層溫度梯度：08：00～

20：00任一時(shí)次成都酒泉溫度差≥15 ℃。

（4）變壓：是衡量梯度風(fēng)發(fā)生的重要指標(biāo)，根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測廣元未來24 h將出現(xiàn)24 h變壓≥7 hPa且

3 h變壓≥4.5 hPa的時(shí)次（若是東北回流路徑需3 h變壓≥5 hPa）。

（5）上游指標(biāo)站：地面實(shí)況圖烏鞘嶺出現(xiàn)風(fēng)向340°～30°，風(fēng)速12 m/s或以上的北風(fēng)。

以上5個指標(biāo)都滿足時(shí)，未來24 h廣元市有一次區(qū)域性大風(fēng)天氣，可發(fā)布大風(fēng)預(yù)警。若有某個條件不滿足，以下2個補(bǔ)充條件中滿足其中1個，也視為條件具備，可發(fā)布大風(fēng)預(yù)警。

補(bǔ)充條件：（1）盆地內(nèi)有一熱低壓（或氣旋性環(huán)流）；（2）500 hPa與700 hPa溫度鋒區(qū)分布相對重合，距離≤

700 km。

7 業(yè)務(wù)運(yùn)行和檢驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)滿足廣元市區(qū)域性大風(fēng)預(yù)報(bào)全部5個條件時(shí)，預(yù)報(bào)未來24 h有一次區(qū)域性大風(fēng)的個例擬合率為83.7%（31/37），當(dāng)加入補(bǔ)充條件后擬合率為91.9%。將此模式應(yīng)用于2022年10月—2023年4月的我臺冬半年大風(fēng)業(yè)務(wù)中，出現(xiàn)的6次區(qū)域性大風(fēng)預(yù)報(bào)，5次準(zhǔn)確，1次效果較差，準(zhǔn)確率為85.7%。 2022年10月—2023年3月使用此模式后，大風(fēng)預(yù)警準(zhǔn)確率評分78.6分，對照上一年度，我臺區(qū)域性大風(fēng)準(zhǔn)確率提高6.1分，效果較為滿意。

8 二次大風(fēng)典型個例

一次過程是2022年11月11日，環(huán)流背景是典型的低槽東移型，此次冷空氣源地來自新地島以西巴倫支海，11月5日 20：00在黑海以北形成地面冷高壓，中心氣壓1 025 hPa，7日進(jìn)入巴湖附近，在地面關(guān)鍵區(qū)繼續(xù)發(fā)展，中心氣壓1 035 hPa、9日東移至蒙古，中心氣壓1 040 hPa、高空環(huán)流背景方面，11月6日500 hPa烏拉爾山高脊建立并穩(wěn)定，亞洲為一大低壓，500 hPa有一冷槽配合，溫度鋒區(qū)位于45°N附近，低壓槽分裂一小槽東移，進(jìn)入我國河西走廊一帶，并繼續(xù)向東偏南方向沿西北路徑移動，但低槽較弱，帶來冷空氣有限，廣元市略有降溫，10日烏山以西冷槽發(fā)展，環(huán)流調(diào)整開始，烏山高脊減弱東移，其東側(cè)低壓主體帶動地面冷空氣向東南暴發(fā)，冷空氣沿西北路徑移動，自陜西漢中方向擴(kuò)散影響廣元市，給廣元帶來一次大風(fēng)天氣。

低槽東移型大風(fēng)來得快，但勢力稍弱，此次過程發(fā)布了大風(fēng)黃色預(yù)警，但效果不好，只有位于顯著通道的廣元、劍閣一線出現(xiàn)7級左右大風(fēng)，其他縣區(qū)只有5～6級偏北風(fēng)。總結(jié)分析認(rèn)為主要是高空冷平流稍弱，700 hPa降溫4.9～6.5 ℃，且高空溫度鋒區(qū)偏北，導(dǎo)致動力下傳效果較差；雖然11日24 h變壓7 hPa，達(dá)到閾值，但關(guān)鍵的3 h變壓僅3.5 hPa，未達(dá)閾值；加之冷空氣自東北擴(kuò)散路徑，是此次大風(fēng)預(yù)報(bào)效果較差的原因。

2023年12月15日出現(xiàn)的大風(fēng)為典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型環(huán)流背景，12月6日08：00自歐洲東移的地面冷空氣到達(dá)里海以東，中心氣壓1 030 hPa， 8日08：00，中心氣壓發(fā)展至1 050 hPa，至10日20：00與蒙古冷高壓合為一體，中心氣壓1 052 hPa，長軸為西北—東南向，并向地面關(guān)鍵區(qū)匯集，至14日08：00發(fā)展為1 072.5 hPa，高空背景方面，9日08：00烏山長波脊建立，脊線呈東北—西南向，亞洲為2個中心組成的大低壓，北支鋒區(qū)位于40°N以北，溫度槽略微落后于高度槽，利于阻塞形勢維持，11日20：00新地島西側(cè)一冷舌南掉，致使烏山脊減弱東移南壓，14日08：00，脊前西北氣流進(jìn)入我國新疆地區(qū)，東部橫槽也轉(zhuǎn)豎，北支鋒區(qū)南壓至35°N附近，烏山高脊減弱為跨度40個經(jīng)距的高壓帶，14日20：00，脊前西北氣流引導(dǎo)聚集于西伯利亞至蒙古的冷空氣大舉南下，侵入廣元市造成大風(fēng)。

此次過程前，由于滿足了模式預(yù)報(bào)的全部5個指標(biāo)，因此發(fā)布了大風(fēng)黃色預(yù)警，效果好。此次大風(fēng)過程自11月14日08：00—15日20：00，歷時(shí)36 h，14日廣元市大部出現(xiàn)7～9級大風(fēng)；而15日大部出現(xiàn)8～10級大風(fēng)，極大風(fēng)最大值出現(xiàn)在15日13：00，從實(shí)況反映，此時(shí)3 h變壓達(dá)3.4 hPa，低空24 h變溫達(dá)-5～-15 ℃，低空冷平流極強(qiáng)，冷空氣下沉，動力下傳十分明顯。

9 結(jié)論

廣元市是四川盆地著名的大風(fēng)區(qū)，重巒疊嶂，地勢西高東低、北高南低，水系交錯，嘉陵江穿城而過，10月—翌年4月冷空氣活動頻繁，大風(fēng)是當(dāng)?shù)刂饕臑?zāi)害性天氣。做好減災(zāi)防災(zāi)工作，不僅要掌握大風(fēng)天氣的時(shí)空分布、形成機(jī)理和物理特征，還需從地形分布、實(shí)時(shí)氣象要素、環(huán)流背景、地面氣壓系統(tǒng)發(fā)展理論、動力下傳、上游指標(biāo)站等方面入手，建立預(yù)報(bào)模式，提高大風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

參考文獻(xiàn)

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