2018年春季新鄉市一次大風天氣診斷分析

田曉璐

摘 要：本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析數據、氣象常規資料，對2018年春季新鄉一次罕見的大風天氣進行深入分析，研究假相當位溫、溫度平流、散度、垂直速度等在此次過程中的作用和演變特征。結果表明：700hPa以下較強的冷平流，有利于形成強的地面氣壓梯度和變壓梯度。鋒面前側低空輻合、高空輻散的強烈抽吸作用，促進了華北暖低壓的不斷發展，從而有利于氣壓梯度加強：槽前上升、槽后下沉運動，有利于大量擾動有效位能轉化為擾動動能，形成斜壓不穩定，導致地面出現大風。

關鍵詞：大風;假相當位溫;冷平流;動量下傳

中圖分類號：P458.3文獻標識碼：A文章編號：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

大風是我國北方地區主要的災害性天氣之一，不僅影響農業生產、電力、通信設施等，而且對人們的日常生活構成嚴重威脅。新鄉市位于太行山南麓，地處太行山與華北平原結合地帶，春季由于西風槽及冷鋒活動頻繁，西伯利亞冷空氣南下的時間尺度加大，新鄉市的冷空氣活動極為常見。姬興杰等[1]對1971—2009年河南省110個氣象站的大風日數進行了統計分析，發現新鄉市為春季大風高發區，全省平均大風日數最大值出現在新鄉市的延津縣。針對冷空氣大風的成因，氣象工作者做了大量研究，馬月枝等[2]發現高空西風急流配合適合的垂直環流產生動量下傳，有利于產生超出一般強度的冷空氣大風。肉孜·阿基等[3]研究發現，高空中期環流形勢、冷空氣強度、動量下傳決定了大風的類型和強度，溫度平流、垂直運動的強度及配置與大風強度關系密切。

2018年3月15日，受高空低槽東移及地面冷鋒共同影響，新鄉市出現了一次罕見的大風過程，平均風力6～7級，瞬間最大風力11級（30.6m·s-1）。此次大風過程持續時間長且風力大，造成2 217人受災，多處房屋倒塌及塑料大棚損毀，直接經濟損失達2 432.99萬元。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析數據、氣象常規資料，對此次大風天氣進行深入分析，討論假相當位溫、溫度平流、散度、垂直速度等在此次過程中的作用和演變特征，旨在為今后大風預報提供參考依據。

2 天氣概況

從3月12日開始，新鄉市氣溫持續偏高。從表1可知，12—14日新鄉市平均氣溫為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3天呈緩慢下降趨勢，14日降至最低值1 000.0hPa。氣溫持續偏高為大風的出現提供了熱力不穩定因素[4]，一方面有利于華北低壓的生成;另一方面，有利于冷鋒過境時不穩定能量的釋放，促使地面風力加大。

新鄉市各國家站大風從15日08：00陸續開始，在13：00前后風速達到最大，持續至15日夜間結束（見表2）。各站的極大風速均超過20m·s-1，輝縣及原陽突破歷史極值。陣風系數為1h內極大風速和最大風速之比[5，6]。從圖1可知，新鄉站極大風速與最大風速變化趨勢類似，而陣風系數維持在1.7左右，說明陣風和平均風變化的影響因子基本一致。此次過程中，封丘、延津及長垣48h最低氣溫降幅為10.2～14.2℃。根據河南省寒潮定義標準（48h內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，這三站均達到寒潮。此外，大風發生前，新鄉多站出現鋒面霧天氣，封丘最小能見度降至59m。

3 主要影響系統

3.1 500hPa低槽

從圖2可知，14日08：00 500hPa亞歐高緯地區為兩槽一脊環流形勢，勒拿河附近有一深厚的低渦系統，中心強度達-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。在冷溫槽落后于低槽的情況下，槽后西北風加大有利于冷平流增強，從而使低槽進一步發展。80°E以東的中高緯地區（30～50°N）以緯向環流為主，高空鋒區位于40～50°N，有9條等高線與之對應，位勢高度差為36dagpm。隨著高壓脊前西北風加強及泰米爾半島附近冷空氣的補充，冷空氣不斷向南輸送，低槽持續加深，經向度加大。15日08：00，高空鋒區繼續南壓，槽底伸展至華北平原，等溫線與等高線夾角為45°左右，存在很強的斜壓性。45°N附近最大風速達32m·s-1，低槽后部強勁的西北氣流引導冷空氣快速南下，給新鄉帶來一次大風過程。15日夜間，低槽東移入海形成東亞大槽，過程趨于結束。

3.2 地面形勢

14日08：00，貝加爾湖附近有一中心值為1 045hPa的冷高壓，華北地區受中心值為1 010hPa的暖低壓控制，高低壓中心壓差達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，與冷鋒后側的冷高壓形成北高南低的氣壓場形勢，華北地區呈現較強的氣壓梯度，10個緯距內壓差32.5hPa。同時，河北與山東交界處出現了3h變壓值為6hPa的變壓中心，該處風力顯著增加。11：00，新鄉位于鋒面后部，3h變壓值也呈南壓趨勢，新鄉位于5hPa的變壓中心（見圖3）。較強的氣壓梯度與變壓梯度相配合，導致全區出現6～7級偏北大風，獲嘉縣黃堤站于11：43出現此次過程的瞬間最大風力，達30.6m·s-1。此后，強冷空氣不斷沿華北平原直驅南下，大風長時間持續。直至16日白天，冷高壓控制整個華北地區，過程結束。

此次大風發生在亞歐中高緯環流由緯向型過渡為經向型，高緯小槽東移發展及東亞大槽重建的過程之中。在強高空鋒區上東移南壓的小槽，是引發此次大風過程的主要高空天氣系統。華北暖低壓的持續發展有利于冷鋒前后氣壓梯度增大，較強的氣壓梯度與變壓梯度相配合，促使地面風力加強。

4 環境物理量場分析

4.1 假相當位溫

假相當位溫是把溫度、氣壓、濕度包括在一起的一個綜合物理量，不僅考慮了氣壓對溫度的影響，也考慮了水汽的凝結和蒸發對溫度的影響[7]。筆者選用850hPa的假相當位溫為例進行分析。

15日02：00，冷空氣入侵至40°N附近，河北中部為θse密集區，高值位于38°N以南。豫北自地面至850hPa盛行偏南風，暖濕氣流的持續輸送有利于近地層水汽增加，使空氣達到飽和，從而導致冷鋒前側能見度轉差。15日早晨出現了大范圍鋒面霧天氣，封丘、獲嘉、原陽的最小能見度均低于100m。由圖4（a）可知，08：00，θse的低值區伸展至河北南部，自山東伸向豫北為θse高能舌，影響新鄉的最大值達314K。伴隨著冷空氣繼續東移南壓，大氣靜穩條件快速破壞，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，θse從312K降至290K，相差22K，說明此次冷空氣勢力很強。16日08：00，豫北地區已被冷空氣完全控制，θse達284K，24h降溫幅度為30K。此次強冷空氣帶來了劇烈的降溫，從而造成新鄉多站出現寒潮。

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，右側第1項為溫度平流，第2項為垂直運動對局地氣溫變化的影響，第3項為變壓和氣壓平流引起的溫度變化，第4項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，在實際預報中可以忽略[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日當天，大范圍云系覆蓋華北平原，從而導致太陽輻射引起的氣溫日變化較小。因此，本次大風過程主要考慮溫度平流的影響。

溫度平流是斜壓擾動強烈發展最主要的動力條件。此次過程中，850hPa等溫線與風場接近垂直，冷平流非常明顯，強冷平流有利于地面氣壓梯度快速加大，造成地面風力加強。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°資料對溫度平流的作用進行分析。15日02：00，700hPa冷平流位于內蒙中部至河北北部（圖略），中心值為-5×10-4K·s-1。850hPa鋒區南壓至40°N附近，冷平流位于陜西北部至河北北部，呈狹長的帶狀分布，并有多個冷平流中心。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生很強的斜壓結構。08：00，850hPa鋒區南壓至35°N附近，冷平流沿華北地區快速南下移至豫北，并呈加強趨勢，中心值為-6×10-4K·s-1[見圖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，大風過程趨于結束。

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

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的集中時段。新鄉上空700hPa以下均為較強的冷平流，有利于形成強的地面氣壓梯度和變壓梯度。此外，冷平流中心移動較為緩慢是此次大風長時間維持的因素之一。

4.3 散度

分析沿114°E（新鄉上空）的散度經向剖面[見圖6（a）]發現，15日08：00，鋒面前側（33～35°N）800hPa以下對應輻合區，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。鋒面前側低空輻合，高空輻散的強烈抽吸作用，促進了華北暖低壓的不斷發展，有利于氣壓梯度加強。同時，鋒面后側（35～38°N）700hPa以下均為強勁的偏北氣流，最大風速達到22m·s-1，且該區域對應輻散區，最大值為9×10-5s-1，位于38°N上空800hPa附近。這種垂直結構意味著鋒面后側700hPa以下存在一支較強的動力強迫下沉氣流，有利于地面強烈的偏北大風出現。伴隨著冷空氣南壓，14：00，新鄉上空800hPa之下轉為輻散區[見圖6（b）]，且強度快速增加，中心值為8×10-5s-1，位于1 000hPa附近，說明高層動量開始向近地面層傳遞，地面風速的強度也達到頂峰。

4.4 垂直速度

從新鄉上空（114°E）做垂直速度與風場的經向剖面圖可以看出，15日08：00（見圖7），上升運動區位于34～39°N附近，1 000～850hPa對應強的垂直上升運動，最大速度達-6×10-3Pa·s-1。此時，39°N以北為偏北氣流，并對應強烈的下沉運動，最大值位于41°N上空的750hPa附近，達5×10-3Pa·s-1，說明有下沉氣流將高空動量向下傳遞。而冷鋒后部冷空氣強烈下沉，有利于地面偏北大風的出現，高空動量下傳會導致地面風力的加大并延長大風持續時間。14：00，伴隨著高空低槽過境，新鄉上空800hPa以下均轉為下沉運動，最大值位于850hPa附近，達2×10-3Pa·s-1（見圖8）。下沉氣流與高空動量下傳相互疊加，造成35°N上空850hPa以下區域出現了大于24m·s-1的強風速區（圖略），此時正是新鄉風力最強時段。這種槽前上升、槽后下沉運動，有利于大量擾動有效位能轉化為擾動動能，形成斜壓不穩定，促使地面風力持續加大。

5 結論

①此次大風發生在亞歐中高緯環流由緯向型過渡為經向型，高緯小槽東移發展及東亞大槽重建的過程之中。在強高空鋒區上東移南壓的小槽，是引發此次大風過程的主要高空天氣系統。華北暖低壓的持續發展有利于冷鋒前后氣壓梯度增大，較強的氣壓梯度與變壓梯度相配合，促使地面風力加強。

②此次冷空氣勢力很強，新鄉上空850hPa假相當位溫降溫劇烈，24h降幅達30K，造成多站出現寒潮。15日08：00至16日02：00是冷平流中心南下影響新鄉的集中時段，700hPa以下均為較強的冷平流，有利于形成強的地面氣壓梯度和變壓梯度。此外，冷平流中心移動緩慢是此次大風長時間維持的因素之一。

③鋒面前側低空輻合，高空輻散的強烈抽吸作用，促進了華北暖低壓的不斷發展，有利于氣壓梯度加強。鋒面后側存在較強的動力強迫下沉氣流，有利于地面出現偏北大風，高空動量下傳導致風力加大并延長持續時間。槽前上升、槽后下沉運動，有利于大量擾動有效位能轉化為擾動動能，形成斜壓不穩定，促使地面風力加強。

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