承德市一次由快速發展氣旋誘發的大風天氣分析

馮鈺博，王 宏，楊 梅，高艷春

（承德市氣象局，河北 承德067000）

近年來，人們對災害性天氣越來越關注，比如暴雨、暴雪，大霧等，這些災害性天氣嚴重影響著人們的生活，有些甚至影響到生命和財產安全。大風也不例外，嚴重的大風可能會造成房屋倒塌、室外公共設施損毀等，對城市高層建筑、電力設施、交通運輸及人民生活都會造成很大的影響。由于引起大風的天氣種類比較復雜，其中爆發性氣旋或者快速發展的氣旋造成的大風往往比較強烈，眾多學者[1-7]對爆發性和快速發展的氣旋做過深入的研究，從溫度平流、渦度平流、急流、垂直速度以及位渦等諸多方面對氣旋快速發展從而造成大風的動力和熱力條件進行診斷分析，詳細討論斜壓性與氣旋發展的作用，Q矢量診斷與非地轉風的作用，對起風機制都做了深刻的分析研究。壽紹文[8]詳細解讀了位渦原理及其應用，張偉等[9]對平流層中層的干侵入也做了詳細分析。另外，諸多專家也對大風引起的沙塵暴天氣以及大風的氣候特征、物理量特征以及個例都做了深入的研究[10-19]。

承德屬于季風氣候區，風向具有明顯的季節性變化，春季大風較多，以西北風為主。2017年5月5—6日，承德市全市范圍內出現了近10 a以來最強的一次大風天氣過程，而對于此次大風的預報，市氣象臺預報4～5級，明顯偏小。因此，對此次大風成因進行分析，探究誘發大風的因素，對于預報員增強對大風預報的把握性和準確性有著重要的意義。

1 資料和方法

利用承德市2017年5月5—6日9個氣象站常規觀測資料、區域站風速資料和 NCEP/NCAR（1°×1°）逐6 h再分析資料，分析大風天氣過程的大尺度環流背景，并對溫度平流、渦度平流、高空急流、位渦等物理量進行診斷分析，更好地了解誘發大風天氣的主要機理，為今后預報此類天氣過程提供科學依據。

2 天氣實況

2017年5月5—6日，承德市出現了近10 a以來最強的一次大風天氣，全市多地出現9級以上大風（含區域站），5日平泉市望火樓站極大風達到30.8 m·s-1，為本次過程最大。分析國家站資料，5日，除平泉以外全市其它縣區極大風速均≥17 m·s-1，6日，除隆化、平泉和興隆以外，其它縣區極大風速均≥17 m·s-1，豐寧縣極大風達到 27.3 m·s-1，風力等級10級。本次過程圍場、灤平、興隆、寬城國家站極大風突破歷史同月極值，分別為23.5、18.1、21、25.6 m·s-1（表1）。

此次大風過程，風速有明顯的日變化，極大風速主要出現在每天的09—17時，夜間極大風速一般在10 m·s-1以下。

表1 承德市5月5—6日各地國家站日極大風分布 m·s-1

3 環流背景分析

2017年5月4日20時（北京時間，下同），受500 hPa高空槽前正渦度平流影響，河北省西北部112°E、44°N附近有鋒面氣旋生成并發展，中心氣壓為1 007.5 hPa，同時，黑龍江北部地區，中心氣壓為995 hPa的氣旋開始進入消亡階段。至5日08時，新生氣旋移至 122°E、45°N附近，中心氣壓為1 002.5 hPa旋自西向東北移動，在41°N附近，10個經度氣壓梯度達到17.5 hPa，根據地轉風原理，氣壓梯度越大，風力越大（圖1a），此時氣旋后部北京、河北省西北部及山西北部已經開始出現大風天氣。5日20時，氣旋發展至錮囚階段，中心穩定少動，6日08時，氣旋中心氣壓達到最低為985 hPa。當溫帶氣旋24 h內氣旋中心氣壓平均每小時下降1×（sinφ/sin60°）hPa時，即24 h氣旋加深率為1 B（貝吉隆）為爆發性氣旋，其中sinφ/sin60°為緯度協調因子，φ為氣旋中心最強時所在緯度值。當氣旋中心24 h下降未達到，但接近上述標準時，稱為快速發展的氣旋[1，2]。本次過程屬于氣旋的二次發展，新生氣旋從 5日 08時（1 002.5 hPa）至 6日 08時（985 hPa）中心氣壓下降了17.5 hPa，氣旋中心氣壓平均每1 h下降0.72 hPa，24 h氣旋加深率約為0.84 B，屬于快速發展氣旋。正是由于氣旋的快速發展，氣壓梯度和變壓梯度不斷加大，導致了此次的大風天氣。

5月4日08時，500 hPa在貝加爾湖以北113°E、65°N附近存在低渦中心，與之相聯系的另一低渦中心位于內蒙古東北部附近，4日20時，內蒙古東北部附近低渦減弱消退，在甘肅北部有高空槽開始發展，低槽呈疏散槽形狀，利于槽的發展，槽后和槽線附近存在30 m·s-1以上的大風速核，高空槽不斷東移和加強，受槽前正渦度平流作用，地面減壓，氣旋逐漸生成。5日08時高空槽東移發展至河北北部，出現閉合中心，大風速核位于承德附近，最大風速超過40 m·s-1（圖1b），地面氣旋中心隨高空槽發展不斷向東北移動并加強，并位于高空槽前正渦度平流區；隨著新疆北部高壓脊東移北抬至貝加爾湖以西，冷空氣不斷南壓，至5日20時，高空槽加深發展形成低渦，此時正是地面氣旋快速發展的時期，低渦后部最大風速超過50 m·s-1；6日08時，低渦達到最強，中心閉合等值線為516 dagpm，與地面氣旋中心重合，形成深厚的低壓系統，最大風速接近60 m·s-1。

4 氣旋的發展機制分析

圖1 5日08時海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）和氣旋位置變化（圓點）（a）及500 hPa高度場（等值線：單位：dagpm）和大風速核（陰影，單位：m·s-1）（b）

（圓點標記數值表示日期和時間，如0420表示4日20時）

4.1 溫度平流和渦度平流的作用

溫度平流是斜壓擾動發展的主要動力條件，槽前的暖平流引起上升運動，上升運動產生正渦度平流，在溫度平流和渦度平流的共同作用下，高空槽得到發展并向前移動，同時影響著地面氣旋的移動和發展。

5 日 08 時，109°～118°E、37°～43°N 范圍內已開始出現大風，500 hPa高空槽槽線位于116°E附近，沿42°N溫度平流垂直剖面圖上，500 hPa槽線附近存在較強冷平流中心，中心強度為-15×10-4K·s-1，上層300 hPa存在12×10-4K·s-1的暖平流中心，冷平流隨高度減弱（圖2a）。根據位勢傾向方程厚度平流隨高度變化項可知，當冷平流隨高度減弱，等壓面高度降低；同理，在850 hPa附近，同樣存在冷平流中心，與850 hPa槽線對應，槽前有暖平流，冷、暖平流均隨高度減弱，促使高空槽不斷加深。850 hPa槽前暖平流使得等壓面升高，氣柱被拉長，高層輻散，有利于地面減壓，這種斜壓性的加強有利于氣旋的快速發展。同時，500 hPa槽后脊前存在中心為6×10-4K·s-1的暖平流，促使高壓脊不斷東伸，冷空氣向南堆積，高空槽發展成為冷渦。

在氣旋不斷東移發展的過程中，渦度平流也起到了重要的作用，5日08時，在高空槽前部，600～300 hPa之間均存在正渦度平流中心（圖2b），渦度平流中心強度達到3×10-8s-2，槽后有負渦度平流，在氣旋中心至850 hPa以及氣旋西側700～500 hPa正渦度平流隨高度明顯增加，根據ω方程渦度平流隨高度變化項，當渦度平流隨高度增加時，有上升運動，可見，高低空渦度平流的差異，有利于氣旋發展加深。

綜上所述，溫度平流和渦度平流的共同作用是氣旋加速發展的主要原因。

4.2 位渦分析

大氣中的位渦守恒性通過大氣伸縮作用引起天氣系統的發展，高值位渦的向下輸送產生垂直運動，當平流層的高值位渦下傳到對流層，且上下層位渦高值區連通時，也就是出現局地正的位渦異常時，有利于氣旋的爆發性發展[4][8]。一般把1.5 PVU或2 PVU位渦面定義為動力對流層頂，在該層以上的平流層，PV值由于靜力穩定度的急劇增加而迅速增加，在該層以下的對流層，PV值變比較均一，變化不大。

5日08時，位渦高值區已經向東、向下伸展，位渦舌已經伸展到700 hPa以下（圖3a），至5日20時，位渦高值區繼續下伸并與底層位渦貫通（圖3b），這一過程中地面氣旋也處于快速發展時期，位渦舌的伸展方向是由西北向氣旋中心靠近的。不難發現，對流層高層位渦高值區向下伸展的整個過程與地面氣旋的快速發展一致，可見，高層位渦的向下傳遞，對地面氣旋的快速發展起到很大作用。

4.3 高空急流與散度場分析

有研究指出[3、5]，溫帶氣旋的爆發性發展往往與高空急流有聯系，尹盡勇[5]在研究中提到在分析西北太平洋爆發性氣旋的環境結構時，224個發生在西北太平洋上的發展氣旋均發生在300 hPa高空槽前急流軸北側。在高空急流出口區將發生質量調整，在出口減速區有指向其右側的非地轉風分量，它引起質量的向南輸送，出口區非地轉風引起的質量調整使其左下方減壓，有利于氣旋的發展[1、4]。4日20時300 hPa有顯著的急流帶，在高空槽前急流軸左側出現輻散；5日08時，急流核明顯加強，最大風速

圖2 5日08時沿42°N緯向溫度平流垂直剖面（a）（單位：10-4K·s-1）和沿氣旋中心緯向渦度平流垂直剖面（b）（單位：10-8s-2）

圖3 5日08時（a）和5日20時（b）沿氣旋中心緯向位渦垂直剖面

達到68 m·s-1，槽前急流核減速區的左側散度也出現大值中心，達到10×10-5s-1（圖4）。隨著高空槽不斷發展加強，在高空急流出口區強輻散中心仍然維持，并發生質量調整，強輻散中心與地面不斷發展的氣旋位置相對應，這也印證了諸多學者的研究。可見，高空急流與地面氣旋的發展關系密不可分，槽前不斷增強的急流核對高層輻散起到重要作用，高層輻散的抽吸作用使低層大氣減壓，地面氣旋得到發展。

圖4 5月5日08時300 hPa急流（V≥30 m·s-1）（風羽，單位：m·s-1）和水平散度（單位：10-5s-1）

5 大風形成機制分析

此次過程屬于由快速發展的氣旋誘發的大風天氣，出現大風的區域在氣旋后部。那么在氣旋后部必定會有物理量或氣象要素條件的劇烈變化從而引發大風天氣。

5.1 斜壓作用分析

此次過程承德市位于高壓前部氣旋后部，分析T-lnP和相對濕度也可以得知，整層大氣相對濕度很低，水汽條件較差，當鋒面過境時部分鄉鎮出現弱降水，基本屬于干過程。由于位溫在干過程中具有保守性，本文用位溫計算了鋒生函數。以考察大氣斜壓性對氣旋發展的貢獻。

考慮到非絕熱項計算的精確度問題，只對水平輻散項、形變項以及垂直速度有關的傾斜項三項進行計算。通過分析計算結果，此次大風過程中，117°E、42°N附近850 hPa以下一直存在較強的鋒生作用，5 日 08 時，925 hPa附近有 30×10-10K·m-1·s-1鋒生中心（圖5），5日20時，大值鋒生中心再次出現，中心位置相比之前更接近地面，直至6日14時，鋒生中心依然存在。可見，在氣旋快速發展時，氣旋后部有很強的鋒生作用，斜壓作用相當明顯，這種斜壓作用對于有效位能的釋放，動能的制造是相當有利的。由高壓前部氣旋后部鋒生作用引起鋒面的加強，是大風天氣形成的一個直接原因。

5.2 海平面氣壓梯度和變壓梯度的作用

當鋒面過境時，海平面氣壓場也會出現正負變壓中心，利用24 h變壓分析鋒面，優點是不受日變化影響。5日08時，24 h變壓在河北以東有明顯負中心，對應2個正變壓中心分別位于內蒙古東北部和內蒙古中西部，41°N 附近 110°～120°E 變壓梯度約為15 hPa（圖6a）。負變壓中心與氣旋發展中心一致，根據地轉偏差方程中變壓風一項計算，在承德附近變壓風最大為12 m·s-1。變壓梯度的增大，破壞了地轉風平衡，產生了非地轉運動，造成了大風天氣，同時，強的正變壓也造成氣壓梯度的加強（圖1a），從而使得地轉風分量加強，氣旋后部強烈的氣象要素梯度誘發大風形成。由此可見，氣旋快速發展引發的氣壓梯度和變壓梯度加強，是大風天氣的另一個直接原因。

圖5 117°E、42°N鋒生函數隨時間垂直剖面

6日08時，負變壓中心加強，并且向東推進，這與氣旋的快速發展一致，在氣旋后部出現強的變壓梯度，120°～125°E 緯向梯度將近 17.5 hPa，低層系統與高層系統發展成為一個深厚的低壓系統；但在河北以西，高壓中心減弱，出現負變壓，中心達到-10 hPa，在2個負變壓中心之間存在弱的正變壓帶，位于118°E、44°N附近，承德附近變壓梯度相比5日08時減弱，變壓梯度貢獻明顯減小，鋒面不明顯（圖6b）。但氣旋的快速發展產生強烈的輻合和抬升作用，氣旋后部變壓場的改變，導致低層下沉中心位于承德北部。強烈的變壓引起垂直速度的變化，將高空與地面系統的發展演變結合成為密不可分的整體，強烈的變壓對垂直運動也有一定影響。

6 結論

（1）本次大風是由鋒面氣旋快速發展引起的，0.84 B的氣旋加深率導致后部鋒生作用加強，進而引發10個經度氣壓梯度達到17.5 hPa和變壓梯度達到15 hPa是導致本次大風的直接原因。

（2）500 hPa高壓脊東移迫使冷空氣向南堆積，高空槽發展成為冷渦，槽線附近冷平流中心-15×10-4K·s-1，冷平流隨高度減弱，冷渦不斷加深；850 hPa槽前暖平流造成地面減壓，為氣旋發展提供熱力條件；正渦度平流隨高度明顯增加，至600～300 hPa之間渦度平流中心強度達到3×10-8s-2，高低空渦度平流的差異造成地面氣旋的發展。

圖6 5日08時（a）與6日08時（b）24 h海平面變壓（單位：hPa）

（3）當平流層1.5 PVU位渦面向下伸展至對流層，上下層位渦高值區連通時，有利于氣旋的快速發展。

（4）高空槽前急流核達到68 m·s-1，出口區散度達到10×10-5s-1，引起非地轉風分量的質量調整，對高層輻散和整層大氣垂直運動起到重要作用，造成低層減壓，有利于氣旋發展。