冬春季動量下傳引發浙江沿海災害大風過程分析

楊亦萍，史珩瑜，劉力源，王麗娟

（1.浙江省臺州市氣象局，浙江 臺州 318000；2.浙江省預警信息發布中心，浙江 杭州 310002；3.浙江仙居縣氣象局，浙江 仙居 317300）

1 引言

動量下傳大風一般出現在冬春季，通常是在冷空氣南下后，高空轉偏北風控制。這類天氣形勢下浙江往往多為晴好天氣，所以突發大風的可預報性差，災害性強，是浙江冬春海上災害大風預報的一個難點。前人對此也展開一些研究，孫建明等[1]認為高低層溫度差動效應可作為大風預報的定量指示；曹美蘭等[2-3]研究發現“晴天暴”大風是在西北急流下，急性型干冷鋒快速東移南壓，斜壓不穩定大氣位能向動能的劇烈轉換造成的；王雷等[4-7]研究發現高低空較強冷平流和中低空輻合輻散環流引起的動力強迫下沉作用是造成強風的重要原因；吳海英等[8]對冷空氣引發江蘇近海強風分析發現溫度平流和地面風場之間相互關聯，冷平流增強了地面變壓場及變壓梯度是產生大風的重要原因；周后福等[9]從精細化觀測安徽一次局地極端大風中發現，近地層的垂直風切變、降水粒子拖曳作用和近地層冷池密度流都是極端大風的重要成因；張琳娜等[10-11]研究發現中層動量和動能下傳以及近地面動量和動能水平輸送是影響地面大風的重要因素，平均流和陣風在動量傳送上起相當大的作用。數值預報對極端性和突發性大風的預報效果往往不佳，也是預報的一個難點。

2020 年4 月12 日傍晚到夜里，浙江北部及沿海地區有一次致災性大風過程，出現9～11 級偏北大風，部分海域陣風達11～13級，最大風力為40.8 m/s，強度堪比臺風級。此次強風過程自起風到出現極大風，時間短，突發性強，實況風力遠超預期，造成了舟山海域漁船傾覆和多名船員死亡的重大海損事故。此類型冬春季突發性大風在浙江沿海地區比較少見，對其系統性的研究并不多。本文對此次突發性災害大風過程做重點分析，主要分析實況演變、天氣形勢變化和致災原因；對比分析多個典型的相似個例，從形勢場要素分析量化，并提出一個浙北高空冷渦底動量下傳大風的預報模型，為此類過程提供一定的預報參考，這對今后預報和防災減災工作有重要意義。

2 4月12日災害性大風過程分析

2.1 數據資料和演變過程

本文所用數據資料包括：美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction ，NCEP）逐6h 的全球分析資料（Final Operational Global Analysis）；MICAPS（Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System）常規形勢場、探空和物理量實況資料；浙江省常規氣象觀測實況資料；美國懷俄明大學（University of Wyoming）歷史探空數據。

2020 年4 月12 日下午高空冷渦南壓觸發對流，回波自江蘇北部南壓發展，江蘇出現8～9 級大風，18 時（北京時，下同）前后對流靠近江浙滬交界，強度繼續增強；18—23 時是本次強雷暴大風的最強時段（見圖1），強回波東移入海增強，浙北及其沿海地區風力迅速增強，出現11～13 級陣風，浙江大風過程持續近3 h，由于水汽條件差，過程降水偏弱，但災害性大風顯著，下文對本次強大風過程具體分析。

圖1 2020年4月12日災害大風過程的演變Fig.1 The evolution of the disastrous gale on April 12，2020

2.2 天氣過程形勢分析

從環流型勢上看，4月11日20時500 hPa中高緯貝加爾湖附近暖脊發展（見圖2a），華北有橫槽，江淮為偏西氣流控制，溫度脊略落后于高度脊，脊前有冷平流補充，有利于橫槽向南加深。12日08時橫槽快速轉豎（見圖2b），槽底加深到福建中南部，冷渦中心南壓到朝鮮半島，高空轉西北急流控制，浙江北部處于急流軸左側，有一定的高空輻散條件；槽底疏散槽，有利冷渦快速南掉，冷渦中心南壓到30°～35°N。高空槽的形狀及強度對于預報動量下傳大風具有較大的意義[12]，而本次致災大風發生在橫槽快速轉豎冷渦南掉期間。

圖2 2020年4月11—12日500 hPa高空形勢場（黑：等高線，紅：等溫線）Fig.2 The synoptic situation from April 11 to 12，2020 at 500 hPa（Black line：contour；red line：isotherm）

從低層到地面形勢場看，過程前1 d（11 日20時）冷鋒已南壓到浙南福建一帶，冷空氣主體已南下，地面冷高壓控制，天況轉好。但當天下午到夜里低層冷平流轉為弱暖平流（見圖3），高空冷平流維持，呈上冷下暖結構，層結不穩定性加強。另外，通常冷空氣主體過后，大氣層水汽條件都較差，對流不易發展，但水汽分析發現12 日08—20 時，冷空氣從東路經渤海往西南方南下擴散，裹挾海上水汽，給華東沿海帶來的一定水汽，低層濕度轉好（見圖4），低層濕度突增加大不穩定，有利于本次災害性大風產生。

圖3 4月12日下午14時高低空溫度平流場Fig.3 The temperature advection field at 14：00 on April 12

圖4 4月12日浙北低層水汽通量散度（矢量為1000 hPa流場，填色圖為1000 hPa水汽通量散度）Fig.4 The low-altitude water vapor flux divergence in northern Zhejiang on April 12（The vector is flow field at 1000 hPa，and the shadow is water vapor flux divergence at 1000 hPa）

2.3 災害性大風成因分析

2.3.1 深厚的垂直風切變

從4 月12 日08 時杭州站探空圖可知（見圖5），探空曲線呈上干下濕的喇叭口形狀，濕區集中在700 hPa以下；0～6 km垂直風切變為23 m/s，達強垂直風切變，到20 時對流發展，強垂直風切變維持。從探空相對風暴螺旋度（Storm-Relatiue Helicity，SRH）指數來看，一般當SRH>120 時，發生強對流可能性極大，而20 時杭州站探空SRH 值達383，此過程具備強垂直不穩定層結，低層有淺薄濕區，深厚的垂直不穩定條件，有利于對流性大風天氣發生。

圖5 杭州站4月12日08時探空圖Fig.5 Sounding figure of Hangzhou station at 8：00 on April 12

2.3.2 顯著的下沉運動

從高空垂直分布時序圖可知（見圖6），杭州站200 hPa 高 度12 日08 時風速為48 m/s，而中 低 層700～925 hPa 風速只有14～17 m/s，到20 時200～500 hPa 風速減小，而中低層到地面速度快速增大。高層速度減小，中低層增大，高低空動能發生快速轉換，會引起高空動量向下傳遞。

圖6 杭州站4月11日08時—13日08時垂直風場時序圖（a）和4月12日08—20時200～925 hPa風速變化（b）Fig.6 Sequence diagram of vertical wind field at Hangzhou Station from 8：00 on April 11 to 8：00 on April 13（a）and variation of wind speed from 200 to 925 hPa at Hangzhou station from 8：00 to 20：00 on April 12（b）

高空渦度平流變化是大風發展的重要的動力因子[13]，而本次過程的渦度平流隨高度變化也有所體現，20 時浙北地區（29.8°～30.5°N）500 hPa 轉為負渦度平流，850 hPa 以下為弱的正渦度平流（見圖7）。ω方程[14]中：

圖7 12日20時沿121.5°E渦度平流剖面（a）和流場剖面（b）Fig.7 Profile of vorticity advection（a）and flow field（b）along 121.5°E at 20：00 on April 12

式中，右端第一項為渦度平流隨高度變化項，當渦度平流隨高度減小時，有下沉運動（ω＞0）。在此過程中該區出現下沉運動。另外，從121.5°E 的流場剖面圖上也可以看到20 時浙北700 hPa到地面有明顯的下沉運動。

2.3.3 高低空溫度平流的快速更替

本次過程中一個顯著特征就是溫度平流快速置換，而溫度平流的快速變化也可能是大風形成的一個重要原因[1]。分析溫度平流垂直剖面可知（見圖8），4 月12 日08 時浙北（30°N）上游500 hPa 上有顯著冷平流，而對應低層850 hPa 為暖平流，整層為偏北風，上冷下暖的溫度平流使其存在明顯的高低空溫度差動平流。

圖8 大風過程前后浙北地區沿120°E溫度平流剖面的演變Fig.8 Variation of temperature advection profile along 120°E in northern Zhejiang

大風發生當晚高空500 hPa 偏北風使冷平流不斷向下擴散，高空強鋒區伴隨下沉運動往下傳遞，中層冷平流加強，出現明顯的溫度鋒增壓，850 hPa暖平流減弱并逐漸被冷平流取代，低層出現一個顯著的冷暖平流中心對，鋒區下沉，地面氣壓快速增大，使地面風速猛增，這種強烈的溫度平流更替非常有利于大風產生。

2.3.4 高低空耦合與冷空氣挾卷相互作用

本次過程高空呈后傾槽結構，強風發生當日08時，蘇南到浙北高空為輻散場，低層為弱輻合場，弱天氣強迫觸發對流。隨著高空槽轉豎東移，對流回波發展加強，到20時低層輻合和高空輻散的耦合結構變得更加顯著（見圖9），上升運動加強，對流發展增強，此時近地層有補充南下的干冷空氣卷入。在這種高低空耦合散度場的配置下，當有冷空氣挾卷時，強對流云團因干冷空氣進入降水拖曳的下沉區，水汽加速蒸發，下沉氣流的負浮力增強，產生動量下傳大風的動能增大，將中高層強動量向低層和地面傳遞，從而產生爆發性大風。

圖9 4月12日20時散度場Fig.9 Divergence field at 20：00 on April 12

2.3.5 成因小結

上述分析表明，4 月12 日的災害性大風過程是在高空冷渦底部弱天氣強迫背景下，強冷空氣主體南下，弱冷空氣補充時發生的。原因是多方面的：上干下濕垂直結構、深厚垂直風切變的維持和一定的垂直速度都有利于不穩定層結的發展和維持；高低空溫度平流的快速更替和高低空輻合輻散場耦合結構增強了對流發展的動力條件；冷空氣挾卷作用又促進強對流云團中下沉負浮力增強，從而加強動量下傳，促進過程的發生。

3 浙江冬春季冷渦底部爆發性大風預報分析著眼點

一般動量下傳引發的大風在浙江沿海較少且具有突發性和強破壞性。為更好地預報此類大風，本文選取近年較典型的個例（1992 年2 月23 日、1995 年11 月7 日、2001 年1 月28 日、2004 年12 月30日和2020 年4 月12 日）做共性分析，從過程發生的季節、時間、形勢特征的演變、高空冷中心強度、急流強度、垂直風切變強度及持續時間（以杭州站和上海寶山站為參考點）和24 h 地面變高幾個方面做共性分析研究，并提出一個天氣模型供預報參考（見圖10）。

圖10 浙江冬春季爆發性大風的天氣模型Fig.10 The weather model of sudden gale in Zhejiang in winter and spring

浙江冬春爆發性大風的基本天氣模型特征如下：

（1）一般發生在冬春季節，有多股冷空氣活躍時期，高空冷中心維持，強度平均達-40 ℃。

（2）東北亞中高緯地區為“一槽一脊”的環流形勢，且槽脊呈東北-西南向，等壓線密度大且每10個緯度有8～9條等壓線，高空鋒區較強。通常有橫槽快速轉豎，槽迅速向南加深或冷渦快速南掉，槽底位置達30°N以南，甚至到25°N。

（3）存在中心風速達46 m/s以上的高空急流。

（4）存在深厚的垂直風切變：0～6 km 高度達強垂直風切變，杭州站可達26 m/s，上海寶山站可達24 m/s，0～3 km高度可達中等強度，即12 m/s；高低空有強溫度差動平流區配合。

另外，本文對形勢場多要素與過程極大風做相關性分析，選取急流強度、冷中心強度和杭州站與上海站高空垂直風速變化作為主要因子。結果發現，杭州站0～6 km 垂直風速變化相關性較為顯著，當其配合有利的環流形勢時，可以將其作為預報動量下傳大風的一個重要參考指標，其他因子相關性較差。

4 小結與思考

本文對2020 年4 月12 日浙江沿海一次高空冷渦底部動量下傳引起的破壞性大風過程進行形勢演變和成因分析，并分析了此類預報性差的多個典型個例，提出浙江冬春季爆發性大風的基本天氣模型。結果表明：

（1）4月12日的災害性大風發生在強冷空氣南下后，是在新冷空氣補充、強垂直風切變、一定的垂直速度、高低空溫度平流的快速更替以及高低空輻合輻散場配合冷空氣挾卷多因素共同作用下發生的。

（2）此類天氣一般發生在冬春冷空氣活躍時，特別是冷空氣補充南下時，高空冷中心強度可達-40 ℃；中高緯呈“一槽一脊”環流形勢，高空槽等壓線密集，平均每10 個緯度有8～9 條等壓線；橫槽快速轉豎，槽底可達30°N 甚至更南；高空急流強度強，中心風速達46 m/s以上；存在深厚的垂直風切變；存在強的高低空溫度差動平流。

日常預報中，此類過程發生前地面常常已經轉北風控制，濕度轉差，天氣轉好，故此類大風往往容易被預報員忽略或低估。本文提出的基本天氣模型可在日常預報中作為參考，結合天氣實況開展分析，以提高預報的及時性和有效性。