江蘇一次災(zāi)害性大風(fēng)天氣過程分析

王易 韓桂榮 曹舒婭 劉安寧

（1 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008；2 蘇州市氣象局，蘇州 215000）

0 引言

地面大風(fēng)作為江蘇的主要災(zāi)害性天氣的一種，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此加強(qiáng)災(zāi)害性大風(fēng)的預(yù)報(bào)技術(shù)研究，提高預(yù)報(bào)能力是十分重要的。江蘇大風(fēng)主要出現(xiàn)在3—4月，多與冷暖空氣交匯和天氣系統(tǒng)活動(dòng)頻繁有關(guān)。

許多學(xué)者[1-9]對(duì)災(zāi)害性大風(fēng)進(jìn)行了研究，黃彬等[1-2]對(duì)兩次黃河氣旋造成的黃渤海大風(fēng)及風(fēng)暴潮過程進(jìn)行了分析，指出變壓梯度、氣壓梯度、高空風(fēng)動(dòng)量下傳和超低空急流的偏差風(fēng)輻散的共同作用，形成了黃渤海強(qiáng)風(fēng)。苗春生等[3]將黃河氣旋分為了夏季型和春季型，采用動(dòng)態(tài)合成法對(duì)兩類氣旋的結(jié)構(gòu)和黃渤海海域的熱力、動(dòng)力、水汽等影響因子進(jìn)行了對(duì)比分析。朱男男等[4]通過分析一次黃渤海大風(fēng)過程，指出氣壓梯度和變壓梯度是造成地面大風(fēng)的主要原因。黃彬等[5]對(duì)一次引發(fā)渤海強(qiáng)風(fēng)暴潮的黃河氣旋發(fā)展過程進(jìn)行了天氣動(dòng)力學(xué)分析，揭示了干侵入在爆發(fā)性黃河氣旋中的特征和作用。查賁等[6]通過對(duì)一次爆發(fā)性氣旋引發(fā)的大風(fēng)天氣進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)低層切變線與地面帶狀對(duì)流有效位能（CAPE）高值區(qū)重合區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)大風(fēng)天氣，具有明顯的預(yù)報(bào)指示意義。這些研究成果對(duì)了解和認(rèn)識(shí)災(zāi)害性大風(fēng)提供了重要的參考依據(jù)。

2017年3月1 日下午，江蘇遭遇了大范圍的大風(fēng)天氣，連云港、鹽城、徐州、泰州、南通、南京、鎮(zhèn)江、蘇州、無錫等市的33個(gè)縣（市）風(fēng)力超過8級(jí)，其中阜寧最大風(fēng)力達(dá)10級(jí)（26 m/s）。全省因?yàn)?zāi)死亡3人，重傷13人，多處房屋受損，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。此次大風(fēng)過程雖然前期預(yù)報(bào)已經(jīng)提及，但對(duì)大風(fēng)的量級(jí)預(yù)報(bào)偏小，因此，有必要對(duì)于此次大風(fēng)過程的成因進(jìn)行分析，為今后的預(yù)報(bào)提供參考。本文利用多普勒雷達(dá)資料、自動(dòng)站觀測(cè)資料和NCEP再分析資料，對(duì)此次大風(fēng)過程和形成原因進(jìn)行分析。

1 天氣形勢(shì)和實(shí)況

2017年3月1 日08時(shí)（北京時(shí)，除非特別注明，下同）500 hPa上東亞地區(qū)為一槽—脊的形勢(shì)（圖1a），河套以東為比較深厚的華北冷槽，高空槽后伴有強(qiáng)勁的偏北急流，最大風(fēng)速達(dá)40 m/s，受槽后冷空氣影響，射陽站24 h降溫5 ℃。700 hPa和850 hPa也有槽位于山東和江蘇北部，系統(tǒng)呈后傾結(jié)構(gòu)。700 hPa溫度槽明顯落后于高度槽，有利于高空槽繼續(xù)加深發(fā)展（圖1b）。850 hPa上在山東半島東部有一低渦（圖1c），等溫線與等高線交角幾近90°，槽后部偏北風(fēng)達(dá)20 m/s。從高空三層形勢(shì)看，此次過程呈現(xiàn)強(qiáng)烈的斜壓結(jié)構(gòu)，且槽后急流和冷平流強(qiáng)。

圖1 2017年3月1日500 hPa （a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）位勢(shì)高度場，08時(shí)—20時(shí)地面冷鋒移動(dòng)圖（d）（棕線為槽線，綠色區(qū)域?yàn)?月1日14時(shí)—17時(shí)極大風(fēng)分布區(qū)域）Fig. 1 Geopotential height at 500 hPa (a), 700 hPa (b) and 850 hPa (c), and the movement of the cold front from 08∶00 BT to 20∶00 BT (d) on March 1, 2017(The brown line represents the trough, and the green region represents the extreme wind region from 14∶00 BT to 17∶00 BT)

地面圖上，08時(shí)黃河氣旋主體位于山東半島東部（圖2a），其后部有兩條冷鋒系統(tǒng)（圖1d），其中一條冷鋒位于江蘇沿江一帶，另一條副冷鋒位于山東中部。之后黃河氣旋逐漸東移入海，14時(shí)已移入渤海（圖2b），從山東省成山頭站可以看到（圖2d），28日20時(shí)開始該站氣壓逐漸降低，在1日14時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)之后氣壓迅速回升，且在14時(shí)風(fēng)向有明顯轉(zhuǎn)變，從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明黃河氣旋主體14時(shí)經(jīng)過該測(cè)站。同時(shí)，位于山東中部的副冷鋒14時(shí)已經(jīng)移動(dòng)到連云港，贛榆出現(xiàn)7級(jí)風(fēng)。氣旋入海后移動(dòng)迅速，17時(shí)已到達(dá)朝鮮半島（圖2c），其后部冷鋒17時(shí)也快速移動(dòng)到江淮之間地區(qū)，此時(shí)淮北大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)8～9級(jí)的大風(fēng)，16:41在阜寧觀測(cè)到了26.9 m/s的10級(jí)風(fēng)。隨著冷鋒繼續(xù)南下，江蘇大部分站點(diǎn)都出現(xiàn)7級(jí)以上大風(fēng)。

1日08時(shí)射陽站的探空資料來看（圖3a），K（K指數(shù)）＝27 ℃，SI（沙氏指數(shù)）＞1 ℃，CAPE＝0 J/kg，垂直風(fēng)切變較小，700 hPa和850 hPa之間假相當(dāng)位溫隨高度基本無變化，在當(dāng)時(shí)不利于對(duì)流發(fā)展。但由于前期江蘇回溫較快，1日14時(shí)江淮之間地區(qū)地面溫度都在15 ℃左右。利用14時(shí)的地面溫度訂正探空資料后（圖3b），CAPE＞0 J/kg，出現(xiàn)層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)況觀測(cè)到連云港、鹽城等8個(gè)市（縣）出現(xiàn)雷暴天氣，但降水較弱，全省降水以小雨為主，這與苗春生等[3]提到的春季型黃河氣旋降水特征相符。

圖2 2017年3月1日08時(shí)（a）、14時(shí)（b）、17時(shí)（c）海平面氣壓場，2月28日20時(shí)—3月1日20時(shí)成山頭站溫度、露點(diǎn)溫度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速時(shí)序圖（d）（綠色區(qū)域?yàn)?月1日14時(shí)—17時(shí)極大風(fēng)分布區(qū)域）Fig. 2 The sea level pressure at 08∶00 BT (a), 14∶00 BT (b) and 17∶00 BT (c) on March 1, 2017, and the temperature,dew-point temperature, sea level pressure, wind direction and wind speed from 20∶00 BT on February 28 to 20∶00 BT on March 1 in Chengtoushan station (d) (The green region represents the extreme wind region from 14∶00 to 17∶00)

圖3 2017年3月1日08時(shí)射陽站探空曲線（a）、14時(shí)資料訂正后探空曲線（b）（藍(lán)線為溫度層結(jié)曲線，綠線為露點(diǎn)層結(jié)曲線，紅線為狀態(tài)曲線）Fig. 3 The T-lnp diagrams at 08∶00 BT (a), 14∶00 BT (b) from the Sheyang station on March 1, 2017(The blue line represents the temperature stratification, the green line represents the dew point stratification, and the red line represents the state)

2 多普勒雷達(dá)回波分析

從連云港雷達(dá)0.5°仰角基本反射率可以看到，1日11時(shí)回波主要位于山東沂南一帶（圖4a），回波較為松散，向東南方向緩慢移動(dòng)，回波強(qiáng)度在20～25 dBz。之后回波逐漸合并加強(qiáng)，并在14:30形成一條長約100 km、寬約20 km的回波帶，回波強(qiáng)度較弱，最大回波強(qiáng)度為35 dBZ左右（圖4b）。從連云港雷達(dá)徑向速度圖上可以看到（圖4c），14:44在鋒線兩側(cè)徑向速度出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，零速度線呈現(xiàn)L形折角，表明鋒區(qū)剛剛移動(dòng)到連云港雷達(dá)站前，鋒后為西北風(fēng)，鋒前為西南風(fēng)。隨著冷鋒的向南移動(dòng)，16:08在徑向速度圖上呈現(xiàn)出更加明顯的3條零速度線（圖4d），表明此時(shí)冷鋒已經(jīng)移過連云港雷達(dá)站。

圖4 2017年3月1日11∶00（a）、14∶30（b）連云港雷達(dá)0.5°仰角基本反射率圖，14∶44（c）、16∶08（d）連云港雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖Fig. 4 The 0.5°elevation reflectivity at 11∶00 BT (a), 14∶30 BT (b), and the 1.5°elevation radial velocity at 14∶44 BT (c)and 16∶08 BT (d) from the Lianyungang Radar on March 1, 2017

3 大風(fēng)成因分析

3.1 變壓風(fēng)對(duì)大風(fēng)的影響

實(shí)際風(fēng)V的大小與地轉(zhuǎn)偏差D和地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg有關(guān)，即。雖然地轉(zhuǎn)偏差與地轉(zhuǎn)風(fēng)相比并不大，但是對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)和天氣變化有著重要作用。地轉(zhuǎn)偏差D主要由三項(xiàng)組成

其中，s表示沿流線方向，p表示沿垂直方向。這里主要討論與氣壓的局地變化所造成的風(fēng)的局地變化相聯(lián)系的地轉(zhuǎn)偏差，即變壓風(fēng)的影響。在正變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻散引起下沉運(yùn)動(dòng)，而在負(fù)變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻合引起上升運(yùn)動(dòng)。

通過分析地面自動(dòng)站觀測(cè)資料可以看到（表1），在此次大風(fēng)過程中，16:25冷空氣到達(dá)濱海時(shí)，出現(xiàn)了1 h 10.3 ℃的降溫，使得濱海、響水一帶形成7 ℃以下的冷池。同時(shí)，14時(shí)—17時(shí)濱海、贛榆、東海均出現(xiàn)3 h 5 hPa以上的強(qiáng)正變壓中心，贛榆、東海的3 h變壓值達(dá)6.4 hPa。強(qiáng)氣壓梯度造成變壓風(fēng)的加強(qiáng)，引起地轉(zhuǎn)偏差的加大，進(jìn)而使得實(shí)際風(fēng)變強(qiáng)，造成了阜寧及其周邊地區(qū)的災(zāi)害性大風(fēng)。

進(jìn)一步選取2017年5月4日的江蘇一次氣旋影響過程與這次的過程進(jìn)行對(duì)比。2017年5月4日有一地面氣旋從安徽移入江蘇南部地區(qū)，給江蘇帶來一次降水天氣。從5月4日05時(shí)—08時(shí)地面3 h變壓（表1）可以看到，蘇南地區(qū)大部分站點(diǎn)3 h變壓在2 hPa左右，最大3 h變壓位于高淳，僅為3 hPa，正變壓較弱，遠(yuǎn)小于3月1日過程，從而導(dǎo)致地轉(zhuǎn)偏差較弱，風(fēng)力較小。實(shí)況顯示氣旋過境時(shí)，蘇南各市風(fēng)力在4～5級(jí)左右，并無明顯大風(fēng)天氣出現(xiàn)。由此可以看出，氣壓梯度造成變壓風(fēng)對(duì)大風(fēng)產(chǎn)生有一定的影響。

表1 2017年3月1日江蘇北部部分站點(diǎn)和2017年5月4日江蘇南部部分站點(diǎn)3 h變壓統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics for three-hour variation of surface atmospheric pressure in Northern Jiangsu on March 1,2017 and in Southern Jiangsu on May 4, 2017

3.2 地形對(duì)大風(fēng)的影響

地形對(duì)鋒面有一定的影響，當(dāng)鋒面越過山脈時(shí)會(huì)有加強(qiáng)或減弱的過程。鋒面的加強(qiáng)或減弱通常由鋒生和鋒消來解釋。由鋒生函數(shù)可知

其中，右邊3項(xiàng)分別表示空氣水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)以及非絕熱加熱對(duì)鋒生的作用，當(dāng)時(shí)表示鋒生，當(dāng)是表示鋒消。其中地形作用主要與第二項(xiàng)垂直運(yùn)

圖5 2017年3月1日14時(shí)鋒生函數(shù)975 hPa垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)（線條）與地形（色斑）疊加圖（紅框位置為云臺(tái)山）Fig. 5 The vertical motion of the front genetical function in 975 hPa (line) and the geography (colored) at 14∶00 (BT)on March 1, 2017 (The red rectangle represents Yuntai Mountain)

利用NCEP再分析資料對(duì)此次過程中鋒生函數(shù)垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行分析。通過地形圖可以看到，連云港附近為云臺(tái)山脈，阜寧位于云臺(tái)山南側(cè)，由于云臺(tái)山海拔高度在600 m左右，因此分析時(shí)選取975 hPa高度。從圖5可以看到，14時(shí)在云臺(tái)山北部有弱的鋒消，而在云臺(tái)山南部，當(dāng)鋒面過山后，形成鋒生，有利于冷鋒的加強(qiáng)，因此，對(duì)阜寧的大風(fēng)有一定的加強(qiáng)作用。

4 結(jié)論和討論

基于江蘇自動(dòng)站資料、多普勒雷達(dá)資料以及NCEP再分析資料，對(duì)2017年3月1日江蘇一次災(zāi)害性大風(fēng)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到以下主要結(jié)論：

1）此次江蘇大范圍災(zāi)害性大風(fēng)過程是黃河氣旋后部冷鋒迅速加強(qiáng)南下引起的系統(tǒng)性大風(fēng)過程。整層大氣呈現(xiàn)強(qiáng)烈的斜壓性結(jié)構(gòu)，槽后急流和冷平流顯著，地面冷鋒自北向南掃過江蘇。訂正后的探空資料顯示14時(shí)大氣存在層結(jié)不穩(wěn)定。

2）從連云港雷達(dá)資料可以看到，當(dāng)鋒面經(jīng)過連云港時(shí)，在鋒面兩側(cè)徑向速度出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，零速度線呈現(xiàn)明顯的折角。

3）隨著冷鋒的南下，濱海、贛榆、東海均出現(xiàn)3 h 5 hPa以上的強(qiáng)正變壓中心。地面強(qiáng)3 h正變壓中心引起的變壓風(fēng)加大，造成了阜寧及周邊地區(qū)的災(zāi)害性大風(fēng)。

4）云臺(tái)山的地形對(duì)冷鋒有一定的影響，冷鋒越過云臺(tái)山后產(chǎn)生鋒生，有利于冷鋒的加強(qiáng)，對(duì)阜寧大風(fēng)有一定的加強(qiáng)作用。

這次大風(fēng)過程雖然在前期預(yù)報(bào)中已經(jīng)提及，但對(duì)量級(jí)的把握較差，預(yù)報(bào)量級(jí)偏小。本文從變壓和地形角度分析了造成大風(fēng)的成因，并將研究結(jié)論應(yīng)用于2017年5月4日江蘇南部氣旋影響預(yù)報(bào)過程中，取得了比較好的預(yù)報(bào)效果。因此，本文的研究成果對(duì)預(yù)報(bào)員有一定的參考價(jià)值。