承德市一次由快速發(fā)展氣旋誘發(fā)的大風(fēng)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(zāi)害性天氣越來越關(guān)注，比如暴雨、暴雪，大霧等，這些災(zāi)害性天氣嚴(yán)重影響著人們的生活，有些甚至影響到生命和財(cái)產(chǎn)安全。大風(fēng)也不例外，嚴(yán)重的大風(fēng)可能會造成房屋倒塌、室外公共設(shè)施損毀等，對城市高層建筑、電力設(shè)施、交通運(yùn)輸及人民生活都會造成很大的影響。由于引起大風(fēng)的天氣種類比較復(fù)雜，其中爆發(fā)性氣旋或者快速發(fā)展的氣旋造成的大風(fēng)往往比較強(qiáng)烈，眾多學(xué)者[1-7]對爆發(fā)性和快速發(fā)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(fā)展從而造成大風(fēng)的動(dòng)力和熱力條件進(jìn)行診斷分析，詳細(xì)討論斜壓性與氣旋發(fā)展的作用，Q矢量診斷與非地轉(zhuǎn)風(fēng)的作用，對起風(fēng)機(jī)制都做了深刻的分析研究。壽紹文[8]詳細(xì)解讀了位渦原理及其應(yīng)用，張偉等[9]對平流層中層的干侵入也做了詳細(xì)分析。另外，諸多專家也對大風(fēng)引起的沙塵暴天氣以及大風(fēng)的氣候特征、物理量特征以及個(gè)例都做了深入的研究[10-19]。

承德屬于季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)向具有明顯的季節(jié)性變化，春季大風(fēng)較多，以西北風(fēng)為主。2017年5月5—6日，承德市全市范圍內(nèi)出現(xiàn)了近10 a以來最強(qiáng)的一次大風(fēng)天氣過程，而對于此次大風(fēng)的預(yù)報(bào)，市氣象臺預(yù)報(bào)4～5級，明顯偏小。因此，對此次大風(fēng)成因進(jìn)行分析，探究誘發(fā)大風(fēng)的因素，對于預(yù)報(bào)員增強(qiáng)對大風(fēng)預(yù)報(bào)的把握性和準(zhǔn)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(gè)氣象站常規(guī)觀測資料、區(qū)域站風(fēng)速資料和 NCEP/NCAR（1°×1°）逐6 h再分析資料，分析大風(fēng)天氣過程的大尺度環(huán)流背景，并對溫度平流、渦度平流、高空急流、位渦等物理量進(jìn)行診斷分析，更好地了解誘發(fā)大風(fēng)天氣的主要機(jī)理，為今后預(yù)報(bào)此類天氣過程提供科學(xué)依據(jù)。

2 天氣實(shí)況

2017年5月5—6日，承德市出現(xiàn)了近10 a以來最強(qiáng)的一次大風(fēng)天氣，全市多地出現(xiàn)9級以上大風(fēng)（含區(qū)域站），5日平泉市望火樓站極大風(fēng)達(dá)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(qū)極大風(fēng)速均≥17 m·s-1，6日，除隆化、平泉和興隆以外，其它縣區(qū)極大風(fēng)速均≥17 m·s-1，豐寧縣極大風(fēng)達(dá)到 27.3 m·s-1，風(fēng)力等級10級。本次過程圍場、灤平、興隆、寬城國家站極大風(fēng)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(fēng)過程，風(fēng)速有明顯的日變化，極大風(fēng)速主要出現(xiàn)在每天的09—17時(shí)，夜間極大風(fēng)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(fēng)分布 m·s-1

3 環(huán)流背景分析

2017年5月4日20時(shí)（北京時(shí)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(fā)展，中心氣壓為1 007.5 hPa，同時(shí)，黑龍江北部地區(qū)，中心氣壓為995 hPa的氣旋開始進(jìn)入消亡階段。至5日08時(shí)，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(dòng)，在41°N附近，10個(gè)經(jīng)度氣壓梯度達(dá)到17.5 hPa，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)原理，氣壓梯度越大，風(fēng)力越大（圖1a），此時(shí)氣旋后部北京、河北省西北部及山西北部已經(jīng)開始出現(xiàn)大風(fēng)天氣。5日20時(shí)，氣旋發(fā)展至錮囚階段，中心穩(wěn)定少動(dòng)，6日08時(shí)，氣旋中心氣壓達(dá)到最低為985 hPa。當(dāng)溫帶氣旋24 h內(nèi)氣旋中心氣壓平均每小時(shí)下降1×（sinφ/sin60°）hPa時(shí)，即24 h氣旋加深率為1 B（貝吉?。楸l(fā)性氣旋，其中sinφ/sin60°為緯度協(xié)調(diào)因子，φ為氣旋中心最強(qiáng)時(shí)所在緯度值。當(dāng)氣旋中心24 h下降未達(dá)到，但接近上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，稱為快速發(fā)展的氣旋[1，2]。本次過程屬于氣旋的二次發(fā)展，新生氣旋從 5日 08時(shí)（1 002.5 hPa）至 6日 08時(shí)（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(fā)展氣旋。正是由于氣旋的快速發(fā)展，氣壓梯度和變壓梯度不斷加大，導(dǎo)致了此次的大風(fēng)天氣。

5月4日08時(shí)，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(lián)系的另一低渦中心位于內(nèi)蒙古東北部附近，4日20時(shí)，內(nèi)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(fā)展，低槽呈疏散槽形狀，利于槽的發(fā)展，槽后和槽線附近存在30 m·s-1以上的大風(fēng)速核，高空槽不斷東移和加強(qiáng)，受槽前正渦度平流作用，地面減壓，氣旋逐漸生成。5日08時(shí)高空槽東移發(fā)展至河北北部，出現(xiàn)閉合中心，大風(fēng)速核位于承德附近，最大風(fēng)速超過40 m·s-1（圖1b），地面氣旋中心隨高空槽發(fā)展不斷向東北移動(dòng)并加強(qiáng)，并位于高空槽前正渦度平流區(qū)；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(shí)，高空槽加深發(fā)展形成低渦，此時(shí)正是地面氣旋快速發(fā)展的時(shí)期，低渦后部最大風(fēng)速超過50 m·s-1；6日08時(shí)，低渦達(dá)到最強(qiáng)，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(tǒng)，最大風(fēng)速接近60 m·s-1。

4 氣旋的發(fā)展機(jī)制分析

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

（圓點(diǎn)標(biāo)記數(shù)值表示日期和時(shí)間，如0420表示4日20時(shí)）

4.1 溫度平流和渦度平流的作用

溫度平流是斜壓擾動(dòng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿l件，槽前的暖平流引起上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(fā)展并向前移動(dòng)，同時(shí)影響著地面氣旋的移動(dòng)和發(fā)展。

5 日 08 時(shí)，109°～118°E、37°～43°N 范圍內(nèi)已開始出現(xiàn)大風(fēng)，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(qiáng)冷平流中心，中心強(qiáng)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(jù)位勢傾向方程厚度平流隨高度變化項(xiàng)可知，當(dāng)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(yīng)，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(qiáng)有利于氣旋的快速發(fā)展。同時(shí)，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(fā)展成為冷渦。

在氣旋不斷東移發(fā)展的過程中，渦度平流也起到了重要的作用，5日08時(shí)，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(qiáng)度達(dá)到3×10-8s-2，槽后有負(fù)渦度平流，在氣旋中心至850 hPa以及氣旋西側(cè)700～500 hPa正渦度平流隨高度明顯增加，根據(jù)ω方程渦度平流隨高度變化項(xiàng)，當(dāng)渦度平流隨高度增加時(shí)，有上升運(yùn)動(dòng)，可見，高低空渦度平流的差異，有利于氣旋發(fā)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(fā)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(tǒng)的發(fā)展，高值位渦的向下輸送產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，當(dāng)平流層的高值位渦下傳到對流層，且上下層位渦高值區(qū)連通時(shí)，也就是出現(xiàn)局地正的位渦異常時(shí)，有利于氣旋的爆發(fā)性發(fā)展[4][8]。一般把1.5 PVU或2 PVU位渦面定義為動(dòng)力對流層頂，在該層以上的平流層，PV值由于靜力穩(wěn)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(shí)，位渦高值區(qū)已經(jīng)向東、向下伸展，位渦舌已經(jīng)伸展到700 hPa以下（圖3a），至5日20時(shí)，位渦高值區(qū)繼續(xù)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(fā)展時(shí)期，位渦舌的伸展方向是由西北向氣旋中心靠近的。不難發(fā)現(xiàn)，對流層高層位渦高值區(qū)向下伸展的整個(gè)過程與地面氣旋的快速發(fā)展一致，可見，高層位渦的向下傳遞，對地面氣旋的快速發(fā)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(fā)性發(fā)展往往與高空急流有聯(lián)系，尹盡勇[5]在研究中提到在分析西北太平洋爆發(fā)性氣旋的環(huán)境結(jié)構(gòu)時(shí)，224個(gè)發(fā)生在西北太平洋上的發(fā)展氣旋均發(fā)生在300 hPa高空槽前急流軸北側(cè)。在高空急流出口區(qū)將發(fā)生質(zhì)量調(diào)整，在出口減速區(qū)有指向其右側(cè)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量，它引起質(zhì)量的向南輸送，出口區(qū)非地轉(zhuǎn)風(fēng)引起的質(zhì)量調(diào)整使其左下方減壓，有利于氣旋的發(fā)展[1、4]。4日20時(shí)300 hPa有顯著的急流帶，在高空槽前急流軸左側(cè)出現(xiàn)輻散；5日08時(shí)，急流核明顯加強(qiáng)，最大風(fēng)速

圖2 5日08時(shí)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(shí)（a）和5日20時(shí)（b）沿氣旋中心緯向位渦垂直剖面

達(dá)到68 m·s-1，槽前急流核減速區(qū)的左側(cè)散度也出現(xiàn)大值中心，達(dá)到10×10-5s-1（圖4）。隨著高空槽不斷發(fā)展加強(qiáng)，在高空急流出口區(qū)強(qiáng)輻散中心仍然維持，并發(fā)生質(zhì)量調(diào)整，強(qiáng)輻散中心與地面不斷發(fā)展的氣旋位置相對應(yīng)，這也印證了諸多學(xué)者的研究?？梢?，高空急流與地面氣旋的發(fā)展關(guān)系密不可分，槽前不斷增強(qiáng)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(fā)展。

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

5 大風(fēng)形成機(jī)制分析

此次過程屬于由快速發(fā)展的氣旋誘發(fā)的大風(fēng)天氣，出現(xiàn)大風(fēng)的區(qū)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(fā)大風(fēng)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(dāng)鋒面過境時(shí)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)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(jì)算了鋒生函數(shù)。以考察大氣斜壓性對氣旋發(fā)展的貢獻(xiàn)。

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

5.2 海平面氣壓梯度和變壓梯度的作用

當(dāng)鋒面過境時(shí)，海平面氣壓場也會出現(xiàn)正負(fù)變壓中心，利用24 h變壓分析鋒面，優(yōu)點(diǎn)是不受日變化影響。5日08時(shí)，24 h變壓在河北以東有明顯負(fù)中心，對應(yīng)2個(gè)正變壓中心分別位于內(nèi)蒙古東北部和內(nèi)蒙古中西部，41°N 附近 110°～120°E 變壓梯度約為15 hPa（圖6a）。負(fù)變壓中心與氣旋發(fā)展中心一致，根據(jù)地轉(zhuǎn)偏差方程中變壓風(fēng)一項(xiàng)計(jì)算，在承德附近變壓風(fēng)最大為12 m·s-1。變壓梯度的增大，破壞了地轉(zhuǎn)風(fēng)平衡，產(chǎn)生了非地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成了大風(fēng)天氣，同時(shí)，強(qiáng)的正變壓也造成氣壓梯度的加強(qiáng)（圖1a），從而使得地轉(zhuǎn)風(fēng)分量加強(qiáng)，氣旋后部強(qiáng)烈的氣象要素梯度誘發(fā)大風(fēng)形成。由此可見，氣旋快速發(fā)展引發(fā)的氣壓梯度和變壓梯度加強(qiáng)，是大風(fēng)天氣的另一個(gè)直接原因。

圖5 117°E、42°N鋒生函數(shù)隨時(shí)間垂直剖面

6日08時(shí)，負(fù)變壓中心加強(qiáng)，并且向東推進(jìn)，這與氣旋的快速發(fā)展一致，在氣旋后部出現(xiàn)強(qiáng)的變壓梯度，120°～125°E 緯向梯度將近 17.5 hPa，低層系統(tǒng)與高層系統(tǒng)發(fā)展成為一個(gè)深厚的低壓系統(tǒng)；但在河北以西，高壓中心減弱，出現(xiàn)負(fù)變壓，中心達(dá)到-10 hPa，在2個(gè)負(fù)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(shí)減弱，變壓梯度貢獻(xiàn)明顯減小，鋒面不明顯（圖6b）。但氣旋的快速發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻合和抬升作用，氣旋后部變壓場的改變，導(dǎo)致低層下沉中心位于承德北部。強(qiáng)烈的變壓引起垂直速度的變化，將高空與地面系統(tǒng)的發(fā)展演變結(jié)合成為密不可分的整體，強(qiáng)烈的變壓對垂直運(yùn)動(dòng)也有一定影響。

6 結(jié)論

（1）本次大風(fēng)是由鋒面氣旋快速發(fā)展引起的，0.84 B的氣旋加深率導(dǎo)致后部鋒生作用加強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)10個(gè)經(jīng)度氣壓梯度達(dá)到17.5 hPa和變壓梯度達(dá)到15 hPa是導(dǎo)致本次大風(fēng)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(fā)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(fā)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(qiáng)度達(dá)到3×10-8s-2，高低空渦度平流的差異造成地面氣旋的發(fā)展。

圖6 5日08時(shí)（a）與6日08時(shí)（b）24 h海平面變壓（單位：hPa）

（3）當(dāng)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(qū)連通時(shí)，有利于氣旋的快速發(fā)展。

（4）高空槽前急流核達(dá)到68 m·s-1，出口區(qū)散度達(dá)到10×10-5s-1，引起非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量的質(zhì)量調(diào)整，對高層輻散和整層大氣垂直運(yùn)動(dòng)起到重要作用，造成低層減壓，有利于氣旋發(fā)展。