2017年3月江蘇省一次伴有對流激發(fā)的冷空氣大風分析

查書瑤，陳瀟瀟，沈雨辰，錢俊龍

（無錫市氣象臺，江蘇 無錫214101）

大風災害是指風力≥8 級（17.2 m/s）的風引起的災害。 大風可對公共設施、海陸交通安全、農林生產、生態(tài)環(huán)境以及軍事活動產生較大影響，并且隨著社會經濟的快速發(fā)展， 其造成的損失愈加明顯。 因此，認識冷空氣大風發(fā)生的環(huán)流背景及其物理成因，對大風的預報、預警以及防御有著重要的現實意義。

許多學者對冷空氣大風有了較多的研究。 鄔仲勛等[1]分析了一次冷空氣大風的動量下傳特征，發(fā)現高空槽的形態(tài)和強度對動量下傳的預報有指示作用。 孫建明等[2]通過分析一次冬季突發(fā)性大風，探尋了高低層溫度平流差異對大風預報的指示意義。 曹美蘭等[3]對冬季沿海地區(qū)的突發(fā)性大風的物理成因進行分析，研究顯示，大氣強斜壓性、持續(xù)的西北急流和動量下傳共同導致了此種“晴天暴”天氣。 吳海英等[4]研究表明，冷空氣中的強冷平流導致地面變壓和變壓梯度增強， 對江蘇的近海大風出現有著重要作用。 孫永剛等[5]則認為大風天氣往往伴隨較強的冷平流，而強冷平流中心多位于較低（850 hPa 以下）層次。 楊忠恩等[6]、肉孜·阿基等[7]和周宏等[8]對當地冷空氣大風的診斷分析都表明：大風是高空急流、冷平流、動量下傳等共同作用的結果。

前人對于冷空氣大風的研究主要集中于個例的成因分析，冷空氣大風往往和地面氣壓梯度、變壓梯度、高空冷平流以及動量下傳等有關。不同于以往的研究個例，江蘇省2017 年3 月1 日大范圍的冷空氣大風中還出現了局地的對流性大風， 本文將從環(huán)流背景入手， 對此次冷空氣過程中產生的系統(tǒng)性大風和對流性大風進行成因分析， 并和一次具有不同物理機制的冷空氣大風（2 月20 日過程）進行對比，為以后的冬春大風預報提供參考。

1 實況以及環(huán)流背景

2017 年3 月1 日12：00 之后江蘇省自北向南出現了7~8 級的西北大風， 全省有35 個基本站出現了8 級以上的大風， 出現時間在13：00—19：00，連云港和鹽城的部分市縣還出現了雷暴（圖1a），大風所及處部分房頂、大棚、廣告牌被掀。 在16 時32分，江蘇省鹽城市阜寧縣有2 個自動站出現了11 級大風，其中最大風力出現在三灶鎮(zhèn)，風速達30.4 m/s。而2016 年6 月23 日的阜寧龍卷風過程中， 最大風速出現在新溝鎮(zhèn)，達34.6 m/s，可見此次冷空氣過程中的極大風強度較為罕見。

此次過程是比較典型的高空槽配合地面冷鋒的冷空氣過程。 500 hPa 的東亞大槽較為深厚，并且有非常明顯的橫槽轉豎過程（圖1b），有利于引導冷空氣迅速南下。地面是一股中路冷空氣，2017 年3 月1日14：00—18：00， 地面冷鋒從江蘇北部向東南移動，冷鋒過境時，全省有偏北大風，江蘇東北部有雷暴發(fā)生。 冷鋒在江蘇過境時（1 日17 時），地面高壓中心位于蒙古中部（圖1c），中心氣壓為1 032.5 hPa，江蘇境內有4 根等壓線， 無論是從地面高壓的強度還是高壓前沿的氣壓梯度， 此次的地面高壓系統(tǒng)強度都不是很強，僅僅憑借地面氣壓梯度，不足以使江蘇、山東等地刮起大范圍的7~8 級大風，高空的系統(tǒng)是如何影響到地面的？ 3 月1 日17 時左右，冷鋒在江蘇過境時， 蘇北部分地區(qū)出現了雷陣雨， 阜寧11 級大風有沒有可能是對流性的雷暴大風？為解答上述2 個問題， 下文將從大氣斜壓性和對流性的角度來考察此次大風過程。

2 成因分析

2.1 強斜壓性

低層形勢場（圖2）顯示，3 月1 日14 時，在江蘇上游，即山東、江蘇、安徽等我國東部地區(qū)，700 hPa等高線與等溫線的交角近乎垂直， 說明低層存在強盛的冷平流，也說明大氣的斜壓性非常強。無錫上空溫度平流的高度時間剖面圖（圖3） 顯示得更為清楚。 3 月1 日凌晨500 hPa 存在一強冷平流中心，一直到1 日20 時， 無錫上空始終維持著較強冷平流。持續(xù)的冷平流一方面說明大氣的斜壓性強， 在力管作用下，冷空氣趨于下沉，暖空氣趨于上升，大氣的勢能轉化為動能，下沉運動有利于大風產生[9]；另一方面，冷空氣可以使地面變壓加大，變壓風也會加強地面的風速[10]。

圖1 3 月1 日天氣實況

圖2 3 月1 日14 時700 hPa 形勢場

2.2 動力強迫

無錫上空2 月28—3 月1 日的全風速高度時間剖面圖（圖4）顯示，大風發(fā)生前期，從2 月28 日起200 hPa 高空有一強盛的高空急流維持著， 急流軸附近的風速＞80 m/s，并且從3 月1 日08 時開始，高空大風速區(qū)有明顯的下傳過程， 在1 日午后大風速區(qū)接地。

從3 月1 日凌晨200 hPa 急流及其散度的分布（圖5）可以看到，在江蘇和安徽的大部，也就是高空急流入口區(qū)左側，有明顯的風場輻合。無錫上空散度的時間高度剖面圖（圖6）顯示，在1 日凌晨至中午，高層輻合區(qū)下方的確有輻散區(qū)， 高空急流入口區(qū)北側產生了下沉氣流； 中層的下沉氣流伴隨著冷平流（圖3）使冷空氣下沉，有利于大氣質量調整。 1 日20時，高空急流減弱，冷鋒過境后，中層輻合，低層輻散，低層有下沉氣流，和大風出現的時間段相匹配，說明在下沉氣流的作用下，大氣質量迅速調整，中低層的散度配置在冷鋒過境前后發(fā)生了明顯反轉，有利于地面大風的出現。

圖4 無錫上空全風速（m/s）的高度時間剖面

圖5 3 月1 日02 時200 hPa全風速（黑色等值線，m/s）和散度（填色，10-5·s-1）分布

圖6 無錫上空的散度（10-5 s-1）高度時間剖面

以上結果表明， 此次大范圍的冷空氣大風主要是由高低層較強的冷平流以及高低層輻合輻散的差異性造成。

2.3 對流性

大氣的強斜壓性是引起這次大范圍冷空氣大風的主要原因，但從江蘇極大風的歷史數據來看，在冷空氣過程中出現11 級以上大風的情況是非常罕見的， 并且3 月1 日在江蘇東北部還伴隨著雷暴等對流性天氣（圖1a），那么阜寧縣出現的11 級大風是大范圍的冷空氣大風還是對流性的雷暴大風？ 雷暴對阜寧大風的激發(fā)有何作用？

2.3.1 雷達回波特征

從3 月1 日14 時開始，江蘇省北部就出現了降水回波，此時地面鋒面在蘇魯交界處，18：00 冷鋒從江蘇過境。 雷達反射率因子（圖7a）顯示，3 月1 日16：00 左右， 在連云港附近的回波主體前沿有一條出流邊界，16：31 出流邊界掃過阜寧，徑向速度（圖7b）上也有一條27 m/s 的速度大值窄帶與之相應。而阜寧站監(jiān)測到30.4 m/s 大風的時刻為16：32。因此推斷，阜寧大風和雷暴前沿的出流邊界有密切關系。

2.3.2 要素變化特征

分析3 月1 日阜寧站的溫壓風逐時分布（圖8a），當大風過境時，瞬時風速和海平面氣壓值涌升，而溫度則是斷崖式地下跌：16：00—17：00，氣溫下降了9.2 ℃，氣壓上升了3.8 hPa。 分鐘數據（圖8a）顯示，16：35—16：40 阜寧站變溫為-2.1 ℃，變壓為1.2 hPa。對比冷鋒過境時， 無錫站的溫壓風分布則表現出不同的特點： 18：00—19：00，氣溫下降了2.1 ℃，氣壓上升了2 hPa； 其中要素變化最劇烈的時間為18：25—18：30，這5 min 的變溫為-0.9 ℃，變壓為0.4 hPa。

圖7 3 月1 日16：31 鹽城站的雷達圖

圖8 3 月1 日阜寧站氣溫（℃）、氣壓（hPa）、風速（m/s）的逐時分布（a）和3 月1 日16—17 時阜寧站氣溫（℃）、氣壓（hPa）、風速（m/s）的每5 min 分布（b）

同為冷鋒過境， 無錫站氣象要素的變化明顯沒有阜寧站劇烈， 說明阜寧站這種短時間內劇烈的要素變化應該是中小尺度的雷暴系統(tǒng)所造成的，而非大尺度的鋒面所導致。關聯(lián)發(fā)生雷暴的連云港站以及無雷暴發(fā)生的南京站的氣象要素逐時分布， 連云港站和阜寧站一樣出現了溫度的斷崖式下跌，1 h 變壓可達3 hPa 以上， 南京站的分布特點則和無錫站類似。 因此發(fā)生雷暴的區(qū)域性大風很可能在大尺度冷空氣大風的基礎上， 又疊加了不穩(wěn)定能量被釋放后的中小尺度系統(tǒng)所造成的雷暴大風。 值得一提的是，阜寧11 級的大風是在冷空氣大舉南下的過程中疊加了不穩(wěn)定能量的釋放， 所以在氣壓場上沒有雷暴大風的先升后降的“高壓鼻”特征，而是隨著冷空氣不斷南下，氣壓一直在升高。

2.3.3 不穩(wěn)定能量及其觸發(fā)

圖9 為1 日14 時阜寧上空的T-logP 圖，綠色和藍色曲線分別為露點和溫度的層結曲線，紅色為狀態(tài)曲線?？梢钥吹?，在800 hPa 以下的溫度直減率幾乎和干絕熱直減率相同， 說明低層的大氣非常不穩(wěn)定；中層（850~600 hPa）為濕層，有利于產生降水，中高層（500 hPa 以上）為干層，其中400 hPa 最為干燥。 此種低層“倒V 形”的溫濕廓線有利于干下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生[12]，中層有足夠的濕度，使降水產生的下沉氣流能夠達到地面，低層深厚的干絕熱層，有利于降水的蒸發(fā)、融化和升華，從而加強負浮力使得地面大風加強。 計算14 時阜寧上空的DCAPE 為1037 J/kg； 假設不考慮其他因素，氣塊下沉到達地面時，理論上負浮力做功引起的最大下沉對流速度可達45.5 m/s[13]。 可見，較強的下沉對流有效位能有利于大風的產生。

冬春交界也是高架雷暴多發(fā)的季節(jié)， 為了確定對流的觸發(fā)原因，由1 日14 時低層的垂直速度和散度可知，此時鋒面位于蘇魯交界處35°N 附近，垂直速度大值區(qū)在鋒面附近，在900 hPa 左右高度。鋒面前側低層有明顯輻合， 說明鋒面抬升是江蘇北部對流觸發(fā)的主要原因。

綜合地面實況、 雷達回波和天氣系統(tǒng)配置，得出：3 月1 日午后江蘇北部地區(qū)有下沉對流有效位能的累積，在冷鋒過境的過程中，不穩(wěn)定能量被鋒面觸發(fā)釋放，江蘇東北部出現雷陣雨天氣，雷暴前沿的出流邊界進一步觸發(fā)了阜寧上空的不穩(wěn)定能量，阜寧出現了11 級大風。陣風鋒是阜寧大風的直接觸發(fā)機制， 但大尺度的鋒面對不穩(wěn)定能量的觸發(fā)也有相當作用， 阜寧大風是在不同尺度系統(tǒng)共同作用下產生的。

圖9 3 月1 日14 時阜寧上空的T-logP

3 與2 月20 日大風過程對比

冬春交界是大風多發(fā)的季節(jié)， 在2017 年2 月20 日同樣也發(fā)生了一次冷空氣大風， 將其與3 月1日大風進行對比分析。

2 月20 日上午江蘇省自北向南出現6~7 級的偏北大風，全省有5 個基本站出現8 級以上大風，其中最大風速出現在連云港的齊臺山，風速為26.6 m/s（10 級）。 大風總體強度沒有3 月1 日過程強。

比較兩次過程的地面氣壓場和6 h 變壓場（圖10），2 月20 日過程的地面氣壓梯度和6 h 變壓強度都較強， 說明地面的冷空氣勢力比3 月1 日過程強。 溫度平流的演變也顯示，2 月20 日過程的強冷平流僅發(fā)生在低層，中高層沒有明顯的溫度平流，說明大氣斜壓性很弱。 此外，2 月20 日過程前期的高空急流較弱，急流中心風速在45 m/s 左右，也沒有大風速下傳的特征。比較兩次過程的能量條件，3 月1 日過程有較強的DCAPE（下沉對流有效位能），而2 月20 日過程中沒有對流和降水產生。

通過兩次過程的詳細比較（表1），得出：2 月20日的大風主要是由地面冷鋒附近的強氣壓梯度和鋒面過境前后的強變壓導致的， 雖然地面冷空氣勢力強于3 月1 日大風，但由于沒有高空系統(tǒng)的影響，是一次比較淺薄的過程， 大風強度不及3 月1 日的過程，同時也沒有不穩(wěn)定能量的累積，沒有對流性大風的出現。 而3 月1 日大風是由于大氣的強斜壓性所導致的， 局部地區(qū)的大風還有不穩(wěn)定能量被激發(fā)所產生的雷暴大風的特征。

圖10 3 月1 日鋒面過境前后地面6 h 變壓場（a）和2 月20 日鋒面過境前后地面6 h 變壓場（b）（單位：hPa）

表1 3 月1 日過程和2 月20 日過程特征對比分析

4 結論

應用地面觀測資料、多普勒雷達資料以及逐6 h的FNL 再分析資料， 對2017 年3 月1 日一次江蘇省大風過程進行了診斷分析， 并和2017 年2 月20日的大風個例進行簡單對比，得到以下結論：

（1）3 月1 日的冷空氣大風是由于大氣強斜壓性以及高低層輻合輻散差異所引起的， 局部地區(qū)的大風還有對流性雷暴大風疊加的效果。

（2）不同于傳統(tǒng)的地面大風（2 月20 日的大風過程），3 月1 日過程的地面氣壓梯度和變壓風的貢獻并不大，主要還是由于系統(tǒng)深厚的斜壓性造成的，高空的強冷平流使得大氣質心下沉， 大氣的勢能轉化為動能。 這要求預報員在冷空氣過程中除了關注地面高壓、冷鋒，還需要關注高空系統(tǒng)的演變，例如200 hPa 高空急流的持續(xù)偏強、中高層的強冷平流。

（3）局部地區(qū)的大風（阜寧11 級大風）是在大范圍的冷空氣背景下，鋒面觸發(fā)了上游的雷暴，上游雷暴的出流邊界又觸發(fā)了不穩(wěn)定能量而產生的。 陣風鋒是阜寧大風的直接觸發(fā)機制， 但大尺度的鋒面對不穩(wěn)定能量的觸發(fā)也有相當作用， 并且提供了大范圍偏北大風的環(huán)境場， 阜寧大風是在不同尺度系統(tǒng)共同作用下產生的。 阜寧大風不僅僅是大范圍系統(tǒng)性的冷空氣大風，也不單純是對流性的雷暴大風，而是介于兩者之間的混合性大風， 是不同尺度系統(tǒng)共同作用下產生的。 預報員在今后的預報和監(jiān)測中要多加注意不穩(wěn)定能量的累積變化以及陣風鋒的監(jiān)測。