保定市一次大風(fēng)天氣過程診斷分析

張思涵，董疆南，高萬泉，馬鴻青，王志超

（1.河北省定州市氣象局；河北 定州 073000；2.河北省保定市氣象局，河北 保定 071000）

大風(fēng)是影響保定的重要?dú)庀鬄?zāi)害性天氣之一。大風(fēng)沙塵天氣不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境、人民生活等造成重大影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)等的生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。位于河北中部的保定市地處太行山北部東麓，冀中平原西部，地勢(shì)由西北向東南傾斜，有山地、丘陵、平原，地形較為復(fù)雜，春季易出現(xiàn)大風(fēng)天氣[2]。長期以來，由于大風(fēng)天氣出現(xiàn)頻率較高、危害程度較大，眾多學(xué)者圍繞大風(fēng)及其成因做了深入研究。關(guān)于冷空氣大風(fēng)的成因，一些學(xué)者［3-6］認(rèn)為是斜壓大氣能量轉(zhuǎn)換、西北急流活動(dòng)及動(dòng)量下傳等因素共同作用的結(jié)果；張鵬等[7]分析了山東省一次高空冷渦誘發(fā)的渤海氣旋大風(fēng)過程，對(duì)渦度平流、溫度平流、散度等動(dòng)力和熱力條件進(jìn)行了診斷分析，指出高層與中低層的反位相垂直分布特征；康志明等[8]、牛若蕓等[9]研究指出，冷鋒過境前冷高壓加強(qiáng)，冷空氣堆積時(shí)冷平流輸送顯著；陳淑琴等[10]、尹盡勇等[11]發(fā)現(xiàn)冷鋒過境時(shí)氣象要素發(fā)生明顯變化，大氣動(dòng)量下傳使近地層的風(fēng)向突變，風(fēng)速加大。

文章選取了2020 年3 月18 日河北省保定市出現(xiàn)的一次大風(fēng)天氣過程，從環(huán)流形勢(shì)、物理量場(chǎng)等多角度深入分析，加深對(duì)其物理機(jī)制的理解，總結(jié)預(yù)報(bào)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，以期為今后出現(xiàn)類似天氣過程提供理論依據(jù)，提高對(duì)保定市大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)能力。

1 天氣實(shí)況

2020 年3 月18 日白天到夜間，受冷空氣影響，河北省出現(xiàn)大風(fēng)天氣過程，共有121 個(gè)國家站日極大風(fēng)速達(dá)到17m·s-1，55 個(gè)測(cè)站極大風(fēng)速突破3 月歷史極值，其中保定地區(qū)有9 個(gè)測(cè)站突破3 月歷史極值。此次過程影響范圍廣，強(qiáng)度大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)日最大風(fēng)風(fēng)速普遍達(dá)5-8 級(jí)，最大徐水19.4m·s-1；日極大風(fēng)風(fēng)速普遍達(dá)8-11 級(jí)，最大安國28.9m·s-1。大風(fēng)過程中伴有揚(yáng)沙天氣，19 時(shí)保定PM10 濃度達(dá)1117mg·m-3。本次大風(fēng)過程致使多地出現(xiàn)火災(zāi)，大風(fēng)給救火工作造成較大困難。

2 環(huán)流背景分析

從500hPa 形勢(shì)來看（如圖1a 所示），3 月17 日20 時(shí)，亞洲中緯度為兩槽一脊型，亞洲東部與烏拉爾山東部分別有一高空槽，高壓脊位于90°E 附近，與東亞大槽形成西高東低的形勢(shì)，在極鋒鋒區(qū)上不斷有大風(fēng)速區(qū)東傳。此時(shí)貝加爾湖附近極渦底部有冷空氣南下疊加在鋒區(qū)之上；18 日08 時(shí)冷空氣與極渦脫離，逐漸南下，形成-36℃的閉合冷中心，同時(shí)溫度槽落后于高度槽,使得貝加爾湖短波槽加深為東西向橫槽。在高壓脊后部有暖平流，脊前為冷平流，隨著系統(tǒng)移動(dòng)，風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，冷平流明顯增強(qiáng)。20 時(shí)橫槽加深轉(zhuǎn)豎，槽后冷平流明顯，此時(shí)河北出現(xiàn)大風(fēng)天氣。隨后高空槽繼續(xù)東移入海，最終取代原東亞大槽的位置。

從850hPa 形勢(shì)來看（圖略），3 月17 日20 時(shí)，貝加爾湖南側(cè)也有高空槽下滑加深，溫度場(chǎng)上有溫度脊向北伸展與高空槽反位相疊加，槽前后冷暖平流均較明顯；18 日08 時(shí)高空槽南下加強(qiáng)呈東北-西南向，保定受槽前暖區(qū)控制，有利于白天升溫及氣壓下降。高壓脊前冷空氣南下，鋒區(qū)加強(qiáng)壓在40°N以北；20 時(shí)高空槽轉(zhuǎn)豎加深南下，等高線與等溫線接近垂直，保定受鋒區(qū)控制，形成極強(qiáng)冷平流，從而出現(xiàn)大風(fēng)天氣，此時(shí)850hPa 偏北風(fēng)風(fēng)速也在20m·s-1左右。

分析地面形勢(shì)可知（如圖1b 所示），3 月18 日08 時(shí)冷鋒在40°N 以北，冷高壓中心值大于1037.5hPa，河北中南部為西高東低的形勢(shì)，偏西風(fēng)有利于產(chǎn)生焚風(fēng)效應(yīng)，氣溫上升，氣壓下降；14 時(shí)冷高壓分裂南下與河北東北部低壓區(qū)形成對(duì)峙，等壓線梯度明顯增大；16 時(shí)隨著冷鋒后地面高壓的臨近，山西北部到河北西北部一帶的3h 正變壓增強(qiáng)，冷鋒前為大片的負(fù)變壓區(qū)，河北境內(nèi)最大變壓差達(dá)到10.5hPa/1 經(jīng)度；17 時(shí)變壓梯度大值區(qū)到達(dá)河北中部地區(qū)。可見保定東部極值大風(fēng)主要是變壓風(fēng)起主導(dǎo)作用；20 時(shí)鋒面已南壓至河北山東交界，此時(shí)保定處在鋒后等壓線梯度大值區(qū)，多地出現(xiàn)大風(fēng)。

圖1 2020 年3 月18 日20 時(shí)500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（虛線，單位：℃）、風(fēng)場(chǎng)(a)，以及海平面氣壓場(chǎng)(b)（單位：hPa）

3 物理量分析

3.1 動(dòng)力條件分析

高空槽下滑過程中逐漸加深，槽區(qū)附近正渦度不斷增強(qiáng)，槽后及高壓脊為負(fù)渦度控制，從垂直結(jié)構(gòu)看，低層700hPa、850hPa 高空槽呈東北-西南走向，偏前于500hPa，系統(tǒng)呈后傾結(jié)構(gòu)。渦度場(chǎng)垂直剖面上可以看到兩個(gè)正負(fù)渦度對(duì)，槽線上正渦度最強(qiáng)，中心在350hPa 附近（如圖2a 所示）。渦度平流垂直分布為槽前正渦度平流，槽后負(fù)渦度平流達(dá)最強(qiáng)，中心在350hPa 附近，負(fù)渦度平流有利于地面加壓，渦度平流隨高度迅速減小，有利于產(chǎn)生較強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)。同時(shí)低層也存在下沉負(fù)渦度平流區(qū)，與地面大風(fēng)區(qū)配合較好（如圖2b 所示）。

圖2 2020 年3 月18 日20 時(shí)渦度(a)（單位：10-5s-1）、渦度平流(b）（單位：10-8s-2）垂直剖面

18 日14 時(shí)高空急流入口區(qū)38～41°N 有次級(jí)環(huán)流形成，主要環(huán)流位于300-650hPa，垂直速度剖面圖有速度對(duì)與之配合，急流南側(cè)輻散，形成一支上升氣流，北側(cè)輻合，對(duì)應(yīng)著氣流下沉支。18 日08 時(shí)115°E 附近有“漏斗”狀北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向近地面伸展，高空動(dòng)量下傳，14-20 時(shí)北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速到達(dá)地面，形成大風(fēng)天氣（如圖3、圖4 所示）。

圖3 2020 年3 月18 日急流入口處次級(jí)環(huán)流14 時(shí)v、w 合成風(fēng)場(chǎng)沿115°E 的垂直剖面(a)；14 時(shí)w 沿115°E 的垂直剖面(b)(負(fù)值表示上升運(yùn)動(dòng)，單位：Pa·s-1)

圖4 2020 年3 月18 日08 時(shí)(a)、14 時(shí)(b)、20 時(shí)(c)經(jīng)向風(fēng)v 沿38.9°N 的垂直剖面（單位：m·s-1）

3.2 熱力條件分析

3.2.1 溫度平流

溫度平流的本質(zhì)是密度平流，是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的熱力強(qiáng)迫項(xiàng)，與地面變壓密切相關(guān)。溫度平流是斜壓擾動(dòng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿l件[12],強(qiáng)冷平流有利于地面氣壓梯度快速加大，造成地面風(fēng)力加強(qiáng)。利用NCEP/NCAR1°×1°資料對(duì)溫度平流的作用進(jìn)行分析（如圖5 所示），18 日08 時(shí)，鋒區(qū)位于內(nèi)蒙中部，對(duì)應(yīng)冷平流區(qū)也位于內(nèi)蒙中部，中心強(qiáng)度為-5×10-4K﹒s-1；20 時(shí)850hPa 鋒區(qū)南壓至河北中部，冷平流南下移至河北上空，大值中心位于河北東北部至河北中部一帶，并呈加強(qiáng)趨勢(shì)，中心值加強(qiáng)至-12×10-4K﹒s-1。受強(qiáng)冷平流影響，20 時(shí)前后保定多地出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

圖5 2020 年3 月18 日08 時(shí)、20 時(shí)850hPa 溫度平流（單位：10-4K﹒s-1）

3.2.2 500hPa 和850hPa 溫差與相對(duì)濕度

大風(fēng)的產(chǎn)生與氣壓差、溫度差密切相關(guān)。3 月18 日08-14 時(shí),隨著高層500hPa 槽后冷平流的東移，500hPa 和850hPa 溫差逐漸增大，14 時(shí)達(dá)到-33℃，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。與此同時(shí)，濕度廓線顯示對(duì)流層中層及以下相對(duì)濕度均小于20%，整層均為干空氣，有利于高空動(dòng)量下傳，形成地面大風(fēng)（如圖6 所示）。

圖6 2020 年3 月18 日大氣層結(jié)特征T500-850（單位：℃）（a）、相對(duì)濕度垂直分布圖（單位：%）（b）

3.2.3 探空

18 日08 時(shí)，北京和邢臺(tái)上空都有不同程度的逆溫，說明此時(shí)處于鋒前位置，且850hPa 以下為偏西風(fēng)，風(fēng)速較小。隨著鋒區(qū)南壓，鋒面過境，逆溫層遭到破壞，20 時(shí)低層風(fēng)速明顯增大，邢臺(tái)探空700hPa 以下、北京探空850hPa 以下溫度層結(jié)曲線接近干絕熱，有利于動(dòng)量下傳。

3.3 風(fēng)廓線分析

風(fēng)廓線雷達(dá)是通過發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進(jìn)行氣象探測(cè)的[13]。從風(fēng)廓線雷達(dá)圖可以看出（如圖7 所示），16 時(shí)保定上空基本為偏西風(fēng)，大風(fēng)速區(qū)在3000m 以上，17 時(shí)30 分降至3000m以下，風(fēng)速為20m·s-1，但近地面風(fēng)速較小，在6m·s-1左右；19 時(shí)30 分轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，大風(fēng)速區(qū)已發(fā)展至近地面，近地面風(fēng)速明顯加大，達(dá)到22m·s-1，保定開始出現(xiàn)大風(fēng)天氣。分析可知，16 時(shí)-19 時(shí)30 分大風(fēng)速區(qū)高度明顯下降，底層風(fēng)速明顯增大，說明有動(dòng)量下傳。由此可見，風(fēng)廓線的速度特征能夠很好地反映出這次大風(fēng)的演變過程。

圖7 2020 年3 月18 日風(fēng)廓線雷達(dá)圖（單位：m·s-1）

4 結(jié)論

1）這是一次超極地冷空氣的以偏北路徑快速南下形成的大風(fēng)，主要影響系統(tǒng)為高空槽、地面冷高壓以及冷鋒。

2）貝加爾湖冷高壓分裂南下，在河套地區(qū)形成冷高壓，與河北地區(qū)低壓形成西高東低對(duì)峙形勢(shì)。河北地區(qū)氣壓梯度大，變壓強(qiáng)，有利于大風(fēng)出現(xiàn)。

3）負(fù)渦度平流產(chǎn)生較強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，有利于槽后較高動(dòng)量的冷空氣向下傳送。同時(shí)高空急流入口區(qū)次級(jí)環(huán)流的形成加速了大氣的上下交換，“漏斗”狀北風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶向地面伸展，激發(fā)了地面大風(fēng)的出現(xiàn)。

4）鋒區(qū)明顯，冷平流強(qiáng)，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，有利于高空動(dòng)量下傳，形成地面大風(fēng)。