保定春季極端大風(fēng)天氣過(guò)程診斷分析

王志超，徐義國(guó)，王亞婷，董疆南

(保定市氣象局，河北 保定 071000)

大風(fēng)是災(zāi)害性天氣的一種，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活影響很大。因此，大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)及機(jī)理研究受到氣象工作者的廣泛關(guān)注和重視。對(duì)于春季大風(fēng)的成因，高夢(mèng)竹等[1]發(fā)現(xiàn)較大的垂直風(fēng)切變和干空氣侵入易引起動(dòng)量下傳，使地面風(fēng)速加強(qiáng)；馬月枝等[2]研究表明冷鋒前上升運(yùn)動(dòng)和高空急流入口區(qū)次級(jí)環(huán)流上升氣流的疊加提供了深厚的垂直環(huán)流發(fā)展條件；孫建明等[3]揭示了高低層溫度差動(dòng)效應(yīng)對(duì)大風(fēng)預(yù)報(bào)的定量指示作用；王易等[4]認(rèn)為強(qiáng)3h正變壓引起的變壓風(fēng)是產(chǎn)生大風(fēng)的主要原因。

1 過(guò)程概況

2020年3月18日傍晚前后保定地區(qū)出現(xiàn)西北大風(fēng)天氣，統(tǒng)計(jì)10min日最大風(fēng)風(fēng)速普遍為5級(jí)-8級(jí)，最大風(fēng)速為徐水的19.4m/s；10min日極大風(fēng)風(fēng)速普遍達(dá)8級(jí)-11級(jí)，最大風(fēng)速為安國(guó)的28.9m/s。其中安國(guó)、徐水極大風(fēng)風(fēng)速為該站20年極值，安國(guó)極大風(fēng)風(fēng)速為保定地區(qū)20年春季大風(fēng)極值。安國(guó)站氣象要素日變化曲線(xiàn)上，白天為偏西風(fēng)，風(fēng)速4級(jí)-5級(jí)，陣風(fēng)6級(jí)-7級(jí)，氣壓下降，氣溫升至最高27.8℃，傍晚鋒面過(guò)境轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，3h變壓11hPa，平均風(fēng)8級(jí)，陣風(fēng)達(dá)11級(jí)。大風(fēng)過(guò)程中伴有揚(yáng)沙天氣，19時(shí)保定PM10濃度達(dá)1 117μg/m3。

2 環(huán)流演變

3月17日20時(shí)500hPa亞洲中緯度為兩槽一脊型，東亞大槽與新疆北部的高壓脊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)冷空氣與極渦脫離南下形成-36℃的閉合冷中心，貝加爾湖短波槽加深，溫度槽落后高度槽。20時(shí)高空槽下滑過(guò)程中繼續(xù)加強(qiáng)，槽后冷平流明顯，此時(shí)河北出現(xiàn)大風(fēng)天氣。之后高空槽繼續(xù)東移入海，最終取代原東亞大槽的位置。850hPa上貝加爾湖南側(cè)也有高空槽下滑加深，溫度場(chǎng)上可以看到有溫度脊向北伸展與高空槽反位相疊加，槽前后冷暖平流均比較明顯。18日08時(shí)高空槽南下加強(qiáng)呈東北—西南向，保定處于槽前暖區(qū)控制，有利于白天的升溫及氣壓下降，高壓脊前冷空氣南下，鋒區(qū)加強(qiáng)壓在40°N以北。20時(shí)高空槽加深南下，保定處于鋒區(qū)控制出現(xiàn)大風(fēng)天氣，此時(shí)850hPa偏北風(fēng)風(fēng)速也在20m/s左右。

地面圖上冷鋒在40°N以北，冷高壓中心值大于1 037.5hPa，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)河北東部形成中心值小于1 000hPa的低壓中心，冷高壓分裂南下，高低壓對(duì)峙區(qū)位于河北北部。20時(shí)鋒區(qū)影響保定，高低壓對(duì)峙區(qū)也南壓影響保定。鋒面16時(shí)-17時(shí)影響保定，衛(wèi)星云圖上有鋒面云帶配合，鋒后風(fēng)速加大到10m/s左右，上游有弱降水，北京和山西北部地區(qū)出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣。19時(shí)鋒面移動(dòng)到河北東部，保定平均風(fēng)速增大到20m/s左右，大部分地區(qū)出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣?？梢?jiàn)大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在冷鋒后部的鋒區(qū)附近，揚(yáng)沙區(qū)與大風(fēng)速區(qū)一致。

3 物理量診斷分析

3.1 渦度分析

高空槽下滑過(guò)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(xiàn)上正渦度最強(qiáng)，中心在300hPa附近。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400hPa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。

3.2 冷平流分析

溫度平流場(chǎng)分析可以發(fā)現(xiàn)：850hPa等溫線(xiàn)密集，溫度梯度大，同時(shí)風(fēng)速也較大，達(dá)到20m/s，風(fēng)向與等溫線(xiàn)夾角近90°，所以溫度平流比較顯著，有利于地面加壓。從溫度平流垂直剖面上看，垂直結(jié)構(gòu)上形成了向后傾斜的冷平流柱，強(qiáng)冷平流向下伸展達(dá)到近地面層，同時(shí)低層冷平流又強(qiáng)于中層，大氣為穩(wěn)定層結(jié)，強(qiáng)冷平流有利于地面加壓，是大風(fēng)出現(xiàn)的重要原因。

3.3 散度和垂直速度

高空槽前中層輻合、高層輻散，有傾斜上升運(yùn)動(dòng)。槽后高層輻合，中層輻散，有下沉運(yùn)動(dòng)，有利于將高空槽后較高動(dòng)量的冷空氣向下傳送，地面風(fēng)力增大。

圖2 2020年3月18日20時(shí)沿39°N散度和垂直速度剖面

冷鋒鋒區(qū)附近的下沉運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在對(duì)流層中下層，20時(shí)冷鋒移動(dòng)到118°E，后部風(fēng)力沒(méi)有達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)也不是很強(qiáng)。最強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在鋒后114°E～116°E，下沉運(yùn)動(dòng)中心在700hPa～900hPa之間，對(duì)應(yīng)的散度場(chǎng)上最強(qiáng)輻合中心在600hPa～700hPa，最強(qiáng)輻散中心在800hPa～地面。中層輻合、低層輻散的散度配置有利于強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)。同時(shí)散度場(chǎng)上也可以看到，地面附近強(qiáng)輻散區(qū)向前傾斜，說(shuō)明下沉運(yùn)動(dòng)接地后轉(zhuǎn)為水平方向，地面出現(xiàn)大風(fēng)天氣，此時(shí)速度場(chǎng)上也表現(xiàn)為近地層下沉運(yùn)動(dòng)有所減小。

3.4 地轉(zhuǎn)風(fēng)和變壓風(fēng)

3月18日下午地面圖上冷高壓中心穩(wěn)定在內(nèi)蒙古中部，與渤海低壓形成西高東低的對(duì)峙形勢(shì)，冷空氣主要以偏西路徑影響保定。由于太行山地形阻擋作用，冷空氣逐漸在山前堆積，等壓線(xiàn)密集，地轉(zhuǎn)風(fēng)在保定西部山區(qū)最大。3h變壓中心自?xún)?nèi)蒙古東移經(jīng)張家口、北京以偏北路徑移向保定，中心值由+5hPa增至+11hPa，變壓梯度在保定東部密集，變壓風(fēng)在此處最大。綜合上述分析，本次大風(fēng)過(guò)程由地轉(zhuǎn)風(fēng)、變壓風(fēng)二者共同影響，保定東部地區(qū)極值大風(fēng)主要是變壓風(fēng)起主導(dǎo)作用。

圖3 2020年3月18日20時(shí)地面氣壓、3h變壓

4 歷史個(gè)例對(duì)比

統(tǒng)計(jì)了近20年保定地區(qū)10min極大風(fēng)極值，最大是對(duì)流性大風(fēng)為2017年7月9日，風(fēng)速35.1m/s，春秋季系統(tǒng)性大風(fēng)最大為本次過(guò)程的28.9m/s。選取2010年3月20日春季大風(fēng)為對(duì)比分析個(gè)例?！?0.03.20”過(guò)程日最大風(fēng)速17m/s，日極大風(fēng)速阜平25.6m/s，滿(mǎn)城為該站20年極值24.1m/s。比本次過(guò)程小一個(gè)量級(jí)。

兩次過(guò)程形勢(shì)對(duì)比分析，相同點(diǎn)在于500hPa受高空槽影響，西高東低形勢(shì)，經(jīng)向度大。不同點(diǎn)是“10.03.20”過(guò)程500hPa鋒區(qū)偏南，風(fēng)速偏大，影響保定地區(qū)是偏緯向環(huán)流。850hPa經(jīng)向度都很大，鋒區(qū)強(qiáng)，冷平流強(qiáng)。不同點(diǎn)在于“10.03.20”過(guò)程有閉合高低壓中心，鋒區(qū)主體偏南。地面均為西高東低形勢(shì)，渤海低壓強(qiáng)度相近，“10.03.20”過(guò)程冷高壓勢(shì)力強(qiáng)，河套附近中心值大于1 027.5hPa，保定地區(qū)等壓線(xiàn)更密集，但是3h變壓強(qiáng)度不如本次過(guò)程，所以極大值風(fēng)速偏小。

5 結(jié)論與討論

①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)，將高空槽后較高動(dòng)量的冷空氣向下傳送，產(chǎn)生大風(fēng)天氣。②中層輻合、低層輻散的散度配置有利于強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)。地面附近強(qiáng)輻散區(qū)向前傾斜，下沉運(yùn)動(dòng)接地后轉(zhuǎn)為水平方向，對(duì)地面大風(fēng)的出現(xiàn)有指示意義。③本次春季極端大風(fēng)過(guò)程由地轉(zhuǎn)風(fēng)、變壓風(fēng)、動(dòng)量下傳等因素共同影響，保定東部極值大風(fēng)主要是變壓風(fēng)起主導(dǎo)作用。④一些文獻(xiàn)認(rèn)為地轉(zhuǎn)風(fēng)與變壓風(fēng)風(fēng)速之和接近地面10min平均風(fēng)速值，但極大風(fēng)速如何近似計(jì)算仍是業(yè)務(wù)難點(diǎn)。