天津地區(qū)一次冷鋒后大風(fēng)過程特征及成因分析

李靜楠，張麗萍，王璐瑤

（天津市寧河區(qū)氣象局 天津 301500）

冷鋒影響下的偏北大風(fēng)是冬、春季的主要災(zāi)害性天氣之一，影響范圍廣、危害性強(qiáng)，對農(nóng)業(yè)、電力、通訊、航運等造成嚴(yán)重影響，給城市居民生產(chǎn)、生活帶來諸多不便。近年來在其形成機(jī)理[1-4]、地形影響[5-7]、數(shù)值模擬和預(yù)報[8-10]等方已有大量分析研究，表明冷鋒后部出現(xiàn)大風(fēng)的原因主要是鋒后有強(qiáng)冷空氣的活動[11]。天津地處華北平原東部、瀕臨渤海，冷鋒后大風(fēng)是最常見的災(zāi)害性天氣之一。由于渤海受冷空氣影響而出現(xiàn)大風(fēng)的頻次較高，目前針對冷鋒影響下的海上大風(fēng)研究取得了很多有意義的成果[12-15]，但是對于陸地大風(fēng)的討論較少。

2018年2月10—11日天津遭遇了一次冷鋒后大風(fēng)過程，其強(qiáng)度大、持續(xù)時間長，致使多地出現(xiàn)了較嚴(yán)重的災(zāi)情。本文利用常規(guī)觀測資料、FNL逐6h 1°×1°全球再分析資料，對本次大風(fēng)天氣的特征和成因進(jìn)行了分析，以期掌握此類天氣預(yù)報著眼點，為冬、春季冷鋒大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 天氣實況及地面氣象要素特征

2018年2月10—11日受較強(qiáng)冷空氣影響，天津市東北部出現(xiàn)了大風(fēng)天氣，并伴有明顯降溫。根據(jù)天津各國家氣象觀測站記載，本次大風(fēng)過程平均風(fēng)力超過7級的時間長達(dá)19h，期間風(fēng)速有2次波動：10日10時天津北部開始出現(xiàn)大風(fēng)，最大風(fēng)力達(dá)9級（寧河站，21.9m/s），17時以后風(fēng)速減??；11日08時天津東部風(fēng)速再次增大，最大風(fēng)力達(dá)8級（寧河站，18.4m/s），18時以后風(fēng)速減小。

圖1為2月9日20時至11日20時寧河地面自動站逐小時資料。9日夜間氣溫驟降至-12.1℃，10日 14時氣溫回升至當(dāng)日最高值-1.8℃，到夜間降至 -8.0℃；11日升溫緩慢，16時達(dá)到最高值-2.8℃。氣壓的變化則與氣溫相反，9日夜間迅速升高，10日 02時達(dá)到第1個峰值1030.8hPa，15時降至1027.2hPa，20～21時達(dá)到第2個峰值1028.7hPa；11日白天氣壓呈波動下降的趨勢，最低值為1025.2hPa。2min平均風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯的波動特征，10日白天風(fēng)速加大，從09時的5.4m/s增大到13時的12.4m/s，極大風(fēng)速21.9m/s出現(xiàn)在12時21分，夜間風(fēng)速下降；11日08時風(fēng)速再次加大，14時平均風(fēng)速上升到11.5m/s，14時24分極大風(fēng)速達(dá)18.4m/s。10日—11日水汽壓的變化不大，最大值為 10日07時的1.2hPa，最小值出現(xiàn)在10日下午，為0.6hPa。

圖1 2018年2月9日20時—11日20時寧河地面自動站氣溫、2min平均風(fēng)速、水汽壓和氣壓變化Fig.1 Variations of air temperature，2-minute average wind speed，vapor pressure and air pressure at Ninghe ground auto- matic station from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018

2 天氣形勢分析

2.1 強(qiáng)冷空氣的形成和堆積

2018年2月9日前，500hPa上極渦南伸到東亞中高緯，其后部有一橫槽向蒙古國伸展，極渦低槽后部的強(qiáng)冷平流引導(dǎo)冷空氣在貝加爾湖南部堆積，低槽中心出現(xiàn)-48℃冷溫度中心，同時烏拉爾山附近的暖脊不斷加強(qiáng)北抬。9日14時，500hPa橫槽和冷中心已經(jīng)南壓至我國河套以北地區(qū)；700hPa自黑龍江北部到河北北部存在一東北—西南向槽，附近有密集的鋒區(qū)堆積和冷中心配合；850hPa在黑龍江北部有一冷渦，伴隨有一槽經(jīng)渤海灣向山東中部延伸?？梢姳敬芜^程的影響系統(tǒng)表現(xiàn)出后傾特征，強(qiáng)冷空氣已經(jīng)形成和堆積，穩(wěn)定發(fā)展并緩慢東移南壓。

2.2 高空橫槽轉(zhuǎn)豎

10日上午500hPa高空槽移動到河北西北部地區(qū)，該槽穩(wěn)定維持并緩慢向東發(fā)展，天津持續(xù)受槽前偏西氣流影響；9日夜間至10日白天700hPa槽自北向南經(jīng)過天津，在此期間天津東北部出現(xiàn)7級西北風(fēng)，12時達(dá)到第1次極大風(fēng)速峰值，10日17時隨700hPa槽移出，全市風(fēng)速逐漸減弱，10日夜間500hPa橫槽快速轉(zhuǎn)豎并移至天津北部；11日08時橫槽完全轉(zhuǎn)豎，700、850hPa低槽不斷向東延伸，槽后不斷有來自北方的強(qiáng)冷空氣向南積壓，11日早晨至18時，全市持續(xù)有5～6級的西北風(fēng)，14時達(dá)到第2次極大風(fēng)速峰值，500hPa高空槽過境后全市風(fēng)速趨于減弱?？梢妰纱物L(fēng)速的峰值分別出現(xiàn)在700hPa槽線過境、500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎過境的時段。

2.3 地面冷高壓強(qiáng)大

9日14時位于蒙古國西部的地面冷高壓中心強(qiáng)度已達(dá)到1060hPa，其前部等壓線密集，地面冷鋒已到達(dá)我國華北地區(qū)，天津位于3h正變壓中心附近，到20時24h的變壓達(dá)到10.2hPa；10日08時地面冷鋒經(jīng)天津東移入海，高壓中心移至青海北部，與冷鋒前低壓系統(tǒng)形成了明顯的西高東低的形勢場，該形勢場在10日—11日一直維持，天津正位于氣壓梯度密集帶中。10日白天高壓系統(tǒng)中心強(qiáng)度維持在1044hPa左右，海上低值中心氣壓值逐次下降，11～14時天津的氣壓梯度在達(dá)到最大；11日上午冷高壓依然維持在青海北部，11時中心強(qiáng)度增強(qiáng)，與寧河站（1026.5hPa）間的氣壓梯度達(dá)18.5hPa/8緯距，較好對應(yīng)了2次風(fēng)速加大的時間。

3 物理量特征分析

3.1 變壓梯度

強(qiáng)變壓梯度導(dǎo)致地轉(zhuǎn)偏差加大，水平方向上加速度增強(qiáng)，因此變壓梯度最大區(qū)最易出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)。圖2分別是9日20時、10日02時、11日08時6h變壓場和地面風(fēng)場分布圖。9日20時，地面冷高壓前部正變壓中心位于北京東部，中心值為7.4hPa，天津北部處于此變壓梯度大值區(qū)東南側(cè)的變壓梯度密集帶內(nèi)； 10日02時正變壓中心向東南移至渤海且中心值減弱，變壓梯度也有所減弱，可見正變壓中心強(qiáng)度及變壓梯度的空間分布與10日大風(fēng)落區(qū)有較好的對應(yīng)，且比風(fēng)速極值出現(xiàn)時間提前約12h；11日08時受補(bǔ)充冷空氣的影響，在河北西南部出現(xiàn)了強(qiáng)度為1.6hPa的正變壓中心，與山東北部負(fù)變壓中心的變壓差達(dá)4.2hPa，變壓梯度的再次增強(qiáng)導(dǎo)致6h后強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)。由于變壓中心強(qiáng)度和變壓梯度都比第一次要弱，且正負(fù)變壓中心位置偏南，11日風(fēng)速比第一次弱。 分析發(fā)現(xiàn)，地面冷鋒及其后強(qiáng)盛的冷高壓使近地面出現(xiàn)較大的6h正變壓中心并東移南下，導(dǎo)致近地面出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)。變壓梯度密集帶呈東北—西南向分布，其時空演變與地面風(fēng)速的波動密切相關(guān)。大風(fēng)區(qū)位于變壓梯度密集帶前部，正變壓中心越強(qiáng)、變壓梯度越大，地面風(fēng)速越大，風(fēng)速極值出現(xiàn)在變壓中心強(qiáng)度及變壓梯度達(dá)到最強(qiáng)后的6～12h。

圖2 變壓場（單位：hPa）和地面風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m/s）分布Fig.2 Distribution of 6-hour allobaric field（unit：hPa）and surface wind field（barb，unit：m/s）

3.2 冷平流

9日08時500hPa受槽前西南氣流的影響，存在弱的暖平流，低層在850hPa西北氣流、700hPa偏西氣流的作用下，為弱而淺薄的冷空氣，20時400hPa以下均為冷平流，冷中心位于北京西部到天津北部；10日系統(tǒng)東移南下，天津上空的冷空氣逐漸增強(qiáng)、溫度梯度加大，08時500hPa、850hPa冷中心移至天津東南方向的渤海上，700hPa冷平流最強(qiáng)處位于薊州、寧河一帶，中心值達(dá)到-4×10-4K/s。10日白天寧河出現(xiàn)第1次風(fēng)速峰值，對應(yīng)該區(qū)最靠近500、700hPa冷平流中心，20時中層冷平流明顯減弱，850hPa轉(zhuǎn)為暖平流，風(fēng)速下降；11日08時冷空氣補(bǔ)充南下，槽后冷平流重新加強(qiáng)，700hPa冷中心強(qiáng)度 -8×10-4K/s，位于華北西南部，受其東移北上影響， 11日上午出現(xiàn)第2次風(fēng)速峰值，但冷中心位于河北西南部，其在天津的強(qiáng)度較10日弱，極大風(fēng)速小于10日，14時以后各層逐漸轉(zhuǎn)為暖平流，大風(fēng)過程 結(jié)束。

圖3 為沿117.85°E所作的10日08時、11日 02時溫度平流的垂直剖面圖。10日02時冷中心位于河北北部（42°N）高層 300hPa，中心強(qiáng)度 -7×10-4K/s，08時冷平流區(qū)向南擴(kuò)展延伸到河北南部，并形成了從高層到低層的溫度平流通道，500hPa附近溫度平流中心強(qiáng)度達(dá)到-7×10-4K/s，冷空氣通過此通道自北向南、自上向下傳輸，引起天津冷平流 加強(qiáng)、風(fēng)速加大，14時500hPa冷平流中心繼續(xù)南移，天津地區(qū)冷平流減弱、風(fēng)速減?。?1日02時，河北北部（42°N）又出現(xiàn)強(qiáng)冷平流南移，中心強(qiáng)度-9×10-4K/s，但平流向低層的傳輸路徑偏南，天津地區(qū)冷平流中心強(qiáng)度和梯度都比10日弱，對應(yīng)風(fēng)速極值較10日小。

圖3 溫度平流沿117.85°E的垂直剖面（單位10-4K/s）Fig.3 Vertical cross section of temperature advection along 117.85°E（unit：10-4K/s）

分析表明，強(qiáng)盛的冷平流對地面風(fēng)場發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。大風(fēng)發(fā)生前存在暖平流，當(dāng)冷空氣南下，冷暖空氣交匯使鋒區(qū)加強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)速增大；大風(fēng)發(fā)生期間，冷平流強(qiáng)度及梯度的時空分布與大風(fēng)的出現(xiàn)和維持有較好的對應(yīng)，冷中心強(qiáng)度越強(qiáng)、越靠近500、700hPa冷中心的地區(qū)風(fēng)速越大。自高層向低層形成了自北向南的冷空氣傳輸通道，冷空氣從高層向低層的傳輸使低層冷平流的強(qiáng)度增強(qiáng)、梯度增大，導(dǎo)致地面風(fēng)速增大。

3.3 動量下傳

9日20時—11日20時200hPa高空急流、700hPa風(fēng)場以及沿117.85°E流場的垂直分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)9日20時天津（39°N）800hPa以下已存在弱下沉氣流，10日08時200hPa在30°N附 近存在一支西風(fēng)急流，天津位于急流入口區(qū)，風(fēng)速達(dá)到60m/s以上，高空產(chǎn)生輻合下沉運動，天津在700hPa風(fēng)速為20～24m/s；分析沿117.85°E的流場剖面，高空急流軸及其以北地區(qū)在700hPa高度以下出現(xiàn)了明顯的下沉氣流，天津600hPa高度以下均為下沉運動；34°N以南地區(qū)位于700hPa槽前，850～600hPa為上升氣流，隨700hPa低槽移近天津，槽前弱上升運動與850hPa槽后下沉運動相疊加形成鋒生[14]，動量下傳和鋒生共同作用引起地面風(fēng)速增加，在正午前后達(dá)到10日風(fēng)速峰值；20時200hPa西風(fēng)急流仍然以80m/s的風(fēng)速維持在30°N附近，天津的風(fēng)速減弱至50m/s，中低層風(fēng)速明顯減小，垂直方向僅存在弱的傾斜下沉氣流，動量下傳已不明顯。11日08時，西風(fēng)急流北抬，天津200hPa的風(fēng)速維持在50m/s，但隨500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎并迅速過境，天津上空的下沉氣流增強(qiáng)，中低層風(fēng)速增大，700hPa風(fēng)速增大到18m/s以上；14時天津200hPa風(fēng)速減小到45m/s，500hPa高度層以上為水平運動，其下為一致的下沉氣流，中低層風(fēng)速加大，說明高空動量明顯下傳，14時后達(dá)到11日風(fēng)速峰值；20時西風(fēng)急流移入東海，天津位于急流出口區(qū)，下沉氣流減弱，陸地大風(fēng)過程趨于結(jié)束。

圖5為寧河站（39.38°N，117.85°E）整層風(fēng)場演變時序圖。從高層風(fēng)場來看，10日08時300hPa風(fēng)速達(dá)到72m/s以上，隨后高空風(fēng)速逐漸減弱，11日20時風(fēng)速為44m/s。分析中層發(fā)現(xiàn)，10日08時600～400hPa高度層由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，08～20時風(fēng)速逐漸減小，11日02時全風(fēng)速略增加后，至20時風(fēng)速持續(xù)減小。低層的風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯的波動特征，與地面風(fēng)速波動特征具有反相位分布：從16m/s等風(fēng) 速線的分布明顯看出，10日—11日風(fēng)速分別出現(xiàn)2次減小和2次增大的過程，其中10日10～14時、11日02～14時低層風(fēng)速明顯減小，與地面風(fēng)速增大的時段有極好的對應(yīng)，表明高層風(fēng)速經(jīng)中低層傳輸?shù)浇孛?，使地面風(fēng)加大。

圖5 2018年2月9日20時—11日20時寧河站（39.38°N，117.85°E）風(fēng)場時間剖面圖（實線為全風(fēng)速，單位：m/s）Fig.5 Wind field time profile of Ninghe Station（39.38°N，117.85°E）from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018（the solid line is total wind speed，unit：m/s）

大風(fēng)期間天津處于200hPa西風(fēng)急流入口區(qū)，陸地大風(fēng)的出現(xiàn)及風(fēng)速的波動與高空輻合下沉運動有關(guān)，高空下沉氣流越強(qiáng)，地面風(fēng)速越大。動量下傳對大風(fēng)的維持起了重要作用，地面風(fēng)速波動增大的過程對應(yīng)上層風(fēng)速減小的過程，10日同時伴有鋒生現(xiàn)象導(dǎo)致地面風(fēng)增強(qiáng)，達(dá)到了整個過程的風(fēng)速最大值。

4 結(jié)論

本次大風(fēng)過程的影響系統(tǒng)為較明顯的后傾槽，移動緩慢、穩(wěn)定發(fā)展。來自貝加爾湖以南的冷空氣在高空槽的作用下東移南壓，橫槽轉(zhuǎn)豎又使得強(qiáng)冷空氣進(jìn)一步向南爆發(fā)。兩次風(fēng)速峰值分別出現(xiàn)在700hPa槽線過境以及500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎、過境的時段。地面維持西高東低的氣壓場形勢，冷鋒后冷高壓強(qiáng)大且穩(wěn)定，使近地面出現(xiàn)較大的正變壓中心，強(qiáng)氣壓梯度為大風(fēng)的產(chǎn)生提供了根本動力。

地面變壓梯度大值區(qū)和密集帶呈東北—西南向分布，風(fēng)速大值區(qū)位于變壓梯度密集帶的前部，6h正變壓中心增強(qiáng)、變壓梯度增大，引起地面風(fēng)速增大；風(fēng)速極值出現(xiàn)在變壓中心強(qiáng)度及變壓梯度達(dá)到最強(qiáng)后的6～12h。地面大風(fēng)與冷平流在水平和垂直方向的強(qiáng)度和梯度分布有關(guān)，冷平流越深厚、強(qiáng)度越強(qiáng)、梯度越大，越利于大風(fēng)的出現(xiàn)；自高層向中低層建立起冷空氣傳輸通道，高層冷空氣下傳加大了低層冷平流的強(qiáng)度和梯度，使地面風(fēng)速達(dá)到峰值。大風(fēng)期間天津處于200hPa西風(fēng)急流入口區(qū)，高空輻合下沉運動造成動量下傳也是導(dǎo)致大風(fēng)維持及風(fēng)速波動的重要原因。

第1次風(fēng)速極值高于第2次，這是由于第1次天津6h正變壓中心、高空冷平流的強(qiáng)度和梯度更強(qiáng)，且更靠近正變壓中心和500、700hPa冷平流中心；此外，大風(fēng)發(fā)生前存在暖平流，冷空氣南下引起冷暖空氣交匯使鋒區(qū)加強(qiáng)，動量下傳并伴有鋒生現(xiàn)象致使風(fēng)速達(dá)到了整個過程的最大值。