廣元冬季大風特征與預(yù)報指標研究

許楓 王璐思 張曉涵 李華 胡壤支

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：許楓（1967—） ，男 ，四川廣元人，工程師，研究方向為氣象、大氣科學。

摘 要：利用廣元市國家基準站和區(qū)域站2010—2020年的常規(guī)地面、高空觀測資料，對近10年廣元市出現(xiàn)的區(qū)域性大風天氣進行統(tǒng)計分析，分別從大氣環(huán)流背景、冷空氣活動源地、路徑、中心氣壓、氣壓梯度等方面進行天氣學診斷分析，同時考察其相關(guān)性和獨立性，通過嚴格篩選，得出具有顯著意義和代表性的5個預(yù)報指標和2個補充條件，并通過近2年的實際應(yīng)用和檢驗表明效果顯著。

關(guān)鍵詞：冬季大風；冷空氣路徑和顯著通道；高空關(guān)鍵區(qū)；指標閾值；動力下傳

中圖分類號：P732 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

廣元市地處四川盆地北部，嘉陵江上游，屬龍門山東側(cè)高原與盆地的過渡帶，是米倉山、龍門山和四川盆地北部低山三大地貌的交會帶，氣候獨特，天氣變化較大，在冬季，平均每5～10 d就有一次冷空氣影響。素有“川北門戶”之稱的廣元作為冷空氣入川之首站，大風發(fā)生頻率在四川盆地各地市中最為顯著，大風頻發(fā)是其一大主要天氣特征，對其進行研究有很大的必要性。

1 資料來源和個例篩選

資料來源于廣元市5個國家氣象觀測站，分別為廣元國家基本氣象站與青川、劍閣、旺蒼、蒼溪國家氣象觀測站的地面氣象要素觀測資料，以及廣元市所屬的160個區(qū)域自動站地面氣象要素觀測資料，采用2011—2020年的逐日與逐時數(shù)據(jù)。

按照中國氣象局對風力等級劃分，7級風為13.9～

17.1 m/s，8級風為17.2～20.7 m/s，個例選取標準中要求2個大監(jiān)站達到7級風，保證此個例屬區(qū)域性大風，同時要求達7級大風的大監(jiān)站轄區(qū)內(nèi)至少有1個自動站達到8級（出現(xiàn)≥17.2 m/s的大風），說明此大風具災(zāi)害性，滿足這2個條件的個例定義為一次區(qū)域性大風。

以上述大風標準統(tǒng)計，2010—2020年廣元市共發(fā)生區(qū)域性大風37次。

2 廣元市大風的地理分布與季節(jié)特征

大風地理分布方面，由于地處嘉陵江河谷的原因，

廣元（3個區(qū)）和劍閣出現(xiàn)區(qū)域性大風的概率最高，為

36/37（97%）；青川縣主要受到西方路徑冷空氣影響，但由于其海拔較高，西北還受到龍門山和摩天嶺阻擋，出現(xiàn)大風概率相對較小，為19/37（51%），并且青川縣即使出現(xiàn)大風，也只有6～7級，很難達到8級或以上；旺蒼縣則受其北部米倉山阻擋，冷高壓爬山減弱，下山增溫變性，加之冷空氣東北回流路徑也較少，因此旺蒼縣的大風概率只占7/37（19%）；蒼溪縣西部處于廣元市大風顯著通道，發(fā)生大風概率較大，但影響面積有限，監(jiān)測站點有限，故大風概率不高，為15/37（41%）。各縣區(qū)大風分布見表1。

從季節(jié)上分析，春季區(qū)域性大風相對較多，達63/113，占比55.7%；秋冬季50/113，占比44.3%。

3 冷空氣源地、路徑與通道

冷空氣源地主要是新地島以西洋面，其次是新地島以東洋面和冰島以南洋面，三源地冷空氣一般在地面關(guān)鍵區(qū)（70°～90°E，43°～65°N）積累加強后暴發(fā)南下，入侵四川盆地的主要路徑有4條：西北路徑、北方路徑、東北路徑、西方路徑。其中，西北路徑和北方路徑，先達廣元市北部的川陜交會處，再經(jīng)朝天區(qū)進入而影響廣元市（圖1）。

冷空氣路徑統(tǒng)計顯示，北方路徑最多，達51.8%，其次為西北路徑，達25.9%，這是造成廣元市大風的2條主要路徑，西方路徑和東北路徑較少，兩者之和僅占22.2%（圖2）。

西北路徑和北方路徑來的冷空氣進入廣元首先影響的是沿嘉陵江河谷分布的朝天區(qū)、利州區(qū)、昭化區(qū)，冷空氣沿河谷移動，加之地處龍門山和米倉山之間，有明顯的狹管加速效應(yīng)，地處廣元中部，這是廣元大風發(fā)生的最顯著通道，風力最強；西方路徑來的冷空氣翻越龍門山后影響廣元市西部縣區(qū)，東北路徑冷空氣翻越米倉山后影響廣元市東部縣區(qū)，此二路冷空氣均存在爬山減弱，越山后下沉增溫變性，因此風力相對稍?。▓D3）。

4 環(huán)流背景

廣元市區(qū)域性大風在環(huán)流背景上均受到500 hPa烏拉爾山周邊（45°～100°E）長波脊的影響，當高壓脊在50°E附近時，亞洲是一個緯向上很寬廣的大低壓；在70°E附近時，表現(xiàn)為二槽一脊的形勢；在90°E附近時，多構(gòu)成一種高壓阻塞形勢，大風暴發(fā)前均出現(xiàn)環(huán)流調(diào)整，觸發(fā)條件是歐洲低槽東移或冷槽發(fā)展，致使烏山長波脊減弱東移，高空轉(zhuǎn)為西北氣流，引導西伯利亞或蒙古冷空氣向南暴發(fā)，給廣元市帶來一次區(qū)域性大風天氣。根據(jù)引導冷空氣移動快慢特點，典型的可分為低槽東移型和橫槽轉(zhuǎn)豎型。

5 理論依據(jù)和預(yù)報因子

據(jù)研究，利用2011—2020年廣元市的大風資料及廣元站逐日和逐時各個地面氣象要素資料，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析大風的影響因素，發(fā)現(xiàn)極大風速與3 h變壓和24 h變壓呈極顯著正相關(guān)，也是制作大風預(yù)報時應(yīng)著重分析的要素，并應(yīng)給出明確的閾值。

5.1 動力下傳模型

根據(jù)ω方程：

（1）

式（1）中，右邊第一項為渦度平流隨高度變化項，當

渦度平流隨高度增加時，[-Vg·▽（ f +ζg）]＞0，有上升運動（ω＜0）；當渦度平流隨高度減小

時，[-Vg·▽（ f +ζg）]＜0，有下沉運動（ω＞0），在地面高壓中心，渦度平流很小，而在其上空高空槽后為負渦度平流，于是在該地區(qū)渦度平流隨高度減弱，有下沉運動。

當右邊第二項-▽2[Vg·▽∝Vg·▽-Vg·

▽T時，暖平流區(qū)（-Vg·▽T＞0），有上升運動（ω＜0）；冷平流區(qū)（-Vg·▽T＜0），有下沉運動（ω＞0）。

綜上所述，地面高壓上空的負渦度平流和中低層冷平流都有利于下沉運動，其結(jié)果加速了高空和地面不同能量、不同密度空氣的交換，有利動力下傳。動力下傳對于大風的產(chǎn)生十分重要[1]。

5.2 中空關(guān)鍵區(qū)

根據(jù)地面氣壓局地變化方程：

（2）

式（2）中，槽后脊前渦度平流Aζ為負，地面渦度隨時間減小，加壓，反氣旋發(fā)展；脊后槽前為正，地面渦度隨時間增加，減壓，氣旋發(fā)展；溫度平流項在冷平流的情況下，＜0，地面渦度隨時間減小，加壓，反氣旋發(fā)展；反之，暖平流情況下，氣旋發(fā)展[2]。

可見，地面高壓上空的負渦度平流和冷平流不僅對地面反氣旋的發(fā)展有利，同時也對動力下傳極其重要，高空700 hPa和500 hPa 80°～105°E，33°～50°N的

區(qū)域是廣元市渦度平流、溫度平流來源的上游，是廣元市產(chǎn)生地面大風的高空關(guān)鍵區(qū)（圖4）。

6 預(yù)報指標

根據(jù)統(tǒng)計和研究，得出廣元市區(qū)域性大風預(yù)報指標如下：

（1）環(huán)流背景條件：過去數(shù)天受到500 hPa烏拉爾山周邊（45°～100°E）高壓脊影響，未來24～36 h內(nèi)將有環(huán)流調(diào)整，受脊前西北氣流影響。

（2）斜壓性條件：700 hPa在高空關(guān)鍵區(qū)（85°～10°E，

33°～50°N）有溫度槽落后的斜壓槽存在，且500 hPa和700 hPa的溫度鋒區(qū)在10個緯度內(nèi)≥4根等溫度線。

（3）700 hPa溫度差，反映低層溫度梯度：08：00～

20：00任一時次成都酒泉溫度差≥15 ℃。

（4）變壓：是衡量梯度風發(fā)生的重要指標，根據(jù)數(shù)值預(yù)報預(yù)測廣元未來24 h將出現(xiàn)24 h變壓≥7 hPa且

3 h變壓≥4.5 hPa的時次（若是東北回流路徑需3 h變壓≥5 hPa）。

（5）上游指標站：地面實況圖烏鞘嶺出現(xiàn)風向340°～30°，風速12 m/s或以上的北風。

以上5個指標都滿足時，未來24 h廣元市有一次區(qū)域性大風天氣，可發(fā)布大風預(yù)警。若有某個條件不滿足，以下2個補充條件中滿足其中1個，也視為條件具備，可發(fā)布大風預(yù)警。

補充條件：（1）盆地內(nèi)有一熱低壓（或氣旋性環(huán)流）；（2）500 hPa與700 hPa溫度鋒區(qū)分布相對重合，距離≤

700 km。

7 業(yè)務(wù)運行和檢驗結(jié)果

當滿足廣元市區(qū)域性大風預(yù)報全部5個條件時，預(yù)報未來24 h有一次區(qū)域性大風的個例擬合率為83.7%（31/37），當加入補充條件后擬合率為91.9%。將此模式應(yīng)用于2022年10月—2023年4月的我臺冬半年大風業(yè)務(wù)中，出現(xiàn)的6次區(qū)域性大風預(yù)報，5次準確，1次效果較差，準確率為85.7%。 2022年10月—2023年3月使用此模式后，大風預(yù)警準確率評分78.6分，對照上一年度，我臺區(qū)域性大風準確率提高6.1分，效果較為滿意。

8 二次大風典型個例

一次過程是2022年11月11日，環(huán)流背景是典型的低槽東移型，此次冷空氣源地來自新地島以西巴倫支海，11月5日 20：00在黑海以北形成地面冷高壓，中心氣壓1 025 hPa，7日進入巴湖附近，在地面關(guān)鍵區(qū)繼續(xù)發(fā)展，中心氣壓1 035 hPa、9日東移至蒙古，中心氣壓1 040 hPa、高空環(huán)流背景方面，11月6日500 hPa烏拉爾山高脊建立并穩(wěn)定，亞洲為一大低壓，500 hPa有一冷槽配合，溫度鋒區(qū)位于45°N附近，低壓槽分裂一小槽東移，進入我國河西走廊一帶，并繼續(xù)向東偏南方向沿西北路徑移動，但低槽較弱，帶來冷空氣有限，廣元市略有降溫，10日烏山以西冷槽發(fā)展，環(huán)流調(diào)整開始，烏山高脊減弱東移，其東側(cè)低壓主體帶動地面冷空氣向東南暴發(fā)，冷空氣沿西北路徑移動，自陜西漢中方向擴散影響廣元市，給廣元帶來一次大風天氣。

低槽東移型大風來得快，但勢力稍弱，此次過程發(fā)布了大風黃色預(yù)警，但效果不好，只有位于顯著通道的廣元、劍閣一線出現(xiàn)7級左右大風，其他縣區(qū)只有5～6級偏北風?？偨Y(jié)分析認為主要是高空冷平流稍弱，700 hPa降溫4.9～6.5 ℃，且高空溫度鋒區(qū)偏北，導致動力下傳效果較差；雖然11日24 h變壓7 hPa，達到閾值，但關(guān)鍵的3 h變壓僅3.5 hPa，未達閾值；加之冷空氣自東北擴散路徑，是此次大風預(yù)報效果較差的原因。

2023年12月15日出現(xiàn)的大風為典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型環(huán)流背景，12月6日08：00自歐洲東移的地面冷空氣到達里海以東，中心氣壓1 030 hPa， 8日08：00，中心氣壓發(fā)展至1 050 hPa，至10日20：00與蒙古冷高壓合為一體，中心氣壓1 052 hPa，長軸為西北—東南向，并向地面關(guān)鍵區(qū)匯集，至14日08：00發(fā)展為1 072.5 hPa，高空背景方面，9日08：00烏山長波脊建立，脊線呈東北—西南向，亞洲為2個中心組成的大低壓，北支鋒區(qū)位于40°N以北，溫度槽略微落后于高度槽，利于阻塞形勢維持，11日20：00新地島西側(cè)一冷舌南掉，致使烏山脊減弱東移南壓，14日08：00，脊前西北氣流進入我國新疆地區(qū)，東部橫槽也轉(zhuǎn)豎，北支鋒區(qū)南壓至35°N附近，烏山高脊減弱為跨度40個經(jīng)距的高壓帶，14日20：00，脊前西北氣流引導聚集于西伯利亞至蒙古的冷空氣大舉南下，侵入廣元市造成大風。

此次過程前，由于滿足了模式預(yù)報的全部5個指標，因此發(fā)布了大風黃色預(yù)警，效果好。此次大風過程自11月14日08：00—15日20：00，歷時36 h，14日廣元市大部出現(xiàn)7～9級大風；而15日大部出現(xiàn)8～10級大風，極大風最大值出現(xiàn)在15日13：00，從實況反映，此時3 h變壓達3.4 hPa，低空24 h變溫達-5～-15 ℃，低空冷平流極強，冷空氣下沉，動力下傳十分明顯。

9 結(jié)論

廣元市是四川盆地著名的大風區(qū)，重巒疊嶂，地勢西高東低、北高南低，水系交錯，嘉陵江穿城而過，10月—翌年4月冷空氣活動頻繁，大風是當?shù)刂饕臑?zāi)害性天氣。做好減災(zāi)防災(zāi)工作，不僅要掌握大風天氣的時空分布、形成機理和物理特征，還需從地形分布、實時氣象要素、環(huán)流背景、地面氣壓系統(tǒng)發(fā)展理論、動力下傳、上游指標站等方面入手，建立預(yù)報模式，提高大風預(yù)報準確率。

參考文獻

[1] 楊亦萍，史珩瑜，劉力源，等.冬春季動量下傳引發(fā)浙江沿海災(zāi)害大風過程分析[J].海洋預(yù)報，2022，39（3）：66-74.

[2] 王黌，李英，吳哲紅，等.我國大風機理研究和預(yù)報技術(shù)進展[J].氣象科技，2019，47（4）：600-607.