洪泽湖区域冷锋型大风预报技术

2016-08-16耿建武夏网萍王蓓元

中国科技信息 2016年9期

耿建武陈翔夏网萍王蓓元

洪泽湖区域冷锋型大风预报技术

耿建武陈翔夏网萍王蓓元

在收集整理2001～2013年洪泽湖区域冷锋型大风天气个例的基础上，首先分析了大风气候特征，明确了大风产生的高空和地面环流形势，分析了关键区内多个因子与大风的定性定量关系，建立了预报指标和预报方程。研究结果表明：西北急流和强温度梯度带等是造成冷锋型大风天气的高空天气系统。强大的冷高压和与它配合的地面冷锋是大风天气的地面天气系统。关键区内地面上较大的气压梯度、冷锋后较大的三小时正变压、850hpa较强的温度梯度和中低层一致的偏北急流等因子对大风预报具有指示意义。

洪泽湖是我国第四大淡水湖，地处淮河、京杭大运河、苏北灌溉总渠等黄金水道的交汇处，湖面广阔、资源丰富，航运业十分发达。湖面大风对航运和水产养殖业带来严重的威胁。根据近20年实况资料分析，洪泽湖大风常见的天气类型有冷锋后偏北大风、高压后部偏南大风、低压大风以及台风大风和雷雨大风等。在各种类型大风中，冷锋后偏北大风出现频率最高，接近50%左右。

对冷锋型偏北大风，不少学者开展了这方面研究工作。如徐凤梅等对近50年大风天气气候特征进行了分析，并探讨了大风产生的天气类型；穆建华等应用天气分析和诊断分析方法对一次寒潮天气过程从环流背景、地面系统演变和物理量特征进行了分析，并对数值预报能力开展了检验；王永铎等根据冷空气移动路径，将春季冷空气大风分为东北型、西北型，建立了24h大风预报方法；刘鸿升等利用欧洲中心中期数值预报结果，从不同侧面选取因子，建立了日最大平均风速的四种统计预报方程。但是针对洪泽湖区域开展的大风精细化预报技术研究目前还比较缺乏。本文选取2001～2013年洪泽湖周边地区冷锋后偏北大风天气个例，研究高分辨率欧洲细网格数值产品提供的各种要素预报和大风产生的定性定量关系，建立预报指标和预报方程，以期进一步提高洪泽湖区域大风预报服务能力。

资料选取和大风的标准

大风风速一般包括平均状态和瞬间状态两部分。根据服务需要，本文将瞬时风力大于14 m/s作为大风天气标准。选取2001～2013年资料，包括高空、地面和区域自动站实况资料和欧洲细网格数值预报产品等。

大风气候特征

月际分布特征

从图1中可以看出，春季中3、4月份出现大风最多，每月达到3天左右，主要由于春季冷空气活动频繁，而秋冬季大风相对较少，特别是9、10和2月，大风日数不到1天。

大风日际分布特征

分析表1中数据，可以发现，下午时段出现大风频率最高，占到50%以上，主要是由于午后大气层结不稳定，有利于于大风的形成。

表1 大风日际分布频率表

天气形势背景

高空形势

图2中，中高纬度500 hPa欧亚环流形势为二槽一脊型，低槽分别位于新疆以西和日本海一带，青藏高原北部伸向贝加尔湖西部为一高压脊，高压脊前部有强劲的西北急流区伸向长江中下游地区。在图3中，850 hpa东北地区西部有一冷中心，等温线密集带位于30～40ºN，预之对应的是较强的冷平流，冷空气在西北急流引导下不断往东南方向。高压脊、西北急流、沿海槽和强温度梯度带是造成寒潮大风天气的主要天气系统。

图1 逐月大风日数分布图

图2 500hpa环流形势

图3 850hpa温度场

图4 地面形势图

地面形势

图4 表明，在地面天气图上，蒙古国到河套地区为强大冷高压，日本岛经东海到两湖地区有东北－西南向冷锋，我市处在冷锋后部等压线密集带中，气压梯度大。冷高压和与它配合的地面冷锋是造成这场大风天气的地面天气系统。

关键区的确定

图5 高空图关键区

图6 地面图关键区

大气是相互作用和相互影响的有机整体，某个地点气象要素发生变化必然和周边地区大气，特别是上游地区的大气作用密切相关。根据预报经验，在高空图和地面图分别确定关键区1和关键区2两个区域（见图5、图6）。

关键区1：在（112°E，42°N）、（120°E，42°N）、（112°E，32°N）和（120°E，32 °N）四点连线矩形区域内。主要指东北西部经河套东部到长江下游北部地区一带。

关键区2：在（117°E，35°N）、（117°E.32°N）、（121°E，35°N）和（121°E，32°N）四点连线矩形区域内。主要指江苏西北部经安徽东部到沿江一带的长江以北地区。

冷锋型大风的物理量诊断分析

大风的出现是水平方向和垂直方向空气流动和交换的结果。在水平方向上，大风一般出现在地面气压梯度和变压梯度大的区域；当出现快速升温向降温变化，往往产生大风；高空冷平流强，锋区强度大，动量下传导致地面风速增大，也是产生地面大风的重要原因。为更客观的分析大风产生的热力、动力和不稳定度条件，明确各个因子的作用，利用45个冷锋型大风个例资料，从地面气压场、850hpa温度场和高空风场等方面分析计算了关键区内地面气压梯度、3h变压、850hpa温度梯度、温度平流和高空风向风速等物理量，逐一分析各物理量统计特征，最终以大多数个例（70%以上）确定每个物理量阈值。结果见表2。

表2 洪泽湖寒潮大风物理量统计值

地面气压场

在地面气压场中，冷高压中心气压、气压梯度和3小时变压对大风预报具有较好指示意义。冷高压中心气压可代表冷空气强度。冬季大风所有个例中心气压值在1048～1077hpa之间，平均值为1060hpa，80.0%个例中心气压大于1055 hpa。春秋季节72.4%个例中心气压大于1035hpa，所有个例平均值为1041hpa，两者均小于冬季。气压梯度越大，地面风速也增大。地面图上关键区内站点间的海平面气压差代表气压梯度，可预报大风。选取徐州和吕泗两站作为指标站，计算两站气压差Δp。个例间气压差Δp差异较大，全部个例平均值5.8hpa，70.4%的个例气压差Δp大于4.0 hpa。冷锋后的3h正变压Δ3p反映了冷锋附近气压场的最新变化，Δ3p越大，造成的风力越强。全部个例平均值4.3hpa，71.4%个例大于3.2hpa。

以上分析表明，地面气压场中，冷高压中心气压、气压梯度和3h变压等物理量跨度较大。总体来看，冬季和春秋季冷高压中心气压值分别大于1055hpa、1035hpa、气压梯度大于4.0hpa和3h正变压大于3.2hpa可以作为大风的阈值。

温度平流和温度梯度

对于寒潮大风来说，锋后冷平流致使锋区温度梯度加大，大气的斜压性加强，地面高压加强或气压梯度加大，所以冷平流最强处，风力最大。表中tadv850代表洪泽湖区域850hpa温度平流，所有个例在－10到－40℃/s之间，平均值－18℃/s，76.9%个例小于－20℃/s。850hpa温度梯度越大，冷空气势力越强，出现大风的可能性越大。温度梯度可用关键区内指标站850hpa温度差Δt850来表示。选取张家口、南京两站作为指标站，计算两站温度差Δt850。71.4%个例的850hpa温度差大于11℃，平均值11.4℃。根据以上分析，可将850hpa温度平流小于－20℃/s、850hpa温度梯度大于11℃作为大风的阈值。

高空风场与高空急流

对于寒潮大风来说，500、700和850 hpa在测站上游关键内出现西北急流时，有利于冷空气向南方输送。风速越大，上下层风向越一致，出现大风的可能性越大。所有个例500hpa、700hpa和850hpa平均风速分别为33.7、17.6和14m/s，均达到急流标准。72.7%个例的500hpa风速大于24m/s，71.4%个例的700hpa风速大于17m/s，72.7%个例的850hpa风速大于12m/s，可以作为大风的阈值。因此中低层是否出现12～24 m/s的急流可作为大风起报的指标之一。