2018年春季新乡市一次大风天气诊断分析

田晓璐

摘 要：本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析数据、气象常规资料，对2018年春季新乡一次罕见的大风天气进行深入分析，研究假相当位温、温度平流、散度、垂直速度等在此次过程中的作用和演变特征。结果表明：700hPa以下较强的冷平流，有利于形成强的地面气压梯度和变压梯度。锋面前侧低空辐合、高空辐散的强烈抽吸作用，促进了华北暖低压的不断发展，从而有利于气压梯度加强：槽前上升、槽后下沉运动，有利于大量扰动有效位能转化为扰动动能，形成斜压不稳定，导致地面出现大风。

关键词：大风;假相当位温;冷平流;动量下传

中图分类号：P458.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0132-05

Diagnostic Analysis of a Rare Gale in Xinxiang in Spring 2018

TIAN Xiaolu

（Xinxiang Meteorological Bureau，Xinxiang Henan 453003）

Abstract： Based on NCEP/NCAR 6-hour reanalysis data and routine meteorological data， this paper made an in-depth analysis of a rare gale weather in Xinxiang in spring of 2018， and studied the functions and evolution characteristics of PSEUDO-EQUIVALENT potential temperature， temperature advection， divergence and vertical velocity in this process. The results showed that the strong cold advection below 700hPa was beneficial to the formation of strong surface pressure gradient and pressure gradient. The strong suction effect of low-altitude convergence and high-altitude divergence in front of the front promotes the continuous development of warm and low pressure in North China， which was conducive to the enhancement of pressure gradient. The upward motion in front of the trough and the sinking motion behind the trough were beneficial to the transformation of a large number of disturbance effective potential energy into disturbance kinetic energy， resulting in baroclinic instability and strong wind on the ground.

Keywords： rare gale;potential pseudo-equivalent temperature;temperature advection;momentum transfer down

1 研究背景

大風是我国北方地区主要的灾害性天气之一，不仅影响农业生产、电力、通信设施等，而且对人们的日常生活构成严重威胁。新乡市位于太行山南麓，地处太行山与华北平原结合地带，春季由于西风槽及冷锋活动频繁，西伯利亚冷空气南下的时间尺度加大，新乡市的冷空气活动极为常见。姬兴杰等[1]对1971—2009年河南省110个气象站的大风日数进行了统计分析，发现新乡市为春季大风高发区，全省平均大风日数最大值出现在新乡市的延津县。针对冷空气大风的成因，气象工作者做了大量研究，马月枝等[2]发现高空西风急流配合适合的垂直环流产生动量下传，有利于产生超出一般强度的冷空气大风。肉孜·阿基等[3]研究发现，高空中期环流形势、冷空气强度、动量下传决定了大风的类型和强度，温度平流、垂直运动的强度及配置与大风强度关系密切。

2018年3月15日，受高空低槽东移及地面冷锋共同影响，新乡市出现了一次罕见的大风过程，平均风力6～7级，瞬间最大风力11级（30.6m·s-1）。此次大风过程持续时间长且风力大，造成2 217人受灾，多处房屋倒塌及塑料大棚损毁，直接经济损失达2 432.99万元。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的逐6h再分析数据、气象常规资料，对此次大风天气进行深入分析，讨论假相当位温、温度平流、散度、垂直速度等在此次过程中的作用和演变特征，旨在为今后大风预报提供参考依据。

2 天气概况

从3月12日开始，新乡市气温持续偏高。从表1可知，12—14日新乡市平均气温为14.5～19.3℃，较常年同期偏高5.7～10.5℃，尤其是13日最高气温升至27.2℃。而平均气压值连续3天呈缓慢下降趋势，14日降至最低值1 000.0hPa。气温持续偏高为大风的出现提供了热力不稳定因素[4]，一方面有利于华北低压的生成;另一方面，有利于冷锋过境时不稳定能量的释放，促使地面风力加大。

新乡市各国家站大风从15日08：00陆续开始，在13：00前后风速达到最大，持续至15日夜间结束（见表2）。各站的极大风速均超过20m·s-1，辉县及原阳突破历史极值。阵风系数为1h内极大风速和最大风速之比[5，6]。从图1可知，新乡站极大风速与最大风速变化趋势类似，而阵风系数维持在1.7左右，说明阵风和平均风变化的影响因子基本一致。此次过程中，封丘、延津及长垣48h最低气温降幅为10.2～14.2℃。根据河南省寒潮定义标准（48h内最低气温降温幅度为10℃及以上，且最低气温小于等于4℃）可知，这三站均达到寒潮。此外，大风发生前，新乡多站出现锋面雾天气，封丘最小能见度降至59m。

3 主要影响系统

3.1 500hPa低槽

从图2可知，14日08：00 500hPa亚欧高纬地区为两槽一脊环流形势，勒拿河附近有一深厚的低涡系统，中心强度达-44℃，冷涡中心至100°E、50°N附近有一低槽，其后部伴隨有冷温槽。高压脊线位于80°E附近，脊后存在暖舌，暖平流有利于脊前正变高及西北气流的加强。在冷温槽落后于低槽的情况下，槽后西北风加大有利于冷平流增强，从而使低槽进一步发展。80°E以东的中高纬地区（30～50°N）以纬向环流为主，高空锋区位于40～50°N，有9条等高线与之对应，位势高度差为36dagpm。随着高压脊前西北风加强及泰米尔半岛附近冷空气的补充，冷空气不断向南输送，低槽持续加深，经向度加大。15日08：00，高空锋区继续南压，槽底伸展至华北平原，等温线与等高线夹角为45°左右，存在很强的斜压性。45°N附近最大风速达32m·s-1，低槽后部强劲的西北气流引导冷空气快速南下，给新乡带来一次大风过程。15日夜间，低槽东移入海形成东亚大槽，过程趋于结束。

3.2 地面形势

14日08：00，贝加尔湖附近有一中心值为1 045hPa的冷高压，华北地区受中心值为1 010hPa的暖低压控制，高低压中心压差达35hPa，锋面位于中蒙边界。15日08：00，锋面途径华北平原移至豫北，暖低压南压至黄河以南，与冷锋后侧的冷高压形成北高南低的气压场形势，华北地区呈现较强的气压梯度，10个纬距内压差32.5hPa。同时，河北与山东交界处出现了3h变压值为6hPa的变压中心，该处风力显著增加。11：00，新乡位于锋面后部，3h变压值也呈南压趋势，新乡位于5hPa的变压中心（见图3）。较强的气压梯度与变压梯度相配合，导致全区出现6～7级偏北大风，获嘉县黄堤站于11：43出现此次过程的瞬间最大风力，达30.6m·s-1。此后，强冷空气不断沿华北平原直驱南下，大风长时间持续。直至16日白天，冷高压控制整个华北地区，过程结束。

此次大风发生在亚欧中高纬环流由纬向型过渡为经向型，高纬小槽东移发展及东亚大槽重建的过程之中。在强高空锋区上东移南压的小槽，是引发此次大风过程的主要高空天气系统。华北暖低压的持续发展有利于冷锋前后气压梯度增大，较强的气压梯度与变压梯度相配合，促使地面风力加强。

4 环境物理量场分析

4.1 假相当位温

假相当位温是把温度、气压、湿度包括在一起的一个综合物理量，不仅考虑了气压对温度的影响，也考虑了水汽的凝结和蒸发对温度的影响[7]。笔者选用850hPa的假相当位温为例进行分析。

15日02：00，冷空气入侵至40°N附近，河北中部为θse密集区，高值位于38°N以南。豫北自地面至850hPa盛行偏南风，暖湿气流的持续输送有利于近地层水汽增加，使空气达到饱和，从而导致冷锋前侧能见度转差。15日早晨出现了大范围锋面雾天气，封丘、获嘉、原阳的最小能见度均低于100m。由图4（a）可知，08：00，θse的低值区伸展至河北南部，自山东伸向豫北为θse高能舌，影响新乡的最大值达314K。伴随着冷空气继续东移南压，大气静稳条件快速破坏，大雾逐渐消散。14：00，冷空气前沿迅速南压至35°N附近，从图4（b）可以看出，冷锋后部有一条冷舌沿华北平原快速南下影响豫北。在35～37°N范围内，θse从312K降至290K，相差22K，说明此次冷空气势力很强。16日08：00，豫北地区已被冷空气完全控制，θse达284K，24h降温幅度为30K。此次强冷空气带来了剧烈的降温，从而造成新乡多站出现寒潮。

4.2 温度平流

某地温度变化的热流量方程如公式（1）所示。其中，右侧第1项为温度平流，第2项为垂直运动对局地气温变化的影响，第3项为变压和气压平流引起的温度变化，第4项为非绝热因子的作用。

[?T?t=-V·?T-λd-γ·W+λdρg?P?t+V·?P+1CpdQdt]（1）

由于近地层W近似为0，并且变压和气压平流引起的温度局地变化也很小，在实际预报中可以忽略[8]，因此，某地温度的变化主要取决与温度平流和非绝热因子。然而，15日当天，大范围云系覆盖华北平原，从而导致太阳辐射引起的气温日变化较小。因此，本次大风过程主要考虑温度平流的影响。

温度平流是斜压扰动强烈发展最主要的动力条件。此次过程中，850hPa等温线与风场接近垂直，冷平流非常明显，强冷平流有利于地面气压梯度快速加大，造成地面风力加强。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°资料对温度平流的作用进行分析。15日02：00，700hPa冷平流位于内蒙中部至河北北部（图略），中心值为-5×10-4K·s-1。850hPa锋区南压至40°N附近，冷平流位于陕西北部至河北北部，呈狭长的带状分布，并有多个冷平流中心。而河北南部位于槽前西南气流中，仍为暖平流，中心值为3×10-4K·s-1，这有利于河北中部上空产生很强的斜压结构。08：00，850hPa锋区南压至35°N附近，冷平流沿华北地区快速南下移至豫北，并呈加强趋势，中心值为-6×10-4K·s-1[见图5（a）]。04：00—20：00，850hPa冷平流中心一直维持在豫北上空，直至16日02：00，该冷平流中心才减弱消散，大风过程趋于结束。

从15日08：00沿114°E（新乡上空）的温度平流经向剖面[见图5（b）]可以看出，700hPa以下均为冷平流，最强中心位于900hPa附近，为-6×10-4K·s-1。14：00，冷平流中心缓慢南压，并加强至-12×10-4K·s-1（图略），且该中心位于新乡上空。由气压倾向方程及状态方程[p=ρRT]可知，整层气柱的密度平流将导致地面气压的局地变化，冷平流越强越有利于地面正变压的加强，进而形成密集的气压梯度，导致风力加大。此外，强冷空气所伴随的冷平流增强了地面变压场及变压梯度，从14：00地面天气图可以看出，新乡位于3h变压中心，强的变压梯度与气压梯度相结合，促使地面风力快速加强。

综上分析，15日08：00至16日02：00是冷平流中心南下影响新乡的集中时段。新乡上空700hPa以下均为较强的冷平流，有利于形成强的地面气压梯度和变压梯度。此外，冷平流中心移动较为缓慢是此次大风长时间维持的因素之一。

4.3 散度

分析沿114°E（新乡上空）的散度经向剖面[见图6（a）]发现，15日08：00，锋面前侧（33～35°N）800hPa以下对应辐合区，中心值为-5×10-5s-1，而800hPa之上以辐散为主，中心值为3×10-5s-1。锋面前侧低空辐合，高空辐散的强烈抽吸作用，促进了华北暖低压的不断发展，有利于气压梯度加强。同时，锋面后侧（35～38°N）700hPa以下均为强劲的偏北气流，最大风速达到22m·s-1，且该区域对应辐散区，最大值为9×10-5s-1，位于38°N上空800hPa附近。这种垂直结构意味着锋面后侧700hPa以下存在一支较强的动力强迫下沉气流，有利于地面強烈的偏北大风出现。伴随着冷空气南压，14：00，新乡上空800hPa之下转为辐散区[见图6（b）]，且强度快速增加，中心值为8×10-5s-1，位于1 000hPa附近，说明高层动量开始向近地面层传递，地面风速的强度也达到顶峰。

4.4 垂直速度

从新乡上空（114°E）做垂直速度与风场的经向剖面图可以看出，15日08：00（见图7），上升运动区位于34～39°N附近，1 000～850hPa对应强的垂直上升运动，最大速度达-6×10-3Pa·s-1。此时，39°N以北为偏北气流，并对应强烈的下沉运动，最大值位于41°N上空的750hPa附近，达5×10-3Pa·s-1，说明有下沉气流将高空动量向下传递。而冷锋后部冷空气强烈下沉，有利于地面偏北大风的出现，高空动量下传会导致地面风力的加大并延长大风持续时间。14：00，伴随着高空低槽过境，新乡上空800hPa以下均转为下沉运动，最大值位于850hPa附近，达2×10-3Pa·s-1（见图8）。下沉气流与高空动量下传相互叠加，造成35°N上空850hPa以下区域出现了大于24m·s-1的强风速区（图略），此时正是新乡风力最强时段。这种槽前上升、槽后下沉运动，有利于大量扰动有效位能转化为扰动动能，形成斜压不稳定，促使地面风力持续加大。

5 结论

①此次大风发生在亚欧中高纬环流由纬向型过渡为经向型，高纬小槽东移发展及东亚大槽重建的过程之中。在强高空锋区上东移南压的小槽，是引发此次大风过程的主要高空天气系统。华北暖低压的持续发展有利于冷锋前后气压梯度增大，较强的气压梯度与变压梯度相配合，促使地面风力加强。

②此次冷空气势力很强，新乡上空850hPa假相当位温降温剧烈，24h降幅达30K，造成多站出现寒潮。15日08：00至16日02：00是冷平流中心南下影响新乡的集中时段，700hPa以下均为较强的冷平流，有利于形成强的地面气压梯度和变压梯度。此外，冷平流中心移动缓慢是此次大风长时间维持的因素之一。

③锋面前侧低空辐合，高空辐散的强烈抽吸作用，促进了华北暖低压的不断发展，有利于气压梯度加强。锋面后侧存在较强的动力强迫下沉气流，有利于地面出现偏北大风，高空动量下传导致风力加大并延长持续时间。槽前上升、槽后下沉运动，有利于大量扰动有效位能转化为扰动动能，形成斜压不稳定，促使地面风力加强。

参考文献：

[1]姬兴杰，朱业玉，顾万龙，等.河南省大风日数时空分布及其对沙尘天气的影响[J].气象与环境学报，2012（1）：31-37.

[2]马月枝，王新红，叶东，等.一次春季冷锋过境引起的大风天气分析[J].气象与环境科学，2010（3）：41-47.

[3]肉孜·阿基，阿依谢姆古丽·孜比布拉，艾克代·沙拉木.2014年冬季阿图什2次灾害性大风对比分析[J].沙漠与绿洲气象，2017（3）：72-77.

[4]申建华，李丽平，张国勇，等.山西一次罕见大风天气成因分析[J].安徽农业科学，2011（34）：21287-21289，21403.

[5]朱男男，刘一玮，孙密娜.一次罕见黄渤海大风天气成因分析[J].气象科技，2017（6）：1070-1076.

[6]周福，蒋璐璐，涂小萍，等.浙江省几种灾害性大风近地面阵风系数特征[J].应用气象学报，2017（1）：119-128.

[7]郭翠英，闫小利.2006年春季河南一次强寒潮天气诊断分析[J].气象与环境科学，2011（4）：40-45.

[8]莫爱勰.2011年4月2日卢氏县寒潮天气成因分析[J].气象与环境科学，2012（2）：78-82.