承德市一次由快速发展气旋诱发的大风天气分析

2019-05-23冯钰博高艳春

沙漠与绿洲气象 2019年2期

冯钰博，王宏，杨梅，高艳春

（承德市气象局，河北承德067000）

近年来，人们对灾害性天气越来越关注，比如暴雨、暴雪，大雾等，这些灾害性天气严重影响着人们的生活，有些甚至影响到生命和财产安全。大风也不例外，严重的大风可能会造成房屋倒塌、室外公共设施损毁等，对城市高层建筑、电力设施、交通运输及人民生活都会造成很大的影响。由于引起大风的天气种类比较复杂，其中爆发性气旋或者快速发展的气旋造成的大风往往比较强烈，众多学者[1-7]对爆发性和快速发展的气旋做过深入的研究，从温度平流、涡度平流、急流、垂直速度以及位涡等诸多方面对气旋快速发展从而造成大风的动力和热力条件进行诊断分析，详细讨论斜压性与气旋发展的作用，Q矢量诊断与非地转风的作用，对起风机制都做了深刻的分析研究。寿绍文[8]详细解读了位涡原理及其应用，张伟等[9]对平流层中层的干侵入也做了详细分析。另外，诸多专家也对大风引起的沙尘暴天气以及大风的气候特征、物理量特征以及个例都做了深入的研究[10-19]。

承德属于季风气候区，风向具有明显的季节性变化，春季大风较多，以西北风为主。2017年5月5—6日，承德市全市范围内出现了近10 a以来最强的一次大风天气过程，而对于此次大风的预报，市气象台预报4～5级，明显偏小。因此，对此次大风成因进行分析，探究诱发大风的因素，对于预报员增强对大风预报的把握性和准确性有着重要的意义。

1 资料和方法

利用承德市2017年5月5—6日9个气象站常规观测资料、区域站风速资料和 NCEP/NCAR（1°×1°）逐6 h再分析资料，分析大风天气过程的大尺度环流背景，并对温度平流、涡度平流、高空急流、位涡等物理量进行诊断分析，更好地了解诱发大风天气的主要机理，为今后预报此类天气过程提供科学依据。

2 天气实况

2017年5月5—6日，承德市出现了近10 a以来最强的一次大风天气，全市多地出现9级以上大风（含区域站），5日平泉市望火楼站极大风达到30.8 m·s-1，为本次过程最大。分析国家站资料，5日，除平泉以外全市其它县区极大风速均≥17 m·s-1，6日，除隆化、平泉和兴隆以外，其它县区极大风速均≥17 m·s-1，丰宁县极大风达到 27.3 m·s-1，风力等级10级。本次过程围场、滦平、兴隆、宽城国家站极大风突破历史同月极值，分别为23.5、18.1、21、25.6 m·s-1（表1）。

此次大风过程，风速有明显的日变化，极大风速主要出现在每天的09—17时，夜间极大风速一般在10 m·s-1以下。

表1 承德市5月5—6日各地国家站日极大风分布 m·s-1

3 环流背景分析

2017年5月4日20时（北京时间，下同），受500 hPa高空槽前正涡度平流影响，河北省西北部112°E、44°N附近有锋面气旋生成并发展，中心气压为1 007.5 hPa，同时，黑龙江北部地区，中心气压为995 hPa的气旋开始进入消亡阶段。至5日08时，新生气旋移至 122°E、45°N附近，中心气压为1 002.5 hPa旋自西向东北移动，在41°N附近，10个经度气压梯度达到17.5 hPa，根据地转风原理，气压梯度越大，风力越大（图1a），此时气旋后部北京、河北省西北部及山西北部已经开始出现大风天气。5日20时，气旋发展至锢囚阶段，中心稳定少动，6日08时，气旋中心气压达到最低为985 hPa。当温带气旋24 h内气旋中心气压平均每小时下降1×（sinφ/sin60°）hPa时，即24 h气旋加深率为1 B（贝吉隆）为爆发性气旋，其中sinφ/sin60°为纬度协调因子，φ为气旋中心最强时所在纬度值。当气旋中心24 h下降未达到，但接近上述标准时，称为快速发展的气旋[1，2]。本次过程属于气旋的二次发展，新生气旋从 5日 08时（1 002.5 hPa）至 6日 08时（985 hPa）中心气压下降了17.5 hPa，气旋中心气压平均每1 h下降0.72 hPa，24 h气旋加深率约为0.84 B，属于快速发展气旋。正是由于气旋的快速发展，气压梯度和变压梯度不断加大，导致了此次的大风天气。

5月4日08时，500 hPa在贝加尔湖以北113°E、65°N附近存在低涡中心，与之相联系的另一低涡中心位于内蒙古东北部附近，4日20时，内蒙古东北部附近低涡减弱消退，在甘肃北部有高空槽开始发展，低槽呈疏散槽形状，利于槽的发展，槽后和槽线附近存在30 m·s-1以上的大风速核，高空槽不断东移和加强，受槽前正涡度平流作用，地面减压，气旋逐渐生成。5日08时高空槽东移发展至河北北部，出现闭合中心，大风速核位于承德附近，最大风速超过40 m·s-1（图1b），地面气旋中心随高空槽发展不断向东北移动并加强，并位于高空槽前正涡度平流区；随着新疆北部高压脊东移北抬至贝加尔湖以西，冷空气不断南压，至5日20时，高空槽加深发展形成低涡，此时正是地面气旋快速发展的时期，低涡后部最大风速超过50 m·s-1；6日08时，低涡达到最强，中心闭合等值线为516 dagpm，与地面气旋中心重合，形成深厚的低压系统，最大风速接近60 m·s-1。

4 气旋的发展机制分析

图1 5日08时海平面气压场（等值线，单位：hPa）和气旋位置变化（圆点）（a）及500 hPa高度场（等值线：单位：dagpm）和大风速核（阴影，单位：m·s-1）（b）

（圆点标记数值表示日期和时间，如0420表示4日20时）

4.1 温度平流和涡度平流的作用

温度平流是斜压扰动发展的主要动力条件，槽前的暖平流引起上升运动，上升运动产生正涡度平流，在温度平流和涡度平流的共同作用下，高空槽得到发展并向前移动，同时影响着地面气旋的移动和发展。

5 日 08 时，109°～118°E、37°～43°N 范围内已开始出现大风，500 hPa高空槽槽线位于116°E附近，沿42°N温度平流垂直剖面图上，500 hPa槽线附近存在较强冷平流中心，中心强度为-15×10-4K·s-1，上层300 hPa存在12×10-4K·s-1的暖平流中心，冷平流随高度减弱（图2a）。根据位势倾向方程厚度平流随高度变化项可知，当冷平流随高度减弱，等压面高度降低；同理，在850 hPa附近，同样存在冷平流中心，与850 hPa槽线对应，槽前有暖平流，冷、暖平流均随高度减弱，促使高空槽不断加深。850 hPa槽前暖平流使得等压面升高，气柱被拉长，高层辐散，有利于地面减压，这种斜压性的加强有利于气旋的快速发展。同时，500 hPa槽后脊前存在中心为6×10-4K·s-1的暖平流，促使高压脊不断东伸，冷空气向南堆积，高空槽发展成为冷涡。

在气旋不断东移发展的过程中，涡度平流也起到了重要的作用，5日08时，在高空槽前部，600～300 hPa之间均存在正涡度平流中心（图2b），涡度平流中心强度达到3×10-8s-2，槽后有负涡度平流，在气旋中心至850 hPa以及气旋西侧700～500 hPa正涡度平流随高度明显增加，根据ω方程涡度平流随高度变化项，当涡度平流随高度增加时，有上升运动，可见，高低空涡度平流的差异，有利于气旋发展加深。

综上所述，温度平流和涡度平流的共同作用是气旋加速发展的主要原因。

4.2 位涡分析

大气中的位涡守恒性通过大气伸缩作用引起天气系统的发展，高值位涡的向下输送产生垂直运动，当平流层的高值位涡下传到对流层，且上下层位涡高值区连通时，也就是出现局地正的位涡异常时，有利于气旋的爆发性发展[4][8]。一般把1.5 PVU或2 PVU位涡面定义为动力对流层顶，在该层以上的平流层，PV值由于静力稳定度的急剧增加而迅速增加，在该层以下的对流层，PV值变比较均一，变化不大。

5日08时，位涡高值区已经向东、向下伸展，位涡舌已经伸展到700 hPa以下（图3a），至5日20时，位涡高值区继续下伸并与底层位涡贯通（图3b），这一过程中地面气旋也处于快速发展时期，位涡舌的伸展方向是由西北向气旋中心靠近的。不难发现，对流层高层位涡高值区向下伸展的整个过程与地面气旋的快速发展一致，可见，高层位涡的向下传递，对地面气旋的快速发展起到很大作用。

4.3 高空急流与散度场分析

有研究指出[3、5]，温带气旋的爆发性发展往往与高空急流有联系，尹尽勇[5]在研究中提到在分析西北太平洋爆发性气旋的环境结构时，224个发生在西北太平洋上的发展气旋均发生在300 hPa高空槽前急流轴北侧。在高空急流出口区将发生质量调整，在出口减速区有指向其右侧的非地转风分量，它引起质量的向南输送，出口区非地转风引起的质量调整使其左下方减压，有利于气旋的发展[1、4]。4日20时300 hPa有显著的急流带，在高空槽前急流轴左侧出现辐散；5日08时，急流核明显加强，最大风速

图2 5日08时沿42°N纬向温度平流垂直剖面（a）（单位：10-4K·s-1）和沿气旋中心纬向涡度平流垂直剖面（b）（单位：10-8s-2）

图3 5日08时（a）和5日20时（b）沿气旋中心纬向位涡垂直剖面

达到68 m·s-1，槽前急流核减速区的左侧散度也出现大值中心，达到10×10-5s-1（图4）。随着高空槽不断发展加强，在高空急流出口区强辐散中心仍然维持，并发生质量调整，强辐散中心与地面不断发展的气旋位置相对应，这也印证了诸多学者的研究。可见，高空急流与地面气旋的发展关系密不可分，槽前不断增强的急流核对高层辐散起到重要作用，高层辐散的抽吸作用使低层大气减压，地面气旋得到发展。

图4 5月5日08时300 hPa急流（V≥30 m·s-1）（风羽，单位：m·s-1）和水平散度（单位：10-5s-1）

5 大风形成机制分析

此次过程属于由快速发展的气旋诱发的大风天气，出现大风的区域在气旋后部。那么在气旋后部必定会有物理量或气象要素条件的剧烈变化从而引发大风天气。

5.1 斜压作用分析

此次过程承德市位于高压前部气旋后部，分析T-lnP和相对湿度也可以得知，整层大气相对湿度很低，水汽条件较差，当锋面过境时部分乡镇出现弱降水，基本属于干过程。由于位温在干过程中具有保守性，本文用位温计算了锋生函数。以考察大气斜压性对气旋发展的贡献。

考虑到非绝热项计算的精确度问题，只对水平辐散项、形变项以及垂直速度有关的倾斜项三项进行计算。通过分析计算结果，此次大风过程中，117°E、42°N附近850 hPa以下一直存在较强的锋生作用，5 日 08 时，925 hPa附近有 30×10-10K·m-1·s-1锋生中心（图5），5日20时，大值锋生中心再次出现，中心位置相比之前更接近地面，直至6日14时，锋生中心依然存在。可见，在气旋快速发展时，气旋后部有很强的锋生作用，斜压作用相当明显，这种斜压作用对于有效位能的释放，动能的制造是相当有利的。由高压前部气旋后部锋生作用引起锋面的加强，是大风天气形成的一个直接原因。

5.2 海平面气压梯度和变压梯度的作用

当锋面过境时，海平面气压场也会出现正负变压中心，利用24 h变压分析锋面，优点是不受日变化影响。5日08时，24 h变压在河北以东有明显负中心，对应2个正变压中心分别位于内蒙古东北部和内蒙古中西部，41°N 附近 110°～120°E 变压梯度约为15 hPa（图6a）。负变压中心与气旋发展中心一致，根据地转偏差方程中变压风一项计算，在承德附近变压风最大为12 m·s-1。变压梯度的增大，破坏了地转风平衡，产生了非地转运动，造成了大风天气，同时，强的正变压也造成气压梯度的加强（图1a），从而使得地转风分量加强，气旋后部强烈的气象要素梯度诱发大风形成。由此可见，气旋快速发展引发的气压梯度和变压梯度加强，是大风天气的另一个直接原因。

图5 117°E、42°N锋生函数随时间垂直剖面

6日08时，负变压中心加强，并且向东推进，这与气旋的快速发展一致，在气旋后部出现强的变压梯度，120°～125°E 纬向梯度将近 17.5 hPa，低层系统与高层系统发展成为一个深厚的低压系统；但在河北以西，高压中心减弱，出现负变压，中心达到-10 hPa，在2个负变压中心之间存在弱的正变压带，位于118°E、44°N附近，承德附近变压梯度相比5日08时减弱，变压梯度贡献明显减小，锋面不明显（图6b）。但气旋的快速发展产生强烈的辐合和抬升作用，气旋后部变压场的改变，导致低层下沉中心位于承德北部。强烈的变压引起垂直速度的变化，将高空与地面系统的发展演变结合成为密不可分的整体，强烈的变压对垂直运动也有一定影响。

6 结论

（1）本次大风是由锋面气旋快速发展引起的，0.84 B的气旋加深率导致后部锋生作用加强，进而引发10个经度气压梯度达到17.5 hPa和变压梯度达到15 hPa是导致本次大风的直接原因。

（2）500 hPa高压脊东移迫使冷空气向南堆积，高空槽发展成为冷涡，槽线附近冷平流中心-15×10-4K·s-1，冷平流随高度减弱，冷涡不断加深；850 hPa槽前暖平流造成地面减压，为气旋发展提供热力条件；正涡度平流随高度明显增加，至600～300 hPa之间涡度平流中心强度达到3×10-8s-2，高低空涡度平流的差异造成地面气旋的发展。