2017年3月江苏省一次伴有对流激发的冷空气大风分析

查书瑶，陈潇潇，沈雨辰，钱俊龙

（无锡市气象台，江苏 无锡214101）

大风灾害是指风力≥8 级（17.2 m/s）的风引起的灾害。 大风可对公共设施、海陆交通安全、农林生产、生态环境以及军事活动产生较大影响，并且随着社会经济的快速发展， 其造成的损失愈加明显。 因此，认识冷空气大风发生的环流背景及其物理成因，对大风的预报、预警以及防御有着重要的现实意义。

许多学者对冷空气大风有了较多的研究。 邬仲勋等[1]分析了一次冷空气大风的动量下传特征，发现高空槽的形态和强度对动量下传的预报有指示作用。 孙建明等[2]通过分析一次冬季突发性大风，探寻了高低层温度平流差异对大风预报的指示意义。 曹美兰等[3]对冬季沿海地区的突发性大风的物理成因进行分析，研究显示，大气强斜压性、持续的西北急流和动量下传共同导致了此种“晴天暴”天气。 吴海英等[4]研究表明，冷空气中的强冷平流导致地面变压和变压梯度增强， 对江苏的近海大风出现有着重要作用。 孙永刚等[5]则认为大风天气往往伴随较强的冷平流，而强冷平流中心多位于较低（850 hPa 以下）层次。 杨忠恩等[6]、肉孜·阿基等[7]和周宏等[8]对当地冷空气大风的诊断分析都表明：大风是高空急流、冷平流、动量下传等共同作用的结果。

前人对于冷空气大风的研究主要集中于个例的成因分析，冷空气大风往往和地面气压梯度、变压梯度、高空冷平流以及动量下传等有关。不同于以往的研究个例，江苏省2017 年3 月1 日大范围的冷空气大风中还出现了局地的对流性大风， 本文将从环流背景入手， 对此次冷空气过程中产生的系统性大风和对流性大风进行成因分析， 并和一次具有不同物理机制的冷空气大风（2 月20 日过程）进行对比，为以后的冬春大风预报提供参考。

1 实况以及环流背景

2017 年3 月1 日12：00 之后江苏省自北向南出现了7~8 级的西北大风， 全省有35 个基本站出现了8 级以上的大风， 出现时间在13：00—19：00，连云港和盐城的部分市县还出现了雷暴（图1a），大风所及处部分房顶、大棚、广告牌被掀。 在16 时32分，江苏省盐城市阜宁县有2 个自动站出现了11 级大风，其中最大风力出现在三灶镇，风速达30.4 m/s。而2016 年6 月23 日的阜宁龙卷风过程中， 最大风速出现在新沟镇，达34.6 m/s，可见此次冷空气过程中的极大风强度较为罕见。

此次过程是比较典型的高空槽配合地面冷锋的冷空气过程。 500 hPa 的东亚大槽较为深厚，并且有非常明显的横槽转竖过程（图1b），有利于引导冷空气迅速南下。地面是一股中路冷空气，2017 年3 月1日14：00—18：00， 地面冷锋从江苏北部向东南移动，冷锋过境时，全省有偏北大风，江苏东北部有雷暴发生。 冷锋在江苏过境时（1 日17 时），地面高压中心位于蒙古中部（图1c），中心气压为1 032.5 hPa，江苏境内有4 根等压线， 无论是从地面高压的强度还是高压前沿的气压梯度， 此次的地面高压系统强度都不是很强，仅仅凭借地面气压梯度，不足以使江苏、山东等地刮起大范围的7~8 级大风，高空的系统是如何影响到地面的？ 3 月1 日17 时左右，冷锋在江苏过境时， 苏北部分地区出现了雷阵雨， 阜宁11 级大风有没有可能是对流性的雷暴大风？为解答上述2 个问题， 下文将从大气斜压性和对流性的角度来考察此次大风过程。

2 成因分析

2.1 强斜压性

低层形势场（图2）显示，3 月1 日14 时，在江苏上游，即山东、江苏、安徽等我国东部地区，700 hPa等高线与等温线的交角近乎垂直， 说明低层存在强盛的冷平流，也说明大气的斜压性非常强。无锡上空温度平流的高度时间剖面图（图3） 显示得更为清楚。 3 月1 日凌晨500 hPa 存在一强冷平流中心，一直到1 日20 时， 无锡上空始终维持着较强冷平流。持续的冷平流一方面说明大气的斜压性强， 在力管作用下，冷空气趋于下沉，暖空气趋于上升，大气的势能转化为动能，下沉运动有利于大风产生[9]；另一方面，冷空气可以使地面变压加大，变压风也会加强地面的风速[10]。

图1 3 月1 日天气实况

图2 3 月1 日14 时700 hPa 形势场

2.2 动力强迫

无锡上空2 月28—3 月1 日的全风速高度时间剖面图（图4）显示，大风发生前期，从2 月28 日起200 hPa 高空有一强盛的高空急流维持着， 急流轴附近的风速＞80 m/s，并且从3 月1 日08 时开始，高空大风速区有明显的下传过程， 在1 日午后大风速区接地。

从3 月1 日凌晨200 hPa 急流及其散度的分布（图5）可以看到，在江苏和安徽的大部，也就是高空急流入口区左侧，有明显的风场辐合。无锡上空散度的时间高度剖面图（图6）显示，在1 日凌晨至中午，高层辐合区下方的确有辐散区， 高空急流入口区北侧产生了下沉气流； 中层的下沉气流伴随着冷平流（图3）使冷空气下沉，有利于大气质量调整。 1 日20时，高空急流减弱，冷锋过境后，中层辐合，低层辐散，低层有下沉气流，和大风出现的时间段相匹配，说明在下沉气流的作用下，大气质量迅速调整，中低层的散度配置在冷锋过境前后发生了明显反转，有利于地面大风的出现。

图4 无锡上空全风速（m/s）的高度时间剖面

图5 3 月1 日02 时200 hPa全风速（黑色等值线，m/s）和散度（填色，10-5·s-1）分布

图6 无锡上空的散度（10-5 s-1）高度时间剖面

以上结果表明， 此次大范围的冷空气大风主要是由高低层较强的冷平流以及高低层辐合辐散的差异性造成。

2.3 对流性

大气的强斜压性是引起这次大范围冷空气大风的主要原因，但从江苏极大风的历史数据来看，在冷空气过程中出现11 级以上大风的情况是非常罕见的， 并且3 月1 日在江苏东北部还伴随着雷暴等对流性天气（图1a），那么阜宁县出现的11 级大风是大范围的冷空气大风还是对流性的雷暴大风？ 雷暴对阜宁大风的激发有何作用？

2.3.1 雷达回波特征

从3 月1 日14 时开始，江苏省北部就出现了降水回波，此时地面锋面在苏鲁交界处，18：00 冷锋从江苏过境。 雷达反射率因子（图7a）显示，3 月1 日16：00 左右， 在连云港附近的回波主体前沿有一条出流边界，16：31 出流边界扫过阜宁，径向速度（图7b）上也有一条27 m/s 的速度大值窄带与之相应。而阜宁站监测到30.4 m/s 大风的时刻为16：32。因此推断，阜宁大风和雷暴前沿的出流边界有密切关系。

2.3.2 要素变化特征

分析3 月1 日阜宁站的温压风逐时分布（图8a），当大风过境时，瞬时风速和海平面气压值涌升，而温度则是断崖式地下跌：16：00—17：00，气温下降了9.2 ℃，气压上升了3.8 hPa。 分钟数据（图8a）显示，16：35—16：40 阜宁站变温为-2.1 ℃，变压为1.2 hPa。对比冷锋过境时， 无锡站的温压风分布则表现出不同的特点： 18：00—19：00，气温下降了2.1 ℃，气压上升了2 hPa； 其中要素变化最剧烈的时间为18：25—18：30，这5 min 的变温为-0.9 ℃，变压为0.4 hPa。

图7 3 月1 日16：31 盐城站的雷达图

图8 3 月1 日阜宁站气温（℃）、气压（hPa）、风速（m/s）的逐时分布（a）和3 月1 日16—17 时阜宁站气温（℃）、气压（hPa）、风速（m/s）的每5 min 分布（b）

同为冷锋过境， 无锡站气象要素的变化明显没有阜宁站剧烈， 说明阜宁站这种短时间内剧烈的要素变化应该是中小尺度的雷暴系统所造成的，而非大尺度的锋面所导致。关联发生雷暴的连云港站以及无雷暴发生的南京站的气象要素逐时分布， 连云港站和阜宁站一样出现了温度的断崖式下跌，1 h 变压可达3 hPa 以上， 南京站的分布特点则和无锡站类似。 因此发生雷暴的区域性大风很可能在大尺度冷空气大风的基础上， 又叠加了不稳定能量被释放后的中小尺度系统所造成的雷暴大风。 值得一提的是，阜宁11 级的大风是在冷空气大举南下的过程中叠加了不稳定能量的释放， 所以在气压场上没有雷暴大风的先升后降的“高压鼻”特征，而是随着冷空气不断南下，气压一直在升高。

2.3.3 不稳定能量及其触发

图9 为1 日14 时阜宁上空的T-logP 图，绿色和蓝色曲线分别为露点和温度的层结曲线，红色为状态曲线。可以看到，在800 hPa 以下的温度直减率几乎和干绝热直减率相同， 说明低层的大气非常不稳定；中层（850~600 hPa）为湿层，有利于产生降水，中高层（500 hPa 以上）为干层，其中400 hPa 最为干燥。 此种低层“倒V 形”的温湿廓线有利于干下击暴流的发生[12]，中层有足够的湿度，使降水产生的下沉气流能够达到地面，低层深厚的干绝热层，有利于降水的蒸发、融化和升华，从而加强负浮力使得地面大风加强。 计算14 时阜宁上空的DCAPE 为1037 J/kg； 假设不考虑其他因素，气块下沉到达地面时，理论上负浮力做功引起的最大下沉对流速度可达45.5 m/s[13]。 可见，较强的下沉对流有效位能有利于大风的产生。

冬春交界也是高架雷暴多发的季节， 为了确定对流的触发原因，由1 日14 时低层的垂直速度和散度可知，此时锋面位于苏鲁交界处35°N 附近，垂直速度大值区在锋面附近，在900 hPa 左右高度。锋面前侧低层有明显辐合， 说明锋面抬升是江苏北部对流触发的主要原因。

综合地面实况、 雷达回波和天气系统配置，得出：3 月1 日午后江苏北部地区有下沉对流有效位能的累积，在冷锋过境的过程中，不稳定能量被锋面触发释放，江苏东北部出现雷阵雨天气，雷暴前沿的出流边界进一步触发了阜宁上空的不稳定能量，阜宁出现了11 级大风。阵风锋是阜宁大风的直接触发机制， 但大尺度的锋面对不稳定能量的触发也有相当作用， 阜宁大风是在不同尺度系统共同作用下产生的。

图9 3 月1 日14 时阜宁上空的T-logP

3 与2 月20 日大风过程对比

冬春交界是大风多发的季节， 在2017 年2 月20 日同样也发生了一次冷空气大风， 将其与3 月1日大风进行对比分析。

2 月20 日上午江苏省自北向南出现6~7 级的偏北大风，全省有5 个基本站出现8 级以上大风，其中最大风速出现在连云港的齐台山，风速为26.6 m/s（10 级）。 大风总体强度没有3 月1 日过程强。

比较两次过程的地面气压场和6 h 变压场（图10），2 月20 日过程的地面气压梯度和6 h 变压强度都较强， 说明地面的冷空气势力比3 月1 日过程强。 温度平流的演变也显示，2 月20 日过程的强冷平流仅发生在低层，中高层没有明显的温度平流，说明大气斜压性很弱。 此外，2 月20 日过程前期的高空急流较弱，急流中心风速在45 m/s 左右，也没有大风速下传的特征。比较两次过程的能量条件，3 月1 日过程有较强的DCAPE（下沉对流有效位能），而2 月20 日过程中没有对流和降水产生。

通过两次过程的详细比较（表1），得出：2 月20日的大风主要是由地面冷锋附近的强气压梯度和锋面过境前后的强变压导致的， 虽然地面冷空气势力强于3 月1 日大风，但由于没有高空系统的影响，是一次比较浅薄的过程， 大风强度不及3 月1 日的过程，同时也没有不稳定能量的累积，没有对流性大风的出现。 而3 月1 日大风是由于大气的强斜压性所导致的， 局部地区的大风还有不稳定能量被激发所产生的雷暴大风的特征。

图10 3 月1 日锋面过境前后地面6 h 变压场（a）和2 月20 日锋面过境前后地面6 h 变压场（b）（单位：hPa）

表1 3 月1 日过程和2 月20 日过程特征对比分析

4 结论

应用地面观测资料、多普勒雷达资料以及逐6 h的FNL 再分析资料， 对2017 年3 月1 日一次江苏省大风过程进行了诊断分析， 并和2017 年2 月20日的大风个例进行简单对比，得到以下结论：

（1）3 月1 日的冷空气大风是由于大气强斜压性以及高低层辐合辐散差异所引起的， 局部地区的大风还有对流性雷暴大风叠加的效果。

（2）不同于传统的地面大风（2 月20 日的大风过程），3 月1 日过程的地面气压梯度和变压风的贡献并不大，主要还是由于系统深厚的斜压性造成的，高空的强冷平流使得大气质心下沉， 大气的势能转化为动能。 这要求预报员在冷空气过程中除了关注地面高压、冷锋，还需要关注高空系统的演变，例如200 hPa 高空急流的持续偏强、中高层的强冷平流。

（3）局部地区的大风（阜宁11 级大风）是在大范围的冷空气背景下，锋面触发了上游的雷暴，上游雷暴的出流边界又触发了不稳定能量而产生的。 阵风锋是阜宁大风的直接触发机制， 但大尺度的锋面对不稳定能量的触发也有相当作用， 并且提供了大范围偏北大风的环境场， 阜宁大风是在不同尺度系统共同作用下产生的。 阜宁大风不仅仅是大范围系统性的冷空气大风，也不单纯是对流性的雷暴大风，而是介于两者之间的混合性大风， 是不同尺度系统共同作用下产生的。 预报员在今后的预报和监测中要多加注意不稳定能量的累积变化以及阵风锋的监测。