保定市一次大风天气过程诊断分析

张思涵，董疆南，高万泉，马鸿青，王志超

（1.河北省定州市气象局；河北 定州 073000；2.河北省保定市气象局，河北 保定 071000）

大风是影响保定的重要气象灾害性天气之一。大风沙尘天气不仅会对生态环境、人民生活等造成重大影响，同时也会对农林业、畜牧业等的生产造成严重威胁[1]。位于河北中部的保定市地处太行山北部东麓，冀中平原西部，地势由西北向东南倾斜，有山地、丘陵、平原，地形较为复杂，春季易出现大风天气[2]。长期以来，由于大风天气出现频率较高、危害程度较大，众多学者围绕大风及其成因做了深入研究。关于冷空气大风的成因，一些学者［3-6］认为是斜压大气能量转换、西北急流活动及动量下传等因素共同作用的结果；张鹏等[7]分析了山东省一次高空冷涡诱发的渤海气旋大风过程，对涡度平流、温度平流、散度等动力和热力条件进行了诊断分析，指出高层与中低层的反位相垂直分布特征；康志明等[8]、牛若芸等[9]研究指出，冷锋过境前冷高压加强，冷空气堆积时冷平流输送显著；陈淑琴等[10]、尹尽勇等[11]发现冷锋过境时气象要素发生明显变化，大气动量下传使近地层的风向突变，风速加大。

文章选取了2020 年3 月18 日河北省保定市出现的一次大风天气过程，从环流形势、物理量场等多角度深入分析，加深对其物理机制的理解，总结预报和服务经验，以期为今后出现类似天气过程提供理论依据，提高对保定市大风天气的预报预警服务能力。

1 天气实况

2020 年3 月18 日白天到夜间，受冷空气影响，河北省出现大风天气过程，共有121 个国家站日极大风速达到17m·s-1，55 个测站极大风速突破3 月历史极值，其中保定地区有9 个测站突破3 月历史极值。此次过程影响范围广，强度大，经统计日最大风风速普遍达5-8 级，最大徐水19.4m·s-1；日极大风风速普遍达8-11 级，最大安国28.9m·s-1。大风过程中伴有扬沙天气，19 时保定PM10 浓度达1117mg·m-3。本次大风过程致使多地出现火灾，大风给救火工作造成较大困难。

2 环流背景分析

从500hPa 形势来看（如图1a 所示），3 月17 日20 时，亚洲中纬度为两槽一脊型，亚洲东部与乌拉尔山东部分别有一高空槽，高压脊位于90°E 附近，与东亚大槽形成西高东低的形势，在极锋锋区上不断有大风速区东传。此时贝加尔湖附近极涡底部有冷空气南下叠加在锋区之上；18 日08 时冷空气与极涡脱离，逐渐南下，形成-36℃的闭合冷中心，同时温度槽落后于高度槽,使得贝加尔湖短波槽加深为东西向横槽。在高压脊后部有暖平流，脊前为冷平流，随着系统移动，风向由偏西风转为偏北风，冷平流明显增强。20 时横槽加深转竖，槽后冷平流明显，此时河北出现大风天气。随后高空槽继续东移入海，最终取代原东亚大槽的位置。

从850hPa 形势来看（图略），3 月17 日20 时，贝加尔湖南侧也有高空槽下滑加深，温度场上有温度脊向北伸展与高空槽反位相叠加，槽前后冷暖平流均较明显；18 日08 时高空槽南下加强呈东北-西南向，保定受槽前暖区控制，有利于白天升温及气压下降。高压脊前冷空气南下，锋区加强压在40°N以北；20 时高空槽转竖加深南下，等高线与等温线接近垂直，保定受锋区控制，形成极强冷平流，从而出现大风天气，此时850hPa 偏北风风速也在20m·s-1左右。

分析地面形势可知（如图1b 所示），3 月18 日08 时冷锋在40°N 以北，冷高压中心值大于1037.5hPa，河北中南部为西高东低的形势，偏西风有利于产生焚风效应，气温上升，气压下降；14 时冷高压分裂南下与河北东北部低压区形成对峙，等压线梯度明显增大；16 时随着冷锋后地面高压的临近，山西北部到河北西北部一带的3h 正变压增强，冷锋前为大片的负变压区，河北境内最大变压差达到10.5hPa/1 经度；17 时变压梯度大值区到达河北中部地区。可见保定东部极值大风主要是变压风起主导作用；20 时锋面已南压至河北山东交界，此时保定处在锋后等压线梯度大值区，多地出现大风。

图1 2020 年3 月18 日20 时500hPa 位势高度场（实线，单位：dagpm）、温度场（虚线，单位：℃）、风场(a)，以及海平面气压场(b)（单位：hPa）

3 物理量分析

3.1 动力条件分析

高空槽下滑过程中逐渐加深，槽区附近正涡度不断增强，槽后及高压脊为负涡度控制，从垂直结构看，低层700hPa、850hPa 高空槽呈东北-西南走向，偏前于500hPa，系统呈后倾结构。涡度场垂直剖面上可以看到两个正负涡度对，槽线上正涡度最强，中心在350hPa 附近（如图2a 所示）。涡度平流垂直分布为槽前正涡度平流，槽后负涡度平流达最强，中心在350hPa 附近，负涡度平流有利于地面加压，涡度平流随高度迅速减小，有利于产生较强下沉运动。同时低层也存在下沉负涡度平流区，与地面大风区配合较好（如图2b 所示）。

图2 2020 年3 月18 日20 时涡度(a)（单位：10-5s-1）、涡度平流(b）（单位：10-8s-2）垂直剖面

18 日14 时高空急流入口区38～41°N 有次级环流形成，主要环流位于300-650hPa，垂直速度剖面图有速度对与之配合，急流南侧辐散，形成一支上升气流，北侧辐合，对应着气流下沉支。18 日08 时115°E 附近有“漏斗”状北风强风速带向近地面伸展，高空动量下传，14-20 时北风强风速到达地面，形成大风天气（如图3、图4 所示）。

图3 2020 年3 月18 日急流入口处次级环流14 时v、w 合成风场沿115°E 的垂直剖面(a)；14 时w 沿115°E 的垂直剖面(b)(负值表示上升运动，单位：Pa·s-1)

图4 2020 年3 月18 日08 时(a)、14 时(b)、20 时(c)经向风v 沿38.9°N 的垂直剖面（单位：m·s-1）

3.2 热力条件分析

3.2.1 温度平流

温度平流的本质是密度平流，是准地转动力学中的热力强迫项，与地面变压密切相关。温度平流是斜压扰动发展的主要动力条件[12],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。利用NCEP/NCAR1°×1°资料对温度平流的作用进行分析（如图5 所示），18 日08 时，锋区位于内蒙中部，对应冷平流区也位于内蒙中部，中心强度为-5×10-4K﹒s-1；20 时850hPa 锋区南压至河北中部，冷平流南下移至河北上空，大值中心位于河北东北部至河北中部一带，并呈加强趋势，中心值加强至-12×10-4K﹒s-1。受强冷平流影响，20 时前后保定多地出现大风天气。

图5 2020 年3 月18 日08 时、20 时850hPa 温度平流（单位：10-4K﹒s-1）

3.2.2 500hPa 和850hPa 温差与相对湿度

大风的产生与气压差、温度差密切相关。3 月18 日08-14 时,随着高层500hPa 槽后冷平流的东移，500hPa 和850hPa 温差逐渐增大，14 时达到-33℃，大气层结极不稳定。与此同时，湿度廓线显示对流层中层及以下相对湿度均小于20%，整层均为干空气，有利于高空动量下传，形成地面大风（如图6 所示）。

图6 2020 年3 月18 日大气层结特征T500-850（单位：℃）（a）、相对湿度垂直分布图（单位：%）（b）

3.2.3 探空

18 日08 时，北京和邢台上空都有不同程度的逆温，说明此时处于锋前位置，且850hPa 以下为偏西风，风速较小。随着锋区南压，锋面过境，逆温层遭到破坏，20 时低层风速明显增大，邢台探空700hPa 以下、北京探空850hPa 以下温度层结曲线接近干绝热，有利于动量下传。

3.3 风廓线分析

风廓线雷达是通过发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行气象探测的[13]。从风廓线雷达图可以看出（如图7 所示），16 时保定上空基本为偏西风，大风速区在3000m 以上，17 时30 分降至3000m以下，风速为20m·s-1，但近地面风速较小，在6m·s-1左右；19 时30 分转为偏北风，大风速区已发展至近地面，近地面风速明显加大，达到22m·s-1，保定开始出现大风天气。分析可知，16 时-19 时30 分大风速区高度明显下降，底层风速明显增大，说明有动量下传。由此可见，风廓线的速度特征能够很好地反映出这次大风的演变过程。

图7 2020 年3 月18 日风廓线雷达图（单位：m·s-1）

4 结论

1）这是一次超极地冷空气的以偏北路径快速南下形成的大风，主要影响系统为高空槽、地面冷高压以及冷锋。

2）贝加尔湖冷高压分裂南下，在河套地区形成冷高压，与河北地区低压形成西高东低对峙形势。河北地区气压梯度大，变压强，有利于大风出现。

3）负涡度平流产生较强下沉运动，有利于槽后较高动量的冷空气向下传送。同时高空急流入口区次级环流的形成加速了大气的上下交换，“漏斗”状北风强风速带向地面伸展，激发了地面大风的出现。

4）锋区明显，冷平流强，大气层结极不稳定，有利于高空动量下传，形成地面大风。