重庆永川汛期大风特征研究

董丹丹，邓承之，杜爱军，屈长青

（1.重庆市永川区气象局，重庆402160；2.重庆市气象台，重庆 401147；3.重庆市巴南区气象局，重庆 401320）

大风是一种具有强阵性和破坏性的天气，当其出现时，可造成农作物倒伏、建筑物受损或垮塌等灾害，对人民生命财产安全具有一定的威胁[1-2]。许多学者对不同地区大风的气候特征、短期预报方法、环境条件和个例分析等方面进行了研究[3-5]，严仕尧等[6]筛选出华北地区夏季26 次典型雷暴大风过程，选取K 指数、对流有效位能等7 个动力、热力指标，计算雷暴大风发生时的指标阈值，并利用指标叠套技术对华北雷暴大风进行潜势预报。杨晓霞等[7]对山东雷暴大风的气候特征、天气系统配置模型和物理量参数特征进行分析研究，认为雷暴大风的天气系统分为槽前型、槽后型、副热带高压边缘型和横槽型。王秀明等[8-9]利用雷达、地面加密观测等多种资料，从中尺度环境、风暴结果、风暴与环境相互作用、雷暴间相互作用的角度对商丘风暴的发展、维持及灾害性大风成因进行了深入探讨。目前，学者对多个大风过程梳理或大风个例分析较多，而针对显著地形起伏、多山地的川渝地区大风过程多为个例分析，系统梳理研究较少，环流形势归纳总结对川渝大风预报具有重要意义。

重庆西部作为成渝双城经济圈的中间枢纽，又处于盆周边缘，地形对其周围大气流场产生影响[10]。位于重庆西部的永川是重庆大风多发区之一[11]，研究永川大风特征，可有针对性地对当地大风进行气象预报与服务，研究思路与方法对其它地区，尤其是渝西地区大风天气分析具有一定的参考意义，为经济社会发展作出一定的贡献。根据前人的研究，四川盆地的大风过程主要为单纯由气压梯度差造成的梯度大风，由热力不稳定造成的雷暴大风，两者都有的混合性大风[12]。梯度大风往往与冷空气大规模活动有关，雷暴大风是雷暴和对流活动带来的除龙卷以外的地面灾害性强阵风，常出现在对流天气的开始阶段[13-18]。而汛期（5—9 月）以雷暴大风或者混合性大风偏多，对流性偏强，数值模式对此两类大风的预报能力偏弱，预报难度较大，所以主要选取汛期大风作为研究时段，非汛期是下一步的研究工作。

文章利用2006—2017 年汛期（5—9 月）常规气象资料，采用天气分析方法，研究天气环流形势背景，分析大风与降温、降雨的关系，初步探讨了大风发生前常用的4 个物理指数的表现情况，总结重庆永川汛期大风特征。

1 研究方法与大风概况

1.1 研究资料与方法

数据来源：2006—2017 年汛期（5—9 月）常规气象地面观测资料、探空观测资料，包括永川24 个具备温度、降水、风向及风速4 要素观测的地面自动观测站（下文用气象站简称）逐小时资料。文章采用的时间均为北京时间。

大风过程判断依据：（1）参考前人的研究及重庆天气业务规范[11]，当极大风速≥17.0 m/s，或2 min平均风速≥12.0 m/s，或10 min 平均风速≥10.0 m/s时，判断为大风，并记录大风出现时间及气象站。（2）根据风速值判断该数据是否合理、是否为突变值等进行人工数据质控。（3）通过质控后的大风数据，记录第1 个出现大风站点的时间为大风开始时间，若连续5 h 未出现大风，则最后出现大风站点的时间为大风结束时间，从开始时间至结束时间定义为1次大风天气过程。

大风分为局地大风和区域性大风。当只有2 个及其以下气象站出现大风时，定义为局地大风。区域性大风即3 个及其以上气象站出现大风。

文章采用的物理指数：（1）根据永川地理位置，采用四川宜宾站和重庆沙坪坝站的探空数据。（2）若大风发生在20—08 时，则采用20 时探空数据。（3）若大风发生在08—14 时，则采用08 时探空数据。（4）若大风发生在14—20 时，则采用14 时探空数据，14 时探空数据为人工订正数据。

1.2 研究区大风概况

2006—2017 年汛期，永川出现64 次大风过程，8 月最多，为20 次，约占汛期大风过程的31.3%；9月最少，为 5 次，约占7.8%（图1）。大风在 15 时、18—20 时和02 时易发生。大风出现后，持续时间一般在1~2 h（50 次），约占78%。偶有出现持续时间偏长的大风过程，此类较少，多有2 min 或10 min平均风速达到大风标准。所有过程中，最长的持续时间可达13 h，出现在 2008 年 6 月 30 日08—20 时，30 日早上箕山站风速开始增大，表现为10 min 平均风速≥10 m/s，箕山站为永川区内海拔最高的气象站点（728 m），容易出现此类阵性大风，未达到5 h 间断时间的标准，午后其余地区风速开始增大，以阵性为主，20 时革命水库极大风速达到此次过程的最大值（23.1 m/s），所以此次过程表现的持续时间最长。

图1 2006—2017 年汛期永川大风逐月分布（a）、持续时间（b）、开始时间（c）及结束时间（d）

从空间分布（图2）来看，大风主要发生在永川中部及偏北一带，集中发生在革命水库—城区—箕山一带，其中革命水库最多，达22 次，其次为城区（21 次）。这种分布可能与中北部地势起伏较大和有海拔较高的箕山、黄瓜山有关，容易受到天气系统扰动，同时水库周边容易出现大风，所以革命水库大风最多。从永川城区大风来看，城区出现的极大风速最大值为23.9 m/s。

图2 2006—2017 年汛期永川大风空间分布特征

2 天气环流背景

根据大风过程中，500、700、850 hPa 及地面天气系统分析，主要影响系统为低槽（涡）、西太平洋副热带高压（简称“副高”）、台风、切变线和低空急流，主要环流类型可分为：低槽（涡）型（27 次）、低槽（涡）与高压系统型（21 次）、台风影响型（16 次）。

2.1 低槽（涡）型

该类型的环流配置（图3）为：副高偏东偏南，主要控制我国华南至东南沿海一带，500 hPa 有低槽（涡）东移，且位于四川至重庆一带，中低层多有低涡配合，同时低涡主要位于重庆西部至贵州一带，较500 hPa 低槽（涡）的位置偏东偏南，上下层形成后倾或略垂直结构。当低槽（涡）东移到四川北部和重庆地区时，槽前西南气流有所增强，中低层在重庆偏东偏南地区多形成低空急流，向重庆输送暖湿气流，随着低槽（涡）中心东移至重庆西部，永川出现大风天气。地面上，重庆西部至四川北部一带多有冷高压活动；或少有重庆西部只受热低压控制；或热低压位置偏南控制重庆西南部，重庆西部偏北至四川北部有冷高压活动，永川位于冷高压前端与热低压北端之间。这类大风过程共有27 次，发生在5—7 月，其中 5 月最多（17 次），其次为 6 月（8 次），7 月最少（2 次）。

图3 低槽（涡）型大风天气形势概念模型

此类大风过程多出现在凌晨、傍晚，大多伴有短时强降水，多出现局地大雨以上量级降水。当中低层没有低空急流或者大风速带与低涡相配合时，永川只有局地大风天气产生，以弱降水为主。例如2016年6 月7 日03—04 时，永川城区和孙家口出现大风天气，高空有低槽过境永川，但中低层低涡中心位于四川北部，重庆西部在其边缘，大风速带偏南，重庆西部地区的东北风偏强，永川只出现了局地大风天气，且伴有局地小雨量级降水与雷电，无短时强降水。

地面上，有22 次地面系统较为明显，其余5 次地面系统不明显。22 次中，永川位于冷高压和热低压两系统之间的有11 次，这些过程主要环流特征为：大风发生前，首先有热低压在重庆西部与四川交界处发展，中高纬度有冷高压从甘肃南部至四川地区或从陕西南部至四川东北部南下，冷高压强度均在1 017.5 hPa 以上，随后热低压南压至重庆西南部与贵州、四川交界处。大风发生时，永川位于冷高压和热低压系统之间，气压梯度线密集。11 次大风过程中，9 次冷高压与热低压强度差在20~25 hPa，其余2 次强度差分别为12.5 和15 hPa。

22 次中，永川受冷高压控制的有5 次，冷高压强度在1 015~1 027.5 hPa。永川受热低压控制的有7次，低压中心强度在997.5 hPa 以下，最强为990 hPa。

2.2 低槽（涡）与高压系统型

该类型的环流配置（图4）为：副高强盛且西伸北抬，控制重庆偏东或偏南一带，或有高原高压在内蒙古至四川一带活动，四川地区的低槽（涡）东移受到副高阻挡，至重庆西部停滞，形成“西低东高”或“高—低—高”的环流形势，中低层多有气旋性辐合系统配合，且西南低空急流影响重庆西部，易出现大风天气。地面上，重庆西部地区多受热低压影响，8月下旬开始有冷高压活动至9 月冷高压偏强。如2008 年7 月11 日的大风天气过程。这类大风过程共有21 次，发生在7—9 月，其中8 月最多（12次），9 月最少（3 次），多出现在凌晨及傍晚。大风时出现弱降水与大雨以上量级降水的频次相当。

图4 低槽（涡）与副高及高原高压型大风天气形势概念模型

8 月下旬的3 次大风过程，大风发生前，3 次都表现为甘肃至陕西一带有冷高压活动，冷高压强度在1 020 hPa 以下，以弱冷空气为主，重庆西部地区受冷高压南下影响，永川出现大风。

9 月的3 次大风过程中，大风发生前，有2 次表现为贝加尔湖以西的冷高压发展，冷高压分裂南下东移，系统前梯度南侵西南地区，重庆西部地区等压线变密集，其中1 次冷高压中心位于河套地区，高压中心强度达1 027.5 hPa；1 次高压中心位于四川中部，高压中心强度达到1 020 hPa；另1 次表现为重庆西部与四川地区交界处的热低压发展，低压中心强度达997.5 hPa。

从8 月下旬开始，低槽（涡）与高压系统型大风开始受冷高压影响，但8 月的地面冷高压强度常偏弱，9 月冷高压强度往往偏强。在实际预报分析过程中，要注意8 月下旬之后的地面系统分析。

2.3 台风影响型

2006—2017 年，永川出现大风时，我国近海有台风活动的过程共16 次。台风系统对重庆西部无直接登陆影响，主要影响为：（1）台风活动影响我国环流形势变化，副高断裂西进，对青藏高原上东移的低槽（涡）系统有阻挡作用，影响低槽（涡）系统的移动路径，或者影响副高外围的西南气流在重庆西部加强为急流，或者激发了中低层西南涡的生成。（2）中南半岛，或者我国浙江至上海一带，或者福建至广西一带，有台风活动时，台风登陆后西行或西北行的外围气流影响重庆西部地区，永川出现大风天气。（3）台风的外围气流与四川盆地一带的低槽（涡）、副高西南侧的东风气流共同作用，永川出现大风（图5）。

图5 台风影响型概念模型

这类大风过程共有16 次，6—9 月均有发生，8月最多（8 次）。14 次大风过程时，有4 次台风位于海上，有4 次位于中南半岛，有2 次台风在广西至湖南一带，有3 次在福建至江西一带，还有1 次台风位于安徽与湖北交界处。其余有2 次较为特殊，其中1 次台风在中南半岛登陆后减弱，但其残留的系统维持时间较长，副高强盛控制重庆偏东地区，台风外围的风速较强与副高西南侧强盛的西南气流叠加，在重庆西部形成急流，永川出现大风；另1 次，在华南沿海有热带系统活动，未达到台风的强度。

低槽（涡）型、低槽（涡）与高压系统型中，重庆地区500 hPa 受低槽（涡）东移影响，中低层有辐合系统或配合西南低空急流，低槽（涡）与高压系统型的副高比较强盛，控制重庆偏东地区，对低槽或低涡有阻挡作用。地面上，低槽（涡）型存在明显的冷高压或热低压或永川位于高低压系统之间，而低槽（涡）与高压系统型以热低压为主，8 月下旬开始受冷高压影响。台风影响型中，我国华东或华南地区均有台风活动，台风在福建省登陆后西北行至江西境内，或广西至广东一带登陆后继续西行至中南半岛，或华东一带有台风活动。在实际预报中，由于台风活动复杂且预报具有一定难度，针对台风影响型的大风预报，结合雷达与卫星云图进行短临监测具有更好的气象服务效果。

3 大风过程中的降温降雨

3.1 大风与温度的关系

为了分析各类型大风与温度的关系，分别计算大风发生当天、前1 d 和前2 d 的平均温度、最高温度、最低温度中的最大值，计算大风发生当天、发生后1 和2 d 的平均温度、最高温度、最低温度的最小值，分析最大值与最小值的差值（表1）。

表1 大风发生前后平均温度、最高温度、最低温度变化幅度频次 次

从平均温度变化来看，低槽（涡）型大风发生前与发生后，大多存在降温，温差在6 ℃以上偏多。低槽（涡）与高压系统型，大风发生前后降温不明显的情况最多，其次为温差在6 ℃以上。台风影响型，大多降温不明显。

从最高温度变化来看，低槽（涡）型大风发生前与发生后，大多存在6 ℃以上的降温，低槽（涡）与高压系统型最高温度也存在明显的降温。台风影响型，4 ℃以下的弱降温的情况最多，4~6 ℃降温和6 ℃以上降温的情况发生概率相当。

从最低温度变化来看，大风发生前后，低槽（涡）型4 ℃以下的弱降温和6 ℃以上的降温发生概率相当。低槽（涡）与高压系统型降温4 ℃以下和4~6 ℃的个例发生概率相当。台风影响型最低温度大多为4 ℃以下的弱降温。

台风影响型中，当平均温度变化在4 ℃以下时，其最低气温变化也在4 ℃以下，最高气温大多在4 ℃以下（有1 个例外），这些个例大多发生在8 月上中旬，副高强盛，重庆基础温度偏高，且北方没有明显强冷空气南下，所以温度变化不明显。当平均温度在4~6 ℃时，最高温度变化规律相同，最低温度变化均在6 ℃以下，其中3 个个例发生在7 月下旬、1个个例出现在6 月下旬。当平均温度变化在6 ℃以上时，最高温度变化规律相同，最低温度变化在4~6 ℃，平均温度变化最大的一次个例中（7.8 ℃），最高温度（9 ℃）、最低温度（6.4 ℃）变化也达到最大，这些个例出现在6、9 月，中高纬度的冷空气活跃，有冷空气南下，当台风影响时和冷空气配合，出现了温度变化明显的情况。

各类型中，大风发生前后，低槽（涡）型平均温度、最高温度存在明显降幅；低槽（涡）与高压系统型平均温度存在明显降温，最高温度降幅在4 ℃以上；台风影响型出现在8 月上中旬时，温度变化不明显；出现在7 月下旬时平均温度、最高温度变化不明显，最低温度有6 ℃以下的变化；出现在6 、9 月时多有冷空气配合，温度变化明显。

3.2 大风与降雨的关系

低槽（涡）型大风中，永川出现大雨以上量级的降水过程有18 次，约占67%。出现短时强降水有15 次，出现暴雨11 次，其中达到区域性暴雨3 次，达到大暴雨2 次（2010 年6 月19 日黄瓜山降水163.7 mm，2014 年 6 月 3 日朱沱降水 103.5 mm）。说明低槽（涡）型大风大多伴随有强降水，但也有少量个例为弱降水。

低槽（涡）与高压系统型中，出现大雨以上量级降水有12 次，约占57 %。出现短时强降水9 次，出现暴雨6 次，其中达到区域性暴雨2 次，达到大暴雨1 次（2015 年8 月7 日莲花石降水174.2 mm），出现弱降水6 次。

台风影响型中，出现的降水大多在中雨量级以上，大多伴有短时强降水（10 次），其中达到暴雨6次，达到区域性暴雨1 次，未出现大暴雨降水过程，只有1 次为弱降水。

各类型中，出现大风时，大多出现短时强降水和大雨量级以上降水天气，大暴雨过程出现在低槽（涡）型及低槽（涡）与高压系统型中，台风影响型以中雨到暴雨为主，且多为局地性强降水。

4 物理量统计分析

选取常用的热力和动力指数[5-9]分析大风发生时的热力、动力条件，包括抬升指数、K 指数、湿对流有效位能及大风指数。

4.1 抬升指数

抬升指数LI 反映了1 000 m 附近到500 hPa之间大气的层结稳定性，当LI＜0 ℃时，大气层结不稳定，且负值越小，不稳定程度越大。

低槽型中，沙坪坝站和宜宾站LI 指数同时表现为＜0 ℃的个例有 15 个（60 %），同时＜-2 ℃的个例较少（4 个），＜0 ℃的平均值分别为-2.4、-2.3 ℃。低槽（涡）与高压系统型中，同时表现＜0 ℃的个例有15个（71 %），两站 LI 指数大部分＜-3 ℃，平均值分别为-4.6、-4.0 ℃。台风影响型中，有 14 例（88 %），两站 LI 指数大部分＜-3 ℃，平均值分别为-4.6、-3.8 ℃（图 6）。

图6 各类型大风发生前LI 指数分布

LI＜0 ℃对低槽型具有指导意义，但相对其他两类指导意义偏低；LI＜-3 ℃对低槽（涡）与高压系统型、台风影响型具有指导意义，尤其是针对台风影响型。

4.2 K 指数

K 指数能够反映大气的层结稳定情况，K 指数越大，层结越不稳定。

低槽（涡）型中，沙坪坝站大风发生前K≥28 ℃有21 次，其中K≥35 ℃有 10 次，平均值为31.2 ℃；宜宾站 K≥31 ℃有24 次，其中K≥35 ℃有14 次，平均值为34.6 ℃。低槽（涡）与高压系统型中，沙坪坝站K 均在31 ℃以上，K≥35 ℃有17 次，平均值为 39.4 ℃；宜宾站 K≥30 ℃有 20 次，其中 K≥35 ℃有15 次，平均值为36.4 ℃。台风影响型中，沙坪坝站和宜宾站大风发生前K 指数偏高，沙坪坝站均在34 ℃以上，最大达到 47.3 ℃，平均值为 40.7 ℃；宜宾站K≥34 ℃有15 次，最大达44 ℃，平均值为38.5 ℃。

从K 指数集中分布情况来看（图7），低槽型，沙坪坝站K≥28 ℃、宜宾站K≥31 ℃具有指导意义。低槽（涡）与高压系统型，沙坪坝站K≥31 ℃、宜宾站K≥30 ℃。台风影响型，K 指数较其余两类偏高，K≥34 ℃具有指导意义。

4.3 湿对流有效位能

大气中的湿对流有效位能CAPE 是大气位能能够转换为动能的最大值，CAPE 值越大越有利于产生强对流。

低槽（涡）型中（图8），沙坪坝站大风发生前CAPE≤200 J/kg 的有 11 次，≥500 J/kg 的有 13次，≥1 000 J/kg 的有10 次；宜宾站CAPE≤200 J/kg的有 9 次，≥500 J/kg 的有 12 次，≥1 000 J/kg 的有8 次。低槽（涡）与高压系统型中，沙坪坝站CAPE≥1 000 J/kg 的有 17 次，≥2 000 J/kg 的有 9 次；宜宾站 CAPE≥600 J/kg 的有 13 次，≥1 000 J/kg 的有10 次，≥2 000 J/kg 的有6 次。台风影响型中，沙坪坝站 CAPE≥700 J/kg 的有14 次，≥2 000 J/kg 的有8次；宜宾站CAPE≥700 J/kg 的有10 次，≥2 000 J/kg的有6 次。

图8 各类型大风发生前CAPE 指数分布

从CAPE 指数集中分布情况来看，低槽（涡）型，CAPE 值较其他2 类普遍偏小，CAPE 值偏低与偏高的情况所占比例相当，指导意义偏弱。低槽（涡）与高压系统型，沙坪坝站CAPE≥1 000 J/kg、宜宾站≥700 J/kg 具有指导意义。台风影响型，CAPE≥700 J/kg 具有指导意义。

4.4 大风指数

大风指数与融化层的高度、融化层以下的温度直减率和水汽条件有关，反映环境大气产生强对流时能造成雷暴大风的强度，预报雷暴大风有较好的指示性。

低槽（涡）型（图9）中，沙坪坝站大风指数≥18 m/s的有22 例，宜宾站≥15 m/s 的有23 例。低槽（涡）与高压系统型中，沙坪坝站≥21 m/s 的有17 例，宜宾站≥20 m/s 的有15 例。台风影响型中，沙坪坝站≥18 m/s 的有 15 例，宜宾站≥18 m/s 的有 13 例。

图9 各类型大风发生前大风指数分布

各类型中，沙坪坝站大风指数平均值较宜宾站普遍偏高。从大风指数集中分布情况可知，低槽（涡）型大风指数沙坪坝站≥18 m/s、宜宾站≥15 m/s具有指导意义；低槽（涡）与高压系统型沙坪坝站≥21 m/s、宜宾站≥20 m/s 具有指导意义；台风影响型≥20 m/s 具有指导意义。

各类型大风发生前大多LI 指数＜0 ℃，低槽（涡）与高压系统型、台风影响型LI 指数≤-3 ℃具有指导意义。K 指数，低槽型阈值最低，台风影响型最高。CAPE 指数，低槽（涡）型较其他两类普遍偏小，偏低与偏高的情况所占比例相当，阈值较难确定，需要进一步分析。大风指数，低槽（涡）型大风指数较其余两类略偏小，低槽（涡）与高压系统型、台风影响型大风指数阈值≥20 m/s。对比沙坪坝站与宜宾站，LI 指数和K 指数相差不大，而沙坪坝站CAPE、大风指数较宜宾站偏高。

5 结论与讨论

利用常规气象资料，对2006—2017 年汛期（5—9 月）永川发生的64 次大风过程进行分析，得出以下结论：

（1）永川中部及偏北一带为大风易发区，平均每年约5.3 次，8 月出现最多，午后、傍晚和凌晨为大风易发时段，大风出现后持续时间多为1~2 h，偶有出现持续时间较长的大风过程，但此类偏少。

（2）大风天气环流配置类型主要为低槽（涡）型、低槽（涡）与高压系统型、台风影响型，其中低槽（涡）型、低槽（涡）与高压系统型占主导。

（3）大风发生前后，低槽（涡）型温度变化较其余2 类更明显，平均温度、最高温度大多存在6 ℃以上的降温。低槽（涡）与高压系统型平均温度弱降温与明显降温概率相当，最高温度降幅在4 ℃以上。台风影响型的温度变化规律与其出现的月份相关，且北方强冷空气南下时，温度变化明显。

（4）各类型大风，大多伴有短时强降水，累积雨量在大雨量级以上，大暴雨过程出现在低槽（涡）型及低槽（涡）与高压系统型中，台风型以中雨到暴雨、局地性强降水为主。

（5）LI 指数＜0 ℃对低槽型有指导意义，LI 指数＜-3 ℃对低槽（涡）与高压系统型、台风影响型有指导意义，尤其是针对台风影响型。低槽型沙坪坝站K≥28 ℃、宜宾站≥31 ℃具有指导意义；低槽（涡）与高压系统型，沙坪坝站K≥31 ℃、宜宾站≥30 ℃；台风影响型，K≥34 ℃。CAPE 指数，低槽（涡）型阈值不明显；低槽（涡）与高压系统型，沙坪坝站CAPE≥1 000 J/kg、宜宾站≥700 J/kg 具有指导意义；台风影响型，CAPE≥700 J/kg。低槽（涡）型大风指数沙坪坝站≥18 m/s、宜宾站≥15 m/s 具有指导意义；低槽（涡）与高压系统型大风指数沙坪坝站≥21 m/s、宜宾站≥20 m/s；台风影响型大风指数≥20 m/s。

大风天气环流形势与暴雨发生的环流形势有类似的部分，下一步工作需要对两者的不同进行对比分析，其结果更具预报意义。台风影响型，受到台风活动的影响，台风强度和路径预报较为复杂，这类大风预报存在一定难度，需要结合雷达和卫星云图，进行大风短临监测能更好地进行预报与气象服务。