杭州萧山机场一次寒潮降温大风天气过程分析

2021-11-08刘伟东史佩剑

浙江气象 2021年3期

刘伟东史佩剑

(中国民航华东地区空中交通管理局浙江分局,浙江杭州 311207)

0 引言

寒潮是一种大范围的强冷空气活动过程,主要特点是剧烈降温和大风,有时伴有雨、雪、雨凇和霜冻等。寒潮大风的风速和风向对进场、离场航空器的起飞爬升、着陆以及着陆滑跑时的姿态、速度的保持产生很大影响。当风的不连续造成切变严重时，会引起飞行事故,寒潮大风是冬季航班延误甚至关闭机场的重要原因之一。据统计[1],美国1993年共有180起飞行事故与各种风有关,其中38起飞行事故造成人员死亡或严重受伤,25架飞机毁坏,138架飞机实质性损坏[2]。

近年来,众多专家学者利用散度场的变化研究寒潮大风天气,得到了不少研究成果。许爱华等[3]对2005年3月一次寒潮天气过程分析指出，700 hPa冷暖空气强烈辐合和200 hPa冷暖空气强烈辐散是寒潮降雪有利的动力条件。周之栩[4]在对2012年和2013年浙江两次冷锋过境引起的大风天气过程的分析中指出，在大风天气过程中，中低层散度呈现最低层辐散值最大、层次越高越趋于辐合的特点。马月枝等[5]在对2009年河南新乡大风天气过程分析中指出，大风区域与低空辐合区、高空辐散区存在非常好的对应关系。

2020年12月29日下午至31日,受北方横槽转竖东移的影响,浙江出现强寒潮天气过程,24 h过程降温15 ℃。29日下午开始到前半夜出现长时间大于15 m/s的西北风,因侧风超过15 m/s的起降标准而停止飞机起降1 h左右,造成20架次航班备降外场,3架次航班复飞。该次寒潮天气过程的特点是雨雪量小、降温幅度大、风速大且持续时间较长,其风速之大在历史同期罕见。浙江空中交通管理局气象台预报员经过审慎分析,提前6 h准确预报了寒潮过境及大风降温的时间和强度,避免了大量航班延误,为航空运行提供了强有力的技术支撑。

本文利用NECP1°×1°的6 h分析资料、常规观测资料等,采用天气动力学诊断分析方法,对该次寒潮天气过程的大尺度环流背景、影响系统以及物理量场进行分析,着重分析寒潮降温和大风的成因,为冬春季寒潮降温大风的实时民航气象预报业务提供参考依据,提升民航业的防风减灾能力。

1 天气过程实况

1.1 温度实况

图1为杭州萧山机场2020年12月29日08时—31日08时逐时温度演变图。杭州萧山机场2020年12月29日上午气温回暖明显,最高气温为13 ℃,下午开始受冷空气影响，气温逐渐下降,30日早晨最低气温为-2 ℃。从29日08时到30日08时24 h气温下降了15 ℃,31日早晨最低气温为-5 ℃,从29日08时到31日08时48 h气温下降了18 ℃。由降温幅度可知，该次冷空气过程已经达到寒潮标准。

图1 杭州萧山机场2020年12月29日08时—31日08时逐时温度演变图

1.2 大风实况

12月29日10时之前萧山机场风向为西南风,风速为2～5 m/s,10时之后风向转为偏西风至西北风,风速在10—14时为5～10 m/s,说明已经有冷空气前锋渗透,14—16时风速为8～15 m/s,16—18时西北风风速为10～21 m/s,已经超过侧风最大15 m/s的起降标准,严重影响飞机起降。18时之后风速逐渐减小,基本为6～15 m/s,机场恢复正常运营。

1.3 雨雪实况

12月29日13时30分萧山机场开始出现小雨天气,16时50分转为小雨夹雪,20时45分转为小雪,30日1时25分雪止。在整个降水过程中雨雪强度偏弱,雨雪对飞机起降的影响较小。

2 大尺度环流背景和影响系统

2.1 冷空气的形成和聚积

寒潮能否爆发与冷空气的形成和堆积程度有密切关系。12月26日08时,形势场上500 hPa在乌拉尔山地区阻高开始逐渐形成,阻高东侧及贝加尔湖以北有一东西向的横槽,并有-48 ℃的冷中心配合。27日08时,阻高脊后有暖平流北上,暖平流促使高压脊继续加强，并向东北方向移动,脊前的偏北气流也随之加强,不断引导极地冷空气南压,此时东西向的横槽已经南压至贝加尔湖附近,-48 ℃的冷中心匹配于贝加尔湖上空,在贝加尔湖附近的横槽内聚积成一股极寒冷空气。700 hPa和850 hPa冷温度中心值已降至-32 ℃以下,锋区位于蒙古高原,锋区强度达到20 ℃·(5纬距)-1。地面西伯利亚中南部的冷高压范围不断扩大,强度明显增强,高压中心值增至1050 hPa。28日08时,冷空气前锋已经到达太行山以北以西,冷高压中心位于蒙古高原,其中心值已增至1075 hPa,这在近几年极为少见。500～850 hPa高空横槽、地面冷锋和蒙古高压是该次寒潮主要的影响系统。

2.2 冷空气的爆发

12月28日08时,乌拉尔山上空有一短波槽沿高纬东移,使乌拉尔山东部的阻高向东北方向移动,到了28日20时,乌拉尔山阻高和北极暖高打通,迫使西伯利亚冷空气主力向南移动,进入蒙古高原,此时贝加尔湖高压脊前横槽南压,槽前形成正涡度平流和冷平流产生负变高;横槽后部东北气流转为西北气流，出现暖平流的正变高,预示着横槽将要转竖。29日下午起横槽逐渐转竖,引导西伯利亚强冷空气向南迅速爆发。另外,28—29日中心位于中南半岛上空的副热带高压,略有北抬,使得南支槽缓慢东移并减弱,造成水汽减少,同时寒潮实力强、速度快,形成该次寒潮天气降温幅度大、风速大、雨雪少的特点。

2.3 冷空气影响的结束

12月30日,乌拉尔山东部的小槽沿高纬继续东移形成低涡,阻高继续减弱,横槽转竖东移至朝鲜半岛东海一线,31日乌拉尔山东部的低涡继续向东向南加深,导致阻高一分为二,横槽转竖东移至日本,至此东亚大槽经历了一次重建。2021年1月2日,强冷空气对我国的影响结束。

3 强降温形成的原因

温度的变化主要取决于温度平流和非绝热因子的作用。在该次寒潮天气过程中,有大范围的锋面云存在,太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化较小,在前期的降雪过程中，水汽的凝结和蒸发使温度有所下降,但气温骤降主要是由强冷平流引起的,故在此只讨论850 hPa冷平流的演变情况。

由12月29日08时—12月30日02时850 hPa温度平流可知,与横槽相对应，在华北地区出现了东西向的带状冷平流区,中心位于京津冀一带，中心值为-40×10-5℃·s-1,表明冷空气非常强。29日14时,在横槽转竖前,东西带状冷平流区转为东东北—西西南走向,强冷平流中心南移至山东半岛,中心值为-40×10-5℃·s-1。6 h后横槽转竖,引导强冷空气南下,强冷平流区从朝鲜半岛扩大到华南地区,呈东北—西南走向,强冷平流中心南移至江苏及黄海上,中心值为-40×10-5℃·s-1。30日02时,强冷平流区继续南压扩大,中心南压东移至东海洋面上,中心值达到-60×10-5℃·s-1。受该次寒潮降温天气影响，杭州萧山机场48 h降温18 ℃。中低层强盛冷平流的发展及移动是此次大范围寒潮天气的触发机制,同时也预示着高空冷空气的强度和移动方向。

4 强风形成的原因

4.1 强冷平流的作用

温度平流与地面风场是通过变压场相互关联的。强冷平流不仅会造成气温骤降,还会使地面正变压场加强、地面变压梯度和气压梯度增大,促使地面风场发展;冷平流越强,出现的风力越大,在该次寒潮天气过程中情况也是如此。12月29日下午到前半夜,强盛的冷平流使得长江中下游地区的变压梯度达到了20～25 hPa/10个经纬距,出现了6～8级的偏北风。从萧山机场自动观测系统测得的2 min风速可知,此次寒潮天气过程杭州萧山机场风速最强的时段(即6级以上风力覆盖范围最大的时段)为12月29日14—20时,20时之后虽然冷平流中心值为-40×10-5℃·s-1,但风力却呈减小的趋势。究其原因,除与冷平流侵入有关外,还与高低空散度场的配置密切相关。

4.2 散度场

强风发生前12月29日08时850～500 hPa表现为后倾槽,即低层850 hPa和700 hPa槽线超前于500 hPa槽线,850～500 hPa槽线分别于29日20时前、29日半夜前后和30日早晨经过杭州地区。这种后倾槽的结构与寒潮强风出现时前倾槽的结构有很大不同。当槽线系统结构从低层到高层倾斜度接近于垂直或前倾时,冷空气往往有一个爆发性下冲的过程,造成的地面风力很大。而这次在后倾槽结构下出现的猛烈强风与后倾槽的散度场特征密切相关。在最大强风发生时的12月29日傍晚,杭州地区低层850 hPa及以下各层，由29日14时的散度为零快速转为29日20时的槽后辐散,低层杭州地区正好处于辐散中心附近,其中925 hPa辐散中心值大于1×10-5/s。中层700 hPa维持槽前的散度辐合,29日14—20时杭州地区辐合值维持在-0.5×10-5/s,其辐合中心从豫鲁南部苏皖北部东移到东海上,浙北地区处于辐合中心的南侧。高层500 hPa在29日14时为槽前的较弱散度辐合,但是到了29日20时转为较强的散度辐散,且辐散中心位于杭州上空,辐散中心值为1×10-5/s。29日下午到傍晚，浙北地区上空是低层辐散、中高层辐合的槽线垂直结构,这意味着在500～925 hPa存在一支动力强迫下沉气流,其高低层相对散度(高低层散度之差)越大,强迫导致的下沉气流越强。这支下沉气流将中下层西北急流的动量下传到近地面层,在地面形成强风区。29日20点前后,高层500 hPa浙北地区由散度辐合转为散度辐散,使得高空动力强迫强度减弱,高低层相对散度减小,强迫的下沉气流也减小,地面风速也呈减小趋势。