保定春季极端大风天气过程诊断分析

王志超，徐义国，王亚婷，董疆南

(保定市气象局，河北 保定 071000)

大风是灾害性天气的一种，对工农业生产和人民生活影响很大。因此，大风天气的预报及机理研究受到气象工作者的广泛关注和重视。对于春季大风的成因，高梦竹等[1]发现较大的垂直风切变和干空气侵入易引起动量下传，使地面风速加强；马月枝等[2]研究表明冷锋前上升运动和高空急流入口区次级环流上升气流的叠加提供了深厚的垂直环流发展条件；孙建明等[3]揭示了高低层温度差动效应对大风预报的定量指示作用；王易等[4]认为强3h正变压引起的变压风是产生大风的主要原因。

1 过程概况

2020年3月18日傍晚前后保定地区出现西北大风天气，统计10min日最大风风速普遍为5级-8级，最大风速为徐水的19.4m/s；10min日极大风风速普遍达8级-11级，最大风速为安国的28.9m/s。其中安国、徐水极大风风速为该站20年极值，安国极大风风速为保定地区20年春季大风极值。安国站气象要素日变化曲线上，白天为偏西风，风速4级-5级，阵风6级-7级，气压下降，气温升至最高27.8℃，傍晚锋面过境转为西北风，3h变压11hPa，平均风8级，阵风达11级。大风过程中伴有扬沙天气，19时保定PM10浓度达1 117μg/m3。

2 环流演变

3月17日20时500hPa亚洲中纬度为两槽一脊型，东亚大槽与新疆北部的高压脊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南下形成-36℃的闭合冷中心，贝加尔湖短波槽加深，温度槽落后高度槽。20时高空槽下滑过程中继续加强，槽后冷平流明显，此时河北出现大风天气。之后高空槽继续东移入海，最终取代原东亚大槽的位置。850hPa上贝加尔湖南侧也有高空槽下滑加深，温度场上可以看到有温度脊向北伸展与高空槽反位相叠加，槽前后冷暖平流均比较明显。18日08时高空槽南下加强呈东北—西南向，保定处于槽前暖区控制，有利于白天的升温及气压下降，高压脊前冷空气南下，锋区加强压在40°N以北。20时高空槽加深南下，保定处于锋区控制出现大风天气，此时850hPa偏北风风速也在20m/s左右。

地面图上冷锋在40°N以北，冷高压中心值大于1 037.5hPa，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时河北东部形成中心值小于1 000hPa的低压中心，冷高压分裂南下，高低压对峙区位于河北北部。20时锋区影响保定，高低压对峙区也南压影响保定。锋面16时-17时影响保定，卫星云图上有锋面云带配合，锋后风速加大到10m/s左右，上游有弱降水，北京和山西北部地区出现扬沙天气。19时锋面移动到河北东部，保定平均风速增大到20m/s左右，大部分地区出现扬沙天气。可见大风速区出现在冷锋后部的锋区附近，扬沙区与大风速区一致。

3 物理量诊断分析

3.1 涡度分析

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300hPa附近。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400hPa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。

3.2 冷平流分析

温度平流场分析可以发现：850hPa等温线密集，温度梯度大，同时风速也较大，达到20m/s，风向与等温线夹角近90°，所以温度平流比较显著，有利于地面加压。从温度平流垂直剖面上看，垂直结构上形成了向后倾斜的冷平流柱，强冷平流向下伸展达到近地面层，同时低层冷平流又强于中层，大气为稳定层结，强冷平流有利于地面加压，是大风出现的重要原因。

3.3 散度和垂直速度

高空槽前中层辐合、高层辐散，有倾斜上升运动。槽后高层辐合，中层辐散，有下沉运动，有利于将高空槽后较高动量的冷空气向下传送，地面风力增大。

图2 2020年3月18日20时沿39°N散度和垂直速度剖面

冷锋锋区附近的下沉运动主要出现在对流层中下层，20时冷锋移动到118°E，后部风力没有达到最大，对应的下沉运动也不是很强。最强下沉运动出现在锋后114°E～116°E，下沉运动中心在700hPa～900hPa之间，对应的散度场上最强辐合中心在600hPa～700hPa，最强辐散中心在800hPa～地面。中层辐合、低层辐散的散度配置有利于强下沉运动的出现。同时散度场上也可以看到，地面附近强辐散区向前倾斜，说明下沉运动接地后转为水平方向，地面出现大风天气，此时速度场上也表现为近地层下沉运动有所减小。

3.4 地转风和变压风

3月18日下午地面图上冷高压中心稳定在内蒙古中部，与渤海低压形成西高东低的对峙形势，冷空气主要以偏西路径影响保定。由于太行山地形阻挡作用，冷空气逐渐在山前堆积，等压线密集，地转风在保定西部山区最大。3h变压中心自内蒙古东移经张家口、北京以偏北路径移向保定，中心值由+5hPa增至+11hPa，变压梯度在保定东部密集，变压风在此处最大。综合上述分析，本次大风过程由地转风、变压风二者共同影响，保定东部地区极值大风主要是变压风起主导作用。

图3 2020年3月18日20时地面气压、3h变压

4 历史个例对比

统计了近20年保定地区10min极大风极值，最大是对流性大风为2017年7月9日，风速35.1m/s，春秋季系统性大风最大为本次过程的28.9m/s。选取2010年3月20日春季大风为对比分析个例。“10.03.20”过程日最大风速17m/s，日极大风速阜平25.6m/s，满城为该站20年极值24.1m/s。比本次过程小一个量级。

两次过程形势对比分析，相同点在于500hPa受高空槽影响，西高东低形势，经向度大。不同点是“10.03.20”过程500hPa锋区偏南，风速偏大，影响保定地区是偏纬向环流。850hPa经向度都很大，锋区强，冷平流强。不同点在于“10.03.20”过程有闭合高低压中心，锋区主体偏南。地面均为西高东低形势，渤海低压强度相近，“10.03.20”过程冷高压势力强，河套附近中心值大于1 027.5hPa，保定地区等压线更密集，但是3h变压强度不如本次过程，所以极大值风速偏小。

5 结论与讨论

①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，将高空槽后较高动量的冷空气向下传送，产生大风天气。②中层辐合、低层辐散的散度配置有利于强下沉运动的出现。地面附近强辐散区向前倾斜，下沉运动接地后转为水平方向，对地面大风的出现有指示意义。③本次春季极端大风过程由地转风、变压风、动量下传等因素共同影响，保定东部极值大风主要是变压风起主导作用。④一些文献认为地转风与变压风风速之和接近地面10min平均风速值，但极大风速如何近似计算仍是业务难点。