天津地区一次冷锋后大风过程特征及成因分析

李静楠，张丽萍，王璐瑶

（天津市宁河区气象局 天津 301500）

冷锋影响下的偏北大风是冬、春季的主要灾害性天气之一，影响范围广、危害性强，对农业、电力、通讯、航运等造成严重影响，给城市居民生产、生活带来诸多不便。近年来在其形成机理[1-4]、地形影响[5-7]、数值模拟和预报[8-10]等方已有大量分析研究，表明冷锋后部出现大风的原因主要是锋后有强冷空气的活动[11]。天津地处华北平原东部、濒临渤海，冷锋后大风是最常见的灾害性天气之一。由于渤海受冷空气影响而出现大风的频次较高，目前针对冷锋影响下的海上大风研究取得了很多有意义的成果[12-15]，但是对于陆地大风的讨论较少。

2018年2月10—11日天津遭遇了一次冷锋后大风过程，其强度大、持续时间长，致使多地出现了较严重的灾情。本文利用常规观测资料、FNL逐6h 1°×1°全球再分析资料，对本次大风天气的特征和成因进行了分析，以期掌握此类天气预报着眼点，为冬、春季冷锋大风的预报预警提供参考。

1 天气实况及地面气象要素特征

2018年2月10—11日受较强冷空气影响，天津市东北部出现了大风天气，并伴有明显降温。根据天津各国家气象观测站记载，本次大风过程平均风力超过7级的时间长达19h，期间风速有2次波动：10日10时天津北部开始出现大风，最大风力达9级（宁河站，21.9m/s），17时以后风速减小；11日08时天津东部风速再次增大，最大风力达8级（宁河站，18.4m/s），18时以后风速减小。

图1为2月9日20时至11日20时宁河地面自动站逐小时资料。9日夜间气温骤降至-12.1℃，10日 14时气温回升至当日最高值-1.8℃，到夜间降至 -8.0℃；11日升温缓慢，16时达到最高值-2.8℃。气压的变化则与气温相反，9日夜间迅速升高，10日 02时达到第1个峰值1030.8hPa，15时降至1027.2hPa，20～21时达到第2个峰值1028.7hPa；11日白天气压呈波动下降的趋势，最低值为1025.2hPa。2min平均风速呈现出明显的波动特征，10日白天风速加大，从09时的5.4m/s增大到13时的12.4m/s，极大风速21.9m/s出现在12时21分，夜间风速下降；11日08时风速再次加大，14时平均风速上升到11.5m/s，14时24分极大风速达18.4m/s。10日—11日水汽压的变化不大，最大值为 10日07时的1.2hPa，最小值出现在10日下午，为0.6hPa。

图1 2018年2月9日20时—11日20时宁河地面自动站气温、2min平均风速、水汽压和气压变化Fig.1 Variations of air temperature，2-minute average wind speed，vapor pressure and air pressure at Ninghe ground auto- matic station from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018

2 天气形势分析

2.1 强冷空气的形成和堆积

2018年2月9日前，500hPa上极涡南伸到东亚中高纬，其后部有一横槽向蒙古国伸展，极涡低槽后部的强冷平流引导冷空气在贝加尔湖南部堆积，低槽中心出现-48℃冷温度中心，同时乌拉尔山附近的暖脊不断加强北抬。9日14时，500hPa横槽和冷中心已经南压至我国河套以北地区；700hPa自黑龙江北部到河北北部存在一东北—西南向槽，附近有密集的锋区堆积和冷中心配合；850hPa在黑龙江北部有一冷涡，伴随有一槽经渤海湾向山东中部延伸。可见本次过程的影响系统表现出后倾特征，强冷空气已经形成和堆积，稳定发展并缓慢东移南压。

2.2 高空横槽转竖

10日上午500hPa高空槽移动到河北西北部地区，该槽稳定维持并缓慢向东发展，天津持续受槽前偏西气流影响；9日夜间至10日白天700hPa槽自北向南经过天津，在此期间天津东北部出现7级西北风，12时达到第1次极大风速峰值，10日17时随700hPa槽移出，全市风速逐渐减弱，10日夜间500hPa横槽快速转竖并移至天津北部；11日08时横槽完全转竖，700、850hPa低槽不断向东延伸，槽后不断有来自北方的强冷空气向南积压，11日早晨至18时，全市持续有5～6级的西北风，14时达到第2次极大风速峰值，500hPa高空槽过境后全市风速趋于减弱。可见两次风速的峰值分别出现在700hPa槽线过境、500hPa横槽转竖过境的时段。

2.3 地面冷高压强大

9日14时位于蒙古国西部的地面冷高压中心强度已达到1060hPa，其前部等压线密集，地面冷锋已到达我国华北地区，天津位于3h正变压中心附近，到20时24h的变压达到10.2hPa；10日08时地面冷锋经天津东移入海，高压中心移至青海北部，与冷锋前低压系统形成了明显的西高东低的形势场，该形势场在10日—11日一直维持，天津正位于气压梯度密集带中。10日白天高压系统中心强度维持在1044hPa左右，海上低值中心气压值逐次下降，11～14时天津的气压梯度在达到最大；11日上午冷高压依然维持在青海北部，11时中心强度增强，与宁河站（1026.5hPa）间的气压梯度达18.5hPa/8纬距，较好对应了2次风速加大的时间。

3 物理量特征分析

3.1 变压梯度

强变压梯度导致地转偏差加大，水平方向上加速度增强，因此变压梯度最大区最易出现强风。图2分别是9日20时、10日02时、11日08时6h变压场和地面风场分布图。9日20时，地面冷高压前部正变压中心位于北京东部，中心值为7.4hPa，天津北部处于此变压梯度大值区东南侧的变压梯度密集带内； 10日02时正变压中心向东南移至渤海且中心值减弱，变压梯度也有所减弱，可见正变压中心强度及变压梯度的空间分布与10日大风落区有较好的对应，且比风速极值出现时间提前约12h；11日08时受补充冷空气的影响，在河北西南部出现了强度为1.6hPa的正变压中心，与山东北部负变压中心的变压差达4.2hPa，变压梯度的再次增强导致6h后强风出现。由于变压中心强度和变压梯度都比第一次要弱，且正负变压中心位置偏南，11日风速比第一次弱。 分析发现，地面冷锋及其后强盛的冷高压使近地面出现较大的6h正变压中心并东移南下，导致近地面出现强风。变压梯度密集带呈东北—西南向分布，其时空演变与地面风速的波动密切相关。大风区位于变压梯度密集带前部，正变压中心越强、变压梯度越大，地面风速越大，风速极值出现在变压中心强度及变压梯度达到最强后的6～12h。

图2 变压场（单位：hPa）和地面风场（风向杆，单位：m/s）分布Fig.2 Distribution of 6-hour allobaric field（unit：hPa）and surface wind field（barb，unit：m/s）

3.2 冷平流

9日08时500hPa受槽前西南气流的影响，存在弱的暖平流，低层在850hPa西北气流、700hPa偏西气流的作用下，为弱而浅薄的冷空气，20时400hPa以下均为冷平流，冷中心位于北京西部到天津北部；10日系统东移南下，天津上空的冷空气逐渐增强、温度梯度加大，08时500hPa、850hPa冷中心移至天津东南方向的渤海上，700hPa冷平流最强处位于蓟州、宁河一带，中心值达到-4×10-4K/s。10日白天宁河出现第1次风速峰值，对应该区最靠近500、700hPa冷平流中心，20时中层冷平流明显减弱，850hPa转为暖平流，风速下降；11日08时冷空气补充南下，槽后冷平流重新加强，700hPa冷中心强度 -8×10-4K/s，位于华北西南部，受其东移北上影响， 11日上午出现第2次风速峰值，但冷中心位于河北西南部，其在天津的强度较10日弱，极大风速小于10日，14时以后各层逐渐转为暖平流，大风过程 结束。

图3 为沿117.85°E所作的10日08时、11日 02时温度平流的垂直剖面图。10日02时冷中心位于河北北部（42°N）高层 300hPa，中心强度 -7×10-4K/s，08时冷平流区向南扩展延伸到河北南部，并形成了从高层到低层的温度平流通道，500hPa附近温度平流中心强度达到-7×10-4K/s，冷空气通过此通道自北向南、自上向下传输，引起天津冷平流 加强、风速加大，14时500hPa冷平流中心继续南移，天津地区冷平流减弱、风速减小；11日02时，河北北部（42°N）又出现强冷平流南移，中心强度-9×10-4K/s，但平流向低层的传输路径偏南，天津地区冷平流中心强度和梯度都比10日弱，对应风速极值较10日小。

图3 温度平流沿117.85°E的垂直剖面（单位10-4K/s）Fig.3 Vertical cross section of temperature advection along 117.85°E（unit：10-4K/s）

分析表明，强盛的冷平流对地面风场发展起到了关键作用。大风发生前存在暖平流，当冷空气南下，冷暖空气交汇使锋区加强，导致风速增大；大风发生期间，冷平流强度及梯度的时空分布与大风的出现和维持有较好的对应，冷中心强度越强、越靠近500、700hPa冷中心的地区风速越大。自高层向低层形成了自北向南的冷空气传输通道，冷空气从高层向低层的传输使低层冷平流的强度增强、梯度增大，导致地面风速增大。

3.3 动量下传

9日20时—11日20时200hPa高空急流、700hPa风场以及沿117.85°E流场的垂直分布如图4所示，可以发现9日20时天津（39°N）800hPa以下已存在弱下沉气流，10日08时200hPa在30°N附 近存在一支西风急流，天津位于急流入口区，风速达到60m/s以上，高空产生辐合下沉运动，天津在700hPa风速为20～24m/s；分析沿117.85°E的流场剖面，高空急流轴及其以北地区在700hPa高度以下出现了明显的下沉气流，天津600hPa高度以下均为下沉运动；34°N以南地区位于700hPa槽前，850～600hPa为上升气流，随700hPa低槽移近天津，槽前弱上升运动与850hPa槽后下沉运动相叠加形成锋生[14]，动量下传和锋生共同作用引起地面风速增加，在正午前后达到10日风速峰值；20时200hPa西风急流仍然以80m/s的风速维持在30°N附近，天津的风速减弱至50m/s，中低层风速明显减小，垂直方向仅存在弱的倾斜下沉气流，动量下传已不明显。11日08时，西风急流北抬，天津200hPa的风速维持在50m/s，但随500hPa横槽转竖并迅速过境，天津上空的下沉气流增强，中低层风速增大，700hPa风速增大到18m/s以上；14时天津200hPa风速减小到45m/s，500hPa高度层以上为水平运动，其下为一致的下沉气流，中低层风速加大，说明高空动量明显下传，14时后达到11日风速峰值；20时西风急流移入东海，天津位于急流出口区，下沉气流减弱，陆地大风过程趋于结束。

图5为宁河站（39.38°N，117.85°E）整层风场演变时序图。从高层风场来看，10日08时300hPa风速达到72m/s以上，随后高空风速逐渐减弱，11日20时风速为44m/s。分析中层发现，10日08时600～400hPa高度层由偏西风转为西北风，08～20时风速逐渐减小，11日02时全风速略增加后，至20时风速持续减小。低层的风速呈现出明显的波动特征，与地面风速波动特征具有反相位分布：从16m/s等风 速线的分布明显看出，10日—11日风速分别出现2次减小和2次增大的过程，其中10日10～14时、11日02～14时低层风速明显减小，与地面风速增大的时段有极好的对应，表明高层风速经中低层传输到近地面，使地面风加大。

图5 2018年2月9日20时—11日20时宁河站（39.38°N，117.85°E）风场时间剖面图（实线为全风速，单位：m/s）Fig.5 Wind field time profile of Ninghe Station（39.38°N，117.85°E）from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018（the solid line is total wind speed，unit：m/s）

大风期间天津处于200hPa西风急流入口区，陆地大风的出现及风速的波动与高空辐合下沉运动有关，高空下沉气流越强，地面风速越大。动量下传对大风的维持起了重要作用，地面风速波动增大的过程对应上层风速减小的过程，10日同时伴有锋生现象导致地面风增强，达到了整个过程的风速最大值。

4 结论

本次大风过程的影响系统为较明显的后倾槽，移动缓慢、稳定发展。来自贝加尔湖以南的冷空气在高空槽的作用下东移南压，横槽转竖又使得强冷空气进一步向南爆发。两次风速峰值分别出现在700hPa槽线过境以及500hPa横槽转竖、过境的时段。地面维持西高东低的气压场形势，冷锋后冷高压强大且稳定，使近地面出现较大的正变压中心，强气压梯度为大风的产生提供了根本动力。

地面变压梯度大值区和密集带呈东北—西南向分布，风速大值区位于变压梯度密集带的前部，6h正变压中心增强、变压梯度增大，引起地面风速增大；风速极值出现在变压中心强度及变压梯度达到最强后的6～12h。地面大风与冷平流在水平和垂直方向的强度和梯度分布有关，冷平流越深厚、强度越强、梯度越大，越利于大风的出现；自高层向中低层建立起冷空气传输通道，高层冷空气下传加大了低层冷平流的强度和梯度，使地面风速达到峰值。大风期间天津处于200hPa西风急流入口区，高空辐合下沉运动造成动量下传也是导致大风维持及风速波动的重要原因。

第1次风速极值高于第2次，这是由于第1次天津6h正变压中心、高空冷平流的强度和梯度更强，且更靠近正变压中心和500、700hPa冷平流中心；此外，大风发生前存在暖平流，冷空气南下引起冷暖空气交汇使锋区加强，动量下传并伴有锋生现象致使风速达到了整个过程的最大值。