冬春季动量下传引发浙江沿海灾害大风过程分析

杨亦萍，史珩瑜，刘力源，王丽娟

（1.浙江省台州市气象局，浙江 台州 318000；2.浙江省预警信息发布中心，浙江 杭州 310002；3.浙江仙居县气象局，浙江 仙居 317300）

1 引言

动量下传大风一般出现在冬春季，通常是在冷空气南下后，高空转偏北风控制。这类天气形势下浙江往往多为晴好天气，所以突发大风的可预报性差，灾害性强，是浙江冬春海上灾害大风预报的一个难点。前人对此也展开一些研究，孙建明等[1]认为高低层温度差动效应可作为大风预报的定量指示；曹美兰等[2-3]研究发现“晴天暴”大风是在西北急流下，急性型干冷锋快速东移南压，斜压不稳定大气位能向动能的剧烈转换造成的；王雷等[4-7]研究发现高低空较强冷平流和中低空辐合辐散环流引起的动力强迫下沉作用是造成强风的重要原因；吴海英等[8]对冷空气引发江苏近海强风分析发现温度平流和地面风场之间相互关联，冷平流增强了地面变压场及变压梯度是产生大风的重要原因；周后福等[9]从精细化观测安徽一次局地极端大风中发现，近地层的垂直风切变、降水粒子拖曳作用和近地层冷池密度流都是极端大风的重要成因；张琳娜等[10-11]研究发现中层动量和动能下传以及近地面动量和动能水平输送是影响地面大风的重要因素，平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用。数值预报对极端性和突发性大风的预报效果往往不佳，也是预报的一个难点。

2020 年4 月12 日傍晚到夜里，浙江北部及沿海地区有一次致灾性大风过程，出现9～11 级偏北大风，部分海域阵风达11～13级，最大风力为40.8 m/s，强度堪比台风级。此次强风过程自起风到出现极大风，时间短，突发性强，实况风力远超预期，造成了舟山海域渔船倾覆和多名船员死亡的重大海损事故。此类型冬春季突发性大风在浙江沿海地区比较少见，对其系统性的研究并不多。本文对此次突发性灾害大风过程做重点分析，主要分析实况演变、天气形势变化和致灾原因；对比分析多个典型的相似个例，从形势场要素分析量化，并提出一个浙北高空冷涡底动量下传大风的预报模型，为此类过程提供一定的预报参考，这对今后预报和防灾减灾工作有重要意义。

2 4月12日灾害性大风过程分析

2.1 数据资料和演变过程

本文所用数据资料包括：美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction ，NCEP）逐6h 的全球分析资料（Final Operational Global Analysis）；MICAPS（Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System）常规形势场、探空和物理量实况资料；浙江省常规气象观测实况资料；美国怀俄明大学（University of Wyoming）历史探空数据。

2020 年4 月12 日下午高空冷涡南压触发对流，回波自江苏北部南压发展，江苏出现8～9 级大风，18 时（北京时，下同）前后对流靠近江浙沪交界，强度继续增强；18—23 时是本次强雷暴大风的最强时段（见图1），强回波东移入海增强，浙北及其沿海地区风力迅速增强，出现11～13 级阵风，浙江大风过程持续近3 h，由于水汽条件差，过程降水偏弱，但灾害性大风显著，下文对本次强大风过程具体分析。

图1 2020年4月12日灾害大风过程的演变Fig.1 The evolution of the disastrous gale on April 12，2020

2.2 天气过程形势分析

从环流型势上看，4月11日20时500 hPa中高纬贝加尔湖附近暖脊发展（见图2a），华北有横槽，江淮为偏西气流控制，温度脊略落后于高度脊，脊前有冷平流补充，有利于横槽向南加深。12日08时横槽快速转竖（见图2b），槽底加深到福建中南部，冷涡中心南压到朝鲜半岛，高空转西北急流控制，浙江北部处于急流轴左侧，有一定的高空辐散条件；槽底疏散槽，有利冷涡快速南掉，冷涡中心南压到30°～35°N。高空槽的形状及强度对于预报动量下传大风具有较大的意义[12]，而本次致灾大风发生在横槽快速转竖冷涡南掉期间。

图2 2020年4月11—12日500 hPa高空形势场（黑：等高线，红：等温线）Fig.2 The synoptic situation from April 11 to 12，2020 at 500 hPa（Black line：contour；red line：isotherm）

从低层到地面形势场看，过程前1 d（11 日20时）冷锋已南压到浙南福建一带，冷空气主体已南下，地面冷高压控制，天况转好。但当天下午到夜里低层冷平流转为弱暖平流（见图3），高空冷平流维持，呈上冷下暖结构，层结不稳定性加强。另外，通常冷空气主体过后，大气层水汽条件都较差，对流不易发展，但水汽分析发现12 日08—20 时，冷空气从东路经渤海往西南方南下扩散，裹挟海上水汽，给华东沿海带来的一定水汽，低层湿度转好（见图4），低层湿度突增加大不稳定，有利于本次灾害性大风产生。

图3 4月12日下午14时高低空温度平流场Fig.3 The temperature advection field at 14：00 on April 12

图4 4月12日浙北低层水汽通量散度（矢量为1000 hPa流场，填色图为1000 hPa水汽通量散度）Fig.4 The low-altitude water vapor flux divergence in northern Zhejiang on April 12（The vector is flow field at 1000 hPa，and the shadow is water vapor flux divergence at 1000 hPa）

2.3 灾害性大风成因分析

2.3.1 深厚的垂直风切变

从4 月12 日08 时杭州站探空图可知（见图5），探空曲线呈上干下湿的喇叭口形状，湿区集中在700 hPa以下；0～6 km垂直风切变为23 m/s，达强垂直风切变，到20 时对流发展，强垂直风切变维持。从探空相对风暴螺旋度（Storm-Relatiue Helicity，SRH）指数来看，一般当SRH>120 时，发生强对流可能性极大，而20 时杭州站探空SRH 值达383，此过程具备强垂直不稳定层结，低层有浅薄湿区，深厚的垂直不稳定条件，有利于对流性大风天气发生。

图5 杭州站4月12日08时探空图Fig.5 Sounding figure of Hangzhou station at 8：00 on April 12

2.3.2 显著的下沉运动

从高空垂直分布时序图可知（见图6），杭州站200 hPa 高 度12 日08 时风速为48 m/s，而中 低 层700～925 hPa 风速只有14～17 m/s，到20 时200～500 hPa 风速减小，而中低层到地面速度快速增大。高层速度减小，中低层增大，高低空动能发生快速转换，会引起高空动量向下传递。

图6 杭州站4月11日08时—13日08时垂直风场时序图（a）和4月12日08—20时200～925 hPa风速变化（b）Fig.6 Sequence diagram of vertical wind field at Hangzhou Station from 8：00 on April 11 to 8：00 on April 13（a）and variation of wind speed from 200 to 925 hPa at Hangzhou station from 8：00 to 20：00 on April 12（b）

高空涡度平流变化是大风发展的重要的动力因子[13]，而本次过程的涡度平流随高度变化也有所体现，20 时浙北地区（29.8°～30.5°N）500 hPa 转为负涡度平流，850 hPa 以下为弱的正涡度平流（见图7）。ω方程[14]中：

图7 12日20时沿121.5°E涡度平流剖面（a）和流场剖面（b）Fig.7 Profile of vorticity advection（a）and flow field（b）along 121.5°E at 20：00 on April 12

式中，右端第一项为涡度平流随高度变化项，当涡度平流随高度减小时，有下沉运动（ω＞0）。在此过程中该区出现下沉运动。另外，从121.5°E 的流场剖面图上也可以看到20 时浙北700 hPa到地面有明显的下沉运动。

2.3.3 高低空温度平流的快速更替

本次过程中一个显著特征就是温度平流快速置换，而温度平流的快速变化也可能是大风形成的一个重要原因[1]。分析温度平流垂直剖面可知（见图8），4 月12 日08 时浙北（30°N）上游500 hPa 上有显著冷平流，而对应低层850 hPa 为暖平流，整层为偏北风，上冷下暖的温度平流使其存在明显的高低空温度差动平流。

图8 大风过程前后浙北地区沿120°E温度平流剖面的演变Fig.8 Variation of temperature advection profile along 120°E in northern Zhejiang

大风发生当晚高空500 hPa 偏北风使冷平流不断向下扩散，高空强锋区伴随下沉运动往下传递，中层冷平流加强，出现明显的温度锋增压，850 hPa暖平流减弱并逐渐被冷平流取代，低层出现一个显著的冷暖平流中心对，锋区下沉，地面气压快速增大，使地面风速猛增，这种强烈的温度平流更替非常有利于大风产生。

2.3.4 高低空耦合与冷空气挟卷相互作用

本次过程高空呈后倾槽结构，强风发生当日08时，苏南到浙北高空为辐散场，低层为弱辐合场，弱天气强迫触发对流。随着高空槽转竖东移，对流回波发展加强，到20时低层辐合和高空辐散的耦合结构变得更加显著（见图9），上升运动加强，对流发展增强，此时近地层有补充南下的干冷空气卷入。在这种高低空耦合散度场的配置下，当有冷空气挟卷时，强对流云团因干冷空气进入降水拖曳的下沉区，水汽加速蒸发，下沉气流的负浮力增强，产生动量下传大风的动能增大，将中高层强动量向低层和地面传递，从而产生爆发性大风。

图9 4月12日20时散度场Fig.9 Divergence field at 20：00 on April 12

2.3.5 成因小结

上述分析表明，4 月12 日的灾害性大风过程是在高空冷涡底部弱天气强迫背景下，强冷空气主体南下，弱冷空气补充时发生的。原因是多方面的：上干下湿垂直结构、深厚垂直风切变的维持和一定的垂直速度都有利于不稳定层结的发展和维持；高低空温度平流的快速更替和高低空辐合辐散场耦合结构增强了对流发展的动力条件；冷空气挟卷作用又促进强对流云团中下沉负浮力增强，从而加强动量下传，促进过程的发生。

3 浙江冬春季冷涡底部爆发性大风预报分析着眼点

一般动量下传引发的大风在浙江沿海较少且具有突发性和强破坏性。为更好地预报此类大风，本文选取近年较典型的个例（1992 年2 月23 日、1995 年11 月7 日、2001 年1 月28 日、2004 年12 月30日和2020 年4 月12 日）做共性分析，从过程发生的季节、时间、形势特征的演变、高空冷中心强度、急流强度、垂直风切变强度及持续时间（以杭州站和上海宝山站为参考点）和24 h 地面变高几个方面做共性分析研究，并提出一个天气模型供预报参考（见图10）。

图10 浙江冬春季爆发性大风的天气模型Fig.10 The weather model of sudden gale in Zhejiang in winter and spring

浙江冬春爆发性大风的基本天气模型特征如下：

（1）一般发生在冬春季节，有多股冷空气活跃时期，高空冷中心维持，强度平均达-40 ℃。

（2）东北亚中高纬地区为“一槽一脊”的环流形势，且槽脊呈东北-西南向，等压线密度大且每10个纬度有8～9条等压线，高空锋区较强。通常有横槽快速转竖，槽迅速向南加深或冷涡快速南掉，槽底位置达30°N以南，甚至到25°N。

（3）存在中心风速达46 m/s以上的高空急流。

（4）存在深厚的垂直风切变：0～6 km 高度达强垂直风切变，杭州站可达26 m/s，上海宝山站可达24 m/s，0～3 km高度可达中等强度，即12 m/s；高低空有强温度差动平流区配合。

另外，本文对形势场多要素与过程极大风做相关性分析，选取急流强度、冷中心强度和杭州站与上海站高空垂直风速变化作为主要因子。结果发现，杭州站0～6 km 垂直风速变化相关性较为显著，当其配合有利的环流形势时，可以将其作为预报动量下传大风的一个重要参考指标，其他因子相关性较差。

4 小结与思考

本文对2020 年4 月12 日浙江沿海一次高空冷涡底部动量下传引起的破坏性大风过程进行形势演变和成因分析，并分析了此类预报性差的多个典型个例，提出浙江冬春季爆发性大风的基本天气模型。结果表明：

（1）4月12日的灾害性大风发生在强冷空气南下后，是在新冷空气补充、强垂直风切变、一定的垂直速度、高低空温度平流的快速更替以及高低空辐合辐散场配合冷空气挟卷多因素共同作用下发生的。

（2）此类天气一般发生在冬春冷空气活跃时，特别是冷空气补充南下时，高空冷中心强度可达-40 ℃；中高纬呈“一槽一脊”环流形势，高空槽等压线密集，平均每10 个纬度有8～9 条等压线；横槽快速转竖，槽底可达30°N 甚至更南；高空急流强度强，中心风速达46 m/s以上；存在深厚的垂直风切变；存在强的高低空温度差动平流。

日常预报中，此类过程发生前地面常常已经转北风控制，湿度转差，天气转好，故此类大风往往容易被预报员忽略或低估。本文提出的基本天气模型可在日常预报中作为参考，结合天气实况开展分析，以提高预报的及时性和有效性。