段中夏

（新鄉(xiāng)市氣象局，新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

由強冷空氣造成的春季大風是河南的主要災(zāi)害性天氣之一，不僅對電力、通信設(shè)施及高層建筑施工等方面造成威脅，還給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來嚴重影響。長期以來， 由于大風的強危害性和頻發(fā)性，對春季大風成因的研究一直成為熱點問題。Streten[1]認為大風常常與較強的氣壓梯度有關(guān)；吳海英等[2]認為溫度平流可以導(dǎo)致地面變壓場和變壓梯度增強，進而成為促進地面大風出現(xiàn)的重要原因；陳淑琴等[3]、尹盡勇等[4]、黃彬等[5]發(fā)現(xiàn)動量下傳在許多強風天氣過程中起重要作用；姚正毅等[6]發(fā)現(xiàn)大風天氣不僅受大尺度天氣系統(tǒng)影響，還受局地地形和下墊面性質(zhì)影響；楊忠恩等[7]認為冷空氣大風是高空急流、強冷平流、動量下傳等共同作用的結(jié)果；張華等[8]對呼和浩特市一次春季大風進行分析發(fā)現(xiàn)對流層下層的暖平流輸送是熱力強迫因子，高層輻散下沉、低層輻合上升是動力強迫因子；田林生[9]對東北大風成因分析認為冷鋒和江淮氣旋配合在大風過程中起重要作用。

1 天氣實況

2015年3月31日到4月1日，豫北中部多站點出現(xiàn)了罕見的強度大、持續(xù)時間長的大風天氣。此次過程，豫北地區(qū)共有14個國家站出現(xiàn)了極大風速超過8級的長時間大風，其中，武陟和原陽站的極大風速最大值超過10級（圖1），維持極大風速8級以上的時間達20個小時以上（圖2），致使多地出現(xiàn)了較嚴重的災(zāi)情。

圖1 豫北14個國家站的極大風速最大值 Fig.1 The records of the maximum instantaneous wind speed at national stations in the northern Henan Province

圖2 代表站小時逐小時極大風速最大值 Fig.2 Hourly maximum instantaneous wind speed at a representative station

2 環(huán)流背景分析

2.1 高緯冷槽和中低緯西南氣流

過程前期，500 hPa高原槽東移引起四川附近低層產(chǎn)生低渦，其前部西南氣流造成低層增溫明顯；高緯有階梯冷槽伸向東北地區(qū)，冷空氣不斷向南輸送。3月30日20時，500和700 hPa高緯出現(xiàn)－44和－28 ℃的冷中心，南接冷槽（圖3a）。3月31日08時，兩冷槽向東南方向移動發(fā)展，引發(fā)東北北部形成低渦，并有－33和－21 ℃的冷中心配合（圖3a）。中低層河套北至東北南出現(xiàn)明顯鋒區(qū)，赤峰和張家口兩站850 hPa的溫度差達12 ℃，較大的偏北風帶來強冷平流，并導(dǎo)致地面加壓明顯，出現(xiàn)+4.9的變壓中心（圖3b）。700 hPa重慶南有一暖中心，東北西南向暖脊一直伸向豫北地區(qū)，并伴有較強的暖平流輸送到豫北（圖3b），造成中低層增溫明顯。3月31日20時，冷槽繼續(xù)向東南發(fā)展，伴隨高緯冷空氣補充，冷平流顯著加強，冷空氣開始自北向南影響河南，鄭州站850 hPa以下由西南風轉(zhuǎn)偏北風，925 hPa東北風達16 m·s-1，且位于低層溫度及變溫梯度大值區(qū)（表1）。4月1日08時，河北南部轉(zhuǎn)受冷空氣影響，鄭州站925 hPa的24 h負變溫達到13 ℃，925 hPa東北風達24 m·s-1（表1），增加了近地面湍流交換和動量下傳作用。中高緯冷槽東南移的同時，中低緯度渦前西南氣流發(fā)展，黃淮南部進一步減壓，造成黃淮區(qū)域較長時間處于溫度梯度大值區(qū)中。4月1日20時，西南氣流由南向北、由低空向高空發(fā)展，925 hPa冷中心到達豫北，豫北冷平流顯著減弱，大風逐漸減弱。

中高層高緯地區(qū)冷槽東南發(fā)展帶來冷空氣使中低層高壓發(fā)展與中低緯度高層西南氣流下形成的暖低壓形成對峙，導(dǎo)致系統(tǒng)移動緩慢，使豫北較長時間處于溫度梯度大值區(qū)，促使地面大風形成和維持。

圖3 500和700 hPa高度槽、溫度槽演變（a）以及3月31日08時700、850 hPa和地面系統(tǒng)配置（b） 850 hPa溫度脊 700 hPa溫度脊 L冷中心 D氣旋中心地面冷鋒700 hPa等溫度線槽線850hPa顯著氣流850hPa急流700hPa顯著氣流 Fig.3 (a) Variation of troughs in height and temperature at 500 and 700 hPa; (b) Cllocations of the synoptic systems at 700, 850 hPa and surface at 08 BT on 31 March 2015

表1 探空代表站850和925 hPa 24 h變溫及風速演變 Table 1 The 24 h-variations of temperature and wind-speed at 850 and 925 hPa at the representative sounding station

2.2 地面高低壓對峙的影響

前期暖低壓位于四川盆地，中心氣壓達999.4 hPa，豫北地區(qū)受其東伸的倒槽控制；貝加爾湖南側(cè)存在強冷高壓，中心氣壓達1036.3 hPa；冷高壓南側(cè)華北地區(qū)存在一個東西向冷鋒，鋒后的正變壓中心值達+4.9 hPa（圖3b）。3月31日20時，隨著冷高壓向東南移動，豫北轉(zhuǎn)受東路冷空氣和冷鋒影響，產(chǎn)生較大的正變壓，正變壓中心達+5.4 hPa。貝加爾湖冷高壓的補充使其維持，并與四川盆地由于高空槽前減壓作用和凝結(jié)潛熱釋放作用而形成的暖低壓形成對峙，豫北地區(qū)處于較大的氣壓梯度區(qū)，華北及黃淮地區(qū)形成較強的變壓和氣壓梯度，產(chǎn)生較強梯度風和變壓風。貝加爾湖冷高壓的補充，以及西南低壓、倒槽向東北發(fā)展，造成黃淮流域氣壓和變壓梯度進一步加強并維持。但隨著冷高壓向東南移動和暖低壓北伸，北伸的倒槽逐漸隔斷了冷高壓與補充南下的冷空氣的聯(lián)系。20時，冷高壓與高緯冷空氣的聯(lián)系近乎完全被隔斷，由于無新冷空氣補充，地面非絕熱加熱和降水的凝結(jié)潛熱釋放的作用導(dǎo)致冷高壓迅速減弱，豫北轉(zhuǎn)為負變壓區(qū)，豫北地區(qū)的氣壓梯度迅速減小，變壓風和梯度風大大減弱，地面風速迅速減小。

這次大風過程是一次伴隨冷高壓東移南下，冷鋒移過豫北而造成的大風天氣。高緯冷空氣的擴散補充造成豫北地區(qū)維持較大的正變壓，南支槽前西南氣流使四川低壓倒槽不斷發(fā)展，與北部高壓形成對峙，導(dǎo)致豫北地區(qū)持續(xù)位于氣壓梯度大值區(qū)中。后期由于暖低壓的北伸，切斷了華北冷高壓與高緯冷空氣的聯(lián)系，加之非絕熱加熱和降水引發(fā)的凝結(jié)潛熱作用，導(dǎo)致變壓風減小，而鋒面南下導(dǎo)致豫北氣壓梯度減小，梯度風減弱，最終導(dǎo)致大風消失。

3 物理量診斷分析

3.1 熱力強迫

冷暖平流的本質(zhì)是密度平流，是準地轉(zhuǎn)動力學(xué)中的熱力強迫項，與地面變壓密切相關(guān)。從NCEP再分析資料沿114°E的30°—50°N剖面可看出，前期豫北受暖平流影響，升溫降壓明顯（圖4a）。3月31日20時，隨北部低層冷平流大值區(qū)南移，中心高度下降，強度增大到20×10-4℃/s以上，影響區(qū)域也明顯增大，并和低層風速大值區(qū)相對應(yīng)，而33°N上空900 hPa附近出現(xiàn)了中心強度超過20×10-4℃/s的暖平流區(qū)，低層的冷暖平流導(dǎo)致地面的變壓和變壓梯度增大，氣壓梯度也相應(yīng)增大，有利于大風出現(xiàn)（圖4b）。4月1日02時，冷平流大值區(qū)進一步南移至35°N，中心增大到40×10-4℃/s以上，低緯暖平流維持并迅速增大，中心值超過70×10-4℃/s，溫度平流梯度進一步增加導(dǎo)致地面的變壓、變壓梯度、氣壓梯度進一步增加，大風繼續(xù)維持并增強（圖4c）。4月1日08時之后，雖然低層冷平流不再增加，但倒槽發(fā)展，南部暖平流顯著加強，維持了較大的溫度平流和變壓梯度，大風繼續(xù)維持（圖4d）。4月1日14時，北部冷平流繼續(xù)減小且在低層冷平流大值區(qū)上空出現(xiàn)了暖平流大值區(qū)，但底層冷平流仍大于10×10-4℃/s，南部暖平流中心繼續(xù)增大到100×10-4℃/s，仍存在較大的溫度平流梯度，導(dǎo)致地面氣壓和變壓梯度維持，大風維持（圖4e）。隨后，暖平流進一步發(fā)展，地面上方的密度平流減弱，根據(jù)氣壓傾向方程，增壓和減壓變慢，變壓梯度減小，大風強度減弱。4月1日20時，豫北近地層由冷平流轉(zhuǎn)為暖平流（圖4f），低緯低層低渦倒槽導(dǎo)致暖平流由南向北、由低空向高空發(fā)展，豫北上空的整層密度平流也減弱，因此地面的氣壓差大大減弱，大風迅速減弱。

圖4 2015年3月31日14時（a）、3月31日20時（b）、4月1日02時（c）、4月1日08時（d）、4月1日14時（e）、4月1日20時（f）溫度平流（單位：10-4 ℃/s）和風的經(jīng)向分量（單位：m·s-1）與垂直速度（單位：10-1 m·s-1）的合成矢量沿114°E的剖面 Fig.4 The section profile of the temperature advection (unit: 10-4 ℃/s) (shaded), of the compounded vectors of meridional wind (unit: m·s-1) and of the vertical velocity (10-1 m·s-1) along 114°E: (a) at 14 BT on 31 March, (b) at 20 BT on 31 March, (c) at 02 BT on 1 April, (d) at 08 BT on 1 April, (e) at 14 BT on 1 April, (f) at 20 BT on 1 April 2015

3.2 次級環(huán)流

散度分布可以較好地反映空氣輻合輻散與垂直運動作用。豫北大風出現(xiàn)前期，河南地區(qū)受暖氣團控制，并在散度場上表現(xiàn)為較強的低層輻合區(qū)，而豫北上空附近800 hPa高度附近有強輻合輻散中心（圖5a）。到3月31日20時，邊界層出現(xiàn)輻散中心，且中心強度超過80×10-5/s（圖5b），促進豫北在近地面產(chǎn)生較大的偏北輻散風。此輻散中心上空還有一弱輻合中心（圖5b），有利于垂直下沉運動的發(fā)展，有利于將高空具有較大動量的風帶到地面引起大風。4月1日08時，近地面層的輻合中心也顯著發(fā)展并北移，正負散度中心的數(shù)值均超過80×10-5/s，近地面散度風顯著增加，800 hPa的一對散度中心也顯著增加，致使中低層冷平流及高低空動量的垂直交換增強，正好對應(yīng)于地面風速最大時間。冷平流、散度梯度及垂直交換作用在14時之后開始減弱，大風也是從14時之后減弱。

底層的輻散梯度大值區(qū)與大風的出現(xiàn)和維持有良好的正相關(guān)關(guān)系，垂直運動有利于動量向下輸送，從而有利于大風的發(fā)展維持。前期散度分布不僅造成了36°N附近的下沉運動造成散度風，還導(dǎo)致38°N附近產(chǎn)生上升運動，上升運動有利于絕熱冷卻，從而減慢了高緯冷空氣的變性速度，而4月1日08時之后，上升支開始減弱，冷空氣變性加快，間接影響了溫度對比，從而影響了大風的發(fā)展和維持。

4 結(jié)論和討論

圖5 2015年3月31日08時（a）、3月31日20時（b）、4月1日08時（c）、4月1日20時（d）沿114°E的散度剖面（單位：10-5 /s） Fig.5 The section profile of the divergence (unit: 10-5 /s) along 114°E: (a) at 08 BT on 31 March, (b) at 20 BT on 31 March, (c) at 08 BT on 1 April, (d) at 20 BT on 1 April 2015

此次大風具有強度強，影響時間長，影響區(qū)域主要集中于豫北等顯著特點。以往大風過程的明顯不同主要表現(xiàn)在大風區(qū)冷空氣厚度較薄、斜壓性較強。

1）中高緯冷槽與中低緯西南氣流導(dǎo)致中低空產(chǎn)生強烈的鋒生作用，并引起地面冷高壓與暖低壓的相向移動發(fā)展。隨冷高壓南下，高壓前冷鋒引起豫北地區(qū)出現(xiàn)東北大風。持續(xù)補充的冷空氣減緩了冷高的變性速度，西南氣流使暖低壓不斷發(fā)展，兩系統(tǒng)對峙使豫北長時間處于變壓梯度和氣壓梯度大值區(qū)中，有利于豫北大風發(fā)展和維持。

2）溫度平流可通過熱力強迫作用影響地面變壓場從而影響地面風速的大?。荒媳钡睦渑搅骷訌姇r期與地面大風加強時期有良好對應(yīng)關(guān)系，且低層冷平流增大，有利于地面氣壓的升高，同時產(chǎn)生較大的地面變壓風。散度場可通過水平散度風和垂直動量交換，影響地面風速的大小。另外通過散度產(chǎn)生的次級環(huán)流還可以通過高緯度的上升支間接影響冷空氣的維持，從而通過間接影響溫度分布而影響風速。

[1] Streten N A. Some characteristics of strong wind periods in coastal east Antarctics. Journal of Applied Meteorology1968, 7: 46-52.

[2] 吳海英, 孫燕, 曾明劍, 等. 冷空氣引發(fā)江蘇近海強風形成和發(fā)展的物理過程探討. 熱帶氣象學(xué)報, 2007, 23(4): 388-394.

[3] 陳淑琴, 黃輝. 舟山群島一次低壓大風過程的診斷分析. 氣象, 2006, 32(1): 68-73.

[4] 尹盡勇, 曹越男, 趙偉. 2010年4月27日萊州灣大風過程診斷分析. 氣象, 2011, 37(7): 897-905.

[5] 黃彬, 錢傳海, 聶高臻, 等. 干侵入在黃河氣旋爆發(fā)性發(fā)展中的作用. 氣象, 2011, 37(12): 1534-1543.

[6] 姚正毅, 王濤, 陳廣庭, 等. 近40 a甘肅河西地區(qū)大風日數(shù)時空分布特征. 中國沙漠, 2006, 26(1): 65-70.

[7] 楊忠恩, 陳淑琴, 黃輝. 舟山群島冬半年災(zāi)害性大風的成因與預(yù)報. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2007, 18(1): 80-85.

[8] 張華, 楊彩云. 一次大風型強寒潮天氣過程分析. 內(nèi)蒙古氣象, 2007, (2): 17-18.

[9] 田林生. 勝利油田近海東北大風及風暴潮分析預(yù)報. 海洋氣象, 2002, (1): 73-80.