冬春季動(dòng)量下傳引發(fā)浙江沿海災(zāi)害大風(fēng)過(guò)程分析

楊亦萍，史珩瑜，劉力源，王麗娟

（1.浙江省臺(tái)州市氣象局，浙江 臺(tái)州 318000；2.浙江省預(yù)警信息發(fā)布中心，浙江 杭州 310002；3.浙江仙居縣氣象局，浙江 仙居 317300）

1 引言

動(dòng)量下傳大風(fēng)一般出現(xiàn)在冬春季，通常是在冷空氣南下后，高空轉(zhuǎn)偏北風(fēng)控制。這類(lèi)天氣形勢(shì)下浙江往往多為晴好天氣，所以突發(fā)大風(fēng)的可預(yù)報(bào)性差，災(zāi)害性強(qiáng)，是浙江冬春海上災(zāi)害大風(fēng)預(yù)報(bào)的一個(gè)難點(diǎn)。前人對(duì)此也展開(kāi)一些研究，孫建明等[1]認(rèn)為高低層溫度差動(dòng)效應(yīng)可作為大風(fēng)預(yù)報(bào)的定量指示；曹美蘭等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)“晴天暴”大風(fēng)是在西北急流下，急性型干冷鋒快速東移南壓，斜壓不穩(wěn)定大氣位能向動(dòng)能的劇烈轉(zhuǎn)換造成的；王雷等[4-7]研究發(fā)現(xiàn)高低空較強(qiáng)冷平流和中低空輻合輻散環(huán)流引起的動(dòng)力強(qiáng)迫下沉作用是造成強(qiáng)風(fēng)的重要原因；吳海英等[8]對(duì)冷空氣引發(fā)江蘇近海強(qiáng)風(fēng)分析發(fā)現(xiàn)溫度平流和地面風(fēng)場(chǎng)之間相互關(guān)聯(lián)，冷平流增強(qiáng)了地面變壓場(chǎng)及變壓梯度是產(chǎn)生大風(fēng)的重要原因；周后福等[9]從精細(xì)化觀(guān)測(cè)安徽一次局地極端大風(fēng)中發(fā)現(xiàn)，近地層的垂直風(fēng)切變、降水粒子拖曳作用和近地層冷池密度流都是極端大風(fēng)的重要成因；張琳娜等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)中層動(dòng)量和動(dòng)能下傳以及近地面動(dòng)量和動(dòng)能水平輸送是影響地面大風(fēng)的重要因素，平均流和陣風(fēng)在動(dòng)量傳送上起相當(dāng)大的作用。數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)極端性和突發(fā)性大風(fēng)的預(yù)報(bào)效果往往不佳，也是預(yù)報(bào)的一個(gè)難點(diǎn)。

2020 年4 月12 日傍晚到夜里，浙江北部及沿海地區(qū)有一次致災(zāi)性大風(fēng)過(guò)程，出現(xiàn)9～11 級(jí)偏北大風(fēng)，部分海域陣風(fēng)達(dá)11～13級(jí)，最大風(fēng)力為40.8 m/s，強(qiáng)度堪比臺(tái)風(fēng)級(jí)。此次強(qiáng)風(fēng)過(guò)程自起風(fēng)到出現(xiàn)極大風(fēng)，時(shí)間短，突發(fā)性強(qiáng)，實(shí)況風(fēng)力遠(yuǎn)超預(yù)期，造成了舟山海域漁船傾覆和多名船員死亡的重大海損事故。此類(lèi)型冬春季突發(fā)性大風(fēng)在浙江沿海地區(qū)比較少見(jiàn)，對(duì)其系統(tǒng)性的研究并不多。本文對(duì)此次突發(fā)性災(zāi)害大風(fēng)過(guò)程做重點(diǎn)分析，主要分析實(shí)況演變、天氣形勢(shì)變化和致災(zāi)原因；對(duì)比分析多個(gè)典型的相似個(gè)例，從形勢(shì)場(chǎng)要素分析量化，并提出一個(gè)浙北高空冷渦底動(dòng)量下傳大風(fēng)的預(yù)報(bào)模型，為此類(lèi)過(guò)程提供一定的預(yù)報(bào)參考，這對(duì)今后預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)工作有重要意義。

2 4月12日災(zāi)害性大風(fēng)過(guò)程分析

2.1 數(shù)據(jù)資料和演變過(guò)程

本文所用數(shù)據(jù)資料包括：美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction ，NCEP）逐6h 的全球分析資料（Final Operational Global Analysis）；MICAPS（Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System）常規(guī)形勢(shì)場(chǎng)、探空和物理量實(shí)況資料；浙江省常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)實(shí)況資料；美國(guó)懷俄明大學(xué)（University of Wyoming）歷史探空數(shù)據(jù)。

2020 年4 月12 日下午高空冷渦南壓觸發(fā)對(duì)流，回波自江蘇北部南壓發(fā)展，江蘇出現(xiàn)8～9 級(jí)大風(fēng)，18 時(shí)（北京時(shí)，下同）前后對(duì)流靠近江浙滬交界，強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)；18—23 時(shí)是本次強(qiáng)雷暴大風(fēng)的最強(qiáng)時(shí)段（見(jiàn)圖1），強(qiáng)回波東移入海增強(qiáng)，浙北及其沿海地區(qū)風(fēng)力迅速增強(qiáng)，出現(xiàn)11～13 級(jí)陣風(fēng)，浙江大風(fēng)過(guò)程持續(xù)近3 h，由于水汽條件差，過(guò)程降水偏弱，但災(zāi)害性大風(fēng)顯著，下文對(duì)本次強(qiáng)大風(fēng)過(guò)程具體分析。

圖1 2020年4月12日災(zāi)害大風(fēng)過(guò)程的演變Fig.1 The evolution of the disastrous gale on April 12，2020

2.2 天氣過(guò)程形勢(shì)分析

從環(huán)流型勢(shì)上看，4月11日20時(shí)500 hPa中高緯貝加爾湖附近暖脊發(fā)展（見(jiàn)圖2a），華北有橫槽，江淮為偏西氣流控制，溫度脊略落后于高度脊，脊前有冷平流補(bǔ)充，有利于橫槽向南加深。12日08時(shí)橫槽快速轉(zhuǎn)豎（見(jiàn)圖2b），槽底加深到福建中南部，冷渦中心南壓到朝鮮半島，高空轉(zhuǎn)西北急流控制，浙江北部處于急流軸左側(cè)，有一定的高空輻散條件；槽底疏散槽，有利冷渦快速南掉，冷渦中心南壓到30°～35°N。高空槽的形狀及強(qiáng)度對(duì)于預(yù)報(bào)動(dòng)量下傳大風(fēng)具有較大的意義[12]，而本次致災(zāi)大風(fēng)發(fā)生在橫槽快速轉(zhuǎn)豎冷渦南掉期間。

圖2 2020年4月11—12日500 hPa高空形勢(shì)場(chǎng)（黑：等高線(xiàn)，紅：等溫線(xiàn)）Fig.2 The synoptic situation from April 11 to 12，2020 at 500 hPa（Black line：contour；red line：isotherm）

從低層到地面形勢(shì)場(chǎng)看，過(guò)程前1 d（11 日20時(shí)）冷鋒已南壓到浙南福建一帶，冷空氣主體已南下，地面冷高壓控制，天況轉(zhuǎn)好。但當(dāng)天下午到夜里低層冷平流轉(zhuǎn)為弱暖平流（見(jiàn)圖3），高空冷平流維持，呈上冷下暖結(jié)構(gòu)，層結(jié)不穩(wěn)定性加強(qiáng)。另外，通常冷空氣主體過(guò)后，大氣層水汽條件都較差，對(duì)流不易發(fā)展，但水汽分析發(fā)現(xiàn)12 日08—20 時(shí)，冷空氣從東路經(jīng)渤海往西南方南下擴(kuò)散，裹挾海上水汽，給華東沿海帶來(lái)的一定水汽，低層濕度轉(zhuǎn)好（見(jiàn)圖4），低層濕度突增加大不穩(wěn)定，有利于本次災(zāi)害性大風(fēng)產(chǎn)生。

圖3 4月12日下午14時(shí)高低空溫度平流場(chǎng)Fig.3 The temperature advection field at 14：00 on April 12

圖4 4月12日浙北低層水汽通量散度（矢量為1000 hPa流場(chǎng)，填色圖為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 災(zāi)害性大風(fēng)成因分析

2.3.1 深厚的垂直風(fēng)切變

從4 月12 日08 時(shí)杭州站探空?qǐng)D可知（見(jiàn)圖5），探空曲線(xiàn)呈上干下濕的喇叭口形狀，濕區(qū)集中在700 hPa以下；0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?3 m/s，達(dá)強(qiáng)垂直風(fēng)切變，到20 時(shí)對(duì)流發(fā)展，強(qiáng)垂直風(fēng)切變維持。從探空相對(duì)風(fēng)暴螺旋度（Storm-Relatiue Helicity，SRH）指數(shù)來(lái)看，一般當(dāng)SRH>120 時(shí)，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流可能性極大，而20 時(shí)杭州站探空SRH 值達(dá)383，此過(guò)程具備強(qiáng)垂直不穩(wěn)定層結(jié)，低層有淺薄濕區(qū)，深厚的垂直不穩(wěn)定條件，有利于對(duì)流性大風(fēng)天氣發(fā)生。

圖5 杭州站4月12日08時(shí)探空?qǐng)DFig.5 Sounding figure of Hangzhou station at 8：00 on April 12

2.3.2 顯著的下沉運(yùn)動(dòng)

從高空垂直分布時(shí)序圖可知（見(jiàn)圖6），杭州站200 hPa 高 度12 日08 時(shí)風(fēng)速為48 m/s，而中 低 層700～925 hPa 風(fēng)速只有14～17 m/s，到20 時(shí)200～500 hPa 風(fēng)速減小，而中低層到地面速度快速增大。高層速度減小，中低層增大，高低空動(dòng)能發(fā)生快速轉(zhuǎn)換，會(huì)引起高空動(dòng)量向下傳遞。

圖6 杭州站4月11日08時(shí)—13日08時(shí)垂直風(fēng)場(chǎng)時(shí)序圖（a）和4月12日08—20時(shí)200～925 hPa風(fēng)速變化（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）

高空渦度平流變化是大風(fēng)發(fā)展的重要的動(dòng)力因子[13]，而本次過(guò)程的渦度平流隨高度變化也有所體現(xiàn)，20 時(shí)浙北地區(qū)（29.8°～30.5°N）500 hPa 轉(zhuǎn)為負(fù)渦度平流，850 hPa 以下為弱的正渦度平流（見(jiàn)圖7）。ω方程[14]中：

圖7 12日20時(shí)沿121.5°E渦度平流剖面（a）和流場(chǎng)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，右端第一項(xiàng)為渦度平流隨高度變化項(xiàng)，當(dāng)渦度平流隨高度減小時(shí)，有下沉運(yùn)動(dòng)（ω＞0）。在此過(guò)程中該區(qū)出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)。另外，從121.5°E 的流場(chǎng)剖面圖上也可以看到20 時(shí)浙北700 hPa到地面有明顯的下沉運(yùn)動(dòng)。

2.3.3 高低空溫度平流的快速更替

本次過(guò)程中一個(gè)顯著特征就是溫度平流快速置換，而溫度平流的快速變化也可能是大風(fēng)形成的一個(gè)重要原因[1]。分析溫度平流垂直剖面可知（見(jiàn)圖8），4 月12 日08 時(shí)浙北（30°N）上游500 hPa 上有顯著冷平流，而對(duì)應(yīng)低層850 hPa 為暖平流，整層為偏北風(fēng)，上冷下暖的溫度平流使其存在明顯的高低空溫度差動(dòng)平流。

圖8 大風(fēng)過(guò)程前后浙北地區(qū)沿120°E溫度平流剖面的演變Fig.8 Variation of temperature advection profile along 120°E in northern Zhejiang

大風(fēng)發(fā)生當(dāng)晚高空500 hPa 偏北風(fēng)使冷平流不斷向下擴(kuò)散，高空強(qiáng)鋒區(qū)伴隨下沉運(yùn)動(dòng)往下傳遞，中層冷平流加強(qiáng)，出現(xiàn)明顯的溫度鋒增壓，850 hPa暖平流減弱并逐漸被冷平流取代，低層出現(xiàn)一個(gè)顯著的冷暖平流中心對(duì)，鋒區(qū)下沉，地面氣壓快速增大，使地面風(fēng)速猛增，這種強(qiáng)烈的溫度平流更替非常有利于大風(fēng)產(chǎn)生。

2.3.4 高低空耦合與冷空氣挾卷相互作用

本次過(guò)程高空呈后傾槽結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)發(fā)生當(dāng)日08時(shí)，蘇南到浙北高空為輻散場(chǎng)，低層為弱輻合場(chǎng)，弱天氣強(qiáng)迫觸發(fā)對(duì)流。隨著高空槽轉(zhuǎn)豎東移，對(duì)流回波發(fā)展加強(qiáng)，到20時(shí)低層輻合和高空輻散的耦合結(jié)構(gòu)變得更加顯著（見(jiàn)圖9），上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)流發(fā)展增強(qiáng)，此時(shí)近地層有補(bǔ)充南下的干冷空氣卷入。在這種高低空耦合散度場(chǎng)的配置下，當(dāng)有冷空氣挾卷時(shí)，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)因干冷空氣進(jìn)入降水拖曳的下沉區(qū)，水汽加速蒸發(fā)，下沉氣流的負(fù)浮力增強(qiáng)，產(chǎn)生動(dòng)量下傳大風(fēng)的動(dòng)能增大，將中高層強(qiáng)動(dòng)量向低層和地面?zhèn)鬟f，從而產(chǎn)生爆發(fā)性大風(fēng)。

圖9 4月12日20時(shí)散度場(chǎng)Fig.9 Divergence field at 20：00 on April 12

2.3.5 成因小結(jié)

上述分析表明，4 月12 日的災(zāi)害性大風(fēng)過(guò)程是在高空冷渦底部弱天氣強(qiáng)迫背景下，強(qiáng)冷空氣主體南下，弱冷空氣補(bǔ)充時(shí)發(fā)生的。原因是多方面的：上干下濕垂直結(jié)構(gòu)、深厚垂直風(fēng)切變的維持和一定的垂直速度都有利于不穩(wěn)定層結(jié)的發(fā)展和維持；高低空溫度平流的快速更替和高低空輻合輻散場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對(duì)流發(fā)展的動(dòng)力條件；冷空氣挾卷作用又促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)中下沉負(fù)浮力增強(qiáng)，從而加強(qiáng)動(dòng)量下傳，促進(jìn)過(guò)程的發(fā)生。

3 浙江冬春季冷渦底部爆發(fā)性大風(fēng)預(yù)報(bào)分析著眼點(diǎn)

一般動(dòng)量下傳引發(fā)的大風(fēng)在浙江沿海較少且具有突發(fā)性和強(qiáng)破壞性。為更好地預(yù)報(bào)此類(lèi)大風(fēng)，本文選取近年較典型的個(gè)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，從過(guò)程發(fā)生的季節(jié)、時(shí)間、形勢(shì)特征的演變、高空冷中心強(qiáng)度、急流強(qiáng)度、垂直風(fēng)切變強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間（以杭州站和上海寶山站為參考點(diǎn)）和24 h 地面變高幾個(gè)方面做共性分析研究，并提出一個(gè)天氣模型供預(yù)報(bào)參考（見(jiàn)圖10）。

圖10 浙江冬春季爆發(fā)性大風(fēng)的天氣模型Fig.10 The weather model of sudden gale in Zhejiang in winter and spring

浙江冬春爆發(fā)性大風(fēng)的基本天氣模型特征如下：

（1）一般發(fā)生在冬春季節(jié)，有多股冷空氣活躍時(shí)期，高空冷中心維持，強(qiáng)度平均達(dá)-40 ℃。

（2）東北亞中高緯地區(qū)為“一槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，且槽脊呈東北-西南向，等壓線(xiàn)密度大且每10個(gè)緯度有8～9條等壓線(xiàn)，高空鋒區(qū)較強(qiáng)。通常有橫槽快速轉(zhuǎn)豎，槽迅速向南加深或冷渦快速南掉，槽底位置達(dá)30°N以南，甚至到25°N。

（3）存在中心風(fēng)速達(dá)46 m/s以上的高空急流。

（4）存在深厚的垂直風(fēng)切變：0～6 km 高度達(dá)強(qiáng)垂直風(fēng)切變，杭州站可達(dá)26 m/s，上海寶山站可達(dá)24 m/s，0～3 km高度可達(dá)中等強(qiáng)度，即12 m/s；高低空有強(qiáng)溫度差動(dòng)平流區(qū)配合。

另外，本文對(duì)形勢(shì)場(chǎng)多要素與過(guò)程極大風(fēng)做相關(guān)性分析，選取急流強(qiáng)度、冷中心強(qiáng)度和杭州站與上海站高空垂直風(fēng)速變化作為主要因子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，杭州站0～6 km 垂直風(fēng)速變化相關(guān)性較為顯著，當(dāng)其配合有利的環(huán)流形勢(shì)時(shí)，可以將其作為預(yù)報(bào)動(dòng)量下傳大風(fēng)的一個(gè)重要參考指標(biāo)，其他因子相關(guān)性較差。

4 小結(jié)與思考

本文對(duì)2020 年4 月12 日浙江沿海一次高空冷渦底部動(dòng)量下傳引起的破壞性大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行形勢(shì)演變和成因分析，并分析了此類(lèi)預(yù)報(bào)性差的多個(gè)典型個(gè)例，提出浙江冬春季爆發(fā)性大風(fēng)的基本天氣模型。結(jié)果表明：

（1）4月12日的災(zāi)害性大風(fēng)發(fā)生在強(qiáng)冷空氣南下后，是在新冷空氣補(bǔ)充、強(qiáng)垂直風(fēng)切變、一定的垂直速度、高低空溫度平流的快速更替以及高低空輻合輻散場(chǎng)配合冷空氣挾卷多因素共同作用下發(fā)生的。

（2）此類(lèi)天氣一般發(fā)生在冬春冷空氣活躍時(shí)，特別是冷空氣補(bǔ)充南下時(shí)，高空冷中心強(qiáng)度可達(dá)-40 ℃；中高緯呈“一槽一脊”環(huán)流形勢(shì)，高空槽等壓線(xiàn)密集，平均每10 個(gè)緯度有8～9 條等壓線(xiàn)；橫槽快速轉(zhuǎn)豎，槽底可達(dá)30°N 甚至更南；高空急流強(qiáng)度強(qiáng)，中心風(fēng)速達(dá)46 m/s以上；存在深厚的垂直風(fēng)切變；存在強(qiáng)的高低空溫度差動(dòng)平流。

日常預(yù)報(bào)中，此類(lèi)過(guò)程發(fā)生前地面常常已經(jīng)轉(zhuǎn)北風(fēng)控制，濕度轉(zhuǎn)差，天氣轉(zhuǎn)好，故此類(lèi)大風(fēng)往往容易被預(yù)報(bào)員忽略或低估。本文提出的基本天氣模型可在日常預(yù)報(bào)中作為參考，結(jié)合天氣實(shí)況開(kāi)展分析，以提高預(yù)報(bào)的及時(shí)性和有效性。