對“霸王級”寒潮引起大風降溫成因的研究*

汪結華 陳凱諾 穆 楊 徐建宇 戴仁威

(1.92493部隊21分隊 葫蘆島 125000)(2.中國人民解放軍海軍航空兵學院 葫蘆島 125000)(3.91566部隊 大連 116043)(4.海軍舟山水警區司令部氣象臺 舟山 316000)

對“霸王級”寒潮引起大風降溫成因的研究*

汪結華1陳凱諾2穆 楊2徐建宇3戴仁威4

(1.92493部隊21分隊 葫蘆島 125000)(2.中國人民解放軍海軍航空兵學院 葫蘆島 125000)(3.91566部隊 大連 116043)(4.海軍舟山水警區司令部氣象臺 舟山 316000)

寒潮一種大規模的強冷空氣活動過程,它會帶來劇烈降溫、大風、暴雪等災害性天氣。論文選用的個例是2016年1月17日到25日的“霸王級”強寒潮過程,該次寒潮過程使得多地最低氣溫跌到有史以來的記錄以下。通過計算渦度平流、溫度平流、西風環流指數等物理量和分析高空環流形勢,發現該次寒潮有連續兩次的橫槽轉豎過程而且地面配合著兩次東海氣旋北上入海。強的冷平流是大風降溫的熱力條件,不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對流不穩定層結為大風天氣的出現提供了動力和能量條件。

寒潮; 降溫; 大風; 溫度平流; 西風環流指數

Class Number P425

1 引言

寒潮,是指來自高緯度地區的寒冷空氣,在特定的天氣形勢下迅速加強并向中低緯度地區侵入,造成沿途地區劇烈降溫、大風和雨雪天氣,在海上會引起大的風浪和風暴潮。這種冷空氣南侵達到一定標準的就稱為寒潮[1]。近年來,不少學者對我國錯綜復雜的寒潮天氣過程進行了天氣動力學診斷和數值模擬研究[2～4]。許愛華等[5]對 2005年3月的寒潮天氣過程進行了診斷分析,認為其主要成因是西歐上空500hPa強暖平流致使在西伯利亞地區形成阻塞高壓,建立橫槽,橫槽北側的東北氣流引導超極地冷空氣和西路冷空氣合并加強;形成了異常強的冷高壓、鋒區、冷溫度中心?；菪∮⒌萚6]利用數值模式研究了地形對兩次寒潮天氣過程的影響,發現地形的動力作用對冷空氣的移動路徑有重要影響。王麗等[7]分析了發生在湖北省的一次罕見寒潮過程,發現濕位渦斜壓項 MPV2的時空演變和強冷空氣的發展、移動、氣溫陡降有很好的對應關系。以往對寒潮的研究多側重于冷空氣路徑分析、環流形勢分析、平流分析等,本文將在借鑒前人的基礎上,采用天氣學原理和天氣動力學診斷方法,在分析引發寒潮爆發的環流形勢的基礎上,對2016年1月17日到1月25日的寒潮過程中的大風、降溫以及海上大風浪的成因進行診斷分析。

2 天氣過程概況

2.1 寒潮影響情況

2016年1月17日至25日,我國連續遭受兩次強寒潮天氣襲擊,南北各地紛紛進入“速凍模式”,80 多個氣象觀測站突破當地建站以來最低氣溫歷史極值[8]。北京1月23日白天,最高氣溫僅-13℃,為 58 年來最低晝溫；廣州 1 月 24 日正午,鵝毛大雪漫天飄舞,南國雪景亦真亦幻,百年一遇。長江中下游地區的最低氣溫下降至-10℃左右,0℃線南壓至華南北部一帶,中東部大部地區將出現入冬以來氣溫最低值,這次寒潮過程可謂時間長、降溫快、風力強,給飛機航行、船舶運輸、農作物生長等方面帶來不利影響,嚴重影響了人民生活。因此,對這次持續時間極長的寒潮過程成為“霸王級”世紀寒潮。(注：本文時間均為北京時間)

2.2 地面天氣系統的發展情況

寒潮冷空氣在17日之前一直在貝加爾湖以西堆積,在整個寒潮過程中,高壓中心基本上停滯于此,但是強度逐漸增大。在22日02時,冷高壓中心強度高達1080hPa(圖略),為這次寒潮過程中的峰值,這在中國氣象記錄歷史上,也較為罕見。在18日17時,日本以東的西北太平洋上,有一個24h內中心氣壓下降大于24hPa的爆發性氣旋,這個氣旋是16日23時鞍形場條件下在臺灣以北洋面生成的東海氣旋演變而來。在這個東海氣旋向東北方向消亡后,又一個東海氣旋在高壓后面的低壓區生成,地理位置在臺灣以東洋面,氣壓梯度高達55hPa/10經距,可見這次寒潮大風降溫過程的地面天氣系統極其復雜。

3 高空環流形勢分析

3.1 西風環流指數分析

緯向環流與經向環流相互轉化與交替出現,常變現為西風分量的強弱變化。為了定量地表示西風強弱,Rossby提出,把兩個緯度帶間的平均位勢高度差作為西風指數I[9]:

(1)

其中λ為沿緯圈每隔10個經度取一個位勢高度值。高指數表示西風強大,與緯向環流對應；低指數表示西風弱,對應大槽大脊。

對2016年1月15日至25日的歐洲西風指數和亞洲西風指數做以分析,從圖1～2看出,歐洲西風指數經歷了兩次起伏變化,說明整個環流經歷了兩次長波調整,與此同時,亞洲西風指數基本上趨于逐漸減小,也就是說經向的槽脊強烈發展,最低低至100gpm,直至25日才開始增大,說明冷空氣對我國的影響開始減弱,轉換為緯向環流。

3.2 500hPa環流形勢分析

此次寒潮過程的冷空氣的來源有兩部分：一部分是受來自新地島以東喀拉海附近的極地冷空氣,另一部分是南掉至西伯利亞地區的極渦中的冷空氣。此次寒潮過程的初始階段是兩槽一脊的倒大“Ω”流型。醞釀階段主要是由歐洲有緯向型環流向經向型轉變中,東歐烏拉爾山暖脊強烈發展,引導極地的冷空氣在西伯利亞地區堆積、蓄勢待發。當烏拉爾山暖脊東移至亞洲地區后,東亞地區環流向經向型轉變,在亞洲低渦西伸的擠壓作用下,暖脊迅速減弱南退,隨后橫槽轉豎,槽后的環流經向度進一步增大,有利于槽后冷空氣的南下。而且特殊的是,該次寒潮有連續兩次的橫槽轉豎過程(圖3(a)和圖3(b))。橫槽前有負變高,橫槽后有負變高,導致橫槽轉豎,即兩次阻塞高壓崩潰(圖3(c)和圖3(d)),因此降溫幅度、大風強度極大,被稱為“霸王級”寒潮。

4 強降溫成因分析

一個地方溫度的變化可以用熱流量方程來表征[1]：

(2)

通過比較各項的量級,保留最大項的熱力學能量方程的零級簡化公式中僅保留溫度的局地變化項、溫度平流項和非絕熱變化項,而非絕熱因子考慮輻射、水汽凝結、蒸發和地面感熱對氣溫的影響。氣溫的非絕熱變化主要表現為氣溫的日變化和氣團變性。在本次寒潮過程中,由于有大范圍的鋒面云系,太陽輻射和地表輻射引起的氣溫日變化較小,所以局地溫度變化主要考慮溫度平流的影響。溫度平流的冷暖性質和強度決定了局地溫度的變化。

從圖4(a)看出冷平流進入中國西北北部和黃渤海地區,冷平流中心值為-2.7×10-2K·s-1,冷空氣很強,從24h(當前時刻前后各12h,下同)變溫可以看出,降溫較大的地區主要在天山以北地區和朝鮮半島,最大降溫達8℃以上,此時為第一次橫槽轉豎爆發寒潮的過程；從圖4(b)看出冷平流控制中國大多數地區,冷平流中心值為-2.0×10-2K·s-1,此時降溫中心位于華南和華中地區,可見該次寒潮降溫影響范圍是全國的。在冷平流區空氣有下沉運動,而在暖平流區空氣有上升運動；由于強大的上升、下沉運動,必然會在冷平流區形成高層輻合、低層輻散,而在暖平流區形成高層輻散、低層輻合,這樣在垂直方向上構成經向的環流圈,加速了冷空氣的擴散。此次大范圍的寒潮天氣的強降溫主要是由強盛的冷平流造成的。冷平流強的地方降溫幅度大,冷空氣強度低于-2×10-2K·s-1,與日平均氣溫下降幅度在8℃的區域基本一致,而且冷平流區向南擴展的速度要超前于地面氣溫24h負變溫區向南擴展的的速度12h左右。另外,在冷平流區的空氣下沉運動和暖平流區的空氣上升運動有利于經向垂直環流圈的形成,對冷空氣的南侵有促進作用。

5 強風成因分析

5.1 溫度平流的影響

溫度平流與地面風場之間是通過變壓場相互關聯和促進的[10]。強的冷平流不僅會造成強的降溫,還會使得地面正變壓場加強、地面變壓梯度和氣壓梯度增大,促使地面風場發展；同理,強的暖平流會使得地面負變壓場加強、地面變壓梯度、氣壓梯度增大,同樣促使地面風場發展。通過比較圖4和圖5同時刻圖,溫度平流越強,出現的風力越大。在正、負變壓中心的帶狀區域,24h變壓梯度達圖到40hPa/10經緯距,地面氣壓梯度達到55hPa/10個經緯距,地面變壓梯度、氣壓梯度都已經相當強大,這時候在這一區域出現了7～10級大風,渤海、黃海、東海北部風力在20m·s-1以上。

在18日14時,第一個橫槽轉豎,槽前正渦度平流區地面東海氣旋發展加深(圖6(a)),并且不斷向東北方快速移動,造成華北、東北、黃渤海海域地面氣壓梯度增大,氣旋后部的偏北氣流起到了引導冷空氣向南擴張的作用,有利于大風天氣的維持和發展；槽線附近的形成的垂直環流圈有利于高空的動量下傳,對風場的增強也起到了重要作用。第一次的阻塞高壓經歷崩潰和重建之后,第二個橫槽由于槽前存在負渦度平流(圖6(b)),使得橫槽減弱開始轉豎,東伸至貝加爾湖以北的阻塞高壓第二次崩潰。到了25日正渦度中心移動至日本以東的洋面,這意味著重建的東亞大槽已經東移,對我國的影響基本結束。從圖6(c)看出,我國日平均降溫和日最低溫度下降6℃以上地區均在內蒙古中部和黑龍江東部,說明第一次橫槽轉豎降溫過程影響還沒波及華南等地,日最大風速在6級以上地區為黃海東北部。圖6(d)是第二次橫槽轉豎,影響范圍進一步擴大,中國中西部和黃渤海、朝鮮海峽、日本海均有6～8級大風天氣,貝加爾湖以東地區還出現了日平均降溫為14℃的值。

6 黃渤海大風浪成因診斷分析

在黃渤海海域出現大風浪的這段時間,沿著123°E做一個散度經向剖面,在大氣的低層(最高延伸到600hPa)始終為輻散場,在輻散場之上為輻合場(圖7(a),7(b)),這種低層輻散高層輻合的垂直結構有利于高空風動量下傳至底層的海面,有利于海面風場的發展。這有利于風浪從風中獲得能量得到補充,促進了海浪的發展。

通過分析假相當位溫沿123°E經向的垂直剖面圖(圖7(c),7(d))上,在850hPa～300hPa以下的空中,等假相當位溫線由北向南的低空向傾斜,強冷中心位于地面渤海以北的區域,說明高空不斷有干冷空氣從高緯向低緯入侵。從地面到850hPa的低空在30°～40°N(黃渤海從南到北的緯度范圍)的區間上等假相當位溫線陡峭密集,而且在近地面層等值線接近垂直,這表明在這段時間在此區域對流穩定性較差。不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對流不穩定層結為大風天氣的出現提供了動力和能量條件。

7 結語

通過運用天氣圖,常規觀測資料和FNL大氣再分析資料對2016年1月17日～25日的“霸王級”強寒潮大風降溫天氣過程進行了綜合分析與研究,得出了以下結論：

1) 這次“霸王級”寒潮大風降溫過程的地面天氣系統極其復雜,不僅寒潮冷高壓中心在貝加爾湖以西盤踞不動,氣壓值高達1080hPa,而且配合著兩次東海氣旋東移北上入海獲取能量成為爆發性氣旋。氣壓梯度達到55hPa/10經距。

2) 歐洲西風指數經歷了兩次起伏變化,整個環流經歷了兩次長波調整,即兩次橫槽轉豎導致阻塞高壓崩潰。與此同時,亞洲西風指數基本上趨于逐漸減小,也就是說經向的槽脊強烈發展,最低低至100gpm,直至1月25日才開始增大,這時冷空氣對我國的影響才開始減弱,轉換為緯向環流。

3) 此次大范圍的寒潮天氣的強降溫主要是由強盛的冷平流造成的,這是寒潮大風降溫的熱力條件。冷平流強的地方降溫幅度大,冷空氣強度低于-2×10-2K·s-1,與日平均氣溫下降幅度在8℃的區域基本一致,而且冷平流區向南擴展的速度要超前于地面氣溫24h負變溫區向南擴展的的速度12h左右。

4) 大風浪海區處于正渦度控制下,位于正渦度中心西南的位置上,這保證了引起海上大風浪的上空風狀態較為穩定,風時較長,有利于偏北風浪的形成；低層輻散高層輻合的垂直結構有利于高空動量下傳至底層的海面,這有利于風浪從風中獲得能量得到補充,促進了海浪的發展；假相當位溫表明在850hPa以下的低層區域對流穩定性較差,不斷南侵的冷空氣以及低層大氣的對流不穩定層結為大風天氣的出現提供了動力和能量條件。

[1] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,唐東昇.天氣學原理與方法[M].北京:氣象出版社,2000.

[2] 宗志平,劉文明.2003年華北初雪的數值模擬和診斷分析[J].大氣科學,2004,30(11):3-7.

[3] 樊明,馮軍,尚文軍.2001-4-9寒潮天氣形成過程分析[J].氣象,2002,28(3):54-57.

[4] 劉麗.低緯高原冬季寒潮個例分析[J].氣象,2001,27(8):53-55.

[5] 許愛華,喬林,詹豐興,等.2005年3月一次寒潮天氣過程的診斷分析[J].氣象,2006,32(3):49-55.

[6] 惠小英,羅四維.地形對兩次寒潮過程影響的數值模擬研究[J].高原氣象,1993,12(3):283-293.

[7] 王麗,書惠紅,金琪,等.湖北省一次罕見的寒潮天氣過程氣溫陡降分析[J].氣象,2006,32(9):71-76.

[8] 本刊綜合.“世紀寒潮”緣何而來[J].發明與創新(大科技),2016,03:26-29.

[9] Qu W, Wang J, Zhang X, et al. Effect of cold wave on winter visibility over eastern China[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,2015,120(6):2394-2406.

[10] Ou T, Chen D, Jeong J H, et al. Changes in winter cold surges over Southeast China: 1961 to 2012[J]. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences,2015,51(1):29-37.

Reason of “Overlord” Cold Wave Caused by Strong Cooling Wind

WANG Jiehua1CHEN Kainuo2MU Yang2XU Jianyu3DAI Renwei4

(1. Unit 21, No. 92493 Troops of PLA, Huludao 125000)(2. PLA Naval Aviation Academy, Huludao 125000)(3. No. 91566 Troops of PLA, Dalian 116043)(4. The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory, Zhoushan 316000)

Cold wave processes a mass of strong cold air activity, it will bring rapid wind, blizzard and other severe weather. This paper focuses on the “overlord” strong cold wave process which lasts from January 17 to 25 in 2016. The cold wave process made the lowest temperature fell to an all-time record. After calculating vorticity advection,temperature advection, west wind circulation index and other physical quantities and analysing the upper air circulation situation, it is found that the time of cold wave has two consecutive translots turned vertical process. It also accompanies two cyclones which moves north. Strong cold advection is the thermal condition of strong wind, which makes the cold air invading. Convective instability of lower atmosphere layer provides motivation and energy conditions for the strong wind weather.

cold wave, cooling, strong wind, temperature advection, west wind circulation index

2016年10月10日,

2016年11月26日

汪結華,男,工程師,研究方向:海洋氣象分析與預報。

P425

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.023