南海西沙一次冷空氣強風分析

周宇

南海西沙一次冷空氣強風分析

周宇

（三沙市氣象臺，海南三沙573199）

對南海西沙一次冷空氣引發強風天氣進行分析。分析表明：高空低渦東移南下，橫槽轉豎，強冷空氣爆發，大舉南下入侵處于低緯的西沙，是引起西沙強風天氣的主要環流背景。探討850 hPa變溫場分布特征指出：負變溫的演變、強弱分布等與地面氣壓場演變特征有關，地面氣壓場中等壓線的密集區與強風關系明顯。溫度平流場分布演變與地面氣壓梯度、變壓梯度有較明顯的一致性，冷平流可增強地面氣壓梯度和變壓梯度，是西沙強風生成與發展的重要原因。

強風天氣；變溫場；氣壓梯度；溫度平流

1 引言

在東北季風盛行時期，冷空氣是影響南海的主要天氣系統之一[1]，大陸冷空氣以不同強度的爆發或補充形式向南侵襲導致的季風潮過程，常在南海形成大風天氣[2-3]，常常會發生災害，導致人民生命財產的巨大損失。一些學者對南海大風天氣的進行了探究，李維鋒[4]通過判斷Hadley環流的強度變化，來對南沙的風力變化進行預報。劉作智等[5]統計分析了南沙海區西南大風的一般情況，并對出現大風的天氣形勢進行分類統計。周學群等[6]對南沙西部一次偏北大風過程進行分析。由于我國南海海域遼闊，各海區觀測站點相對較少，海上風力的強弱變化和維持時間已成為日常氣象預報工作中的一個難點。三沙市自2012年建市以來，隨著海上通航條件的快速發展，對于海上強風規律的準確把握顯得尤為迫切，目前對南海西沙海域的海上大風的研究基本處于空白。2016年1月23日受罕見的席卷全國的強冷空氣影響，三沙市及附近海面出現8—10級大風，本文利用西沙永興島、珊瑚島的氣象數據，在分析氣溫、強風的基礎上，通過進一步的探討低緯偏北大風形成的物理機制，分析冷空氣引發大風的成因，為日后能夠準確的預報大風提供依據。

2 資料和方法

文中使用的資料有西沙永興島、珊瑚島常規地面站資料、美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）1°×1°分辨率，逐6 h再分析資料。計算和分析有關的物理因子，分析冷空氣引發低緯海區偏北大風的成因。

3 冷空氣大風過程及環流形勢

3.1 冷空氣降溫過程特征

受強烈的冷空氣影響，西沙永興島于23日凌晨氣溫開始驟降，25日01:16:23（北京時，下同）達到最低溫度17.1℃，相較于22日的最低溫度25.1℃，過程降溫幅度達8℃。23日凌晨也出現了較為明顯的負變溫，并于23日15時出現最大負變溫-7.2℃（見圖1），是1962—2016年54 a以來歷史同期（1月下旬）最低氣溫，是南海西沙一次罕見、少有的冷空氣降溫過程。

圖1 2016年1月22—26日永興島最低溫度和24 h變溫逐時演變

3.2 強風過程特征

采用地面觀測規范行業標準（2007年），即極大風速指某個時間段內出現的3 s平均風速最大值；最大風指某個時段內出現的10 min平均最大風速值。根據瓊州海峽大風課題研究和預警業務，定義最大風速≥10m/s和極大風速≥17m/s為大風事件[7]。

從23日06時開始，海南西沙周圍最大、極大風速開始增強，西沙珊瑚站于23日15時達到大風事件（最大風速：10.1 m/s，極大風速：17.4 m/s），從24日06—20時，珊瑚站出現極大風速和最大風速最為強盛時段，最大風速為11.9 m/s和極大風速為20.9 m/s，而永興島也在這時風速也為強盛時段，最大和極大風速分別為9.1m/s和19.8 m/s（見圖2）。由此可見，這次冷空氣降溫幅度大、風力強，致使西沙海上交通停止，樹木及島上一些設備受大風破壞，漁民不能出海捕漁等造成嚴重經濟損失。

3.3 環流形勢特征分析

21日20時500 hPa高空圖上，在烏拉爾山東部有一571位勢什米東北-西南向的阻塞高壓，在貝加爾湖東側有一512位勢什米切斷低渦，從21日20時—24日08時（見圖3a），低渦中心一直南掉,同時與低壓配合的冷中心也向南侵東擴。從低壓中心至巴爾喀什湖東南部有一橫槽，由于阻塞高壓前部有一支偏北急流，使橫槽南擺轉豎，引導強冷空氣爆發，大舉南下。700 hPa、850 hPa的高空強鋒區也自北向南移動（圖略），到24日08時，低渦中心位于朝鮮半島東部，從中心經長江下游到華南北部有一高空槽，850 hPa鋒區也自北向南一路南壓，24日08時西沙已處于鋒區的南部邊緣。

圖2 2016年1月23—26日西沙永興島、珊瑚站風速滑動平均曲線

21日20時—24日08時，在地面圖上貝加爾湖一直存在1 065 hPa以上強大的高壓，向長江中游伸展，在23日08時—24日08時，在湖南的北部分裂一個1 047.5 hPa以上高壓中心，從23日08時開始，從分裂高壓中心到臺灣東部洋面為一脊線（見圖3b，斜虛線為脊線），西沙處于脊線西南部的等壓線密集區域邊緣（見圖3中矩形框區域，隨著該區域向南推移，受其影響，西沙永興島觀測站測得的極大風速從07時9.8 m/s突然增加到14.3 m/s，到24日最大等壓線密集區就處于西沙附近，極大風速再次增強到16 m/s以上。

4 冷空氣引發氣壓場變化對強風的作用

4.1 850 hPa變溫特征分析

圖3 2016年1月24日08時天氣形勢場

圖4 2016年1月22日20時—24日08時850 hPa 24 h變溫分布（單位：℃/24 h）

本文用850 hPa 24 h變溫強度移動、分布等來表征冷空氣的活動特征。冷空氣最先于21日20時在內蒙古中部形成強降溫區，隨著低渦的南掉，至22日20時，強降溫區已轉移至河套地區，在河套附近存在2個明顯的變溫中心，變溫中心數值超過-10℃，也逐漸南移，南方的變溫中心雖移至湖南東南部，此時西沙離變溫中心還較遠，氣溫沒有明顯的變化。從23日08時開始，變溫中心繼續增強南壓，至24日08時，變溫中心已移動到海南島北部，變溫中心數值超過-12℃，西沙處于-4～-6℃變溫線之間，溫度下降明顯，到了24日20時，變溫中心處于西沙，其中心數值在-6℃以上（見圖4b—d）。雖然變溫強度減弱，但在低緯度的西沙出現這樣強降溫是十分少見的。

負變溫中心演變、強弱的分布對應的地面氣壓場分布有明顯的關系，在1月24日08時負變溫中心-10℃等值線處在海南島北部（見圖4c），對應24日08時地面氣壓場西沙處于高壓脊西南側的等壓線密集區，該區與強風發生發展是對應的。

4.2 地面氣壓的變化特征

對流層中低層鋒區南壓，溫度自北向南出現降溫，負變溫中心也向南增強變冷，可引發地面高壓增強，同時也引起氣壓梯度和變壓梯度變化。為了更進一步研究氣壓梯度、變壓梯度與強風之間的關系，以西沙永興國家自動氣象站為圓點坐標（站號：59 981，16.5°N，112.2°E）的5個緯度為半徑作圓弧，選取圓弧線上的氣象站氣壓數據，統計全部氣象站5個緯距范圍內的氣壓梯度和變壓梯度，選取絕對值最大的氣壓梯度和變壓梯度。22日02—14時氣壓梯度為2.3～3.7 hPa/5°N，之后氣壓梯度一直在上升增強，到24日08—20時出現氣壓梯度的強盛時段，其值為9.4～12.8 hPa/5°N，較前期22日14時之前的氣壓梯度增加4倍左右（見圖5）。在近地面層中主要是氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力三者相互平衡[8]，即：

式中：ρ為空氣密度，p為氣壓，k為z方向的單位矢量，f是科式參數。F為摩擦力，v代表風速。

由式（1）變為：

從式（2）可以看出因氣壓梯度增大必然引起風速的增加，因24日08—20時氣壓梯度較22日增強到4倍左右（見圖5），對應西沙在此時段內也發生、發展強風天氣過程。

圖5 2016年1月22—26日氣壓梯度和變壓梯度的演變

同時，從23日02時至20時都維持較大的變壓梯度，為4.3～7.3 hPa/24 h·5°N，而24日08時—20時的氣壓梯度峰值與強風一一對應的（見圖5），這也清楚表現變壓梯度的峰值對強風出現具有超前性，對預報大風具有指示意義。

對式（2）兩邊對時間求偏導可得：

式中：t是時間。從式（3）可以看出，在近地面層中，除了摩擦作用，水平風速的變化與變壓梯度直接相關，顯然，氣壓梯度和變壓梯度的增強是由于冷空氣南下引起的，強冷空氣能引起地面高壓增強，其高壓中心一直在1 065 hPa以上，而且高壓中心向南移動和擴展過程中，其外圍等壓線變密，氣壓梯度梯度增大和變壓梯度變大，由此引起大風事件。

5 溫度平流的變化特征

圖6 2016年1月24日08時對流層中低層溫度平流（單位：10-4℃/s）

22日20時，在500 hPa高空圖上，在河套東部有強冷平流區，其中心強度為-3×10-4℃/s以上,強冷平流區開始東移加強，到了24日08時（見圖6），強冷平流區已形成兩個中心，其中一個在長江中游，另一個已移至黃海，中心強度都為-8×10-4℃/s以上，并自500 hPa向對流層中低層（700 hPa、850 hPa、 925 hPa）形成冷平流后傾斜通道，在925 hPa上，西沙處于強冷平流區，處于-2×10-4～-4×10-4℃/s等值線之間，由于強冷平流東移南壓可引起地面氣壓場、變壓場變化，地面高壓中心向東南移動，其中心軸線向東南方向伸展（見圖3b），其高壓中心外圍出現等壓線的密集區，氣壓梯度增強，冷平流可增強地面氣壓梯度和變壓梯度引發強風生成和發展。

由氣壓傾向方程[8]

本文還選取23日08時—24日20時各層的溫度平流資料，沿112.2°N作溫度平流的垂直剖面（見圖7）。23日08時，已存有冷平流自500 hPa向下的后傾斜通道，但在300 hPa高度上有一較強的暖平流中心，受到400 hPa到300 hPa之間的暖平流阻隔，未形成向下后輸送通道的貫通，隨著冷平流強度的增加和對流層中高層的暖平流的減弱，至24日08時，自200 hPa而下形成較強的冷平流后傾斜通道，24日08—20時發生強冷平流自高層向下傾斜通道，出現一致明顯下傳發展的特征，對應地面風場增強。

圖7 2016年1月23日08時—24日20時溫度平流垂直剖面（單位：10-4℃/s）

22日對流層低層為弱暖平流控制，未受到明顯的冷平流影響，23日08—20時，研究區域受冷平流影響，并逐漸加強（見圖8a）。925 hPa、850 hPa、500 hPa 3層22日均顯示為暖平流,到23日08時，500 hPa沒有變化仍為暖平流，850 hPa平流變化不大，925 hPa則由暖平流轉為冷平流并明顯增強（見圖8b）,該時段對應圖5氣壓梯度和變壓梯度均快速增強，同時對應圖2所示的極大風速、最大風速曲線的第一個峰值，顯然925 hPa由暖平流轉為冷平流并增強，表現對強風出現具有超前性，對預報大風具有指示意義。

24日08—20時（見圖8a），對流層低層冷平流再次增強，中心強度超過-3×10-4℃/s。500 hPa平流變化不大，850 hPa冷平流加強，925 hPa冷平流又一次明顯增強（見圖8b），對應圖5氣壓梯度和變壓梯度又一躍升，對應圖2的風速變化的出現第二個峰值。由此可見，冷平流的變化是與風速的變化關系緊密。強冷空氣伴隨的冷平流使得地面正變壓場加強，變壓梯度增大，地面氣壓梯度迅速增加，促使南海西沙強風形成，從而構建冷空氣引發強風的因子鏈，由此可利用這些因子的數值產品，對強風預報釋用提供依據。

通過分析2016年1月23—26日南海西沙一次冷空氣強風發生發展，得出如下4點結論：

（1）受大舉南下的冷空氣影響，西沙出現1962年以來，54 a的歷史同期最低氣溫，也是一次罕見的冷空氣降溫強風天氣過程；

圖8 2016年1月22日08時—25日08時溫度平流演變（單位：10-4℃/s）

（2）本文探討得出這次強風過程是由于低壓中心南掉、橫槽轉豎，強冷空氣爆發大舉南下形勢背景下發生的；

（3）對流層中低層負變溫中心自北向南移動，地面高壓增強，在高壓中心向南移動或伸展過程中，在其南部邊緣一直存有等壓線密集區，從而引起氣壓梯度和變壓梯度增強；

（4）冷平流使得地面正變壓加強，變壓梯度增大促使強風發生，溫度平流垂直結構表明：自上而下一條后傾型傳輸通道，當后傾高層到底層出現一致明顯下傳發展特征，地面風場將增強。

[1]劉明月,蘭秀凱.怎樣做好南海的氣象保障[J].海洋預報,2011, 28(6):72-76.

[2]黃煥卿,韓雪.東亞冷空氣的變化趨勢[J].海洋預報,2014,31(5): 69-75.

[3]梁必騏,王安宇,梁經萍,等.熱帶氣象學[M].廣州:中山大學出版社,1990:58-59.

[4]李維鋒.南沙海區持續東北大風產生的原因分析[J].海洋通報, 2004,23(1):90-93.

[5]劉作智,鐘德明.南沙海區7-9月西南大風的天氣形勢及其預報[J].海洋通報,1983,5(5):15-20.

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[8]朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理和方法[M].4版.北京:氣象出版社,2000:53-54,74-75.

Analysis on gale weather process accompanied by severe cold air on Xisha islands of South China Sea

ZHOU Yu
(Sansha Provincial Meteorological Observatory,Sansha 573199 China)

The characteristic of gale weather process accompanied by severe cold air on xisha islands of South China Sea was studied in this paper.The results showed that the circulation background was resulted from the south falling vortex,zonal trough became a meridianal one and the strong cold air breaking out aggressive invaded XiSha at low latitude.Through the discussion of the distribution characteristics of the varying temperature field at 850hPa,it pointed out the evolution and strength distributions of negative varing temperature had a relation with the surface pressure field character,and the isobar dense zone also had a significant association with gale.The distribution and evolution of temperature at advection level showed a same trend with surface pressure gradient and allobaric gradient.The cold advection could enhance surface pressure gradient and allobaric gradient,which was an important factor for the occurrence and development of gale weather process on xisha islands.

gale weather process;varying temperature field;pressure gradient;temperature advection

P732.3

A

1003-0239（2017）04-0058-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.007

2016-11-01；

2016-12-12。

周宇（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事短時臨近和短期天氣預報技術研究。E-mail：zhouyunuist@yeah.net