一次豫北春季持續性大風天氣的分析

段中夏

（新鄉市氣象局，新鄉 453000）

0 引言

由強冷空氣造成的春季大風是河南的主要災害性天氣之一，不僅對電力、通信設施及高層建筑施工等方面造成威脅，還給農業生產等帶來嚴重影響。長期以來， 由于大風的強危害性和頻發性，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；吳海英等[2]認為溫度平流可以導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的重要原因；陳淑琴等[3]、尹盡勇等[4]、黃彬等[5]發現動量下傳在許多強風天氣過程中起重要作用；姚正毅等[6]發現大風天氣不僅受大尺度天氣系統影響，還受局地地形和下墊面性質影響；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果；張華等[8]對呼和浩特市一次春季大風進行分析發現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了罕見的強度大、持續時間長的大風天氣。此次過程，豫北地區共有14個國家站出現了極大風速超過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），致使多地出現了較嚴重的災情。

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，冷空氣不斷向南輸送。3月30日20時，500和700 hPa高緯出現－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展，引發東北北部形成低渦，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明顯鋒區，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，并導致地面加壓明顯，出現+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，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，冷槽繼續向東南發展，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（表1）。4月1日08時，河北南部轉受冷空氣影響，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展，黃淮南部進一步減壓，造成黃淮區域較長時間處于溫度梯度大值區中。4月1日20時，西南氣流由南向北、由低空向高空發展，925 hPa冷中心到達豫北，豫北冷平流顯著減弱，大風逐漸減弱。

中高層高緯地區冷槽東南發展帶來冷空氣使中低層高壓發展與中低緯度高層西南氣流下形成的暖低壓形成對峙，導致系統移動緩慢，使豫北較長時間處于溫度梯度大值區，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，豫北地區受其東伸的倒槽控制；貝加爾湖南側存在強冷高壓，中心氣壓達1036.3 hPa；冷高壓南側華北地區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，豫北轉受東路冷空氣和冷鋒影響，產生較大的正變壓，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潛熱釋放作用而形成的暖低壓形成對峙，豫北地區處于較大的氣壓梯度區，華北及黃淮地區形成較強的變壓和氣壓梯度，產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系。20時，冷高壓與高緯冷空氣的聯系近乎完全被隔斷，由于無新冷空氣補充，地面非絕熱加熱和降水的凝結潛熱釋放的作用導致冷高壓迅速減弱，豫北轉為負變壓區，豫北地區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展，與北部高壓形成對峙，導致豫北地區持續位于氣壓梯度大值區中。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系，加之非絕熱加熱和降水引發的凝結潛熱作用，導致變壓風減小，而鋒面南下導致豫北氣壓梯度減小，梯度風減弱，最終導致大風消失。

3 物理量診斷分析

3.1 熱力強迫

冷暖平流的本質是密度平流，是準地轉動力學中的熱力強迫項，與地面變壓密切相關。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南移，中心高度下降，強度增大到20×10-4℃/s以上，影響區域也明顯增大，并和低層風速大值區相對應，而33°N上空900 hPa附近出現了中心強度超過20×10-4℃/s的暖平流區，低層的冷暖平流導致地面的變壓和變壓梯度增大，氣壓梯度也相應增大，有利于大風出現（圖4b）。4月1日02時，冷平流大值區進一步南移至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致地面的變壓、變壓梯度、氣壓梯度進一步增加，大風繼續維持并增強（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，大風繼續維持（圖4d）。4月1日14時，北部冷平流繼續減小且在低層冷平流大值區上空出現了暖平流大值區，但底層冷平流仍大于10×10-4℃/s，南部暖平流中心繼續增大到100×10-4℃/s，仍存在較大的溫度平流梯度，導致地面氣壓和變壓梯度維持，大風維持（圖4e）。隨后，暖平流進一步發展，地面上方的密度平流減弱，根據氣壓傾向方程，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為暖平流（圖4f），低緯低層低渦倒槽導致暖平流由南向北、由低空向高空發展，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。豫北大風出現前期，河南地區受暖氣團控制，并在散度場上表現為較強的低層輻合區，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展并北移，正負散度中心的數值均超過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與大風的出現和維持有良好的正相關關系，垂直運動有利于動量向下輸送，從而有利于大風的發展維持。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，還導致38°N附近產生上升運動，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展和維持。

4 結論和討論

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在大風區冷空氣厚度較薄、斜壓性較強。

1）中高緯冷槽與中低緯西南氣流導致中低空產生強烈的鋒生作用，并引起地面冷高壓與暖低壓的相向移動發展。隨冷高壓南下，高壓前冷鋒引起豫北地區出現東北大風。持續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展，兩系統對峙使豫北長時間處于變壓梯度和氣壓梯度大值區中，有利于豫北大風發展和維持。

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小；南北的冷暖平流加強時期與地面大風加強時期有良好對應關系，且低層冷平流增大，有利于地面氣壓的升高，同時產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。另外通過散度產生的次級環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。

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