保定市一次大風天氣過程診斷分析

張思涵，董疆南，高萬泉，馬鴻青，王志超

（1.河北省定州市氣象局；河北 定州 073000；2.河北省保定市氣象局，河北 保定 071000）

大風是影響保定的重要氣象災害性天氣之一。大風沙塵天氣不僅會對生態環境、人民生活等造成重大影響，同時也會對農林業、畜牧業等的生產造成嚴重威脅[1]。位于河北中部的保定市地處太行山北部東麓，冀中平原西部，地勢由西北向東南傾斜，有山地、丘陵、平原，地形較為復雜，春季易出現大風天氣[2]。長期以來，由于大風天氣出現頻率較高、危害程度較大，眾多學者圍繞大風及其成因做了深入研究。關于冷空氣大風的成因，一些學者［3-6］認為是斜壓大氣能量轉換、西北急流活動及動量下傳等因素共同作用的結果；張鵬等[7]分析了山東省一次高空冷渦誘發的渤海氣旋大風過程，對渦度平流、溫度平流、散度等動力和熱力條件進行了診斷分析，指出高層與中低層的反位相垂直分布特征；康志明等[8]、牛若蕓等[9]研究指出，冷鋒過境前冷高壓加強，冷空氣堆積時冷平流輸送顯著；陳淑琴等[10]、尹盡勇等[11]發現冷鋒過境時氣象要素發生明顯變化，大氣動量下傳使近地層的風向突變，風速加大。

文章選取了2020 年3 月18 日河北省保定市出現的一次大風天氣過程，從環流形勢、物理量場等多角度深入分析，加深對其物理機制的理解，總結預報和服務經驗，以期為今后出現類似天氣過程提供理論依據，提高對保定市大風天氣的預報預警服務能力。

1 天氣實況

2020 年3 月18 日白天到夜間，受冷空氣影響，河北省出現大風天氣過程，共有121 個國家站日極大風速達到17m·s-1，55 個測站極大風速突破3 月歷史極值，其中保定地區有9 個測站突破3 月歷史極值。此次過程影響范圍廣，強度大，經統計日最大風風速普遍達5-8 級，最大徐水19.4m·s-1；日極大風風速普遍達8-11 級，最大安國28.9m·s-1。大風過程中伴有揚沙天氣，19 時保定PM10 濃度達1117mg·m-3。本次大風過程致使多地出現火災，大風給救火工作造成較大困難。

2 環流背景分析

從500hPa 形勢來看（如圖1a 所示），3 月17 日20 時，亞洲中緯度為兩槽一脊型，亞洲東部與烏拉爾山東部分別有一高空槽，高壓脊位于90°E 附近，與東亞大槽形成西高東低的形勢，在極鋒鋒區上不斷有大風速區東傳。此時貝加爾湖附近極渦底部有冷空氣南下疊加在鋒區之上；18 日08 時冷空氣與極渦脫離，逐漸南下，形成-36℃的閉合冷中心，同時溫度槽落后于高度槽,使得貝加爾湖短波槽加深為東西向橫槽。在高壓脊后部有暖平流，脊前為冷平流，隨著系統移動，風向由偏西風轉為偏北風，冷平流明顯增強。20 時橫槽加深轉豎，槽后冷平流明顯，此時河北出現大風天氣。隨后高空槽繼續東移入海，最終取代原東亞大槽的位置。

從850hPa 形勢來看（圖略），3 月17 日20 時，貝加爾湖南側也有高空槽下滑加深，溫度場上有溫度脊向北伸展與高空槽反位相疊加，槽前后冷暖平流均較明顯；18 日08 時高空槽南下加強呈東北-西南向，保定受槽前暖區控制，有利于白天升溫及氣壓下降。高壓脊前冷空氣南下，鋒區加強壓在40°N以北；20 時高空槽轉豎加深南下，等高線與等溫線接近垂直，保定受鋒區控制，形成極強冷平流，從而出現大風天氣，此時850hPa 偏北風風速也在20m·s-1左右。

分析地面形勢可知（如圖1b 所示），3 月18 日08 時冷鋒在40°N 以北，冷高壓中心值大于1037.5hPa，河北中南部為西高東低的形勢，偏西風有利于產生焚風效應，氣溫上升，氣壓下降；14 時冷高壓分裂南下與河北東北部低壓區形成對峙，等壓線梯度明顯增大；16 時隨著冷鋒后地面高壓的臨近，山西北部到河北西北部一帶的3h 正變壓增強，冷鋒前為大片的負變壓區，河北境內最大變壓差達到10.5hPa/1 經度；17 時變壓梯度大值區到達河北中部地區。可見保定東部極值大風主要是變壓風起主導作用；20 時鋒面已南壓至河北山東交界，此時保定處在鋒后等壓線梯度大值區，多地出現大風。

圖1 2020 年3 月18 日20 時500hPa 位勢高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）、風場(a)，以及海平面氣壓場(b)（單位：hPa）

3 物理量分析

3.1 動力條件分析

高空槽下滑過程中逐漸加深，槽區附近正渦度不斷增強，槽后及高壓脊為負渦度控制，從垂直結構看，低層700hPa、850hPa 高空槽呈東北-西南走向，偏前于500hPa，系統呈后傾結構。渦度場垂直剖面上可以看到兩個正負渦度對，槽線上正渦度最強，中心在350hPa 附近（如圖2a 所示）。渦度平流垂直分布為槽前正渦度平流，槽后負渦度平流達最強，中心在350hPa 附近，負渦度平流有利于地面加壓，渦度平流隨高度迅速減小，有利于產生較強下沉運動。同時低層也存在下沉負渦度平流區，與地面大風區配合較好（如圖2b 所示）。

圖2 2020 年3 月18 日20 時渦度(a)（單位：10-5s-1）、渦度平流(b）（單位：10-8s-2）垂直剖面

18 日14 時高空急流入口區38～41°N 有次級環流形成，主要環流位于300-650hPa，垂直速度剖面圖有速度對與之配合，急流南側輻散，形成一支上升氣流，北側輻合，對應著氣流下沉支。18 日08 時115°E 附近有“漏斗”狀北風強風速帶向近地面伸展，高空動量下傳，14-20 時北風強風速到達地面，形成大風天氣（如圖3、圖4 所示）。

圖3 2020 年3 月18 日急流入口處次級環流14 時v、w 合成風場沿115°E 的垂直剖面(a)；14 時w 沿115°E 的垂直剖面(b)(負值表示上升運動，單位：Pa·s-1)

圖4 2020 年3 月18 日08 時(a)、14 時(b)、20 時(c)經向風v 沿38.9°N 的垂直剖面（單位：m·s-1）

3.2 熱力條件分析

3.2.1 溫度平流

溫度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。溫度平流是斜壓擾動發展的主要動力條件[12],強冷平流有利于地面氣壓梯度快速加大，造成地面風力加強。利用NCEP/NCAR1°×1°資料對溫度平流的作用進行分析（如圖5 所示），18 日08 時，鋒區位于內蒙中部，對應冷平流區也位于內蒙中部，中心強度為-5×10-4K﹒s-1；20 時850hPa 鋒區南壓至河北中部，冷平流南下移至河北上空，大值中心位于河北東北部至河北中部一帶，并呈加強趨勢，中心值加強至-12×10-4K﹒s-1。受強冷平流影響，20 時前后保定多地出現大風天氣。

圖5 2020 年3 月18 日08 時、20 時850hPa 溫度平流（單位：10-4K﹒s-1）

3.2.2 500hPa 和850hPa 溫差與相對濕度

大風的產生與氣壓差、溫度差密切相關。3 月18 日08-14 時,隨著高層500hPa 槽后冷平流的東移，500hPa 和850hPa 溫差逐漸增大，14 時達到-33℃，大氣層結極不穩定。與此同時，濕度廓線顯示對流層中層及以下相對濕度均小于20%，整層均為干空氣，有利于高空動量下傳，形成地面大風（如圖6 所示）。

圖6 2020 年3 月18 日大氣層結特征T500-850（單位：℃）（a）、相對濕度垂直分布圖（單位：%）（b）

3.2.3 探空

18 日08 時，北京和邢臺上空都有不同程度的逆溫，說明此時處于鋒前位置，且850hPa 以下為偏西風，風速較小。隨著鋒區南壓，鋒面過境，逆溫層遭到破壞，20 時低層風速明顯增大，邢臺探空700hPa 以下、北京探空850hPa 以下溫度層結曲線接近干絕熱，有利于動量下傳。

3.3 風廓線分析

風廓線雷達是通過發射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結構不均勻而返回的信息進行氣象探測的[13]。從風廓線雷達圖可以看出（如圖7 所示），16 時保定上空基本為偏西風，大風速區在3000m 以上，17 時30 分降至3000m以下，風速為20m·s-1，但近地面風速較小，在6m·s-1左右；19 時30 分轉為偏北風，大風速區已發展至近地面，近地面風速明顯加大，達到22m·s-1，保定開始出現大風天氣。分析可知，16 時-19 時30 分大風速區高度明顯下降，底層風速明顯增大，說明有動量下傳。由此可見，風廓線的速度特征能夠很好地反映出這次大風的演變過程。

圖7 2020 年3 月18 日風廓線雷達圖（單位：m·s-1）

4 結論

1）這是一次超極地冷空氣的以偏北路徑快速南下形成的大風，主要影響系統為高空槽、地面冷高壓以及冷鋒。

2）貝加爾湖冷高壓分裂南下，在河套地區形成冷高壓，與河北地區低壓形成西高東低對峙形勢。河北地區氣壓梯度大，變壓強，有利于大風出現。

3）負渦度平流產生較強下沉運動，有利于槽后較高動量的冷空氣向下傳送。同時高空急流入口區次級環流的形成加速了大氣的上下交換，“漏斗”狀北風強風速帶向地面伸展，激發了地面大風的出現。

4）鋒區明顯，冷平流強，大氣層結極不穩定，有利于高空動量下傳，形成地面大風。