保定春季極端大風天氣過程診斷分析

王志超，徐義國，王亞婷，董疆南

(保定市氣象局，河北 保定 071000)

大風是災害性天氣的一種，對工農業生產和人民生活影響很大。因此，大風天氣的預報及機理研究受到氣象工作者的廣泛關注和重視。對于春季大風的成因，高夢竹等[1]發現較大的垂直風切變和干空氣侵入易引起動量下傳，使地面風速加強；馬月枝等[2]研究表明冷鋒前上升運動和高空急流入口區次級環流上升氣流的疊加提供了深厚的垂直環流發展條件；孫建明等[3]揭示了高低層溫度差動效應對大風預報的定量指示作用；王易等[4]認為強3h正變壓引起的變壓風是產生大風的主要原因。

1 過程概況

2020年3月18日傍晚前后保定地區出現西北大風天氣，統計10min日最大風風速普遍為5級-8級，最大風速為徐水的19.4m/s；10min日極大風風速普遍達8級-11級，最大風速為安國的28.9m/s。其中安國、徐水極大風風速為該站20年極值，安國極大風風速為保定地區20年春季大風極值。安國站氣象要素日變化曲線上，白天為偏西風，風速4級-5級，陣風6級-7級，氣壓下降，氣溫升至最高27.8℃，傍晚鋒面過境轉為西北風，3h變壓11hPa，平均風8級，陣風達11級。大風過程中伴有揚沙天氣，19時保定PM10濃度達1 117μg/m3。

2 環流演變

3月17日20時500hPa亞洲中緯度為兩槽一脊型，東亞大槽與新疆北部的高壓脊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南下形成-36℃的閉合冷中心，貝加爾湖短波槽加深，溫度槽落后高度槽。20時高空槽下滑過程中繼續加強，槽后冷平流明顯，此時河北出現大風天氣。之后高空槽繼續東移入海，最終取代原東亞大槽的位置。850hPa上貝加爾湖南側也有高空槽下滑加深，溫度場上可以看到有溫度脊向北伸展與高空槽反位相疊加，槽前后冷暖平流均比較明顯。18日08時高空槽南下加強呈東北—西南向，保定處于槽前暖區控制，有利于白天的升溫及氣壓下降，高壓脊前冷空氣南下，鋒區加強壓在40°N以北。20時高空槽加深南下，保定處于鋒區控制出現大風天氣，此時850hPa偏北風風速也在20m/s左右。

地面圖上冷鋒在40°N以北，冷高壓中心值大于1 037.5hPa，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時河北東部形成中心值小于1 000hPa的低壓中心，冷高壓分裂南下，高低壓對峙區位于河北北部。20時鋒區影響保定，高低壓對峙區也南壓影響保定。鋒面16時-17時影響保定，衛星云圖上有鋒面云帶配合，鋒后風速加大到10m/s左右，上游有弱降水，北京和山西北部地區出現揚沙天氣。19時鋒面移動到河北東部，保定平均風速增大到20m/s左右，大部分地區出現揚沙天氣。可見大風速區出現在冷鋒后部的鋒區附近，揚沙區與大風速區一致。

3 物理量診斷分析

3.1 渦度分析

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300hPa附近。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400hPa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。

3.2 冷平流分析

溫度平流場分析可以發現：850hPa等溫線密集，溫度梯度大，同時風速也較大，達到20m/s，風向與等溫線夾角近90°，所以溫度平流比較顯著，有利于地面加壓。從溫度平流垂直剖面上看，垂直結構上形成了向后傾斜的冷平流柱，強冷平流向下伸展達到近地面層，同時低層冷平流又強于中層，大氣為穩定層結，強冷平流有利于地面加壓，是大風出現的重要原因。

3.3 散度和垂直速度

高空槽前中層輻合、高層輻散，有傾斜上升運動。槽后高層輻合，中層輻散，有下沉運動，有利于將高空槽后較高動量的冷空氣向下傳送，地面風力增大。

圖2 2020年3月18日20時沿39°N散度和垂直速度剖面

冷鋒鋒區附近的下沉運動主要出現在對流層中下層，20時冷鋒移動到118°E，后部風力沒有達到最大，對應的下沉運動也不是很強。最強下沉運動出現在鋒后114°E～116°E，下沉運動中心在700hPa～900hPa之間，對應的散度場上最強輻合中心在600hPa～700hPa，最強輻散中心在800hPa～地面。中層輻合、低層輻散的散度配置有利于強下沉運動的出現。同時散度場上也可以看到，地面附近強輻散區向前傾斜，說明下沉運動接地后轉為水平方向，地面出現大風天氣，此時速度場上也表現為近地層下沉運動有所減小。

3.4 地轉風和變壓風

3月18日下午地面圖上冷高壓中心穩定在內蒙古中部，與渤海低壓形成西高東低的對峙形勢，冷空氣主要以偏西路徑影響保定。由于太行山地形阻擋作用，冷空氣逐漸在山前堆積，等壓線密集，地轉風在保定西部山區最大。3h變壓中心自內蒙古東移經張家口、北京以偏北路徑移向保定，中心值由+5hPa增至+11hPa，變壓梯度在保定東部密集，變壓風在此處最大。綜合上述分析，本次大風過程由地轉風、變壓風二者共同影響，保定東部地區極值大風主要是變壓風起主導作用。

圖3 2020年3月18日20時地面氣壓、3h變壓

4 歷史個例對比

統計了近20年保定地區10min極大風極值，最大是對流性大風為2017年7月9日，風速35.1m/s，春秋季系統性大風最大為本次過程的28.9m/s。選取2010年3月20日春季大風為對比分析個例。“10.03.20”過程日最大風速17m/s，日極大風速阜平25.6m/s，滿城為該站20年極值24.1m/s。比本次過程小一個量級。

兩次過程形勢對比分析，相同點在于500hPa受高空槽影響，西高東低形勢，經向度大。不同點是“10.03.20”過程500hPa鋒區偏南，風速偏大，影響保定地區是偏緯向環流。850hPa經向度都很大，鋒區強，冷平流強。不同點在于“10.03.20”過程有閉合高低壓中心，鋒區主體偏南。地面均為西高東低形勢，渤海低壓強度相近，“10.03.20”過程冷高壓勢力強，河套附近中心值大于1 027.5hPa，保定地區等壓線更密集，但是3h變壓強度不如本次過程，所以極大值風速偏小。

5 結論與討論

①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，將高空槽后較高動量的冷空氣向下傳送，產生大風天氣。②中層輻合、低層輻散的散度配置有利于強下沉運動的出現。地面附近強輻散區向前傾斜，下沉運動接地后轉為水平方向，對地面大風的出現有指示意義。③本次春季極端大風過程由地轉風、變壓風、動量下傳等因素共同影響，保定東部極值大風主要是變壓風起主導作用。④一些文獻認為地轉風與變壓風風速之和接近地面10min平均風速值，但極大風速如何近似計算仍是業務難點。