2013年初春的一次寒潮大風天氣分析

許慶娥，杜麗婭

（濮陽市氣象局，河南濮陽457000）

2013年初春的一次寒潮大風天氣分析

許慶娥，杜麗婭

（濮陽市氣象局，河南濮陽457000）

利用探測資料、地面自動站的觀測資料和FNL資料，對2013年3月9～10日發(fā)生在濮陽的一次寒潮大風天氣進行了天氣形勢、地面氣象要素及物理量特征方面的分析。結(jié)果表明：500 hPa極渦分裂南下，使東移的短波槽與南支槽同位相疊加，導致冷空氣南下，冷空氣在槽內(nèi)堆積是導致寒潮大風天氣的大尺度環(huán)流背景；強冷空氣東移南下與暖低壓的發(fā)展造成的較大氣壓梯度是形成大風天氣的主要原因；地面冷鋒后的強冷平流和鋒前的強暖平流造成了強的斜壓性發(fā)展，并使鋒區(qū)附近產(chǎn)生了較大的氣壓梯度和變壓梯度，導致冷鋒后部出現(xiàn)了地面強風；地面冷鋒前的上升運動與高空急流入口區(qū)次級環(huán)流的上升運動的疊加為深對流的發(fā)展提供了有利條件，這也是產(chǎn)生大風天氣和大風卷起沙塵的根本原因。

寒潮大風；極渦；蒙古氣旋；鋒區(qū)；高空急流；物理量特征

寒潮大風是由寒潮天氣引起的大風，常常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信設施和交通安全等帶來不利的影響，給國民經(jīng)濟造成巨大的損失，因此，做好大風天氣的預報并提供相關的服務顯得越來越重要。針對由強冷空氣引起的大風在預報方法上的研究已取得了一些成果［1-4］。我國幅員遼闊，各地的寒潮大風都有其特性。筆者對2013年3月9～10日發(fā)生在河南濮陽地區(qū)的一次寒潮大風天氣過程進行深入的分析，為提高大風天氣的預報水平提供了有價值的參考，現(xiàn)整理如下，以便為防災、減災提供有效的服務。

1　天氣實況

受較強冷空氣快速東移南下的影響，2013年3月8日到10日，北方大部分地區(qū)經(jīng)歷了進入2013年以來最強的大風和沙塵天氣過程。受其影響，河南濮陽出現(xiàn)了大風（平均風力6～7級，最大瞬間風力9級）降溫天氣，部分縣區(qū)還伴有揚沙，具體數(shù)據(jù)見表1。在這次天氣變化過程中，降溫幅度大、降溫快、風力大、持續(xù)時間長，這些都是濮陽歷史同期所罕見的。

表12013年3月9～10日濮陽寒潮大風天氣實況

2　前期天氣概況及地面氣象要素分析

進入3月份以后，濮陽的氣溫異常偏高，所轄五縣上旬的平均氣溫為10.5～11.7℃，比歷史同期偏高5～6℃，尤其是9日這一天，最高氣溫達到29.7～30.5℃，創(chuàng)歷史同期新高。持續(xù)的高溫為大風的出現(xiàn)提供了熱力不穩(wěn)定條件，也在某種程度上加大了本次強冷空氣過程的降溫幅度。

9日濮陽觀測站的逐時氣象要素變化情況如下：從14時到15時，冷鋒過境，氣壓開始迅速增大，到20時，氣壓飆升了18.3 hPa；與此同時，氣溫驟降，從14時到20時，氣溫下降了16.5℃，尤其是從14：08到14：32的24 min內(nèi)，氣溫陡降了7.2℃，超過了文獻［4］中提到的30 min內(nèi)下降5.4℃的降溫幅度；冷空氣的快速南下致使風速從氣壓涌升時開始增大，從14：48開始，8級以上的間歇性大風刮個不停，直到21時才結(jié)束。前期氣溫偏高，近一個月內(nèi)又無有效降水，且3月上旬為早春季節(jié)，植被稀疏，地表裸露，土質(zhì)疏松，導致濮陽出現(xiàn)了揚沙天氣。冷空氣從9日14時開始影響濮陽地區(qū)，在12 h內(nèi)，最低溫度下降了9.9～11.5℃（表1），且最低溫度均小于4℃，降溫幅度達到了寒潮天氣標準。

3　主要影響系統(tǒng)分析

圖13月8日20時500 hPa高度場與溫度場的疊加

3.1高空形勢分析

圖1是3月8日20時的500 hPa高度場與溫度場疊加圖（圖中實線為等高線，單位為dagpm，虛線為等溫線，單位為℃，以下同），歐亞中高緯度地區(qū)的環(huán)流形勢為兩槽一脊型，兩個深厚的低槽系統(tǒng)分別位于東歐和東亞遠東地區(qū)，兩槽之間為寬廣的高脊區(qū)，中國大部分地區(qū)受新疆高脊前部和遠東大槽后部的西北氣流控制。63°N以北、新地島以東有一個極渦系統(tǒng)，并有一個相配合的-46℃冷中心。極渦中心分裂短波槽東移南下至新疆以北，并伴隨強冷空氣向東南擴散。與此同時，里海附近的高空槽在東移過程中分裂成南北兩支，北支槽北縮加速東移，于8日20時移至貝加爾湖地區(qū)，先后分裂的兩個小槽分別位于新疆以北和貝加爾湖，兩個小槽之間有一個高壓脊，脊后不斷有暖空氣補充進入，導致高壓脊發(fā)展和加強，環(huán)流經(jīng)向度加大［5］，減緩了新疆以北小槽的東移，并造成冷空氣在此槽內(nèi)堆積。強盛的冷空氣迫使新疆以北的小槽快速向東南移動，并在東移過程中與貝加爾湖的小槽合并，到9日8時（圖2），合并后的短波槽已東移南壓到內(nèi)蒙古西北部，溫度槽落后于高度槽，高度槽后有強冷平流。華北地區(qū)受暖脊控制，溫度較高，南支槽也東移發(fā)展和加深，其北端延伸至晉冀交界地區(qū)。在東移過程中，高緯度的短波槽與南支槽同位相疊加，使環(huán)流經(jīng)向度進一步加大。在槽后偏北氣流的作用下，冷空氣加速南下，導致寒潮天氣爆發(fā)。9日午后，寒潮天氣開始影響濮陽，全市由北向南先后經(jīng)歷了8級以上大風、強降溫和大部分縣區(qū)伴有揚沙的天氣過程。

圖23月9日8時500 hPa高度場與溫度場的疊加

在8日20時的850 hPa高空圖（圖3）上，從巴爾克什湖到新疆北部有一中心值為152 dagpm的冷高壓，其鋒區(qū)位于內(nèi)蒙古西北部到新疆天山一帶，鋒區(qū)強度為32℃/10°N。在蒙古國，有一個氣旋在發(fā)展，其前部的暖平流較強，使整個華北地區(qū)的氣溫維持在10～20℃。在河套地區(qū)，有一個20℃的閉合暖中心，其中心溫度24℃。9日8時（圖4），20℃的暖中心東移至豫北地區(qū)，冷高壓快速東移至河套西部，溫度梯度明顯增大，5個緯距的溫差達24℃，形成了強鋒區(qū)，等溫線與等高線夾角接近垂直，這說明已形成了強冷平流，風速達到了20 m/s，同時，低層冷平流增加了邊界層大氣的不穩(wěn)定性，并有利于動量下傳，加大了地面的風速。隨著鋒區(qū)的東移南壓，濮陽地區(qū)在3月9日午后出現(xiàn)了寒潮大風天氣。

圖33月8日20時850 hPa高度場與溫度場的疊加

圖43月9日8時850 hPa高度場與溫度場的疊加

3.2地面形勢分析

圖53月8日20時的地面形勢

從8日20時的地面形勢（圖5）可以看出，中心強度為1 035 hPa的冷高壓主體位于新疆北部，并與貝加爾湖以北的冷高壓相通，形成了從東北到西南方向的高壓帶。兩個高壓帶之間的低壓帶斷裂后，高壓帶前部在蒙古發(fā)展成中心強度為985 hPa的氣旋，使高、低壓系統(tǒng)之間的氣壓梯度增大。隨著冷高壓東移南壓及合并，冷空氣的強度進一步增大。到9日08時（圖6），冷高壓東移至蒙古國境內(nèi)，中心強度已發(fā)展到1 047 hPa。冷鋒位于赤峰、太原到平?jīng)鲆痪€，豫北地區(qū)處于東北經(jīng)華北延伸至四川盆地的暖低壓帶中。到了9日11時，豫北地區(qū)已被暖低壓控制，地面升溫明顯。14時前后，冷鋒南移至豫北地區(qū)，并從14：48開始影響濮陽，17時和20時的3 h變壓值均大于9 hPa，鋒后的強冷平流和鋒前的強暖平流造成強的斜壓性發(fā)展，使鋒區(qū)附近產(chǎn)生較大的氣壓梯度和變壓梯度，導致冷鋒后部出現(xiàn)了地面強風。隨著冷高壓的南移，冷空氣對濮陽的影響逐漸減弱，風力于21時開始減弱。10日8時，冷高壓主體控制了豫北地區(qū)。隨著地面冷鋒移出河南省，冷空氣的影響基本結(jié)束。

圖69日8時的地面形勢

3.3高空急流分析

高空急流是大風天氣發(fā)生的動力條件，高空急流越強，通過動量下傳作用造成的地面大風風力就越大；在高空急流入口處有一個右側(cè)上升、左側(cè)下沉的橫向次級環(huán)流，在出口處就有一個左側(cè)上升、右側(cè)下沉的橫向次級環(huán)流［6］。

從9日8時的高空圖（圖略）可以看出，我國內(nèi)蒙古西部沿中蒙邊界到黑龍江省，有一支高空西風急流，300 hPa急流核的最大風速達62 m/s，甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古南部和陜西等地位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)。高空急流區(qū)次級環(huán)流的作用造成了高空輻散、低層輻合，并使以上地區(qū)出現(xiàn)了大風、沙塵天氣。此時，豫北地區(qū)位于高空槽前上升運動區(qū)，有利于地面低壓系統(tǒng)發(fā)展，地面冷鋒前的上升運動與高空急流入口區(qū)次級環(huán)流的上升運動疊加，為深對流的發(fā)展提供了有利的條件，這也是產(chǎn)生大風和沙塵天氣的根本原因［2］。

4　物理量特征分析

為了研究這次大風天氣過程的動力學和熱力學特點，我們利用FNL資料（時間間隔為6 h，水平分辨率為1°×1°）分析9日8時和20時的一些物理量特征。

4.1溫度平流場分析

分析9日8時各層（950～500 hPa）的溫度平流場后，我們發(fā)現(xiàn)，在38°N以北，在106～120°E之間，有一東北到西南向的冷平流區(qū)，從低層到高層都存在較強的冷平流，這說明冷平流比較深厚。從圖7可以看出，從東北到西南方向的冷平流區(qū)的南邊界處于豫北林縣境內(nèi)，三個強冷平流中心位于39～45°N之間，最強的冷平流中心位于內(nèi)蒙古中東部，強度為-16×10-4K/s，另外兩個冷平流中心，一個位于內(nèi)蒙中南部，強度為-12×10-4K/s，一個位于北京西部，強度為-14×10-4K/s。這三個冷平流中心均處于850 hPa的強鋒區(qū)中，造成地面明顯降溫。隨后，冷平流區(qū)快速向東南方向移動，于14時開始影響濮陽地區(qū)，并造成了大風降溫天氣。到了20時，強冷平流區(qū)移出了豫北地區(qū)，對濮陽的影響開始減弱。濮陽上空深厚的強冷平流使大風天氣持續(xù)了6個多小時，由此看出，冷平流最強處，地面降溫幅度大，風力也最強。

圖73月9日8時850 hPa溫度平流場

4.2散度場分析

從散度經(jīng)向剖面圖（圖8）看出，9日8時，鋒區(qū)前部（37.5～41.5°N）的中低層有強輻散對應低層強輻合，最大輻合中心出現(xiàn)在900 hPa及以下，強度為-60×10-6K/s，最大輻散中心出現(xiàn)在850 hPa，強度為40×10-6K/s。此時，大風和沙塵天氣出現(xiàn)在內(nèi)蒙古中西部、陜西北部、寧夏、甘肅東部及山西北部，位于輻合輻散區(qū)交界處附近及后部輻散區(qū)內(nèi)［7］。這種低層輻合、高層輻散的強烈抽吸作用，造成了地面低壓發(fā)展強烈，氣壓梯度明顯增大，從而導致地面風速進一步加大［4］；另外，在37.5～41.5°N之間，存在一明顯的輻合區(qū)，其上對應大片的輻散區(qū)，表明在此區(qū)域內(nèi)有較強的上升運動。一般來說，如果低層輻合流場上空有輻散流場疊置，抬升力會變得更強，并導致強烈對流性天氣的形成［8］，因此，隨著該運動系統(tǒng)的東移南壓，濮陽地區(qū)出現(xiàn)了8級以上的大風天氣。到20時，隨著輻合帶低層東南移到豫南地區(qū)，濮陽的風力才有所減弱，大風天氣也逐漸結(jié)束。

圖8　沿115°E的散度經(jīng)向垂直剖面圖

5　結(jié)論

1）華北地區(qū)氣溫異常偏高，為大風的出現(xiàn)提供了熱力不穩(wěn)定條件，促進了暖低壓的形成。東移南下的強冷空氣與已發(fā)展的暖低壓形成較大的氣壓梯度是造成大風天氣的主要原因。

2）500hPa極渦分裂小槽，并伴隨強冷空氣向南擴散。短波槽在東移過程中與南支槽同位相疊加，導致環(huán)流經(jīng)向度加大，并使冷空氣在槽內(nèi)堆積。槽后強冷平流引導冷空氣南下，導致寒潮天氣的發(fā)生。

3）這次大風天氣的形成是由于冷高壓和蒙古氣旋均很強，且二者之間的氣壓梯度很大。另外，地面冷鋒后的強冷平流和鋒前的強暖平流造成強的斜壓性發(fā)展，在鋒區(qū)附近產(chǎn)生較大的氣壓梯度和變壓梯度，導致冷鋒后部出現(xiàn)了強風。

4）地面冷鋒前的上升運動與高空急流入口區(qū)次級環(huán)流的上升運動疊加，為深對流的發(fā)展提供了有利的條件，這也是產(chǎn)生大風天氣和大風卷起沙塵的根本原因［2］。

5）物理量的分析結(jié)果表明：冷平流中心處于850 hPa的強鋒區(qū)中，地面降溫明顯，冷平流區(qū)的移動路徑與地面大風降溫區(qū)較一致；在散度場上，大風、沙塵天氣基本位于輻合輻散區(qū)交界處附近及后部輻散區(qū)內(nèi)。

［1］蘇百興，段朝霞.廣東一次寒潮8級大風物理過程分析［J］.海洋預報，2009（1）：14-18.

［2］錢莉，楊永龍，殷玉春，等.一次颮線引發(fā)的大風強沙塵暴診斷分析［J］.氣象，2009（3）：42-48.

［3］海顯蓮，巨克英.2011年春季一次寒潮大風天氣過程分析［J］.青?？萍?，2011（2）：47-48.

［4］馬月枝，王新紅，葉東，等.一次春季冷風過境引起的大風天氣分析［J］.氣象與環(huán)境科學，2010（3）：41-47.

［5］張碧輝，孫軍.2013年3月大氣環(huán)流和天氣分析［J］.氣象，2013（6）：794-800.

［6］壽紹文，勵申申，姚秀萍.中尺度氣象學［M］.北京：氣象出版社，2003：235-239.

［7］薛建軍，劉月巍，牛若云，等.2002年3月18～22日強沙塵暴過程分析［J］.氣象，2004（9）：39-44.

［8］李戈，壽紹文，張廣周，等.河南一次沙塵天氣過程干空氣侵入的數(shù)值模擬及診斷分析［J］.氣象，2007（10）：28-36.

【責任編輯王云鵬】

Analysis of an Early Spring Cold Windy Weather in 2013

XU Qinge，DU Liya
（Puyang Meteorological 0ffice，Puyang 457000，China）

By using routine weather map，the observational data from automatic weather station and FNL data，an early spring cold windy weather（in March 9-10，2013）was analyzed from the following three characteristics-ground meteorological elements，synoptic situation and physical quantity.The results showed that the reason for the large scale circulation background of cold windy weather was that 500hPa polar vortex splitting southward and in-phase superposition of east short wave trough and the south branch trough which led cold air southward to accumulate in the trough.The larger pressure gradient caused by strong cold air moving toward the southeast and the development of warm low is the main cause of the gale weather.The strong baroclinic development caused by the strong cold advection after the ground cold front and the strong warm advection before the front caused larger pressure gradient and variable pressure gradient near front zone which led to strong winds behind the front.Superposition of the ascending motion before the ground cold front and the ascending air at the upper-level jet secondary circulation entrance region provided favorable conditions for the development of deep convection which was the primary cause for the gale and sandstorm weather.

cold wind，polar vortex；Mongolia cyclone；front zone；upper-level jet；physical characteristics

P458.3

A

2095-7726（2015）09-0072-05

2015-03-12

許慶娥（1963-），女，河南安陽人，研究方向：災害性天氣預報。