南海西沙一次冷空氣強(qiáng)風(fēng)分析

周宇

南海西沙一次冷空氣強(qiáng)風(fēng)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(fā)強(qiáng)風(fēng)天氣進(jìn)行分析。分析表明：高空低渦東移南下，橫槽轉(zhuǎn)豎，強(qiáng)冷空氣爆發(fā)，大舉南下入侵處于低緯的西沙，是引起西沙強(qiáng)風(fēng)天氣的主要環(huán)流背景。探討850 hPa變溫場分布特征指出：負(fù)變溫的演變、強(qiáng)弱分布等與地面氣壓場演變特征有關(guān)，地面氣壓場中等壓線的密集區(qū)與強(qiáng)風(fēng)關(guān)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(qiáng)地面氣壓梯度和變壓梯度，是西沙強(qiáng)風(fēng)生成與發(fā)展的重要原因。

強(qiáng)風(fēng)天氣；變溫場；氣壓梯度；溫度平流

1 引言

在東北季風(fēng)盛行時(shí)期，冷空氣是影響南海的主要天氣系統(tǒng)之一[1]，大陸冷空氣以不同強(qiáng)度的爆發(fā)或補(bǔ)充形式向南侵襲導(dǎo)致的季風(fēng)潮過程，常在南海形成大風(fēng)天氣[2-3]，常常會發(fā)生災(zāi)害，導(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。一些學(xué)者對南海大風(fēng)天氣的進(jìn)行了探究，李維鋒[4]通過判斷Hadley環(huán)流的強(qiáng)度變化，來對南沙的風(fēng)力變化進(jìn)行預(yù)報(bào)。劉作智等[5]統(tǒng)計(jì)分析了南沙海區(qū)西南大風(fēng)的一般情況，并對出現(xiàn)大風(fēng)的天氣形勢進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。周學(xué)群等[6]對南沙西部一次偏北大風(fēng)過程進(jìn)行分析。由于我國南海海域遼闊，各海區(qū)觀測站點(diǎn)相對較少，海上風(fēng)力的強(qiáng)弱變化和維持時(shí)間已成為日常氣象預(yù)報(bào)工作中的一個(gè)難點(diǎn)。三沙市自2012年建市以來，隨著海上通航條件的快速發(fā)展，對于海上強(qiáng)風(fēng)規(guī)律的準(zhǔn)確把握顯得尤為迫切，目前對南海西沙海域的海上大風(fēng)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(qiáng)冷空氣影響，三沙市及附近海面出現(xiàn)8—10級大風(fēng)，本文利用西沙永興島、珊瑚島的氣象數(shù)據(jù)，在分析氣溫、強(qiáng)風(fēng)的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的探討低緯偏北大風(fēng)形成的物理機(jī)制，分析冷空氣引發(fā)大風(fēng)的成因，為日后能夠準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)大風(fēng)提供依據(jù)。

2 資料和方法

文中使用的資料有西沙永興島、珊瑚島常規(guī)地面站資料、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）1°×1°分辨率，逐6 h再分析資料。計(jì)算和分析有關(guān)的物理因子，分析冷空氣引發(fā)低緯海區(qū)偏北大風(fēng)的成因。

3 冷空氣大風(fēng)過程及環(huán)流形勢

3.1 冷空氣降溫過程特征

受強(qiáng)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(shí)，下同）達(dá)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(dá)8℃。23日凌晨也出現(xiàn)了較為明顯的負(fù)變溫，并于23日15時(shí)出現(xiàn)最大負(fù)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(shí)演變

3.2 強(qiáng)風(fēng)過程特征

采用地面觀測規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（2007年），即極大風(fēng)速指某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的3 s平均風(fēng)速最大值；最大風(fēng)指某個(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的10 min平均最大風(fēng)速值。根據(jù)瓊州海峽大風(fēng)課題研究和預(yù)警業(yè)務(wù)，定義最大風(fēng)速≥10m/s和極大風(fēng)速≥17m/s為大風(fēng)事件[7]。

從23日06時(shí)開始，海南西沙周圍最大、極大風(fēng)速開始增強(qiáng)，西沙珊瑚站于23日15時(shí)達(dá)到大風(fēng)事件（最大風(fēng)速：10.1 m/s，極大風(fēng)速：17.4 m/s），從24日06—20時(shí)，珊瑚站出現(xiàn)極大風(fēng)速和最大風(fēng)速最為強(qiáng)盛時(shí)段，最大風(fēng)速為11.9 m/s和極大風(fēng)速為20.9 m/s，而永興島也在這時(shí)風(fēng)速也為強(qiáng)盛時(shí)段，最大和極大風(fēng)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(fēng)力強(qiáng)，致使西沙海上交通停止，樹木及島上一些設(shè)備受大風(fēng)破壞，漁民不能出海捕漁等造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 環(huán)流形勢特征分析

21日20時(shí)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(cè)有一512位勢什米切斷低渦，從21日20時(shí)—24日08時(shí)（見圖3a），低渦中心一直南掉,同時(shí)與低壓配合的冷中心也向南侵東擴(kuò)。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(zhuǎn)豎，引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣爆發(fā)，大舉南下。700 hPa、850 hPa的高空強(qiáng)鋒區(qū)也自北向南移動(dòng)（圖略），到24日08時(shí)，低渦中心位于朝鮮半島東部，從中心經(jīng)長江下游到華南北部有一高空槽，850 hPa鋒區(qū)也自北向南一路南壓，24日08時(shí)西沙已處于鋒區(qū)的南部邊緣。

圖2 2016年1月23—26日西沙永興島、珊瑚站風(fēng)速滑動(dòng)平均曲線

21日20時(shí)—24日08時(shí)，在地面圖上貝加爾湖一直存在1 065 hPa以上強(qiáng)大的高壓，向長江中游伸展，在23日08時(shí)—24日08時(shí)，在湖南的北部分裂一個(gè)1 047.5 hPa以上高壓中心，從23日08時(shí)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(qū)域邊緣（見圖3中矩形框區(qū)域，隨著該區(qū)域向南推移，受其影響，西沙永興島觀測站測得的極大風(fēng)速從07時(shí)9.8 m/s突然增加到14.3 m/s，到24日最大等壓線密集區(qū)就處于西沙附近，極大風(fēng)速再次增強(qiáng)到16 m/s以上。

4 冷空氣引發(fā)氣壓場變化對強(qiáng)風(fēng)的作用

4.1 850 hPa變溫特征分析

圖3 2016年1月24日08時(shí)天氣形勢場

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

本文用850 hPa 24 h變溫強(qiáng)度移動(dòng)、分布等來表征冷空氣的活動(dòng)特征。冷空氣最先于21日20時(shí)在內(nèi)蒙古中部形成強(qiáng)降溫區(qū)，隨著低渦的南掉，至22日20時(shí)，強(qiáng)降溫區(qū)已轉(zhuǎn)移至河套地區(qū)，在河套附近存在2個(gè)明顯的變溫中心，變溫中心數(shù)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(shí)西沙離變溫中心還較遠(yuǎn)，氣溫沒有明顯的變化。從23日08時(shí)開始，變溫中心繼續(xù)增強(qiáng)南壓，至24日08時(shí)，變溫中心已移動(dòng)到海南島北部，變溫中心數(shù)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(shí)，變溫中心處于西沙，其中心數(shù)值在-6℃以上（見圖4b—d）。雖然變溫強(qiáng)度減弱，但在低緯度的西沙出現(xiàn)這樣強(qiáng)降溫是十分少見的。

負(fù)變溫中心演變、強(qiáng)弱的分布對應(yīng)的地面氣壓場分布有明顯的關(guān)系，在1月24日08時(shí)負(fù)變溫中心-10℃等值線處在海南島北部（見圖4c），對應(yīng)24日08時(shí)地面氣壓場西沙處于高壓脊西南側(cè)的等壓線密集區(qū)，該區(qū)與強(qiáng)風(fēng)發(fā)生發(fā)展是對應(yīng)的。

4.2 地面氣壓的變化特征

對流層中低層鋒區(qū)南壓，溫度自北向南出現(xiàn)降溫，負(fù)變溫中心也向南增強(qiáng)變冷，可引發(fā)地面高壓增強(qiáng)，同時(shí)也引起氣壓梯度和變壓梯度變化。為了更進(jìn)一步研究氣壓梯度、變壓梯度與強(qiáng)風(fēng)之間的關(guān)系，以西沙永興國家自動(dòng)氣象站為圓點(diǎn)坐標(biāo)（站號：59 981，16.5°N，112.2°E）的5個(gè)緯度為半徑作圓弧，選取圓弧線上的氣象站氣壓數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)全部氣象站5個(gè)緯距范圍內(nèi)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(shí)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(qiáng)，到24日08—20時(shí)出現(xiàn)氣壓梯度的強(qiáng)盛時(shí)段，其值為9.4～12.8 hPa/5°N，較前期22日14時(shí)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(zhuǎn)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(shù)。F為摩擦力，v代表風(fēng)速。

由式（1）變?yōu)椋?/p>

從式（2）可以看出因氣壓梯度增大必然引起風(fēng)速的增加，因24日08—20時(shí)氣壓梯度較22日增強(qiáng)到4倍左右（見圖5），對應(yīng)西沙在此時(shí)段內(nèi)也發(fā)生、發(fā)展強(qiáng)風(fēng)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(shí)，從23日02時(shí)至20時(shí)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(shí)—20時(shí)的氣壓梯度峰值與強(qiáng)風(fēng)一一對應(yīng)的（見圖5），這也清楚表現(xiàn)變壓梯度的峰值對強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)具有超前性，對預(yù)報(bào)大風(fēng)具有指示意義。

對式（2）兩邊對時(shí)間求偏導(dǎo)可得：

式中：t是時(shí)間。從式（3）可以看出，在近地面層中，除了摩擦作用，水平風(fēng)速的變化與變壓梯度直接相關(guān)，顯然，氣壓梯度和變壓梯度的增強(qiáng)是由于冷空氣南下引起的，強(qiáng)冷空氣能引起地面高壓增強(qiáng)，其高壓中心一直在1 065 hPa以上，而且高壓中心向南移動(dòng)和擴(kuò)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(fēng)事件。

5 溫度平流的變化特征

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

22日20時(shí)，在500 hPa高空圖上，在河套東部有強(qiáng)冷平流區(qū)，其中心強(qiáng)度為-3×10-4℃/s以上,強(qiáng)冷平流區(qū)開始東移加強(qiáng)，到了24日08時(shí)（見圖6），強(qiáng)冷平流區(qū)已形成兩個(gè)中心，其中一個(gè)在長江中游，另一個(gè)已移至黃海，中心強(qiáng)度都為-8×10-4℃/s以上，并自500 hPa向?qū)α鲗又械蛯樱?00 hPa、850 hPa、 925 hPa）形成冷平流后傾斜通道，在925 hPa上，西沙處于強(qiáng)冷平流區(qū)，處于-2×10-4～-4×10-4℃/s等值線之間，由于強(qiáng)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(dòng)，其中心軸線向東南方向伸展（見圖3b），其高壓中心外圍出現(xiàn)等壓線的密集區(qū)，氣壓梯度增強(qiáng)，冷平流可增強(qiáng)地面氣壓梯度和變壓梯度引發(fā)強(qiáng)風(fēng)生成和發(fā)展。

由氣壓傾向方程[8]

本文還選取23日08時(shí)—24日20時(shí)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)度的增加和對流層中高層的暖平流的減弱，至24日08時(shí)，自200 hPa而下形成較強(qiáng)的冷平流后傾斜通道，24日08—20時(shí)發(fā)生強(qiáng)冷平流自高層向下傾斜通道，出現(xiàn)一致明顯下傳發(fā)展的特征，對應(yīng)地面風(fēng)場增強(qiáng)。

圖7 2016年1月23日08時(shí)—24日20時(shí)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(shí)，研究區(qū)域受冷平流影響，并逐漸加強(qiáng)（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(shí)，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(zhuǎn)為冷平流并明顯增強(qiáng)（見圖8b）,該時(shí)段對應(yīng)圖5氣壓梯度和變壓梯度均快速增強(qiáng)，同時(shí)對應(yīng)圖2所示的極大風(fēng)速、最大風(fēng)速曲線的第一個(gè)峰值，顯然925 hPa由暖平流轉(zhuǎn)為冷平流并增強(qiáng)，表現(xiàn)對強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)具有超前性，對預(yù)報(bào)大風(fēng)具有指示意義。

24日08—20時(shí)（見圖8a），對流層低層冷平流再次增強(qiáng)，中心強(qiáng)度超過-3×10-4℃/s。500 hPa平流變化不大，850 hPa冷平流加強(qiáng)，925 hPa冷平流又一次明顯增強(qiáng)（見圖8b），對應(yīng)圖5氣壓梯度和變壓梯度又一躍升，對應(yīng)圖2的風(fēng)速變化的出現(xiàn)第二個(gè)峰值。由此可見，冷平流的變化是與風(fēng)速的變化關(guān)系緊密。強(qiáng)冷空氣伴隨的冷平流使得地面正變壓場加強(qiáng)，變壓梯度增大，地面氣壓梯度迅速增加，促使南海西沙強(qiáng)風(fēng)形成，從而構(gòu)建冷空氣引發(fā)強(qiáng)風(fēng)的因子鏈，由此可利用這些因子的數(shù)值產(chǎn)品，對強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)釋用提供依據(jù)。

通過分析2016年1月23—26日南海西沙一次冷空氣強(qiáng)風(fēng)發(fā)生發(fā)展，得出如下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）受大舉南下的冷空氣影響，西沙出現(xiàn)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(qiáng)風(fēng)天氣過程；

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

（2）本文探討得出這次強(qiáng)風(fēng)過程是由于低壓中心南掉、橫槽轉(zhuǎn)豎，強(qiáng)冷空氣爆發(fā)大舉南下形勢背景下發(fā)生的；

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

（4）冷平流使得地面正變壓加強(qiáng)，變壓梯度增大促使強(qiáng)風(fēng)發(fā)生，溫度平流垂直結(jié)構(gòu)表明：自上而下一條后傾型傳輸通道，當(dāng)后傾高層到底層出現(xiàn)一致明顯下傳發(fā)展特征，地面風(fēng)場將增強(qiáng)。

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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(shí)臨近和短期天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究。E-mail：zhouyunuist@yeah.net