对“霸王级”寒潮引起大风降温成因的研究*

汪结华 陈凯诺 穆 杨 徐建宇 戴仁威

(1.92493部队21分队 葫芦岛 125000)(2.中国人民解放军海军航空兵学院 葫芦岛 125000)(3.91566部队 大连 116043)(4.海军舟山水警区司令部气象台 舟山 316000)

对“霸王级”寒潮引起大风降温成因的研究*

汪结华1陈凯诺2穆 杨2徐建宇3戴仁威4

(1.92493部队21分队 葫芦岛 125000)(2.中国人民解放军海军航空兵学院 葫芦岛 125000)(3.91566部队 大连 116043)(4.海军舟山水警区司令部气象台 舟山 316000)

寒潮一种大规模的强冷空气活动过程,它会带来剧烈降温、大风、暴雪等灾害性天气。论文选用的个例是2016年1月17日到25日的“霸王级”强寒潮过程,该次寒潮过程使得多地最低气温跌到有史以来的记录以下。通过计算涡度平流、温度平流、西风环流指数等物理量和分析高空环流形势,发现该次寒潮有连续两次的横槽转竖过程而且地面配合着两次东海气旋北上入海。强的冷平流是大风降温的热力条件,不断南侵的冷空气以及低层大气的对流不稳定层结为大风天气的出现提供了动力和能量条件。

寒潮; 降温; 大风; 温度平流; 西风环流指数

Class Number P425

1 引言

寒潮,是指来自高纬度地区的寒冷空气,在特定的天气形势下迅速加强并向中低纬度地区侵入,造成沿途地区剧烈降温、大风和雨雪天气,在海上会引起大的风浪和风暴潮。这种冷空气南侵达到一定标准的就称为寒潮[1]。近年来,不少学者对我国错综复杂的寒潮天气过程进行了天气动力学诊断和数值模拟研究[2～4]。许爱华等[5]对 2005年3月的寒潮天气过程进行了诊断分析,认为其主要成因是西欧上空500hPa强暖平流致使在西伯利亚地区形成阻塞高压,建立横槽,横槽北侧的东北气流引导超极地冷空气和西路冷空气合并加强;形成了异常强的冷高压、锋区、冷温度中心。惠小英等[6]利用数值模式研究了地形对两次寒潮天气过程的影响,发现地形的动力作用对冷空气的移动路径有重要影响。王丽等[7]分析了发生在湖北省的一次罕见寒潮过程,发现湿位涡斜压项 MPV2的时空演变和强冷空气的发展、移动、气温陡降有很好的对应关系。以往对寒潮的研究多侧重于冷空气路径分析、环流形势分析、平流分析等,本文将在借鉴前人的基础上,采用天气学原理和天气动力学诊断方法,在分析引发寒潮爆发的环流形势的基础上,对2016年1月17日到1月25日的寒潮过程中的大风、降温以及海上大风浪的成因进行诊断分析。

2 天气过程概况

2.1 寒潮影响情况

2016年1月17日至25日,我国连续遭受两次强寒潮天气袭击,南北各地纷纷进入“速冻模式”,80 多个气象观测站突破当地建站以来最低气温历史极值[8]。北京1月23日白天,最高气温仅-13℃,为 58 年来最低昼温；广州 1 月 24 日正午,鹅毛大雪漫天飘舞,南国雪景亦真亦幻,百年一遇。长江中下游地区的最低气温下降至-10℃左右,0℃线南压至华南北部一带,中东部大部地区将出现入冬以来气温最低值,这次寒潮过程可谓时间长、降温快、风力强,给飞机航行、船舶运输、农作物生长等方面带来不利影响,严重影响了人民生活。因此,对这次持续时间极长的寒潮过程成为“霸王级”世纪寒潮。(注：本文时间均为北京时间)

2.2 地面天气系统的发展情况

寒潮冷空气在17日之前一直在贝加尔湖以西堆积,在整个寒潮过程中,高压中心基本上停滞于此,但是强度逐渐增大。在22日02时,冷高压中心强度高达1080hPa(图略),为这次寒潮过程中的峰值,这在中国气象记录历史上,也较为罕见。在18日17时,日本以东的西北太平洋上,有一个24h内中心气压下降大于24hPa的爆发性气旋,这个气旋是16日23时鞍形场条件下在台湾以北洋面生成的东海气旋演变而来。在这个东海气旋向东北方向消亡后,又一个东海气旋在高压后面的低压区生成,地理位置在台湾以东洋面,气压梯度高达55hPa/10经距,可见这次寒潮大风降温过程的地面天气系统极其复杂。

3 高空环流形势分析

3.1 西风环流指数分析

纬向环流与经向环流相互转化与交替出现,常变现为西风分量的强弱变化。为了定量地表示西风强弱,Rossby提出,把两个纬度带间的平均位势高度差作为西风指数I[9]:

(1)

其中λ为沿纬圈每隔10个经度取一个位势高度值。高指数表示西风强大,与纬向环流对应；低指数表示西风弱,对应大槽大脊。

对2016年1月15日至25日的欧洲西风指数和亚洲西风指数做以分析,从图1～2看出,欧洲西风指数经历了两次起伏变化,说明整个环流经历了两次长波调整,与此同时,亚洲西风指数基本上趋于逐渐减小,也就是说经向的槽脊强烈发展,最低低至100gpm,直至25日才开始增大,说明冷空气对我国的影响开始减弱,转换为纬向环流。

3.2 500hPa环流形势分析

此次寒潮过程的冷空气的来源有两部分：一部分是受来自新地岛以东喀拉海附近的极地冷空气,另一部分是南掉至西伯利亚地区的极涡中的冷空气。此次寒潮过程的初始阶段是两槽一脊的倒大“Ω”流型。酝酿阶段主要是由欧洲有纬向型环流向经向型转变中,东欧乌拉尔山暖脊强烈发展,引导极地的冷空气在西伯利亚地区堆积、蓄势待发。当乌拉尔山暖脊东移至亚洲地区后,东亚地区环流向经向型转变,在亚洲低涡西伸的挤压作用下,暖脊迅速减弱南退,随后横槽转竖,槽后的环流经向度进一步增大,有利于槽后冷空气的南下。而且特殊的是,该次寒潮有连续两次的横槽转竖过程(图3(a)和图3(b))。横槽前有负变高,横槽后有负变高,导致横槽转竖,即两次阻塞高压崩溃(图3(c)和图3(d)),因此降温幅度、大风强度极大,被称为“霸王级”寒潮。

4 强降温成因分析

一个地方温度的变化可以用热流量方程来表征[1]：

(2)

通过比较各项的量级,保留最大项的热力学能量方程的零级简化公式中仅保留温度的局地变化项、温度平流项和非绝热变化项,而非绝热因子考虑辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响。气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团变性。在本次寒潮过程中,由于有大范围的锋面云系,太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化较小,所以局地温度变化主要考虑温度平流的影响。温度平流的冷暖性质和强度决定了局地温度的变化。

从图4(a)看出冷平流进入中国西北北部和黄渤海地区,冷平流中心值为-2.7×10-2K·s-1,冷空气很强,从24h(当前时刻前后各12h,下同)变温可以看出,降温较大的地区主要在天山以北地区和朝鲜半岛,最大降温达8℃以上,此时为第一次横槽转竖爆发寒潮的过程；从图4(b)看出冷平流控制中国大多数地区,冷平流中心值为-2.0×10-2K·s-1,此时降温中心位于华南和华中地区,可见该次寒潮降温影响范围是全国的。在冷平流区空气有下沉运动,而在暖平流区空气有上升运动；由于强大的上升、下沉运动,必然会在冷平流区形成高层辐合、低层辐散,而在暖平流区形成高层辐散、低层辐合,这样在垂直方向上构成经向的环流圈,加速了冷空气的扩散。此次大范围的寒潮天气的强降温主要是由强盛的冷平流造成的。冷平流强的地方降温幅度大,冷空气强度低于-2×10-2K·s-1,与日平均气温下降幅度在8℃的区域基本一致,而且冷平流区向南扩展的速度要超前于地面气温24h负变温区向南扩展的的速度12h左右。另外,在冷平流区的空气下沉运动和暖平流区的空气上升运动有利于经向垂直环流圈的形成,对冷空气的南侵有促进作用。

5 强风成因分析

5.1 温度平流的影响

温度平流与地面风场之间是通过变压场相互关联和促进的[10]。强的冷平流不仅会造成强的降温,还会使得地面正变压场加强、地面变压梯度和气压梯度增大,促使地面风场发展；同理,强的暖平流会使得地面负变压场加强、地面变压梯度、气压梯度增大,同样促使地面风场发展。通过比较图4和图5同时刻图,温度平流越强,出现的风力越大。在正、负变压中心的带状区域,24h变压梯度达图到40hPa/10经纬距,地面气压梯度达到55hPa/10个经纬距,地面变压梯度、气压梯度都已经相当强大,这时候在这一区域出现了7～10级大风,渤海、黄海、东海北部风力在20m·s-1以上。

在18日14时,第一个横槽转竖,槽前正涡度平流区地面东海气旋发展加深(图6(a)),并且不断向东北方快速移动,造成华北、东北、黄渤海海域地面气压梯度增大,气旋后部的偏北气流起到了引导冷空气向南扩张的作用,有利于大风天气的维持和发展；槽线附近的形成的垂直环流圈有利于高空的动量下传,对风场的增强也起到了重要作用。第一次的阻塞高压经历崩溃和重建之后,第二个横槽由于槽前存在负涡度平流(图6(b)),使得横槽减弱开始转竖,东伸至贝加尔湖以北的阻塞高压第二次崩溃。到了25日正涡度中心移动至日本以东的洋面,这意味着重建的东亚大槽已经东移,对我国的影响基本结束。从图6(c)看出,我国日平均降温和日最低温度下降6℃以上地区均在内蒙古中部和黑龙江东部,说明第一次横槽转竖降温过程影响还没波及华南等地,日最大风速在6级以上地区为黄海东北部。图6(d)是第二次横槽转竖,影响范围进一步扩大,中国中西部和黄渤海、朝鲜海峡、日本海均有6～8级大风天气,贝加尔湖以东地区还出现了日平均降温为14℃的值。

6 黄渤海大风浪成因诊断分析

在黄渤海海域出现大风浪的这段时间,沿着123°E做一个散度经向剖面,在大气的低层(最高延伸到600hPa)始终为辐散场,在辐散场之上为辐合场(图7(a),7(b)),这种低层辐散高层辐合的垂直结构有利于高空风动量下传至底层的海面,有利于海面风场的发展。这有利于风浪从风中获得能量得到补充,促进了海浪的发展。

通过分析假相当位温沿123°E经向的垂直剖面图(图7(c),7(d))上,在850hPa～300hPa以下的空中,等假相当位温线由北向南的低空向倾斜,强冷中心位于地面渤海以北的区域,说明高空不断有干冷空气从高纬向低纬入侵。从地面到850hPa的低空在30°～40°N(黄渤海从南到北的纬度范围)的区间上等假相当位温线陡峭密集,而且在近地面层等值线接近垂直,这表明在这段时间在此区域对流稳定性较差。不断南侵的冷空气以及低层大气的对流不稳定层结为大风天气的出现提供了动力和能量条件。

7 结语

通过运用天气图,常规观测资料和FNL大气再分析资料对2016年1月17日～25日的“霸王级”强寒潮大风降温天气过程进行了综合分析与研究,得出了以下结论：

1) 这次“霸王级”寒潮大风降温过程的地面天气系统极其复杂,不仅寒潮冷高压中心在贝加尔湖以西盘踞不动,气压值高达1080hPa,而且配合着两次东海气旋东移北上入海获取能量成为爆发性气旋。气压梯度达到55hPa/10经距。

2) 欧洲西风指数经历了两次起伏变化,整个环流经历了两次长波调整,即两次横槽转竖导致阻塞高压崩溃。与此同时,亚洲西风指数基本上趋于逐渐减小,也就是说经向的槽脊强烈发展,最低低至100gpm,直至1月25日才开始增大,这时冷空气对我国的影响才开始减弱,转换为纬向环流。

3) 此次大范围的寒潮天气的强降温主要是由强盛的冷平流造成的,这是寒潮大风降温的热力条件。冷平流强的地方降温幅度大,冷空气强度低于-2×10-2K·s-1,与日平均气温下降幅度在8℃的区域基本一致,而且冷平流区向南扩展的速度要超前于地面气温24h负变温区向南扩展的的速度12h左右。

4) 大风浪海区处于正涡度控制下,位于正涡度中心西南的位置上,这保证了引起海上大风浪的上空风状态较为稳定,风时较长,有利于偏北风浪的形成；低层辐散高层辐合的垂直结构有利于高空动量下传至底层的海面,这有利于风浪从风中获得能量得到补充,促进了海浪的发展；假相当位温表明在850hPa以下的低层区域对流稳定性较差,不断南侵的冷空气以及低层大气的对流不稳定层结为大风天气的出现提供了动力和能量条件。

[1] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文,唐东昇.天气学原理与方法[M].北京:气象出版社,2000.

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[3] 樊明,冯军,尚文军.2001-4-9寒潮天气形成过程分析[J].气象,2002,28(3):54-57.

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[8] 本刊综合.“世纪寒潮”缘何而来[J].发明与创新(大科技),2016,03:26-29.

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Reason of “Overlord” Cold Wave Caused by Strong Cooling Wind

WANG Jiehua1CHEN Kainuo2MU Yang2XU Jianyu3DAI Renwei4

(1. Unit 21, No. 92493 Troops of PLA, Huludao 125000)(2. PLA Naval Aviation Academy, Huludao 125000)(3. No. 91566 Troops of PLA, Dalian 116043)(4. The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory, Zhoushan 316000)

Cold wave processes a mass of strong cold air activity, it will bring rapid wind, blizzard and other severe weather. This paper focuses on the “overlord” strong cold wave process which lasts from January 17 to 25 in 2016. The cold wave process made the lowest temperature fell to an all-time record. After calculating vorticity advection,temperature advection, west wind circulation index and other physical quantities and analysing the upper air circulation situation, it is found that the time of cold wave has two consecutive translots turned vertical process. It also accompanies two cyclones which moves north. Strong cold advection is the thermal condition of strong wind, which makes the cold air invading. Convective instability of lower atmosphere layer provides motivation and energy conditions for the strong wind weather.

cold wave, cooling, strong wind, temperature advection, west wind circulation index

2016年10月10日,

2016年11月26日

汪结华,男,工程师,研究方向:海洋气象分析与预报。

P425

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.023