一次豫北春季持续性大风天气的分析

段中夏

（新乡市气象局，新乡 453000）

0 引言

由强冷空气造成的春季大风是河南的主要灾害性天气之一，不仅对电力、通信设施及高层建筑施工等方面造成威胁，还给农业生产等带来严重影响。长期以来， 由于大风的强危害性和频发性，对春季大风成因的研究一直成为热点问题。Streten[1]认为大风常常与较强的气压梯度有关；吴海英等[2]认为温度平流可以导致地面变压场和变压梯度增强，进而成为促进地面大风出现的重要原因；陈淑琴等[3]、尹尽勇等[4]、黄彬等[5]发现动量下传在许多强风天气过程中起重要作用；姚正毅等[6]发现大风天气不仅受大尺度天气系统影响，还受局地地形和下垫面性质影响；杨忠恩等[7]认为冷空气大风是高空急流、强冷平流、动量下传等共同作用的结果；张华等[8]对呼和浩特市一次春季大风进行分析发现对流层下层的暖平流输送是热力强迫因子，高层辐散下沉、低层辐合上升是动力强迫因子；田林生[9]对东北大风成因分析认为冷锋和江淮气旋配合在大风过程中起重要作用。

1 天气实况

2015年3月31日到4月1日，豫北中部多站点出现了罕见的强度大、持续时间长的大风天气。此次过程，豫北地区共有14个国家站出现了极大风速超过8级的长时间大风，其中，武陟和原阳站的极大风速最大值超过10级（图1），维持极大风速8级以上的时间达20个小时以上（图2），致使多地出现了较严重的灾情。

图1 豫北14个国家站的极大风速最大值 Fig.1 The records of the maximum instantaneous wind speed at national stations in the northern Henan Province

图2 代表站小时逐小时极大风速最大值 Fig.2 Hourly maximum instantaneous wind speed at a representative station

2 环流背景分析

2.1 高纬冷槽和中低纬西南气流

过程前期，500 hPa高原槽东移引起四川附近低层产生低涡，其前部西南气流造成低层增温明显；高纬有阶梯冷槽伸向东北地区，冷空气不断向南输送。3月30日20时，500和700 hPa高纬出现－44和－28 ℃的冷中心，南接冷槽（图3a）。3月31日08时，两冷槽向东南方向移动发展，引发东北北部形成低涡，并有－33和－21 ℃的冷中心配合（图3a）。中低层河套北至东北南出现明显锋区，赤峰和张家口两站850 hPa的温度差达12 ℃，较大的偏北风带来强冷平流，并导致地面加压明显，出现+4.9的变压中心（图3b）。700 hPa重庆南有一暖中心，东北西南向暖脊一直伸向豫北地区，并伴有较强的暖平流输送到豫北（图3b），造成中低层增温明显。3月31日20时，冷槽继续向东南发展，伴随高纬冷空气补充，冷平流显著加强，冷空气开始自北向南影响河南，郑州站850 hPa以下由西南风转偏北风，925 hPa东北风达16 m·s-1，且位于低层温度及变温梯度大值区（表1）。4月1日08时，河北南部转受冷空气影响，郑州站925 hPa的24 h负变温达到13 ℃，925 hPa东北风达24 m·s-1（表1），增加了近地面湍流交换和动量下传作用。中高纬冷槽东南移的同时，中低纬度涡前西南气流发展，黄淮南部进一步减压，造成黄淮区域较长时间处于温度梯度大值区中。4月1日20时，西南气流由南向北、由低空向高空发展，925 hPa冷中心到达豫北，豫北冷平流显著减弱，大风逐渐减弱。

中高层高纬地区冷槽东南发展带来冷空气使中低层高压发展与中低纬度高层西南气流下形成的暖低压形成对峙，导致系统移动缓慢，使豫北较长时间处于温度梯度大值区，促使地面大风形成和维持。

图3 500和700 hPa高度槽、温度槽演变（a）以及3月31日08时700、850 hPa和地面系统配置（b） 850 hPa温度脊 700 hPa温度脊 L冷中心 D气旋中心地面冷锋700 hPa等温度线槽线850hPa显著气流850hPa急流700hPa显著气流 Fig.3 (a) Variation of troughs in height and temperature at 500 and 700 hPa; (b) Cllocations of the synoptic systems at 700, 850 hPa and surface at 08 BT on 31 March 2015

表1 探空代表站850和925 hPa 24 h变温及风速演变 Table 1 The 24 h-variations of temperature and wind-speed at 850 and 925 hPa at the representative sounding station

2.2 地面高低压对峙的影响

前期暖低压位于四川盆地，中心气压达999.4 hPa，豫北地区受其东伸的倒槽控制；贝加尔湖南侧存在强冷高压，中心气压达1036.3 hPa；冷高压南侧华北地区存在一个东西向冷锋，锋后的正变压中心值达+4.9 hPa（图3b）。3月31日20时，随着冷高压向东南移动，豫北转受东路冷空气和冷锋影响，产生较大的正变压，正变压中心达+5.4 hPa。贝加尔湖冷高压的补充使其维持，并与四川盆地由于高空槽前减压作用和凝结潜热释放作用而形成的暖低压形成对峙，豫北地区处于较大的气压梯度区，华北及黄淮地区形成较强的变压和气压梯度，产生较强梯度风和变压风。贝加尔湖冷高压的补充，以及西南低压、倒槽向东北发展，造成黄淮流域气压和变压梯度进一步加强并维持。但随着冷高压向东南移动和暖低压北伸，北伸的倒槽逐渐隔断了冷高压与补充南下的冷空气的联系。20时，冷高压与高纬冷空气的联系近乎完全被隔断，由于无新冷空气补充，地面非绝热加热和降水的凝结潜热释放的作用导致冷高压迅速减弱，豫北转为负变压区，豫北地区的气压梯度迅速减小，变压风和梯度风大大减弱，地面风速迅速减小。

这次大风过程是一次伴随冷高压东移南下，冷锋移过豫北而造成的大风天气。高纬冷空气的扩散补充造成豫北地区维持较大的正变压，南支槽前西南气流使四川低压倒槽不断发展，与北部高压形成对峙，导致豫北地区持续位于气压梯度大值区中。后期由于暖低压的北伸，切断了华北冷高压与高纬冷空气的联系，加之非绝热加热和降水引发的凝结潜热作用，导致变压风减小，而锋面南下导致豫北气压梯度减小，梯度风减弱，最终导致大风消失。

3 物理量诊断分析

3.1 热力强迫

冷暖平流的本质是密度平流，是准地转动力学中的热力强迫项，与地面变压密切相关。从NCEP再分析资料沿114°E的30°—50°N剖面可看出，前期豫北受暖平流影响，升温降压明显（图4a）。3月31日20时，随北部低层冷平流大值区南移，中心高度下降，强度增大到20×10-4℃/s以上，影响区域也明显增大，并和低层风速大值区相对应，而33°N上空900 hPa附近出现了中心强度超过20×10-4℃/s的暖平流区，低层的冷暖平流导致地面的变压和变压梯度增大，气压梯度也相应增大，有利于大风出现（图4b）。4月1日02时，冷平流大值区进一步南移至35°N，中心增大到40×10-4℃/s以上，低纬暖平流维持并迅速增大，中心值超过70×10-4℃/s，温度平流梯度进一步增加导致地面的变压、变压梯度、气压梯度进一步增加，大风继续维持并增强（图4c）。4月1日08时之后，虽然低层冷平流不再增加，但倒槽发展，南部暖平流显著加强，维持了较大的温度平流和变压梯度，大风继续维持（图4d）。4月1日14时，北部冷平流继续减小且在低层冷平流大值区上空出现了暖平流大值区，但底层冷平流仍大于10×10-4℃/s，南部暖平流中心继续增大到100×10-4℃/s，仍存在较大的温度平流梯度，导致地面气压和变压梯度维持，大风维持（图4e）。随后，暖平流进一步发展，地面上方的密度平流减弱，根据气压倾向方程，增压和减压变慢，变压梯度减小，大风强度减弱。4月1日20时，豫北近地层由冷平流转为暖平流（图4f），低纬低层低涡倒槽导致暖平流由南向北、由低空向高空发展，豫北上空的整层密度平流也减弱，因此地面的气压差大大减弱，大风迅速减弱。

图4 2015年3月31日14时（a）、3月31日20时（b）、4月1日02时（c）、4月1日08时（d）、4月1日14时（e）、4月1日20时（f）温度平流（单位：10-4 ℃/s）和风的经向分量（单位：m·s-1）与垂直速度（单位：10-1 m·s-1）的合成矢量沿114°E的剖面 Fig.4 The section profile of the temperature advection (unit: 10-4 ℃/s) (shaded), of the compounded vectors of meridional wind (unit: m·s-1) and of the vertical velocity (10-1 m·s-1) along 114°E: (a) at 14 BT on 31 March, (b) at 20 BT on 31 March, (c) at 02 BT on 1 April, (d) at 08 BT on 1 April, (e) at 14 BT on 1 April, (f) at 20 BT on 1 April 2015

3.2 次级环流

散度分布可以较好地反映空气辐合辐散与垂直运动作用。豫北大风出现前期，河南地区受暖气团控制，并在散度场上表现为较强的低层辐合区，而豫北上空附近800 hPa高度附近有强辐合辐散中心（图5a）。到3月31日20时，边界层出现辐散中心，且中心强度超过80×10-5/s（图5b），促进豫北在近地面产生较大的偏北辐散风。此辐散中心上空还有一弱辐合中心（图5b），有利于垂直下沉运动的发展，有利于将高空具有较大动量的风带到地面引起大风。4月1日08时，近地面层的辐合中心也显著发展并北移，正负散度中心的数值均超过80×10-5/s，近地面散度风显著增加，800 hPa的一对散度中心也显著增加，致使中低层冷平流及高低空动量的垂直交换增强，正好对应于地面风速最大时间。冷平流、散度梯度及垂直交换作用在14时之后开始减弱，大风也是从14时之后减弱。

底层的辐散梯度大值区与大风的出现和维持有良好的正相关关系，垂直运动有利于动量向下输送，从而有利于大风的发展维持。前期散度分布不仅造成了36°N附近的下沉运动造成散度风，还导致38°N附近产生上升运动，上升运动有利于绝热冷却，从而减慢了高纬冷空气的变性速度，而4月1日08时之后，上升支开始减弱，冷空气变性加快，间接影响了温度对比，从而影响了大风的发展和维持。

4 结论和讨论

图5 2015年3月31日08时（a）、3月31日20时（b）、4月1日08时（c）、4月1日20时（d）沿114°E的散度剖面（单位：10-5 /s） Fig.5 The section profile of the divergence (unit: 10-5 /s) along 114°E: (a) at 08 BT on 31 March, (b) at 20 BT on 31 March, (c) at 08 BT on 1 April, (d) at 20 BT on 1 April 2015

此次大风具有强度强，影响时间长，影响区域主要集中于豫北等显著特点。以往大风过程的明显不同主要表现在大风区冷空气厚度较薄、斜压性较强。

1）中高纬冷槽与中低纬西南气流导致中低空产生强烈的锋生作用，并引起地面冷高压与暖低压的相向移动发展。随冷高压南下，高压前冷锋引起豫北地区出现东北大风。持续补充的冷空气减缓了冷高的变性速度，西南气流使暖低压不断发展，两系统对峙使豫北长时间处于变压梯度和气压梯度大值区中，有利于豫北大风发展和维持。

2）温度平流可通过热力强迫作用影响地面变压场从而影响地面风速的大小；南北的冷暖平流加强时期与地面大风加强时期有良好对应关系，且低层冷平流增大，有利于地面气压的升高，同时产生较大的地面变压风。散度场可通过水平散度风和垂直动量交换，影响地面风速的大小。另外通过散度产生的次级环流还可以通过高纬度的上升支间接影响冷空气的维持，从而通过间接影响温度分布而影响风速。

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