广元冬季大风特征与预报指标研究

许枫 王璐思 张晓涵 李华 胡壤支

收稿日期：2023-11-10

作者简介：许枫（1967—） ，男 ，四川广元人，工程师，研究方向为气象、大气科学。

摘 要：利用广元市国家基准站和区域站2010—2020年的常规地面、高空观测资料，对近10年广元市出现的区域性大风天气进行统计分析，分别从大气环流背景、冷空气活动源地、路径、中心气压、气压梯度等方面进行天气学诊断分析，同时考察其相关性和独立性，通过严格筛选，得出具有显著意义和代表性的5个预报指标和2个补充条件，并通过近2年的实际应用和检验表明效果显著。

关键词：冬季大风；冷空气路径和显著通道；高空关键区；指标阈值；动力下传

中图分类号：P732 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

广元市地处四川盆地北部，嘉陵江上游，属龙门山东侧高原与盆地的过渡带，是米仓山、龙门山和四川盆地北部低山三大地貌的交会带，气候独特，天气变化较大，在冬季，平均每5～10 d就有一次冷空气影响。素有“川北门户”之称的广元作为冷空气入川之首站，大风发生频率在四川盆地各地市中最为显著，大风频发是其一大主要天气特征，对其进行研究有很大的必要性。

1 资料来源和个例筛选

资料来源于广元市5个国家气象观测站，分别为广元国家基本气象站与青川、剑阁、旺苍、苍溪国家气象观测站的地面气象要素观测资料，以及广元市所属的160个区域自动站地面气象要素观测资料，采用2011—2020年的逐日与逐时数据。

按照中国气象局对风力等级划分，7级风为13.9～

17.1 m/s，8级风为17.2～20.7 m/s，个例选取标准中要求2个大监站达到7级风，保证此个例属区域性大风，同时要求达7级大风的大监站辖区内至少有1个自动站达到8级（出现≥17.2 m/s的大风），说明此大风具灾害性，满足这2个条件的个例定义为一次区域性大风。

以上述大风标准统计，2010—2020年广元市共发生区域性大风37次。

2 广元市大风的地理分布与季节特征

大风地理分布方面，由于地处嘉陵江河谷的原因，

广元（3个区）和剑阁出现区域性大风的概率最高，为

36/37（97%）；青川县主要受到西方路径冷空气影响，但由于其海拔较高，西北还受到龙门山和摩天岭阻挡，出现大风概率相对较小，为19/37（51%），并且青川县即使出现大风，也只有6～7级，很难达到8级或以上；旺苍县则受其北部米仓山阻挡，冷高压爬山减弱，下山增温变性，加之冷空气东北回流路径也较少，因此旺苍县的大风概率只占7/37（19%）；苍溪县西部处于广元市大风显著通道，发生大风概率较大，但影响面积有限，监测站点有限，故大风概率不高，为15/37（41%）。各县区大风分布见表1。

从季节上分析，春季区域性大风相对较多，达63/113，占比55.7%；秋冬季50/113，占比44.3%。

3 冷空气源地、路径与通道

冷空气源地主要是新地岛以西洋面，其次是新地岛以东洋面和冰岛以南洋面，三源地冷空气一般在地面关键区（70°～90°E，43°～65°N）积累加强后暴发南下，入侵四川盆地的主要路径有4条：西北路径、北方路径、东北路径、西方路径。其中，西北路径和北方路径，先达广元市北部的川陕交会处，再经朝天区进入而影响广元市（图1）。

冷空气路径统计显示，北方路径最多，达51.8%，其次为西北路径，达25.9%，这是造成广元市大风的2条主要路径，西方路径和东北路径较少，两者之和仅占22.2%（图2）。

西北路径和北方路径来的冷空气进入广元首先影响的是沿嘉陵江河谷分布的朝天区、利州区、昭化区，冷空气沿河谷移动，加之地处龙门山和米仓山之间，有明显的狭管加速效应，地处广元中部，这是广元大风发生的最显著通道，风力最强；西方路径来的冷空气翻越龙门山后影响广元市西部县区，东北路径冷空气翻越米仓山后影响广元市东部县区，此二路冷空气均存在爬山减弱，越山后下沉增温变性，因此风力相对稍小（图3）。

4 环流背景

广元市区域性大风在环流背景上均受到500 hPa乌拉尔山周边（45°～100°E）长波脊的影响，当高压脊在50°E附近时，亚洲是一个纬向上很宽广的大低压；在70°E附近时，表现为二槽一脊的形势；在90°E附近时，多构成一种高压阻塞形势，大风暴发前均出现环流调整，触发条件是欧洲低槽东移或冷槽发展，致使乌山长波脊减弱东移，高空转为西北气流，引导西伯利亚或蒙古冷空气向南暴发，给广元市带来一次区域性大风天气。根据引导冷空气移动快慢特点，典型的可分为低槽东移型和横槽转竖型。

5 理论依据和预报因子

据研究，利用2011—2020年广元市的大风资料及广元站逐日和逐时各个地面气象要素资料，采用Pearson相关系数法分析大风的影响因素，发现极大风速与3 h变压和24 h变压呈极显著正相关，也是制作大风预报时应着重分析的要素，并应给出明确的阈值。

5.1 动力下传模型

根据ω方程：

（1）

式（1）中，右边第一项为涡度平流随高度变化项，当

涡度平流随高度增加时，[-Vg·▽（ f +ζg）]＞0，有上升运动（ω＜0）；当涡度平流随高度减小

时，[-Vg·▽（ f +ζg）]＜0，有下沉运动（ω＞0），在地面高压中心，涡度平流很小，而在其上空高空槽后为负涡度平流，于是在该地区涡度平流随高度减弱，有下沉运动。

当右边第二项-▽2[Vg·▽∝Vg·▽-Vg·

▽T时，暖平流区（-Vg·▽T＞0），有上升运动（ω＜0）；冷平流区（-Vg·▽T＜0），有下沉运动（ω＞0）。

综上所述，地面高压上空的负涡度平流和中低层冷平流都有利于下沉运动，其结果加速了高空和地面不同能量、不同密度空气的交换，有利动力下传。动力下传对于大风的产生十分重要[1]。

5.2 中空关键区

根据地面气压局地变化方程：

（2）

式（2）中，槽后脊前涡度平流Aζ为负，地面涡度随时间减小，加压，反气旋发展；脊后槽前为正，地面涡度随时间增加，减压，气旋发展；温度平流项在冷平流的情况下，＜0，地面涡度随时间减小，加压，反气旋发展；反之，暖平流情况下，气旋发展[2]。

可见，地面高压上空的负涡度平流和冷平流不仅对地面反气旋的发展有利，同时也对动力下传极其重要，高空700 hPa和500 hPa 80°～105°E，33°～50°N的

区域是广元市涡度平流、温度平流来源的上游，是广元市产生地面大风的高空关键区（图4）。

6 预报指标

根据统计和研究，得出广元市区域性大风预报指标如下：

（1）环流背景条件：过去数天受到500 hPa乌拉尔山周边（45°～100°E）高压脊影响，未来24～36 h内将有环流调整，受脊前西北气流影响。

（2）斜压性条件：700 hPa在高空关键区（85°～10°E，

33°～50°N）有温度槽落后的斜压槽存在，且500 hPa和700 hPa的温度锋区在10个纬度内≥4根等温度线。

（3）700 hPa温度差，反映低层温度梯度：08：00～

20：00任一时次成都酒泉温度差≥15 ℃。

（4）变压：是衡量梯度风发生的重要指标，根据数值预报预测广元未来24 h将出现24 h变压≥7 hPa且

3 h变压≥4.5 hPa的时次（若是东北回流路径需3 h变压≥5 hPa）。

（5）上游指标站：地面实况图乌鞘岭出现风向340°～30°，风速12 m/s或以上的北风。

以上5个指标都满足时，未来24 h广元市有一次区域性大风天气，可发布大风预警。若有某个条件不满足，以下2个补充条件中满足其中1个，也视为条件具备，可发布大风预警。

补充条件：（1）盆地内有一热低压（或气旋性环流）；（2）500 hPa与700 hPa温度锋区分布相对重合，距离≤

700 km。

7 业务运行和检验结果

当满足广元市区域性大风预报全部5个条件时，预报未来24 h有一次区域性大风的个例拟合率为83.7%（31/37），当加入补充条件后拟合率为91.9%。将此模式应用于2022年10月—2023年4月的我台冬半年大风业务中，出现的6次区域性大风预报，5次准确，1次效果较差，准确率为85.7%。 2022年10月—2023年3月使用此模式后，大风预警准确率评分78.6分，对照上一年度，我台区域性大风准确率提高6.1分，效果较为满意。

8 二次大风典型个例

一次过程是2022年11月11日，环流背景是典型的低槽东移型，此次冷空气源地来自新地岛以西巴伦支海，11月5日 20：00在黑海以北形成地面冷高压，中心气压1 025 hPa，7日进入巴湖附近，在地面关键区继续发展，中心气压1 035 hPa、9日东移至蒙古，中心气压1 040 hPa、高空环流背景方面，11月6日500 hPa乌拉尔山高脊建立并稳定，亚洲为一大低压，500 hPa有一冷槽配合，温度锋区位于45°N附近，低压槽分裂一小槽东移，进入我国河西走廊一带，并继续向东偏南方向沿西北路径移动，但低槽较弱，带来冷空气有限，广元市略有降温，10日乌山以西冷槽发展，环流调整开始，乌山高脊减弱东移，其东侧低压主体带动地面冷空气向东南暴发，冷空气沿西北路径移动，自陕西汉中方向扩散影响广元市，给广元带来一次大风天气。

低槽东移型大风来得快，但势力稍弱，此次过程发布了大风黄色预警，但效果不好，只有位于显著通道的广元、剑阁一线出现7级左右大风，其他县区只有5～6级偏北风。总结分析认为主要是高空冷平流稍弱，700 hPa降温4.9～6.5 ℃，且高空温度锋区偏北，导致动力下传效果较差；虽然11日24 h变压7 hPa，达到阈值，但关键的3 h变压仅3.5 hPa，未达阈值；加之冷空气自东北扩散路径，是此次大风预报效果较差的原因。

2023年12月15日出现的大风为典型的横槽转竖型环流背景，12月6日08：00自欧洲东移的地面冷空气到达里海以东，中心气压1 030 hPa， 8日08：00，中心气压发展至1 050 hPa，至10日20：00与蒙古冷高压合为一体，中心气压1 052 hPa，长轴为西北—东南向，并向地面关键区汇集，至14日08：00发展为1 072.5 hPa，高空背景方面，9日08：00乌山长波脊建立，脊线呈东北—西南向，亚洲为2个中心组成的大低压，北支锋区位于40°N以北，温度槽略微落后于高度槽，利于阻塞形势维持，11日20：00新地岛西侧一冷舌南掉，致使乌山脊减弱东移南压，14日08：00，脊前西北气流进入我国新疆地区，东部横槽也转竖，北支锋区南压至35°N附近，乌山高脊减弱为跨度40个经距的高压带，14日20：00，脊前西北气流引导聚集于西伯利亚至蒙古的冷空气大举南下，侵入广元市造成大风。

此次过程前，由于满足了模式预报的全部5个指标，因此发布了大风黄色预警，效果好。此次大风过程自11月14日08：00—15日20：00，历时36 h，14日广元市大部出现7～9级大风；而15日大部出现8～10级大风，极大风最大值出现在15日13：00，从实况反映，此时3 h变压达3.4 hPa，低空24 h变温达-5～-15 ℃，低空冷平流极强，冷空气下沉，动力下传十分明显。

9 结论

广元市是四川盆地著名的大风区，重峦叠嶂，地势西高东低、北高南低，水系交错，嘉陵江穿城而过，10月—翌年4月冷空气活动频繁，大风是当地主要的灾害性天气。做好减灾防灾工作，不仅要掌握大风天气的时空分布、形成机理和物理特征，还需从地形分布、实时气象要素、环流背景、地面气压系统发展理论、动力下传、上游指标站等方面入手，建立预报模式，提高大风预报准确率。

参考文献

[1] 杨亦萍，史珩瑜，刘力源，等.冬春季动量下传引发浙江沿海灾害大风过程分析[J].海洋预报，2022，39（3）：66-74.

[2] 王黉，李英，吴哲红，等.我国大风机理研究和预报技术进展[J].气象科技，2019，47（4）：600-607.