王易 韓桂榮 曹舒婭 劉安寧

（1 江蘇省氣象臺，南京 210008；2 蘇州市氣象局，蘇州 215000）

0 引言

地面大風(fēng)作為江蘇的主要災(zāi)害性天氣的一種，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此加強災(zāi)害性大風(fēng)的預(yù)報技術(shù)研究，提高預(yù)報能力是十分重要的。江蘇大風(fēng)主要出現(xiàn)在3—4月，多與冷暖空氣交匯和天氣系統(tǒng)活動頻繁有關(guān)。

許多學(xué)者[1-9]對災(zāi)害性大風(fēng)進行了研究，黃彬等[1-2]對兩次黃河氣旋造成的黃渤海大風(fēng)及風(fēng)暴潮過程進行了分析，指出變壓梯度、氣壓梯度、高空風(fēng)動量下傳和超低空急流的偏差風(fēng)輻散的共同作用，形成了黃渤海強風(fēng)。苗春生等[3]將黃河氣旋分為了夏季型和春季型，采用動態(tài)合成法對兩類氣旋的結(jié)構(gòu)和黃渤海海域的熱力、動力、水汽等影響因子進行了對比分析。朱男男等[4]通過分析一次黃渤海大風(fēng)過程，指出氣壓梯度和變壓梯度是造成地面大風(fēng)的主要原因。黃彬等[5]對一次引發(fā)渤海強風(fēng)暴潮的黃河氣旋發(fā)展過程進行了天氣動力學(xué)分析，揭示了干侵入在爆發(fā)性黃河氣旋中的特征和作用。查賁等[6]通過對一次爆發(fā)性氣旋引發(fā)的大風(fēng)天氣進行診斷分析，發(fā)現(xiàn)低層切變線與地面帶狀對流有效位能（CAPE）高值區(qū)重合區(qū)域?qū)霈F(xiàn)大風(fēng)天氣，具有明顯的預(yù)報指示意義。這些研究成果對了解和認(rèn)識災(zāi)害性大風(fēng)提供了重要的參考依據(jù)。

2017年3月1 日下午，江蘇遭遇了大范圍的大風(fēng)天氣，連云港、鹽城、徐州、泰州、南通、南京、鎮(zhèn)江、蘇州、無錫等市的33個縣（市）風(fēng)力超過8級，其中阜寧最大風(fēng)力達10級（26 m/s）。全省因災(zāi)死亡3人，重傷13人，多處房屋受損，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。此次大風(fēng)過程雖然前期預(yù)報已經(jīng)提及，但對大風(fēng)的量級預(yù)報偏小，因此，有必要對于此次大風(fēng)過程的成因進行分析，為今后的預(yù)報提供參考。本文利用多普勒雷達資料、自動站觀測資料和NCEP再分析資料，對此次大風(fēng)過程和形成原因進行分析。

1 天氣形勢和實況

2017年3月1 日08時（北京時，除非特別注明，下同）500 hPa上東亞地區(qū)為一槽—脊的形勢（圖1a），河套以東為比較深厚的華北冷槽，高空槽后伴有強勁的偏北急流，最大風(fēng)速達40 m/s，受槽后冷空氣影響，射陽站24 h降溫5 ℃。700 hPa和850 hPa也有槽位于山東和江蘇北部，系統(tǒng)呈后傾結(jié)構(gòu)。700 hPa溫度槽明顯落后于高度槽，有利于高空槽繼續(xù)加深發(fā)展（圖1b）。850 hPa上在山東半島東部有一低渦（圖1c），等溫線與等高線交角幾近90°，槽后部偏北風(fēng)達20 m/s。從高空三層形勢看，此次過程呈現(xiàn)強烈的斜壓結(jié)構(gòu)，且槽后急流和冷平流強。

圖1 2017年3月1日500 hPa （a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）位勢高度場，08時—20時地面冷鋒移動圖（d）（棕線為槽線，綠色區(qū)域為3月1日14時—17時極大風(fēng)分布區(qū)域）Fig. 1 Geopotential height at 500 hPa (a), 700 hPa (b) and 850 hPa (c), and the movement of the cold front from 08∶00 BT to 20∶00 BT (d) on March 1, 2017(The brown line represents the trough, and the green region represents the extreme wind region from 14∶00 BT to 17∶00 BT)

地面圖上，08時黃河氣旋主體位于山東半島東部（圖2a），其后部有兩條冷鋒系統(tǒng)（圖1d），其中一條冷鋒位于江蘇沿江一帶，另一條副冷鋒位于山東中部。之后黃河氣旋逐漸東移入海，14時已移入渤海（圖2b），從山東省成山頭站可以看到（圖2d），28日20時開始該站氣壓逐漸降低，在1日14時達到最低點之后氣壓迅速回升，且在14時風(fēng)向有明顯轉(zhuǎn)變，從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，表明黃河氣旋主體14時經(jīng)過該測站。同時，位于山東中部的副冷鋒14時已經(jīng)移動到連云港，贛榆出現(xiàn)7級風(fēng)。氣旋入海后移動迅速，17時已到達朝鮮半島（圖2c），其后部冷鋒17時也快速移動到江淮之間地區(qū)，此時淮北大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)8～9級的大風(fēng)，16:41在阜寧觀測到了26.9 m/s的10級風(fēng)。隨著冷鋒繼續(xù)南下，江蘇大部分站點都出現(xiàn)7級以上大風(fēng)。

1日08時射陽站的探空資料來看（圖3a），K（K指數(shù)）＝27 ℃，SI（沙氏指數(shù)）＞1 ℃，CAPE＝0 J/kg，垂直風(fēng)切變較小，700 hPa和850 hPa之間假相當(dāng)位溫隨高度基本無變化，在當(dāng)時不利于對流發(fā)展。但由于前期江蘇回溫較快，1日14時江淮之間地區(qū)地面溫度都在15 ℃左右。利用14時的地面溫度訂正探空資料后（圖3b），CAPE＞0 J/kg，出現(xiàn)層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。實況觀測到連云港、鹽城等8個市（縣）出現(xiàn)雷暴天氣，但降水較弱，全省降水以小雨為主，這與苗春生等[3]提到的春季型黃河氣旋降水特征相符。

圖2 2017年3月1日08時（a）、14時（b）、17時（c）海平面氣壓場，2月28日20時—3月1日20時成山頭站溫度、露點溫度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速時序圖（d）（綠色區(qū)域為3月1日14時—17時極大風(fēng)分布區(qū)域）Fig. 2 The sea level pressure at 08∶00 BT (a), 14∶00 BT (b) and 17∶00 BT (c) on March 1, 2017, and the temperature,dew-point temperature, sea level pressure, wind direction and wind speed from 20∶00 BT on February 28 to 20∶00 BT on March 1 in Chengtoushan station (d) (The green region represents the extreme wind region from 14∶00 to 17∶00)

圖3 2017年3月1日08時射陽站探空曲線（a）、14時資料訂正后探空曲線（b）（藍線為溫度層結(jié)曲線，綠線為露點層結(jié)曲線，紅線為狀態(tài)曲線）Fig. 3 The T-lnp diagrams at 08∶00 BT (a), 14∶00 BT (b) from the Sheyang station on March 1, 2017(The blue line represents the temperature stratification, the green line represents the dew point stratification, and the red line represents the state)

2 多普勒雷達回波分析

從連云港雷達0.5°仰角基本反射率可以看到，1日11時回波主要位于山東沂南一帶（圖4a），回波較為松散，向東南方向緩慢移動，回波強度在20～25 dBz。之后回波逐漸合并加強，并在14:30形成一條長約100 km、寬約20 km的回波帶，回波強度較弱，最大回波強度為35 dBZ左右（圖4b）。從連云港雷達徑向速度圖上可以看到（圖4c），14:44在鋒線兩側(cè)徑向速度出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，零速度線呈現(xiàn)L形折角，表明鋒區(qū)剛剛移動到連云港雷達站前，鋒后為西北風(fēng)，鋒前為西南風(fēng)。隨著冷鋒的向南移動，16:08在徑向速度圖上呈現(xiàn)出更加明顯的3條零速度線（圖4d），表明此時冷鋒已經(jīng)移過連云港雷達站。

圖4 2017年3月1日11∶00（a）、14∶30（b）連云港雷達0.5°仰角基本反射率圖，14∶44（c）、16∶08（d）連云港雷達1.5°仰角徑向速度圖Fig. 4 The 0.5°elevation reflectivity at 11∶00 BT (a), 14∶30 BT (b), and the 1.5°elevation radial velocity at 14∶44 BT (c)and 16∶08 BT (d) from the Lianyungang Radar on March 1, 2017

3 大風(fēng)成因分析

3.1 變壓風(fēng)對大風(fēng)的影響

實際風(fēng)V的大小與地轉(zhuǎn)偏差D和地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg有關(guān)，即。雖然地轉(zhuǎn)偏差與地轉(zhuǎn)風(fēng)相比并不大，但是對大氣運動和天氣變化有著重要作用。地轉(zhuǎn)偏差D主要由三項組成

其中，s表示沿流線方向，p表示沿垂直方向。這里主要討論與氣壓的局地變化所造成的風(fēng)的局地變化相聯(lián)系的地轉(zhuǎn)偏差，即變壓風(fēng)的影響。在正變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻散引起下沉運動，而在負(fù)變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻合引起上升運動。

通過分析地面自動站觀測資料可以看到（表1），在此次大風(fēng)過程中，16:25冷空氣到達濱海時，出現(xiàn)了1 h 10.3 ℃的降溫，使得濱海、響水一帶形成7 ℃以下的冷池。同時，14時—17時濱海、贛榆、東海均出現(xiàn)3 h 5 hPa以上的強正變壓中心，贛榆、東海的3 h變壓值達6.4 hPa。強氣壓梯度造成變壓風(fēng)的加強，引起地轉(zhuǎn)偏差的加大，進而使得實際風(fēng)變強，造成了阜寧及其周邊地區(qū)的災(zāi)害性大風(fēng)。

進一步選取2017年5月4日的江蘇一次氣旋影響過程與這次的過程進行對比。2017年5月4日有一地面氣旋從安徽移入江蘇南部地區(qū)，給江蘇帶來一次降水天氣。從5月4日05時—08時地面3 h變壓（表1）可以看到，蘇南地區(qū)大部分站點3 h變壓在2 hPa左右，最大3 h變壓位于高淳，僅為3 hPa，正變壓較弱，遠小于3月1日過程，從而導(dǎo)致地轉(zhuǎn)偏差較弱，風(fēng)力較小。實況顯示氣旋過境時，蘇南各市風(fēng)力在4～5級左右，并無明顯大風(fēng)天氣出現(xiàn)。由此可以看出，氣壓梯度造成變壓風(fēng)對大風(fēng)產(chǎn)生有一定的影響。

表1 2017年3月1日江蘇北部部分站點和2017年5月4日江蘇南部部分站點3 h變壓統(tǒng)計Table 1 The statistics for three-hour variation of surface atmospheric pressure in Northern Jiangsu on March 1,2017 and in Southern Jiangsu on May 4, 2017

3.2 地形對大風(fēng)的影響

地形對鋒面有一定的影響，當(dāng)鋒面越過山脈時會有加強或減弱的過程。鋒面的加強或減弱通常由鋒生和鋒消來解釋。由鋒生函數(shù)可知

其中，右邊3項分別表示空氣水平運動、垂直運動以及非絕熱加熱對鋒生的作用，當(dāng)時表示鋒生，當(dāng)是表示鋒消。其中地形作用主要與第二項垂直運

圖5 2017年3月1日14時鋒生函數(shù)975 hPa垂直運動項（線條）與地形（色斑）疊加圖（紅框位置為云臺山）Fig. 5 The vertical motion of the front genetical function in 975 hPa (line) and the geography (colored) at 14∶00 (BT)on March 1, 2017 (The red rectangle represents Yuntai Mountain)

利用NCEP再分析資料對此次過程中鋒生函數(shù)垂直運動項進行分析。通過地形圖可以看到，連云港附近為云臺山脈，阜寧位于云臺山南側(cè)，由于云臺山海拔高度在600 m左右，因此分析時選取975 hPa高度。從圖5可以看到，14時在云臺山北部有弱的鋒消，而在云臺山南部，當(dāng)鋒面過山后，形成鋒生，有利于冷鋒的加強，因此，對阜寧的大風(fēng)有一定的加強作用。

4 結(jié)論和討論

基于江蘇自動站資料、多普勒雷達資料以及NCEP再分析資料，對2017年3月1日江蘇一次災(zāi)害性大風(fēng)過程進行了詳細(xì)的分析，得到以下主要結(jié)論：

1）此次江蘇大范圍災(zāi)害性大風(fēng)過程是黃河氣旋后部冷鋒迅速加強南下引起的系統(tǒng)性大風(fēng)過程。整層大氣呈現(xiàn)強烈的斜壓性結(jié)構(gòu)，槽后急流和冷平流顯著，地面冷鋒自北向南掃過江蘇。訂正后的探空資料顯示14時大氣存在層結(jié)不穩(wěn)定。

2）從連云港雷達資料可以看到，當(dāng)鋒面經(jīng)過連云港時，在鋒面兩側(cè)徑向速度出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，零速度線呈現(xiàn)明顯的折角。

3）隨著冷鋒的南下，濱海、贛榆、東海均出現(xiàn)3 h 5 hPa以上的強正變壓中心。地面強3 h正變壓中心引起的變壓風(fēng)加大，造成了阜寧及周邊地區(qū)的災(zāi)害性大風(fēng)。

4）云臺山的地形對冷鋒有一定的影響，冷鋒越過云臺山后產(chǎn)生鋒生，有利于冷鋒的加強，對阜寧大風(fēng)有一定的加強作用。

這次大風(fēng)過程雖然在前期預(yù)報中已經(jīng)提及，但對量級的把握較差，預(yù)報量級偏小。本文從變壓和地形角度分析了造成大風(fēng)的成因，并將研究結(jié)論應(yīng)用于2017年5月4日江蘇南部氣旋影響預(yù)報過程中，取得了比較好的預(yù)報效果。因此，本文的研究成果對預(yù)報員有一定的參考價值。