李靜楠，張麗萍，王璐瑤

（天津市寧河區(qū)氣象局 天津 301500）

冷鋒影響下的偏北大風是冬、春季的主要災害性天氣之一，影響范圍廣、危害性強，對農業(yè)、電力、通訊、航運等造成嚴重影響，給城市居民生產、生活帶來諸多不便。近年來在其形成機理[1-4]、地形影響[5-7]、數(shù)值模擬和預報[8-10]等方已有大量分析研究，表明冷鋒后部出現(xiàn)大風的原因主要是鋒后有強冷空氣的活動[11]。天津地處華北平原東部、瀕臨渤海，冷鋒后大風是最常見的災害性天氣之一。由于渤海受冷空氣影響而出現(xiàn)大風的頻次較高，目前針對冷鋒影響下的海上大風研究取得了很多有意義的成果[12-15]，但是對于陸地大風的討論較少。

2018年2月10—11日天津遭遇了一次冷鋒后大風過程，其強度大、持續(xù)時間長，致使多地出現(xiàn)了較嚴重的災情。本文利用常規(guī)觀測資料、FNL逐6h 1°×1°全球再分析資料，對本次大風天氣的特征和成因進行了分析，以期掌握此類天氣預報著眼點，為冬、春季冷鋒大風的預報預警提供參考。

1 天氣實況及地面氣象要素特征

2018年2月10—11日受較強冷空氣影響，天津市東北部出現(xiàn)了大風天氣，并伴有明顯降溫。根據(jù)天津各國家氣象觀測站記載，本次大風過程平均風力超過7級的時間長達19h，期間風速有2次波動：10日10時天津北部開始出現(xiàn)大風，最大風力達9級（寧河站，21.9m/s），17時以后風速減?。?1日08時天津東部風速再次增大，最大風力達8級（寧河站，18.4m/s），18時以后風速減小。

圖1為2月9日20時至11日20時寧河地面自動站逐小時資料。9日夜間氣溫驟降至-12.1℃，10日 14時氣溫回升至當日最高值-1.8℃，到夜間降至 -8.0℃；11日升溫緩慢，16時達到最高值-2.8℃。氣壓的變化則與氣溫相反，9日夜間迅速升高，10日 02時達到第1個峰值1030.8hPa，15時降至1027.2hPa，20～21時達到第2個峰值1028.7hPa；11日白天氣壓呈波動下降的趨勢，最低值為1025.2hPa。2min平均風速呈現(xiàn)出明顯的波動特征，10日白天風速加大，從09時的5.4m/s增大到13時的12.4m/s，極大風速21.9m/s出現(xiàn)在12時21分，夜間風速下降；11日08時風速再次加大，14時平均風速上升到11.5m/s，14時24分極大風速達18.4m/s。10日—11日水汽壓的變化不大，最大值為 10日07時的1.2hPa，最小值出現(xiàn)在10日下午，為0.6hPa。

圖1 2018年2月9日20時—11日20時寧河地面自動站氣溫、2min平均風速、水汽壓和氣壓變化Fig.1 Variations of air temperature，2-minute average wind speed，vapor pressure and air pressure at Ninghe ground auto- matic station from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018

2 天氣形勢分析

2.1 強冷空氣的形成和堆積

2018年2月9日前，500hPa上極渦南伸到東亞中高緯，其后部有一橫槽向蒙古國伸展，極渦低槽后部的強冷平流引導冷空氣在貝加爾湖南部堆積，低槽中心出現(xiàn)-48℃冷溫度中心，同時烏拉爾山附近的暖脊不斷加強北抬。9日14時，500hPa橫槽和冷中心已經南壓至我國河套以北地區(qū)；700hPa自黑龍江北部到河北北部存在一東北—西南向槽，附近有密集的鋒區(qū)堆積和冷中心配合；850hPa在黑龍江北部有一冷渦，伴隨有一槽經渤海灣向山東中部延伸?？梢姳敬芜^程的影響系統(tǒng)表現(xiàn)出后傾特征，強冷空氣已經形成和堆積，穩(wěn)定發(fā)展并緩慢東移南壓。

2.2 高空橫槽轉豎

10日上午500hPa高空槽移動到河北西北部地區(qū)，該槽穩(wěn)定維持并緩慢向東發(fā)展，天津持續(xù)受槽前偏西氣流影響；9日夜間至10日白天700hPa槽自北向南經過天津，在此期間天津東北部出現(xiàn)7級西北風，12時達到第1次極大風速峰值，10日17時隨700hPa槽移出，全市風速逐漸減弱，10日夜間500hPa橫槽快速轉豎并移至天津北部；11日08時橫槽完全轉豎，700、850hPa低槽不斷向東延伸，槽后不斷有來自北方的強冷空氣向南積壓，11日早晨至18時，全市持續(xù)有5～6級的西北風，14時達到第2次極大風速峰值，500hPa高空槽過境后全市風速趨于減弱?？梢妰纱物L速的峰值分別出現(xiàn)在700hPa槽線過境、500hPa橫槽轉豎過境的時段。

2.3 地面冷高壓強大

9日14時位于蒙古國西部的地面冷高壓中心強度已達到1060hPa，其前部等壓線密集，地面冷鋒已到達我國華北地區(qū)，天津位于3h正變壓中心附近，到20時24h的變壓達到10.2hPa；10日08時地面冷鋒經天津東移入海，高壓中心移至青海北部，與冷鋒前低壓系統(tǒng)形成了明顯的西高東低的形勢場，該形勢場在10日—11日一直維持，天津正位于氣壓梯度密集帶中。10日白天高壓系統(tǒng)中心強度維持在1044hPa左右，海上低值中心氣壓值逐次下降，11～14時天津的氣壓梯度在達到最大；11日上午冷高壓依然維持在青海北部，11時中心強度增強，與寧河站（1026.5hPa）間的氣壓梯度達18.5hPa/8緯距，較好對應了2次風速加大的時間。

3 物理量特征分析

3.1 變壓梯度

強變壓梯度導致地轉偏差加大，水平方向上加速度增強，因此變壓梯度最大區(qū)最易出現(xiàn)強風。圖2分別是9日20時、10日02時、11日08時6h變壓場和地面風場分布圖。9日20時，地面冷高壓前部正變壓中心位于北京東部，中心值為7.4hPa，天津北部處于此變壓梯度大值區(qū)東南側的變壓梯度密集帶內； 10日02時正變壓中心向東南移至渤海且中心值減弱，變壓梯度也有所減弱，可見正變壓中心強度及變壓梯度的空間分布與10日大風落區(qū)有較好的對應，且比風速極值出現(xiàn)時間提前約12h；11日08時受補充冷空氣的影響，在河北西南部出現(xiàn)了強度為1.6hPa的正變壓中心，與山東北部負變壓中心的變壓差達4.2hPa，變壓梯度的再次增強導致6h后強風出現(xiàn)。由于變壓中心強度和變壓梯度都比第一次要弱，且正負變壓中心位置偏南，11日風速比第一次弱。 分析發(fā)現(xiàn)，地面冷鋒及其后強盛的冷高壓使近地面出現(xiàn)較大的6h正變壓中心并東移南下，導致近地面出現(xiàn)強風。變壓梯度密集帶呈東北—西南向分布，其時空演變與地面風速的波動密切相關。大風區(qū)位于變壓梯度密集帶前部，正變壓中心越強、變壓梯度越大，地面風速越大，風速極值出現(xiàn)在變壓中心強度及變壓梯度達到最強后的6～12h。

圖2 變壓場（單位：hPa）和地面風場（風向桿，單位：m/s）分布Fig.2 Distribution of 6-hour allobaric field（unit：hPa）and surface wind field（barb，unit：m/s）

3.2 冷平流

9日08時500hPa受槽前西南氣流的影響，存在弱的暖平流，低層在850hPa西北氣流、700hPa偏西氣流的作用下，為弱而淺薄的冷空氣，20時400hPa以下均為冷平流，冷中心位于北京西部到天津北部；10日系統(tǒng)東移南下，天津上空的冷空氣逐漸增強、溫度梯度加大，08時500hPa、850hPa冷中心移至天津東南方向的渤海上，700hPa冷平流最強處位于薊州、寧河一帶，中心值達到-4×10-4K/s。10日白天寧河出現(xiàn)第1次風速峰值，對應該區(qū)最靠近500、700hPa冷平流中心，20時中層冷平流明顯減弱，850hPa轉為暖平流，風速下降；11日08時冷空氣補充南下，槽后冷平流重新加強，700hPa冷中心強度 -8×10-4K/s，位于華北西南部，受其東移北上影響， 11日上午出現(xiàn)第2次風速峰值，但冷中心位于河北西南部，其在天津的強度較10日弱，極大風速小于10日，14時以后各層逐漸轉為暖平流，大風過程 結束。

圖3 為沿117.85°E所作的10日08時、11日 02時溫度平流的垂直剖面圖。10日02時冷中心位于河北北部（42°N）高層 300hPa，中心強度 -7×10-4K/s，08時冷平流區(qū)向南擴展延伸到河北南部，并形成了從高層到低層的溫度平流通道，500hPa附近溫度平流中心強度達到-7×10-4K/s，冷空氣通過此通道自北向南、自上向下傳輸，引起天津冷平流 加強、風速加大，14時500hPa冷平流中心繼續(xù)南移，天津地區(qū)冷平流減弱、風速減小；11日02時，河北北部（42°N）又出現(xiàn)強冷平流南移，中心強度-9×10-4K/s，但平流向低層的傳輸路徑偏南，天津地區(qū)冷平流中心強度和梯度都比10日弱，對應風速極值較10日小。

圖3 溫度平流沿117.85°E的垂直剖面（單位10-4K/s）Fig.3 Vertical cross section of temperature advection along 117.85°E（unit：10-4K/s）

分析表明，強盛的冷平流對地面風場發(fā)展起到了關鍵作用。大風發(fā)生前存在暖平流，當冷空氣南下，冷暖空氣交匯使鋒區(qū)加強，導致風速增大；大風發(fā)生期間，冷平流強度及梯度的時空分布與大風的出現(xiàn)和維持有較好的對應，冷中心強度越強、越靠近500、700hPa冷中心的地區(qū)風速越大。自高層向低層形成了自北向南的冷空氣傳輸通道，冷空氣從高層向低層的傳輸使低層冷平流的強度增強、梯度增大，導致地面風速增大。

3.3 動量下傳

9日20時—11日20時200hPa高空急流、700hPa風場以及沿117.85°E流場的垂直分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)9日20時天津（39°N）800hPa以下已存在弱下沉氣流，10日08時200hPa在30°N附 近存在一支西風急流，天津位于急流入口區(qū)，風速達到60m/s以上，高空產生輻合下沉運動，天津在700hPa風速為20～24m/s；分析沿117.85°E的流場剖面，高空急流軸及其以北地區(qū)在700hPa高度以下出現(xiàn)了明顯的下沉氣流，天津600hPa高度以下均為下沉運動；34°N以南地區(qū)位于700hPa槽前，850～600hPa為上升氣流，隨700hPa低槽移近天津，槽前弱上升運動與850hPa槽后下沉運動相疊加形成鋒生[14]，動量下傳和鋒生共同作用引起地面風速增加，在正午前后達到10日風速峰值；20時200hPa西風急流仍然以80m/s的風速維持在30°N附近，天津的風速減弱至50m/s，中低層風速明顯減小，垂直方向僅存在弱的傾斜下沉氣流，動量下傳已不明顯。11日08時，西風急流北抬，天津200hPa的風速維持在50m/s，但隨500hPa橫槽轉豎并迅速過境，天津上空的下沉氣流增強，中低層風速增大，700hPa風速增大到18m/s以上；14時天津200hPa風速減小到45m/s，500hPa高度層以上為水平運動，其下為一致的下沉氣流，中低層風速加大，說明高空動量明顯下傳，14時后達到11日風速峰值；20時西風急流移入東海，天津位于急流出口區(qū)，下沉氣流減弱，陸地大風過程趨于結束。

圖5為寧河站（39.38°N，117.85°E）整層風場演變時序圖。從高層風場來看，10日08時300hPa風速達到72m/s以上，隨后高空風速逐漸減弱，11日20時風速為44m/s。分析中層發(fā)現(xiàn)，10日08時600～400hPa高度層由偏西風轉為西北風，08～20時風速逐漸減小，11日02時全風速略增加后，至20時風速持續(xù)減小。低層的風速呈現(xiàn)出明顯的波動特征，與地面風速波動特征具有反相位分布：從16m/s等風 速線的分布明顯看出，10日—11日風速分別出現(xiàn)2次減小和2次增大的過程，其中10日10～14時、11日02～14時低層風速明顯減小，與地面風速增大的時段有極好的對應，表明高層風速經中低層傳輸?shù)浇孛?，使地面風加大。

圖5 2018年2月9日20時—11日20時寧河站（39.38°N，117.85°E）風場時間剖面圖（實線為全風速，單位：m/s）Fig.5 Wind field time profile of Ninghe Station（39.38°N，117.85°E）from 20：00 February 9 to 20：00 February 11，2018（the solid line is total wind speed，unit：m/s）

大風期間天津處于200hPa西風急流入口區(qū)，陸地大風的出現(xiàn)及風速的波動與高空輻合下沉運動有關，高空下沉氣流越強，地面風速越大。動量下傳對大風的維持起了重要作用，地面風速波動增大的過程對應上層風速減小的過程，10日同時伴有鋒生現(xiàn)象導致地面風增強，達到了整個過程的風速最大值。

4 結論

本次大風過程的影響系統(tǒng)為較明顯的后傾槽，移動緩慢、穩(wěn)定發(fā)展。來自貝加爾湖以南的冷空氣在高空槽的作用下東移南壓，橫槽轉豎又使得強冷空氣進一步向南爆發(fā)。兩次風速峰值分別出現(xiàn)在700hPa槽線過境以及500hPa橫槽轉豎、過境的時段。地面維持西高東低的氣壓場形勢，冷鋒后冷高壓強大且穩(wěn)定，使近地面出現(xiàn)較大的正變壓中心，強氣壓梯度為大風的產生提供了根本動力。

地面變壓梯度大值區(qū)和密集帶呈東北—西南向分布，風速大值區(qū)位于變壓梯度密集帶的前部，6h正變壓中心增強、變壓梯度增大，引起地面風速增大；風速極值出現(xiàn)在變壓中心強度及變壓梯度達到最強后的6～12h。地面大風與冷平流在水平和垂直方向的強度和梯度分布有關，冷平流越深厚、強度越強、梯度越大，越利于大風的出現(xiàn)；自高層向中低層建立起冷空氣傳輸通道，高層冷空氣下傳加大了低層冷平流的強度和梯度，使地面風速達到峰值。大風期間天津處于200hPa西風急流入口區(qū)，高空輻合下沉運動造成動量下傳也是導致大風維持及風速波動的重要原因。

第1次風速極值高于第2次，這是由于第1次天津6h正變壓中心、高空冷平流的強度和梯度更強，且更靠近正變壓中心和500、700hPa冷平流中心；此外，大風發(fā)生前存在暖平流，冷空氣南下引起冷暖空氣交匯使鋒區(qū)加強，動量下傳并伴有鋒生現(xiàn)象致使風速達到了整個過程的最大值。