2012年一次致災(zāi)大風(fēng)天氣過程診斷分析

2012年一次致災(zāi)大風(fēng)天氣過程診斷分析

河南省位于中央。它是中國南北氣候的過渡帶，經(jīng)常發(fā)生各種自然天氣災(zāi)害。其中，風(fēng)是河南省自然災(zāi)害之一。河南省的風(fēng)主要是寒冷因素后的北風(fēng)、雷雨大風(fēng)和高壓后的南風(fēng)。冷風(fēng)后，以北風(fēng)主要發(fā)生在冬季和春天。每年的冬季和春天（即12月至次年5月）是風(fēng)暴發(fā)生的集中時間。根據(jù)1973年至2000年的統(tǒng)計結(jié)果，3月份是每年臺風(fēng)最強(qiáng)的月份。風(fēng)的形成往往是20世紀(jì)90年代后顯著減少，21世紀(jì)后略有增加。許多中國科學(xué)家已經(jīng)對風(fēng)氣候的成因進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的分析和研究[1.2、3、4、5、6、7、8、9、10]。風(fēng)的形成通常是基于強(qiáng)氣候和低壓系統(tǒng)的。這也是長期預(yù)測的重要指標(biāo)。通過對多個風(fēng)場的分析，一些科學(xué)家在風(fēng)、力和壓裂方面發(fā)揮了重要作用。許多科學(xué)家在風(fēng)、風(fēng)、濕等方面進(jìn)行了統(tǒng)計分析，但缺乏對災(zāi)害強(qiáng)風(fēng)氣候的形成的深入調(diào)查。特別是2012年3月23日河南省發(fā)生的大風(fēng)氣候過程強(qiáng)度高，影響范圍廣，一些市鎮(zhèn)發(fā)生了樹木斷裂和倉庫破壞等災(zāi)害。本文從氣候?qū)W發(fā)展和物理診斷等方面，對這次風(fēng)暴天氣進(jìn)行了分析，在尋找未來遇到此類風(fēng)暴天氣所需的位置，提高預(yù)測精度。1實際風(fēng)力分析2012年3月23日,受強(qiáng)西路冷空氣的影響,河南省自西北向東南出現(xiàn)了一次大范圍的西北大風(fēng)天氣過程,全省大部地區(qū)平均風(fēng)力達(dá)到了5級左右,部分地區(qū)陣風(fēng)8到9級,局地達(dá)到了10級.88站次出現(xiàn)了17m/s及以上的瞬時大風(fēng),最大為嵩山站,23日08時風(fēng)力達(dá)25m/s,為10級風(fēng),就連很少出現(xiàn)大風(fēng)的南陽淅川縣和洛陽欒川縣在當(dāng)日下午14時也分別出現(xiàn)了21m/s和23m/s的大風(fēng)天氣.2天氣生態(tài)發(fā)展2.15河南等高線.2012年3月22日08時,500hPa歐亞大陸為兩槽一脊型,高壓脊位于新疆及其以北地區(qū),在50~60°N,70~90°E范圍內(nèi)的高壓脊里,10個緯距內(nèi)有8根等高線,說明高壓脊非常強(qiáng)盛;貝加爾湖以南和咸里海地區(qū)分別為一槽區(qū),同時貝加爾湖地區(qū)還伴有-42℃的冷中心,冷溫槽落后于高度槽,槽后脊前冷平流比較強(qiáng),有利于低槽發(fā)展東移,槽后脊前的風(fēng)速大多為16~26m/s,且以偏西到西西北風(fēng)為主.河南位于貝加爾湖南伸的寬廣階梯槽前偏西到西西南氣流里,在30~40°N,100°~120°E范圍內(nèi)等高線較為稀疏,10個緯距內(nèi)有4根等高線,3根等溫線;3月22日20時,受強(qiáng)冷平流的影響,低槽合并加深,東移到108°E附近,冷溫槽依然落后于高度槽,低槽前后溫差較大,延安比鄭州低6℃,而且等溫線和等高線交角比08時明顯增大,槽后風(fēng)速達(dá)20~32m/s,偏北分量明顯增大,以西北風(fēng)為主,30~40°N,100~120°E范圍內(nèi),等高線增加到6根,等溫線增加到5根;23日08時,槽線位于115°E附近,河南省處于槽后西西北氣流里,冷溫槽依然落后于高度槽,低槽前后溫差進(jìn)一步加大,延安比鄭州低10℃,西安比鄭州低7℃,等溫線和等高線交角幾乎呈45°,槽后西北風(fēng)速達(dá)36~40m/s,30~40°N,110~120°E范圍內(nèi),等高線增加到9根,等溫線增加到6根,說明高空有強(qiáng)鋒區(qū)存在;23日20時,低槽東移至120°E及以東地區(qū),河南省上空受強(qiáng)西北氣流和冷平流控制,雖然冷溫槽依然落后于高度槽,但延安和鄭州溫差為零,同時西安溫度已比鄭州高3°,說明冷平流已到河南省上空并將趨于減弱.2.27明槽后冷平流700hPa槽脊的位置要比500hPa偏東一些,3月22日08時,中高緯地區(qū)的歐亞大陸為兩槽一脊型,朝鮮半島以東和咸里海以北地區(qū)分別為一槽區(qū),新疆及其以北地區(qū)到我國東北為一寬廣的脊區(qū),在30~40°N之間的我國大陸地區(qū)等高線較為稀疏為一槽一脊型,新疆地區(qū)為一暖脊,河套以東地區(qū)為一冷槽,冷溫槽落后于高度槽,等溫線和等高線交角幾乎成90℃,槽后偏北風(fēng)速為10~16m/s之間,河南省處于槽前的暖平流里,延安和西安分別比鄭州低9℃和6℃,說明槽后冷平流比較強(qiáng);20時鄭州由10m/s的西西北風(fēng)轉(zhuǎn)為16m/s的西北風(fēng),溫度也由0℃降到-5℃,說明鋒區(qū)已影響到河南省上空,等溫線和等高線仍然處于垂直狀態(tài),有利于低槽進(jìn)一步加深發(fā)展東移南壓;23日08時,低槽東移至120°E,河南省處于槽后強(qiáng)的冷平流區(qū)里,西北風(fēng)速達(dá)20~26m/s,溫度槽仍然落后于高度槽且依然保持幾乎垂直的形勢,鄭州西北風(fēng)速達(dá)26m/s,溫度也降到了-10℃,延安和西安比鄭州分別低7℃和5℃,說明冷平流還很強(qiáng)盛,還沒有完全影響到河南省;20時低槽東移出海,等溫線和等高線交角減小,延安和鄭州的溫差分別為-1℃和1℃,冷平流明顯減弱,河南省處于槽后偏北風(fēng)里,冷空氣影響趨于結(jié)束.850hPa圖上,3月22日08時鄭州處于倒槽頂部的東北風(fēng)里,風(fēng)速8m/s,溫度-1℃、延安和西安分別為-1℃和2℃,西北風(fēng)8m/s;22日20鄭州、延安、西安三站均轉(zhuǎn)到高壓脊前西北風(fēng)里,鄭州風(fēng)速8m/s,延安和西安風(fēng)速分別為10m/s和12m/s,鄭州溫度保持不變,延安和西安均為0℃;23日08時鄭州西北風(fēng)速增大到26m/s,延安和西安風(fēng)速均為18m/s,鄭州溫度仍然保持不變,延安和西安分別為-4℃和-1℃;23日20時隨著冷空氣的減弱,鄭州西北風(fēng)減小到16m/s,溫度為1℃,延安和西安風(fēng)速均為6m/s,溫度均為1℃.由22日08時—23日20時,鄭州、延安、西安三站850hPa的風(fēng)速和溫度演變可以看出,此次大風(fēng)天氣低層冷平流不明顯,主要依靠中高層較強(qiáng)的冷暖平流使得槽脊加深東移發(fā)展,高空風(fēng)動量下傳.2.3斜壓槽隨槽內(nèi)移動從圖2可以明顯看出,此次強(qiáng)冷空氣過程具有很強(qiáng)的斜壓性.3月22日08時到23日08時由低層到高層低槽呈現(xiàn)出明顯的后傾形勢,正是這種強(qiáng)的斜壓形勢,伴隨著槽后強(qiáng)冷平流的東移南下,斜壓槽迅速發(fā)展,階梯槽合并發(fā)展東移,槽的經(jīng)向度加大,把高層的冷空氣帶到低層,隨著系統(tǒng)的繼續(xù)東移和斜壓性的減弱,冷空氣對河南省的影響也逐漸減弱結(jié)束.3冷高壓中心位置3月22日08時,貝加爾湖西側(cè)有一中心值為1054.4hPa的南北向的強(qiáng)冷高壓,高壓底部南伸到青藏高原,河南省處于江淮倒槽北部的北到東北風(fēng)里,全省陰天有小雨,貝加爾湖南側(cè)和河套北部之間有一中心值為1018.9hPa的蒙古氣旋,11時到20時冷空氣從高原東部經(jīng)河套西南部擴(kuò)散東移,河南省轉(zhuǎn)為弱的偏西到西北風(fēng),西安和鄭州氣壓差5.9hPa;蒙古氣旋緩慢發(fā)展東移,20時中心氣壓降到1011.8hPa;23日05時冷高壓中心位于甘肅東部,中心氣壓1039.1hPa,西安比鄭州氣壓高8.8hPa,鄭州也比北京的氣壓高7.6hPa,但從02時到05時西安和鄭州的3h變壓由3.4hPa降到了1.5hPa左右,所以整個河南省的風(fēng)速并不大,為2~3m/s.根據(jù)30年的氣候統(tǒng)計,河南省受西路冷空氣影響時,西安和鄭州氣壓差≥6hPa,鄭州的氣壓高于北京時,河南的中西部地區(qū)就容易出現(xiàn)4到5級的偏西到西北風(fēng).23日08時冷高壓中心位置變化不大,中心氣壓略有增大,變?yōu)?039.6hPa,西安和鄭州氣壓差達(dá)12.7hPa,鄭州與北京氣壓差為8.4hPa,同時蒙古氣旋東移至北京東北部,中心氣壓為1011.4hPa.在西安和鄭州之間差不多5個經(jīng)距內(nèi)有5根等壓線通過,說明氣壓梯度非常大,強(qiáng)鋒區(qū)壓到了河南境內(nèi),氣壓梯度風(fēng)加大,08時以后河南各地相繼出現(xiàn)≥17m/s的瞬時大風(fēng),23日08時—20時,氣旋穩(wěn)定在東北到華北北部地區(qū),對冷空氣的東移起到了一定的阻擋作用,北京的氣壓值持續(xù)減小,14時以后逐漸加大,同時冷高壓中心位于河套地區(qū),110~120°E范圍內(nèi)等壓線呈南北向,氣壓梯度較大,在10個經(jīng)距內(nèi)等壓線為8~9根,西安、鄭州、北京三站之間氣壓梯度也增大.23日11時以后,西安和鄭州的氣壓差逐漸變小,但兩站之間的變壓差在增大,08時西安3小時變壓為3.5hPa,鄭州3h變壓為1.9hPa,兩站之間的變壓差為1.6hPa;到14時由于冷高壓強(qiáng)度減弱和日較差的作用,西安和鄭州的3h變壓都轉(zhuǎn)為負(fù)值,分別為-3.8hPa和-1.6hPa,兩者之間的變壓差增大,變壓風(fēng)有所加大,所以白天河南省大部分地區(qū)維持5級左右偏西到西北大風(fēng),瞬時大風(fēng)大多出現(xiàn)在10—14時之間,17時以后隨著冷高壓的進(jìn)一步減弱東移和3h變壓差的減小,河南省的大風(fēng)天氣基本結(jié)束.4物理診斷分析4.1近地層溫度平流和溫度平流的運(yùn)行效果分析通過高空形勢分析發(fā)現(xiàn),本次冷空氣影響過程中,溫度槽落后于高度槽,中下層等溫線和等高線的交角非常大,風(fēng)幾乎垂直于等溫線的方向吹.溫度平流是斜壓擾動強(qiáng)烈發(fā)展最主要的動力條件,槽前的暖平流使槽前高壓脊發(fā)展,槽后冷平流使槽加深.為了更好的分析本次冷空氣影響過程中溫度平流的作用,用6h一次的NCEP分析資料,對近地層溫度平流和溫度平流的剖面進(jìn)行診斷分析.4.1.1層密度的形成4.1.2暖平流中心生成為了更好地分析冷平流的演變過程,沿33.5°N作東西向剖面,對風(fēng)場和溫度平流的垂直演變進(jìn)行了分析.由圖4可以發(fā)現(xiàn),22日14時,在110°E上空700hPa高度處和113°E上空750hPa高度處分別有一個強(qiáng)大的冷平流中心,中心達(dá)-40×10-5K/s;22日20時,冷平流中心高度變化不明顯,仍在700hPa高度處,中心略有減弱,中心值為-32×10-5K/s,并且東移到116°E,冷平流從高層向低層傾斜傳播,105°E附近500hPa高度處有新的強(qiáng)冷平流中心生成,強(qiáng)度達(dá)-48×10-5K/s,1000~800hPa仍為暖平流控制,暖平流中心在112.5°E附近900hPa高度處,河南上空800hPa以上風(fēng)速大于16m/s;23日02時,河南近地層轉(zhuǎn)為一致的西北風(fēng),在112°E處冷平流已經(jīng)到達(dá)地面,河南西北部開始受冷空氣影響,但風(fēng)力不大,冷平流加強(qiáng)的同時,113°E附近950hPa高度暖平流中心也在加強(qiáng),暖中心強(qiáng)度達(dá)24×10-5K/s,同時河南的上游高空有新的冷中心生成,并不斷的向東向下傳播;23日08時,冷暖平流都達(dá)到最強(qiáng),在112.5°E附近650hPa高度處,冷中心達(dá)-128×10-5K/s,冷中心附近風(fēng)速達(dá)28~36m/s,同時近地層的冷平流也達(dá)到最強(qiáng),1000hPa冷平流達(dá)-8×10-5K/s,風(fēng)速加大到12m/s,冷平流增強(qiáng)的同時,近地層的暖平流也進(jìn)一步加強(qiáng),在115°E暖中心附近達(dá)40×10-5K/s,暖平流的加強(qiáng),使得溫度梯度加大,鋒區(qū)加強(qiáng),河南風(fēng)力加大,西北部地區(qū)開始出現(xiàn)大風(fēng),瞬時風(fēng)速達(dá)17m/s以上;河南的大風(fēng)天氣主要出現(xiàn)在8—14點(diǎn)之間,14時以后風(fēng)力明顯減弱;從23日14時的溫度平流剖面圖上可以看出,河南上空轉(zhuǎn)為暖平流控制,除了近地層風(fēng)速略有變化外,高空風(fēng)明顯減小,冷平流主體東移影響華北和東北地區(qū).溫度平流的垂直演變表明,冷空氣在東移的過程中,冷平流中心由高層向低層傳播.同時,隨著冷平流的東移南下,近地面冷空氣的東部暖平流也存在不斷加強(qiáng)的過程,冷暖空氣對峙使低空鋒區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng),風(fēng)力增大.4.2河南西部西北風(fēng)綜合活動中心分析垂直運(yùn)動能很好地反映一個地方氣流是上升還是下沉,其數(shù)值大小能反映氣流運(yùn)動的劇烈程度.為了探討本次強(qiáng)冷空氣過程是否也存在強(qiáng)的垂直運(yùn)動及高層冷空氣的動量下傳,對本次冷空氣影響過程中的垂直運(yùn)動場和風(fēng)場進(jìn)行分析.由圖5可以看出,23日02時冷空氣開始影響河南西部時,河南近地面為弱的上升和弱的下沉運(yùn)動,低層為弱的2m/s偏西風(fēng),900hPa以上為西北風(fēng),在河南西部110°E附近的700hPa高度有一個18Pa/s的強(qiáng)下沉運(yùn)動中心,850~650hPa之間為16~26m/s的較強(qiáng)西北風(fēng),108°E上空的750hPa為強(qiáng)的上升運(yùn)動,中心值為-20Pa/s;23日08時,在113°E附近上空隨著上游高空動量下傳,西北風(fēng)速加大,在800hPa高度處又出現(xiàn)了一個18Pa/s的強(qiáng)下沉運(yùn)動中心并到達(dá)地面,500~950hPa之間風(fēng)速達(dá)22~36m/s;23日14時,113°E附近的強(qiáng)下沉運(yùn)動明顯減弱,近地層略有加大,強(qiáng)度為10Pa/s,河南近地層上空轉(zhuǎn)為一致的西北風(fēng),風(fēng)速明顯增大,同時上層風(fēng)速明顯減小,在112°E附近上空弱的上升運(yùn)動加強(qiáng),在108~110°E之間還有一對上升和下沉運(yùn)動中心,說明冷空氣影響河南時鋒區(qū)加強(qiáng)后有大的動力抬升作用;23日20時,隨著冷空氣的東移南下,河南上空轉(zhuǎn)為弱的下沉運(yùn)動,風(fēng)速減小,大風(fēng)天氣結(jié)束.從以上分析可知,此次大風(fēng)天氣過程存在明顯的高空風(fēng)動量下傳,冷空氣自西向東、從高層到低層傳播,強(qiáng)下沉運(yùn)動的動力作用是本次大風(fēng)發(fā)生的主要原因之一.5高空風(fēng)模型采用NCEP分析資料和地面常規(guī)觀測資料,對2012年3月23日河南省的一次致災(zāi)大風(fēng)天氣過程的影響系統(tǒng)及物理量場進(jìn)行了分析研究,可以得出以下結(jié)論:1)2012年3月23日的大風(fēng)天氣過程,溫度槽始終落后于高度槽,強(qiáng)烈的斜壓作用使高空槽發(fā)展.在槽后強(qiáng)冷平流作用下,高空槽加深發(fā)展并東移南下,引導(dǎo)冷空氣東移南下.冷空氣向南移動的過程中,冷平流不斷加強(qiáng),河南上空冷暖平流的共同作用,使得鋒區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng),風(fēng)力加大.2)從溫度平流的垂直剖面和500,700,850hPa22日08時—23日20時的溫度演變可知,中高層的強(qiáng)冷平流是此次大風(fēng)過程的主要熱力因子,低層冷平流較弱,溫度變化不大.3)從垂直速度場和風(fēng)速的垂直剖面圖可知,此次大風(fēng)天氣過程中高空風(fēng)動量下傳起到了重要作用,強(qiáng)風(fēng)速從河南西北部自上而下,自西向東傳播.4)強(qiáng)的氣壓梯度力是本次大風(fēng)天氣形成的主要原因之一,西安和鄭州的氣壓梯度達(dá)到了12.7hPa,鄭州和北京的氣壓差也達(dá)到了8.4hPa.所以預(yù)報河南的大風(fēng)天氣時要同時