2012年一次致灾大风天气过程诊断分析

2012年一次致灾大风天气过程诊断分析

河南省位于中央。它是中国南北气候的过渡带，经常发生各种自然天气灾害。其中，风是河南省自然灾害之一。河南省的风主要是寒冷因素后的北风、雷雨大风和高压后的南风。冷风后，以北风主要发生在冬季和春天。每年的冬季和春天（即12月至次年5月）是风暴发生的集中时间。根据1973年至2000年的统计结果，3月份是每年台风最强的月份。风的形成往往是20世纪90年代后显著减少，21世纪后略有增加。许多中国科学家已经对风气候的成因进行了认真细致的分析和研究[1.2、3、4、5、6、7、8、9、10]。风的形成通常是基于强气候和低压系统的。这也是长期预测的重要指标。通过对多个风场的分析，一些科学家在风、力和压裂方面发挥了重要作用。许多科学家在风、风、湿等方面进行了统计分析，但缺乏对灾害强风气候的形成的深入调查。特别是2012年3月23日河南省发生的大风气候过程强度高，影响范围广，一些市镇发生了树木断裂和仓库破坏等灾害。本文从气候学发展和物理诊断等方面，对这次风暴天气进行了分析，在寻找未来遇到此类风暴天气所需的位置，提高预测精度。1实际风力分析2012年3月23日,受强西路冷空气的影响,河南省自西北向东南出现了一次大范围的西北大风天气过程,全省大部地区平均风力达到了5级左右,部分地区阵风8到9级,局地达到了10级.88站次出现了17m/s及以上的瞬时大风,最大为嵩山站,23日08时风力达25m/s,为10级风,就连很少出现大风的南阳淅川县和洛阳栾川县在当日下午14时也分别出现了21m/s和23m/s的大风天气.2天气生态发展2.15河南等高线.2012年3月22日08时,500hPa欧亚大陆为两槽一脊型,高压脊位于新疆及其以北地区,在50~60°N,70~90°E范围内的高压脊里,10个纬距内有8根等高线,说明高压脊非常强盛;贝加尔湖以南和咸里海地区分别为一槽区,同时贝加尔湖地区还伴有-42℃的冷中心,冷温槽落后于高度槽,槽后脊前冷平流比较强,有利于低槽发展东移,槽后脊前的风速大多为16~26m/s,且以偏西到西西北风为主.河南位于贝加尔湖南伸的宽广阶梯槽前偏西到西西南气流里,在30~40°N,100°~120°E范围内等高线较为稀疏,10个纬距内有4根等高线,3根等温线;3月22日20时,受强冷平流的影响,低槽合并加深,东移到108°E附近,冷温槽依然落后于高度槽,低槽前后温差较大,延安比郑州低6℃,而且等温线和等高线交角比08时明显增大,槽后风速达20~32m/s,偏北分量明显增大,以西北风为主,30~40°N,100~120°E范围内,等高线增加到6根,等温线增加到5根;23日08时,槽线位于115°E附近,河南省处于槽后西西北气流里,冷温槽依然落后于高度槽,低槽前后温差进一步加大,延安比郑州低10℃,西安比郑州低7℃,等温线和等高线交角几乎呈45°,槽后西北风速达36~40m/s,30~40°N,110~120°E范围内,等高线增加到9根,等温线增加到6根,说明高空有强锋区存在;23日20时,低槽东移至120°E及以东地区,河南省上空受强西北气流和冷平流控制,虽然冷温槽依然落后于高度槽,但延安和郑州温差为零,同时西安温度已比郑州高3°,说明冷平流已到河南省上空并将趋于减弱.2.27明槽后冷平流700hPa槽脊的位置要比500hPa偏东一些,3月22日08时,中高纬地区的欧亚大陆为两槽一脊型,朝鲜半岛以东和咸里海以北地区分别为一槽区,新疆及其以北地区到我国东北为一宽广的脊区,在30~40°N之间的我国大陆地区等高线较为稀疏为一槽一脊型,新疆地区为一暖脊,河套以东地区为一冷槽,冷温槽落后于高度槽,等温线和等高线交角几乎成90℃,槽后偏北风速为10~16m/s之间,河南省处于槽前的暖平流里,延安和西安分别比郑州低9℃和6℃,说明槽后冷平流比较强;20时郑州由10m/s的西西北风转为16m/s的西北风,温度也由0℃降到-5℃,说明锋区已影响到河南省上空,等温线和等高线仍然处于垂直状态,有利于低槽进一步加深发展东移南压;23日08时,低槽东移至120°E,河南省处于槽后强的冷平流区里,西北风速达20~26m/s,温度槽仍然落后于高度槽且依然保持几乎垂直的形势,郑州西北风速达26m/s,温度也降到了-10℃,延安和西安比郑州分别低7℃和5℃,说明冷平流还很强盛,还没有完全影响到河南省;20时低槽东移出海,等温线和等高线交角减小,延安和郑州的温差分别为-1℃和1℃,冷平流明显减弱,河南省处于槽后偏北风里,冷空气影响趋于结束.850hPa图上,3月22日08时郑州处于倒槽顶部的东北风里,风速8m/s,温度-1℃、延安和西安分别为-1℃和2℃,西北风8m/s;22日20郑州、延安、西安三站均转到高压脊前西北风里,郑州风速8m/s,延安和西安风速分别为10m/s和12m/s,郑州温度保持不变,延安和西安均为0℃;23日08时郑州西北风速增大到26m/s,延安和西安风速均为18m/s,郑州温度仍然保持不变,延安和西安分别为-4℃和-1℃;23日20时随着冷空气的减弱,郑州西北风减小到16m/s,温度为1℃,延安和西安风速均为6m/s,温度均为1℃.由22日08时—23日20时,郑州、延安、西安三站850hPa的风速和温度演变可以看出,此次大风天气低层冷平流不明显,主要依靠中高层较强的冷暖平流使得槽脊加深东移发展,高空风动量下传.2.3斜压槽随槽内移动从图2可以明显看出,此次强冷空气过程具有很强的斜压性.3月22日08时到23日08时由低层到高层低槽呈现出明显的后倾形势,正是这种强的斜压形势,伴随着槽后强冷平流的东移南下,斜压槽迅速发展,阶梯槽合并发展东移,槽的经向度加大,把高层的冷空气带到低层,随着系统的继续东移和斜压性的减弱,冷空气对河南省的影响也逐渐减弱结束.3冷高压中心位置3月22日08时,贝加尔湖西侧有一中心值为1054.4hPa的南北向的强冷高压,高压底部南伸到青藏高原,河南省处于江淮倒槽北部的北到东北风里,全省阴天有小雨,贝加尔湖南侧和河套北部之间有一中心值为1018.9hPa的蒙古气旋,11时到20时冷空气从高原东部经河套西南部扩散东移,河南省转为弱的偏西到西北风,西安和郑州气压差5.9hPa;蒙古气旋缓慢发展东移,20时中心气压降到1011.8hPa;23日05时冷高压中心位于甘肃东部,中心气压1039.1hPa,西安比郑州气压高8.8hPa,郑州也比北京的气压高7.6hPa,但从02时到05时西安和郑州的3h变压由3.4hPa降到了1.5hPa左右,所以整个河南省的风速并不大,为2~3m/s.根据30年的气候统计,河南省受西路冷空气影响时,西安和郑州气压差≥6hPa,郑州的气压高于北京时,河南的中西部地区就容易出现4到5级的偏西到西北风.23日08时冷高压中心位置变化不大,中心气压略有增大,变为1039.6hPa,西安和郑州气压差达12.7hPa,郑州与北京气压差为8.4hPa,同时蒙古气旋东移至北京东北部,中心气压为1011.4hPa.在西安和郑州之间差不多5个经距内有5根等压线通过,说明气压梯度非常大,强锋区压到了河南境内,气压梯度风加大,08时以后河南各地相继出现≥17m/s的瞬时大风,23日08时—20时,气旋稳定在东北到华北北部地区,对冷空气的东移起到了一定的阻挡作用,北京的气压值持续减小,14时以后逐渐加大,同时冷高压中心位于河套地区,110~120°E范围内等压线呈南北向,气压梯度较大,在10个经距内等压线为8~9根,西安、郑州、北京三站之间气压梯度也增大.23日11时以后,西安和郑州的气压差逐渐变小,但两站之间的变压差在增大,08时西安3小时变压为3.5hPa,郑州3h变压为1.9hPa,两站之间的变压差为1.6hPa;到14时由于冷高压强度减弱和日较差的作用,西安和郑州的3h变压都转为负值,分别为-3.8hPa和-1.6hPa,两者之间的变压差增大,变压风有所加大,所以白天河南省大部分地区维持5级左右偏西到西北大风,瞬时大风大多出现在10—14时之间,17时以后随着冷高压的进一步减弱东移和3h变压差的减小,河南省的大风天气基本结束.4物理诊断分析4.1近地层温度平流和温度平流的运行效果分析通过高空形势分析发现,本次冷空气影响过程中,温度槽落后于高度槽,中下层等温线和等高线的交角非常大,风几乎垂直于等温线的方向吹.温度平流是斜压扰动强烈发展最主要的动力条件,槽前的暖平流使槽前高压脊发展,槽后冷平流使槽加深.为了更好的分析本次冷空气影响过程中温度平流的作用,用6h一次的NCEP分析资料,对近地层温度平流和温度平流的剖面进行诊断分析.4.1.1层密度的形成4.1.2暖平流中心生成为了更好地分析冷平流的演变过程,沿33.5°N作东西向剖面,对风场和温度平流的垂直演变进行了分析.由图4可以发现,22日14时,在110°E上空700hPa高度处和113°E上空750hPa高度处分别有一个强大的冷平流中心,中心达-40×10-5K/s;22日20时,冷平流中心高度变化不明显,仍在700hPa高度处,中心略有减弱,中心值为-32×10-5K/s,并且东移到116°E,冷平流从高层向低层倾斜传播,105°E附近500hPa高度处有新的强冷平流中心生成,强度达-48×10-5K/s,1000~800hPa仍为暖平流控制,暖平流中心在112.5°E附近900hPa高度处,河南上空800hPa以上风速大于16m/s;23日02时,河南近地层转为一致的西北风,在112°E处冷平流已经到达地面,河南西北部开始受冷空气影响,但风力不大,冷平流加强的同时,113°E附近950hPa高度暖平流中心也在加强,暖中心强度达24×10-5K/s,同时河南的上游高空有新的冷中心生成,并不断的向东向下传播;23日08时,冷暖平流都达到最强,在112.5°E附近650hPa高度处,冷中心达-128×10-5K/s,冷中心附近风速达28~36m/s,同时近地层的冷平流也达到最强,1000hPa冷平流达-8×10-5K/s,风速加大到12m/s,冷平流增强的同时,近地层的暖平流也进一步加强,在115°E暖中心附近达40×10-5K/s,暖平流的加强,使得温度梯度加大,锋区加强,河南风力加大,西北部地区开始出现大风,瞬时风速达17m/s以上;河南的大风天气主要出现在8—14点之间,14时以后风力明显减弱;从23日14时的温度平流剖面图上可以看出,河南上空转为暖平流控制,除了近地层风速略有变化外,高空风明显减小,冷平流主体东移影响华北和东北地区.温度平流的垂直演变表明,冷空气在东移的过程中,冷平流中心由高层向低层传播.同时,随着冷平流的东移南下,近地面冷空气的东部暖平流也存在不断加强的过程,冷暖空气对峙使低空锋区进一步加强,风力增大.4.2河南西部西北风综合活动中心分析垂直运动能很好地反映一个地方气流是上升还是下沉,其数值大小能反映气流运动的剧烈程度.为了探讨本次强冷空气过程是否也存在强的垂直运动及高层冷空气的动量下传,对本次冷空气影响过程中的垂直运动场和风场进行分析.由图5可以看出,23日02时冷空气开始影响河南西部时,河南近地面为弱的上升和弱的下沉运动,低层为弱的2m/s偏西风,900hPa以上为西北风,在河南西部110°E附近的700hPa高度有一个18Pa/s的强下沉运动中心,850~650hPa之间为16~26m/s的较强西北风,108°E上空的750hPa为强的上升运动,中心值为-20Pa/s;23日08时,在113°E附近上空随着上游高空动量下传,西北风速加大,在800hPa高度处又出现了一个18Pa/s的强下沉运动中心并到达地面,500~950hPa之间风速达22~36m/s;23日14时,113°E附近的强下沉运动明显减弱,近地层略有加大,强度为10Pa/s,河南近地层上空转为一致的西北风,风速明显增大,同时上层风速明显减小,在112°E附近上空弱的上升运动加强,在108~110°E之间还有一对上升和下沉运动中心,说明冷空气影响河南时锋区加强后有大的动力抬升作用;23日20时,随着冷空气的东移南下,河南上空转为弱的下沉运动,风速减小,大风天气结束.从以上分析可知,此次大风天气过程存在明显的高空风动量下传,冷空气自西向东、从高层到低层传播,强下沉运动的动力作用是本次大风发生的主要原因之一.5高空风模型采用NCEP分析资料和地面常规观测资料,对2012年3月23日河南省的一次致灾大风天气过程的影响系统及物理量场进行了分析研究,可以得出以下结论:1)2012年3月23日的大风天气过程,温度槽始终落后于高度槽,强烈的斜压作用使高空槽发展.在槽后强冷平流作用下,高空槽加深发展并东移南下,引导冷空气东移南下.冷空气向南移动的过程中,冷平流不断加强,河南上空冷暖平流的共同作用,使得锋区进一步加强,风力加大.2)从温度平流的垂直剖面和500,700,850hPa22日08时—23日20时的温度演变可知,中高层的强冷平流是此次大风过程的主要热力因子,低层冷平流较弱,温度变化不大.3)从垂直速度场和风速的垂直剖面图可知,此次大风天气过程中高空风动量下传起到了重要作用,强风速从河南西北部自上而下,自西向东传播.4)强的气压梯度力是本次大风天气形成的主要原因之一,西安和郑州的气压梯度达到了12.7hPa,郑州和北京的气压差也达到了8.4hPa.所以预报河南的大风天气时要同时