劉偉東 史佩劍

(中國民航華東地區(qū)空中交通管理局浙江分局,浙江 杭州 311207)

0 引 言

寒潮是一種大范圍的強(qiáng)冷空氣活動過程,主要特點(diǎn)是劇烈降溫和大風(fēng),有時伴有雨、雪、雨凇和霜凍等。寒潮大風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)M(jìn)場、離場航空器的起飛爬升、著陸以及著陸滑跑時的姿態(tài)、速度的保持產(chǎn)生很大影響。當(dāng)風(fēng)的不連續(xù)造成切變嚴(yán)重時，會引起飛行事故,寒潮大風(fēng)是冬季航班延誤甚至關(guān)閉機(jī)場的重要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1],美國1993年共有180起飛行事故與各種風(fēng)有關(guān),其中38起飛行事故造成人員死亡或嚴(yán)重受傷,25架飛機(jī)毀壞,138架飛機(jī)實(shí)質(zhì)性損壞[2]。

近年來,眾多專家學(xué)者利用散度場的變化研究寒潮大風(fēng)天氣,得到了不少研究成果。許愛華等[3]對2005年3月一次寒潮天氣過程分析指出，700 hPa冷暖空氣強(qiáng)烈輻合和200 hPa冷暖空氣強(qiáng)烈輻散是寒潮降雪有利的動力條件。周之栩[4]在對2012年和2013年浙江兩次冷鋒過境引起的大風(fēng)天氣過程的分析中指出，在大風(fēng)天氣過程中，中低層散度呈現(xiàn)最低層輻散值最大、層次越高越趨于輻合的特點(diǎn)。馬月枝等[5]在對2009年河南新鄉(xiāng)大風(fēng)天氣過程分析中指出，大風(fēng)區(qū)域與低空輻合區(qū)、高空輻散區(qū)存在非常好的對應(yīng)關(guān)系。

2020年12月29日下午至31日,受北方橫槽轉(zhuǎn)豎東移的影響,浙江出現(xiàn)強(qiáng)寒潮天氣過程,24 h過程降溫15 ℃。29日下午開始到前半夜出現(xiàn)長時間大于15 m/s的西北風(fēng),因側(cè)風(fēng)超過15 m/s的起降標(biāo)準(zhǔn)而停止飛機(jī)起降1 h左右,造成20架次航班備降外場,3架次航班復(fù)飛。該次寒潮天氣過程的特點(diǎn)是雨雪量小、降溫幅度大、風(fēng)速大且持續(xù)時間較長,其風(fēng)速之大在歷史同期罕見。浙江空中交通管理局氣象臺預(yù)報(bào)員經(jīng)過審慎分析,提前6 h準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了寒潮過境及大風(fēng)降溫的時間和強(qiáng)度,避免了大量航班延誤,為航空運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

本文利用NECP1°×1°的6 h分析資料、常規(guī)觀測資料等,采用天氣動力學(xué)診斷分析方法,對該次寒潮天氣過程的大尺度環(huán)流背景、影響系統(tǒng)以及物理量場進(jìn)行分析,著重分析寒潮降溫和大風(fēng)的成因,為冬春季寒潮降溫大風(fēng)的實(shí)時民航氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供參考依據(jù),提升民航業(yè)的防風(fēng)減災(zāi)能力。

1 天氣過程實(shí)況

1.1 溫度實(shí)況

圖1為杭州蕭山機(jī)場2020年12月29日08時—31日08時逐時溫度演變圖。杭州蕭山機(jī)場2020年12月29日上午氣溫回暖明顯,最高氣溫為13 ℃,下午開始受冷空氣影響，氣溫逐漸下降,30日早晨最低氣溫為-2 ℃。從29日08時到30日08時24 h氣溫下降了15 ℃,31日早晨最低氣溫為-5 ℃,從29日08時到31日08時48 h氣溫下降了18 ℃。由降溫幅度可知，該次冷空氣過程已經(jīng)達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 杭州蕭山機(jī)場2020年12月29日08時—31日08時逐時溫度演變圖

1.2 大風(fēng)實(shí)況

12月29日10時之前蕭山機(jī)場風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),風(fēng)速為2～5 m/s,10時之后風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)至西北風(fēng),風(fēng)速在10—14時為5～10 m/s,說明已經(jīng)有冷空氣前鋒滲透,14—16時風(fēng)速為8～15 m/s,16—18時西北風(fēng)風(fēng)速為10～21 m/s,已經(jīng)超過側(cè)風(fēng)最大15 m/s的起降標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)重影響飛機(jī)起降。18時之后風(fēng)速逐漸減小,基本為6～15 m/s,機(jī)場恢復(fù)正常運(yùn)營。

1.3 雨雪實(shí)況

12月29日13時30分蕭山機(jī)場開始出現(xiàn)小雨天氣,16時50分轉(zhuǎn)為小雨夾雪,20時45分轉(zhuǎn)為小雪,30日1時25分雪止。在整個降水過程中雨雪強(qiáng)度偏弱,雨雪對飛機(jī)起降的影響較小。

2 大尺度環(huán)流背景和影響系統(tǒng)

2.1 冷空氣的形成和聚積

寒潮能否爆發(fā)與冷空氣的形成和堆積程度有密切關(guān)系。12月26日08時,形勢場上500 hPa在烏拉爾山地區(qū)阻高開始逐漸形成,阻高東側(cè)及貝加爾湖以北有一東西向的橫槽,并有-48 ℃的冷中心配合。27日08時,阻高脊后有暖平流北上,暖平流促使高壓脊繼續(xù)加強(qiáng)，并向東北方向移動,脊前的偏北氣流也隨之加強(qiáng),不斷引導(dǎo)極地冷空氣南壓,此時東西向的橫槽已經(jīng)南壓至貝加爾湖附近,-48 ℃的冷中心匹配于貝加爾湖上空,在貝加爾湖附近的橫槽內(nèi)聚積成一股極寒冷空氣。700 hPa和850 hPa冷溫度中心值已降至-32 ℃以下,鋒區(qū)位于蒙古高原,鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)到20 ℃·(5緯距)-1。地面西伯利亞中南部的冷高壓范圍不斷擴(kuò)大,強(qiáng)度明顯增強(qiáng),高壓中心值增至1050 hPa。28日08時,冷空氣前鋒已經(jīng)到達(dá)太行山以北以西,冷高壓中心位于蒙古高原,其中心值已增至1075 hPa,這在近幾年極為少見。500～850 hPa高空橫槽、地面冷鋒和蒙古高壓是該次寒潮主要的影響系統(tǒng)。

2.2 冷空氣的爆發(fā)

12月28日08時,烏拉爾山上空有一短波槽沿高緯東移,使烏拉爾山東部的阻高向東北方向移動,到了28日20時,烏拉爾山阻高和北極暖高打通,迫使西伯利亞冷空氣主力向南移動,進(jìn)入蒙古高原,此時貝加爾湖高壓脊前橫槽南壓,槽前形成正渦度平流和冷平流產(chǎn)生負(fù)變高;橫槽后部東北氣流轉(zhuǎn)為西北氣流，出現(xiàn)暖平流的正變高,預(yù)示著橫槽將要轉(zhuǎn)豎。29日下午起橫槽逐漸轉(zhuǎn)豎,引導(dǎo)西伯利亞強(qiáng)冷空氣向南迅速爆發(fā)。另外,28—29日中心位于中南半島上空的副熱帶高壓,略有北抬,使得南支槽緩慢東移并減弱,造成水汽減少,同時寒潮實(shí)力強(qiáng)、速度快,形成該次寒潮天氣降溫幅度大、風(fēng)速大、雨雪少的特點(diǎn)。

2.3 冷空氣影響的結(jié)束

12月30日,烏拉爾山東部的小槽沿高緯繼續(xù)東移形成低渦,阻高繼續(xù)減弱,橫槽轉(zhuǎn)豎東移至朝鮮半島東海一線,31日烏拉爾山東部的低渦繼續(xù)向東向南加深,導(dǎo)致阻高一分為二,橫槽轉(zhuǎn)豎東移至日本,至此東亞大槽經(jīng)歷了一次重建。2021年1月2日,強(qiáng)冷空氣對我國的影響結(jié)束。

3 強(qiáng)降溫形成的原因

溫度的變化主要取決于溫度平流和非絕熱因子的作用。在該次寒潮天氣過程中,有大范圍的鋒面云存在,太陽輻射和地表輻射引起的氣溫日變化較小,在前期的降雪過程中，水汽的凝結(jié)和蒸發(fā)使溫度有所下降,但氣溫驟降主要是由強(qiáng)冷平流引起的,故在此只討論850 hPa冷平流的演變情況。

由12月29日08時—12月30日02時850 hPa溫度平流可知,與橫槽相對應(yīng)，在華北地區(qū)出現(xiàn)了東西向的帶狀冷平流區(qū),中心位于京津冀一帶，中心值為-40×10-5℃·s-1,表明冷空氣非常強(qiáng)。29日14時,在橫槽轉(zhuǎn)豎前,東西帶狀冷平流區(qū)轉(zhuǎn)為東東北—西西南走向,強(qiáng)冷平流中心南移至山東半島,中心值為-40×10-5℃·s-1。6 h后橫槽轉(zhuǎn)豎,引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣南下,強(qiáng)冷平流區(qū)從朝鮮半島擴(kuò)大到華南地區(qū),呈東北—西南走向,強(qiáng)冷平流中心南移至江蘇及黃海上,中心值為-40×10-5℃·s-1。30日02時,強(qiáng)冷平流區(qū)繼續(xù)南壓擴(kuò)大,中心南壓東移至東海洋面上,中心值達(dá)到-60×10-5℃·s-1。受該次寒潮降溫天氣影響，杭州蕭山機(jī)場48 h降溫18 ℃。中低層強(qiáng)盛冷平流的發(fā)展及移動是此次大范圍寒潮天氣的觸發(fā)機(jī)制,同時也預(yù)示著高空冷空氣的強(qiáng)度和移動方向。

4 強(qiáng)風(fēng)形成的原因

4.1 強(qiáng)冷平流的作用

溫度平流與地面風(fēng)場是通過變壓場相互關(guān)聯(lián)的。強(qiáng)冷平流不僅會造成氣溫驟降,還會使地面正變壓場加強(qiáng)、地面變壓梯度和氣壓梯度增大,促使地面風(fēng)場發(fā)展;冷平流越強(qiáng),出現(xiàn)的風(fēng)力越大,在該次寒潮天氣過程中情況也是如此。12月29日下午到前半夜,強(qiáng)盛的冷平流使得長江中下游地區(qū)的變壓梯度達(dá)到了20～25 hPa/10個經(jīng)緯距,出現(xiàn)了6～8級的偏北風(fēng)。從蕭山機(jī)場自動觀測系統(tǒng)測得的2 min風(fēng)速可知,此次寒潮天氣過程杭州蕭山機(jī)場風(fēng)速最強(qiáng)的時段(即6級以上風(fēng)力覆蓋范圍最大的時段)為12月29日14—20時,20時之后雖然冷平流中心值為-40×10-5℃·s-1,但風(fēng)力卻呈減小的趨勢。究其原因,除與冷平流侵入有關(guān)外,還與高低空散度場的配置密切相關(guān)。

4.2 散度場

強(qiáng)風(fēng)發(fā)生前12月29日08時850～500 hPa表現(xiàn)為后傾槽,即低層850 hPa和700 hPa槽線超前于500 hPa槽線,850～500 hPa槽線分別于29日20時前、29日半夜前后和30日早晨經(jīng)過杭州地區(qū)。這種后傾槽的結(jié)構(gòu)與寒潮強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時前傾槽的結(jié)構(gòu)有很大不同。當(dāng)槽線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從低層到高層傾斜度接近于垂直或前傾時,冷空氣往往有一個爆發(fā)性下沖的過程,造成的地面風(fēng)力很大。而這次在后傾槽結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)的猛烈強(qiáng)風(fēng)與后傾槽的散度場特征密切相關(guān)。在最大強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時的12月29日傍晚,杭州地區(qū)低層850 hPa及以下各層，由29日14時的散度為零快速轉(zhuǎn)為29日20時的槽后輻散,低層杭州地區(qū)正好處于輻散中心附近,其中925 hPa輻散中心值大于1×10-5/s。中層700 hPa維持槽前的散度輻合,29日14—20時杭州地區(qū)輻合值維持在-0.5×10-5/s,其輻合中心從豫魯南部蘇皖北部東移到東海上,浙北地區(qū)處于輻合中心的南側(cè)。高層500 hPa在29日14時為槽前的較弱散度輻合,但是到了29日20時轉(zhuǎn)為較強(qiáng)的散度輻散,且輻散中心位于杭州上空,輻散中心值為1×10-5/s。29日下午到傍晚，浙北地區(qū)上空是低層輻散、中高層輻合的槽線垂直結(jié)構(gòu),這意味著在500～925 hPa存在一支動力強(qiáng)迫下沉氣流,其高低層相對散度(高低層散度之差)越大,強(qiáng)迫導(dǎo)致的下沉氣流越強(qiáng)。這支下沉氣流將中下層西北急流的動量下傳到近地面層,在地面形成強(qiáng)風(fēng)區(qū)。29日20點(diǎn)前后,高層500 hPa浙北地區(qū)由散度輻合轉(zhuǎn)為散度輻散,使得高空動力強(qiáng)迫強(qiáng)度減弱,高低層相對散度減小,強(qiáng)迫的下沉氣流也減小,地面風(fēng)速也呈減小趨勢。

5 小 結(jié)

通過對2020年12月29—31日浙江寒潮天氣過程的大尺度環(huán)流背景、影響系統(tǒng)以及物理量場進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論。

(1)在大尺度環(huán)流背景下,烏拉爾山阻高發(fā)展東移,在極地冷空氣侵入高壓脊前部后,橫槽開始轉(zhuǎn)豎,導(dǎo)致了強(qiáng)寒潮天氣過程的發(fā)生。

(2)強(qiáng)盛冷平流是造成氣溫驟降的主要因素,冷平流的發(fā)展及移動是此次大范圍寒潮天氣的觸發(fā)機(jī)制,同時預(yù)示著高空冷空氣的強(qiáng)度和移動方向。

(3)強(qiáng)冷平流入侵使地面正變壓場加強(qiáng)、地面變壓梯度和氣壓梯度增大,促使地面風(fēng)場發(fā)展,是造成該次寒潮天氣過程出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的最主要因素。

(4)高低空散度場的配置與強(qiáng)風(fēng)的形成有較大關(guān)系。當(dāng)高層輻合、低層輻散時,高低層相對散度(高低層散度之差)越大,強(qiáng)迫導(dǎo)致的下沉氣流越強(qiáng),有利于地面形成強(qiáng)風(fēng);當(dāng)高層輻合轉(zhuǎn)為輻散時,使得高空動力強(qiáng)迫強(qiáng)度減弱,高低層相對散度減小,強(qiáng)迫導(dǎo)致的下沉氣流也減小,地面風(fēng)速也呈減小趨勢。