太原一次大风天气成因分析

山西科技SHANXI SCIENCE TECHNOLOGY2020年第35卷第2期
大风是在大尺度环流天气系统或局地强对流天气系
统条件下产生的一种灾害性天气现象。

这种天气给居民
的生产、生活、交通运输等都带来不利影响，具有高危性
和频发性，一直是研究的重点。

大风天气具有明显的季
节特点，不同季节大风天气产生机制不同，春季大风对农
作物的生长有重大影响，研究春季大风尤为重要。

1太原一次大风天气概况
2018年4月5—6日，太原地区出现少有的春季全
市大风天气。

4月5日15时古交观测站出现瞬时风速
达19.5m/s的大风，4月6日全市除小店站以外风力均
在8级以上，最大风力出现在阳曲，6日10时达到21.3
m/s，为9级大风，5—7日太原地区还出现了霜冻天气。

4月6日太原市各观测站的极大风速情况见表1。

表14月6日太原市各观测站的极大风速表
站名
风速/（m·s-1）出现时次/时观象台
19.4
13
小店
17
13
尖草坪
18
13
清徐
20.2
16
阳曲
21.3
10
古交
20.8
13
娄烦
18.1
10
2资料方法
利用高空图、地面图等资料对2018年4月6日的太原全市大风天气过程进行分析。

3环流形势
3.1高空环流形势
（1）西风槽东移，冷空气不断补充。

5日08时，中高纬欧亚大陆环流形势呈两槽一脊型，长波脊位于西西伯利亚平原，两槽分别位于黑海一带和蒙古国附近。

山西处于东部槽前西南气流控制，温度场落后于高度场，槽发展。

高空锋区位于北纬45°～35°，山西上空锋区强烈。

另外，鄂霍次克海附近存在中心强度为-40℃的冷涡，冷空气在此堆积。

随着原位于蒙古国一带的西风槽的东移南压，5日20时（见图1），鄂霍次克海附近的冷涡有冷空气分裂南下与自西而来的冷空气合并加强，500hPa天气图上表现为冷涡中心有一小的横槽迅速转竖与东移而来的西风槽合并加强，形成自东北地区到江淮流域的较深的西风槽。

同时由于原高压脊温度场基本与高度场重合，暖脊径向度减弱，暖脊以北的位于西伯利亚平原的冷涡中有冷空气沿着脊前西北气流向西风槽内汇集，该股冷空气的汇入加速了横槽转竖，冷空气的补充使得西风槽加深，自东北地区到江淮流域出现了较深的西风槽。

脊前有冷平流，预示脊前偏北气流和涡后西北气流加强，导致横槽加深，这一特征对预报横槽加强和转竖有重要指示意义。

（2）横槽转竖。

如图2所示，6日08—20时，冷涡中有横槽逐渐转竖，横槽转竖的同时冷涡结构再一次变得紧实，冷涡涡度加大，12h内横槽以冷涡为中心逆时针快速南摆带动高空锋区南压，天气特征表现为比前一股冷空气更强的冷空气到达并影响山西，对此次产
文章编号：1004-6429（2020）02-0099-06收稿日期：2019-12-18太原一次大风天气成因分析
蔡晓芳
（太原市气象局，山西太原，030082）
摘要：利用常规观测资料，根据天气学原理，对2018年4月5—6日的太
原大风天气过程进行分析。

结果表明：这次大风天气过程是由高空槽发
展东移，与鄂霍茨克海附近冷涡分裂的横槽转竖合并加强形成的较深的
西风槽以及地面冷锋过境、锋后冷高压东移造成的。

其中4月5日古交站
大风主要是冷锋过境、气压梯度增大造成的，6日白天太原全市大风主要
是横槽转竖、高空动量下传造成的。

关键词：大风；地面冷锋；动量下传；太原市
中图分类号：P458文献标识码：A
99
生大风天气十分有利。

3.2
地面形势
地面冷高压和地面冷锋是造成此次大风天气的主
要地面影响系统，5日08时，内蒙东部存在中心值为1007.5hPa 的气旋，山西处于气旋南部均压场内，气压梯度较弱。

整个河套以西为庞大的西伯利亚冷高压控
图15日20时500hPa 温度场与高度场叠加图
图26日20时500hPa
温度场与高度场叠加图
100
制，高压中心强度达1060hPa ，位于蒙古国西部。

东亚地区呈西高东低形势。

随着蒙古气旋的迅速减弱东移，有较强冷空气南下东移并在甘肃青海形成闭合高压中心（强度为1037.5hPa ），开始影响山西。

5日14—20时山西有锋面过境，锋面移动缓慢。

锋面过境期间，太原风力明显增大。

古交在15时出现大风，与锋面过境时间基本吻合。

5日20时，高压控制范围扩大，中心强度加强至1042.5hPa ，山西处于地面冷锋后西北气流中，此时控制山西的等压线并不密集。

之后，等压线逐渐密集，6日08时冷高压进一步加强，中心强度达1045hPa ，属较强冷空气。

山西境内南-北向等压线达到4根，11—17时山西由偏西风转为偏北大风。

综上所述，受锋面过境影响，4月5日太原古交站出现大风。

4月6日白天，太原出现大风则主要是由锋后冷高压移近地面加压，气压梯度增大造成的，属于冷锋后大风。

4
大风天气的成因分析
4.1
地转风分析
根据地转风平衡原理，水平气压梯度力越大，就越
需要越大的地转偏向力与之平衡，而在同一纬度上，出
现较大的地转偏向力必须存在较大的地转风速。

因此，地转风速的大小与水平气压梯度力成正比。

而实际风与地转风相差很小，在同一张等高面图上，密度在水平方向的变化较小，当纬度相差不大时，气压梯度越大则地转风越大，实际风速也越大。

同理，在同一等压面图上，等高线越密集，气压梯度越大风速越大［1］。

穿过山西的等高线为6条，说明高空的地转风很大，较大的地转风有利于高空动量的下传。

地面气压图上，5日20时，东经100°～110°之间有8条等压线（间隔2.5hPa ），东西向气压梯度较大，随着地面冷锋的过境，6日08时（见图3）穿过山西的等压线
直接由5日20时的2根增加到了4根，同时在6日08-14时穿过山西的等压线基本都维持在4根左右，17时逐渐减为3根，20时减为2根。

20时以后山西地面气压梯度明显减弱，风力减弱，受冷空气影响山西夜间降温明显。

综上所述，等压线（等高线）越密集，气压梯度越大，地转风越大，中高纬实际风与地转风相差很小。

5日20时穿过山西的等高线为6条，6日08—14时穿过山西的等压线基本都维持在4根左右，高空有较大的地转风，动量较大。

图36日08
时地面海平面气压图
101
图45日20时地面3h 变压图
4.2变压风分析
由变压梯度表示的地转偏差，称为变压风。

变压
风沿着变压梯度方向吹，变压梯度越大，风速越大。

可用地面3h 变压来定性地判断变压风的方向和强弱。

在地面图上负变压中心，变压风的辐合会引起上升运动。

同理，正变压中心有下沉运动［2］。

地面3h 变压图上，5日08时蒙古国南部存在变压强度达到8hPa 的正变压中心，我国河套以西为大片的正变压区，由此可知，河套以西为大片的下沉气流控制区，同时在辽宁一带存在-2hPa 的负变压中心，正负变压中心差达到10hPa 。

有研究表明，锋前后有变压中心值相差7hPa 以上，表现为山西境内有东北—西南向平行等压线达3根以上，锋面经过时，常有大风出现［3］。

这与5日古交站出现大风的实况一致。

地面3h 变压场上，5日20时（见图4）内蒙东部到我国西南地区存在东北—西南向的正变压大值区，变压中心强度达到5hPa 。

有研究表明，从冷锋后3h 变压的强度看，在02时、08时、20时地面图上，正变压中心值大于或等于4hPa 时，则在锋后常出现大风，正变压中心数值越大，则大风出现的可能性及强度也越大［4］。

因此，5日20时内蒙东部到我国西南地区的大的正变压中心，预示着6日太原甚至整个山西出现较强大风天气的可能性较大。

随着正变压大值区不断东移，河套以东逐渐转为正变压控制，6日08时我国乃至整个东部地区为正变压区，太原的3h 变压达到3hPa ，正变压较强，有变压风的辐散，有较强的下沉运动。

由之前地转风分析知，锋面过境后5日20时—6日14时高空地转风较大，而此时段山西为正变压区，有下沉运动，高空大的地转风配合变压风辐散（有下沉运动），有利于高空动量下传，低层风力加大。

同时大风期间变压梯度较大，变压风较大，对实际风速起到了加强作用。

6日14—20时正变压逐渐东移出太原，大风天气逐渐结束。

综上所述，用3h 变压来判断变压风的方向和强度。

5日08时冷锋前后正负变压中心值相差10hPa ，有较大的变压风，锋面经过时，古交站出现大风。

5日20时内蒙东部到西南地区正变压中心强度达到5hPa ，对6日太原出现大范围大风天气有一定的指示意义。

冷锋过境后，5日20时—6日14时高空地转风较大，该时段整个山西基本为正变压控制，太原有较大的正变压，有下沉运动，高空大的地转风配合变压风辐散（有下沉运动），有利于高空动量下传。

4.3高空动量下传4.3.1
高低急流
5日20时—6日08时，大风影响区域高低空均存在
102
急流。

大风期间，200hPa高空急流不断南落，5日20时急流轴经过太原一带指向东北方向，6日20时急流轴已南压至30～35°N。

500hPa上，5日20时—6日08时中空急流基本呈东西向，5日20时经过山西北中部（穿过太原），6日08时继续南落经过山西南部临汾、运城一带。

而6日08-20时，急流轴迅速转竖，6日20时自蒙古国南部至江淮一带存在接近南北向的急流，急流轴转竖时间与太原6日出现大风时间基本吻合。

700hPa低空急流在6日08-20时，自蒙古国南部至江淮一带出现了自北向南的低空急流，风力强度及强度较前一次明显增大，与6日白天太原出现的大范围大风天气吻合。

高空急流轴正下方为地面正变压极大值区［5］，高空急流轴北侧为大片的大风速区，有正变压，为下沉运动。

随着高空急流南下，中空500hPa急流南压，锋区斜压性增大，环流径向度加大，槽加深。

6日08—20时，穿过山西上空的中空急流由东—西向转为接近南—北向与横槽转竖时间吻合，对应700hPa在6日20时出现偏北急流，表明6日白天有下沉气流将中高空较大动量的空气下传到低层，在低层形成大的偏北急流，从而使地面风速加大。

因此，造成6日白天太原大范围大风的主要原因是高空急流南压，锋区斜压性增大，环流径向度加大，横槽转竖，冷空气南下，下沉气流将高空较大动量的空气下传到低层，使得低层风力加大。

4.3.2高低空垂直风切变
根据探空资料分析，5日20时太原上空的500hPa 风速为42m/s，700hPa为10m/s，850hPa为12m/s。

6日08时500hPa风速为28m/s，700hPa风速为21m/s，850hPa风速为12m/s。

高空有较大的垂直风切变，有利于将高层具有较大动量的空气下传到低层，使低层风速增大。

从物理量场来看，5日20时太原DCAPE（下沉对流有效位能）由08时的1.9J迅速增大到440.2J，6日08时、20时太原DCAPE分别为312J、212J，表明在5日、6日太原有较强的下沉气流，将上层较大的空气动量传递到下层，使得下层风速加大。

4.4热力条件分析
5日20时500hPa温度场上-32℃等温线压在山西北部，700hPa天气图上，山西上空等高线与等温线夹角接近45°，且贝湖附近存在-24℃冷中心，有较强冷平流。

850hPa天气图上山西上空等高线和等温线交角趋于90°，大气的斜压性很强，且0℃等温线压在山西中部，槽后冷平流强盛。

6日08时，500hPa上内蒙古南部、山西北部存在-40℃冷中心，等温线密集，850hPa 的0℃等温线已压在山西以南地区，冷空气强度较强，而700hPa、850hPa上冷平流依旧强盛。

6日08时至20时700hPa锋区由30°～40°N南压到28°～35°N，850hPa0℃等温线最远已南压至上海、江苏一带。

高空锋区的加强及南压导致了地面强冷空气的爆发和强冷锋的形成，高空锋区下降，导致动量下传，也进一步引发产生地面强风［6］。

5结论
（1）这次大风天气过程是由高空槽发展东移，与鄂霍茨克海附近冷涡分裂的横槽转竖合并加强形成的较深的西风槽以及地面冷锋过境、锋后冷高压东移造成的。

（2）5日古交站大风主要是冷锋过境、气压梯度增大造成的。

6日白天太原全市大风主要是横槽转竖、高空动量下传造成的。

（3）根据地转风原理，6日08—14时穿过山西的等压线基本都维持在4根左右，高空有较大的地转风。

根据变压风原理，用3h变压来判断变压风的方向和强度。

5日08时冷锋前后正负变压中心值相差10hPa，有较大的变压风，锋面经过时，古交站出现大风。

锋面过境后，5日20时—6日14时高空地转风较大，太原有较大的正变压，有下沉运动，高空大的地转风配合变压风辐散（有下沉运动），有利于高空动量下传。

（4）从高低空急流分析，高空急流轴南压，中空急流由东—西向转为南—北向（对应6日白天500hPa横槽转竖），低空急流加强，高低空垂直风切变较大，说明造成6日白天太原大范围大风的主要原因是横槽转竖，冷空气南下，高空动量下传。

（5）从热力条件上分析，冷空气势力较强，槽后有较强的冷平流，有利于地面大风的产生。

高空锋区的加强和南压导致了地面强冷空气的爆发和强冷锋的形成，高空锋区下降，高空动量下传，进而引发地面产生
103
大风天气。

参考文献
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［2］申建华，李丽平，张国勇，等.山西一次罕见大风天气成因分析［J］.安徽农业科学，2011，39（34）：21287-21289.
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起的大风天气分析［J］.气象与环境科学，2010，33（3）：41-46.
［5］孙建明，陈卫锋.一次动量下传大风过程分析及预报着眼点［J］.浙江气象科技，2001，4（22）：1-4.
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（责任编辑：尉敬涛）──────────
作者简介：蔡晓芳，女，1990年生，太原市气象局工程师。

Analysis on the Cause of a Gale in Taiyuan
CAI Xiaofang
ABSTRACT：According to the principle of synoptics，this paper analyzes the gale process in Taiyuan on April5—6，2018 based on the conventional observation data.The results show that the process of the gale weather is caused by the eastward movement of the high-level trough，the deeper westerly trough formed by the vertical and horizontal merging of the split transverse trough of the cold vortex near the Okhotsk sea，and the eastward movement of the cold front and the cold high pressure behind the front.On April5，Gujiao station’s gale was mainly caused by the passing of the cold front and the in-crease of pressure gradient.In the day of April6，the gale in Taiyuan city was mainly caused by the turning of the horizontal trough to the vertical and the downward momentum from high altitude.
KEY WORDS：gale；surface cold front；downward momentum；Taiyuan city
（上接第98页）（责任编辑：王欣）──────────
作者简介：赵安文，男，1968年生，山西省地质环境监测中心高级工程师；刘奕含，男，1990年生，中国冶金地质总局三局工程师，太原理工大学矿业工程学院地质工程专业2018级在职硕士研究生。

Geological Disaster Monitoring and Early Warning Equipment Status and Future
Technology Development Direction
ZHAO Anwen，LIU Yihan
ABSTRACT：Geological disasters are directly related to the safety of people’s lives.Improving the ability of mass predic-tion and prevention and professional monitoring and early warning can maximize the avoidance of people’s loss of life and property.Based on the current situation of the monitoring and early warning equipment，this paper analyzes the develop-ment needs and future directions of the equipment，and explores technologies and methods to improve the ability of monitor-ing and early warning by combination of mass prediction and prevention and professional monitoring and early warning. KEY WORDS：geological disaster；monitoring and early warning；technical method
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