黃卓禹，吳艷林，李偉國，陳鐵軍，吳欣昱

(婁底市氣象局，湖南婁底 417000)

寒潮是一種大尺度大氣運動現(xiàn)象，也是湖南省冬季重要的災(zāi)害性天氣，它能造成劇烈降溫和大風(fēng)，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍等災(zāi)害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，湖南省大部分地區(qū)平均每年發(fā)生在2～3次寒潮事件，12月、1月和2月的次數(shù)比11月、3月的次數(shù)多，其中以2月寒潮次數(shù)最多，3月寒潮主要出現(xiàn)在湖南周邊地區(qū)[3]。

等熵位渦IPV的分析和意義最先是由Hoskins等[4]提出的，之后被廣泛地應(yīng)用到對暴雨的研究分析中[5-7]，近來也逐漸應(yīng)用到寒潮事件的研究中。丁一匯等[8]對2004/2005年冬季強寒潮事件進行等熵位渦分析，田秀霞等[9]對2008年12月的兩次寒潮也進行了等熵位渦分析。在以往的寒潮天氣分析中，當(dāng)?shù)仡A(yù)報員往往只能根據(jù)環(huán)流形勢的演變來預(yù)報寒潮的發(fā)生發(fā)展，可參考的方法較少；因此本文選用NCEP/NCAR全球 2.5°× 2.5°逐日和FNL1°×1°逐6 h再分析資料，利用等熵位渦的診斷方法對2016年冬末春初湖南出現(xiàn)的兩次寒潮過程進行診斷分析，試圖從另一方面揭示兩次寒潮過程中的強冷空氣的來源及傳播特征，并對寒潮爆發(fā)的可能機制進行探討。

1 過程簡介

2016年冬末春初，湖南先后出現(xiàn)了兩次全省性寒潮天氣事件，第一次過程是2月13—14日(下簡稱“過程Ⅰ”)，第二次過程是在 3月8—10日(下簡稱“過程Ⅱ”)，兩次寒潮事件均引起了全省大幅度降溫、大風(fēng)天氣，同時大部分地區(qū)出現(xiàn)降雪。兩次寒潮事件發(fā)生的間隔時間短，但環(huán)流形勢卻有較大不同。過程Ⅰ是旋轉(zhuǎn)南下的低槽與南支槽同位相疊加，引導(dǎo)強冷空氣南下，造成寒潮天氣；過程Ⅱ是橫槽轉(zhuǎn)豎并向南加深，引導(dǎo)強冷空氣大舉南下，造成湖南的寒潮天氣。

2 等熵面氣象要素平均特征分布

Sun等[10]在分析對流層溫度場和風(fēng)場的位渦緯向平均分布中指出，位渦具有顯著的氣候特征，因此有必要了解2016年兩次寒潮事件過程位渦的平均分布情況。

圖1給出了2016年2—3月平均300 K和315 K等熵面上氣壓的分布狀況。在300 K等熵面上(圖1a)氣壓自北向南逐漸升高，各經(jīng)緯度等壓面上的氣壓均在400 hPa以上，均位于對流層內(nèi)。而315 K等熵面上(圖1b)氣壓也是自北向南逐漸升高，高緯度地區(qū)的氣壓在200～250 hPa，位于對流層頂及平流層底層附近，其他氣壓在400 hPa以上，位于對流層內(nèi)。

圖1 2016年2—3月平均300 K(a)和315 K(b)等熵面上氣壓分布(單位為hPa)

由上述的分析可知，315 K等熵面包含極區(qū)平流層底層的信息，又能表現(xiàn)其他地區(qū)對流層的信息；而寒潮強冷空氣集聚的源地均是極區(qū)附近。因此有必要分析315 K等熵面上位渦的分布特征。從圖2給出的2016年2—3月平均315 K等熵面上位渦的分布來看，在高緯度地區(qū)附近均為大于4 PVU(1 PVU=10-6m2·K/( s·kg))的高位渦區(qū)，其他地對應(yīng)著低位渦區(qū)。此外值得關(guān)注的是，在我國東部30°N～40°N的區(qū)域內(nèi)存在一個向南伸展的大于3 PVU的高位渦區(qū)，而在同經(jīng)度附近的60°N附近則出現(xiàn)了一個較低的0.5 PVU位渦區(qū)。

圖2 2016年2—3月平均315 K等熵面上位渦分布(單位為PVU)

3 強冷空氣移動特征

3.1 水平移動

丁一匯[11]和張培忠[12]等研究指出影響寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵區(qū)是西伯利亞的中部地區(qū)，因此非常有必要探討寒潮事件中湖南降溫幅度與西伯利亞中部(寒潮關(guān)鍵區(qū))強度變化之間的關(guān)系。寒潮爆發(fā)源初步可以用40°N～60°N,80°E～120°E區(qū)域內(nèi)海平面氣壓值表征強冷空氣源地的強度。

圖3 2016-02-10T08—03-11T08(40°N～60°N，80°E～120°E)區(qū)域內(nèi)平均海平面氣壓 (空心圓線)和(25°N～30°N,110°E～115°E)區(qū)域內(nèi)1 000 hPa等壓面上的平均溫度(實心圓線)逐6 h變化

從40°N～60°N，80°E～120°E區(qū)域內(nèi)逐6 h平均海平面氣壓值與湖南1 000 hPa的溫度變化(圖3)值可以看出，2月10—13日西伯利亞中部的海平面氣壓值出現(xiàn)了陡增，由1 015 hPa增加到1 045 hPa，增幅達30 hPa。與之相對應(yīng)，2月10—12日湖南上空溫度變化不大，13日開始溫度急劇下降，氣溫降至0 ℃左右，24 h降溫幅度達到20 ℃以上。在第一次寒潮事件結(jié)束后，西伯利亞冷高壓強度有2次小幅度上升，強度不大，在1 000 hPa湖南上空此后伴隨有弱降溫。3月6日開始西伯利亞冷高壓又一次強烈增強，增幅雖不如過程Ⅰ強，但到10日西伯利亞高壓峰值強度仍升至1 045 hPa，緊隨其后湖南1 000 hPa平均溫度層急劇下降，24 h降溫幅度也在20 ℃以上。由上述的分析可知，2月13日和3月10日分別是西伯利亞冷高壓和湖南溫度變化的轉(zhuǎn)折點，這個時間點正是湖南寒潮爆發(fā)的時間，此外在西伯利亞高壓出現(xiàn)增幅過程中，湖南上空的氣溫變化并不大。

從315 K等熵面上湖南的位渦分布情況看(圖4)，在2月10日—3月11日湖南地區(qū)存在三次大的位渦擾動，分別發(fā)生在2016年2月14日、2月22日和3月10日，位渦值均超過0.9 PVU，并且第三次位渦值明顯高于第一次、第二次的位渦值。此外值得注意的是，與三次擾動相對應(yīng)的是300 K等熵面上位渦均明顯升高，此時湖南地區(qū)有降溫現(xiàn)象；由此可見高位渦值可以用來代表冷空氣活動，因此可以利用高位渦來追蹤影響湖南寒潮過程中強冷空氣的來源和水平移動。

過程Ⅰ中，2月10 日(圖5a)，高位渦主體G位于50°N、80°E～100°E附近，并向東伸展至極區(qū)附近,中心值達到6 PVU。12日(圖5b)，在高位渦主體G的西側(cè)有一高位渦區(qū)G1存在；高位渦主體G中心東移至貝加爾湖附近，且伴隨有明顯的南落，其3 PVU線已經(jīng)南伸至40°N附近，且大于6 PVU的中心區(qū)域明顯增大，引導(dǎo)極區(qū)冷空氣向南爆發(fā)。14日(圖5c)，中國的整個中高緯度都被高位渦值控制，其南界線已伸至長江以北地區(qū)，預(yù)示冷空氣主體已經(jīng)控制了中國大部分地區(qū)，并逐漸向南爆發(fā)。16日(圖5d)，寒潮影響結(jié)束后，高位渦區(qū)逐漸北縮。

圖4 2016-02-10T08—03-11T08 315 K等熵面上湖南上空平均位渦逐6 h變化(單位：PVU)

圖5 2016年2月315 K等熵面位渦的空間演變(a 10日；b 12日；c 14日；d 16日)

從過程Ⅱ中高位渦區(qū)的演變可以看出(圖略)，3月5日巴爾喀什湖已是高位渦控制區(qū)，中心最大值已超過6 PVU，大于3 PVU的區(qū)域已伸至長江以北地區(qū)。7日高位渦逐漸東擴北縮，大于5 PVU的區(qū)域已伸展至華北沿岸。9日可明顯看出整個位于華北沿岸的高位渦區(qū)開始逐漸向南伸展至長江以北地區(qū)；此外在其發(fā)展的過程中，中高緯度的位渦也有增大的趨勢，預(yù)示冷空氣開始逐漸從華北沿海地區(qū)爆發(fā)。11日中高緯度的位渦值繼續(xù)發(fā)展，大于3 PVU的區(qū)域進一步向南擴展，預(yù)示中高緯度的冷空氣已經(jīng)向南擴散。

從上述兩次寒潮過程315 K等熵面位渦演變可以看出，寒潮的爆發(fā)都伴隨有中高緯度高位渦區(qū)的南落，這種現(xiàn)象可以解釋圖2中平均場上在中緯度地區(qū)伸展出的高位渦區(qū)。此外兩次寒潮過程高位渦區(qū)南落路徑不同，過程Ⅰ中高位渦區(qū)主體在源地加強，并逐漸南落，引導(dǎo)強冷空氣向南爆發(fā)；過程Ⅱ中高位渦主體在源地加強，然后東移，再南落引導(dǎo)強冷空氣向長江中下游地區(qū)爆發(fā)。可見兩次寒潮過程高位渦主體移動路徑與地面冷空氣南下路徑一致，因此也進一步表明可以用中高緯度的高位渦區(qū)來代表影響湖南寒潮的源地及水平移動特征。

3.2 垂直伸展

為進一步分析強冷空氣的活動特征，仍采用高位渦區(qū)來分析強冷空氣的垂直伸展結(jié)構(gòu)。從圖6a可以看出，2月11日寒潮爆發(fā)前湖南地區(qū)上空的高位渦帶較平直，0.6 PVU等值線位于對流層中層；11—12日高位渦帶開始逐漸向下傳播；到13日即寒潮爆發(fā)時期，高位渦帶向下強烈發(fā)展，0.6 PVU等值線已經(jīng)擴展到近地面附近；寒潮結(jié)束后，高位渦帶又逐漸向上層收縮。過程Ⅱ中同樣可以看出寒潮爆發(fā)時的高位渦下傳特征(圖6b)。兩過程相比，后者寒潮爆發(fā)前高位渦帶位于300 hPa附近，0.6 PVU等值線位置較前者明顯偏高。在寒潮爆發(fā)時高位渦帶的中心稍有下傳，幅度較前者明顯偏弱；但高層下傳的位渦值較前者大，且持續(xù)時間長。在寒潮結(jié)束后，高位渦值向上層也逐漸收縮。

由此可知，在兩次寒潮過程爆發(fā)階段，高位渦帶的中心都存在著向下的強烈伸展，這與冷空氣向南快速爆發(fā)是一致的。此外，在寒潮過程結(jié)束后，高位渦值恢復(fù)到最初始狀態(tài)的速度與地面強冷空氣減弱的速度也是一致的，因此高位渦大小能很好地表征強冷空氣的強度。

4 寒潮爆發(fā)的可能機制

Hoskins等[2]曾指出,高位渦區(qū)對應(yīng)氣旋性環(huán)流，低位渦區(qū)對應(yīng)反氣旋性環(huán)流。下面就用寒潮爆發(fā)過程中高位渦傳播特征來分析影響寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵系統(tǒng)的變化特征。

4.1 高空主要系統(tǒng)的位渦變化特征

依然選用315 K等熵面來分析高空主要系統(tǒng)的變化特征。在兩次寒潮過程的發(fā)展階段，過程Ⅰ中，2月10日08時(圖 7a)等熵面上位渦的分布與流場吻合，貝加爾湖地區(qū)處于小于3 PVU的渦度帶內(nèi)，其西側(cè)和西南側(cè)兩個高位渦區(qū)在西南風(fēng)的作用下不斷向貝加爾湖地區(qū)輸送正位渦，不利于高層阻塞發(fā)展。過程Ⅱ中，寒潮過程的初始階段(圖7b)，在長江以北為一寬廣的高位渦區(qū)，對應(yīng)著旺盛的高空急流，同時也表現(xiàn)出顯著的正相對渦度區(qū)；長江以南為低位渦區(qū)控制。但值得注意的是，極區(qū)也表現(xiàn)為高位渦區(qū)，在偏北氣流的引導(dǎo)下不斷向南輸送正位渦；而其西北側(cè)是低位渦區(qū)。在偏北氣流的影響下，高位渦帶變小，橫槽東縮南落。

圖7 315 K等熵面上各變量分布(等值線表示位渦，單位為PVU；矢量表示流場，單位為m/s；陰影區(qū)表示相對渦度值>6×10-56×10-5·s-1；a 2016-02-10T08；b 2016-03-07T08；c 2016-02-13T08；d 2016-03-10T08)

在爆發(fā)階段：過程Ⅰ寒潮爆發(fā)時即2月13日08時(圖7c)，在高層阻塞減弱填塞后，貝加爾湖附近高位渦中心擾動的維持，利于上空形成強西北風(fēng)，同時利于高位渦中心沿著西北風(fēng)向長江以北的高位渦帶爆發(fā)。此外其西側(cè)的高位渦區(qū)也隨著偏西風(fēng)向高位渦帶輸送，致使低槽進一步加深。在過程Ⅱ寒潮爆發(fā)時即3月10日08時(圖7d)，隨著低位渦區(qū)不斷向高位渦區(qū)輸送，低槽不斷東移；而貝加爾湖附近的低位渦區(qū)擾動使其上空形成強偏北風(fēng)，利用高位渦向南爆發(fā)。此外在寒潮醞釀和爆發(fā)階段，均可看出高位渦中心向南傳輸時都將引起高位渦中心區(qū)氣塊的正渦度區(qū)的顯著增強，預(yù)示著大槽的強烈加深。

由上可見, 過程Ⅰ中貝加爾湖南側(cè)的強阻塞(低位渦)以及新疆北側(cè)的氣旋(高位渦)系統(tǒng)對這次寒潮爆發(fā)的強度起很大作用。隨著高位渦中心向南發(fā)展,阻塞高壓的減弱填塞，當(dāng)高位渦中心向南向下傳到中國中東部地區(qū)時，東亞大槽在中國中東部迅速加深，引導(dǎo)槽后強冷空氣迅速向南爆發(fā)。過程Ⅱ中西伯利亞附近的高位渦區(qū)和里海附近的低位渦區(qū)，及長江以北寬廣的高位渦帶的維持是寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵系統(tǒng)。隨著高位渦的東縮南壓，低槽東移逐漸加強，其偏北氣流的加強促使橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)槽后冷空氣迅速向南爆發(fā)。

4.2 高位渦向南向下傳播特征對地面冷高壓的影響

從2月11日08時沿50°N的經(jīng)度-等熵面剖面圖(圖8a)上可看出，在高位渦中心附近氣壓場表現(xiàn)為上凸下凹的分布。在310 K等熵面以上，高位渦中心的西側(cè)等熵面向東下降，在其東側(cè)等熵面向東上升。在310 K等熵面以下，高位渦中心東西兩側(cè)的變化相反；因此在高位渦中心西側(cè)形成強的下沉運動，使地面加壓，非常有利于地面冷高發(fā)展。

從過程Ⅱ3月6日08時經(jīng)度-等熵面剖面圖(圖8b)上也可以看出，325 K等熵面以上，高位渦中心西側(cè)等熵面向東下沉，東側(cè)變化平緩；在325 K等熵面以下，高位渦中心西側(cè)等熵面向東上升，東側(cè)變化仍平緩。同理可分析出高位渦中心西側(cè)存在強下沉運動。對應(yīng)海平面氣壓場的分布來看(圖略)，在3月6日前沿著50°N剖面70°E～120°E附近的海平面氣壓普遍偏低；在3月6日之后隨著高位渦中心西側(cè)氣流沿等熵面下沉，相應(yīng)地區(qū)地面冷高壓開始發(fā)展。

圖8 沿50°N的各物理量的經(jīng)度-高度剖面圖(虛線表示等壓線；實線表示位渦，矢量表示緯向風(fēng)；a 2016-02-11T08；b 2016-03-06T08)

5 結(jié)論

利用等熵位渦對2016年冬末春初的兩次寒潮事件進行診斷分析，并對其可能發(fā)生的機制進行探討，主要結(jié)論如下。

(1)西伯利亞冷高壓陡增與湖南地面氣溫的急劇下降預(yù)示著湖南寒潮天氣的爆發(fā)；位渦的分析表明，可以利用高位渦來追蹤影響湖南寒潮過程中強冷空氣的來源和水平移動方向。

(2)兩次寒潮過程等熵位渦的對比分析表明，寒潮的爆發(fā)都伴隨有中高緯度高位渦區(qū)向南傳播的特征，且高位渦主體移動路徑與地面冷空氣南下路徑一致；此外也表現(xiàn)出高位渦強烈向下伸展的特征。

(3)等熵面上的高位渦中心與氣旋性環(huán)流相對應(yīng)。過程Ⅰ中正位渦的輸送不利于高層阻塞發(fā)展，而高位渦的不斷向高位渦帶的輸送有助于低槽發(fā)展加深，上空強的西北風(fēng)利于高位渦帶向南爆發(fā)；過程Ⅱ中低位渦區(qū)不斷向高位渦區(qū)輸送，致使橫槽東縮南落，在強的偏北風(fēng)的作用下有利于高位渦向南爆發(fā)。此外兩次寒潮過程都表明高位渦中心西側(cè)存在強下沉運動，從而引起地面冷高壓的迅速發(fā)展，導(dǎo)致寒潮爆發(fā)。