閻 琦，崔 錦，趙梓淇，李 爽，楊 青

（1.遼寧省氣象臺(tái)，遼寧 沈陽 110166；2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166）

在2015年氣候狀態(tài)聲明中，世界氣象組織詳細(xì)匯總了創(chuàng)全球紀(jì)錄的世界各地的極端天氣事件。2007年3月初中國東北地區(qū)百年一遇的暴風(fēng)雪、2012年中國“7·21”北京特大暴雨、2016年 6月 24日中國鹽城阜寧縣龍卷風(fēng)和強(qiáng)冰雹雙重災(zāi)害等極端天氣造成的災(zāi)害嚴(yán)重。針對高影響的高溫、低溫、干旱及降水等天氣，氣象專家展開了廣泛研究[1-5]。近年來，眾多學(xué)者對寒潮天氣進(jìn)行了多方面的研究，并取得大量有意義的成果。王遵婭等[6]、錢維宏等[7]、康志明等[8]研究了中國寒潮天氣的時(shí)空變化特征。林愛蘭等[9]、伍紅雨等[10]、白松竹等[11]、閻琦等[12]對中國不同區(qū)域寒潮天氣的多年變化規(guī)律進(jìn)行了分析。朱乾根等[13]、李鋒等[14]、張培忠等[15]、趙玉廣等[16]從環(huán)流形勢方面研究寒潮天氣成因，發(fā)現(xiàn)寒潮過程的天氣學(xué)分型在寒潮業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用，對寒潮天氣預(yù)報(bào)具有較好的指導(dǎo)作用。田秀霞等[17]、丁一匯等[18]、馬曉青等[19]、傅慎明等[20]、邵宇翔等[21]從等熵位渦、大氣低頻波動(dòng)和能量收支方面對寒潮冷空氣源地、移動(dòng)路徑、寒潮爆發(fā)原因、降水相態(tài)特征進(jìn)行深入研究?；谥卸唐谔鞖忸A(yù)報(bào)[21-27]對典型寒潮天氣個(gè)例綜合分析的研究較多。因此對寒潮的機(jī)理研究較成熟，為寒潮天氣成因分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1999年11月24日（北京時(shí)間，下同）遼寧地區(qū)的強(qiáng)寒潮天氣過程（簡稱“11·24”強(qiáng)寒潮過程）是近46 a遼寧最強(qiáng)一次，因此有必要對其成因進(jìn)行分析，以期積累強(qiáng)寒潮天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

本文采用遼寧省氣象臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用的區(qū)域性強(qiáng)寒潮過程的標(biāo)準(zhǔn)，即：全省有≥20%站次出現(xiàn)日最低氣溫24 h降溫幅度≥10℃、最低氣溫≤4℃的寒潮過程。利用常規(guī)氣象觀測資料及NCEP再分析資料，應(yīng)用天氣學(xué)原理和動(dòng)力學(xué)診斷等方法，對寒潮天氣成因進(jìn)行分析。

1 “11·24”寒潮過程實(shí)況分析

“11·24”寒潮過程從1999年11月17日開始，11月26日結(jié)束。11月24日遼寧省最低氣溫24 h變溫：遼寧省西北部為8～10℃，其他地區(qū)均在10℃以上，遼寧省中部地區(qū)達(dá)18～22℃。1971—2016年遼寧共出現(xiàn)91次區(qū)域性寒潮過程，下面從降溫幅度、寒潮落區(qū)覆蓋率2個(gè)方面對比分析此次寒潮強(qiáng)度情況。圖1a為91次寒潮過程的區(qū)域平均最低氣溫24 h變溫，近46 a遼寧省區(qū)域平均降溫幅度多年平均為8℃，90%的寒潮過程的區(qū)域平均降溫幅度在5～10℃之間，99%的寒潮過程的區(qū)域平均降溫幅度＜11℃。2012年4月12日寒潮過程降溫幅度最小為5℃，“11·24”寒潮過程（紅色菱形所示）區(qū)域平均降溫幅度最大達(dá)15.8℃。圖1b為91次過程的寒潮覆蓋率，遼寧省平均寒潮覆蓋率為30.7%，80%的寒潮過程的覆蓋率＜35.0%，寒潮覆蓋率＞50.0%的僅占 7.5%，僅“11·24”（紅色菱形所示）寒潮過程的覆蓋率超過70.0%，且達(dá)到93.0%，因此“11·24”過程寒潮范圍非常廣。

圖1 1971—2016年遼寧省寒潮過程區(qū)域平均最低氣溫24 h變溫（a）和寒潮覆蓋率（b）

2 結(jié)果分析

2.1 “11·24”寒潮過程環(huán)流及影響系統(tǒng)演變

1999年的“11·24”寒潮過程，由于 NCEP FNL逐6 h業(yè)務(wù)化全球分析資料（1°×1°）環(huán)流與實(shí)況環(huán)流較吻合，而NCEP FNL資料可以提供時(shí)空分辨較高的多要素資料，因此利用NCEP FNL資料分析此次寒潮過程高、低空環(huán)流和影響系統(tǒng)的中短期演變。

2.1.1 500 hPa形勢演變

18—19日，鄂霍茨克海附近低渦與泰梅爾半島低渦合并，低渦后部橫槽發(fā)展。20—21日，橫槽旋轉(zhuǎn)南下至60°N附近，蘇伊士運(yùn)河至黑海的高壓脊北伸并與喀拉海附近極地高壓合并。22—23日（圖2a），橫槽橫跨 40°～140°E，極地阻塞高壓脊附近（圖3）負(fù)渦度平流輸送，且高壓脊以下的氣柱均為暖平流，熱力、動(dòng)力因子有利于高壓脊加強(qiáng)，高壓脊前覆蓋 55°～140°E、60°～80°N 范圍，大面積偏北風(fēng)將新地島以東的極地冷空氣輸送到橫槽中堆積，冷渦附近最低溫度達(dá)-44℃，橫槽前鋒區(qū)在55°N附近強(qiáng)烈發(fā)展；同時(shí)，遼寧地區(qū)在暖平流控制下，氣溫處于回升階段。24日（圖2b），里海低渦發(fā)展與鄂霍茨克海低渦（泰梅爾半島附近低渦南壓形成）后部橫槽打通，使喀拉海附近阻塞高壓與高壓脊分離，西路冷空氣沿阻塞高壓底部偏西氣流向橫槽中輸送；值得注意的是北地群島以東洋面新生成的冷渦（110°～130°E、70°～80°N）開始與鄂霍茨克海低渦合并，引導(dǎo)超極地冷空氣向橫槽中補(bǔ)充，西北路冷空氣加之超極地、西路冷空氣的配合，致使寒潮爆發(fā)階段冷空氣更加強(qiáng)烈；阻塞高壓長軸沿順時(shí)針方向移動(dòng)，導(dǎo)致橫槽南壓，強(qiáng)冷平流影響遼寧寒潮爆發(fā)。

圖2 1999年11月22日（a）、24日（b）20時(shí)500 hPa高度（單位：dagpm；棕色粗線為高空槽，紅色虛線為高壓脊）和850 hPa溫度平流（填色，單位：10-5℃/s）

2.1.2 地面系統(tǒng)的演變

19—21日喀拉海附近極地高壓南移與黑海附近高壓合并形成西伯利亞高壓，地面高壓（圖3a）中心上空（44°E藍(lán)色粗線所示）及高壓前部850 hPa以下為冷平流，熱力因子有利于高壓中心及前部產(chǎn)生正變壓，但高壓中心上空渦度平流較弱，動(dòng)力因子對高壓發(fā)展作用不明顯，該階段高壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢，中心氣壓1030 hPa。22—24日（圖3b）西伯利亞高壓中心附近（58°N藍(lán)色粗線所示）及高壓前部上空渦度平流垂直廓線較比20日20時(shí)明顯不同，負(fù)渦度平流至低層向高層一致性遞減，動(dòng)力因子產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)利于地面加壓，高壓中心附近及高壓前部650 hPa以下各層為較強(qiáng)冷平流，動(dòng)力、熱力因子共同作用下地面高壓出現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展；23日西伯利亞高壓覆蓋歐亞大陸北部地區(qū)，24 h加壓20 hPa，中心氣壓達(dá)到1050 hPa；24日西伯利亞高壓繼續(xù)向東發(fā)展，高壓中心24 h加壓10 hPa，強(qiáng)度達(dá)1060 hPa，11月出現(xiàn)如此強(qiáng)的高壓較少見，是產(chǎn)生強(qiáng)寒潮的原因之一。

圖3 溫度平流（填色，單位：10-5℃/s）、渦度平流（黑色等值線，單位：10-10s-2）沿垂直高壓脊直線的剖面

2.1.3 寒潮中心氣溫演變精細(xì)化分析

由天氣學(xué)中[13]熱力學(xué)能量方程可知，局地溫度變化由溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)以及非絕熱因子等引起。此次寒潮中心鞍山站位于平原地區(qū)，近地面附近垂直運(yùn)動(dòng)近于零，因此從溫度平流、非絕熱因子方面精細(xì)化分析氣溫變化的原因。

從鞍山站6 h氣溫變化情況（圖4），發(fā)現(xiàn)從21—23日14時(shí)處于回暖階段，尤其是21、22日夜間也是升溫的，利于升溫的非絕熱因子有白天晴空、弱偏南風(fēng)、無降水，不利于升溫的非絕熱因子有夜間晴空；23日14時(shí)到25日08時(shí)出現(xiàn)持續(xù)降溫，利于降溫的非絕熱因子有白天多云、弱偏北風(fēng)、降雪，不利于降溫的非絕熱因子有夜間多云。

圖4 鞍山站地面觀測要素時(shí)間演變

各層溫度平流的變化情況如圖5，21—23日14時(shí)升溫階段，低層以暖平流為主，而中高層為弱的冷平流。對應(yīng)降溫階段，23日08時(shí)開始975 hPa暖平流開始減弱，24日02時(shí)到14時(shí)冷平流快速增強(qiáng)到最強(qiáng)，對應(yīng)氣溫下降17.4℃；850 hPa溫度平流在24日08時(shí)到20時(shí)快速增強(qiáng)，直至25日14時(shí)均維持強(qiáng)冷平流控制；500、200 hPa溫度平流變化趨勢滯后于低層。

21日夜間晴空、風(fēng)力小，無降水，非絕熱因子有利于夜間降溫，然而氣溫反而上升，可見低層暖平流對氣溫變化影響更大。23日夜間多云、微風(fēng)，后半夜開始弱降雪，非絕熱因子不利于夜間降溫，然而該階段氣溫下降12℃，與975 hPa強(qiáng)冷平流關(guān)系密切。由此可見低層的溫度平流對氣溫預(yù)報(bào)具有較好指示作用。

圖5 鞍山站溫度平流（單位：10-5℃/s）時(shí)間演變

2.2 “11·24”強(qiáng)寒潮成因進(jìn)一步分析

2.2.1 冷空氣路徑對比分析

統(tǒng)計(jì)91次區(qū)域性寒潮冷空氣路徑發(fā)現(xiàn)，1條冷空氣入侵路徑的個(gè)例占57%，2條冷空氣入侵路徑的個(gè)例占42%，3條冷空氣入侵路徑的個(gè)例占2%。3條冷空氣入侵路徑的過程僅出現(xiàn)2次，較為罕見。1983年2月15日寒潮過程以西路冷空氣為主，東路和超極地冷空氣配合影響。1999年的“11·24”寒潮過程是西北路冷空氣為主，西路及超極地冷空氣為補(bǔ)充。

2.2.2 物理量對比分析

圖6 1971—2016年遼寧省區(qū)域性寒潮過程物理量箱線

應(yīng)用 NCEP（2.5°×2.5°）資料，統(tǒng)計(jì) 91 次區(qū)域性寒潮過程的常用物理量制作箱線圖（圖6）。75%的過程500、850 hPa冷中心分別集中分布在-44～-40℃、-32～-24 ℃?！?1·24”寒潮過程中，500、850 hPa 冷中心溫度為-46、-35℃，低于集中區(qū)域下限，接近歷史極小值，表明中低層冷空氣非常強(qiáng)?！?1·24”寒潮過程高壓中心氣壓1070 hPa，屬于歷年11月罕見的強(qiáng)高壓；鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)8條等溫線，為歷史極大值；升溫幅度為10.7℃，沒有高于集中分布區(qū)域上限，升溫幅度一般。

3 結(jié)論

針對1999年遼寧的“11·24”寒潮過程成因進(jìn)行天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及對比分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）“11·24”寒潮，遼寧大部分地區(qū)最低氣溫 24 h下降10℃以上，中部地區(qū)下降18～22℃，是遼寧地區(qū)近46 a降溫幅度最大、覆蓋范圍最廣的一次強(qiáng)寒潮過程。

（2）寒潮醞釀階段，暖平流控制遼寧導(dǎo)致持續(xù)升溫，西伯利亞高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展，西北路、西路、超極地冷空氣均向橫槽中輸送并大量堆積，冷暖空氣增強(qiáng)造成鋒區(qū)發(fā)展。寒潮爆發(fā)階段，橫槽南壓引導(dǎo)地面高壓、冷鋒、低空強(qiáng)冷平流影響遼寧，在前期較強(qiáng)升溫和氣溫驟降的共同作用下，形成強(qiáng)的寒潮過程。

（3）造成遼寧寒潮的冷空氣入侵路徑為1、2、3條的個(gè)例分別占 57%、42%、2%?！?1·24”寒潮過程是西北路冷空氣為主，西路及超極地冷空氣作補(bǔ)充，屬于罕見的3條冷空氣入侵類型中最強(qiáng)的一種。在有利的背景下，中低層冷空氣、鋒區(qū)、地面高壓強(qiáng)度均強(qiáng)于其他寒潮過程，表明冷空氣極強(qiáng)是形成這次少見強(qiáng)寒潮的重要原因。