王萬筠，盧煥珍，卜清軍，殷海濤

(1.天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457；2.天津市氣象臺 天津300074)

0 引 言

寒潮多指冬半年來自極地或高緯度地區(qū)的寒冷空氣向低緯度地區(qū)侵襲的過程，常伴有雨雪和大風天氣，對交通、電力以及畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)都有很大影響。在全球變暖的氣候背景下，有研究表明[1-2]北半球低溫事件頻發(fā)。謝韶青等[2]研究了近 16年來歐亞大陸中緯度地區(qū)低溫事件頻發(fā)的原因后指出，1998年以來冬季西伯利亞高壓增強并向西北擴展，伴隨著歐亞大陸中緯度地區(qū)冬季北風增強，西風減弱，寒潮事件頻發(fā)且持續(xù)時間增長。段立瑤等[3]對環(huán)渤海地區(qū)寒潮時空分布及變化特征進行了分析，指出：在氣候變暖背景下，環(huán)渤海地區(qū)區(qū)域寒潮次數(shù)明顯減少，但特強寒潮即極端寒潮事件并未減少。2018年初春華北地區(qū)氣溫驟降，連續(xù) 2d出現(xiàn)了寒潮天氣，部分地區(qū)達到強寒潮的等級。

很多專家在寒潮的冷空氣源地、路徑、寒潮中短期環(huán)流演變形勢特征及影響系統(tǒng)等方面進行了很多深入的研究[4-8]。近年來，濕位渦作為綜合反映大氣動力、熱力和水汽作用的物理量，也被廣泛應(yīng)用到暴雪以及冷空氣的分析中[9-13]，并得到了許多有價值的結(jié)論。王麗等[9]應(yīng)用濕位渦理論分析了湖北省一次罕見寒潮天氣，發(fā)現(xiàn)濕位渦斜壓項的時空演變和強冷空氣的發(fā)展、移動、氣溫陡降有很好的對應(yīng)關(guān)系。陸爾等[10]根據(jù)位渦分析揭示出 1991年 5～7月冷空氣主要從北方或東北方南下，從大氣低層進入我國江淮流域。紀策等[11]在分析昌吉地區(qū)一次春季強寒潮的強降溫成因中，利用等熵面上的高位渦帶來揭示強冷空氣的發(fā)展和移動。

2018年4月2～4日華北地區(qū)氣溫驟降，大部分地區(qū)連續(xù)2d出現(xiàn)了24h內(nèi)最低氣溫下降8℃以上，部分地區(qū)最低氣溫降幅達到 12℃以上，伴有雨雪和大風天氣。按照冷空氣等級國家標準(GB/T 20484—2006)，此次華北地區(qū)的強降溫達到了寒潮的標準。多地出現(xiàn)晚霜凍以及低溫凍害，造成果樹及農(nóng)作物等大面積減產(chǎn)或絕收。河北省部分地區(qū)的一些企業(yè)廠房和村民牛棚、雞舍、豬棚等被雪壓塌，部分房屋倒塌或嚴重受損，經(jīng)濟損失達 3億元以上。山西省受低溫凍害及雪災影響，經(jīng)濟損失也達 3億元以上，其中山西省古縣一地 1.53萬 hm2核桃減產(chǎn) 90%以上，0.067萬 hm2小麥、0.027萬 hm2中藥材、0.027萬hm2油用牡丹受到輕微凍害，67余hm2蘋果等果樹幾乎絕收。此次寒潮天氣過程降溫幅度大，影響范圍廣，受災嚴重。

在初春季節(jié)出現(xiàn)如此大范圍的寒潮乃至強寒潮天氣，極為少見。本文利用常規(guī)天氣觀測資料、NCEP再分析資料(水平分辨率 1°×1°)，分析了此次強寒潮過程的環(huán)流形勢，進行了物理量診斷，并利用濕位渦理論分析了強降溫和大風的原因。希望對今后寒潮過程的準確預報、預警和防災減災提供一些參考。

1 天氣實況及形勢分析

1.1 天氣實況

圖1 最低氣溫24小時變化和24小時內(nèi)的大風區(qū)(17.2m/s以上)Fig.1 24-hour variation of minimum temperature and high wind(17.2m/s or more)area within 24hours

此次華北地區(qū)的寒潮天氣過程氣溫驟降，24h降溫幅度大，且連續(xù) 2d的降溫幅度都達到了寒潮的標準。從 4月 2日至 3日最低氣溫的 24h變化圖(圖1a)中可以看到，華北西北部 24h最低氣溫已經(jīng)出現(xiàn)了大于 10℃的降溫，最低氣溫在-4～-8℃，達到了寒潮的標準(GB/T 20484—2006)。部分地區(qū)最低氣溫的降溫幅度在 10℃以上，達到了強寒潮的標準。其中最強降溫出現(xiàn)在內(nèi)蒙古太仆寺旗，最低氣溫變溫達到 17℃。3～4日降溫持續(xù)(如圖1b)，此時華北中東部的大部分地區(qū) 24h最低氣溫下降 8℃以上，大部分地區(qū)最低氣溫降至 4℃以下。部分地區(qū)強降溫在 10℃以上，河北省中部固安、雄縣甚至降溫達到 12℃，天津市降溫也達到 11℃。選取天津北辰、河北固安、河北雄縣小時氣溫變化曲線來分析此次寒潮天氣的氣溫演變過程(如圖1c)，降溫由 2日08:00一直持續(xù)到 3日 22:00，從 2日白天最高氣溫接近 30℃一直降至 3日凌晨最低氣溫降至 0℃以下，最高最低氣溫之間的日變化幅度達 30℃左右。過程中降溫幅度較大的分為2個時段，一是2日白天10:00～16:00，二是 3日 06:00～20:00。此外一直到5日，華北地區(qū)氣溫都維持在10℃以下。冷空氣在影響了我國東部大部分地區(qū)的同時，自北向南多地出現(xiàn)了8級以上的大風(圖1a，1b)。

此次寒潮天氣影響范圍大，強度強，低溫持續(xù)影響時間長，降溫的同時還出現(xiàn)了雨雪大風的災害性天氣。本文對此次寒潮的極端性進行了初步探討，希望對今后華北地區(qū)寒潮過程的準確預報能夠提供一些定量化參考。

1.2 天氣形勢

圖2 500hPa高度場(單位：dagpm)和溫度場(陰影，單位：℃)：4月2日20:00高度場(單位：dagpm)、溫度場(陰影，單位：℃)及風場(單位：m·s-1)：Fig.2 Geopotential height(unit：dagpm)and temperature field(shadow，unit：℃)at 500hPa：

寒潮爆發(fā)前 500hPa(圖略)上，極渦在亞洲地區(qū)的冷中心位于薩彥嶺，冷中心值為-48℃。2日 20:00(圖2a)系統(tǒng)東移南下的過程中處于薩彥嶺至貝加爾湖地區(qū)的下坡地形，冷空氣南下東移中有所加強。3日 08:00(圖2b)中心值加強為-52℃，在鄂霍次克海地區(qū)形成閉合的冷渦。極渦在泰梅爾半島附近，中心略有減弱，而位置少動。在極渦和冷渦之間，薩彥嶺以東形成弱脊。冷渦向西南方向伸展出橫槽。此時的溫度槽明顯落后于高度槽。槽后的偏北氣流引導冷空氣向南爆發(fā)。700hPa冷中心達到-32℃，850hPa達到-24℃(圖2c、2d)。與天氣學原理中所提到的典型寒潮過程冷中心的強度相比，此次過程僅500hPa和 700hPa冷中心的強度達到了寒潮爆發(fā)的標準，850hPa冷中心的強度沒有達到華北地區(qū)常見的寒潮天氣爆發(fā)閾值。在實際預報中，常使用850hPa變溫來預報強降溫事件。在 2日 20:00 850hPa溫度在京津地區(qū)很高，達到 15℃，至 3日20:00，氣溫降至-3℃(圖略)。850hPa的24h變溫達到18℃，可以預報出地面將有8～10℃的降溫。

但是 4日 20時(圖略)，850hPa溫度為-7℃，3～4日24h變溫僅有4℃，而在實際預報中，也出現(xiàn)了華北東部寒潮的漏報情況。

地面圖中，2日 20:00(圖2e)地面冷高壓中心位于貝加爾湖以西，中心強度為 1040hPa，與天氣學原理中提到的典型寒潮過程相比，并沒有特別強。我國東部為低壓控制，東北地區(qū)以北以及華北地區(qū)東部分別有低壓中心。高低壓中間等值線非常密集。高壓前沿的冷鋒鋒面大致由東北地區(qū)東部經(jīng)渤海延伸至我國河套地區(qū)。3日 08:00(圖2f)地面冷高壓中心東移南下，其東移12個經(jīng)度左右，但南下不足5個緯度。冷空氣南下受阻，主要是因為其南側(cè)低壓倒槽影響。冷空氣東移后以回流形勢影響華北地區(qū)中東部，是典型的降雪天氣形勢。但是由于冷鋒的移動較為緩慢，而容易忽視寒潮天氣的發(fā)生。

因此僅從天氣形勢場上，無法判斷此次寒潮過程的強度，在預報方面還需要結(jié)合其他的條件進行進一步分析。

2 強降溫以及強風成因

根據(jù)朱乾根等著《天氣學原理和方法》，局地的溫度變化主要決定于溫度平流和非絕熱因子的作用。溫度平流主要考慮平流冷暖性質(zhì)和強度；非絕熱因子包括輻射、水汽凝結(jié)、蒸發(fā)和地面感熱對氣溫的影響。從天津單站的溫度變化曲線(圖1c)上可以看到，降溫主要發(fā)生在 2日～3日，過程中降溫幅度較大的分為 2個時段，一是 2日白天 10:00～16:00，二是3日06:00～20:00。尤其是3日白天的輻射增溫并沒能抵消降溫的趨勢。2日夜間至3日由于降雪天氣影響，天空云量較多，不滿足晴空輻射降溫的條件?？梢娫诖舜谓禍剡^程中輻射的作用并不突出。

2.1 溫度平流

4月1日20:00，850hPa冷平流區(qū)出現(xiàn)在內(nèi)蒙邊境，中心值超過-100×10-5℃/s，表明冷空氣之強(圖略)，冷平流呈帶狀分布。在高空偏北氣流的引導下，強冷平流帶向南移動。在 2日 08時(圖3a)，京津地區(qū)出現(xiàn)暖平流，中心值為 20×10-5℃/s，在 2日全天華北地區(qū)東部都受此暖平流影響，出現(xiàn)了日最高氣溫接近 30℃。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度。同時冷暖平流之間等值線非常密集，密集帶附近冷暖平流變化大，將會出現(xiàn)氣溫驟降，造成了 2日白天10:00至16:00較強幅度的降溫。

2日 08:00冷平流在東北地區(qū)還維持了超過-100×10-5℃/s的中心值，在內(nèi)蒙古中西部的冷平流中心有所減弱。3日 08:00(如圖3b)東北地區(qū)的強冷平流區(qū)東移經(jīng)渤?；亓髦寥A北東部，冷空氣采取東路影響華北東部。另一股冷空氣采取中路，經(jīng)河套地區(qū)南下影響山西及河北西部。850hPa冷平流中心的位置變化，表明了冷空氣的移動路徑。兩股冷空氣在3日 08:00大范圍影響我國中東部地區(qū)的時候，中心值仍能維持在-60×10-5℃/s。冷平流的出現(xiàn)，受日變化的影響較小，3日的全天平流維持了較長的時間，造成了 3日 06:00～20:00較強幅度的降溫。一直到4日 14:00仍有-20×10-5℃/s的帶狀維持在華北地區(qū)。在天津預報員手冊中提到，850hPa冷平流強度低于-10×10-5℃/s的區(qū)域與日最低氣溫下降幅度在10℃以上的區(qū)域大體一致。與之相比，本次過程中華北地區(qū) 850hPa冷平流中心數(shù)值低于-60×10-5℃/s，說明冷空氣強度遠遠超過了歷史過程中統(tǒng)計的閾值。

圖3 850hPa溫度平流(單位：℃/s)Fig.3 Temperature advection at 850hPa(unit：℃/s)

強冷平流影響了華北大部分地區(qū)，且維持了較長時間，是此次強降溫的主要原因。而冷空氣影響華北之前出現(xiàn)的暖平流中心，對應(yīng)了華北在2日白天異常的高溫。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度，使得這次強降溫最終達到了寒潮的等級。

2.2 變壓和氣壓梯度分析

冷空氣影響的同時，多地出現(xiàn) 8級以上的大風。風場與氣壓場的關(guān)系，一般符合地轉(zhuǎn)風、梯度風的原理。寒潮天氣影響帶來的大風，首先和寒潮地面冷高壓密不可分。在此次寒潮天氣的影響過程中，地面冷高壓中心僅達到 1040hPa，與天氣學原理中提到的典型寒潮過程相比，并沒有特別強。但是地面仍然出現(xiàn)了大范圍的大風。3日 08時，中國東部出現(xiàn) 19～23m/s的大風。從 3日 08時海平面氣壓場(圖4)上可以看到，我國中東部地區(qū)海平面氣壓場出現(xiàn)北高南低的分布形勢。內(nèi)蒙以北為冷高壓，而華中地區(qū)為低壓。低壓中心強度達到1010hPa。華北一帶等壓線非常密集，氣壓梯度大(26hPa/10個經(jīng)緯距)，梯度風大。而地面變壓場也可見，3日 08:00 24h變壓在華北地區(qū)最大達到16～18hPa，而東北地區(qū)更是達到了20hPa以上，變壓風在上述地區(qū)也很大。從 3h變壓和大風天氣區(qū)域的疊加來看，大風區(qū)主要發(fā)生在正變壓中心，也有部分站點在中心區(qū)域以外，但仍分布在正變壓區(qū)域之內(nèi)。在梯度風和變壓風的共同作用下，造成了大范圍的大風天氣。

圖4 4月3日氣壓及變壓分析圖Fig.4 Pressure and Variable Pressure Analysis Chart on April 3

3 濕位渦診斷分析

吳國雄等[14-15]證明絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，并在此基礎(chǔ)上提出傾斜渦度發(fā)展理論。濕位渦綜合表征了大氣動力和熱力屬性。濕位渦分為正壓項和斜壓項兩部分，其公式推導可參見文獻[13]。MPV1為濕位渦的正壓項，其值取決與空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當位溫垂直梯度的乘積。當大氣為對流不穩(wěn)定時，MPV1＜0；若大氣為對流穩(wěn)定時，MPV1＞0；MPV2是濕位渦的斜壓項，它的數(shù)值由風的垂直切變和 θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。風的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加，均能因濕等熵面的傾斜而引起垂直渦度的增長。位渦的單位為 PVU，1PVU＝10-6m2/s·k·kg。王麗等[9]在湖北省一次罕見寒潮天氣過程氣溫陡降分析中發(fā)現(xiàn)，濕位渦第二項濕斜壓項的時空演變很好地描述了冷空氣的發(fā)展、移動過程。大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，冷空氣鋒生越強，也會造成風力進一步加大。由于 MPV1絕對值往往比MPV2大 1～2個量級，所以 MPV的分布一般與MPV1一致。故可將濕位渦分為正壓項和斜壓項來分析，而不再分析MPV的分布。

3.1 濕位渦正壓項分析

大氣為對流穩(wěn)定時，MPV1＞0，MPV1正值區(qū)標志著有穩(wěn)定的干冷氣團影響。在 2日 02:00 850hPa MPV1分布圖上MPV1正值區(qū)位于內(nèi)蒙古中部，中心值約為 5.2PVU。隨后正值區(qū)由西向東移動至河北省西北部。在08:00～14:00 MPV1正值中心數(shù)值減小，京津地區(qū) MPV1值為零。對應(yīng)了 2日白天的降溫并不是冷空氣直接影響造成的，而是2日白天的異常增溫所造成的溫差較大。2日 20:00(圖5a)上看到，850hPa有兩個大值中心，分別位于河北西北部和遼寧西部。在京津地區(qū)出現(xiàn)負值中心。華北地區(qū)中東部MPV1正值中心和負值中心成對出現(xiàn)。在冷空氣的前沿，由于鋒區(qū)的抬升作用，會加劇不穩(wěn)定的發(fā)生，造成了這種正負中心成對出現(xiàn)的現(xiàn)象。《天氣學原理》中也提到，由于地轉(zhuǎn)偏差風輻合輻散的作用，鋒區(qū)附近形成垂直環(huán)流，這種鋒區(qū)垂直環(huán)流的作用，使得風力進一步加大。MPV1的等值線在華北東部非常密集，而這個地區(qū)也恰恰是地面鋒區(qū)所在位置。

MPV1的正值區(qū)往往會標志著較為穩(wěn)定的冷空氣。隨后，遼寧西部的正值區(qū)向西南移動影響天津地區(qū)，而河北西北的正值區(qū)南下影響河北西部。MPV1正值區(qū)在一定程度上指示了冷空氣及其移動的路徑。3日 08:00～14:00(圖5b)，MPV1正值中心由2日夜間的 1.5PVU增大到 5PVU以上，也說明了3日的冷空氣強度再次加大，與華北地區(qū)3日的降溫較為一致。4日 08:00后正值區(qū)減弱并移出華北地區(qū)，標志著冷空氣對于華北地區(qū)的影響趨于結(jié)束。

圖5 850hPaMPV1和MPV2分布圖Fig.5 Distribution of MPV1 and MPV2 at 850hPa

3.2 濕位渦斜壓項分析

MPV2 是濕位渦的斜壓項，當 MPV2絕對值增大，大氣斜壓性加強。大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，冷空氣鋒生越強，也會造成風力進一步加大。在850hPaMPV2分布圖上，4月2日8:00有帶狀的負值區(qū)中心值由0PVU降低至-2PVU。系統(tǒng)東移過程中，14:00帶狀負值區(qū)西南部明顯減弱，東部東移至遼寧，中心再次加強到-2.8PVU。20:00(圖5c)帶狀負值區(qū)南壓，同時帶狀西部明顯西伸至天津地區(qū)，中心仍維持在-2.6PVU。MPV2維持大的絕對值，說明大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，將同時刻的 MPV2圖與海平面氣壓圖相比(圖5c與圖2e相比)，帶狀的負值區(qū)走向大致與地面冷鋒一致。將其與冷鋒位置相比發(fā)現(xiàn)，負值區(qū)等壓線密集帶與地面冷鋒的位置近似相同。同時20:00開始遼寧至河北北部一帶出現(xiàn)大范圍 17～19m/s的大風。3日14:00(圖5d)，MPV2負值區(qū)南下影響河北省南部地區(qū)，其等值線密集帶的前進方向一側(cè)，同樣誘發(fā)了17m/s以上的大風天氣。4日08:00以后，MPV2大的負值區(qū)有所減弱，同時密集帶消失，對比實況的大風區(qū)也同步消失。此次過程 MPV2負值區(qū)先東移后南下，可以清晰的描述冷空氣采取東路，由遼寧西部經(jīng)渤海影響華北東部地區(qū)的過程。其數(shù)值的增大及維持，標志著大風天氣的產(chǎn)生。

3.3 濕位渦時間變化分析

利用站點附近單點的MPV1與MPV2的時間變化曲線與氣溫變化曲線進行對比分析，以北辰站為例(圖5e)。MPV1有3個明顯的波峰，而MPV2有3個明顯的波谷，兩者同步發(fā)生。MPV1的正值的增大標志著穩(wěn)定的冷空氣增強，而 MPV2絕對值增大代表了大氣斜壓性加強。

2日白天強降溫時，MPV1與MPV2值均接近于0，是 2日白天的異常增溫所造成的溫差較大，而非強冷空氣造成。MPV1與MPV2的3個鋒值階段，對應(yīng)的氣溫曲線上，在 3h后均可以分析出氣溫的降溫幅度更大。例如，2日 20:00開始 MPV1增大，而MPV2減小，在 3日 02:00達到鋒值，北辰地區(qū)的氣溫一路下降，但仍可以分析出 3日 05:00～14:00的降溫幅度更大。利用濕位渦來分析寒潮天氣時，MPV1與 MPV2其值的躍增，預示了冷空氣的影響，其提前量有3～6h。

4 結(jié) 論

本次寒潮天氣過程發(fā)生的天氣形勢場是橫槽下擺引導冷空氣南下，高空冷中心較強，500hPa達到-52℃。地面上蒙古冷高壓中心值達到 1040hPa。冷空氣東移南下，影響我國東部地區(qū)。

此次過程的強降溫的成因主要在于溫度平流以及水汽凝結(jié)和蒸發(fā)的作用。850hPa冷平流區(qū)中心值超過-60×10-5℃/s，遠超當?shù)氐臍v史閾值。強冷平流維持了較長時間，是此次強降溫的主要原因。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度。使得這次強降溫最終達到了寒潮的等級。

此次寒潮天氣的影響過程中，地面冷高壓中心僅達到 1040hPa，我國華北處于高低壓中間，等壓線非常密集，梯度風大。而地面 24h變壓達到 20hPa以上，變壓風在上述地區(qū)也很大。

MPV1正值區(qū)標志著有穩(wěn)定的干冷氣團影響，可以指示冷空氣及其移動的路徑。MPV2帶狀的負值區(qū)走向大致與地面冷鋒一致，位置近似相同。此次過程MPV2負值區(qū)先東移后南下，可以清晰地描述冷空氣采取東路，由遼寧西部經(jīng)渤海影響華北東部地區(qū)的過程。當 MPV2絕對值增大，大氣斜壓性加強，標志了大風天氣的產(chǎn)生。MPV1與 MPV2其值的躍增，預示了冷空氣的影響，其提前量有3～6h。