容娜

（克拉瑪依市氣象局，克拉瑪依 834000）

0 引言

2019年5月中旬新疆北部出現(xiàn)了一次大范圍寒潮天氣，15—16日克拉瑪依區(qū)域（后簡(jiǎn)稱“克市轄區(qū)”）大部出現(xiàn)了9級(jí)以上大風(fēng)（圖1），區(qū)域站點(diǎn)最大瞬間風(fēng)速為33.9 m/s。強(qiáng)風(fēng)區(qū)位于克市轄區(qū)中部，中心城區(qū)及周邊受影響較大。大風(fēng)持續(xù)約8 h，而后各地轉(zhuǎn)為降水。強(qiáng)降雨中心在克市轄區(qū)中南部，局部出現(xiàn)了暴雨。而后各地氣溫明顯下降，48 h內(nèi)最低氣溫下降8～10 ℃，部分站點(diǎn)最低氣溫達(dá)到0 ℃，出現(xiàn)了霜凍天氣。針對(duì)這次過(guò)程，氣象臺(tái)發(fā)布了寒潮藍(lán)色、暴雨藍(lán)色、霜凍藍(lán)色等預(yù)警信號(hào)。由于春季為春耕關(guān)鍵時(shí)期，此次強(qiáng)冷空氣過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。

此次春季寒潮過(guò)程存在預(yù)報(bào)難點(diǎn)，尤其是對(duì)其引發(fā)的災(zāi)害天氣的特點(diǎn)、強(qiáng)度及量級(jí)的預(yù)報(bào)都需要仔細(xì)分析。且此次過(guò)程具有許多與以往典型寒潮中期過(guò)程分析的不同之處，如環(huán)流場(chǎng)上冷空氣爆發(fā)階段的表征不明顯等，需要對(duì)其機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步分析。

已有學(xué)者在討論寒潮天氣時(shí)使用了等熵位渦法，得到了高值位渦中心的移動(dòng)、強(qiáng)度變化與冷空氣及低渦系統(tǒng)移動(dòng)、暴雨落區(qū)等之間的聯(lián)系。本文利用位渦理論，對(duì)此次春季寒潮的形成機(jī)理等其他主要特征進(jìn)行討論分析。

圖1 2019年5月15—17日克拉瑪依區(qū)域降水、大風(fēng)天氣情況（a）降水量（單位：mm）；（b）大風(fēng)（單位：m/s）Fig.1 Precipitation and gale weathers in Karamay on 15－17 May 2019(a) precipitation (unit: mm); (b) gale (unit: m/s)

1 資料與方法

本文采用NCEP 1°×1°逐日（4次/日）再分析資料，時(shí)間為2019年5月14—17日。

根據(jù)等壓面上位渦的分布，選取中層500 hPa和高層300 hPa兩個(gè)層次，分析此次強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的源地、移動(dòng)路徑，討論位渦與克拉瑪依市（簡(jiǎn)稱“克市”）轄區(qū)強(qiáng)降水落區(qū)的關(guān)系。

2 環(huán)流形勢(shì)概況

14日20時(shí)，500 hPa歐洲至中亞地區(qū)開(kāi)始建立阻塞形勢(shì)。烏拉爾山（后簡(jiǎn)稱“烏山”）高壓脊北伸至極地，脊前北風(fēng)帶不斷加強(qiáng)引導(dǎo)冷空氣南下，在西伯利亞堆積形成寬槽。高空西北鋒區(qū)上有冷槽南壓東移。冷空氣爆發(fā)時(shí)，主影響槽的上游存在一趕槽。15日20時(shí)—16日08時(shí)，趕槽自烏山西側(cè)快速南落推動(dòng)冷槽加速南壓進(jìn)入北疆。同時(shí)，咸海處有低渦存在，與北方阻高形成了北暖南冷溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有利于將暖空氣阻擋在高緯地區(qū)，低渦前部西南氣流也有利于把水汽輸送到中亞地區(qū)，為后期降水天氣提供相應(yīng)的水汽條件。

850 hPa溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)均為經(jīng)向分布，烏山脊前北風(fēng)與巴湖地區(qū)溫度鋒區(qū)相垂直，表明大氣斜壓性較強(qiáng)。北疆上空的冷平流十分強(qiáng)盛，西西伯利亞冷中心隨北風(fēng)引導(dǎo)氣流不斷南落。地面冷鋒進(jìn)入北疆西部，結(jié)合850 hPa溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入克市轄區(qū)的冷平流有2個(gè)路徑，一支自塔城西方進(jìn)入，另一支自阿勒泰北方偏東向進(jìn)入，克拉瑪依市轄區(qū)處于2支氣流的輻合帶上。

地面高壓自高緯地區(qū)南落后轉(zhuǎn)東南向進(jìn)入中亞，15日14時(shí)—16日08時(shí)，地面系統(tǒng)移速較快，這一時(shí)段克市轄區(qū)出現(xiàn)了大風(fēng)天氣；16日08時(shí)—16日23時(shí)，地面系統(tǒng)位置少動(dòng)，這一時(shí)段克市轄區(qū)出現(xiàn)了降水天氣，故冷空氣移速不同引發(fā)的天氣也不同，系統(tǒng)停滯時(shí)有利于降水天氣維持。冷鋒位置變化在15日14時(shí)—17時(shí)最為明顯，雖然此時(shí)該區(qū)域大部站點(diǎn)3小時(shí)變壓仍為減壓，但克市轄區(qū)大風(fēng)天氣已開(kāi)始，說(shuō)明冷鋒移速加快比3小時(shí)變壓更有利于指示克拉瑪依市轄區(qū)的大風(fēng)天氣。15日20時(shí)冷鋒鋒面過(guò)境，此時(shí)克拉瑪依市轄區(qū)各地風(fēng)速達(dá)到了最強(qiáng)。

3 氣候背景

2019年5月以來(lái)，克市轄區(qū)頻繁受冷空氣活動(dòng)影響，月平均氣溫較氣候值為偏低。1981—2010年5月500 hPa氣候平均場(chǎng)中（圖2a），在中緯度歐亞地區(qū)為緯向環(huán)流，等高線總體分布均勻，高緯地區(qū)為極地低壓，里咸海為一淺槽，中亞為新疆淺脊，烏山西側(cè)無(wú)偏北氣流。而2019年5月原位于新疆的淺脊西移至咸海（圖2b），并與歐洲北部脊疊加伸向高緯地區(qū)。從歐洲北部至東亞沿岸均以西北氣流為主，有利于引導(dǎo)極地冷空氣南下進(jìn)入新疆，使冷空氣活動(dòng)增多。

圖2 5月500 hPa氣候平均位勢(shì)高度場(chǎng)（a）1981—2010年；（b）2019年Fig. 2 500 hPa climate average geopotential height field in May(a) 1981—2010; (b) 2019

4 大氣斜壓性分析

NCEP再分析場(chǎng)更直觀地表現(xiàn)出此次過(guò)程大氣的斜壓性質(zhì)。500 hPa溫度場(chǎng)經(jīng)向分布明顯強(qiáng)于風(fēng)場(chǎng)，高緯地區(qū)有一強(qiáng)冷舌向南伸至中亞地區(qū)，且在寬槽區(qū)有2個(gè)低渦中心（圖3a、3b），“互旋”作用加快了西西伯利亞低渦東移，也使中亞強(qiáng)冷舌快速進(jìn)入北疆。隨后冷舌強(qiáng)度減弱（圖3c、3d），冷空氣能量大量釋放，中高緯大氣的斜壓有效位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，北疆出現(xiàn)了大范圍寒潮。

圖3 2019年5月15—16日NCEP再分析資料場(chǎng)500 hPa溫度場(chǎng)（陰影，單位：℃）、流場(chǎng)（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）15日08時(shí)；（b）15日14時(shí)；（c）15日20時(shí)；（d）16日02時(shí)（實(shí)星為克拉瑪依市轄區(qū)）Fig. 3 NCEP reanalysis data of 500 hPa temperature field (shadow, unit: ℃) and flow field (vector, unit: m/s)(a) 08:00 on 15 May; (b) 14:00 on 15 May; (c) 20:00 on 15 May; (d) 02:00 on 16 May 2019(The real star is the location of Karamay)

850 hPa中亞地區(qū)同樣存在冷舌，表明冷空氣較深厚。且克市轄區(qū)上空的底層風(fēng)場(chǎng)發(fā)生了西北—東北風(fēng)的轉(zhuǎn)換，與實(shí)況天氣對(duì)應(yīng)，說(shuō)明冷空氣進(jìn)入該區(qū)域時(shí)存在2支路徑。而低層偏東路徑的冷空氣不僅加強(qiáng)了降溫，也對(duì)降水天氣有利，因?yàn)槠珫|氣流易在低層與克拉瑪依市轄區(qū)西緣的加依爾山脈形成迎風(fēng)坡效應(yīng)。該偏東氣流與高層西風(fēng)系統(tǒng)疊加，加大了垂直方向上切變，這種垂直方向上的緯向西風(fēng)加速，有利于產(chǎn)生高層向北的地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)與次級(jí)環(huán)流，激發(fā)上升運(yùn)動(dòng)，從而加強(qiáng)降水所需的抬升機(jī)制。

5 等壓面上位渦與冷空氣、降水落區(qū)的關(guān)系

5.1 位渦與冷空氣強(qiáng)度、移動(dòng)路徑的關(guān)系

此次天氣過(guò)程發(fā)生前期，高位渦中心位于烏山東部，中心強(qiáng)度為2.185 PVU，對(duì)應(yīng)西西伯利亞冷渦。歐洲暖脊對(duì)應(yīng)低位渦區(qū)，代表強(qiáng)盛暖空氣向極地發(fā)展。

14日阻高脊前強(qiáng)西北氣流帶與高位渦中心配合（圖4a），冷空氣將向南侵襲。15日08時(shí)高位渦中心12 h南落5個(gè)緯度（圖4b）。強(qiáng)風(fēng)帶由位渦后部西北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為渦底西風(fēng)，此時(shí)槽區(qū)底部?jī)?nèi)位渦梯度達(dá)到最強(qiáng)。偏北風(fēng)減弱不利于高位渦繼續(xù)南落，但里海附近有一弱高位渦中心，其分裂東移的速度非?？?，每12 h約為10經(jīng)度，在北疆上空與北部高位渦中心結(jié)合，進(jìn)一步加快冷空氣南落和東移，使強(qiáng)冷空氣能迅速爆發(fā)。15—16日高位渦中心值減少了約0.5 PVU，這是造成新疆寒潮過(guò)程所釋放的位渦能量。18日08時(shí)高位渦中心已東移南落至蒙古，受北支冷空氣補(bǔ)充，位渦中心再次加強(qiáng)。

圖4 2019年5月14—15日300 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）14日20時(shí)；（b）15日08時(shí)Fig.4 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 300 hPa(a) 20:00 BT on 14 May; (b) 08:00 BT on 15 May 2019

5.2 位渦與降水落區(qū)關(guān)系

15日14時(shí)高位渦中心位于西西伯利亞，其底部為強(qiáng)梯度帶，也是位渦高值中心軸線移動(dòng)方向的右側(cè)，同時(shí)存在強(qiáng)西風(fēng)氣流與之疊加，對(duì)應(yīng)6 h后克拉瑪依市轄區(qū)及準(zhǔn)噶爾盆地有降雨中心，這與吳迪等分析結(jié)論一致。這是由于位渦高值中心移動(dòng)軸線的右側(cè)常為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，若此處有水汽通量輻合，則有利于產(chǎn)生降水天氣。16日02—08時(shí)西風(fēng)氣流明顯減弱（圖5b、5c），對(duì)應(yīng)6 h后降水強(qiáng)度減弱。由此看出，此次降水落區(qū)與位渦高值中心、輻合風(fēng)場(chǎng)有一定的對(duì)應(yīng)聯(lián)系。

6 結(jié)論

1）此次天氣具有較強(qiáng)斜壓性，溫度場(chǎng)經(jīng)向分布強(qiáng)于高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)。暖槽的快速南落推動(dòng)冷槽加速南壓。咸海低渦將北部的暖空氣阻擋在高緯地區(qū)，其前部的西南氣流為水汽輸送到中亞地區(qū)提供了有利條件。

2）2019年5月500 hPa高空西北氣流較強(qiáng)，易于高緯度冷空氣南下影響新疆。此次過(guò)程高緯地區(qū)有一強(qiáng)冷舌直伸中亞，進(jìn)一步加大了垂直風(fēng)切變，誘發(fā)上升運(yùn)動(dòng)。

3）高緯地區(qū)強(qiáng)的高位渦中心南落、中亞弱的高位渦中心快速東移，兩者合并進(jìn)入北疆，進(jìn)一步加快了強(qiáng)冷空氣的南落和東移，使其能迅速爆發(fā)。在降水落區(qū)方面，高位渦區(qū)在新疆北國(guó)境線停滯，當(dāng)高位渦中心移動(dòng)軸線右側(cè)與強(qiáng)西風(fēng)氣流在克市轄區(qū)上空疊加時(shí)，對(duì)應(yīng)6 h后該地出現(xiàn)降雨落區(qū)中心。

大量研究結(jié)果對(duì)寒潮過(guò)程的環(huán)流系統(tǒng)分析已較為成熟，但仍存在地域差異及不同個(gè)例間差異，造成復(fù)雜天氣的成因也各不相同。關(guān)于寒潮天氣的分析仍需要更多個(gè)例來(lái)討論完善。

圖5 2019年5月15—16日500 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）及之后6 h降水量（陰影區(qū)，單位：mm）分布的疊加圖（a）15日20時(shí)；（b）16日02時(shí)；（c）16日08時(shí)；（d）16日14時(shí)Fig.5 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 500 hPa and precipitation (shaded area, unit: mm) distribution in the following 6 hours(a) 20:00 BT on 15 May; (b) 02:00 BT on 16 May; (c) 08:00 BT on 16 May; (d) 14:00 BT on 16 May 2019