李曉霞 李常德 馬真 趙慧 高玲

（1 甘肅省平?jīng)鍪袣庀缶郑經(jīng)?744000；2 甘肅省白銀市氣象局，白銀 730900）

0 引言

寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強冷空氣活動過程。寒潮天氣的主要特點是劇烈的降溫和大風(fēng)，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍。寒潮是我國冬春季嚴重的災(zāi)害性天氣之一，能給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ顜砗艽蟮挠绊?。對寒潮天氣的認識和研究已較為廣泛，閻琦等從氣候角度分析了各地寒潮天氣的變化特征及影響因子。周星妍指出北大西洋風(fēng)暴軸位置異常與我國寒潮頻次變化存在顯著的相關(guān)關(guān)系。張琳發(fā)現(xiàn)極端氣旋的生成和移動是中國寒潮天氣發(fā)生的重要原因之一。近年來，對不同寒潮天氣過程的發(fā)生機制進行對比分析的研究較多，田秀霞等對相關(guān)寒潮天氣的影響系統(tǒng)、發(fā)生背景、水汽、動力、熱力機制等進行了診斷對比分析，得出一些重要的寒潮預(yù)報經(jīng)驗和指標。董全等利用歐洲中期天氣預(yù)報中心再分析資料和極端天氣指數(shù)對某一次強寒潮天氣活動進行了分析檢驗，探討了如何有效利用極端天氣指數(shù)來提高對極端災(zāi)害性天氣過程預(yù)報的準確率。韋志剛等評估了CFSv2系統(tǒng)對寒潮天氣預(yù)報的能力，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對寒潮降溫情況具有一定的提前預(yù)報能力。王麗等將濕位渦應(yīng)用到暴雨、強對流、寒潮等災(zāi)害性天氣時，得出了有意義的結(jié)果。近年來，不少氣象學(xué)者利用多種氣象資料及相關(guān)產(chǎn)品對諸多典型寒潮天氣個例做了深入的研究，雖然引發(fā)寒潮爆發(fā)的環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)基本都是我們所熟知的，但是我國幅員遼闊，氣候條件差異很大，各地寒潮天氣特征存在一定的差異性，這就需要我們氣象工作者根據(jù)當?shù)氐木唧w情況來研究寒潮預(yù)報的經(jīng)驗和指標，并做到本地化應(yīng)用。目前而言，關(guān)于甘肅省平?jīng)鍪斜镜氐暮碧鞖庋芯枯^少，對寒潮天氣的極端性判斷和預(yù)報也就更加欠缺。

2018年4月4—7日，甘肅省大部地方爆發(fā)了一次大范圍的強寒潮天氣，就平?jīng)鍪卸裕?個縣（市、區(qū)）連續(xù)2日均出現(xiàn)寒潮天氣，最低溫度降幅最大達13.9 ℃，最低氣溫均達到或超過歷史極值，屬于一次極端性罕見強寒潮天氣。各縣區(qū)均出現(xiàn)不同程度的冷凍災(zāi)害，主要災(zāi)情出現(xiàn)在涇川縣和靈臺縣，其中，涇川縣有14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，造成農(nóng)作物受災(zāi)面積達27.85萬畝（1畝≈666.7 m），直接經(jīng)濟損失25882.66萬元。靈臺縣有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)災(zāi)情較嚴重，造成果樹、農(nóng)作物等受災(zāi)面積達5.66萬畝，直接經(jīng)濟損失16977.81萬元。本文主要從寒潮天氣系統(tǒng)、寒潮降溫條件等方面入手，分析此次極端性寒潮天氣的形成原因，為平?jīng)鍪泻碧鞖獾念A(yù)報及由此產(chǎn)生的氣象災(zāi)害的預(yù)防提供參考。

1 天氣實況

2018年4月4—7日，甘肅省平?jīng)鍪斜l(fā)了入春以來最強的一次寒潮天氣過程，造成7個縣（市、區(qū)）出現(xiàn)大范圍的劇烈降溫天氣，從寒潮強度和連續(xù)日數(shù)來看，4—7日研究區(qū)出現(xiàn)連續(xù)2天的區(qū)域性強寒潮天氣，屬于歷史罕見寒潮天氣。過程前后，全市日最低氣溫下降幅度普遍在8.5～13.9 ℃，其中，4—6日，莊浪縣降溫幅度最大，達到13.9 ℃；5—7日，靈臺縣降溫幅度最大，達到13.8 ℃（圖1）。7日清晨全市最低氣溫均降到?9.4～?5.0 ℃，最低氣溫和近20年同期相比較，7個縣（市、區(qū)）均達到或超過歷史極值，尤其靜寧縣的最低氣溫低于歷史極值2.7 ℃。另外，4—5日寒潮區(qū)還出現(xiàn)了瞬時風(fēng)力達6～7級的偏北大風(fēng)，其中崆峒區(qū)極大風(fēng)速達20.4 m/s。此次寒潮天氣過程出現(xiàn)范圍之廣，強度之大，為歷史罕見。

圖1 2018年4月4—7日平?jīng)鍪懈骺h（市、區(qū)）48小時最低氣溫降溫幅度（單位: ℃） Fig. 1 Drop range of minimum temperature for 48 h in Pingliang of all counties (cities, districts ) in 4-7 April 2018 (unit: ℃)

2 影響系統(tǒng)及降溫條件

2.1 100 hPa極渦

亞洲高緯度地區(qū)維持一個強大的極渦時，對我國的寒潮天氣過程有很好的指示意義。利用NCEP再分析資料對寒潮的中短期形勢做了分析，分析寒潮發(fā)生前5 d、前1 d和發(fā)生時100 hPa極渦的分布特征發(fā)現(xiàn)，寒潮發(fā)生前5 d，有一極渦中心穩(wěn)定于新地島以東的喀拉海一帶，中心強度在1512～1516 gpm左右，呈不對稱的單波型，可見寒潮爆發(fā)前5 d，在北半球就出現(xiàn)了東西向偏心型極渦。寒潮爆發(fā)前1 d，3日08時，極渦中心位于80°N以南，較前期相比強度增強，中心位置有所南壓。3日20時，極渦繼續(xù)加強南壓至70°N附近，中心強度達1540 gpm左右。寒潮爆發(fā)時，4日08時，極渦進一步加強南壓，極渦由東西向轉(zhuǎn)為西北東南向，徑向度加大，影響范圍也大幅擴大。5日20時，極渦發(fā)生了一次分裂， 2個中心分別位于70°N以北（極渦Ⅰ）和貝加爾湖附近（極渦Ⅱ），2個極渦均位于歐亞大陸，中心強度分別為1552 gpm和1564 gpm，且靠近我國的極渦Ⅱ偏強，說明伴隨我國的大范圍寒潮低溫天氣也是偏強的，甘肅省平?jīng)鍪形挥跇O渦Ⅱ底部，受其影響將出現(xiàn)持續(xù)低溫冷凍天氣。

此次寒潮天氣過程冷空氣的源地位于新地島以東的洋面上，而后經(jīng)喀拉海、太梅爾半島、西伯利亞一帶進入我國。寒潮爆發(fā)期間，對流層中、上部的極渦發(fā)生了一次斷裂，分為兩個中心，形成偶極型環(huán)流，這表明此次冷空氣的強度為中等以上強度，由于靠近我國的極渦中心偏強，且位于西伯利亞北部，這樣冷空氣從西伯利亞源源南下，造成我國大范圍持續(xù)低溫天氣，也是形成此次甘肅省平?jīng)鍪袠O端寒潮天氣的重要原因之一。

2.2 500 hPa環(huán)流形勢

寒潮能否爆發(fā)與冷空氣的源地和堆積程度有著密切的關(guān)系。分析500 hPa的環(huán)流形勢可以看出，此次寒潮爆發(fā)前，2日20時，烏拉爾山附近為一高壓脊，脊前有一弱的短波小槽，從溫壓場的配置來看，溫度場落后于高度場，預(yù)示著上述槽、脊將會發(fā)展加強。3日08時，脊前不穩(wěn)定小槽加強并東移南壓至西西伯利亞一帶。3日20時（圖2a），烏拉爾山高壓脊前冷槽分裂為南、北兩支小槽，南支低槽位于新疆東部，等溫線與等高線的交角大，槽后冷平流強。等高線也呈疏散結(jié)構(gòu)，即槽線上有正渦度平流，兩種因子共同促使該冷槽持續(xù)發(fā)展。同時，烏拉爾山高壓脊線附近的暖平流和負渦度平流使得高壓脊繼續(xù)加強，使得脊前偏北風(fēng)加大，這意味著冷平流的加強，將進一步促進脊前冷槽的發(fā)展。烏拉爾山高壓脊和其前冷槽邊發(fā)展邊隨著基本氣流向東移動，至4日20時（圖2b），烏拉爾山高壓脊東移至亞洲西部，并由南北向逐漸向東北西南向發(fā)展，冷空氣在脊前槽后持續(xù)堆積加強。5日08時，南北兩支低槽同位相疊加，同時，亞洲西部高壓脊同中亞高壓脊有所合并加強，這將使得環(huán)流經(jīng)向度進一步加大，脊前偏北風(fēng)加強，引導(dǎo)槽后冷空氣大舉向南爆發(fā)，形成寒潮爆發(fā)的誘因。6日08時，亞洲中部受高壓脊控制，低槽東移至我國東部，東亞大槽完成了一次重建，此時寒潮研究區(qū)仍受槽后冷平流的影響，前后出現(xiàn)了連續(xù)性的強寒潮天氣。

圖2 2018年4月4—6日500 hPa環(huán)流形勢 （實線：等高線；虛線：等溫線） Fig. 2 Circulation situation of 500 hPa in 4-6 April 2018 (solid: contours, dashed: isotherms)

此次寒潮天氣過程屬于脊前不穩(wěn)定小槽發(fā)展型。高空主要影響系統(tǒng)為烏拉爾山高壓脊及其前低壓槽，不斷東傳的低槽持續(xù)影響寒潮研究區(qū)，加之強冷平流的長時間維持，使得此次寒潮天氣過程具備了持續(xù)時間久，強度大，范圍廣的特征。

2.3 地面冷高壓及冷鋒

分析地面形勢（圖3）發(fā)現(xiàn)，此次寒潮爆發(fā)前后，在寒潮地面高壓的前緣都有一條強度較強的冷鋒作為寒潮的前鋒，并且在300 hPa以下各等壓面上都配合有明顯的高空冷槽和鋒區(qū)，同樣，在寒潮冷鋒的后部都有一地面冷高壓存在，從冷高壓的移動路徑可以看出冷空氣的移動路徑為西北—東南向。對比上一節(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，地面寒潮冷鋒均位于500 hPa冷槽前部，屬于后傾形勢。寒潮爆發(fā)過程中，隨著高空冷槽的加深，地面冷鋒后的氣流經(jīng)向度也加大，利于寒潮冷鋒的南下。3日08時，地面冷高壓位于烏拉爾山脊底部下游，寒潮冷鋒位于兩個冷高壓之間的低壓變形場中。3日20時（圖3a），高壓中心強度達1042.5 hPa，冷空氣擴散到北疆，變形場中生成氣旋中心，位于貝加爾湖西側(cè)，寒潮冷鋒位于貝加爾湖西側(cè)至新疆北部。4日08時（圖3b），冷高壓位置少動，但主力冷空氣分裂一閉合冷性小高壓南壓至河西西部和青海高原西部一帶，其前有副冷鋒生成，是發(fā)展的低壓倒槽與柴達木冷空氣前鋒結(jié)合地形錮囚鋒，此時主鋒仍位于蒙古氣旋中心向西延伸的低壓槽中。4日20時，隨著主冷鋒下擺轉(zhuǎn)向，與其前副冷鋒合并，形成一支更強的冷鋒位于蒙古中部至甘肅東南部一帶，其后部的地面高壓中心強度分別增強到1045.8 hPa、1028.4 hPa，這也預(yù)示著冷空氣強度的增強，此時，甘肅省平?jīng)鍪形挥诶滗h后3 h顯著升壓區(qū)內(nèi)，鋒后正變壓中心值達+10.0 hPa，變壓差達增大到11.0 hPa 左右，這與該時段內(nèi)平?jīng)鋈谐霈F(xiàn)偏北大風(fēng)天氣密切相關(guān)。5日08時，地面冷高壓位置少動，強度增強到1057.1 hPa，伸出的地面高壓脊伸向東南，沿河西走廊不斷延伸，其前冷鋒東移，前后變壓差在10.5 hPa 左右；5日20時，切斷出閉合冷高壓，中心位于馬鬃山-額濟納一帶，中心強度達1042.5 hPa，平?jīng)鍪腥晕挥诶滗h后3 h顯著升壓區(qū)內(nèi)，鋒后正變壓中心值達+9.0 hPa，變壓差在8.5 hPa 左右，而鋒后強冷空氣和較大變壓差是形成平?jīng)鍪泻焙痛箫L(fēng)天氣的重要影響因子；6日08時，冷高壓中心沿河西走廊東移南下直至甘肅省河?xùn)|地區(qū)，之后的24小時內(nèi)北部冷高壓中心緩慢變性，高壓前冷鋒也逐漸東移減弱消失。

圖3 2018年4月3—4日地面形勢 Fig. 3 Ground situation in 3-4 April 2018

從地面冷鋒、氣旋和冷高壓的演變來看，冷空氣主力并未爆發(fā)性東移南下，而是以冷高壓分裂的形式影響甘肅省東部地區(qū)。分裂的冷空氣出現(xiàn)向南爆發(fā)的現(xiàn)象，冷高壓中心沿河西走廊南下，其空間尺度較小，降溫集中。另外，變形場和地面倒槽的動力、熱力作用有利于地面（副）冷鋒的生成和地面氣旋加強。

2.4 溫度平流

在水平氣流方向上氣溫分布不均勻時，空氣水平運動將引起氣溫的局地變化，暖平流使局地氣溫上升，冷平流使局地氣溫下降，因而氣溫變化的程度決定于溫度平流的強度。

本文利用NCEP再分析資料對溫度平流進行診斷分析，沿35.3°N做溫度平流的垂直剖面，發(fā)現(xiàn)寒潮爆發(fā)前期，4月2—3日，研究區(qū)基本受暖平流或弱冷平流控制，以3日14時為例，在對流層中層有一個暖平流中心，強度達4×10℃/s，可見過程前期研究區(qū)處于明顯的升溫環(huán)境中，為后期的寒潮降溫和降溫強度提供了溫度基礎(chǔ)。4日20時（圖4a），600 hPa以下到近地面層，研究區(qū)轉(zhuǎn)為受冷平流控制，最強中心位于近地面層，中心值達?1.6×10℃/s，表明低層已有冷空氣入侵。5日08時（圖4b），從近地面層至對流層高層，研究區(qū)均受冷平流控制，中心位于700 hPa附近，值達到?2.0×10℃/s，可見冷空氣逐漸變得深厚，強度也大大增強，為連續(xù)兩日寒潮天氣提供了冷空氣條件。到5日20時，冷空氣持續(xù)加強，冷平流區(qū)域貫穿到對流層頂，最強中心位于500～400 hPa，研究區(qū)偏東一帶更為顯著，靈臺縣境內(nèi)中心強度達?2.2×10℃/s左右。另外，從5日午后到前半夜，溫度平流具有明顯的上冷下暖分布特征，這種配置有利于不穩(wěn)定層結(jié)的形成，可促使冷暖空氣的上下對流，利于動量下傳，形成地面大風(fēng)。

圖4 2018年4月4—5日沿35.3 °N溫度平流的經(jīng)向剖面（單位：10-4 ℃/s ） Fig. 4 The meridional section along 35.3 °N of temperature advection in 2-5 April 2018 (unit: 10-4 ℃/s )

2.5 垂直速度

本節(jié)主要分析垂直運動對局地氣溫變化的影響，垂直運動對局地氣溫變化的影響主要是通過垂直運動的方向、強度和大氣的溫度來實現(xiàn)的。在穩(wěn)定大氣層結(jié)狀態(tài)下，如有上升運動，即ω＜0，當?shù)貧鉁鼐拖陆?，反之，如有下沉運動，即ω＞0，當?shù)貧鉁鼐蜕仙?/p>

本文沿35.3°N做垂直速度的垂直剖面，可以看出，4月3日20時，寒潮研究區(qū)500 hPa以下均為上升運動，中心值為?20×10Pa/s，對流層中低層這種垂直運動的分布，可產(chǎn)生絕熱膨脹冷卻效應(yīng)，從而利于研究區(qū)降溫天氣的加劇。4日20時，從近地層到對流層頂，研究區(qū)整層均為強的上升運動，中心最大值達?52×10Pa/s以上，且最強上升運動區(qū)位于寒潮研究區(qū)境內(nèi)，這說明此次寒潮天氣過程中，垂直運動劇烈，從而引起的局地降溫也就較強。5日20時，上升運動的強度有所減弱，但其伸展高度仍達300 hPa左右。至7日08時，研究區(qū)整層均轉(zhuǎn)為下沉運動，由垂直運動項對局地溫度變化所造成的影響轉(zhuǎn)為升溫效應(yīng)。

3 濕位渦

濕位渦（MPV）是能夠反映大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量。

在p坐標系中，濕位渦守恒的表達式為：

其中：式（2）為濕正壓項，式（3）為濕斜壓項。濕正壓項表示慣性穩(wěn)定性和對流穩(wěn)定性作用。濕斜壓項包含了濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的作用，標志了大氣斜壓性的發(fā)展，而大氣的斜壓性有利于氣旋性渦度的發(fā)展。MPV2與高空冷平流有很好的對應(yīng)關(guān)系，可以很好的應(yīng)用到寒潮天氣的預(yù)報診斷中，當MPV2＜0，|MPV2|越大時，表示大氣斜壓性越強，等壓面上的等溫線越密集（即溫度梯度越大），冷空氣鋒生越強，利于寒潮天氣過程中的氣溫下降。

利用NCEP再分析資料，分別計算出500 hPa、700 hPa等壓面上的MPV2項以及沿35.3°N的MPV2緯向垂直剖面，分析MPV2項在此次強寒潮天氣過程中的作用。以500 hPa為例，3日20時，在甘肅省河西東部地區(qū)有一個MPV的密集帶，中心值為?1.3 PVU（1 PVU=10m·K·s·kg），平?jīng)鍪形挥诹憔€范圍內(nèi)。4日08時（圖5a），MPV2密集帶南壓到甘肅省河?xùn)|地區(qū)，研究區(qū)的值為?0.6～?0.3 PVU，表明此時冷空氣已南壓并開始影響研究區(qū)，且500 hPa冷平流增強。5日08時（圖5b），MPV2高值中心整體東移，研究區(qū)|MPV2|增大，為?1.4～?1.0 PVU，大氣斜壓性進一步增強，冷空氣鋒生加強，平?jīng)鍪谐霈F(xiàn)了明顯的氣溫下降。之后MPV2密集帶和大值中心逐漸東移，直到6日20時，研究區(qū)均位于MPV2負值區(qū)，但強度減弱。700 hPa的MPV2分布特征基本類似于500 hPa，3日20時—6日08時，研究區(qū)均位MPV2負值區(qū)，最強時段為3日夜間到4日白天，最強值達?0.9～?0.6 PVU。

再沿35.3°N做MPV2緯向垂直剖面圖分析發(fā)現(xiàn)，3日02時，寒潮研究區(qū)700 hPa以上開始出現(xiàn)MPV2負值。4日20時（圖5c），從近地面到對流層中上層，MPV2均為負值，|MPV2|普遍增大，最強中心位于600 hPa附近，值達?1.1 PVU左右，表明冷空氣變深厚，強度增強。5日14時（圖5d），MPV2大值中心東移，而寒潮區(qū)仍持續(xù)深厚MPV2的負值區(qū)。直到6日14時，研究區(qū)內(nèi)MPV2值上下層均轉(zhuǎn)為正值或弱的負值。

圖5 500 hPa MPV2的分布特征（a，b）及沿35.3°N MPV2的緯向垂直剖面（c，d）圖（單位：PVU） Fig. 5 The distribution characteristics of 500 hPa MPV2 and the vertical zonal section along 35.3°N of MPV2 (unit: PVU)

可見，濕位渦中第二項濕斜壓項在此次寒潮天氣過程中有著很好的指示意義，其時、空演變特征能夠很好地描述冷空氣的移動、發(fā)展過程，從而有助于寒潮天氣過程中降溫情況的判斷和研究。

4 結(jié)論

（1）此次寒潮天氣的冷空氣源地位于新地島以東洋面上，而后經(jīng)喀拉海、太梅爾半島、西伯利亞一帶進入我國。寒潮爆發(fā)前5 d，100 hPa在北半球有一東西向偏心型極渦。寒潮爆發(fā)期間，對流層中、上部的極渦發(fā)生了一次分裂，表明此次冷空氣強度為中等以上強度，因靠近我國的極渦中心偏強，造成我國大范圍的持續(xù)低溫天氣也偏強。

（2）此次寒潮天氣過程屬于脊前不穩(wěn)定小槽發(fā)展型。高空主要影響系統(tǒng)為烏拉爾山高壓脊及其前低壓槽，不斷東傳的低槽持續(xù)影響寒潮研究區(qū)，加之強冷平流的長時間維持，使得此次寒潮天氣過程具備了持續(xù)時間久，強度大，范圍廣的特征。

（3）從地面冷鋒、氣旋和冷高壓的演變來看，此次寒潮爆發(fā)前后，在寒潮地面高壓的前緣都有一條強度較強的冷鋒作為寒潮的前鋒，主體冷高壓位置少動，后期分裂形成一閉合小高壓南壓，并配合有副冷鋒生成，隨著主冷鋒下擺轉(zhuǎn)向，與其前副冷鋒合并，形成一支更強的冷鋒影響寒潮區(qū)。

（4）從高空冷暖平流的分布可以得出，寒潮爆發(fā)前，研究區(qū)處于明顯的升溫環(huán)境中，這為后期的寒潮降溫和降溫強度提供了一定的溫度基礎(chǔ)。爆發(fā)期，研究區(qū)受強冷平流的長時間持續(xù)影響，因高空冷平流項引起的局地降溫也是顯著的；寒潮期間，研究區(qū)存在明顯的上升運動，可產(chǎn)生顯著的絕熱膨脹冷卻效應(yīng)，從而利于研究區(qū)降溫天氣的加劇。

（5）將濕位渦應(yīng)用到此次寒潮天氣的分析中，發(fā)現(xiàn)濕位渦中第二項濕斜壓項在此次寒潮天氣過程中有著很好的指示意義，其時空演變特征能夠很好地描述冷空氣的移動、發(fā)展過程，從而有助于寒潮天氣過程中降溫情況的判斷和研究。