張澤瑾

（寧夏中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

寒潮是寧夏冬半年主要災害性天氣之一[1]，發(fā)生時常伴隨劇烈降溫和大風，有時還伴有沙塵和雨雪，給交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公眾生活帶來了許多不利影響。我國氣象工作者王遵婭等[1]、劉傳鳳[2]、許愛華等[3]對寒潮影響系統(tǒng)的演變、冷空氣的移動路徑等開展了大量研究，得出了許多具有實用價值的預報指標[4]；寧夏氣象工作者也對本地多個寒潮個例進行了分析，總結(jié)出了相關(guān)定量化預報指標，為當?shù)睾碧鞖獾念A報提供了參考和技術(shù)支撐[4-9]。受新疆強冷空氣東移南下影響，2020年2月13—15日寧夏出現(xiàn)了一次寒潮、大風天氣過程。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）逐6 h 再分析資料，對環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)的發(fā)展演變、降溫和大風的形成原因等進行分析，進一步揭示了寒潮天氣的形成機制，為寧夏寒潮天氣預報、預警提供了參考依據(jù)。

1 天氣實況

受新疆強冷空氣東移南下影響，2020年2月13—15日寧夏出現(xiàn)了一次寒潮、大風天氣過程，寒潮等級未達到全區(qū)性寒潮。其中，13日午后至14日夜間，全區(qū)大部出現(xiàn)5 級左右偏北風，陣風7 到9 級，并伴有揚沙或浮塵天氣，最大風速出現(xiàn)在賀蘭山站，為29.7 m/s，最低能見度出現(xiàn)在同心站，為1 772 m；15日全區(qū)最低氣溫普遍降至-18～-13 ℃，較13日最低氣溫平均下降13.9 ℃，有3 站降幅超過14 ℃，最大降幅出現(xiàn)在涇源站，達到16.4 ℃；13—15日日平均氣溫平均下降11 ℃，最大氣溫降幅出現(xiàn)在固原站，達到15.6 ℃。此次寒潮天氣過程致使石嘴山市平羅縣姚伏鎮(zhèn)周城村6 個蔬菜大棚、許家橋村3 個蔬菜大棚棚膜被大風吹毀，造成直接經(jīng)濟損失1.35 萬元。

2 強冷空氣活動

2.1 冷空氣初始階段

2月10日冷空氣初始階段500 hPa 環(huán)流形勢如圖1 所示，過程前期歐亞中高緯呈“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，極渦位于60°N 以北、新地島以東至150°E 的寬廣區(qū)域內(nèi)，其底部為較為平直的緯向環(huán)流，來自新地島以東洋面的冷空氣逐漸南壓，在西西伯利亞—中西伯利亞地區(qū)形成高空冷渦，冷中心最低溫度為-44 ℃。冷渦槽在烏拉爾山脊前西北氣流的引導下逐漸向貝加爾湖附近移動；歐洲東部的切斷低壓緩慢向黑海附近移動；咸海北部的槽前有一支強西風，最大風速達44 m/s；太平洋東部的阿拉斯加有一暖性高壓脊。

圖1 2020年2月10日冷空氣初始階段500 hPa 環(huán)流形勢圖

2.2 冷空氣積聚階段

2月11—12日冷空氣積聚階段環(huán)流形勢如圖2所示。11日08 時，原位于歐洲的暖脊向北發(fā)展并東移，我國東北地區(qū)有暖性高壓脊建立，形成東亞地區(qū)倒Ω 流型；西西伯利亞形成了深厚低壓槽和強鋒區(qū)；自極渦分裂南下的冷渦逐漸東移，中心最低溫度為-45 ℃，橫槽前部鋒區(qū)很強，槽前最大風速值為40 m/s。11日20 時，烏拉爾山南部高壓脊發(fā)展，與歐洲北伸的脊逐漸合并，脊前有強的偏北氣流，引導極地冷空氣南下，在橫槽中堆積。東北地區(qū)的脊向北發(fā)展，中西伯利亞東部冷渦移動緩慢，來自新地島以東的冷空氣不斷堆積。12日08 時，烏拉爾山高壓脊不斷北伸，脊前北風增強，最大風速為28 m/s，風向與等溫線近于垂直，有強的冷平流。冷空氣繼續(xù)堆積，低渦緩慢東移，冷中心加強，溫度降至-46 ℃。同時，地面冷高壓主體位于北疆北部，中心強度為1 040 hPa，西北地區(qū)東北部受地面熱低壓控制，升溫較快。

圖2 2020年2月11—12日冷空氣積聚階段環(huán)流形勢圖

2.3 冷空氣爆發(fā)階段

2月13—15日冷空氣爆發(fā)階段環(huán)流形勢如圖3所示。13日08 時，冷渦移動緩慢，冰島地區(qū)有冷空氣不斷侵襲，烏拉爾山高壓脊逐漸東移并發(fā)展到最強階段，使脊前冷空氣南下，橫槽受新地島以東較強冷空氣的補充及引導作用，向東南方向移動加深,引導槽主體位于貝加爾湖南部，冷空氣在橫槽后部堆積。地面冷高壓主體擴大，前緣冷鋒位于內(nèi)蒙古地區(qū)，寧夏大部分地區(qū)仍受地面熱低壓控制。14日08 時，隨著上游系統(tǒng)發(fā)展，高壓脊東移，環(huán)流經(jīng)向度加大，脊前由東北偏北風逆轉(zhuǎn)為西北風，溫度槽和高度槽趨于重合，橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣大舉南下，我區(qū)處在強鋒區(qū)和強風帶控制之下。地面冷高壓主體整體南壓，中心強度增至1 055 hPa，其前部與寒潮地面冷鋒間等壓線非常密集，氣壓梯度很大，鋒面東移南壓至我區(qū)南部—陜西北部—河北北部。14日20 時，500 hPa引導槽繼續(xù)南壓影響寧夏地區(qū)，并在內(nèi)蒙古地區(qū)形成一切斷低渦，同時鋒區(qū)加強南壓，冷空氣繼續(xù)影響寧夏。雖然地面冷鋒移出寧夏，但冷高壓中心強度達到1 062.5 hPa，寧夏地區(qū)位于冷高壓的底部，因此溫度會有一個持續(xù)下降的過程。15日08 時，冷渦槽移出寧夏至內(nèi)蒙古中部，在500 hPa 西風急流的作用下將繼續(xù)發(fā)展東移，地面我區(qū)位于冷高壓底部。

圖3 2020年2月13—15日冷空氣爆發(fā)階段環(huán)流形勢圖

3 物理量場分析

3.1 探空分析

13日20 時，地面至中層較干，濕度條件差，無不穩(wěn)定能量，地面相對較暖，低層溫度直減率大，有利于下沉氣流在下降過程中保持向下的加速度和較強下沉對流有效位能的形成，整層為一致的偏北風，低層至高層存在風速切變；14日08 時，地面溫度降至零下，500 hPa 附近濕度較大，其以下溫度露點差較大，存在熱力不穩(wěn)定，高空急流明顯，動量下傳作用使中低層風速加大；15日08 時，地面溫度進一步降低，濕度轉(zhuǎn)好，低層風速減小。

3.2 渦度平流分析

銀川站渦度平流如圖4a 所示，13日20 時—14日20 時銀川站500 hPa 及以上高層有正渦度平流，最大中心為34×10-10s-2，表明寧夏處于槽前，且正渦度平流隨高度增加，有利于其上升產(chǎn)生絕熱冷卻，使冷舌增強。寒潮爆發(fā)后，正渦度平流強度迅速減弱，能量釋放導致大范圍降溫[6]。14日20 時以后，低層至高層為負渦度平流，寧夏位于槽后脊前的西北氣流中，負渦度平流隨高度增加，伴隨有較強的下沉運動，動量下傳使地面形成強烈的寒潮大風。地面冷高壓上空有負渦度平流配合，預示著地面冷高壓將持續(xù)加強。13日午后至14日夜間，850 hPa 及其以下為渦度正值區(qū)，有氣旋性渦柱，利于垂直運動發(fā)展。13日20時500 hPa 渦度平流如圖4b 所示，貝加爾湖及其以南為負渦度平流區(qū)，表明槽后有較強的下沉氣流，利于高空強冷空氣引導下傳[5]，寧夏及內(nèi)蒙古大部分地區(qū)處于正渦度平流區(qū)，位于槽前，有利于鋒面發(fā)展，出現(xiàn)大風天氣。

圖4 渦度平流（單位：10-10 s-2）

3.3 溫度平流分析

銀川站溫度平流變化如圖5 所示，過程前（12日）400 hPa 及以下區(qū)域受暖平流控制，升溫明顯；13日14 時后寧夏位于冷平流區(qū)，降溫開始，且冷平流逐漸增強，近地層冷高壓勢力逐漸加強，氣溫逐步下降；13日20 時—14日20 時，500 hPa 以上高層為暖平流，表明暖性高壓脊此時位于寧夏上空，且暖平流隨高度增強，預示著高壓脊將減弱，槽后為暖平流，變溫梯度指向東南，預示著橫槽轉(zhuǎn)豎南壓；14日20 時以后，低層到高層為冷平流區(qū)，下沉運動明顯，地面冷高壓發(fā)展影響寧夏。過程前（12日），中低層受暖平流區(qū)控制，高層有冷平流，上冷下暖，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，利于大風形成；14日白天斜壓鋒生作用明顯，級次環(huán)流加強，使得鋒后風速加大。13日夜間至14日白天，冷平流大值區(qū)位于低層850 hPa，中心值達-30×10-5℃/s，表明有強冷平流經(jīng)過，風力增加，氣溫驟降，造成寒潮。

圖5 銀川站溫度平流剖面圖（單位：10-5 ℃/s）

3.4 假相當位溫分析

銀川站假相當位溫變化如圖6 所示，12日前，自地面至700 hPa 中低層有向上伸展的舌狀能量高值區(qū)，存在上升運動，且θse隨高度減小，12日14時θse為36 ℃（850 hPa），寒潮爆發(fā)前積累高能高濕[5]。寒潮過程來臨后，假相當位溫有所下降，13日14 時θse為26 ℃。隨著冷空氣進一步爆發(fā)南下，假相當位溫急速下降，14日14 時θse為6 ℃左右，空氣變得干冷。θse的變化表明寒潮大風的產(chǎn)生伴隨有不穩(wěn)定能量的釋放。

圖6 銀川站假相當位溫剖面圖（單位：℃）

4 強降溫成因

4.1 寒潮前期回暖

寒潮天氣過境時，氣壓升高、氣溫驟降，氣象要素變化劇烈。銀川站和固原站地面溫度及氣壓變化特征如圖7 所示，過程前期，地面受蒙古熱低壓控制，升溫迅速，13日14 時兩站氣溫升至最高（銀川站8.5 ℃、固原站6.5 ℃），后氣溫直線下降，地面氣壓逐步升高，寒潮開始影響寧夏地區(qū)。該態(tài)勢持續(xù)至15日08 時，兩站氣溫降至最低（銀川站-15.2 ℃、固原站-17.7 ℃）。此后氣溫有所回升，氣壓開始下降。

圖7 地面溫度及氣壓變化特征圖

研究表明，寒潮前氣溫回升是寧夏寒潮爆發(fā)的一個重要指標。寧夏所有寒潮過程均是在前期強烈升溫的基礎(chǔ)上由較強冷空氣向南侵襲造成的。在冷空氣勢力相同的情況下,寒潮前回暖越強,降溫強度越大[6]。因為在前期升溫強烈的基礎(chǔ)上，若有較強冷空氣入侵，很容易造成溫度變化劇烈；此外，低層比高層增暖幅度大，會形成熱力不穩(wěn)定，隨著強冷空氣入侵、鋒面過境，熱力不穩(wěn)定層結(jié)被破壞，湍流交換，動量下傳，形成大風。

4.2 強冷平流

在寒潮降溫預報的所有條件里，溫度平流對氣溫局地變化的影響最大。此次氣溫驟降主要是由強冷平流引起的。溫度平流分布如圖8 所示，13日20時，200 hPa 中西伯利亞—貝加爾湖—北疆北部受冷平流控制，冷平流中心位于中西伯利亞附近，數(shù)值為-30×10-5℃/s，新疆北部—內(nèi)蒙古西部—河西走廊西部受較強的冷平流控制，寧夏位于弱的暖平流區(qū)；500 hPa 原位于貝加爾湖南部的冷平流中心南壓至內(nèi)蒙古中部，冷平流較強，寧夏位于一般強度的冷平流區(qū)內(nèi)；700 hPa 冷平流南壓至新疆、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西和山西，這些地區(qū)均受冷平流控制，冷平流較強，中心位于內(nèi)蒙古中部。高空鋒區(qū)隨高度升高向冷區(qū)傾斜，鋒區(qū)內(nèi)有冷平流,對應地面有冷鋒。從高層至低層，寧夏的溫度平流由暖轉(zhuǎn)為冷，冷平流逐步加強，促使低層鋒區(qū)進一步加強，地面氣壓梯度增大。當冷空氣前鋒入侵時，致使大風及沙塵天氣出現(xiàn)。

圖8 溫度平流分布圖（單位：10-5 ℃/s）

5 結(jié)論

（1）此次寒潮天氣過程為橫槽轉(zhuǎn)豎型。烏拉爾山高壓脊先建立后向極地擴展加強，使得新地島以東的強冷空氣沿脊前強北風急流南下，在西西伯利亞—中西伯利亞上空堆積，形成高空低渦，冷中心強度低于-38 ℃是此次寒潮爆發(fā)南下的關(guān)鍵點。烏拉爾山高壓脊向東南方向崩潰，推動強冷空氣大舉南下，從而造成此次寒潮天氣。

（2）冷空氣取西北路徑入侵，即冷空氣從烏拉爾山偏北移至西伯利亞后，經(jīng)我國新疆、內(nèi)蒙古西部、河西走廊影響寧夏。地面冷高壓中心強度達到1 055 hPa 且完整有規(guī)律地向東南方向移動是此次寒潮爆發(fā)南下的必要條件。

（3）寒潮前期升溫，形成熱力不穩(wěn)定；強冷空氣入侵后，溫度變化劇烈，變溫達到23 ℃。地面冷高壓上空有負渦度平流配合，加之850 hPa 有強度為-30×10-5℃/s 的強冷平流經(jīng)過，使其強度增加，降溫持續(xù)。

（4）850 hPa 為弱的正渦度區(qū)，700 hPa 為較強的負渦度區(qū)。中空明顯的輻散下沉氣流，使得高空冷空氣動量下傳，從而形成強烈的寒潮大風。寒潮過程前后，假相當位溫變化明顯，Δθse達到30 ℃，隨著強冷空氣爆發(fā)南下，假相當位溫急速下降，不穩(wěn)定能量釋放導致寒潮爆發(fā)，產(chǎn)生大風。