摘 要:基于統(tǒng)計(jì)和天氣學(xué)方法,利用廉江國家氣象觀測站1991—2020年冷空氣過程統(tǒng)計(jì)資料,美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國國家大氣研究中心的逐日再分析海平面氣壓資料、500 hPa高度場資料和850 hPa氣溫等資料,統(tǒng)計(jì)分析廉江市寒潮強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的氣候特征,以及寒潮中期過程的物理量場特征。結(jié)果顯示:廉江市共出現(xiàn)79次寒潮和強(qiáng)冷空氣過程,主要發(fā)生在每年10月至翌年4月,最多的月份為3月,同時(shí)年際變化較大,異常少年有7次,異常多年為3次;在這79次過程中最大降溫幅度為19.2 ℃,24 h最大降溫幅度可達(dá)14.7 ℃,48 h最大降溫幅度可達(dá)17 ℃,83%的過程伴隨降水。
關(guān)鍵詞:寒潮;強(qiáng)冷空氣;再分析資料
中圖分類號(hào):P425.54 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2024)07–0-03
寒潮和強(qiáng)冷空氣是廣東省主要的災(zāi)害性天氣之一,其帶來劇烈降溫的同時(shí),常伴有大風(fēng)、降水、霜凍等嚴(yán)重災(zāi)害性天氣,造成牲畜受凍傷亡、農(nóng)作物減收絕收,給國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)生活帶來巨大損失。
廉江市地處廣東省西南部,雷州半島北部,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,冬季寒潮入侵偶有嚴(yán)寒。廉江種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá),是著名的水果之鄉(xiāng)和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地,以喜溫作物為主,耐寒能力較差。低溫天氣對(duì)廉江農(nóng)業(yè)危害性較大。例如,2016年1月22—26日,廉江市遭受強(qiáng)寒潮大風(fēng)天氣的襲擊,全市普遍降溫8~12 ℃,此站錄得最低氣溫出現(xiàn)在24日,為2.9 ℃。并且,寒潮過程強(qiáng)度強(qiáng)且影響持續(xù),給該市種植業(yè)造成了重大影響,桃花心木、四季菠蘿苗、香蕉、各類蔬菜、淡水魚、基圍蝦等被大批凍死凍傷,經(jīng)濟(jì)損失10 876萬元。
1 預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展歷程
1957年陶詩言先生就對(duì)東亞冷空氣進(jìn)行了研究,將45°~65°N、70°~90°E范圍劃為寒潮關(guān)鍵區(qū)[1]。20世紀(jì)80年代至90年代,我國氣象工作者對(duì)寒潮中期預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了一系列探索[2-3]。余鶴書等[4]結(jié)合寒潮過程的能量特征和寒潮暴發(fā)階段,500 hPa冷中心溫度和地面高壓強(qiáng)度等特征物理量,建立了寒潮中期預(yù)報(bào)模型。此階段對(duì)寒潮源地、活動(dòng)特征、天氣系統(tǒng)、寒潮成因和預(yù)報(bào)等較系統(tǒng)的研究,奠定了經(jīng)典寒潮理論[5]。
21世紀(jì)后,歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心推出了最新的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(IFS),美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心推出了全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS),中國氣象局推出了全球化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CMA-GFS)等數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,這些系統(tǒng)的中期天氣預(yù)報(bào),可以提供全球未來10 d左右的環(huán)流形勢和溫度要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品。數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品為經(jīng)典寒潮理論的運(yùn)用提供了直接的預(yù)報(bào)因子,運(yùn)用天氣學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,得到寒潮強(qiáng)冷空氣的發(fā)生閾值指標(biāo),可以提前對(duì)寒潮強(qiáng)冷空氣過程進(jìn)行定性、定量,提高精細(xì)化預(yù)報(bào)的能力。
2 資料和方法
2.1 冷空氣的定義
寒潮是導(dǎo)致寒害的天氣過程?!稄V東省各類主要災(zāi)害性天氣標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,單站寒潮指標(biāo)為:日平均氣溫在24 h內(nèi)下降≥8 ℃(或48 h內(nèi)下降≥10 ℃),同時(shí)過程最低氣溫降≤5 ℃;寒潮出現(xiàn)后天氣回暖到日平均氣溫>12 ℃,同時(shí)極端最低氣溫>5 ℃,此時(shí)寒潮結(jié)束。
強(qiáng)冷空氣是指受北方冷空氣影響,出現(xiàn)以下情形之一者稱為強(qiáng)冷空氣:(1)日平均氣溫在冷空氣到達(dá)后24 h內(nèi)急劇下降≥8 ℃(或48 h內(nèi)日平均氣溫急劇下降≥10 ℃),但過程最低氣溫>5 ℃;(2)日平均氣溫在冷空氣到達(dá)后24 h內(nèi)下降6.0~7.9 ℃以上(或48 h內(nèi)下降8.0~9.9 ℃),同時(shí)過程最低氣溫≤7 ℃,具體見表1。
2.2 氣象資料和分析方法
2.2.1 冷空氣過程資料
利用廉江國家氣象觀測站1991—2020年的逐日觀測資料,按照廣東省關(guān)于寒潮和強(qiáng)冷空氣的發(fā)生標(biāo)準(zhǔn),對(duì)本地寒潮和強(qiáng)冷空氣過程進(jìn)行逐次分析。
2.2.2 再分析資料
采用1991—2020年美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國國家大氣研究中心的再分析逐日海平面氣壓場、500 hPa高度場及850 hPa氣溫格點(diǎn)資料,空間分辨率為2.5°×2.5°;氣候平均值取1991—2000年月平均值。
2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化處理方法
為分析廉江市寒潮強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的年頻數(shù)變化特征,對(duì)1991—2020年逐年強(qiáng)冷空氣年頻數(shù)數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)某氣象要素(變量)x(含n個(gè)資料的樣本),其中第i個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果x,計(jì)算公式如下:
(1)
其中,x為n個(gè)資料的樣本的平均,Sx為n個(gè)資料的樣本的標(biāo)準(zhǔn)差:
(2)
3 廉江市寒潮和強(qiáng)冷空氣的特征分析
3.1 廉江市寒潮和強(qiáng)冷空氣事件的時(shí)間分布特征
1991—2020年,廉江市共發(fā)生強(qiáng)冷空氣和寒潮共79次(強(qiáng)冷空氣75次,寒潮4次),平均每年2.6次。單次過程可持續(xù)3~6 d,其中91%的天氣事件持續(xù)3~4 d,最長單次持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在1996年2月16日。從發(fā)生時(shí)間看,一年中最早發(fā)生強(qiáng)冷空氣和寒潮出現(xiàn)在2000年10月12日,最晚是1991年4月19日。21世紀(jì)00年代發(fā)生強(qiáng)冷空氣次數(shù)最多,為28次;20世紀(jì)90年代發(fā)生寒潮次數(shù)最多,為3次;21世紀(jì)10年代以來廉江市發(fā)生強(qiáng)冷空氣時(shí)間24次,未有寒潮發(fā)生。
廉江市寒潮強(qiáng)冷空氣主要發(fā)生在每年10—翌年4月。近30年來,5—9月沒有發(fā)生寒潮強(qiáng)冷空氣的記錄。發(fā)生強(qiáng)冷空氣最多的月份為3月,表示廉江市在冬春更替季節(jié)時(shí),由于冷、暖空氣相互交替,更容易引發(fā)強(qiáng)冷空氣,寒潮則發(fā)生在12—翌年2月,與廉江市冬季時(shí)間相吻合。
對(duì)1991—2020年廉江市強(qiáng)冷空氣和寒潮活動(dòng)的年頻數(shù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理可知,廉江市強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的年際變化較大,最多年份是2016年,發(fā)生強(qiáng)冷空氣6次,最少年份則是2011和2015年,全年沒有發(fā)生強(qiáng)冷空氣。取標(biāo)準(zhǔn)化值>1為異常多數(shù)年,<-1為異常少數(shù)年,得到強(qiáng)冷空氣異常少數(shù)年有7次(1997、2004、2008、2011、2015、2017和2019年);異常多數(shù)年為3次(2006、2010、2016年)。
3.2 廉江市寒潮和強(qiáng)冷空氣過程的天氣特征
3.2.1 氣溫特征
寒潮來臨時(shí),氣溫會(huì)急劇下降。統(tǒng)計(jì)廉江市的寒潮和強(qiáng)冷空氣得出,近30年,廉江共出現(xiàn)79次寒潮和強(qiáng)冷空氣過程,有76次降溫幅度在8~16 ℃之間,其中最大降溫幅度19.2 ℃,出現(xiàn)在1996年2月。此外,過程中24 h最大降溫幅度可達(dá)14.7 ℃,出現(xiàn)在1991年2月;48 h最大降溫幅度可達(dá)17 ℃,出現(xiàn)在1991年12月;過程最低氣溫可達(dá)2.9 ℃,出現(xiàn)在2016年1月。
3.2.2 降水特征
強(qiáng)冷空氣與溫暖空氣相遇,形成鋒面,在此交匯區(qū)域,空氣被迫上升,容易導(dǎo)致降水。廉江市寒潮強(qiáng)冷空氣多伴隨降水,統(tǒng)計(jì)廉江近30年寒潮和強(qiáng)冷空氣得出,79次過程中有66次出現(xiàn)了降水量>0.1 mm,其中,>50 mm有2次,>30 mm有8次,>10 mm有13次,剩下有超過50%過程有0.1~10 mm的降水量。在此期間,最大累積雨量是82.7 mm,出現(xiàn)在2016年3月。從時(shí)間分布上看,廉江寒潮強(qiáng)冷空氣和降水大多出現(xiàn)在4、10、11月,在此期間降水量>0.1 mm的比例為100%,而在12—翌年3月占比為80%。
3.3 廉江市寒潮、強(qiáng)冷空氣的天氣形勢環(huán)流特征
廣東省寒潮和強(qiáng)冷空氣是由北方強(qiáng)冷空氣南下引起的急劇降溫天氣,其暴發(fā)與東亞大槽的位置與強(qiáng)度有密切關(guān)系,中高緯度環(huán)流的經(jīng)向度加大,則會(huì)導(dǎo)致高緯堆積加強(qiáng)的強(qiáng)冷空氣團(tuán)迅速南下,從而導(dǎo)致冷空氣暴發(fā),因此預(yù)報(bào)冷空氣暴發(fā),需要判斷引導(dǎo)冷空氣的低槽能否發(fā)展或槽后高壓脊能否發(fā)展,若為橫槽則需判斷橫槽能否轉(zhuǎn)豎。
通過觀察發(fā)現(xiàn),廉江市發(fā)生寒潮強(qiáng)冷空氣500 hPa高空會(huì)有2種情況:一是東亞大槽位偏西、強(qiáng)度偏強(qiáng),與烏拉爾山東部大高壓脊形成強(qiáng)烈的北風(fēng)輸送帶,槽后強(qiáng)盛的偏北風(fēng)從西伯利亞,經(jīng)過蒙古國一直到達(dá)華北平原,甚至到長江中下游平原;二是南、北支槽疊加,北槽從西伯利亞伸到華北一帶,同時(shí)我國西南地區(qū)有南支槽從后追上,與北槽形成疊加,南支槽底可到達(dá)華南地區(qū)。
侵襲我國的寒潮,一般都在西西伯利亞至蒙古國一帶積累加強(qiáng)。判斷地面冷空氣是否堆積,主要從地面冷高壓的強(qiáng)度和高空冷中心強(qiáng)度2個(gè)方面考慮冷空氣的堆積。地面冷高壓的中心強(qiáng)度和高壓前部的氣壓梯度是預(yù)報(bào)寒潮和強(qiáng)冷空氣強(qiáng)度和寒潮大風(fēng)等災(zāi)害性天氣的重要參考指標(biāo)。
由于冷空氣主體影響有時(shí)與降溫不同步,取過程前后48 h廉江市地面氣壓最大值為影響其冷高壓強(qiáng)度分析可知,不同冷空氣過程影響廉江的冷高壓強(qiáng)度變化較大,最大值為1 031.8 hPa(2016年1月23日),最小值為1 009.3 hPa(1999年3月11日),相差22.5 hPa,79次過程平均強(qiáng)度為1 018.6 hPa,其中80%過程的強(qiáng)度>1 015.3 hPa。
冷空氣過程是由冷氣團(tuán)自北向南傳輸造成的,冷空氣過程中當(dāng)?shù)氐臍鈮罕厝挥忻黠@上升,取過程前后48 h廉江地面氣壓變化最大值,通過分析可看出:不同冷空氣過程廉江的氣壓變化較大,最大值為21.9 hPa(1996年2月16—21日過程),最小值為2.2 hPa(2003年1月5—7日過程),相差19.7 hPa,79次過程平均氣壓差為11 hPa,其中80%過程的氣壓差超過7.4 hPa。需要注意的是,將每次寒潮強(qiáng)冷空氣過程的氣壓差按月分類,則得出10月的平均氣壓差最小,為7 hPa,且呈上升趨勢。3、4月的平均氣壓變化強(qiáng)度為最高,分別達(dá)到13.05、12.32 hPa,說明隨著冬季的深入,引發(fā)廉江寒潮強(qiáng)冷空氣過程所需要的冷高壓強(qiáng)度也越強(qiáng)。
4 廉江市暴發(fā)寒潮、強(qiáng)冷空氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)
4.1 預(yù)報(bào)指標(biāo)
統(tǒng)計(jì)廉江市寒潮強(qiáng)冷天氣共計(jì)76個(gè)歷史個(gè)例分析,歸納出寒潮預(yù)報(bào)指標(biāo)(表2)。若在數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果中,未來某一天同時(shí)滿足表1高空、地面的預(yù)報(bào)指標(biāo),即可預(yù)報(bào)24或48 h內(nèi)廉江市將出現(xiàn)寒潮或強(qiáng)冷空氣天氣過程。
4.2 實(shí)際案例應(yīng)用
2024年1月20日20:00,可以觀測到500 hPa高空有大槽從西伯利亞伸到我國華北地區(qū),同時(shí)西南部有南支槽向東傳播;內(nèi)蒙古有一個(gè)冷槽,中心最低溫度-40 ℃。700 hPa蒙古國有-32~-28 ℃的冷槽,甘肅寧夏地區(qū)鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)到20 ℃/10緯距。明顯符合寒潮前的天氣形勢。
再結(jié)合19日20:00的美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心數(shù)值預(yù)報(bào),21—23日,廉江站上空850 hPa 20:00的24 h降溫幅度達(dá)6~8 ℃;20 h海平面氣壓過程海平面氣壓24 h升高6~7 hPa,48 h上升8 hPa,過程海平面氣壓上升16.9 hPa。此外,國家站的日平均氣溫過程降溫幅度10 ℃,最低氣溫將下降到6 ℃??梢灶A(yù)報(bào)出未來24~48 h,廉江有可能出現(xiàn)一次寒潮或強(qiáng)冷空氣過程。
實(shí)況中,2024年1月21—23日,廉江發(fā)生一次寒潮天氣過程,48 h降溫10.2 ℃,過程最低氣溫4.6 ℃,過程最高日平均氣壓1 022.3 hPa,24 h最大變壓5.8 hPa,過程最大日平均氣壓差15 hPa。
5 結(jié)論
(1)統(tǒng)計(jì)了近30年來廉江寒潮強(qiáng)冷空氣的79個(gè)例,充實(shí)了歷史資料庫。從時(shí)間分布分析,發(fā)現(xiàn)廉江市潮強(qiáng)冷空氣主要發(fā)生在每年10—翌年4月,最多的月份為3月,同時(shí)年際變化較大,異常少年有7次,異常多年為3次。
(2)對(duì)過程的天氣特征進(jìn)行分析,得到過程最大降溫幅度19.2 ℃,24 h最大降溫幅度可達(dá)14.7 ℃,48 h最大降溫幅度可達(dá)17 ℃,83%的過程伴隨降水。
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