大同地區(qū)一次強寒潮天氣過程的診斷分析

楊淑華，杜美玲，李效良，王麗麗，李臘平

（1．山西省大同市氣象局，山西 大同037010；2．山西省靈丘縣氣象局，山西 靈丘034400；3．山西省懷仁縣氣象局，山西 懷仁038300）

2008年12月19～21日大同地區(qū)出現(xiàn)了一次強寒潮天氣過程，過程降溫均超過了9℃，8個站中有3個站的降溫幅度達到了18．6℃，3個站的降溫幅度超過了13．5℃，2個站降溫幅度超過了9．3℃，降溫幅度之大是不常見的。寒潮是一種大規(guī)模強冷空氣爆發(fā)的天氣過程。其主要特點是劇烈降溫和大風，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極其不利影響。為此，氣象工作者從20世紀50年代中期開始就從不同角度研究此種天氣的特點。閆小利［1］等分析發(fā)現(xiàn)：烏拉爾山阻塞高壓與亞洲上空的極渦異常增強是強寒潮的行星尺度系統(tǒng)；徐鳳梅［2］等用經(jīng)驗指標預報認為歐洲中心數(shù)值預報產(chǎn)品中的850hpa溫度預報對降溫幅度和最低氣溫的預報有很好的指示作用；陳豫英［3］等研究認為，寒潮的產(chǎn)生是在前期強烈升溫的基礎上，有強冷空氣向南侵襲造成的。本文從物理量場出發(fā)，研究寒潮來臨前各因子的變化特點，找出預報著眼點。

1 天氣系統(tǒng)分析

1．1 高空環(huán)流形勢演變

12月16日20時（圖略）在北冰洋附近有一個強大的暖高壓脊，脊前存在著東北風和西北風的切變，導致了橫槽的形成。由于高壓脊形成于高緯度地區(qū)，接近于西伯利亞海的冷空氣源地，高壓脊前的冷空氣既強又穩(wěn)定，不斷引導冷空氣在貝加爾湖附近的橫槽內(nèi)聚積，匯成一股極寒冷的冷空氣。橫槽形成后不斷東南移，到19日08時（圖1）在歐亞中高緯度形成穩(wěn)定的一脊一槽型，脊線位于80°E附近，巴湖北部到新西伯利亞為一阻塞高壓，中心高度達556dagpm，伴有－28℃的暖中心，且溫度場落后高度場，高脊后部的暖平流利于高脊的維持和發(fā)展。在貝加爾湖以東有一低壓，中心高度為496dagpm，并有－48℃冷中心配合。由于阻塞高壓的存在，阻擋了冷空氣的大規(guī)模東移南下，使來自極地的冷空氣不斷堆積加強［4］。到19日20時（圖略）亞歐大陸經(jīng)向環(huán)流加強，新疆高壓脊向北發(fā)展的過程中和東移的烏山高壓脊合并，脊前等高線呈南北向，脊振幅大于20個緯距。20日08時（圖略），西伯利壓高壓脊繼續(xù)向北發(fā)展，脊振幅近30個緯距，脊前為跨越30多個經(jīng)距的偏北強風帶，脊前橫槽大幅南壓，槽底南伸到50°N，并在52°N、108°E附近有－52℃冷中心配合。大同地區(qū)處在強鋒區(qū)和強急流區(qū)控制之下，來自西伯利亞海的冷空氣沿脊前大舉南下，由于高空鋒區(qū)南壓，引導地面冷空氣擴散南下，形成有利于寒潮降溫天氣的大尺度背景。而高空槽后冷平流的不斷下傳，又是大風、降溫天氣維持的機制。

圖1 2008－12－19－08 500hPa高度場 （粗線，單位：dagpm）和溫度場（細線，單位：℃）Fig．1 500hpa Height field（heavy line，unit：dagpm）and temperature field（fine line，unit：℃ ）at 2008－12－19T08：00

1．2 地面環(huán)流形勢演變

12月18日08時（圖略）在貝加爾湖到河套地區(qū)形成了一個中心強度為1007．5hPa的低壓帶，在低壓帶的西部和西北部各有一個中心強度為1042．5hPa和1037．5hPa的冷高壓，冷暖空氣在貝加爾湖到新疆北部形成了強烈的鋒區(qū)。到12月19日08時低壓帶向東南移動到東北地區(qū)，強度不變，其西部和西北部的冷高壓在東南移的過程中強度加強為1050．0hPa和1052．5hPa，此時大同地區(qū)位于低壓帶后部冷高壓的前部。到12月19日20時（圖2）在貝加爾湖西北部地區(qū)的冷高壓繼續(xù)加深，中心位于57．5°N、100°E，強度達1055hPa。20日20時（圖3）冷高壓繼續(xù)東移南壓，等壓線加密，在40°～50°N、105°～115°E 區(qū)域內(nèi)有13 條等壓線，鋒后＋△P3最大值為＋6．9hPa，從而造成大同地區(qū)出現(xiàn)了大風天氣，氣溫劇烈下降。21日20時（圖4）冷高壓控制河套地區(qū)，中心強度達1060hPa，到達了強寒潮的標準［5］。

圖2 2008－12－19－20時地面環(huán)流形勢圖／hPaFig．2 Surface circulation prog chart（unit：hPa）at 2008－12－19T20：00

圖3 2008－12－20－20時地面環(huán)流形勢圖／hPaFig．3 Surface circulation prog chart（unit：hPa）at 2008－12－20T20：00

圖4 2008－12－21－20時地面環(huán)流形勢圖／hPaFig．4 Surface circulation prog chart（unit：hPa）at 2008－12－21T20：00

2 物理量場診斷分析

2．1 渦度場分析

表1為19～21日冷高壓的位置與相對應的渦度值，可見12月19日20時各層水平渦度場上，在貝加爾湖地區(qū)均由正渦度值控制，最大中心值達66×10－6s－1，對應地面冷高壓前沿。12月20日20時各層水平渦度場上，正渦度值東移南壓到河套地區(qū)，河套地區(qū)由正渦度值控制，最大中心值達89×10－6s－1，表明冷高壓已經(jīng)移到河套地區(qū)，河套地區(qū)對應地面冷高壓前沿，且冷高壓中心加強到1060hpa。從低層到高層的正渦度表明整層都有輻合上升運動，輻合上升運動使低層氣溫下降，為強降溫天氣提供動力強迫機制，是大風、降溫天氣形成的動力條件。到21日20時，河套地區(qū)中低層已處于負渦度范圍，中心值為－28×10－6s－1，中低層負渦度表明低層有輻散下沉運動，此時接近地面冷高壓中心，降溫最劇烈。在寒潮爆發(fā)前后，水平渦度極大值中心由強到弱的變化特征表明地面冷空氣和高空正渦度在寒潮天氣中的相互作用和影響［6］。

2．2 垂直速度場分析

12月19日20時從100hpa到1000hPa垂直速度場上（圖5），40°～50°E地區(qū)均由正速度場控制，中心達25×10－2Pa·s－1，即下沉氣流明顯，由于動量下傳作用的結果，在低層冷鋒后部，氣流下沉將高空的冷空氣帶至地面導致寒潮爆發(fā)。

2．3 溫度平流分布特征

在降溫過程的前六天，除17日有弱冷空氣影響外，其他時間大同地區(qū)都受暖平流控制持續(xù)升溫，這個結論和其它地區(qū)的寒潮發(fā)生原因相同［7～13］。

從14～18日（17日除外）700hPa溫度平流場（圖略）可知，在寒潮發(fā)生前，大同地區(qū)長時間維持暖平流，18日20時暖平流正好位于槽前暖鋒鋒區(qū)內(nèi)，中心值達86×10－5℃·s－1，而槽后貝湖地區(qū)有較強的冷平流，中心值達－20×10－5℃·s－1，這種冷暖平流的顯著差異有利于低槽的繼續(xù)加深，到19日08時，大同地區(qū)被冷平流所占據(jù)，700hPa溫度平流場形成了一個－251×10－5℃·s－1的閉合中心，這表明冷平流經(jīng)下沉運動擴展到低層，加強了近地層冷高壓勢力，對強降溫和低溫的持續(xù)起重要作用。

表1 19～21日冷高壓位置與相對應渦度值／10－6 s－1Table 1 Cold high position and relative vorticity value from 19to 20（vorticity unit：10－6 s－1）

圖5 2008－12－19－20Omega（單位：25×10－3 Pa·s－1）沿110°E徑向垂直剖面圖Fig．5 Latitude－h(huán)eight cross section of Omega（unit：25×10－3 Pa·s－1）along 110°E on 2008－12－19T20：00

3 結論與討論

（1）造成這次寒潮天氣的冷空氣主體是西伯利亞冷空氣經(jīng)蒙古、內(nèi)蒙古中部入侵山西造成的，經(jīng)此條路徑南下的冷空氣是大同地區(qū)主要的冷空氣活動路徑，也是給大同帶來強降溫的冷空氣路徑。

（2）造成這次寒潮的冷空氣強度強，其主要表現(xiàn)是關鍵區(qū)45～57°N、90～115°E內(nèi)，500hpa有－52℃、700hpa有－39℃的冷溫度中心。烏拉爾山地區(qū)的高壓脊經(jīng)向度較大，在20個緯距以上，這樣的基本特征對我們今后做好寒潮天氣預測有比較好的參考價值。

（3）地面低壓帶的東移及地面冷高壓中心強度達到1052．0hPa是寒潮爆發(fā)南下的必要條件。根據(jù)對近10年來大同地區(qū)寒潮天氣的研究可知，當?shù)孛胬涓邏褐行膹姸冗_到1045hpa以上時均出現(xiàn)強寒潮天氣，可以作為寒潮預報的重要因子。

（4）從渦度場看，低層到高層都為正渦度表明整層都有輻合上升運動，輻合上升運動使低層氣溫下降，為強降溫天氣提供動力強迫機制，是大風、降溫天氣形成的動力條件；從垂直速度場看，低層到高層都為下沉氣流，可將高空的冷空氣帶至地面導致寒潮爆發(fā)；從溫度平流場看，寒潮爆發(fā)前長時間維持暖平流，升溫明顯，強冷平流到來后，因冷暖平流的顯著差異有利于低槽的繼續(xù)加深，冷平流經(jīng)下沉運動擴展到低層，加強了近地層冷高壓勢力，對強降溫和低溫的持續(xù)起重要作用。因而，低層為正渦度、從底層到高層均為正速度、前期地面升溫且升溫明顯都是預報寒潮天氣的重要因子。

（5）本次寒潮過程歐洲數(shù)值預報產(chǎn)品提前3d做出了較準確的預報，在寒潮天氣到來前若結合本地溫度實況，對數(shù)值預報產(chǎn)品進行訂正，也是準確預報這類天氣的有效方法。

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