2011年初北疆強寒潮過程診斷分析

肉孜·阿基，李如琦，唐 冶

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

寒潮是新疆冬春季最嚴重的災(zāi)害性天氣之一，由于短期內(nèi)氣溫下降劇烈，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及日常生活造成嚴重的危害。近年來氣象學(xué)者對我國錯綜復(fù)雜的寒潮天氣過程進行了天氣動力學(xué)診斷和數(shù)值模擬研究，得到了不少有益的成果。但由于很多條件的制約，對寒潮強度、路徑等各方面的研究還存在較大的局限性，對寒潮爆發(fā)的認識還存在許多不足。寒潮天氣的影響范圍大，造成的損失呈擴大趨勢，因此，開展寒潮過程的分析總結(jié)工作，認識其發(fā)生發(fā)展的客觀規(guī)律，提高寒潮預(yù)報的準確率，減輕寒潮天氣造成的損失，無疑是一件十分有意義的工作。

2010年12月31日02 時到2011年1月2日20 時，受北方橫槽轉(zhuǎn)豎東移的影響，北疆、東疆出現(xiàn)強寒潮天氣過程，對交通、農(nóng)業(yè)、林果業(yè)等造成很大影響，強寒潮天氣使北疆地區(qū)最低氣溫下降15 ℃以上，北疆大部地區(qū)的最低氣溫達-30 ℃以下，1個站破了建站以來1月歷史極值，8個站為1月歷史第二位，7個站為1月歷史第三位。另有13個站破了1月近30 a 極值，12個站破了1月上旬歷史極值。本次寒潮不但強度很強，而且嚴寒持續(xù)時間長，造成嚴重后續(xù)衍生災(zāi)害：寒潮后的低溫天氣造成昌吉州木壘縣近百座大棚果類蔬菜不同程度的被凍傷；烏魯木齊市天山區(qū)、水磨溝區(qū)、新市區(qū)多處下水道、自來水管道、天然氣管道閥門凍壞；凍傷骨折患者明顯增多。本文利用NCEP 1°×1°的6 h分析資料和常規(guī)觀測等資料，對本次寒潮天氣過程成因進行了診斷分析，以期對新疆寒潮的實時預(yù)報業(yè)務(wù)提供參考。

1 寒潮過程概況

1.1 天氣過程實況

2010年12月31日02 時至2011年1月2日20 時，北疆各地、天山山區(qū)、吐鄯托及哈密地區(qū)普遍出現(xiàn)微到小雪，其中伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)的部分地區(qū)中雪，伊犁河谷、北疆沿天山一帶局地大雪，北疆、東疆風(fēng)口風(fēng)力8～10 級，上述地區(qū)最低氣溫普遍下降了10～15 ℃，部分地區(qū)下降15～20 ℃，局部地區(qū)降幅達20～25 ℃。

1.2 天氣過程特點

（1）降雪量不大。北疆、東疆普遍降小雪，僅伊犁河谷、阿勒泰東部、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)的部分地區(qū)出現(xiàn)中雪，局地大雪。（2）降溫幅度大，低溫嚴寒持續(xù)時間長。北疆大部地區(qū)最低氣溫下降幅度達15 ℃以上，阿勒泰東北部、塔城北部下降幅度達20℃以上，北疆大部地區(qū)的最低氣溫達-30 ℃以下，局地最低氣溫達-40 ℃以下，北疆地區(qū)平均氣溫較常年偏低15 ℃左右，并且持續(xù)到1月中旬。

2 大尺度環(huán)流和主要影響系統(tǒng)

2.1 100 hPa 環(huán)流背景

過程前期極渦為偏心型分布，極渦中心位于新地島東北部，中高緯度地區(qū)為3 波型，主要長波槽位于西伯利亞，新疆處于西北氣流控制中。2010年12月30日，東歐脊發(fā)展，極渦逆轉(zhuǎn)東移，西伯利亞長波槽迅速南伸，與中亞地區(qū)低槽聯(lián)通，形成西伯利亞到中亞的長波槽（圖1）。2011年1月1日，東歐脊繼續(xù)發(fā)展推動長波槽東移，造成這次寒潮天氣過程。

圖1 30日20 時100 hPa 環(huán)流形勢

2.2 強冷空氣的聚積

寒潮能否爆發(fā)，與前期的大氣環(huán)流形勢、冷源及冷空氣的聚集程度有著密切的關(guān)系。本次寒潮天氣過程是在500 hPa 歐亞中高緯環(huán)流發(fā)生西長東消形勢下爆發(fā)的。寒潮爆發(fā)前12月29日，500 hPa 上歐亞中高緯呈三槽兩脊型分布，烏拉爾山以西及巴爾喀什湖以北為兩個弱脊，歐洲、烏拉爾山到新地島及西伯利亞為低值區(qū)，西西伯利亞到新疆西部國境線都在強鋒區(qū)控制下。歐洲低槽持續(xù)發(fā)展東北移，烏拉爾山脊強烈發(fā)展，脊前北風(fēng)帶形成，新地島冷渦分裂一個短波東移南下到西西伯利亞并形成獨立的中心，在槽前巴爾喀什湖高壓脊的阻擋下，低渦持續(xù)加強并緩慢南壓，12月30日，低渦中心強度達512 daghm 并伴有-40 ℃冷中心，鋒區(qū)強度達15個緯距內(nèi)13 條等高線，低槽中冷平流使巴爾喀什湖高壓脊減弱東移到蒙古西部（圖2）。隨后烏拉爾山高壓脊繼續(xù)發(fā)展，脊頂東擴，推動西西伯利亞低渦中心逆轉(zhuǎn)，使低槽軸向呈西南—東北向。海平面氣壓場上，上游冷高壓在歐洲東部生成，隨后開始緩慢東移并略南壓。高空槽北面東北氣流引導(dǎo)的超極地冷空氣、槽后北風(fēng)帶引導(dǎo)的北方冷空氣在烏拉爾山地區(qū)合并注入到冷高壓中，使冷高壓進一步加強。同時蒙古高壓分裂成南北兩部分，北面高壓西退北收，于31日14 時退到新地島以東并與烏拉爾山冷高壓合并，形成異常強的冷高壓，整個東歐到西伯利亞的中高緯均為高壓帶，高壓中心強度為1 050 hPa，鋒區(qū)強度達10個緯距內(nèi)10 條等壓線，冷鋒前端已達西部國境線附近（圖3）。冷中心溫度達-40 ℃的高空冷渦和地面強冷高壓的形成標志著冷空氣堆已形成。

圖2 30日20 時500 hPa 環(huán)流形勢

圖3 31日14 時海平面氣壓場

2.3 冷空氣的向南爆發(fā)

12月30日夜間到1日，大西洋沿岸低槽迅速發(fā)展并東北移，受其擠壓，里咸海高壓脊的脊頂繼續(xù)東擴并南壓，脊前東北氣流使西西伯利亞低槽進一步加強并變?yōu)闄M槽，伴有-44 ℃冷中心的冷渦中心進入了北疆北部地區(qū)，新疆大部都在槽區(qū)控制下，槽前等高線疏散形成正渦度平流和冷平流產(chǎn)生負變高；橫槽后部東北氣流逆轉(zhuǎn)為西北氣流出現(xiàn)暖平流的正變高，預(yù)示著橫槽將要轉(zhuǎn)豎。1日白天開始，烏拉爾山高壓脊向南衰退，橫槽轉(zhuǎn)豎，分兩個波東移，引導(dǎo)西西伯利亞強冷空氣全面向南爆發(fā)，冷高壓中心強度達1 056 hPa，鋒區(qū)在10個緯距內(nèi)有15 條等壓線，冷鋒完全進入新疆并繼續(xù)南壓到天山一帶，北疆地區(qū)的強降溫開始。2日白天，烏拉爾山西部到我國東北的廣闊地域均為強冷高壓控制區(qū)，高壓中心移到貝加爾湖以北并加強為1 060 hPa。2日20 時，降水結(jié)束。直到3日白天，強冷高壓才開始緩慢減弱東移北收，新疆上游也開始出現(xiàn)負變壓，北疆溫度也開始緩慢回升。4日14 時，強冷空氣對新疆的影響結(jié)束。從地面冷高的形成和移動路徑分析（圖4），這次寒潮屬較為典型的西北路徑寒潮。

圖4 地面和500 hPa 形勢演變圖

3 強降溫成因

根據(jù)“Z”坐標系熱力學(xué)方程分析，在本次寒潮過程中，氣溫驟降的主要原因是強冷平流所致。

式（1）中，對于近地層w 可近似為0，變壓和氣壓平流引起的溫度局地變化也很小。因此，某地溫度的變化主要決定于溫度平流和非絕熱因子的作用。溫度平流主要考慮平流冷暖性質(zhì)和強度，非絕熱因子考慮輻射、水汽凝結(jié)、蒸發(fā)和地面感熱對氣溫的影響。氣溫的非絕熱變化主要表現(xiàn)為氣溫的日變化和氣團變性。在本次寒潮過程中，由于有大量的鋒面云系，太陽輻射和地表輻射引起的氣溫日變化較小，北疆降雪過程中水汽凝結(jié)作用會使氣溫有所下降，但氣溫驟降則是強冷平流所引起的。故本節(jié)只討論低層冷平流的演變情況。

從2010年12月30日20 時至2011年1月2日20 時850 hPa 冷平流分布圖（圖5）上可知，30日，北疆大部還處在暖平流下，境外上游有帶狀冷平流區(qū)，中心強度為-30×10-4℃·s-1，表明冷空氣很強。伴隨著高空橫槽轉(zhuǎn)豎東移，冷平流開始侵入新疆并緩慢東移，31日冷平流中心位于塔城地區(qū)，強度為-40×10-4℃·s-1，天山山區(qū)也有一個強度為-20×10-4℃·s-1的中心。1日08 時，隨著冷空氣全面向南爆發(fā)，冷平流覆蓋了整個北疆和哈密地區(qū)，最強中心依然位于塔城地區(qū)，中心強度加強為-80×10-4℃·s-1，這也是北疆強降溫開始的時間，說明這次北疆大范圍寒潮降溫天氣是由強冷平流造成的。隨后，冷平流區(qū)東移南壓，翻越天山山脈，哈密地區(qū)、吐鄯托盆地相繼出現(xiàn)了-30×10-4℃·s-1的冷平流中心。2日08 時，冷平流開始減弱。700 hPa 和500 hPa 的冷平流變化情況同850 hPa 基本一致。

4 降雪成因

4.1 渦度場、散度場和垂直速度分析

中低層輻合與高層輻散是降雪形成的有利動力條件。通過對2010年12月28日至2011年1月3日逐6 小時850 hPa、700 hPa、500 hPa 和200 hPa的渦度場、散度場和垂直速度場分析發(fā)現(xiàn)，850 hPa上，北疆大部持續(xù)為正渦度，強度不大，31日08 時正渦度中心位于阿勒泰，中心強度為8×10-5s-1，700 hPa、500 hPa 則為負渦度，直到31日02 時北疆大部中低層都有弱下沉氣流，不利于降水。隨后負渦度開始緩慢減小，31日14 時開始形成正渦度，尤其在2日02 時，700 hPa 和500 hPa分別出現(xiàn)了中心強度為12×10-5s-1、15×10-5s-1的強正渦度（圖6），這與北疆降雪開始時間基本吻合，表明隨著天氣系統(tǒng)進入新疆，弱下沉氣流開始變?yōu)樯仙龤饬?，冷空氣向南爆發(fā)時，上升氣流明顯加強。散度場上，冷空氣向南爆發(fā)前，中低層伊犁河谷、阿勒泰東部、天山山區(qū)都出現(xiàn)了輻合區(qū)，對應(yīng)200 hPa 是弱輻散區(qū)。最強輻合中心3×10-5s-1位于伊犁河谷和天山山區(qū)。從垂直速度場上看，過程開始時，北疆各地上空從低層850 hPa 到中層500 hPa 的垂直速度均為較小的正值，即北疆上空為弱下沉運動區(qū)。從31日20 時（圖7），北疆大部垂直速度由負值逐漸變成了正值，且在1日夜間達到最大，中心區(qū)域在伊犁河谷和天山山區(qū)，中心值分別為1×10-1Pa·s-1、0.5×10-1Pa·s-1。渦散場和垂直速度的中心區(qū)域與過程降水的大值區(qū)（即阿勒泰、伊犁河谷、天山山區(qū)）比較吻合，說明隨著強冷平流進入，上述地區(qū)在中低層均出現(xiàn)了較強的輻合上升運動，為降雪提供動力條件。

圖5 30日20 時至1月2日20 時850 hPa 冷平流分布圖（單位：10-4 ℃·s-1）

圖6 2日02 時500 hPa（a）和700 hP（b）渦度場（單位：10-5 s-1）

圖7 500 hPa 垂直速度（a.31日20 時；b.2日02 時）

4.2 水汽條件分析

通過分析850 hPa、700 hPa、500 hPa 的水汽通量發(fā)現(xiàn)（圖略），本次過程降水的水汽主要是由700～850 hPa 上從里咸海盛行的一支偏西急流所攜帶，然后經(jīng)巴爾喀什湖向東輸送到北疆地區(qū)。偏西急流從2010年12月28日開始加強并東移，30日進入新疆，31日20 時700 hPa 最大風(fēng)速增強到24 m/s，850 hPa 最大風(fēng)速增強到14 m/s，大風(fēng)速區(qū)位于伊犁河谷和塔城，致使西部沿天山和阿勒泰東部出現(xiàn)風(fēng)速的輻合。急流維持到2011年1月1日夜間，從2日08 時開始，兩層的風(fēng)速均明顯減小。700 hPa、850 hPa 水汽通量圖上，這支偏西急流將里、咸海上空較豐富水汽攜帶到西部國境線附近，其中大部分水汽沿著西南氣流移到了西伯利亞，只有較少一部分東移到北疆地區(qū)，為降雪提供了基本水汽條件。同時由于副熱帶鋒區(qū)位置過于偏南，孟加拉灣暖濕氣流沒能補充到北疆地區(qū)，致使北疆上空水汽條件相對較差，所以本次寒潮的降水并不是很明顯。

5 本次過程的預(yù)報難點

對于這次過程預(yù)報北疆地區(qū)將有中到大雪、局部暴雪，但實況跟預(yù)報相差較大。預(yù)報員對于強降溫的預(yù)報較為準確，但對于過程降水量級和降水落區(qū)的判斷出入較大，這是由于以下兩個原因：（1）本次冷空氣的路徑為西北路徑，但副熱帶鋒區(qū)位置較偏南。一般來說，西北路徑的寒潮對新疆地區(qū)的影響降溫降水都很明顯，但前提是孟加拉灣暖濕氣流通過副熱帶鋒區(qū)源源不斷的輸送到北疆地區(qū)，保證充分的水汽供應(yīng)。本次過程中，數(shù)值模式對于副熱帶鋒區(qū)位置的預(yù)報偏差較大，實況跟模式預(yù)報相比，位置更偏南，而且系統(tǒng)也更弱，這樣導(dǎo)致西南暖濕氣流無法與北支冷空氣配合，因此降水量比預(yù)報的明顯偏小；（2）幾家模式對北疆地區(qū)的降水預(yù)報的量級均偏大。在強天氣來臨前，預(yù)報員對模式預(yù)報的依賴性較大，數(shù)值預(yù)報偏差大，導(dǎo)致預(yù)報員對降水的判斷出現(xiàn)誤差。正是這兩個原因，導(dǎo)致本次天氣降水量級預(yù)報偏大，這也是本次寒潮天氣過程的預(yù)報難點。

6 小結(jié)

（1）前期烏拉爾山脊異常增強，脊前北風(fēng)帶和斜槽后的東北風(fēng)引導(dǎo)極地冷空氣和超極地冷空氣在西西伯利亞聚積，使地面冷高壓快速增強，這是寒潮向南爆發(fā)的前提條件。隨著新地島低渦分裂短波南壓并東移，巴爾喀什湖高壓脊東移衰退，導(dǎo)致西西伯利亞冷空氣迅速向南暴發(fā)。西西伯利亞冷渦是本次寒潮天氣的影響系統(tǒng)。

（2）烏拉爾山附近高壓的變化對寒潮天氣的形成至關(guān)重要。過程前期，由于烏拉爾山高壓脊快速發(fā)展東擴，引導(dǎo)極地冷空氣和超極地冷空氣迅速南下到西西伯利亞聚集，使地面冷高壓異常增強。而中后期也是烏拉爾山高壓脊向東南衰退，導(dǎo)致強冷空氣南下進入新疆，使寒潮爆發(fā)。

（3）地面異常強的冷高壓、高空鋒區(qū)和強冷平流，是造成本次寒潮劇烈降溫的主要原因。

（4）北疆上空中低層渦散場和垂直速度場較一致，出現(xiàn)了較明顯的輻合上升運動，中心區(qū)域位于伊犁河谷、阿勒泰東部和天山山區(qū)，為降雪提供了動力條件。

（5）西北路徑的寒潮來臨時，需要有副熱帶鋒區(qū)配合，引導(dǎo)西南暖濕氣流東北上，與寒潮冷空氣配合，才會造成大降水。如果副熱帶鋒區(qū)偏南，則寒潮的影響以降溫為主，而降水不會很大。

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