西安地區(qū)寒潮天氣分型及精細(xì)化預(yù)報(bào)指標(biāo)

喬 娟，程 龍，翟 園，張雅斌

(西安市氣象局，陜西 西安 710016)

西安地區(qū)寒潮天氣分型及精細(xì)化預(yù)報(bào)指標(biāo)

喬 娟，程 龍，翟 園，張雅斌

(西安市氣象局，陜西 西安 710016)

利用2001-2015年西安城區(qū)和6個(gè)區(qū)縣194個(gè)寒潮個(gè)例的高空、地面和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料，運(yùn)用天氣學(xué)原理和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了西安地區(qū)寒潮時(shí)空分布特征：2006年之后寒潮天氣年際分布呈明顯下降趨勢，特別在2014-2015年和2010-2012年顯著減少；3月和4月是西安寒潮多發(fā)期；寒潮天氣空間分布表現(xiàn)為從城區(qū)向偏遠(yuǎn)區(qū)縣逐漸增多的特征。根據(jù)冷空氣不同移動(dòng)路徑將西安地區(qū)寒潮分為西北路冷空氣型、北路冷空氣型、西路冷空氣型、東路冷空氣型以及西北路冷空氣和東路冷空氣共同影響型五種。對比分析了五種寒潮伴隨的不同氣象特征。從高低空冷空氣位置和溫度變幅，24 h負(fù)變溫范圍和強(qiáng)度，地面冷高壓變化強(qiáng)度等因子入手，分類型研究分別建立了各自高空預(yù)報(bào)指標(biāo)、地面預(yù)報(bào)指標(biāo)和EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)指標(biāo)。

寒潮；不同冷空氣路徑；分型研究；預(yù)報(bào)指標(biāo)；西安地區(qū)

寒潮是一種影響范圍較大的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程[1]，是西安地區(qū)冬半年主要災(zāi)害天氣。寒潮帶來劇烈降溫的同時(shí)，常伴有大風(fēng)、降水(暴雪)、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。對寒潮天氣及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警對防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。西安地處關(guān)中平原中部，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)林果業(yè)快速發(fā)展，對精細(xì)化的寒潮預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)效性和準(zhǔn)確性提出了新的要求。目前針對寒潮天氣過程診斷分析和數(shù)值預(yù)報(bào)研究較多[2-7]。由于現(xiàn)有寒潮預(yù)報(bào)普遍依賴數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，而數(shù)值預(yù)報(bào)誤差是造成預(yù)報(bào)服務(wù)失誤的重要因素，因而基于歷史天氣建立本地天氣客觀預(yù)報(bào)指標(biāo)，是進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的有效手段。針對寒潮預(yù)報(bào)，一些地區(qū)已經(jīng)研究建立了本地指標(biāo)[8-13]，但西安地區(qū)寒潮預(yù)報(bào)指標(biāo)研究比較少。本文利用2001-2015年西安城區(qū)及6個(gè)區(qū)縣的常規(guī)觀測資料對寒潮天氣時(shí)空分布、環(huán)流形勢和不同冷空氣路徑寒潮天氣特征進(jìn)行分析，進(jìn)而分型研究形成預(yù)報(bào)指標(biāo)，以期提升西安地區(qū)寒潮天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 資料與方法

根據(jù)陜西省的氣候特征和中國氣象局寒潮定義，西安地區(qū)寒潮標(biāo)準(zhǔn)為：24 h日平均氣溫下降8 ℃以上，日最低氣溫在5 ℃以下或48 h日平均氣溫下降10 ℃以上，日最低氣溫在5 ℃以下[14]。

資料來源于2001-2015年西安城區(qū)及6個(gè)區(qū)縣高空、地面常規(guī)觀測資料和EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果。主要分析寒潮發(fā)生前1 d 08時(shí)高空、地面常規(guī)氣象資料和寒潮發(fā)生前1 d與前2 d EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，依據(jù)不同冷空氣路徑進(jìn)行分型，分別總結(jié)出預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 寒潮天氣時(shí)空分布特征

2.1 時(shí)間變化

2.1.1 年際變化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001-2015年西安地區(qū)發(fā)生寒潮天氣共計(jì)194次。寒潮年際變化呈現(xiàn)波動(dòng)狀(圖1)，2002-2004年和2006年為寒潮發(fā)生最多年份，達(dá)到21次，2015年沒有寒潮出現(xiàn)，2014年為發(fā)生次少年份，僅有5次；2006年之后西安地區(qū)寒潮出現(xiàn)次數(shù)整體呈下降趨勢，特別在2014-2015年和2010-2012年寒潮日數(shù)顯著減少。

圖1 2001-2015年西安地區(qū)寒潮年際變化特征

2.1.2 月季變化

由圖2可以看出，每年5-10月西安地區(qū)無寒潮天氣出現(xiàn)，3月、4月是寒潮多發(fā)時(shí)期，其中3月寒潮最多，出現(xiàn)57次，4月略低，出現(xiàn)55次，12月寒潮出現(xiàn)最少，僅為14次。按季節(jié)劃分，西安地區(qū)的寒潮天氣可分為秋季寒潮(10-11月)、冬季寒潮(12月-次年2月)和春季寒潮(3-4月)。西安地區(qū)以春季寒潮居多，所占百分比為58%。這是由于天氣降溫能否達(dá)到寒潮強(qiáng)度，一方面取決于冷空氣強(qiáng)度，另一方面取決于前期增溫。秋季冷空氣強(qiáng)度普遍較弱，冬季雖然多強(qiáng)冷空氣活動(dòng)，但由于氣溫較低，冷空氣影響前期增溫不顯著，較難達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)。春季太陽高度角增大，太陽輻射增強(qiáng)，溫度較秋季和冬季上升快，增溫效果明顯，同時(shí)春季冷空氣活動(dòng)頻繁，當(dāng)強(qiáng)冷空氣入侵后，降溫幅度大，易出現(xiàn)寒潮天氣。

圖2 2001-2015年西安地區(qū)寒潮月季變化特征

2.2 空間分布

圖3可見，寒潮發(fā)生次數(shù)最多的前三位分別是位于西安地區(qū)最東部的藍(lán)田縣(37次)，位于最西部的周至縣(34次)，位于最北部的高陵縣(31次)。西安城區(qū)和毗鄰市區(qū)的長安區(qū)寒潮發(fā)生最少，分別僅為19次和20次。初步分析西安城區(qū)和長安區(qū)緯度低，多為川地，地勢平坦，藍(lán)田縣和周至縣緊靠秦嶺，多山脈，海拔高，高陵縣地勢高、緯度高，遇到冷空氣，降溫幅度大，較易達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)?？傮w而言，西安地區(qū)寒潮日的空間分布表現(xiàn)為從城區(qū)向偏遠(yuǎn)區(qū)縣逐漸增多的特征。

圖3 2001-2015年西安地區(qū)寒潮空間分布特征

3 冷空氣路徑與環(huán)流形勢

3.1 寒潮類型及天氣特征

按照冷空氣的移動(dòng)路徑，西安地區(qū)寒潮天氣可分為西北路冷空氣型寒潮(占寒潮天氣總數(shù)的33.3%)，北路冷空氣型寒潮(占寒潮天氣總數(shù)的33.3%)，西路冷空氣型寒潮(占寒潮天氣總數(shù)的16.7%)，東路冷空氣型寒潮(占寒潮天氣總數(shù)的11.1%)以及西北路和東路冷空氣共同影響型寒潮(占寒潮天氣總數(shù)的5.6%)五種類型。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，上述五種類型寒潮天氣具有不同的特征：①冷空氣中心位置：西路型寒潮冷空氣中心位置最西且最南(最西到65°E，最南到35°N)，北路和東路型寒潮冷空氣中心位置最北(最北到60°N)。②24 h和48 h寒潮降溫幅度：北路型寒潮降溫幅度最大，24 h溫度下降9～12 ℃，48 h溫度下降11～15 ℃；西路型寒潮降溫幅度最小，24 h溫度下降8～9 ℃，48 h溫度下降10～12 ℃；東路型寒潮，24h溫度下降8～12 ℃，48 h溫度下降10～14 ℃；西北路型寒潮24 h溫度下降8～11 ℃，48 h溫度下降10～13 ℃；西北和東路共同影響型寒潮24 h溫度下降8～10 ℃，48 h溫度下降10～13 ℃；③降溫持續(xù)時(shí)間：西北路和東路共同影響型寒潮降溫持續(xù)3 d以上；北路、西北路型和東路型寒潮降溫持續(xù)3 d左右；西路型寒潮降溫持續(xù)2 d左右。④伴隨雨雪天氣及持續(xù)時(shí)間：西北路和東路共同影響型寒潮多伴隨中雨(雪)，降水持續(xù)2～3 d；東路型寒潮多伴隨小到中雨(雪)，降水持續(xù)1～3 d；西路和西北路型寒潮多伴隨小雨(雪)，降水持續(xù)1～2 d；北路型寒潮大多無降水，少數(shù)伴隨出現(xiàn)微量降水，持續(xù)時(shí)間在12 h以內(nèi)。⑤寒潮發(fā)生前后日平均風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向變化：五種類型寒潮冷空氣過境前、過境時(shí)和過境后日平均風(fēng)速差別不大，表現(xiàn)為冷空氣過境前日平均風(fēng)速維持在1～3 m/s(1～2級風(fēng))，冷空氣過境時(shí)日平均風(fēng)速增大到3～6 m/s(3～4級風(fēng))，日最大風(fēng)速增加到4.5～8.5 m/s，少數(shù)情況高達(dá)8.5～12.0 m/s(5～6級風(fēng))，冷空氣過境后日平均風(fēng)速迅速減小到0～3 m/s(0～2級風(fēng))，個(gè)別全天維持靜風(fēng),日最大風(fēng)速減小到1.5～4.5 m/s(1～3級風(fēng))；平均風(fēng)向：冷空氣過境前多維持NE，冷空氣過境時(shí)與過境后，西北路型寒潮由NNW轉(zhuǎn)為NNE，北路型寒潮由N轉(zhuǎn)為NNE，西路型寒潮由NW轉(zhuǎn)為NE，東路型寒潮一直保持NE，西北路和東路共同影響型寒潮先由NNW轉(zhuǎn)為NNE，之后長時(shí)間保持NE。

3.2 環(huán)流形勢

3.2.1 西北路冷空氣型

西北路冷空氣型寒潮發(fā)生前中高緯度大氣環(huán)流形勢為一槽一脊，長波脊位于烏拉爾山地區(qū)，歐亞為寬廣低值區(qū)(圖4)。冷空氣在巴爾喀什湖東部聚集，冷空氣中心位于75°～100°E，45°～55°N區(qū)域，地面冷高壓中心強(qiáng)度為1 045～1 060 hPa。地面冷空氣在西伯利亞地區(qū)聚集，由新疆、蒙古偏西地區(qū)向東南方向移動(dòng)，此路徑冷空氣影響下，西安地區(qū)多有雨雪天氣發(fā)生[14]。

圖4 西北路冷空氣型寒潮500 hPa高度場(實(shí)線)和溫度場(虛線)

3.2.2 北路冷空氣型

北路冷空氣型寒潮發(fā)生前中高緯度環(huán)流形勢為兩槽一脊，西伯利亞為長波脊，烏拉爾山和貝加爾湖以東為低槽(圖5)。貝加爾湖地區(qū)有冷空氣聚集。冷空氣中心位于90°～120°E，45°～60°N區(qū)域。冷高壓中心強(qiáng)度為1 055～1 060 hPa。地面冷空氣從貝加爾湖和蒙古地區(qū)向南移動(dòng)。此路徑冷空氣影響下，西安地區(qū)基本沒有雨雪天氣出現(xiàn)，但若有高原短波槽配合，會出現(xiàn)微量降水[14]。

圖5 北路冷空氣型寒潮500 hPa高度場(實(shí)線)和溫度場(虛線)

3.2.3 西路冷空氣型

西路冷空氣型寒潮發(fā)生前中高緯度環(huán)流形勢為一槽一脊，長波脊位于烏拉爾山以西，歐亞中高緯度為寬廣低區(qū)(圖6)。西路冷空氣中緯度地區(qū)等壓線比較平直。巴爾喀什湖西部有冷空氣堆積。冷空氣中心位于65°～90°E，35°～48°N區(qū)域，冷高壓中心強(qiáng)度為1 040～1 055 hPa。地面冷空氣從新疆和青海地區(qū)向東南方向移動(dòng)。此路徑冷空氣如果配合南支槽前西南暖濕氣流輸送，西安地區(qū)會出現(xiàn)較為明顯的雨雪天氣[14]。

圖6 西路冷空氣型寒潮500 hPa高度場(實(shí)線)和溫度場(虛線)

3.2.4 東路冷空氣型寒潮

東路冷空氣型寒潮發(fā)生前中高緯度為兩槽一脊，長波脊位于貝加爾湖以西，低槽位于烏拉爾山地區(qū)和貝加爾湖東部(圖7)。貝加爾湖東部有冷空氣聚集。冷空氣中心位于110°～130°E，45°～60°N區(qū)域。冷高壓中心強(qiáng)度在1 050～1 060 hPa。地面冷空氣從貝加爾湖、蒙古中東部以及華北地區(qū)向南移動(dòng)，移動(dòng)過程中低層冷氣團(tuán)向西折，形成回流冷空氣影響陜西。此路冷空氣影響下，西安地區(qū)雨雪天氣顯著[14]。

圖7 東路冷空氣型寒潮500 hPa高度場(實(shí)線)和溫度場(虛線)

3.2.5 西北路和東路冷空氣共同影響型寒潮

此路徑寒潮前期主要受西北路冷空氣影響，后期為東路冷空氣控制，大氣環(huán)流形勢、冷空氣路徑、冷空氣中心位置與西北路和東路天氣形勢一致(圖略)，冷高壓中心強(qiáng)度在1 045～1 055 hPa。此路冷空氣影響下，西安地區(qū)多出現(xiàn)較嚴(yán)重的雨雪天氣[14]。

4 不同冷空氣路徑寒潮預(yù)報(bào)指標(biāo)

對西安地區(qū)寒潮天氣共計(jì)194個(gè)歷史個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納出寒潮預(yù)報(bào)指標(biāo)(表1)同時(shí)滿足表1中任一路徑的高空、地面和EC數(shù)值預(yù)報(bào)指標(biāo)，即可預(yù)報(bào)未來24 h或48 h西安地區(qū)將出現(xiàn)寒潮天氣。(注：高空預(yù)報(bào)指標(biāo)中的等溫線數(shù)量是指30°～40°N，100°～120°E范圍內(nèi)的等溫線)

5 結(jié)論

(1)西安地區(qū)寒潮天氣年際變化整體呈波動(dòng)狀，2002-2004年及2006年為發(fā)生最多年份，2015年無寒潮發(fā)生，2014年和2010-2012年為發(fā)生較少年份；2006年之后寒潮天氣出現(xiàn)次數(shù)呈明顯下降趨勢。

(2)3月和4月是西安寒潮天氣多發(fā)期，12月-次年1月寒潮出現(xiàn)較少，5-10月無寒潮天氣出現(xiàn)。按季節(jié)劃分，西安寒潮天氣可分為秋季寒潮(10-11月)、冬季寒潮(12月-次年2月)和春季寒潮(3-4月)，以春季寒潮居多，所占百分比為58%。

(3)西安地區(qū)寒潮空間分布不均，表現(xiàn)為從城區(qū)向偏遠(yuǎn)區(qū)縣逐漸增多的特征。

(4)按照影響西安地區(qū)的冷空氣路徑，將寒潮天氣分為西北路冷空氣型寒潮，北路冷空氣型寒潮，西路冷空氣型寒潮，東路冷空氣型寒潮以及西北路和東路共同影響型寒潮五種類型。西路型寒潮冷空氣中心位置最西最南，北路和東路型寒潮冷空氣中心位置最北；北路型寒潮24 h和48 h降溫幅度最大，西路型寒潮降溫幅度最?。晃鞅焙蜄|路共同影響型寒潮降溫時(shí)間最長，西路型寒潮降溫時(shí)間最短；西北路和東路共同影響型寒潮伴隨降雨(雪)量最大，且降水持續(xù)時(shí)間最長，北路型寒潮大多無降水，少數(shù)伴隨微量降水。五種類型寒潮冷空氣過境前平均風(fēng)力多為1～2級，冷空氣過境時(shí)平均風(fēng)力增大到3～4級，少數(shù)最大風(fēng)力增大到5～6級，冷空氣過境后平均風(fēng)力普遍降為0～2級。

(5)利用天氣學(xué)原理和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從高低空冷空氣中心溫度變化范圍和位置，24 h負(fù)變溫范圍，地面冷高壓強(qiáng)度變化范圍以及EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)的850 hPa、24 h、48 h降溫幅度和海平面氣壓24 h、48 h變化數(shù)值等因子著手，研究建立了西安地區(qū)不同路徑寒潮天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)，填補(bǔ)了本地寒潮天氣客觀預(yù)報(bào)方法的空白。指標(biāo)還要在業(yè)務(wù)運(yùn)行中繼續(xù)檢驗(yàn)，進(jìn)一步細(xì)化、完善。

[1] 朱乾根, 林錦瑞, 壽紹文. 天氣學(xué)原理和方法[M]. 北京: 氣象出版社, 1981:168-207.

[2] 周翠芳,張廣平,楊海山.寧夏冬季寒潮天氣過程對比分析[J].干旱氣象,2009,27(2):142-147.

[3] 高振榮,劉曉云,田慶明,等.甘肅河西地區(qū)一次強(qiáng)寒潮天氣個(gè)例診斷分析[J].干旱氣象,2009,27(1):34-39.

[4] 許愛華,喬林,詹豐興,等.2005年3月一次寒潮天氣過程的診斷分析[J].氣象,2006,32(3):49-55.

[5] 牛若蕓,喬林,陳濤,等.2008年12月2-6日寒潮天氣過程分析[J].氣象,2009,35(12):74-81.

[6] 陳豫英,陳楠,邵建,等.2008 年12 月兩次寒潮天氣對比分析[J].氣象,2009,35(11):29-38.

[7] 張秉祥,王立榮,楊榮珍,等.數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對寒潮天氣過程的預(yù)報(bào)能力檢驗(yàn)[J].干旱氣象,2010,28(3):96-101.

[8] 李巖瑛,王汝忠,齊高先,等.武威市寒潮天氣氣候分析及預(yù)報(bào)[J].干旱氣象,2004,22(1):49-52.

[9] 趙玉廣,何麗華,張南,等.河北省寒潮天氣形勢分析及預(yù)報(bào)[J].干旱氣象,2012,30(1):94-99.

[10]王明潔,周永吉,鄒立堯,等.黑龍江省寒潮天氣及預(yù)報(bào)[J].黑龍江氣象,2000(3):29-32.

[11]何彩青,張青梅,黨永秀,等.青海春季全省性寒潮天氣的預(yù)報(bào)及指標(biāo)探討[J].青?？萍?2008(6):32-36.

[12]石翠榮,董慧林.鄂爾多斯市秋冬春季寒潮天氣分析與預(yù)報(bào)方法[J].內(nèi)蒙古氣象,2001(4):19-22.

[13]任曉燕,葛姣,梁鈺,等.河南省寒潮特征分析及中期預(yù)報(bào)[J].河南氣象,2002(4):9-10.

[14]陜西省短期天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊[M].北京:氣象出版社,2007:283-288.

Typing Study and Fine Forecast Index of Cold Wave Weather in Xi’an Area

QIAO Juan, CHENG Long, ZHAI Yuan and ZHANG Yabin

(Xi’anWeatherBureau,Xi’an710016,China)

BasedontheconventionalsoundingandmeteorologicalobservationdataaswellasnumericalweatherpredictionproductinXi’anurbanandsixcountiesfrom2001to2015,thespatialtemporalfeaturesofcoldwaveweatheroccurredinXi’anareaareanalyzed.Itshowedthatfrequencyofcoldwaveweatherdeclinedobviouslysince2006,especiallyfrom2014to2015andfrom2010to2012.Asformonthlyvariation,coldwaveappearedmostinMarchandApril.Intermsofspatialdistribution,coldwaveweatherappearedincreasedgraduallyfromurbantosuburb.Accordingtodifferentmovingpathsofcoldair,thecoldwaveweatherinXi’anwasclassifiedinto5types,thatisnorthwestroadcoldair,northroadcoldair,westroadcoldair,eastroadcoldairandnorthwest-eastroadcoldair.Besides,thedifferentmeteorologicalcharacteristicswerecomparativeanalyzed.Furthermore,bystudyingonthecoldairposition&temperaturerange, 24hoursofnegativetemperaturerangeandgroundcoldhighpressurerange,thealtitudeforecastindexes,landforecastindexesandECnumericalmodelpredictionindexesofcoldwaveweatherweresummarizedrespectively.

coldwaveweather;differentpathofcoldair;typingstudy;forecastindex;Xi’anarea

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.023]

2016-06-02

2016-07-28

陜西省預(yù)報(bào)員專項(xiàng)科研基金(2014Y-5)

喬娟(1984-)女,陜西寶雞人,碩士,主要從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究. E-mail:qiaojuan-aa@163.com

X43；S165；P333；P4

A

1000-811X(2017)01-0132-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.023

喬娟，程龍，翟園，等. 西安地區(qū)寒潮天氣分型及精細(xì)化預(yù)報(bào)指標(biāo)[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(1)：132-136. [ QIAO Juan, CHENG Long, ZHAI Yuan，et al. Typing study and fine forecast index of cold wave weather in Xi’an area[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：132-136.