2014年4月22日新疆寒潮天氣過程鋒面結(jié)構(gòu)演變特征分析

孫淑芳，張廣興，李 曼

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊 830002）

在中緯度，鋒面是重要的天氣系統(tǒng)。天山山脈高大陡峭，在中亞鋒面演變中扮演重要角色。目前，地形對鋒面影響的動(dòng)力學(xué)問題在觀測、理論及數(shù)值模擬等方面的研究中取得了較大進(jìn)展。國外的Bannon[1，2]利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)、半地轉(zhuǎn)理論，討論了地形對鋒面鋒生、鋒消及移動(dòng)的影響。Blumen[3]研究了地形對冷鋒鋒面移動(dòng)的動(dòng)力阻擋作用，發(fā)現(xiàn)冷鋒鋒面在山前減速，而在背風(fēng)坡加速，被認(rèn)為是鋒面過山模式的范式。Zehder和Bannon[4]直接在物理坐標(biāo)中引入地形，數(shù)值求解半地轉(zhuǎn)方程，從而進(jìn)一步改進(jìn)了Bannon地轉(zhuǎn)動(dòng)量近似條件下地形對鋒面影響作用的理論結(jié)果。Schumann[5]和Haderlein[6]用一個(gè)完全的淺水模式，克服了半地轉(zhuǎn)模式的缺點(diǎn)，進(jìn)一步研究了地形對冷鋒移動(dòng)及鋒生的影響作用。

Kalazhokov[7]利用一個(gè)線性邊界層模式，進(jìn)一步討論邊界層摩擦對大氣鋒面垂直結(jié)構(gòu)及環(huán)流分布的影響。Manton[8]、Egger[8]和 Morozovsky[10]等同樣利用一個(gè)二層淺水鋒面模式，在理論上研究邊界層摩擦對鋒面結(jié)構(gòu)的影響。Welander[11]則考慮非線性、湍流摩擦共同作用對定常鋒面環(huán)流的影響。Dunst[12]利用一個(gè)完整的邊界層數(shù)值模式討論了邊界層過程對地面冷鋒結(jié)構(gòu)特征的影響。Garratt[13]指出，要完整地研究低層鋒面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，必須同時(shí)考慮地形、邊界層的作用對鋒面系統(tǒng)的影響。

國內(nèi)的談?wù)苊鬧14，15]利用一個(gè)有地形、邊界層摩擦作用的二層鋒面淺水模式，討論了地形、邊界層摩擦共同作用對冷暖鋒鋒面的結(jié)構(gòu)形狀及環(huán)流分布的影響問題。呂克利[16]利用半地轉(zhuǎn)模式模擬了地形對冷鋒、暖鋒和錮囚鋒鋒生，基本氣流變化對冷鋒、暖鋒和錮囚鋒發(fā)展的影響。張熠[17]利用三維非靜力中尺度數(shù)值模式MM5模擬了干濕大氣條件下中緯度典型鋒面系統(tǒng)的生成與演變過程，重點(diǎn)討論地表拖曳對干、濕大氣中地面鋒結(jié)構(gòu)、鋒生過程的影響作用。以上工作對天山準(zhǔn)靜止鋒的研究提供了理論基礎(chǔ)和研究范式。

縱觀復(fù)雜地形鋒生動(dòng)力影響和準(zhǔn)靜止鋒結(jié)構(gòu)特征的研究歷史，我國4種準(zhǔn)靜止鋒研究最多的是梅雨鋒[18，24]，華南準(zhǔn)靜止鋒[25，26]和昆明準(zhǔn)靜止鋒[27]也有涉獵，唯獨(dú)天山準(zhǔn)靜止鋒缺乏研究。究其特點(diǎn)，梅雨鋒和華南準(zhǔn)靜止鋒的形成主要是冷暖氣團(tuán)間的對抗形成，地形作用不大；昆明準(zhǔn)靜止鋒的形成云貴高原地形起到了一定作用，相較于天山該地形就平緩了許多，是地形和冷暖氣團(tuán)共同作用的結(jié)果。盡管前3種靜止鋒的形成機(jī)制各有差異，但其研究成果對天山準(zhǔn)靜止鋒的研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。眾所周知，中亞是我國寒潮和強(qiáng)冷空氣入侵的關(guān)鍵區(qū)，新疆是寒潮強(qiáng)冷空氣天氣過程多發(fā)地區(qū)，當(dāng)?shù)氐拇髿饪茖W(xué)工作者對此有大量的研究[28，34]。當(dāng)冷空氣在中亞經(jīng)過充分堆積，強(qiáng)而快速移動(dòng)的冷鋒迎面遇到陡峭而復(fù)雜的天山，動(dòng)力強(qiáng)迫顯著；天山兩側(cè)，冷熱干濕有別，熱力差異迥異，在此共同作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈鋒生。在手工繪制地面天氣圖時(shí)，等壓線過于密集，常常難以全部一一繪出，而將若干等壓線匯集于一條鋸齒線中。在此獨(dú)特的動(dòng)力及熱力條件下鋒面的空間結(jié)構(gòu)和演變特征為何？是一個(gè)亟待研究解決的科學(xué)問題和業(yè)務(wù)難點(diǎn)，但研究很少。

1 資料

本文用經(jīng)過審核的規(guī)范觀測資料作為天氣實(shí)況分析；用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的NCEP-fnl資料（Derber[32]），每日4次，間隔6 h，水平分辨率為1°經(jīng)度×1°緯度的再分析資料進(jìn)行天氣形勢分析和物理量計(jì)算。

2 天氣形勢

2.1 天氣概況

2014年4月22日08時(shí)（北京時(shí)）開始，受西西伯利亞低槽南下影響，北疆各地、天山山區(qū)、哈密北部出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪，伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山、天山山區(qū)、哈密北部出現(xiàn)中到大雪，局部暴雪；北疆大部、東疆和南疆等地出現(xiàn)7級大風(fēng)，部分地區(qū)極大風(fēng)力9級以上，三十里風(fēng)區(qū)陣風(fēng)12級，百里風(fēng)區(qū)陣風(fēng)14級。東疆、南疆24個(gè)國家站出現(xiàn)沙塵暴，3個(gè)站出現(xiàn)特強(qiáng)沙塵暴；北疆大部降溫8～12℃，部分地區(qū)降溫12～15℃，局部降溫15℃以上，屬于典型的寒潮天氣。

2.2 500 hPa環(huán)流形勢

從500 hPa高空形勢（圖1a，1b，1c）上可以看到，2014年4月21日08：00歐亞范圍內(nèi)為兩槽一脊的經(jīng)向環(huán)流，東歐地區(qū)為高壓脊，整個(gè)西伯利亞地區(qū)為一深厚的低值系統(tǒng)，脊前冷空氣不斷南下堆積，低渦加深發(fā)展，中心值496 dagpm，并配有-36℃溫度閉合線。4月22日08：00，隨著歐洲脊向東南方向移動(dòng)，推動(dòng)西西伯利亞低槽迅速東移南下。與此同時(shí)，南支系統(tǒng)也比較活躍，中亞的咸海東北側(cè)有低槽活動(dòng)，該低槽與東移南下的西西伯利亞北支低槽合并加深。槽后位于里海附近的脊與歐洲脊合并后向北發(fā)展。之后隨著該脊不斷發(fā)展東移，脊前冷空氣推動(dòng)西西伯利亞低槽東移南下進(jìn)入新疆，造成這次寒潮過程。

2.3 地面氣壓場

從地面氣壓形勢演變（圖1d，1e，1f）可以看出，2014年4月21日08：00，鋒面氣旋低渦在西西伯利亞，從氣旋伸出的冷鋒由西西伯利亞向西延伸至烏拉爾山中部。地面高壓位于烏拉爾山南段。同時(shí)，新疆的塔里木盆地為上次冷空氣入侵殘存的高壓。4月22日08：00冷鋒已經(jīng)快速東移南下到中亞的里海至巴爾喀什湖一帶，冷高壓位于哈薩克丘陵，中心強(qiáng)度達(dá)到1032 hPa。由于受到500 hPa槽前動(dòng)力減壓作用，新疆的準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地氣壓迅速降低，形成低壓。4月23日08：00，冷鋒進(jìn)入新疆北部的準(zhǔn)噶爾盆地。高壓中心位于巴爾喀什湖北側(cè)，中心氣壓達(dá)到1040 hPa。同時(shí)塔里木盆地低壓進(jìn)一步加深，中心氣壓下降為996 hPa，地面溫度升高。天山南北兩側(cè)反向的氣壓變化使得氣壓差進(jìn)一步加大，差值達(dá)到44 hPa，同時(shí)溫差也加大，在天山山脈北麓冷鋒加強(qiáng)，由于天山的阻擋，冷空氣在山前堆積，使得鋒面在700 hPa以下高度移動(dòng)緩慢，呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，時(shí)間達(dá)到6 h以上，進(jìn)而形成天山準(zhǔn)靜止鋒，在天山山脈南北兩側(cè)氣壓呈現(xiàn)南低北高的態(tài)勢，在氣壓梯度力的作用下，冷空氣經(jīng)天山埡口翻山，風(fēng)口風(fēng)力達(dá)到極大值，在塔里木盆地形成強(qiáng)沙塵暴。

3 寒潮天氣過程鋒面系統(tǒng)演變特征

3.1 鋒面系統(tǒng)位溫和冷暖平流演變特征

圖1 天氣形勢

鋒面的經(jīng)典定義由Bergen學(xué)派在20世紀(jì)20年代提出，認(rèn)為鋒面是冷暖氣團(tuán)之間的一個(gè)傾斜不連續(xù)截面，垂直于截面兩側(cè)除了氣壓外其他的氣象要素都是不連續(xù)的。在本文中采用等位溫（θ）密集傾斜區(qū)代表鋒面的方法，這也符合鋒面的經(jīng)典定義。圖2是沿圖1d中的AB綠色線所做的西北東南向垂直剖面圖，貫穿鋒面和天山山脈。時(shí)間從2014年4 月 22 日 20：00—24 日 02：00，時(shí)間間隔 6 h 的等位溫和冷暖平流演變。鋒區(qū)用兩條粗紅實(shí)線表示，在鋒區(qū)外，θ線為水平方向分布，垂直梯度較大，水平梯度很?。辉阡h區(qū)內(nèi)等θ線呈垂直走向，垂直梯度很小，水平梯度卻很大，與鋒區(qū)外正好相反。22日20：00（圖2a）代表鋒面的等位溫線密集帶在巴爾喀什湖附近，鋒面較寬，向西傾斜，高度達(dá)到400 hPa。鋒區(qū)冷平流較強(qiáng)，越接近地面，冷平流越強(qiáng)。23日02：00（圖 2b）當(dāng)鋒面接近天山，受天山山脈阻擋，山體以下，由于垂直于山體風(fēng)速較小，而平行于山脈的溫差也較小，因此，冷平流減弱。同時(shí)，鋒面變窄變陡。23日14時(shí)700 hPa以下低層的冷空氣通過準(zhǔn)噶爾盆地的東部天山山脈與阿爾泰山山脈之間的開闊地以及天山的埡口進(jìn)入河西走廊。但在沿天山一帶，冷鋒卻停留在山前位置靜止少動(dòng)，形成天山準(zhǔn)靜止鋒。

3.2 鋒面系統(tǒng)溫度梯度演變特征

在中國的江淮流域和華南地區(qū)冷暖氣團(tuán)移動(dòng)的勢力旗鼓相當(dāng)，進(jìn)而形成穩(wěn)定少動(dòng)的準(zhǔn)靜止鋒。中亞是寒潮強(qiáng)冷空氣爆發(fā)關(guān)鍵區(qū)，北疆是重要通道，每當(dāng)冷空氣入侵，強(qiáng)度較大，移動(dòng)速度快，缺乏同等勢力的暖氣團(tuán)與冷氣團(tuán)對抗進(jìn)而形成準(zhǔn)靜止鋒，只能是像天山這樣高大陡峭而且橫亙千里的地形阻攔而成。為此，取溫度梯度矢量的模繪圖。

3.2.1 溫度梯度水平演變特征

圖2 垂直剖面鋒面位溫和冷暖平流特征演變

從 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h海平面氣壓和溫度梯度演變（圖3）上可見，22日20：00當(dāng)冷高壓中心位于咸海北側(cè)，冷高壓范圍東西方向從烏拉爾山南部一直延伸到了西西伯利亞，冷高壓攜帶的冷空氣東移南下的前鋒已經(jīng)到了中國新疆北疆邊境線至哈薩克丘陵一帶，在此區(qū)域，溫度梯度出現(xiàn)大值區(qū)，呈帶狀分布，主要位于巴爾喀什湖到西伯利亞，在冷高壓與氣旋低壓之間，和冷鋒位置走向一致。同時(shí)在天山山脈西段也有一個(gè)溫度梯度大值區(qū)，主要是塔里木盆地低壓發(fā)展，天山兩側(cè)溫差增大，產(chǎn)生溫度梯度。溫度梯度最大值區(qū)域的分布與冷鋒鋒面一致，因此，可以用溫度梯度的這個(gè)物理量的大值區(qū)來追蹤冷鋒鋒面的演變。冷鋒的較北段位于巴爾喀什湖到哈薩克丘陵一線時(shí)，南段到達(dá)中亞南部。之后冷空氣率先進(jìn)入伊犁河谷，而伊犁河谷北部的冷空氣翻越塔城盆地東側(cè)的阿拉陶山和薩烏爾山進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地，從鋒面走向可以看到南段鋒面呈東西向與天山平行，位于準(zhǔn)噶爾盆地的北段為南北向，與冷高壓等壓線平行，溫度梯度的大值區(qū)的分布亦如此。23日08：00，位于哈薩克丘陵的冷鋒北段由于沒有地形阻擋一直東移。進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地的冷鋒在東移過程中遇到東天山的博格達(dá)山峰和阿勒泰山阻攔，移動(dòng)速度減緩。而冷鋒南段停留在天山北坡，位置少動(dòng)，在天山山區(qū)維持了24 h，呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，形成天山準(zhǔn)靜止鋒。可以看到從22日20：00—23日20：00，在天山山脈北麓一致維持溫度梯度的大值區(qū)，呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)維持了24 h。從溫度梯度的分布和演變來看，天山準(zhǔn)靜止鋒是客觀存在的。

3.2.3 溫度梯度垂直剖面演變特征

沿圖1d新疆到烏拉爾山中段做垂直剖面，貫穿鋒面和天山山脈。2014年4月22日20：00—24日02：00每隔6 h的溫度梯度垂直剖面演變圖（圖4）上，22日20：00溫度梯度大值區(qū)與代表鋒面的位溫密集區(qū)寬度一致，高度達(dá)到700 hPa。6 h后的23日02：00，隨著鋒面接近天山，等θ線密集區(qū)變窄，溫度梯度大值區(qū)也變窄，高度伸展到了500 hPa。23日08：00時(shí)冷鋒到達(dá)天山，受天山大地形影響，在等位溫剖面圖上，等θ線與水平線的夾角變大，說明冷鋒增強(qiáng)，變窄，呈近似垂直狀態(tài)。同時(shí)，溫度梯度進(jìn)一步增大，高度可達(dá)400 hPa。當(dāng)冷鋒進(jìn)一步東移南壓，溫度梯度大值區(qū)維持在天山山脈，位置少動(dòng)。23日08：00時(shí)冷鋒到達(dá)天山，受山體阻擋，溫度梯度達(dá)到最大值，形成天山準(zhǔn)靜止鋒。之后盡管天山靜止鋒仍然維持，但冷空氣的前鋒已進(jìn)入河西走廊。溫度梯度最大區(qū)域變寬，擴(kuò)展到青藏高原。

圖3 地面海平面氣壓和溫度梯度

4 寒潮天氣過程鋒面系統(tǒng)鋒生函數(shù)

鋒生是指鋒區(qū)內(nèi)溫度或位溫梯度增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)過程，通常定義鋒生函數(shù)為：

引進(jìn)矢量Q，其定義為：

上述（5）式表示鋒生函數(shù)是Q矢量與位溫梯度的點(diǎn)乘，采用這樣的表達(dá)式有一個(gè)好處就是可以用天氣學(xué)常用的Q矢量來計(jì)算鋒生函數(shù)F。當(dāng)F＞0時(shí)鋒生；F＜0時(shí)鋒消。

4.1 鋒生函數(shù)水平演變特征

圖4 溫度梯度的垂直剖面

圖5 地面鋒生函數(shù)

從 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的地面鋒生函數(shù)F演變（圖5）可見，22日20：00，冷高壓較南段的冷空氣到達(dá)中亞南部，遇到西天山和帕米爾高原，加之塔里木盆地的熱低壓發(fā)展，使得西段天山兩側(cè)位溫梯度增大，這里鋒生函數(shù)F為正，發(fā)生鋒生。之后冷空氣率先進(jìn)入伊犁河谷，中天山山脈和鋒生函數(shù)也為正值，并且維持少動(dòng)，呈現(xiàn)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。23日08：00，隨著冷空氣進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地，鋒生函數(shù)F沿天山均為正值，位置少動(dòng)，整個(gè)天山形成準(zhǔn)靜止鋒。

4.2 鋒生函數(shù)垂直剖面演變特征

2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的沿圖1d的A-B連線的綠色實(shí)線做垂直剖面，在垂直方向展示鋒生函數(shù)F演變。22日20：00在天山的南坡由于熱力因素溫度梯度加大，相應(yīng)的位溫梯度也增大，F(xiàn)為正值，此時(shí)鋒生。23日02：00，當(dāng)冷鋒接近天山，在天山北坡由于降溫使得南北兩側(cè)溫差增大，進(jìn)而使得位溫的梯度進(jìn)一步增大，F(xiàn)為正值，此時(shí)鋒生。23日08：00冷鋒到達(dá)天山，位溫梯度達(dá)到最大值，鋒生也最強(qiáng)。23日14：00，不僅天山山區(qū)鋒生，而且天山山體上空的大氣層均形成窄而且陡峭的鋒生區(qū)，高度到達(dá)400 hPa。

5 結(jié)論

2014年4月22日新疆地區(qū)經(jīng)歷了一次以強(qiáng)降溫，局部地區(qū)強(qiáng)降水，風(fēng)口風(fēng)力達(dá)到12級，南疆發(fā)生強(qiáng)沙塵暴的寒潮天氣過程。分析本次寒潮天氣過程發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢和冷鋒系統(tǒng)的演變特征，結(jié)論如下：

⑴500 hPa偏東位置的歐洲脊在暖平流的作用下快速發(fā)展；受其影響，西西伯利亞低槽東移加強(qiáng)，脊前冷空氣不斷南下堆積，低槽加深發(fā)展。隨著歐洲脊向東南方向移東，與南支的里海脊疊加，推動(dòng)西西伯利亞低槽迅速東移南下影響新疆；與此同時(shí)，在西伯利亞鋒面氣旋發(fā)展旺盛，地面冷高逐步東移，冷空氣在入侵新疆的關(guān)鍵區(qū)堆積，形成強(qiáng)大的冷高壓，同時(shí)形成冷鋒。隨著冷空氣的進(jìn)一步東移，天山南北兩側(cè)氣壓梯度和溫度梯度增大，冷鋒在天山北側(cè)加強(qiáng)，位置少動(dòng)維持24 h，形成天山準(zhǔn)靜止鋒。

圖6 鋒生函數(shù)垂直剖面

（2）在橫貫冷鋒和天山山脈的西北東南向的垂直剖面上，冷鋒表現(xiàn)為等位溫線密集分布帶。巴爾喀什湖附近地形平坦，鋒面向后傾斜明顯，與地面夾角為銳角。當(dāng)接近天山，受大地形影響，冷鋒變強(qiáng)變窄，溫度梯度增強(qiáng)。當(dāng)冷鋒到達(dá)天山山區(qū)，山體上空均為窄而陡峭的鋒生區(qū)，高度達(dá)到400 hPa。冷鋒近似垂直狀態(tài)，位置維持少動(dòng)形成天山準(zhǔn)靜止鋒面。當(dāng)其進(jìn)一步東移，低層受到天山山體阻擋，移動(dòng)受阻，高層越過天山，鋒面在高低層一分為二，呈現(xiàn)斷裂狀態(tài)。