青海省寒潮天氣過程中的氣溫變化影響因素分析

趙娟 謝啟玉

摘要 利用常規(guī)氣象觀測資料，分析了2011年3月13—14日青海省一次大范圍的寒潮天氣過程的成因，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)局地溫度方程，定量分析了過程中影響溫度變化的主要因子和各自的貢獻(xiàn)，結(jié)論如下：（1）此次過程是青海省一次典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮天氣，并且自西向東爆發(fā)。過程前期形成典型的寒潮中期倒大“Ω”流型。上游有強(qiáng)冷平流輸送，500 hPa冷中心-44℃，700 hPa冷中心-28℃。青海上空西北風(fēng)風(fēng)速26 m/s，300 hPa高空西風(fēng)急流入口區(qū)的橫向非地轉(zhuǎn)正次級環(huán)流也利于地面降溫。（2）地面蒙古冷高壓中心1 060 hPa，影響青海的冷高壓達(dá)1 050 hPa。過程中青海西部的24 h最大正變壓18 hPa，24 h負(fù)變溫最大為-18℃，最低氣溫平均下降10～13℃，格爾木站下降幅度最大，達(dá)到16℃。東部的24 h最大正變壓18 hPa，24 h時負(fù)變溫最大-11℃，最低氣溫平均下降6～8℃，河南站下降幅度最大，達(dá)到16℃。同時東部和西部的地面風(fēng)速在13日、14日白天都增大，并以偏西風(fēng)為主。（3）此次過程中的溫度變化主要由溫度平流項和對流變化項決定，且這2項對青海西部的降溫貢獻(xiàn)大于青海東部。冷氣團(tuán)的個別變化項對降溫也有一定貢獻(xiàn)，對東部和西部的貢獻(xiàn)基本相等。非絕熱項對西部起增溫作用，對東部的溫度變化沒有作用。（4）由強(qiáng)冷空氣引起的寒潮天氣過程中，溫度平流變化和對流變化對降溫起主導(dǎo)作用，過程前期應(yīng)關(guān)注溫度平流變化的影響，過程結(jié)束時應(yīng)關(guān)注對流變化。個別變化項的影響程度依賴于冷空氣強(qiáng)度和冷氣團(tuán)變性程度。非絕熱項的影響決定于大氣中發(fā)生相態(tài)變化的水汽含量，對溫度變化有約束效應(yīng)。

寒潮天氣是冬半年（一般指11月至翌年4月）大規(guī)模強(qiáng)冷空氣在冷空氣源地堆積然后南下爆發(fā)入侵造成劇烈降溫的一種災(zāi)害性天氣[1-3]，也是秋冬季和初春時節(jié)影響青海的主要災(zāi)害性天氣之一。受寒潮侵襲的地方，天氣發(fā)生劇烈變化，常常風(fēng)向突變、風(fēng)速增大、氣壓突升、溫度驟降[5]。寒潮天氣除了帶來劇烈降溫以外，還常伴有霜凍、大風(fēng)、暴雪、凍雨等天氣，在晚秋和早春常造成凍害，往往引發(fā)風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)和凍災(zāi)等多種嚴(yán)重氣象災(zāi)害[3]，給交通運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生產(chǎn)生活造成極大損失。國內(nèi)學(xué)者在寒潮天氣過程[6-8]以及氣候?qū)W特征[9-11]等方面進(jìn)行了很多研究，如寒潮的劃分標(biāo)準(zhǔn)[12-13]、移動路徑[14-15]、冷空氣源地[15]、多個寒潮過程對比分析[16-18]以及數(shù)值預(yù)報對寒潮預(yù)報能力的檢驗[19]等方面取得了諸多成果。

青海地處青藏高原，地勢復(fù)雜，寒潮天氣的標(biāo)準(zhǔn)為：24 h或48 h日最低氣溫下降8～10℃及以上，且日最低氣溫下降到4℃以下[4]。寒潮天氣過程中，不同區(qū)域影響溫度變化的因子不同，因此，非常有必要對青海大范圍的寒潮天氣進(jìn)行深入分析，探究不同地區(qū)引起溫度變化的主要因子，進(jìn)一步總結(jié)青海寒潮天氣客觀的預(yù)報指標(biāo)，為今后寒潮天氣的預(yù)報預(yù)警和決策服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1寒潮天氣實況

受蒙古強(qiáng)冷空氣影響，2011年3月13—15日青海省出現(xiàn)了一次大范圍的寒潮天氣，表現(xiàn)出以下特點：①前期升溫明顯。受暖低壓影響，11—13日青海大部分地區(qū)的氣溫呈緩慢升高趨勢，12—13日48 h累積升溫10℃以上，最高升溫12℃，為此次寒潮天氣提供了足夠的降溫空間。由于基礎(chǔ)溫度偏高，從而導(dǎo)致了大范圍的降溫;②冷空氣勢力強(qiáng)。13日08：00南疆的強(qiáng)冷空氣開始侵入青海，并東移南壓，寒潮天氣自西向東爆發(fā)，影響青海48 h，全省最低氣溫普遍下降8～10℃以上，其中大柴旦、小灶火、瑪沁和河南4站的最低氣溫24 h下降16℃（圖1），河南站15日最低氣溫降至-26℃;③受強(qiáng)冷空氣影響，寒潮過程中出現(xiàn)了大風(fēng)、沙塵暴、揚沙和弱降水天氣。全省23個測站出現(xiàn)大風(fēng)天氣，西部的五道梁站出現(xiàn)瞬時風(fēng)速達(dá)28 m/s（11級）的西北風(fēng)，5個測站出現(xiàn)沙塵暴，8個測站出現(xiàn)揚沙，茫崖站出現(xiàn)強(qiáng)沙塵暴，能見度800 m，東部和南部的部分站點出現(xiàn)了弱降水。較低的氣溫及大風(fēng)和沙塵暴天氣對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和道路交通造成了一定的不利影響。

2影響系統(tǒng)分析

這是青海省一次典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮天氣（圖2）。從3月9日開始，500 hPa烏拉爾山高壓脊和鄂霍次克海高壓向極區(qū)伸展，此后，亞洲極渦加強(qiáng)并南壓，形成典型的寒潮中期環(huán)流形勢倒大“Ω”流型。隨著上游強(qiáng)鋒區(qū)東移發(fā)展，12日脊前超過20 m/s的西北風(fēng)引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣南下在蒙古橫槽堆積醞釀，強(qiáng)冷平流持續(xù)輸送，橫槽加深發(fā)展，并南壓至新疆北部，蒙古冷中心達(dá)到-44℃，700 hPa冷中心-28℃。13日20：00冷中心為-38℃的新疆橫槽開始轉(zhuǎn)豎，700 hPa冷中心-21℃，環(huán)流經(jīng)向度加大，青海上空槽后西北風(fēng)26 m/s，風(fēng)向與等溫線夾角近乎垂直，溫度梯度大（500 hPa -12℃/6緯度，700 hPa -13℃/6緯度），等溫線密集，鋒區(qū)強(qiáng)，說明上游有強(qiáng)冷平流持續(xù)輸送到青海。強(qiáng)西風(fēng)引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣堆南下，侵入青海西部，寒潮爆發(fā)。14日08：00橫槽完全轉(zhuǎn)豎，新疆冷槽東移至青海中部，500 hPa冷中心仍維持在-38℃，700 hPa冷中心-22℃，強(qiáng)冷空氣繼續(xù)東南移動，影響青海東部，東部寒潮爆發(fā)。過程中300 hPa高空西風(fēng)急流位于青海上空，急流軸最大風(fēng)速38 m/s。急流入口區(qū)動力鋒生，產(chǎn)生的橫向非地轉(zhuǎn)正次級環(huán)流加大了地面的氣壓梯度，導(dǎo)致地面風(fēng)速增大，冷平流輸送加強(qiáng)，從而使地面氣溫下降。

12日08：00地面上巴爾喀什湖北部1 047.5 hPa的冷高壓發(fā)展，隨著巴湖橫槽發(fā)展東移，13日05：00蒙古冷高壓中心達(dá)到1 060 hPa（圖3a）。20：00橫槽開始轉(zhuǎn)豎，強(qiáng)冷高壓分裂東移南下，冷高壓前沿的地面冷鋒隨高空西北風(fēng)（引導(dǎo)氣流）東南向移動，到13日西北路冷空氣進(jìn)入南疆盆地，不斷堆積后越過阿爾金山進(jìn)入青海西部;另一部分沿河西走廊南下的北路冷空氣由偏東風(fēng)引導(dǎo)倒灌進(jìn)入青海東部，14日11：00青海北部冷高壓中心達(dá)到1 050 hPa，14日夜間青海東部受1 047.5 hPa的冷高壓影響。此次過程中500 hPa橫槽深厚，地面蒙古冷高壓強(qiáng)大，西北路冷空氣移速快于西路冷空氣，因此，此次寒潮天氣自西向東暴發(fā)。

3溫度變化影響因子分析

針對此次寒潮過程，該文定量分析影響局地溫度變化的各因子的作用，以期在以后的寒潮過程中更精準(zhǔn)地把握不同溫度影響因子的不同作用。

一般來說，局地溫度變化由4個因子決定，方程如下：

3.1氣團(tuán)的個別變化

3.3溫度的對流變化

700 hPa溫度變化既受其下部垂直運動的影響，也受其上部垂直運動的影響。因此，分析溫度對流變化的影響，需要計算上下兩個層次溫度垂直運動對該地區(qū)溫度局地變化的影響。

根據(jù)格爾木站13日20：00和14日08：00的探空溫度曲線計算垂直溫度遞減率，再利用2個時次垂直速度計算溫度對流變化，則：

13日20：00格爾木站附近地面至700 hPa溫度對流變化為-5.9×10-5℃·Pa-1，14日08：00溫度對流變化為3.4×10-4℃·Pa-1;13日20：00 700 hPa至500 hPa溫度對流變化為-1.4×10-3℃·Pa-1，14日08：00溫度對流變化為4.9×10-4℃·Pa-1。

根據(jù)西寧站14日20：00和15日08：00的探空溫度曲線計算垂直溫度遞減率，再利用2個時次垂直速度計算溫度對流變化，則：

14日20：00西寧站附近地面至700 hPa溫度對流變化為7.1×10-4℃·Pa-1，15日08：00溫度對流變化為1.1×10-4℃·Pa-1;14日20：00 700 hPa至500 hPa溫度對流變化為1.4×10-4℃·Pa-1，15日08：00溫度對流變化為4.8×10-4℃·Pa-1。

綜合上、下兩層對流變化項的結(jié)果，13日20：00和14日08：00格爾木站附近對流變化項-ω分別為-1.34×10-3℃·Pa-1和1.5×10-4℃·Pa-1。14日20：00和15日08：00西寧站附近700 hPa對流變化項-ω分別為0.69×10-4℃·Pa-1和4.69×10-4℃·Pa-1。

3.4非絕熱因子

3.5各影響因子對最低溫度變化的影響分析

通過上述分析來定量判定13—15日寒潮過程中影響青海西部和東部地區(qū)溫度變化的主要因子以及各自的貢獻(xiàn)。由于各影響因子的時段及持續(xù)間不同，如個別變化項和非絕熱項在整個時間段內(nèi)均有影響，但平流變化項和對流變化項是時間的函數(shù)，且呈現(xiàn)一定非線性變化（在計算其貢獻(xiàn)率時，為了便于積分，二者均采用線性變化）。因此，需要根據(jù)不同因子采用不同的積分區(qū)間，來定量估計各因子在此期對局地溫度變化的貢獻(xiàn)，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，此次青海省寒潮天氣過程中最低溫度下降主要是由溫度平流項和垂直運動引起的對流變化項決定。這2項對青海西部的降溫貢獻(xiàn)大于青海東部，特別是14日前半夜溫度的對流變化引起的降溫達(dá)到25℃，因為前半夜青海西部為上升氣流，垂直溫度梯度大，地面熱量被迅速帶入中高層大氣。后半夜地面降溫后，中低層基本為弱下沉氣流，下沉絕熱增溫對降溫有一定抵消。同時，這與西部的盆地地形有關(guān)。冷氣團(tuán)的個別變化項對降溫也有一定貢獻(xiàn)，對東部和西部的降溫貢獻(xiàn)基本相等。由于此次冷空氣勢力強(qiáng)，冷氣團(tuán)在移動過程中變性慢，此項對東部和西部的降溫都是正貢獻(xiàn)。非絕熱加熱項對青海西部起到增溫作用，對降溫是負(fù)貢獻(xiàn)。青海東部由于過程中濕度條件差，此項對其溫度變化沒有作用。

綜上可知，在此次強(qiáng)冷空氣引起的寒潮天氣過程中，溫度平流變化項和對流變化項對近地層的溫度變化起了主導(dǎo)作用。寒潮過程前期應(yīng)重點關(guān)注溫度平流變化的影響，過程結(jié)束時應(yīng)重點關(guān)注溫度對流變化。個別變化項的影響程度依賴于冷空氣強(qiáng)度和冷氣團(tuán)變性程度。非絕熱項的影響較其他項小，且過程結(jié)束時，潛熱釋放對降溫有一定的抵消，但抵消程度取決于當(dāng)時大氣中發(fā)生相態(tài)變化的水汽含量。

4結(jié)論與討論

在分析2011年3月14—15日青海省寒潮天氣過程成因的基礎(chǔ)上，根據(jù)局地溫度方程，定量分析了過程中影響溫度變化的主要因子和各自的貢獻(xiàn)，結(jié)論如下：

（1）此次過程是青海省一次典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮天氣。過程前期形成典型的寒潮中期倒大“Ω”流型。上游有強(qiáng)冷平流輸送，13日500 hPa冷中心達(dá)到-44℃，700 hPa冷中心-28℃，青海上空西北風(fēng)風(fēng)速達(dá)26 m/s，300 hPa高空西風(fēng)急流最大風(fēng)速38 m/s。急流入口區(qū)的橫向非地轉(zhuǎn)正次級環(huán)流也使得地面氣溫下降。

（2）影響青海的冷空氣強(qiáng)度達(dá)1 050 hPa，青海西部的寒潮出現(xiàn)在14日凌晨，東部出現(xiàn)在15日凌晨。強(qiáng)冷空氣首先進(jìn)入西部的柴達(dá)木盆地，24 h正變壓最大18 hPa，最大24 h負(fù)變溫為-18℃，最低氣溫平均下降10～13℃，格爾木站下降幅度最大，達(dá)到16℃。青海東部24 h最大正變壓18 hPa，24 h最大負(fù)變溫為-11℃，最低氣溫平均下降6～8℃，河南站降溫最強(qiáng)，為16℃。同時東部和西部的地面風(fēng)速在13日和14日白天增大，并以偏西風(fēng)為主。

（3）此次大范圍寒潮天氣過程中的溫度變化主要是由溫度平流項和對流變化項決定，且這2項對青海西部的降溫貢獻(xiàn)大于青海東部。冷氣團(tuán)的個別變化項對降溫也有一定貢獻(xiàn)，對東部和西部的貢獻(xiàn)基本相等。非絕熱加熱項對青海西部起到增溫作用，而對青海東部的溫度變化沒有作用。

（4）由強(qiáng)冷空氣引起的寒潮天氣過程中，溫度平流變化和對流變化在降溫中起主導(dǎo)作用，在寒潮過程前期應(yīng)關(guān)注溫度平流變化的影響，過程結(jié)束時應(yīng)關(guān)注溫度的對流變化。個別變化項的影響依賴于冷空氣強(qiáng)度和冷氣團(tuán)變性程度。非絕熱項的影響取決于大氣中發(fā)生相態(tài)變化的水汽含量，此項對溫度變化有約束效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬嚴(yán)枝，李娟，李新生，等. 2016年一次寒潮天氣過程診斷分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2017，33（18）：94-102.

[2] 王遵婭，丁一匯. 近53年中國寒潮的變化特征及其可能原因[J].大氣科學(xué)，2006（6）：1068-1076.

[3] 伍靜，蔣運志，唐熠. 桂林寒潮過程的氣候特征分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2012，2（Z2）：36-39，49.

[4] 王江山，李錫福.青海天氣氣候[M].北京：氣象出版社，2004.

[5] 朱乾根，林瑞錦，壽紹文，等.天氣學(xué)原理與方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[6] 陳豫英，陳楠，聶金鑫，等. 2011年3月寧夏一次寒潮天氣過程診斷[J].干旱氣象，2012，30（1）：88-93.

[7] 李文莉，宋琳琳，伏晶. 2009年1月21—23日西北區(qū)寒潮天氣過程分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（10）：4502-4505，4518.

[8] 李昕翼，謝娜，施娟，等. 2010年3月成都一次寒潮天氣過程分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（24）：14913-14916，14947.

[9] 姚永明，姚雷，鄧偉濤. 長江中下游地區(qū)類寒潮發(fā)生頻次的變化特征分析[J].氣象，2011，37（3）：339-344.

[10] 張艷梅，張普宇，顧欣，等. 貴州高原寒潮災(zāi)害的氣候特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2010，31（1）：151-154，159.

[11] 趙玉廣，于長文，何麗華，等. 河北省寒潮的氣候特征與冬季增暖[J].干旱氣象，2012，30（2）：244-248.

[12] 劉憲鋒，朱秀芳，潘耀忠，等. 近53年內(nèi)蒙古寒潮時空變化特征及其影響因素[J].地理學(xué)報，2014，69（7）：1013-1024.

[13] 伍紅雨，杜堯東. 1961—2008年華南區(qū)域寒潮變化的氣候特征[J].氣候變化研究進(jìn)展，2010，6（3）：192-197.

[14] 郭蘭.三門峽兩次寒潮天氣過程對比分析[J].河南科技，2015（10）：141-144.

[15] 張培忠，陳光明. 影響中國寒潮冷高壓的統(tǒng)計研究[J].氣象學(xué)報，1999（4）：493-501.

[16] 李向紅，廖幕科，熊英明，等. 影響廣西的三次寒潮過程對比研究[J].氣象科學(xué)，2011，31（2）：228-235.

[17] 馬素艷，韓經(jīng)緯，宋桂英，等. 2014年春季內(nèi)蒙古2次大風(fēng)降雪寒潮過程分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2015，31（20）：224-232.

[18] 田秀霞，壽紹文. 2008年12月兩次強(qiáng)寒潮過程的等熵位渦分析[J].氣象科學(xué)，2013，33（1）：102-108.

[19] 張秉祥，王立榮，楊榮珍，等. 數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對寒潮天氣過程的預(yù)報能力檢驗[J].干旱氣象，2010，28（1）：96-101.

責(zé)任編輯：李楊