隆冬季節(jié)四次低溫天氣成因?qū)Ρ确治?/h1>
2021-03-24 11:41:08李樹嶺孟瑩瑩
黑龍江氣象 2021年4期
李樹嶺 ，趙 玲 ，孟瑩瑩 ， 龐 博 ,付 雯
（1.哈爾濱市氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030;3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030）
1 引言
以往關(guān)于低溫與環(huán)流形勢(shì)關(guān)系的研究，多從月、季時(shí)間尺度進(jìn)行研究[1-3]，而從中短期預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)行低溫預(yù)報(bào)方法的研究較少， 且多以烏拉爾山阻塞高壓、冷空氣路徑、冷平流和地面冷高壓對(duì)地面低溫的影響研究為主[4-6]。 不過也有個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力小有利于夜間輻射降溫， 以及大氣穩(wěn)定度或逆溫對(duì)地面氣溫變化有重要影響[6-8]。 2020年年末至2021年1月中旬， 中國(guó)中東部地區(qū)接連受低溫或寒潮天氣影響， 不斷有最低氣溫突破當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠須鉁貥O低值的報(bào)告，給人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響，黑龍江省多地氣溫也刷新了2020年入冬以來的最低值記錄， 其中 2020年12月26日到 2021年1月2日“跨年”低溫對(duì)黑龍江省影響相對(duì)較重。
本文利用實(shí)況觀測(cè)資料和物理量診斷資料，對(duì)黑龍江省此次低溫天氣以及2001年1月上旬到中旬初、2013年1月上旬、2018年1月下旬低溫時(shí)段的天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)比分析， 總結(jié)出一些低溫天氣的中短期預(yù)報(bào)思路和預(yù)報(bào)依據(jù)， 供預(yù)報(bào)員在日常業(yè)務(wù)中參考應(yīng)用。
2 四次低溫天氣實(shí)況
在本次研究中， 選取2001年1月上旬到中旬初低溫時(shí)段為個(gè)例1， 選取2013年1月上旬低溫時(shí)段為個(gè)例2，選取2018年1月下旬低溫時(shí)段為個(gè)例3，選取 2020年12月26日到 2021年1月2日低溫時(shí)段為個(gè)例4，其中在這四個(gè)低溫個(gè)例中多數(shù)站點(diǎn)的日最低氣溫分別在 2001年1月11日、2013年1月8日、2018年1月23日以及 2020年12月28日的早晨達(dá)到最低。
在四個(gè)低溫天氣個(gè)例中， 從低溫的強(qiáng)度和低溫的范圍以及低溫持續(xù)時(shí)間看， 前三個(gè)個(gè)例的低溫明顯強(qiáng)于第四個(gè)。 前三個(gè)個(gè)例持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)，范圍大，其中個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 第二強(qiáng)，個(gè)例2 第三強(qiáng)。
個(gè)例3 最強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部、哈爾濱北部、 佳木斯東部， 其中呼中最低氣溫-47.7℃、漠河-45.2 ℃、嘉蔭-44.9 ℃、慶安-43.4 ℃、烏伊嶺-43.1 ℃、五大連池-42.5 ℃、訥河-41.1 ℃、撫遠(yuǎn)-41 ℃，綏棱-41 ℃，加格達(dá)奇-40.2 ℃、延壽-40.1 ℃，均為這四個(gè)個(gè)例中當(dāng)?shù)貧鉁氐淖畹椭担?撫遠(yuǎn)等個(gè)別站點(diǎn)接近或突破有記錄以來的極低值記錄。
個(gè)例1 第二強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化、哈爾濱北部，其中呼中-44.4 ℃，嫩江-43.9 ℃（突破歷史極低值記錄），伊春、拜泉、通河-42 ℃左右。
個(gè)例2 第三強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)主要分布在大興安嶺、黑河、伊春三個(gè)地區(qū)，且最低氣溫高于第二個(gè)個(gè)例和第三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例4 最弱。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)僅分布在大興安嶺北部。 部分站點(diǎn)雖然達(dá)到2020年入冬以來的最低值，但是沒有站點(diǎn)突破歷史極低值記錄。
3 中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
3.1 500 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度
在500 hPa 高度場(chǎng)上（圖1），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫較強(qiáng)時(shí)，黑龍江省上空的冷空氣強(qiáng)度不同，等高線與等溫線交角小。 亞洲中高緯都是西高東低的環(huán)流形勢(shì)，但是位相略有差異。在個(gè)例1和個(gè)例3、個(gè)例4 中，伸向極地或較高緯度的高壓脊偏西，位于烏拉爾山地區(qū)，個(gè)例2 中的高壓脊位于中亞地區(qū)。
圖1 亞洲中高緯500 hPa 位勢(shì)高度/dagpm（實(shí)線）、溫度/℃（虛線）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）（a）2001年1月11日 08時(shí) （b）2013年1月8日 08時(shí) （c）2018年1月23日 08時(shí) （b）2020年12月28日 08時(shí)
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 500 hPa，主體冷空氣位于黑龍江省及其以北的俄羅斯區(qū)域， 全省500 hPa 氣溫低于-44 ℃，其中中西部低于-46 ℃，-49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部， 在高度場(chǎng)上則對(duì)應(yīng)是一個(gè)閉合等高線為496 dagpm 的冷渦，中心強(qiáng)度＜492 dagpm。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 500 hPa， 主體冷空氣位于鄂霍茨克海上，與東亞大槽相伴，中心強(qiáng)度低于-44 ℃，黑龍江省位于槽后，冷空氣最強(qiáng)處位于黑龍江省北部?jī)H為-40 ℃左右，弱于其它三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 500 hPa，主體冷空氣從西伯利亞向東南移入黑龍江省，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)； -49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部，相應(yīng)的有范圍較大的閉合等高線為496 dagpm 的冷渦位于黑龍江省北部及其以北的俄羅斯區(qū)域， 中心強(qiáng)度＜492 dagpm 。 冷渦和冷中心的強(qiáng)度、位置與個(gè)例1 接近，但是范圍比個(gè)例1 明顯偏大。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 500 hPa，-44 ℃冷空氣中心位于貝加爾湖到黑龍江省北部以及鄂霍茨克海，鄂霍茨克海上有＜496 dagpm 的冷渦與之配合，其橫槽向西經(jīng)過黑龍江省伸至貝加爾湖以西， 伴隨著烏拉爾山高壓脊東移、 橫槽轉(zhuǎn)豎， 冷空氣向南爆發(fā)。
低溫強(qiáng)度排前2 位的個(gè)例1 與個(gè)例3，500 hPa冷空氣中心強(qiáng)度接近，且均位于黑龍江省北部。 對(duì)應(yīng)在黑龍江省都有較強(qiáng)的冷渦控制， 并有冷中心與冷渦幾乎重合， 表明冷渦與冷空氣幾乎發(fā)展到了最強(qiáng)階段。個(gè)例3 低于-48 ℃的冷中心的范圍明顯大于個(gè)例1，冷空氣總體強(qiáng)于個(gè)例1。 冷空氣強(qiáng)度的這種差別與地面最低氣溫的差別表現(xiàn)一致。個(gè)例2和個(gè)例4在環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上明顯與個(gè)例1和個(gè)例3 不同， 冷渦位于鄂霍次克海上， 黑龍江省上空不是冷渦而是高空槽，冷空氣強(qiáng)度也較弱，尤其是個(gè)例2 的中層冷空氣強(qiáng)度最弱。 冷空氣的這些特征可以解釋個(gè)例3 是低溫強(qiáng)度最強(qiáng)的原因，也可以解釋個(gè)例1、個(gè)例3 的低溫強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，但是不能解釋個(gè)例2的低溫強(qiáng)度為什么明顯強(qiáng)于個(gè)例4。
分析四個(gè)低溫天氣過程亞洲中高緯500 hPa 平均高度場(chǎng)和距平場(chǎng)（圖略）特征，發(fā)現(xiàn)均為西高東低和北高南低環(huán)流形勢(shì)，即具有北極濤動(dòng)（AO）的負(fù)位相特征。 這個(gè)分析結(jié)果與文獻(xiàn)[1-3]對(duì)北極濤動(dòng)和烏拉爾山阻塞高壓與北方地區(qū)氣溫變化的關(guān)系的研究結(jié)果一致。 烏拉爾山和極地暖空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)，正高度距平中心強(qiáng)度≥15 dagpm，而西伯利亞地區(qū)南部冷空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)， 負(fù)高度距平中心強(qiáng)度≤-10 dagpm。
3.2 850 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
在850 hPa（圖2），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫最強(qiáng)時(shí)有兩個(gè)共同點(diǎn)， 一個(gè)是黑龍江省都位于高空槽或高空冷渦后部的西北氣流里， 另一個(gè)是黑龍江省上空都有冷中心。 冷中心落后于高空槽，等高線與等溫線有一定的交角，以冷平流為主。 黑龍江省西北部等溫線稀疏，冷平流較弱甚至有弱暖平流或冷平流。每個(gè)個(gè)例的冷空氣強(qiáng)度以及在東部和南部的等溫線稀疏程度和冷平流強(qiáng)度不同。
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 850 hPa，黑龍江省在低于-32 ℃的冷空氣控制中，中部大部地區(qū)冷空氣強(qiáng)度低于-34 ℃，中心強(qiáng)度為-37 ℃，冷空氣較強(qiáng)。 等溫線稀疏，風(fēng)力8-10 m·s-1。東部地區(qū)冷平流明顯，中西部地區(qū)溫度平流較弱。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 850 hPa，黑龍江省在低于-20 ℃的冷空氣控制中，冷空氣強(qiáng)度較弱，中北部地區(qū)低于-28 ℃，僅在大興安嶺南部、黑河北部較小的范圍內(nèi)低于-30 ℃。 等溫線稀疏，風(fēng)力 6-8 m·s-1，溫度平流較弱。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 850 hPa，冷中心在黑龍江省北側(cè)的俄羅斯境內(nèi)， 中心強(qiáng)度接近-39 ℃。黑龍江省大部在低于-30 ℃的冷空氣控制中，其中大興安嶺地區(qū)冷空氣強(qiáng)度-34 ℃左右。東南部地區(qū)等溫線相對(duì)密集，冷平流明顯；西部和北部地區(qū)等溫線稀疏，風(fēng)力多為4-6 m·s-1，有弱冷平流。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 850 hPa， 黑龍江省北部地區(qū)低于-28 ℃，其中大興安嶺地區(qū)上空有低于-32-（-30） ℃的冷中心，等溫線稀疏，有弱暖平流或零平流。 黑龍江省中南部地區(qū)位于冷鋒鋒區(qū)中，溫度為-28-（-20） ℃， 等溫線在四個(gè)個(gè)例中最為密集。風(fēng)力在四個(gè)個(gè)例中最大（12 m·s-1左右）。個(gè)例4 在黑龍江省中南部地區(qū)的冷平流在四個(gè)個(gè)例中強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大。 12月29日，冷空氣進(jìn)一步東移南下，全省850 hPa 溫度低于-28 ℃，雖然冷空氣和冷平流較強(qiáng)，但是由于西北風(fēng)風(fēng)力較大，熱量湍流交換強(qiáng)，地面降溫幅度較小。
綜上所述， 黑龍江省低層冷空氣強(qiáng)度個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 次之，均強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，可以解釋個(gè)例1和個(gè)例3 的低溫比個(gè)例2和個(gè)例4 強(qiáng)。 但是，個(gè)例2 與個(gè)例4、個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度并不完全對(duì)應(yīng)。
3.3 海平面氣壓場(chǎng)與低溫程度的關(guān)系
四次低溫天氣過程中最低氣溫較低時(shí)對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)（圖3）也有共同特點(diǎn)，即黑龍江省除大興安嶺地區(qū)外均位于冷高壓前部的偏北氣流中， 等壓線稀疏，風(fēng)力小，湍流弱，有利于夜間晴空輻射降溫，形成近地面或低層較強(qiáng)的逆溫， 從而形成較強(qiáng)的低溫天氣。 可以認(rèn)為，海平面氣壓場(chǎng)上這種冷高壓前部較稀疏的等壓線分布特征是有利于形成低溫天氣。
綜合分析發(fā)現(xiàn)冷高壓強(qiáng)度以及黑龍江省海平面氣壓值的高低與最低氣溫值大小沒有呈反比等對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，個(gè)例3 與個(gè)例4 的冷高壓位置接近，其中心強(qiáng)度均較強(qiáng)， 尤其是個(gè)例4 無論是冷高壓中心強(qiáng)度還是黑龍江省的海平面氣壓值在四個(gè)個(gè)例中均最強(qiáng)或最大， 但是個(gè)例4 的低溫程度在四個(gè)個(gè)例中卻最弱。
4 中低層風(fēng)力對(duì)低溫強(qiáng)度的影響
個(gè)例2 與個(gè)例4 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度以及個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度不完全對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與中低層風(fēng)速大小即熱量的湍流交換強(qiáng)度有一定關(guān)系。
四個(gè)個(gè)例中各層風(fēng)向以偏西風(fēng)或偏北風(fēng)為主，近地面風(fēng)速均較小， 但是低溫程度最輕的個(gè)例4 中低層風(fēng)速明顯大于其它三個(gè)個(gè)例（表1-2）。個(gè)例4 在400-700 hPa 的風(fēng)速明顯大于個(gè)例2， 冷鋒鋒區(qū)和冷平流強(qiáng)，湍流熱量交換強(qiáng)，低層輻射降溫和逆溫相對(duì)較弱，所以，雖然個(gè)例4 在黑龍江省北部中低層冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2， 但是地面最低氣溫高于個(gè)例2。另外，個(gè)例3 影響黑龍江省的冷空氣強(qiáng)度接近個(gè)例1，實(shí)際個(gè)例3 的低溫明顯強(qiáng)于個(gè)例1，其原因也可以用中低層風(fēng)速的差異解釋， 例如個(gè)例3 中低層風(fēng)速小于個(gè)例1，相應(yīng)的，個(gè)例3 的低溫程度總體強(qiáng)于個(gè)例1。
表1 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)哈爾濱各層風(fēng)速/m·s-1
可見， 中低層風(fēng)速大小尤其是中層風(fēng)速對(duì)低溫程度的影響至關(guān)重要， 以后在制作溫度預(yù)報(bào)或研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法時(shí)除關(guān)注中低層環(huán)流形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外，也要重視分析風(fēng)力對(duì)氣溫預(yù)報(bào)的影響。
表2 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)嫩江各層風(fēng)速/m·s-1
5 小結(jié)與思考
（1）本文分析得到一些有利于黑龍江省隆冬季節(jié)出現(xiàn)低溫的天氣形勢(shì)、 影響系統(tǒng)及部分相關(guān)的氣象要素特征， 可為今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)低溫天氣增加預(yù)報(bào)依據(jù)。 但是分析中使用的低溫天氣個(gè)例較少，所得結(jié)果有待于今后通過分析更多的低溫天氣個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)、補(bǔ)充和完善。
（2）亞洲中高緯500 hPa 高度場(chǎng)西高東低、北高南低環(huán)流形勢(shì)有利于黑龍江省出現(xiàn)低溫天氣。 黑龍江省上空受冷渦影響比受高空槽影響時(shí)低溫強(qiáng)度易更強(qiáng)。
（3）黑龍江省低溫易達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的天氣形勢(shì)特點(diǎn)為： 中層冷渦與冷空氣接近重合且位于黑龍江省附近時(shí)； 低層黑龍江省位于冷渦后或高空槽后的西北氣流里，冷中心落后于冷渦或高空槽，且黑龍江省處于冷空氣中心區(qū)域； 海平面氣壓場(chǎng)上黑龍江省位于冷高壓前部等壓線較稀疏區(qū)域。
（4）當(dāng)中低層冷空氣強(qiáng)度接近時(shí)，中低層風(fēng)速越小，低溫強(qiáng)度越強(qiáng)。 今后在研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法或制作極端最低氣溫預(yù)報(bào)時(shí)， 除考慮中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外， 還需考慮風(fēng)向風(fēng)速對(duì)氣溫變化的影響。
（5）建議今后研究并建立黑龍江省隆冬季節(jié)低溫天氣事件綜合強(qiáng)度分等級(jí)評(píng)估規(guī)范， 并建立客觀的低溫天氣分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法以及相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為在日常業(yè)務(wù)工作中做好低溫天氣過程監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等氣象服務(wù)工作提供科學(xué)依據(jù)。
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1 引言
以往關(guān)于低溫與環(huán)流形勢(shì)關(guān)系的研究，多從月、季時(shí)間尺度進(jìn)行研究[1-3]，而從中短期預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)行低溫預(yù)報(bào)方法的研究較少， 且多以烏拉爾山阻塞高壓、冷空氣路徑、冷平流和地面冷高壓對(duì)地面低溫的影響研究為主[4-6]。 不過也有個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力小有利于夜間輻射降溫， 以及大氣穩(wěn)定度或逆溫對(duì)地面氣溫變化有重要影響[6-8]。 2020年年末至2021年1月中旬， 中國(guó)中東部地區(qū)接連受低溫或寒潮天氣影響， 不斷有最低氣溫突破當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠須鉁貥O低值的報(bào)告，給人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響，黑龍江省多地氣溫也刷新了2020年入冬以來的最低值記錄， 其中 2020年12月26日到 2021年1月2日“跨年”低溫對(duì)黑龍江省影響相對(duì)較重。
本文利用實(shí)況觀測(cè)資料和物理量診斷資料，對(duì)黑龍江省此次低溫天氣以及2001年1月上旬到中旬初、2013年1月上旬、2018年1月下旬低溫時(shí)段的天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)比分析， 總結(jié)出一些低溫天氣的中短期預(yù)報(bào)思路和預(yù)報(bào)依據(jù)， 供預(yù)報(bào)員在日常業(yè)務(wù)中參考應(yīng)用。
2 四次低溫天氣實(shí)況
在本次研究中， 選取2001年1月上旬到中旬初低溫時(shí)段為個(gè)例1， 選取2013年1月上旬低溫時(shí)段為個(gè)例2，選取2018年1月下旬低溫時(shí)段為個(gè)例3，選取 2020年12月26日到 2021年1月2日低溫時(shí)段為個(gè)例4，其中在這四個(gè)低溫個(gè)例中多數(shù)站點(diǎn)的日最低氣溫分別在 2001年1月11日、2013年1月8日、2018年1月23日以及 2020年12月28日的早晨達(dá)到最低。
在四個(gè)低溫天氣個(gè)例中， 從低溫的強(qiáng)度和低溫的范圍以及低溫持續(xù)時(shí)間看， 前三個(gè)個(gè)例的低溫明顯強(qiáng)于第四個(gè)。 前三個(gè)個(gè)例持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)，范圍大，其中個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 第二強(qiáng)，個(gè)例2 第三強(qiáng)。
個(gè)例3 最強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部、哈爾濱北部、 佳木斯東部， 其中呼中最低氣溫-47.7℃、漠河-45.2 ℃、嘉蔭-44.9 ℃、慶安-43.4 ℃、烏伊嶺-43.1 ℃、五大連池-42.5 ℃、訥河-41.1 ℃、撫遠(yuǎn)-41 ℃，綏棱-41 ℃，加格達(dá)奇-40.2 ℃、延壽-40.1 ℃，均為這四個(gè)個(gè)例中當(dāng)?shù)貧鉁氐淖畹椭担?撫遠(yuǎn)等個(gè)別站點(diǎn)接近或突破有記錄以來的極低值記錄。
個(gè)例1 第二強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化、哈爾濱北部，其中呼中-44.4 ℃，嫩江-43.9 ℃（突破歷史極低值記錄），伊春、拜泉、通河-42 ℃左右。
個(gè)例2 第三強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)主要分布在大興安嶺、黑河、伊春三個(gè)地區(qū)，且最低氣溫高于第二個(gè)個(gè)例和第三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例4 最弱。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)僅分布在大興安嶺北部。 部分站點(diǎn)雖然達(dá)到2020年入冬以來的最低值，但是沒有站點(diǎn)突破歷史極低值記錄。
3 中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
3.1 500 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度
在500 hPa 高度場(chǎng)上（圖1），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫較強(qiáng)時(shí)，黑龍江省上空的冷空氣強(qiáng)度不同，等高線與等溫線交角小。 亞洲中高緯都是西高東低的環(huán)流形勢(shì)，但是位相略有差異。在個(gè)例1和個(gè)例3、個(gè)例4 中，伸向極地或較高緯度的高壓脊偏西，位于烏拉爾山地區(qū)，個(gè)例2 中的高壓脊位于中亞地區(qū)。
圖1 亞洲中高緯500 hPa 位勢(shì)高度/dagpm（實(shí)線）、溫度/℃（虛線）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）（a）2001年1月11日 08時(shí) （b）2013年1月8日 08時(shí) （c）2018年1月23日 08時(shí) （b）2020年12月28日 08時(shí)
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 500 hPa，主體冷空氣位于黑龍江省及其以北的俄羅斯區(qū)域， 全省500 hPa 氣溫低于-44 ℃，其中中西部低于-46 ℃，-49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部， 在高度場(chǎng)上則對(duì)應(yīng)是一個(gè)閉合等高線為496 dagpm 的冷渦，中心強(qiáng)度＜492 dagpm。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 500 hPa， 主體冷空氣位于鄂霍茨克海上，與東亞大槽相伴，中心強(qiáng)度低于-44 ℃，黑龍江省位于槽后，冷空氣最強(qiáng)處位于黑龍江省北部?jī)H為-40 ℃左右，弱于其它三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 500 hPa，主體冷空氣從西伯利亞向東南移入黑龍江省，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)； -49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部，相應(yīng)的有范圍較大的閉合等高線為496 dagpm 的冷渦位于黑龍江省北部及其以北的俄羅斯區(qū)域， 中心強(qiáng)度＜492 dagpm 。 冷渦和冷中心的強(qiáng)度、位置與個(gè)例1 接近，但是范圍比個(gè)例1 明顯偏大。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 500 hPa，-44 ℃冷空氣中心位于貝加爾湖到黑龍江省北部以及鄂霍茨克海，鄂霍茨克海上有＜496 dagpm 的冷渦與之配合，其橫槽向西經(jīng)過黑龍江省伸至貝加爾湖以西， 伴隨著烏拉爾山高壓脊東移、 橫槽轉(zhuǎn)豎， 冷空氣向南爆發(fā)。
低溫強(qiáng)度排前2 位的個(gè)例1 與個(gè)例3，500 hPa冷空氣中心強(qiáng)度接近，且均位于黑龍江省北部。 對(duì)應(yīng)在黑龍江省都有較強(qiáng)的冷渦控制， 并有冷中心與冷渦幾乎重合， 表明冷渦與冷空氣幾乎發(fā)展到了最強(qiáng)階段。個(gè)例3 低于-48 ℃的冷中心的范圍明顯大于個(gè)例1，冷空氣總體強(qiáng)于個(gè)例1。 冷空氣強(qiáng)度的這種差別與地面最低氣溫的差別表現(xiàn)一致。個(gè)例2和個(gè)例4在環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上明顯與個(gè)例1和個(gè)例3 不同， 冷渦位于鄂霍次克海上， 黑龍江省上空不是冷渦而是高空槽，冷空氣強(qiáng)度也較弱，尤其是個(gè)例2 的中層冷空氣強(qiáng)度最弱。 冷空氣的這些特征可以解釋個(gè)例3 是低溫強(qiáng)度最強(qiáng)的原因，也可以解釋個(gè)例1、個(gè)例3 的低溫強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，但是不能解釋個(gè)例2的低溫強(qiáng)度為什么明顯強(qiáng)于個(gè)例4。
分析四個(gè)低溫天氣過程亞洲中高緯500 hPa 平均高度場(chǎng)和距平場(chǎng)（圖略）特征，發(fā)現(xiàn)均為西高東低和北高南低環(huán)流形勢(shì)，即具有北極濤動(dòng)（AO）的負(fù)位相特征。 這個(gè)分析結(jié)果與文獻(xiàn)[1-3]對(duì)北極濤動(dòng)和烏拉爾山阻塞高壓與北方地區(qū)氣溫變化的關(guān)系的研究結(jié)果一致。 烏拉爾山和極地暖空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)，正高度距平中心強(qiáng)度≥15 dagpm，而西伯利亞地區(qū)南部冷空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)， 負(fù)高度距平中心強(qiáng)度≤-10 dagpm。
3.2 850 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
在850 hPa（圖2），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫最強(qiáng)時(shí)有兩個(gè)共同點(diǎn)， 一個(gè)是黑龍江省都位于高空槽或高空冷渦后部的西北氣流里， 另一個(gè)是黑龍江省上空都有冷中心。 冷中心落后于高空槽，等高線與等溫線有一定的交角，以冷平流為主。 黑龍江省西北部等溫線稀疏，冷平流較弱甚至有弱暖平流或冷平流。每個(gè)個(gè)例的冷空氣強(qiáng)度以及在東部和南部的等溫線稀疏程度和冷平流強(qiáng)度不同。
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 850 hPa，黑龍江省在低于-32 ℃的冷空氣控制中，中部大部地區(qū)冷空氣強(qiáng)度低于-34 ℃，中心強(qiáng)度為-37 ℃，冷空氣較強(qiáng)。 等溫線稀疏，風(fēng)力8-10 m·s-1。東部地區(qū)冷平流明顯，中西部地區(qū)溫度平流較弱。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 850 hPa，黑龍江省在低于-20 ℃的冷空氣控制中，冷空氣強(qiáng)度較弱，中北部地區(qū)低于-28 ℃，僅在大興安嶺南部、黑河北部較小的范圍內(nèi)低于-30 ℃。 等溫線稀疏，風(fēng)力 6-8 m·s-1，溫度平流較弱。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 850 hPa，冷中心在黑龍江省北側(cè)的俄羅斯境內(nèi)， 中心強(qiáng)度接近-39 ℃。黑龍江省大部在低于-30 ℃的冷空氣控制中，其中大興安嶺地區(qū)冷空氣強(qiáng)度-34 ℃左右。東南部地區(qū)等溫線相對(duì)密集，冷平流明顯；西部和北部地區(qū)等溫線稀疏，風(fēng)力多為4-6 m·s-1，有弱冷平流。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 850 hPa， 黑龍江省北部地區(qū)低于-28 ℃，其中大興安嶺地區(qū)上空有低于-32-（-30） ℃的冷中心，等溫線稀疏，有弱暖平流或零平流。 黑龍江省中南部地區(qū)位于冷鋒鋒區(qū)中，溫度為-28-（-20） ℃， 等溫線在四個(gè)個(gè)例中最為密集。風(fēng)力在四個(gè)個(gè)例中最大（12 m·s-1左右）。個(gè)例4 在黑龍江省中南部地區(qū)的冷平流在四個(gè)個(gè)例中強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大。 12月29日，冷空氣進(jìn)一步東移南下，全省850 hPa 溫度低于-28 ℃，雖然冷空氣和冷平流較強(qiáng)，但是由于西北風(fēng)風(fēng)力較大，熱量湍流交換強(qiáng)，地面降溫幅度較小。
綜上所述， 黑龍江省低層冷空氣強(qiáng)度個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 次之，均強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，可以解釋個(gè)例1和個(gè)例3 的低溫比個(gè)例2和個(gè)例4 強(qiáng)。 但是，個(gè)例2 與個(gè)例4、個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度并不完全對(duì)應(yīng)。
3.3 海平面氣壓場(chǎng)與低溫程度的關(guān)系
四次低溫天氣過程中最低氣溫較低時(shí)對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)（圖3）也有共同特點(diǎn)，即黑龍江省除大興安嶺地區(qū)外均位于冷高壓前部的偏北氣流中， 等壓線稀疏，風(fēng)力小，湍流弱，有利于夜間晴空輻射降溫，形成近地面或低層較強(qiáng)的逆溫， 從而形成較強(qiáng)的低溫天氣。 可以認(rèn)為，海平面氣壓場(chǎng)上這種冷高壓前部較稀疏的等壓線分布特征是有利于形成低溫天氣。
綜合分析發(fā)現(xiàn)冷高壓強(qiáng)度以及黑龍江省海平面氣壓值的高低與最低氣溫值大小沒有呈反比等對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，個(gè)例3 與個(gè)例4 的冷高壓位置接近，其中心強(qiáng)度均較強(qiáng)， 尤其是個(gè)例4 無論是冷高壓中心強(qiáng)度還是黑龍江省的海平面氣壓值在四個(gè)個(gè)例中均最強(qiáng)或最大， 但是個(gè)例4 的低溫程度在四個(gè)個(gè)例中卻最弱。
4 中低層風(fēng)力對(duì)低溫強(qiáng)度的影響
個(gè)例2 與個(gè)例4 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度以及個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度不完全對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與中低層風(fēng)速大小即熱量的湍流交換強(qiáng)度有一定關(guān)系。
四個(gè)個(gè)例中各層風(fēng)向以偏西風(fēng)或偏北風(fēng)為主，近地面風(fēng)速均較小， 但是低溫程度最輕的個(gè)例4 中低層風(fēng)速明顯大于其它三個(gè)個(gè)例（表1-2）。個(gè)例4 在400-700 hPa 的風(fēng)速明顯大于個(gè)例2， 冷鋒鋒區(qū)和冷平流強(qiáng)，湍流熱量交換強(qiáng)，低層輻射降溫和逆溫相對(duì)較弱，所以，雖然個(gè)例4 在黑龍江省北部中低層冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2， 但是地面最低氣溫高于個(gè)例2。另外，個(gè)例3 影響黑龍江省的冷空氣強(qiáng)度接近個(gè)例1，實(shí)際個(gè)例3 的低溫明顯強(qiáng)于個(gè)例1，其原因也可以用中低層風(fēng)速的差異解釋， 例如個(gè)例3 中低層風(fēng)速小于個(gè)例1，相應(yīng)的，個(gè)例3 的低溫程度總體強(qiáng)于個(gè)例1。
表1 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)哈爾濱各層風(fēng)速/m·s-1
可見， 中低層風(fēng)速大小尤其是中層風(fēng)速對(duì)低溫程度的影響至關(guān)重要， 以后在制作溫度預(yù)報(bào)或研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法時(shí)除關(guān)注中低層環(huán)流形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外，也要重視分析風(fēng)力對(duì)氣溫預(yù)報(bào)的影響。
表2 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)嫩江各層風(fēng)速/m·s-1
5 小結(jié)與思考
（1）本文分析得到一些有利于黑龍江省隆冬季節(jié)出現(xiàn)低溫的天氣形勢(shì)、 影響系統(tǒng)及部分相關(guān)的氣象要素特征， 可為今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)低溫天氣增加預(yù)報(bào)依據(jù)。 但是分析中使用的低溫天氣個(gè)例較少，所得結(jié)果有待于今后通過分析更多的低溫天氣個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)、補(bǔ)充和完善。
（2）亞洲中高緯500 hPa 高度場(chǎng)西高東低、北高南低環(huán)流形勢(shì)有利于黑龍江省出現(xiàn)低溫天氣。 黑龍江省上空受冷渦影響比受高空槽影響時(shí)低溫強(qiáng)度易更強(qiáng)。
（3）黑龍江省低溫易達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的天氣形勢(shì)特點(diǎn)為： 中層冷渦與冷空氣接近重合且位于黑龍江省附近時(shí)； 低層黑龍江省位于冷渦后或高空槽后的西北氣流里，冷中心落后于冷渦或高空槽，且黑龍江省處于冷空氣中心區(qū)域； 海平面氣壓場(chǎng)上黑龍江省位于冷高壓前部等壓線較稀疏區(qū)域。
（4）當(dāng)中低層冷空氣強(qiáng)度接近時(shí)，中低層風(fēng)速越小，低溫強(qiáng)度越強(qiáng)。 今后在研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法或制作極端最低氣溫預(yù)報(bào)時(shí)， 除考慮中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外， 還需考慮風(fēng)向風(fēng)速對(duì)氣溫變化的影響。
（5）建議今后研究并建立黑龍江省隆冬季節(jié)低溫天氣事件綜合強(qiáng)度分等級(jí)評(píng)估規(guī)范， 并建立客觀的低溫天氣分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法以及相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為在日常業(yè)務(wù)工作中做好低溫天氣過程監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等氣象服務(wù)工作提供科學(xué)依據(jù)。
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