南京地區(qū)一次罕見鋒前增溫天氣過程分析

張子儀，李國翠

(1.南京信息工程大學 大氣科學學院，江蘇 南京 210044；2.石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081)

1 引言

冷鋒過境引起的天氣變化常常帶來較為激烈的天氣現(xiàn)象，如大范圍的大風、降溫及降水[1]。而鋒前增溫指冷空氣到來之前，冷鋒前部由于受暖濕氣流控制，隨著冷鋒逼近,冷空氣把原來占主導地位的暖氣團迅速擠壓到狹窄區(qū)域聚集增溫的現(xiàn)象[2]；另外，冷空氣到來之前一般吹偏南風，也會加劇大氣升溫變暖。觀測已經(jīng)表明冷鋒過境時會出現(xiàn)氣溫突變、鋒前增溫幅度極大而過境后迅速降溫的現(xiàn)象[3,4]。

從垂直運動方面，冷鋒產(chǎn)生的較強的陣風可能導致上層暖空氣向下輸送，從而形成近地面夜間增溫事件[5]。羅然等[6]指出，北京一次鋒前夜間強增溫事件是高原高位溫空氣強迫下沉到邊界層后加之湍流混合運動導致的低層增溫；甘茹蕙等[7]通過定性分析得知，伴隨冷鋒產(chǎn)生的陣風增強導致上層暖空氣向下運動與夜間增溫有關(guān)。二者都反映了暖空氣由高層向低層的輸送和下沉作用對于增溫的重要性。而非絕熱加熱在增降溫過程中也可以起到顯著貢獻作用[8,9]。前者分析的暴雪過程中強降溫是由于非絕熱加熱中的固態(tài)水相變吸收熱量引起；后者得出冷鋒逼近的非絕熱加熱對增溫貢獻超過100%的結(jié)果。而某些地區(qū)局地溫度變化是由溫度平流和垂直上升運動的共同作用引起[10]。

2020年11月中旬冷鋒和冷鋒伴隨的氣旋活動影響范圍較廣，在南京地區(qū)表現(xiàn)為大幅度的增溫，實時最高溫超過了28 ℃，同期近50年來罕見。國內(nèi)學者多從大尺度角度研究冷空氣和增暖現(xiàn)象，而對于局地突發(fā)性增溫研究不多，為探究鋒前增溫的原因和增暖的機理，選用熱力學一級能量方程，從垂直運動下沉增溫、非絕熱加熱和暖平流三項[11]，對南京地區(qū)(118.35°N～119.23°N，31.24°E～32.61°E)11月17～18日的增溫過程進行定量診斷分析，比較強下沉運動亦或非絕熱加熱、暖平流作用對于鋒前增溫貢獻因子的大小，確定起主導作用的因子，再結(jié)合天氣形勢找出主要的影響系統(tǒng)，對更好的研究冬季冷鋒形成，并對氣溫突變事件做出預(yù)報十分有益。

2 資料和方法

3 過程觀測特征

選取南京地區(qū)(118.5°E，31.5°N)為代表點，繪制15日至19日的氣溫和位勢高度時間序列。由圖1，得當?shù)貧鉁卣w呈現(xiàn)出先升后降的形勢：15日至18日氣溫呈現(xiàn)波動上升的狀態(tài)，日最高氣溫逐日上升，15日的日最高氣溫接近20 ℃，18日的最高溫度已升至27.5 ℃，代表冷鋒前暖氣團逐漸控制華東地區(qū)；而18日起氣溫開始驟跌，平均降溫幅度達到了5°/d，到19日最高氣溫已經(jīng)跌至17 ℃。同時，日平均氣溫也符合先升高再降低的趨勢。

從1000 hPa(海平面)位勢高度也可以看出，溫度與位勢呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，位勢高度由15日的最高值21 dagpm下降到18日08時的5 dagpm，位勢最低值對應(yīng)有溫度的最大值，表明低氣壓和鋒前暖空氣占據(jù)南京地區(qū)；19日02時位勢已超過12 dagpm，表明冷鋒過境后鋒后冷平流的侵襲和冷氣團來臨。而后兩天內(nèi)位勢整體呈現(xiàn)出攀升趨勢，位勢高度上升速率較前期加大，本地已受鋒后冷高壓控制。

圖1 2020年11月15日～19日南京地面氣溫、位勢高度變化

4 環(huán)流形勢

17日08時，從500 hPa形勢(圖2a)來看，我國中南部有大的低槽，東部整體處于高空槽前的正渦度平流區(qū)，帶來輻散，有利于低層上升運動，氣旋發(fā)展；南京受副熱帶高壓北側(cè)控制，槽前西南側(cè)和副熱帶高壓西側(cè)的氣流共同作用，西南暖濕氣流進一步加強并輸送水汽，引起濕度加大，為降水提供充足的水汽條件，同時提供大量暖平流。850 hPa圖上對應(yīng)華北地區(qū)已經(jīng)可以看到閉合的等壓線，為低壓中心，低層暖鋒北抬，溫度場落后于高度場，存在較強暖平流，利于氣旋東移。同時地面氣旋前部減壓，后部加壓，所以氣旋一面快速東移，一面在高空渦度平流作用下快速發(fā)展。由于我國東部和南部位于暖鋒后部冷鋒前部，處于溫度的高值區(qū)，由于鋒前的增溫作用，氣溫進一步升高，介于18～28 ℃。

圖2 500 hPa環(huán)流形勢圖(單位：dagpm)

18日500 hPa上溫壓場仍呈現(xiàn)溫度場落后于高度場的西傾配置，低槽在冷平流作用下進一步加深，同時槽前帶來的強暖平流作用更為明顯，南支槽東移北抬，輸送大量暖濕氣流。850 hPa上閉合低壓中心后部，我國中部可見強冷平流區(qū)，為明顯冷鋒鋒區(qū)；而南京地區(qū)對應(yīng)為鋒前暖區(qū)，低層氣旋明顯發(fā)展，暖濕氣流更顯著，形成了多年以來最大幅度的增溫現(xiàn)象。此后冷鋒南壓，南京經(jīng)歷冷鋒過境，轉(zhuǎn)為鋒后冷空氣控制，溫度劇降。

4 增溫因子分析

4.1 垂直速度分析

圖3a中，本次以南京站所在緯線(31.5°N)作18日02時的垂直速度和溫度疊加垂直剖面圖，可見115°E～120°E存在溫度的極大值中心，說明增溫的來臨；可以看到，在116°E附近存在一強下沉中心，中心數(shù)值超過1.4 Pa/s，在850 hPa最為明顯，從地面一直延伸到對流

圖3 垂直速度剖面圖(單位：Pa/s)

層中層500 hPa；而水平范圍內(nèi)這一強下沉區(qū)域自115.5°E延伸至118°E，由此可以看出南京地區(qū)(118.5°E)的強增溫過程受下沉運動影響很小，因而本次增溫不是由高層空氣的下沉運動帶來的；而其西側(cè)溫度變化是由于絕熱下沉運動帶來的增溫效應(yīng)，該區(qū)域的溫度變化會通過其它形式如溫度平流等間接影響南京局地氣溫。

從圖3b中可以更清晰地看出南京局地垂直速度隨時間分布的變化圖，低層一直沒有明顯的下沉運動，在18日劇烈增溫前南京地區(qū)還有弱的上升運動，中心為-0.4 Pa/s。已知上升運動會帶來局地降溫冷卻，由此也可以說明本次增溫過程中垂直運動沒有正貢獻，相反產(chǎn)生了負貢獻，不是增溫的主要因子。

5.2 散度分析

分析散度圖(圖4，散度已放大105倍)，16日至17日低層以輻散為主，但平均絕對值不大，對應(yīng)有微弱的下沉運動；17日12時至18日強增溫來臨前的一小段時間內(nèi)925 hPa有低層的輻合中心，數(shù)值達到了-5×10-5s-1，對應(yīng)中層600 hPa左右的輻散中心，可見溫度升高氣柱膨脹，由輻合輻散機制也可以看出對應(yīng)的上升運動，垂直方向上起到了降溫的作用。

圖4 2020年11月16日～19日散度圖(單位：s-1)

5.3 溫度平流分析

繪制11月17日20時、18日02時和08時華東地區(qū)溫度平流圖(圖5，已放大105倍)，可以看出本次地面冷鋒發(fā)展過程中鋒后狹長的強烈冷平流區(qū)和鋒前顯著的暖平流區(qū)，其中冷鋒后方冷平流范圍不斷南北向延伸，由于高空槽加深，槽后冷平流入侵，冷平流區(qū)隨東北氣旋發(fā)展而東移，中心強度大，可達-50；鋒前暖平流區(qū)分布較為集中，多在華東沿海，且有包括南京地區(qū)在內(nèi)的多個極大值區(qū)，中心數(shù)值均超過10?？梢娕搅髟诖舜卧鰷剡^程中的重要性。由前文分析，暖平流是由西南暖濕氣流，南支槽北抬帶來的，槽前環(huán)流形勢為華東地區(qū)輸送了大量西南的暖空氣。

圖5 中國東部溫度平流圖(單位：K/s)

6 貢獻項定性分析

以上為增溫因子的定性估計，而準確得出包括非絕熱加熱、溫度平流和垂直運動項各個因子的貢獻率還需要進行定量計算。通過選取2020年11月16日14時至17日08時，17日14時至18日08時兩個時段的垂直速度、溫度、水平風速等物理量計算三項各項大小，從而確定它們分別在兩時段增溫過程中所占比重。

已知溫度平流和垂直運動項的大小，而非絕熱加熱包括地面長波輻射、太陽短波輻射、水汽相變潛熱、液態(tài)水溫度變化和地面和大氣間的湍流熱量交換、水汽通量等等，定量觀測和計算有一定困難；因而由局地溫度變化減去溫度平流和垂直運動項得出非絕熱加熱項大小。從各個貢獻項在16日至18日定量隨時間變化圖中可以看出，溫度平流項在增溫過程中變化較為平緩，平均有正貢獻；垂直加熱項先有正貢獻，而后呈現(xiàn)明顯的負貢獻，絕對值較大；非絕熱加熱項貢獻大小在零線附近波動，但總體正貢獻圍繞的面積大于負貢獻。

計算兩時段內(nèi)各項的平均貢獻值，將結(jié)果乘105，得到表1，可以看出二時段較一時段局地增溫率更大。由于增溫時段內(nèi)垂直方向平均為上升運動，因而垂直運動項兩日均為負貢獻，二時段內(nèi)負貢獻尤其明顯；同時，溫度平流項均呈現(xiàn)出超過100%的正貢獻，它是兩日內(nèi)促使增溫的主要因素；二時段中非絕熱加熱項也十分明顯，甚至貢獻率大于溫度平流項，可見它也是使得17日至18日增溫的主要因子。已知暖平流是由于850 hPa西南氣流輸送引起，而非絕熱加熱與冷空氣把原來占主導地位的暖氣團迅速擠壓到狹窄區(qū)域聚集增溫的現(xiàn)象有關(guān)。也是使得17日至18日增溫的主要因子。已知暖平流是由于850hPa西南氣流輸送引起，而絕熱加熱與冷空氣把原來占主導地位的暖氣團迅速擠壓到狹窄區(qū)域聚集增溫的現(xiàn)象有關(guān)。

圖6 不同貢獻項時間序列圖(單位： ℃/h)

表1 兩時段內(nèi)各項平均貢獻大小 ℃/h

7 結(jié)論

本次過程結(jié)合槽脊和溫壓場配置等天氣學原理的相關(guān)知識分析冷鋒過境前的基本環(huán)流形勢，得出槽前暖濕氣流的輸送和鋒面的逼近是導致增溫的主要原因。

(1)結(jié)合熱力學一級能量方程(溫度傾向方程)對影響本次增溫天氣過程的因子做出了評估分析，通過分析南京地區(qū)局地垂直速度、散度剖面圖，確定本次增溫不是由高層空氣的下沉運動帶來的；分析華東地區(qū)溫度平流圖，得到平流項在增溫中起到了重要作用。

(2)通過對貢獻項定性分析，得出溫度平流項是兩時段內(nèi)促使增溫的主要因素；非絕熱加熱項也是使得第二時段17日至18日增溫的主要因子，這與冷空氣把原來占主導地位的暖氣團迅速擠壓到狹窄區(qū)域聚集增溫的現(xiàn)象有關(guān)。綜合來講，在本次增溫中，非絕熱加熱和暖平流的貢獻占主導作用，而下沉運動不是最顯著的影響因子。