局地低溫過程的特征分析及思考

劉 凱，林 卉，卜清軍，王 迪

(1. 山東首信項(xiàng)目管理有限公司 山東德州253000；2. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

2018年1月24日，受強(qiáng)冷空氣影響，天津市出現(xiàn)了低溫天氣，最低氣溫出現(xiàn)在北辰區(qū)。這場低溫天氣強(qiáng)度大，持續(xù)時間長，低溫期間北辰區(qū)日最高氣溫在-2.1～5.9℃之間，日最低氣溫在-5.9～-19.8℃之間。受低溫影響，城區(qū)供水設(shè)施自來水管、水表凍壞破裂漏水；醫(yī)院心血管呼吸道疾病人數(shù)明顯增加，給人民生活帶來了不便。其次，低溫也是嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，因凍害死苗導(dǎo)致糧食減產(chǎn)?？梢姡M(jìn)一步加強(qiáng)低溫天氣過程的特征分析，不斷提高低溫災(zāi)害的預(yù)報和預(yù)警能力，對保障國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

低溫作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象近年來受到廣泛關(guān)注。低溫通常是由于冷空氣侵入形成的，并具有較強(qiáng)的地域性特征。通過對我國各地低溫的氣候特征和環(huán)流背景進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)低溫過程的氣候規(guī)律及大尺度背景條件有明顯的差異，有人認(rèn)為區(qū)域性極端低溫事件發(fā)生頻次較高的緯度帶主要位于32°N和42°N附近；還有人對安徽省近50年極端低溫事件的變化特征和季節(jié)性差異進(jìn)行分析，認(rèn)為極端低溫事件的變化特征具有明顯的季節(jié)性差異，各極端低溫事件均表現(xiàn)為冬季最多、春秋次之，夏季最少的季節(jié)特征。

近年來，盡管人們對低溫落區(qū)采用不同模式進(jìn)行了研究，但由于低溫天氣過程的成因十分復(fù)雜，低溫的形成往往同時受到特定的地理?xiàng)l件、特殊的天氣背景以及大氣邊界層多種熱力和動力因子的綜合影響，要深化對低溫落區(qū)過程的特征分析，不斷提高低溫落區(qū)天氣的預(yù)報水平，仍需要進(jìn)行大量深入細(xì)致的研究工作。

本文采用天津市13個國家級地面臺站同一時間不同地點(diǎn)的地面氣象觀測資料，通過對北辰區(qū)2018年1月24日為全市低溫之首過程的大尺度背景分析，以及動力和熱力要素的時空特征及其變化趨勢等方面的計算，以期揭示本次低溫落區(qū)天氣形成的原因。

1 低溫落區(qū)過程及大尺度天氣背景

2018年1月24日，北辰區(qū)出現(xiàn)了全市范圍內(nèi)最低的一次低溫天氣。表1是1月24日全市國家級各臺站監(jiān)測到的低溫數(shù)據(jù)，可以看到，低溫主要分布在北部地區(qū)，從極值落區(qū)看極端最低氣溫落區(qū)出現(xiàn)在北辰區(qū)，數(shù)值為-19.8℃。

表1 2018年1月24日全市13個國家級臺站最低氣溫統(tǒng)計表Tab.1 Minimum temperature statistics of 13 national stations on January 24，2018

表2 是全市13個國家級臺站個別氣象要素1月份月統(tǒng)計資料。

從北風(fēng)出現(xiàn)回數(shù)月合計看，北辰區(qū)出現(xiàn)62次，西青區(qū)出現(xiàn)125次，北辰區(qū)出現(xiàn)回數(shù)只有西青的1/2，但西青區(qū)的北風(fēng)在強(qiáng)冷空氣來臨前是不連續(xù)的(下文有曲線圖描述)，也就是說23日西青區(qū)沒有長時間一致性的北風(fēng)出現(xiàn)，而北辰區(qū)自動觀測10 min平均風(fēng)向自22日23時至23日05時連續(xù)7 h為北風(fēng)，在此出現(xiàn)了北風(fēng)的一致性，說明北辰區(qū)是冷空氣的最有利入口。

表2 全市13個國家級臺站個別氣象要素1月份月統(tǒng)計資料Tab.2 Monthly statistics of individual meteorological elements of 13 national stations in January，2018

從靜風(fēng)出現(xiàn)回數(shù)月合計及頻率看，北辰區(qū)靜風(fēng)回數(shù)64次，頻率為9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全市其他臺站，靜風(fēng)頻率高不利于熱量交換，使得冷空氣穩(wěn)定維持。

從上旬、中旬最低平均氣溫-8.0℃和-9.7℃看，北辰區(qū)氣溫位于全市最低或次低值區(qū)內(nèi)，由此可見北辰區(qū)的基礎(chǔ)溫度本來就是處在低值區(qū)，所以后面強(qiáng)冷空氣的出現(xiàn)使得氣溫疊加下降。

從上、中旬14時平均水汽壓1.7 mPa和2.5 mPa來看，北辰區(qū)濕度位于全市低值區(qū)內(nèi)，并且也是全月低值區(qū)。在大寒季節(jié)中，濕度越小，溫度越低，也就是人們常說的干冷空氣。如果濕度稍大，溫度就不會那么低，因?yàn)樗隼淠Y(jié)會釋放潛熱的。

從前面這些數(shù)據(jù)可以看出，北辰區(qū)1月份氣象條件為干冷氣團(tuán)主導(dǎo)，靜風(fēng)和北風(fēng)的連續(xù)性為低溫落區(qū)起到了助推作用。

圖1 顯示1月份北辰區(qū)本站氣壓值均維持在高位，月最高值1 041.7 mPa，月平均最高1 030.6 mPa，月內(nèi)出現(xiàn)了3次冷高壓過程，分別在3日A點(diǎn)1 041.7 mPa，11日B點(diǎn)1 038.9 mPa，25日C點(diǎn)1 040.7 mPa。對應(yīng)冷高壓出現(xiàn)的3次低溫現(xiàn)象分別出現(xiàn)在6日A′點(diǎn)-11.5℃，12日B′點(diǎn)-13.1℃，24日C′點(diǎn)-19.8℃。從曲線圖上看出，低溫總是出現(xiàn)在高壓附近，6日、12日兩次低溫出現(xiàn)在冷高壓之后，24日的低溫出現(xiàn)在冷高壓之前，原因是22日至23日出現(xiàn)了一股冷空氣，22日23時至23日05時連續(xù)7個小時正北風(fēng)，23日日最大風(fēng)速6.7 m/s(北風(fēng))，日極大風(fēng)速11.9 m/s(北風(fēng))，因此最低值出現(xiàn)在冷高壓之前。1月份北辰區(qū)冷高壓的頻繁造訪帶來了冷空氣的疊加，所以，北辰區(qū)氣溫接二連三下挫，由此可見，北辰區(qū)降溫貢獻(xiàn)率最大的應(yīng)該是冷高壓。

在北辰區(qū)自動觀測10 min平均風(fēng)向風(fēng)速觀測資料中(圖2—圖4)，3日07時至14時連續(xù)8個小時，4日03時至10時連續(xù)8個小時；22日23時至23日05時連續(xù)7個小時，這3個時段內(nèi)風(fēng)向一致性為正北風(fēng)，這是其他臺站沒有的。俗話說：東風(fēng)送濕，西風(fēng)送干，南風(fēng)送暖，北風(fēng)送寒，冷空氣的不斷補(bǔ)充，加劇了北辰區(qū)低溫落區(qū)的迅速形成。

2 低溫的基本特征

在1月地面氣象記錄月報表資料上清晰顯示，這場低溫的強(qiáng)度很強(qiáng)，低溫維持了8 d。

低溫發(fā)生前，本站氣壓有年極值出現(xiàn)并且維持在高位，出現(xiàn)了長達(dá)8 h連續(xù)性的正北風(fēng)，有長時間正北風(fēng)向的輻合，氣溫跌宕起伏，不斷有冷空氣補(bǔ)充，使得日最低氣溫連創(chuàng)新低。

低溫發(fā)生時，華北地區(qū)出現(xiàn)了首場降雪后的積雪，天津地區(qū)積雪深度最大為9 cm，最長積雪時間10 d，低溫出現(xiàn)在冷高壓附近，在此期間由于積雪融化吸熱，氣溫疊加下降，日最高氣溫在-2.1～-5.9℃之間，日最低氣溫在-5.9℃至-19.8℃之間，天氣十分寒冷。

低溫發(fā)生后，本站氣壓值呈緩慢下降趨勢，氣溫隨著本站氣壓的降低而升高。

3 低溫過程形成和維持機(jī)制分析

3.1 風(fēng)向風(fēng)速的作用

為了分析本次低溫過程中風(fēng)向、風(fēng)速的作用，首先采用定性的方法來描述。選取全市13個國家級臺站低溫前期22日14時至23日14時自動觀測10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速，再制作時間演變圖(圖5—圖17)。

以上各圖中風(fēng)向風(fēng)速逐小時變化曲線表明，13個國家級臺站中只有北辰區(qū)22～23日明顯出現(xiàn)了長時間較大風(fēng)速的北風(fēng)連續(xù)性?？梢?，溫度的變化清楚表明風(fēng)向、風(fēng)速的作用對本次低溫過程具有明顯的觸發(fā)作用。

3.2 低溫穩(wěn)定性層結(jié)的建立

從北辰區(qū)1月本站氣壓3次極值看，1月3日出現(xiàn)了月最高值1 041.7 mPa，1月25日出現(xiàn)了月次高值1 040.7 mPa，1月11日出現(xiàn)了月第3高值1 038.9 mPa，3次極值分別分布在上旬、中旬、下旬，使得冷高壓一直在高位運(yùn)行。

從13個國家級臺站1月上旬、中旬平均最低氣溫對比看出，北辰區(qū)處在全市低值區(qū)中，基礎(chǔ)溫度低加上冷高壓頻繁造訪，形成冷空氣在此堆積，北辰區(qū)的氣溫接二連三下挫(表3)。

表3 全市國家級各臺站1月上、中旬最低平均氣溫統(tǒng)計Tab.3 Minimum average temperature statistics of Tianjin City’s national stations in early and mid-January

3.3 常規(guī)地面氣象要素的跳變

低溫極值出現(xiàn)前的征兆，22日21時至22時1 h升壓0.8 mPa，22日21時至22時1 h降溫2.4℃，22日23時至24時1 h水汽壓下降1.5 mPa，22日23時至24時1 h相對濕度下降52%，22日23時至24時1 h露點(diǎn)溫度下降12.8℃，22日21時為西南風(fēng)1.9 m/s，22時為北東北風(fēng)0.4 m/s，23時為北風(fēng)3.1 m/s，出現(xiàn)了風(fēng)向和風(fēng)速的不連續(xù)。以上這些要素的跳變可以稱得上是氣象要素內(nèi)部一致性的表現(xiàn)，也是北辰區(qū)與眾不同之處，說明大氣邊界層將有強(qiáng)烈擾動發(fā)生，從這些數(shù)據(jù)的變化趨勢看，十分有利于低溫的形成。可見氣象要素的跳變是預(yù)示災(zāi)害性天氣來臨的警告(圖18—圖23)。

3.4 低溫消散的動力因子

在低溫過程最后階段，隨著大氣壓強(qiáng)的逐步降低，地面冷高壓明顯減弱。26日、27日極大風(fēng)向也有了改變，轉(zhuǎn)為西南風(fēng)向，由于風(fēng)向的改變，氣溫出現(xiàn)了回升使得持續(xù)8 d的低溫天氣終于結(jié)束(表4)。

表4 北辰區(qū)1月21日至28日個別要素統(tǒng)計Tab.4 Individual element statistics from 21 to 28 January in Beichen District

4 結(jié) 論

本文采用全市13個國家級臺站地面氣象觀測資料，對2018年1月24日北辰區(qū)一次低溫為全市之首過程進(jìn)行了分析，通過對本次過程動力和熱力特征的深入分析揭示了其成因和維持機(jī)制，分析表明：

①地面冷高壓不斷加強(qiáng)及水汽壓、露點(diǎn)溫度不斷創(chuàng)新低為低溫落區(qū)過程提供了良好的背景條件。此外，在上旬6日21時至7日09時連續(xù)10個小時自動觀測10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速為靜風(fēng)，全月靜風(fēng)月合計64次為全市之首，高頻率的靜風(fēng)有利于地面冷高壓的穩(wěn)定維持。

②過程期間地面氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了明顯的跳變現(xiàn)象，22日21時至22時本站氣壓上升0.8 mPa，22日21時至22時氣溫下降2.4℃，22日23時至24時水汽壓下降1.5 mPa，22日23時至24時相對濕度下降52%，22日23時至24時露點(diǎn)溫度下降12.8℃，22日21時至22時風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為北東北風(fēng)，氣象要素值出現(xiàn)了不連續(xù)。低溫結(jié)束后，數(shù)據(jù)的不連續(xù)現(xiàn)象只出現(xiàn)在個別要素值而不具普遍性，并且跳變數(shù)值不明顯。因此，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)打破常規(guī)的跳變現(xiàn)象時，就是對大氣環(huán)流將要發(fā)生改變流向的預(yù)警。

③22日23時至23日05時連續(xù)7個小時正北風(fēng)，對這次低溫落區(qū)過程具有重要的觸發(fā)和加強(qiáng)作用，北風(fēng)屬于干冷空氣，干空氣有利于蒸發(fā)，蒸發(fā)是吸熱過程，22日北辰有降雪3.5 mm，22日至25日有積雪，最大雪深5 cm。因此，使氣溫疊加下挫。隨著26日最大風(fēng)向改變?yōu)槲髂巷L(fēng)，積雪消融，氣溫升高，驅(qū)使地面冷高壓解體，低溫過程結(jié)束。■