春季一次強冷空氣過程分析討論

容娜

（克拉瑪依市氣象局，克拉瑪依 834000）

0 引言

2019年5月中旬新疆北部出現了一次大范圍寒潮天氣，15—16日克拉瑪依區(qū)域（后簡稱“克市轄區(qū)”）大部出現了9級以上大風（圖1），區(qū)域站點最大瞬間風速為33.9 m/s。強風區(qū)位于克市轄區(qū)中部，中心城區(qū)及周邊受影響較大。大風持續(xù)約8 h，而后各地轉為降水。強降雨中心在克市轄區(qū)中南部，局部出現了暴雨。而后各地氣溫明顯下降，48 h內最低氣溫下降8～10 ℃，部分站點最低氣溫達到0 ℃，出現了霜凍天氣。針對這次過程，氣象臺發(fā)布了寒潮藍色、暴雨藍色、霜凍藍色等預警信號。由于春季為春耕關鍵時期，此次強冷空氣過程對農業(yè)生產影響較大。

此次春季寒潮過程存在預報難點，尤其是對其引發(fā)的災害天氣的特點、強度及量級的預報都需要仔細分析。且此次過程具有許多與以往典型寒潮中期過程分析的不同之處，如環(huán)流場上冷空氣爆發(fā)階段的表征不明顯等，需要對其機理進行進一步分析。

已有學者在討論寒潮天氣時使用了等熵位渦法，得到了高值位渦中心的移動、強度變化與冷空氣及低渦系統(tǒng)移動、暴雨落區(qū)等之間的聯(lián)系。本文利用位渦理論，對此次春季寒潮的形成機理等其他主要特征進行討論分析。

圖1 2019年5月15—17日克拉瑪依區(qū)域降水、大風天氣情況（a）降水量（單位：mm）；（b）大風（單位：m/s）Fig.1 Precipitation and gale weathers in Karamay on 15－17 May 2019(a) precipitation (unit: mm); (b) gale (unit: m/s)

1 資料與方法

本文采用NCEP 1°×1°逐日（4次/日）再分析資料，時間為2019年5月14—17日。

根據等壓面上位渦的分布，選取中層500 hPa和高層300 hPa兩個層次，分析此次強冷空氣活動的源地、移動路徑，討論位渦與克拉瑪依市（簡稱“克市”）轄區(qū)強降水落區(qū)的關系。

2 環(huán)流形勢概況

14日20時，500 hPa歐洲至中亞地區(qū)開始建立阻塞形勢。烏拉爾山（后簡稱“烏山”）高壓脊北伸至極地，脊前北風帶不斷加強引導冷空氣南下，在西伯利亞堆積形成寬槽。高空西北鋒區(qū)上有冷槽南壓東移。冷空氣爆發(fā)時，主影響槽的上游存在一趕槽。15日20時—16日08時，趕槽自烏山西側快速南落推動冷槽加速南壓進入北疆。同時，咸海處有低渦存在，與北方阻高形成了北暖南冷溫度場結構，有利于將暖空氣阻擋在高緯地區(qū)，低渦前部西南氣流也有利于把水汽輸送到中亞地區(qū)，為后期降水天氣提供相應的水汽條件。

850 hPa溫度場、高度場均為經向分布，烏山脊前北風與巴湖地區(qū)溫度鋒區(qū)相垂直，表明大氣斜壓性較強。北疆上空的冷平流十分強盛，西西伯利亞冷中心隨北風引導氣流不斷南落。地面冷鋒進入北疆西部，結合850 hPa溫度場、風場發(fā)現，進入克市轄區(qū)的冷平流有2個路徑，一支自塔城西方進入，另一支自阿勒泰北方偏東向進入，克拉瑪依市轄區(qū)處于2支氣流的輻合帶上。

地面高壓自高緯地區(qū)南落后轉東南向進入中亞，15日14時—16日08時，地面系統(tǒng)移速較快，這一時段克市轄區(qū)出現了大風天氣；16日08時—16日23時，地面系統(tǒng)位置少動，這一時段克市轄區(qū)出現了降水天氣，故冷空氣移速不同引發(fā)的天氣也不同，系統(tǒng)停滯時有利于降水天氣維持。冷鋒位置變化在15日14時—17時最為明顯，雖然此時該區(qū)域大部站點3小時變壓仍為減壓，但克市轄區(qū)大風天氣已開始，說明冷鋒移速加快比3小時變壓更有利于指示克拉瑪依市轄區(qū)的大風天氣。15日20時冷鋒鋒面過境，此時克拉瑪依市轄區(qū)各地風速達到了最強。

3 氣候背景

2019年5月以來，克市轄區(qū)頻繁受冷空氣活動影響，月平均氣溫較氣候值為偏低。1981—2010年5月500 hPa氣候平均場中（圖2a），在中緯度歐亞地區(qū)為緯向環(huán)流，等高線總體分布均勻，高緯地區(qū)為極地低壓，里咸海為一淺槽，中亞為新疆淺脊，烏山西側無偏北氣流。而2019年5月原位于新疆的淺脊西移至咸海（圖2b），并與歐洲北部脊疊加伸向高緯地區(qū)。從歐洲北部至東亞沿岸均以西北氣流為主，有利于引導極地冷空氣南下進入新疆，使冷空氣活動增多。

圖2 5月500 hPa氣候平均位勢高度場（a）1981—2010年；（b）2019年Fig. 2 500 hPa climate average geopotential height field in May(a) 1981—2010; (b) 2019

4 大氣斜壓性分析

NCEP再分析場更直觀地表現出此次過程大氣的斜壓性質。500 hPa溫度場經向分布明顯強于風場，高緯地區(qū)有一強冷舌向南伸至中亞地區(qū)，且在寬槽區(qū)有2個低渦中心（圖3a、3b），“互旋”作用加快了西西伯利亞低渦東移，也使中亞強冷舌快速進入北疆。隨后冷舌強度減弱（圖3c、3d），冷空氣能量大量釋放，中高緯大氣的斜壓有效位能向動能轉化，北疆出現了大范圍寒潮。

圖3 2019年5月15—16日NCEP再分析資料場500 hPa溫度場（陰影，單位：℃）、流場（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）15日08時；（b）15日14時；（c）15日20時；（d）16日02時（實星為克拉瑪依市轄區(qū)）Fig. 3 NCEP reanalysis data of 500 hPa temperature field (shadow, unit: ℃) and flow field (vector, unit: m/s)(a) 08:00 on 15 May; (b) 14:00 on 15 May; (c) 20:00 on 15 May; (d) 02:00 on 16 May 2019(The real star is the location of Karamay)

850 hPa中亞地區(qū)同樣存在冷舌，表明冷空氣較深厚。且克市轄區(qū)上空的底層風場發(fā)生了西北—東北風的轉換，與實況天氣對應，說明冷空氣進入該區(qū)域時存在2支路徑。而低層偏東路徑的冷空氣不僅加強了降溫，也對降水天氣有利，因為偏東氣流易在低層與克拉瑪依市轄區(qū)西緣的加依爾山脈形成迎風坡效應。該偏東氣流與高層西風系統(tǒng)疊加，加大了垂直方向上切變，這種垂直方向上的緯向西風加速，有利于產生高層向北的地轉偏差風與次級環(huán)流，激發(fā)上升運動，從而加強降水所需的抬升機制。

5 等壓面上位渦與冷空氣、降水落區(qū)的關系

5.1 位渦與冷空氣強度、移動路徑的關系

此次天氣過程發(fā)生前期，高位渦中心位于烏山東部，中心強度為2.185 PVU，對應西西伯利亞冷渦。歐洲暖脊對應低位渦區(qū)，代表強盛暖空氣向極地發(fā)展。

14日阻高脊前強西北氣流帶與高位渦中心配合（圖4a），冷空氣將向南侵襲。15日08時高位渦中心12 h南落5個緯度（圖4b）。強風帶由位渦后部西北風逐漸轉為渦底西風，此時槽區(qū)底部內位渦梯度達到最強。偏北風減弱不利于高位渦繼續(xù)南落，但里海附近有一弱高位渦中心，其分裂東移的速度非?？?，每12 h約為10經度，在北疆上空與北部高位渦中心結合，進一步加快冷空氣南落和東移，使強冷空氣能迅速爆發(fā)。15—16日高位渦中心值減少了約0.5 PVU，這是造成新疆寒潮過程所釋放的位渦能量。18日08時高位渦中心已東移南落至蒙古，受北支冷空氣補充，位渦中心再次加強。

圖4 2019年5月14—15日300 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風場（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）14日20時；（b）15日08時Fig.4 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 300 hPa(a) 20:00 BT on 14 May; (b) 08:00 BT on 15 May 2019

5.2 位渦與降水落區(qū)關系

15日14時高位渦中心位于西西伯利亞，其底部為強梯度帶，也是位渦高值中心軸線移動方向的右側，同時存在強西風氣流與之疊加，對應6 h后克拉瑪依市轄區(qū)及準噶爾盆地有降雨中心，這與吳迪等分析結論一致。這是由于位渦高值中心移動軸線的右側常為上升運動區(qū)，若此處有水汽通量輻合，則有利于產生降水天氣。16日02—08時西風氣流明顯減弱（圖5b、5c），對應6 h后降水強度減弱。由此看出，此次降水落區(qū)與位渦高值中心、輻合風場有一定的對應聯(lián)系。

6 結論

1）此次天氣具有較強斜壓性，溫度場經向分布強于高度場、風場。暖槽的快速南落推動冷槽加速南壓。咸海低渦將北部的暖空氣阻擋在高緯地區(qū)，其前部的西南氣流為水汽輸送到中亞地區(qū)提供了有利條件。

2）2019年5月500 hPa高空西北氣流較強，易于高緯度冷空氣南下影響新疆。此次過程高緯地區(qū)有一強冷舌直伸中亞，進一步加大了垂直風切變，誘發(fā)上升運動。

3）高緯地區(qū)強的高位渦中心南落、中亞弱的高位渦中心快速東移，兩者合并進入北疆，進一步加快了強冷空氣的南落和東移，使其能迅速爆發(fā)。在降水落區(qū)方面，高位渦區(qū)在新疆北國境線停滯，當高位渦中心移動軸線右側與強西風氣流在克市轄區(qū)上空疊加時，對應6 h后該地出現降雨落區(qū)中心。

大量研究結果對寒潮過程的環(huán)流系統(tǒng)分析已較為成熟，但仍存在地域差異及不同個例間差異，造成復雜天氣的成因也各不相同。關于寒潮天氣的分析仍需要更多個例來討論完善。

圖5 2019年5月15—16日500 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風場（矢量，單位：m/s）及之后6 h降水量（陰影區(qū)，單位：mm）分布的疊加圖（a）15日20時；（b）16日02時；（c）16日08時；（d）16日14時Fig.5 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 500 hPa and precipitation (shaded area, unit: mm) distribution in the following 6 hours(a) 20:00 BT on 15 May; (b) 02:00 BT on 16 May; (c) 08:00 BT on 16 May; (d) 14:00 BT on 16 May 2019