2020年12月底至2021年1月初兩次寒潮過程的對比分析

施晴天 薛宇峰 何淋彬 彭瑋怡

摘要 利用ECMWF再分析資料和GPM降水資料對2020年12月28～31日和2021年1月6～8日影響中國的兩次寒潮天氣過程進行診斷分析，結果表明：兩次寒潮都經(jīng)歷了極渦南下、橫槽轉豎、冷高壓異常強大、地面冷鋒快速南壓的過程，均導致全國大范圍地區(qū)降溫和出現(xiàn)極端低溫天氣。但前一次寒潮過程中冷鋒南下前有明顯的鋒前增溫，而后一次冷鋒南下過程出現(xiàn)了鋒前冷平流，導致后一次寒潮過程造成的極端低溫比前一次過程更低。

關鍵詞 寒潮;極端低溫;鋒前增溫;鋒前冷平流

中圖分類號：P458.122 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）06–0131–04

寒潮天氣是極地高緯度地區(qū)大規(guī)模強冷空氣向南爆發(fā)的大氣活動過程，是我國冬季嚴重的災害性天氣之一，常常導致出現(xiàn)大范圍地區(qū)的劇烈降溫、大風和雨雪等天氣現(xiàn)象，造成我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧業(yè)等巨大經(jīng)濟損失，對社會生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生嚴重的不良影響[1-4]。

2020年年底至2021年年初，我國大部分地區(qū)接連經(jīng)歷了兩次寒潮天氣過程。2020年12月28～31日，寒潮天氣影響我國中東部地區(qū)，大部分地區(qū)出現(xiàn)大風、強降溫，氣溫降至入冬以來最低。此次寒潮過程，大風降溫影響范圍廣，全國自北向南普遍出現(xiàn)了24 h降溫8℃～12℃，華南多地過程最低氣溫降到0℃、江南多地降到-10℃、華北平原部分地區(qū)出現(xiàn)-16℃的低溫、東北和華北山區(qū)出現(xiàn)低于-30℃的低溫。東北到江南伴隨有雨雪天氣。

2021年1月6～8日我國中東部地區(qū)自北向南再次出現(xiàn)48 h降溫8℃～12℃的寒潮過程，華南多地過程最低氣溫降到0℃，江南、江漢和江淮多地氣溫降到-10℃，華北黃淮多地氣溫降到-20℃，東北、華北山區(qū)出現(xiàn)-30℃的低溫天氣。氣溫比前一次過程更低，江淮地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降水。

通過對比分析2020年12月28～31日（以下簡稱寒潮Ⅰ）與2021年1月6～8日（以下簡稱寒潮Ⅱ）兩次寒潮天氣過程的差異，采用天氣診斷分析方法剖析寒潮天氣成因和影響系統(tǒng)，分析各氣象要素場的變化特點。寒潮天氣過程具有一定個體的差異性，因而準確預報寒潮對各地的影響有一定的難度[5-9]。通過探討寒潮Ⅰ和寒潮Ⅱ的形成過程的異同，以期加深對寒潮過程的理解，為提高寒潮天氣預報的準確性提供一定的參考。

1 資料和方法

利用ECMWF的0.25°×0.25°網(wǎng)格點逐6 h再分析資料，GPM的0.1°× 0.1°網(wǎng)格點24 h總降水量資料，采用天氣診斷分析方法，診斷分析2020年12月28～31日和2021年1月6～8日的兩次寒潮天氣過程。

寒潮標準采用《冷空氣等級》國家標準（GB/T 20484—2017）：某地日最低氣溫24 h內降幅≥8℃，或48 h內降幅≥10℃，或72 h內降幅≥12℃，且使該地日最低氣溫下降到≤4℃的冷空氣。

2 過程天氣概況

寒潮I的冷空氣與寒潮Ⅱ的冷空氣均從北冰洋沿岸向南移動到中國境內，寒潮I冷空氣向南擴散程度比寒潮Ⅱ冷空氣更強，路徑也整體偏東。

3 寒潮Ⅰ天氣形勢

3.1 500 hPa形勢

12月25日00：00（世界時，下同），極地高壓位于新地島及其北部的北極地區(qū)，從鄂霍次克海到西歐沿岸，存在寬廣的大低渦，極渦中心南壓至55°N的鄂霍茨克海附近。鄂霍茨克海低渦中心有橫槽并向西伸展，槽后分布著-48℃的冷中心，中緯度東亞地區(qū)盛行西北偏西氣流。在低緯度地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓脊線位于南海中部。27日06：00，烏拉爾山附近有高壓脊拱起并與極地高壓打通，廣闊而深厚的大低渦被一分為二，在西歐一帶形成切斷低壓，橫槽整體有所南壓，槽后分布著兩個-48℃的冷中心，一個位于鄂霍茨克海，另一個位于新疆北部，整體有所增強。亞洲地區(qū)環(huán)流形勢呈現(xiàn)“一脊一槽”型。極渦中心、副高脊線、東亞地區(qū)的盛行氣流較25日變化不大。29日00：00（圖2）烏拉爾高壓脊東移至巴爾喀什湖，依然與極地高壓相連，切斷低壓也明顯東移，亞洲地區(qū)的環(huán)流形勢變?yōu)椤皟刹垡患埂毙蝿?。橫槽旋轉南下即將進入中國，但槽后-48℃冷中心和-44℃等溫線消失。東亞地區(qū)盛行偏西氣流。在低緯度地區(qū)，副高有所增強并北抬，脊線位于海南島。30日12：00橫槽完全轉豎，亞洲地區(qū)環(huán)流形勢依然為“兩槽一脊”形勢，并整體東移，巴爾喀什湖脊東移至青藏高原北部，并與阻塞高壓形勢存在的極地高壓相連，極渦中心變化不大。東亞地區(qū)長江口以北盛行西北氣流，以南依然是偏西氣流，低緯度地區(qū)副高沒有明顯變化。

3.2 850 hPa形勢

12月26日18：00（圖3），冷鋒鋒區(qū)位于貝加爾湖以南的蒙古國和西伯利亞一帶。鋒后盛行偏北風，風速達到12 m/s，風向與等溫線幾乎垂直，冷平流強烈，存在一個溫度低于-32℃的冷中心。此時，中國東北地區(qū)盛行西北氣流，有冷平流。華北地區(qū)盛行偏西氣流，黃河以南盛行西南氣流，為明顯的暖平流，風速可達8 m/s。27日18：00，鋒區(qū)南壓至內蒙古，等溫線十分密集。鋒后冷平流強度較26日有所增強。華南到華北一帶均盛行偏南氣流，暖平流范圍明顯擴大和強度也明顯增強。28日18：00，冷鋒已經(jīng)南壓至長江沿岸，鋒后偏北風風速達到8～18 m/s，鋒前西南風風速為2～12 m/s，鋒前增暖顯著。29日18：00，寒潮冷鋒鋒區(qū)南壓到南嶺附近。中國中東部地區(qū)南風全部轉向，華南、西南和江南西部地區(qū)盛行東北氣流，其他地區(qū)為東風、西北風，風速達到16～22 m/s，冷平流極強。30日12：00鋒區(qū)在南海北部廣東沿海一帶停滯，寒潮I的影響范圍達到極盛。0℃線南壓到華南北部，-12℃線南壓到西安-武漢-寧波一線，最低氣溫位于黑龍江東部約為-32℃。31日12：00，中國中東部地區(qū)風力明顯減小，冷平流強度減弱。廣東沿海地區(qū)轉為偏東風，各等溫線有所北抬，冷鋒鋒區(qū)疏散，寒潮I基本結束。

3.3 地面形勢

12月26日18：00冷鋒進入新疆北部。中國中東部地區(qū)位于入海變性高壓脊的后部，盛行偏東風，等壓線稀疏，風力小，沿海云量大。蒙古地區(qū)和西南地區(qū)為低壓控制。29日00：00，除了青藏高原南部受低壓影響外，東亞地區(qū)全部在寒潮冷高壓的控制下，我國東部地區(qū)位于高壓前部盛行東北風。寒潮冷鋒東起江蘇北部，經(jīng)安徽南部、江西北部，穿過湖南中南部，延伸至貴州東南部。寒潮地面冷高壓位于蒙古西部，中心氣壓超過了1 080 hPa。鋒后等壓線密集，風力大。

12月30日12：00，寒潮冷高壓分裂南下，中心強度有所減弱，寒潮冷鋒南壓到南海北部，1 028 hPa等壓線南壓到廣東沿海地區(qū)，而1 040 hPa線南壓到江漢平原，中東部地區(qū)位于冷高壓東南側盛行東北風。沿海等壓線密集，風力加大。在29日和30日的24 h變壓圖上（圖4），全國范圍正變高明顯，寒潮影響范圍廣。這兩天內我國大部分地區(qū)24 h變壓>10 hPa，局地超過20 hPa/24 h。31日12：00，中國大部分地區(qū)仍受冷高壓控制，但蒙古地區(qū)轉為低壓控制。中國地區(qū)的等壓線開始變得稀疏，中東部地區(qū)的風力明顯減小，寒潮冷高壓減弱退化為高壓脊，脊線自我國西北地區(qū)向東南沿海延伸，因此北方盛行偏西風，南方盛行偏東風，寒潮冷鋒逐漸消散，寒潮I基本結束。

4 寒潮Ⅱ天氣形勢

4.1 500 hPa 形勢

2021年1月4日18：00（圖5），歐亞中高緯地區(qū)呈“一脊一槽”形勢，烏拉爾山附近為高壓脊，并與極地高壓打通深入極地，迫使分裂的極渦迅速南下，與南側兩個冷渦合并，橫槽南壓開始進入蒙古，槽后在貝加爾湖附近出現(xiàn)-52℃的冷中心，冷空氣強度超過寒潮I，合并的冷渦成為東亞地區(qū)的極渦中心。低緯度地區(qū)，副高有所北抬，影響到廣東沿海地區(qū)，副高位置較寒潮I南下前位置明顯偏北。

1月6日00：00，歐亞高緯度地區(qū)環(huán)流形勢依然為“一脊一槽”型，整體有所東移，與極地高壓聯(lián)通的高壓脊發(fā)展成阻塞高壓形勢，迫使極渦進一步南壓到45°N，并進入中國，極渦冷中心依然達到-52℃。橫槽南壓到內蒙古，但并未轉豎，寒潮冷空氣入境我國。我國東北地區(qū)盛行偏北氣流，長江以北盛行西北氣流，長江以南盛行偏西氣流。低緯度地區(qū)，副高南撤到南海中部。7日18：00，極渦減弱移出中國，橫槽開始旋轉南下，進入中國，巴爾喀什湖附近有切斷低壓生成。除華南地區(qū)盛行偏西氣流外，我國中東部地區(qū)均盛行西北偏北氣流，冷空氣影響范圍和及其南下深度遠超寒潮I。在低緯度地區(qū)，副高進一步東退到太平洋。8日12：00，橫槽轉豎，槽線位于朝鮮半島，槽后有-40℃冷中心。但在東北到華北一帶又形成了第二道橫槽，極渦東北移，中心北移到55°N的鄂霍茨克海。亞洲地區(qū)的環(huán)流形勢變成“二槽兩脊”，烏拉爾山又有高壓脊生成。東亞的東北部、華北地區(qū)盛行偏北氣流，華南地區(qū)盛行偏西氣流，其他地區(qū)盛行西北氣流，副高位置變化不大。1月9日06：00，第二道橫槽轉豎南下，槽線位于朝鮮半島。在中蒙邊境有第三道橫槽形成，亞洲地區(qū)依然為“兩脊兩槽”形勢，但槽脊均東移減弱，整體趨于平直，寒潮Ⅱ趨于結束。相較寒潮I，寒潮Ⅱ出現(xiàn)了多次橫槽轉豎事件，因此寒潮Ⅱ事件的影響時間遠超寒潮I。

4.2 850 hPa形勢

1月5日06：00（圖6），冷鋒鋒區(qū)位于蒙古國中部，鋒后盛行偏北氣流，風向與等溫線夾角大，冷平流強烈。但是分析我國中東部地區(qū)的盛行風向和冷暖平流可以發(fā)現(xiàn)，燕山以南均盛行西北、東北氣流，為冷平流。說明寒潮Ⅱ進入我國前，已經(jīng)有弱冷空氣正在影響我國。同時，寒潮Ⅱ鋒后有超過-36℃的冷中心，強度超過寒潮I。6日00：00，冷鋒鋒區(qū)南壓到燕山山脈附近，鋒后冷平流強度較5日有所增強，鋒前冷平流沒有明顯變化，-36℃冷中心進入中國。

1月7日12：00，鋒區(qū)到達南嶺附近，長江以北盛行西北氣流，長江以南盛行東北氣流。鋒后風力強勁，風速達到8～16 m/s。位于鋒前的華南地區(qū)，風向由東北轉為東南，受暖平流影響。8日12：00，冷鋒鋒區(qū)壓入南海北部，中東部地區(qū)全部轉為冷平流，長江以北和浙江盛行西北氣流，其他地方盛行東北氣流。0℃南壓到華南中部，-12℃線南壓到長江中下游，風向與等溫線夾角較大，風速達到8～22 m/s，與寒潮I大體相當。9日12：00，寒潮Ⅱ的溫度鋒區(qū)逐漸疏散，中東部地區(qū)，長江以北盛行西北氣流，華南北部盛行東北氣流，風力明顯減弱。華南南部，盛行氣流轉為東南氣流，為暖平流，寒潮Ⅱ結束。

4.3 地面形勢

在1月5日12：00的地面天氣圖和1月5日的變壓場圖上（圖7），寒潮冷鋒位于中國蒙古邊境，除青藏高壓為低壓控制外，中國其他地區(qū)均為冷高壓控制。中國長城以北的地區(qū)盛行偏西風，長城以南南嶺以北的地區(qū)盛行偏北風，華南地區(qū)盛行偏東風。寒潮Ⅱ在進入中國前有一股弱冷空氣正在影響中國，與寒潮I進入中國前的形勢不同。7日，寒潮Ⅱ的寒潮冷鋒南壓至廣東沿海地區(qū)，除青藏高原外，中國均被冷高壓控制。從蒙古到江南，中東部地區(qū)均受高壓脊控制，盛行偏北風和東北風。寒潮地面冷高壓位于蒙古西部，中心氣壓值超過1 075 hPa。與寒潮I的位置、強度相當。8日12：00寒潮冷鋒南壓進入南海，1 028 hPa等壓線南壓到廣東沿海地區(qū)，高壓中心強度開始有所減弱。9日，蒙古地區(qū)再次出現(xiàn)了低壓，寒潮Ⅱ減弱退化為高壓脊，高壓脊線西起新疆到達長江口。中國北方盛行西北風，南方盛行偏北風。寒潮冷鋒逐漸消散，寒潮Ⅱ影響趨于結束。

5 兩次寒潮過程比較

通過分析亞洲地區(qū)500 hPa、850 hPa、地面天氣圖和變溫、變壓、降水量圖可以看出，12月28～31日的第一次寒潮過程（寒潮I），與1月6～8日的第二次寒潮過程（寒潮Ⅱ）比較，兩次過程既有相同之處，又有不同之處。

5.1 相同之處

在對流層中層，兩次寒潮南下的環(huán)流形勢過程都出現(xiàn)了橫槽轉豎的過程，環(huán)流形勢都從“兩槽一脊”變?yōu)椤耙徊垡患埂痹僮兂伞皟刹垡患埂?。亞洲地區(qū)先后出現(xiàn)“長波—超長波—長波”。高壓脊均為阻塞高壓的形勢，阻塞高壓與極地高壓打通。在高壓脊西側烏拉爾山附近出現(xiàn)了切斷低壓的形勢。同時，極渦中心始終在中國東北、鄂霍茨克海西部徘徊，長期低于60°N。高壓脊東移進入西伯利亞后，寒潮就大舉南侵我國。寒潮入侵我國前，副高均出現(xiàn)了北跳，588 dagpm線北支都到了廣東沿海地區(qū)。這與歷史個例不相同[10]。

在850 hPa的高空，兩次寒潮過程的冷平流都很強，風力都達到了16～22 m/s，西北氣流控制范圍廣，最南壓到了閩浙交界。0℃線也南壓到華南中部，-12℃線南壓到長江中下游地區(qū)，冷鋒鋒區(qū)最南壓入南海北部。

而在地面圖上，兩次寒潮的冷鋒都南壓到南海中部，且冷鋒移動速度快，僅用了兩天左右的時間就從蒙古移到了南海，并均伴有大風天氣。地面冷高壓強度強中心強度都超過了1 075 hPa，1 028 hPa等壓線南壓到廣東沿海地區(qū)，冷高壓中心移動的路徑大體相同。兩次降水量均不大，降水范圍也高度重合，東北、新疆北部、江淮和黃淮一帶均出現(xiàn)了降水。

5.2 不同之處

500 hPa副高南撤的形勢差異巨大，寒潮I副高南撤到南海中部，寒潮Ⅱ南撤到太平洋。寒潮I在南下的過程中副高先北上再南撤，寒潮Ⅱ一路南撤。寒潮I位于20°N附近，寒潮Ⅱ位于北緯23°N。寒潮I爆發(fā)南下時冷渦沒有進入中國，寒潮Ⅱ則進入中國。寒潮I只有一次寒潮轉豎過程，寒潮Ⅱ有兩次緊鄰的橫槽轉豎過程。寒潮I冷中心沒有超過-48℃，寒潮Ⅱ則超過-52℃，寒潮Ⅱ冷源強度超過寒潮I。寒潮I橫槽維持了3 d，寒潮Ⅱ的維持了6 d，寒潮Ⅱ冷空氣在西伯利亞堆積的時間遠超寒潮I。兩股寒潮的源地不同，寒潮I為西北路寒潮，寒潮原地為新地島以西，寒潮Ⅱ為東路寒潮原地為東西伯利亞的極地。

在850 hPa圖上，兩次寒潮的冷中心強度不同，寒潮I為-32℃，寒潮Ⅱ達到-36℃。寒潮I在南壓過程中鋒前暖平流強烈，寒潮Ⅱ鋒面除了在迫近華南時出現(xiàn)了弱的暖平流外，其他地區(qū)均為較弱的冷平流。

寒潮I造成的地面降溫幅度明顯大于寒潮Ⅱ，但寒潮I有明顯的鋒前增溫，鋒面兩側為冷氣團和暖氣團，寒潮Ⅱ在冷鋒來臨前還有一定的降溫，鋒面兩側為冷氣團和變性冷氣團。寒潮I的降水范圍大于寒潮I的降水范圍，但江淮地區(qū)降雨持續(xù)時間比寒潮Ⅱ的短，寒潮Ⅱ在華南南部形成了降水，但寒潮I沒有給華南帶來降水。寒潮I期間，1 040 hPa等壓線南壓到江漢平原，寒潮Ⅱ的僅南壓到河套平原。

5.3 結論

利用ECMWF的再分析資料，GPM降水資料，對比分析了2020年12月底至2021年1月初的兩次寒潮天氣過程，得出以下結論。

（1）兩次寒潮天氣過程均在“兩槽一脊”環(huán)流形勢下發(fā)生。在兩次寒潮過程中，均出現(xiàn)橫槽轉豎的情況，引導冷空氣迅速南下。其中，極渦的持續(xù)偏南和烏拉爾山附近出現(xiàn)一個與極地高壓打通的阻塞高壓，為兩次寒潮深度南下提供了有利形勢。

（2）兩次寒潮地面冷高壓中心氣壓均超過1 075 hPa，寒潮冷鋒最南南壓到南海中部，鋒后冷平流強烈，寒潮I在南下過程中鋒前存在強烈而大范圍的暖平流，使寒潮I降溫幅度和降水范圍及強度均大于寒潮Ⅱ。

（3）寒潮Ⅱ的500 hPa高空極渦進入中國，850 hPa鋒前存在明顯冷平流，前期基礎氣溫低，是造成寒潮Ⅱ過程最低氣溫低于寒潮I的主要原因。

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責任編輯：黃艷飛

Comparative Analysis of Two Cold Wave Processes from the Last 2020 to Early 2021

SHI Qing-tian et al （School of Oceanography and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Based on ECMWF reanalysis data and GPM precipitation data， two cold wave weather processes affecting China on December 28～31， 2021 and January 6～8， 2021 were diagnosed and analyzed. The results show that the two cold waves experienced the process of polar vortex southward， transverse trough vertical， abnormal strong cold high and rapid southward pressure of ground cold front， resulting in large-scale regional cooling and extreme low temperature. However， in the former cold wave process， there was obvious warming before the cold front moved southward， and in the latter cold front moved southward， there was cold advection before the cold front， which caused the extreme low temperature of the latter cold wave process to be much lower than that of the former.

Key words Cold wave; Extreme low temperature; Pre frontal warming; Frontal cold advection

基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC1506902）;廣東海洋大學2019年度教學質量工程項目“大氣科學教學團隊”（570219040）。

作者簡介 施晴天（2000-），男，福建泉州人，主要研究方向：大氣科學。*通信作者：薛宇峰（1967-），男，山西呂梁人，副教授，主要研究方向：大氣科學專業(yè)教學與科研，E-mail：66989746@qq.com。

收稿日期 2021-04-25