根河市一次寒潮降溫天氣過程形成原因分析

王富宇

根河市氣象局，內蒙古根河 022350

根河市位于內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市北部，大興安嶺北段西坡，是中國緯度最高的城市之一，屬于寒溫帶濕潤型森林氣候，兼具大陸季風性氣候特征，寒冷濕潤，冬長夏短，春秋相連，無霜期平均90 d，年平均氣溫-5.3℃，1月平均氣溫接近-30℃，縣級氣象臺記錄極端最低氣溫為-51.5℃，結凍期210 d以上，7月平均氣溫18～20℃，也曾出現(xiàn)高于35℃的高溫天氣。境內遍布永凍層，個別地段30 cm以下即永凍層[1]。根河市常年被冷空氣頻繁侵擾，寒潮出現(xiàn)次數(shù)多，1951—2019年間根河站出現(xiàn)的“極寒”日數(shù)達到950 d，素有“中國冷極”之稱。2021年初全國多地區(qū)遭遇寒潮，規(guī)模大且降溫幅度大，根河市也出現(xiàn)偏低氣溫，對此次寒潮降溫天氣進行研究[2]。

1 資料和方法

利用歐洲中期天氣預報中心的0.25°×0.25°網格點逐6 h再分析資料，NASA全球降水觀測計劃0.1°×0.1°網格點24 h總降水資料，根據(jù)天氣診斷分析方法，就根河市2021年1月6—8日的寒潮天氣過程進行分析。寒潮的標準根據(jù)《冷空氣等級》國家標準（GB/T 20484—2017）來判定，即某地日最低氣溫24 h內降溫幅度超過8℃，或48 h內降溫幅度超過10℃。或72 h內降溫幅度超過12℃，且本地日最低氣溫降至4℃以下。

2 寒潮降溫天氣背景

2021年1月6—8日，受大范圍寒潮的影響，此時根河市的平均氣溫較常年同期偏低，且為2013年來的同期最低。本次寒潮影響我國絕大部分地區(qū)，影響范圍廣、強度大、風寒效應明顯。2021年1月上旬的寒潮過程降溫8℃以上的面積達到250萬 km2，降幅12℃以上面積有40萬 km2。1月6日，根河市最低氣溫再創(chuàng)新低，達到-46.2℃，低溫使空氣中水汽凝華出現(xiàn)極端冰霧天氣，當?shù)啬芤姸炔蛔?0 m。這是復雜的氣候背景所致的，入冬以來，歐亞中高緯始終被西高東低的經向型環(huán)流所制，東亞冬季風較為強勢，2020年12月一直維持這樣的狀態(tài)，這是入冬以來本地氣溫偏低的直接原因。在赤道中東太平洋地區(qū)，海水異常，溫度較低，這說明赤道中東太平洋保持在拉尼娜狀態(tài)，結合赤道太平洋海洋大氣環(huán)流實況、國內外氣候動力模式，驗證了赤道中東太平洋冷水狀態(tài)一直維持了整個冬季，并且形成了中等強度的拉尼娜事件，在拉尼娜年的冬季，歐亞中高緯大氣環(huán)流經向度較大，我國的冷空氣活動比常年更加頻繁，且強度偏大，所以氣溫較常年同期偏低。因此，導致目前我國中東部大部氣溫偏低的最直接原因是“西高東低”的經向型環(huán)流和偏強的東亞冬季風，拉尼娜和秋季北極海冰偏少為2020年冬季風偏強提供了重要的背景條件。本次寒潮過程中冷空氣是從俄羅斯北冰洋沿岸逐漸南下移至中國境內的，擴散程度一般，移動路徑為西北—東南走向[3]。

3 寒潮天氣形勢

3.1 500 hPa形勢分析

由圖1可知，2021年1月4日18:00，歐亞大陸中緯度至高緯度為明顯的“一脊一槽”形勢，烏拉爾山附近，水平氣壓場上等壓線向氣壓偏低方向突出，出現(xiàn)了高壓脊并伴有輻散和下沉運動，并且烏拉爾山附近的高壓脊和極地高壓發(fā)展相聯(lián)通，勢力深入北極地區(qū)，這導致極地渦旋加速分裂并南下，與原來在南部的2個冷性低渦合并，橫槽開始南壓且進入蒙古高原，貝加爾湖剛好處于橫槽槽后地區(qū)，出現(xiàn)了1個-52℃的冷中心，此次冷空氣強度比2020年年底12月底寒潮更強，合并后的冷性低渦迅速成為東亞地區(qū)的極渦中心。在低緯度地區(qū)，副熱帶高壓的位置較正常往北移，廣東沿海地區(qū)均受到影響，且此次副高北抬幅度要甚于2020年12月底寒潮南下前的位置。

圖1 2021年1月4日18:00（a）、6日00:00（b）、7日18:00（c）、8日12:00（d）500 hPa形勢場

2021年1月5日24:00，歐亞高緯度地區(qū)的環(huán)流形勢基本仍保持在“一脊一槽”的形態(tài)，但“一脊一槽”的整體位置相較之前偏東，與極地高壓相聯(lián)通的高壓脊已經發(fā)展成為阻塞高壓形勢，導致繞極環(huán)流繼續(xù)南下至45°N，我國開始受到影響，但此時的繞極環(huán)流冷中心依然還未達到-52℃。橫槽已經發(fā)展至我國內蒙古自治區(qū)，但沒有轉豎，寒潮冷空氣侵入我國，根河市受到影響，本地盛行氣流為偏北氣流，西北氣流。低緯度一帶，副熱帶高壓南退至我國南海中部。1月7日18:00，繞極環(huán)流開始減弱并且逐漸退出中國，橫槽開始旋轉南下進入中國，西風帶中長波槽強烈發(fā)展所形成的具有閉合環(huán)流和冷中心的深厚低壓系統(tǒng)出現(xiàn)在巴爾喀什湖附近，根河市仍然盛行西北偏北氣流。1月8日12:00，橫槽轉豎，槽線在朝鮮半島一帶，槽后形成了-40℃的冷中心。此時,我國東北平原至華北平原一帶出現(xiàn)了第2道橫槽，繞極渦旋向東北移動，中心移動至了55°N太平洋西北部邊緣海附近。亞洲大陸的環(huán)流形勢切換為“二槽兩脊”的形勢，烏拉爾山附近有高壓脊的生成。中國東北部、朝鮮半島、日本列島、俄羅斯遠東地區(qū)和中國華北地區(qū)盛行偏北氣流，長江以南盛行西北氣流，副熱帶高壓的位置較之前變化不大。1月9日06:00，第2道橫槽轉豎開始南下，槽線則處于朝鮮彈道地區(qū)，在中國和蒙古國交界處出現(xiàn)了第3道橫槽，亞洲大陸仍保持“3槽兩脊”的形勢，但較之前的槽線和脊線位置卻呈現(xiàn)了東向移動且減弱的趨勢，整體逐漸趨于平直，這表明此次寒潮將要結束。由于本次寒潮過程中出現(xiàn)較多次橫槽轉豎的事件，所以寒潮持續(xù)時間較長[4]。

3.2 850 hPa形勢分析

1月5日06:00，冷鋒顯示的位置在蒙古國中部地區(qū)，鋒區(qū)后側盛行偏北氣流，此時風向和等溫線的夾角較大，較冷空氣向較暖空氣方向輸送活動強烈。但是,觀察我國華北和東北地區(qū)的盛行風向和冷暖平流性質可以發(fā)現(xiàn)，在燕山以南地區(qū)盛行東北和西北氣流，性質為冷平流，說明在此次寒潮出現(xiàn)前已經有部分較弱冷空氣開始影響我國部分地區(qū)，而且寒潮鋒區(qū)后出現(xiàn)了超過-36℃的冷中心。1月6日00:00冷鋒鋒區(qū)南下至燕山山脈一帶，鋒區(qū)后側冷平流強度較1月5日有所增強，鋒前冷平流則沒有顯著變化，-36℃冷中心開始進入中國。

1月7日12:00，鋒區(qū)在湖南省江西省和兩廣地區(qū)交界處一帶。長江以北地區(qū)盛行西北氣流，長江以南地區(qū)則盛行東北氣流。鋒區(qū)后側風力較大，風速高達9～15 m/s。在鋒區(qū)前側的華南一帶，風向則由東北變?yōu)闁|南，受暖平流影響較大。1月8日12:00，冷鋒鋒區(qū)則深入南海北部海域，中部和東部海域則均變?yōu)槔淦搅?，長江以北和江浙一帶則以西北氣流為主，其他地區(qū)以東北氣流為主。0℃南下至華南中部地區(qū)，-12℃線則南下影響到東至江浙西至湖北一帶，風向和等溫線的夾角較大，風速高達9～21 m/s，與2020年12月底的寒潮大致一樣。1月9日12:00，本次寒潮溫度鋒區(qū)逐漸疏散，我國中東部地區(qū)和長江以北地區(qū)盛行西北氣流，華南地區(qū)北部以東北氣流為主，風力強度明顯不如之前。華南南部地區(qū)，盛行氣流則由東北氣流變?yōu)闁|南氣流。

3.3 地面形勢分析

1月5日12:00氣壓場（圖2a）和1月5日00:00變壓場（圖2b）上，此次寒潮冷鋒均在中國和蒙古國交界處，青藏高壓由低壓控制，我國其他地區(qū)則明顯受冷高壓影響。蒙古高原以偏西風為主，北至蒙古高原南側邊緣，南至南嶺地區(qū)的地帶以偏北風為主，華南地區(qū)以偏東風為主。1月7日，寒潮冷鋒南下且擴散至廣東沿海一帶，青藏高原仍被低壓控制，中國其他地區(qū)均被冷高壓控制。從蒙古高原至長江中下游一帶，中東部地區(qū)受高壓脊影響較大，盛行偏北風和東北風。寒潮地面冷性反氣旋則在蒙古西部地區(qū)，中心地區(qū)的氣壓值＞1 070hPa，這與2020年12月底的寒潮天氣過程強度相差不大。1月8日12:00寒潮冷鋒南下至我國南海地區(qū)，1 028 hPa等壓線南下至廣東沿海一帶，高壓中心的強度開始逐漸變弱。1月9日蒙古高原一帶又出現(xiàn)了低壓，本次寒潮逐漸退化成高壓脊，高壓脊線西起新疆東至長江口。我國長江以北地區(qū)盛行西北風，長江以南地區(qū)盛行偏北風。本次寒潮冷鋒逐漸褪去，寒潮的影響過程趨于結束。

圖2 2021年1月5日12:00氣壓場（a）、00:00變壓場（b）

4 與2020年12月底寒潮天氣過程的對比

2020年12月28—31日根河市也出現(xiàn)了一次寒潮降溫天氣過程，這2次寒潮天氣過程臨近，可比之處較多，通過對比2次寒潮過程可以更好地了解寒潮天氣的特征。

（1）2次寒潮天氣的對流層中層，在寒潮發(fā)展過程中都有橫槽轉豎的表現(xiàn)，環(huán)流形勢也經過相同的變換，均從“兩槽一脊”切換為“一槽一脊”，最后變?yōu)椤皟刹垡患埂?。亞洲地區(qū)依次出現(xiàn)了“長波—超長波—長波”，高壓脊也都是不斷北伸的，導致脊北部暖空氣與母體脫離，出現(xiàn)高壓環(huán)流的暖空氣堆，阻礙著上游波動向下游傳遞，阻塞高壓和極地高壓連通，烏拉爾山位于高壓脊西側出現(xiàn)切斷低壓的態(tài)勢。同時，繞極渦旋中心始終保持在中國東北平原至鄂霍茨克海西部一帶，并持續(xù)穩(wěn)定在60°N以南。高壓脊東移至西伯利亞后，寒潮開始強勢入侵我國。在寒潮入侵前，副熱帶高壓發(fā)生北跳，588 dagpm線北支發(fā)展至我國廣東沿海地區(qū)。950 hPa低空，2次寒潮過程的冷平流較為強勁，風速高達17～21 m/s，西北氣流影響范圍最大，勢力范圍南側邊緣甚至達到福建和浙江交界處一帶，0℃線南下至華南地區(qū)中部，-12℃線則南下至長江中下游一帶，冷鋒鋒區(qū)最南到達南海北部一帶。地面場上，2次寒潮的冷鋒都南壓至南海中部一帶，冷鋒行進速度較快，48 h左右便從蒙古高原行進至南海地區(qū)，沿途出現(xiàn)了大風降溫天氣。

（2）兩者存在較多不同之處。500 hPa副熱帶高壓南退形勢不同，12月底的寒潮副熱帶高壓南退至南海中部，1月初寒潮則南退至太平洋上。路徑也不同，12月底寒潮在南下過程中副熱帶高壓北上后再行南退，位置在20°N附近，而1月初寒潮則一直南退，在23°N附近。12月底寒潮進入中國時沒有冷渦活動，冷中心在-48℃以上，出現(xiàn)3 d的橫槽轉豎情形；1月初寒潮進入中國前已經有小股冷空氣活動，有2次緊挨著發(fā)生的橫槽轉豎的情形，且橫槽轉豎的過程則持續(xù)了6 d，冷中心超過了-52℃。說明1月初寒潮冷源強度大，寒潮過程中冷空氣在西伯利亞地區(qū)的堆積時間遠長于前一次寒潮。12月底為西北路寒潮，寒潮源地是在新地島以西地區(qū)，1月初寒潮發(fā)生為東路寒潮，源地則位于東西伯利亞的極地。在850 hPa上，2次寒潮的冷中心強度也不同，12月底的寒潮強度為-32℃，在南下過程中鋒區(qū)前側暖平流較為強烈，降水范圍略大；而本次寒潮天氣的強度達到-36℃，在冷鋒來臨前出現(xiàn)了強降溫天氣，鋒面在大部分地區(qū)是弱冷平流，只有在臨近華南地區(qū)時才出現(xiàn)了弱暖平流。12月底的寒潮天氣導致地面降溫幅度顯著，大于本次寒潮，12月底后的寒潮出現(xiàn)了顯著的鋒前增溫情況，鋒面兩側分別為暖氣團和冷氣團，在江淮地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的降水天氣過程，1月初的寒潮天氣過程鋒面兩側分別為冷氣團和變性冷氣團，寒潮降溫帶來長時間的降水，華南南部出現(xiàn)了降雨。第一次寒潮出現(xiàn)期間，1 040 hPa等壓線南下至江漢平原，本次寒潮的1 040 hPa等壓線只南下至河套平原。

5 結束語

本次寒潮出現(xiàn)的大氣環(huán)流特征為“兩槽一脊”，并且伴有橫槽轉豎的情況，這導致北方冷空氣快速南下擴散。繞極環(huán)流較往常偏難南，并且在烏拉爾山附近出現(xiàn)了阻塞高壓，這為寒潮深入中國內陸提供了有利條件。寒潮冷性反氣旋中心氣壓≥1 075 hPa，寒潮冷鋒南部邊緣深入南海中部，鋒后冷平流發(fā)展勢頭強勁，500 hPa高空繞極環(huán)流影響中國，850 hPa鋒前存在明顯冷平流，前期氣溫較低。因為寒潮天氣過程難以預測，不同天氣過程會具有差異性，但也具有相同特征，因此可通過探討2次相鄰近的寒潮天氣發(fā)展過程，分析其異同，加深對本次寒潮天氣的理解，為日后提高寒潮天氣預報準確率提供參考。