2020年2月13—15日寧夏寒潮天氣過程分析

張澤瑾

（寧夏中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000）

寒潮是寧夏冬半年主要災(zāi)害性天氣之一[1]，發(fā)生時(shí)常伴隨劇烈降溫和大風(fēng)，有時(shí)還伴有沙塵和雨雪，給交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公眾生活帶來了許多不利影響。我國氣象工作者王遵婭等[1]、劉傳鳳[2]、許愛華等[3]對寒潮影響系統(tǒng)的演變、冷空氣的移動路徑等開展了大量研究，得出了許多具有實(shí)用價(jià)值的預(yù)報(bào)指標(biāo)[4]；寧夏氣象工作者也對本地多個(gè)寒潮個(gè)例進(jìn)行了分析，總結(jié)出了相關(guān)定量化預(yù)報(bào)指標(biāo)，為當(dāng)?shù)睾碧鞖獾念A(yù)報(bào)提供了參考和技術(shù)支撐[4-9]。受新疆強(qiáng)冷空氣東移南下影響，2020年2月13—15日寧夏出現(xiàn)了一次寒潮、大風(fēng)天氣過程。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）逐6 h 再分析資料，對環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)的發(fā)展演變、降溫和大風(fēng)的形成原因等進(jìn)行分析，進(jìn)一步揭示了寒潮天氣的形成機(jī)制，為寧夏寒潮天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警提供了參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

受新疆強(qiáng)冷空氣東移南下影響，2020年2月13—15日寧夏出現(xiàn)了一次寒潮、大風(fēng)天氣過程，寒潮等級未達(dá)到全區(qū)性寒潮。其中，13日午后至14日夜間，全區(qū)大部出現(xiàn)5 級左右偏北風(fēng)，陣風(fēng)7 到9 級，并伴有揚(yáng)沙或浮塵天氣，最大風(fēng)速出現(xiàn)在賀蘭山站，為29.7 m/s，最低能見度出現(xiàn)在同心站，為1 772 m；15日全區(qū)最低氣溫普遍降至-18～-13 ℃，較13日最低氣溫平均下降13.9 ℃，有3 站降幅超過14 ℃，最大降幅出現(xiàn)在涇源站，達(dá)到16.4 ℃；13—15日日平均氣溫平均下降11 ℃，最大氣溫降幅出現(xiàn)在固原站，達(dá)到15.6 ℃。此次寒潮天氣過程致使石嘴山市平羅縣姚伏鎮(zhèn)周城村6 個(gè)蔬菜大棚、許家橋村3 個(gè)蔬菜大棚棚膜被大風(fēng)吹毀，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.35 萬元。

2 強(qiáng)冷空氣活動

2.1 冷空氣初始階段

2月10日冷空氣初始階段500 hPa 環(huán)流形勢如圖1 所示，過程前期歐亞中高緯呈“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，極渦位于60°N 以北、新地島以東至150°E 的寬廣區(qū)域內(nèi)，其底部為較為平直的緯向環(huán)流，來自新地島以東洋面的冷空氣逐漸南壓，在西西伯利亞—中西伯利亞地區(qū)形成高空冷渦，冷中心最低溫度為-44 ℃。冷渦槽在烏拉爾山脊前西北氣流的引導(dǎo)下逐漸向貝加爾湖附近移動；歐洲東部的切斷低壓緩慢向黑海附近移動；咸海北部的槽前有一支強(qiáng)西風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)44 m/s；太平洋東部的阿拉斯加有一暖性高壓脊。

圖1 2020年2月10日冷空氣初始階段500 hPa 環(huán)流形勢圖

2.2 冷空氣積聚階段

2月11—12日冷空氣積聚階段環(huán)流形勢如圖2所示。11日08 時(shí)，原位于歐洲的暖脊向北發(fā)展并東移，我國東北地區(qū)有暖性高壓脊建立，形成東亞地區(qū)倒Ω 流型；西西伯利亞形成了深厚低壓槽和強(qiáng)鋒區(qū)；自極渦分裂南下的冷渦逐漸東移，中心最低溫度為-45 ℃，橫槽前部鋒區(qū)很強(qiáng)，槽前最大風(fēng)速值為40 m/s。11日20 時(shí)，烏拉爾山南部高壓脊發(fā)展，與歐洲北伸的脊逐漸合并，脊前有強(qiáng)的偏北氣流，引導(dǎo)極地冷空氣南下，在橫槽中堆積。東北地區(qū)的脊向北發(fā)展，中西伯利亞東部冷渦移動緩慢，來自新地島以東的冷空氣不斷堆積。12日08 時(shí)，烏拉爾山高壓脊不斷北伸，脊前北風(fēng)增強(qiáng)，最大風(fēng)速為28 m/s，風(fēng)向與等溫線近于垂直，有強(qiáng)的冷平流。冷空氣繼續(xù)堆積，低渦緩慢東移，冷中心加強(qiáng)，溫度降至-46 ℃。同時(shí)，地面冷高壓主體位于北疆北部，中心強(qiáng)度為1 040 hPa，西北地區(qū)東北部受地面熱低壓控制，升溫較快。

圖2 2020年2月11—12日冷空氣積聚階段環(huán)流形勢圖

2.3 冷空氣爆發(fā)階段

2月13—15日冷空氣爆發(fā)階段環(huán)流形勢如圖3所示。13日08 時(shí)，冷渦移動緩慢，冰島地區(qū)有冷空氣不斷侵襲，烏拉爾山高壓脊逐漸東移并發(fā)展到最強(qiáng)階段，使脊前冷空氣南下，橫槽受新地島以東較強(qiáng)冷空氣的補(bǔ)充及引導(dǎo)作用，向東南方向移動加深,引導(dǎo)槽主體位于貝加爾湖南部，冷空氣在橫槽后部堆積。地面冷高壓主體擴(kuò)大，前緣冷鋒位于內(nèi)蒙古地區(qū)，寧夏大部分地區(qū)仍受地面熱低壓控制。14日08 時(shí)，隨著上游系統(tǒng)發(fā)展，高壓脊東移，環(huán)流經(jīng)向度加大，脊前由東北偏北風(fēng)逆轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，溫度槽和高度槽趨于重合，橫槽轉(zhuǎn)豎，冷空氣大舉南下，我區(qū)處在強(qiáng)鋒區(qū)和強(qiáng)風(fēng)帶控制之下。地面冷高壓主體整體南壓，中心強(qiáng)度增至1 055 hPa，其前部與寒潮地面冷鋒間等壓線非常密集，氣壓梯度很大，鋒面東移南壓至我區(qū)南部—陜西北部—河北北部。14日20 時(shí)，500 hPa引導(dǎo)槽繼續(xù)南壓影響寧夏地區(qū)，并在內(nèi)蒙古地區(qū)形成一切斷低渦，同時(shí)鋒區(qū)加強(qiáng)南壓，冷空氣繼續(xù)影響寧夏。雖然地面冷鋒移出寧夏，但冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)到1 062.5 hPa，寧夏地區(qū)位于冷高壓的底部，因此溫度會有一個(gè)持續(xù)下降的過程。15日08 時(shí)，冷渦槽移出寧夏至內(nèi)蒙古中部，在500 hPa 西風(fēng)急流的作用下將繼續(xù)發(fā)展東移，地面我區(qū)位于冷高壓底部。

圖3 2020年2月13—15日冷空氣爆發(fā)階段環(huán)流形勢圖

3 物理量場分析

3.1 探空分析

13日20 時(shí)，地面至中層較干，濕度條件差，無不穩(wěn)定能量，地面相對較暖，低層溫度直減率大，有利于下沉氣流在下降過程中保持向下的加速度和較強(qiáng)下沉對流有效位能的形成，整層為一致的偏北風(fēng)，低層至高層存在風(fēng)速切變；14日08 時(shí)，地面溫度降至零下，500 hPa 附近濕度較大，其以下溫度露點(diǎn)差較大，存在熱力不穩(wěn)定，高空急流明顯，動量下傳作用使中低層風(fēng)速加大；15日08 時(shí)，地面溫度進(jìn)一步降低，濕度轉(zhuǎn)好，低層風(fēng)速減小。

3.2 渦度平流分析

銀川站渦度平流如圖4a 所示，13日20 時(shí)—14日20 時(shí)銀川站500 hPa 及以上高層有正渦度平流，最大中心為34×10-10s-2，表明寧夏處于槽前，且正渦度平流隨高度增加，有利于其上升產(chǎn)生絕熱冷卻，使冷舌增強(qiáng)。寒潮爆發(fā)后，正渦度平流強(qiáng)度迅速減弱，能量釋放導(dǎo)致大范圍降溫[6]。14日20 時(shí)以后，低層至高層為負(fù)渦度平流，寧夏位于槽后脊前的西北氣流中，負(fù)渦度平流隨高度增加，伴隨有較強(qiáng)的下沉運(yùn)動，動量下傳使地面形成強(qiáng)烈的寒潮大風(fēng)。地面冷高壓上空有負(fù)渦度平流配合，預(yù)示著地面冷高壓將持續(xù)加強(qiáng)。13日午后至14日夜間，850 hPa 及其以下為渦度正值區(qū)，有氣旋性渦柱，利于垂直運(yùn)動發(fā)展。13日20時(shí)500 hPa 渦度平流如圖4b 所示，貝加爾湖及其以南為負(fù)渦度平流區(qū)，表明槽后有較強(qiáng)的下沉氣流，利于高空強(qiáng)冷空氣引導(dǎo)下傳[5]，寧夏及內(nèi)蒙古大部分地區(qū)處于正渦度平流區(qū)，位于槽前，有利于鋒面發(fā)展，出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

圖4 渦度平流（單位：10-10 s-2）

3.3 溫度平流分析

銀川站溫度平流變化如圖5 所示，過程前（12日）400 hPa 及以下區(qū)域受暖平流控制，升溫明顯；13日14 時(shí)后寧夏位于冷平流區(qū)，降溫開始，且冷平流逐漸增強(qiáng)，近地層冷高壓勢力逐漸加強(qiáng)，氣溫逐步下降；13日20 時(shí)—14日20 時(shí)，500 hPa 以上高層為暖平流，表明暖性高壓脊此時(shí)位于寧夏上空，且暖平流隨高度增強(qiáng)，預(yù)示著高壓脊將減弱，槽后為暖平流，變溫梯度指向東南，預(yù)示著橫槽轉(zhuǎn)豎南壓；14日20 時(shí)以后，低層到高層為冷平流區(qū)，下沉運(yùn)動明顯，地面冷高壓發(fā)展影響寧夏。過程前（12日），中低層受暖平流區(qū)控制，高層有冷平流，上冷下暖，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，利于大風(fēng)形成；14日白天斜壓鋒生作用明顯，級次環(huán)流加強(qiáng)，使得鋒后風(fēng)速加大。13日夜間至14日白天，冷平流大值區(qū)位于低層850 hPa，中心值達(dá)-30×10-5℃/s，表明有強(qiáng)冷平流經(jīng)過，風(fēng)力增加，氣溫驟降，造成寒潮。

圖5 銀川站溫度平流剖面圖（單位：10-5 ℃/s）

3.4 假相當(dāng)位溫分析

銀川站假相當(dāng)位溫變化如圖6 所示，12日前，自地面至700 hPa 中低層有向上伸展的舌狀能量高值區(qū)，存在上升運(yùn)動，且θse隨高度減小，12日14時(shí)θse為36 ℃（850 hPa），寒潮爆發(fā)前積累高能高濕[5]。寒潮過程來臨后，假相當(dāng)位溫有所下降，13日14 時(shí)θse為26 ℃。隨著冷空氣進(jìn)一步爆發(fā)南下，假相當(dāng)位溫急速下降，14日14 時(shí)θse為6 ℃左右，空氣變得干冷。θse的變化表明寒潮大風(fēng)的產(chǎn)生伴隨有不穩(wěn)定能量的釋放。

圖6 銀川站假相當(dāng)位溫剖面圖（單位：℃）

4 強(qiáng)降溫成因

4.1 寒潮前期回暖

寒潮天氣過境時(shí)，氣壓升高、氣溫驟降，氣象要素變化劇烈。銀川站和固原站地面溫度及氣壓變化特征如圖7 所示，過程前期，地面受蒙古熱低壓控制，升溫迅速，13日14 時(shí)兩站氣溫升至最高（銀川站8.5 ℃、固原站6.5 ℃），后氣溫直線下降，地面氣壓逐步升高，寒潮開始影響寧夏地區(qū)。該態(tài)勢持續(xù)至15日08 時(shí)，兩站氣溫降至最低（銀川站-15.2 ℃、固原站-17.7 ℃）。此后氣溫有所回升，氣壓開始下降。

圖7 地面溫度及氣壓變化特征圖

研究表明，寒潮前氣溫回升是寧夏寒潮爆發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)。寧夏所有寒潮過程均是在前期強(qiáng)烈升溫的基礎(chǔ)上由較強(qiáng)冷空氣向南侵襲造成的。在冷空氣勢力相同的情況下,寒潮前回暖越強(qiáng),降溫強(qiáng)度越大[6]。因?yàn)樵谇捌谏郎貜?qiáng)烈的基礎(chǔ)上，若有較強(qiáng)冷空氣入侵，很容易造成溫度變化劇烈；此外，低層比高層增暖幅度大，會形成熱力不穩(wěn)定，隨著強(qiáng)冷空氣入侵、鋒面過境，熱力不穩(wěn)定層結(jié)被破壞，湍流交換，動量下傳，形成大風(fēng)。

4.2 強(qiáng)冷平流

在寒潮降溫預(yù)報(bào)的所有條件里，溫度平流對氣溫局地變化的影響最大。此次氣溫驟降主要是由強(qiáng)冷平流引起的。溫度平流分布如圖8 所示，13日20時(shí)，200 hPa 中西伯利亞—貝加爾湖—北疆北部受冷平流控制，冷平流中心位于中西伯利亞附近，數(shù)值為-30×10-5℃/s，新疆北部—內(nèi)蒙古西部—河西走廊西部受較強(qiáng)的冷平流控制，寧夏位于弱的暖平流區(qū)；500 hPa 原位于貝加爾湖南部的冷平流中心南壓至內(nèi)蒙古中部，冷平流較強(qiáng)，寧夏位于一般強(qiáng)度的冷平流區(qū)內(nèi)；700 hPa 冷平流南壓至新疆、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西和山西，這些地區(qū)均受冷平流控制，冷平流較強(qiáng)，中心位于內(nèi)蒙古中部。高空鋒區(qū)隨高度升高向冷區(qū)傾斜，鋒區(qū)內(nèi)有冷平流,對應(yīng)地面有冷鋒。從高層至低層，寧夏的溫度平流由暖轉(zhuǎn)為冷，冷平流逐步加強(qiáng)，促使低層鋒區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)，地面氣壓梯度增大。當(dāng)冷空氣前鋒入侵時(shí)，致使大風(fēng)及沙塵天氣出現(xiàn)。

圖8 溫度平流分布圖（單位：10-5 ℃/s）

5 結(jié)論

（1）此次寒潮天氣過程為橫槽轉(zhuǎn)豎型。烏拉爾山高壓脊先建立后向極地?cái)U(kuò)展加強(qiáng)，使得新地島以東的強(qiáng)冷空氣沿脊前強(qiáng)北風(fēng)急流南下，在西西伯利亞—中西伯利亞上空堆積，形成高空低渦，冷中心強(qiáng)度低于-38 ℃是此次寒潮爆發(fā)南下的關(guān)鍵點(diǎn)。烏拉爾山高壓脊向東南方向崩潰，推動強(qiáng)冷空氣大舉南下，從而造成此次寒潮天氣。

（2）冷空氣取西北路徑入侵，即冷空氣從烏拉爾山偏北移至西伯利亞后，經(jīng)我國新疆、內(nèi)蒙古西部、河西走廊影響寧夏。地面冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)到1 055 hPa 且完整有規(guī)律地向東南方向移動是此次寒潮爆發(fā)南下的必要條件。

（3）寒潮前期升溫，形成熱力不穩(wěn)定；強(qiáng)冷空氣入侵后，溫度變化劇烈，變溫達(dá)到23 ℃。地面冷高壓上空有負(fù)渦度平流配合，加之850 hPa 有強(qiáng)度為-30×10-5℃/s 的強(qiáng)冷平流經(jīng)過，使其強(qiáng)度增加，降溫持續(xù)。

（4）850 hPa 為弱的正渦度區(qū)，700 hPa 為較強(qiáng)的負(fù)渦度區(qū)。中空明顯的輻散下沉氣流，使得高空冷空氣動量下傳，從而形成強(qiáng)烈的寒潮大風(fēng)。寒潮過程前后，假相當(dāng)位溫變化明顯，Δθse達(dá)到30 ℃，隨著強(qiáng)冷空氣爆發(fā)南下，假相當(dāng)位溫急速下降，不穩(wěn)定能量釋放導(dǎo)致寒潮爆發(fā)，產(chǎn)生大風(fēng)。