滇黔靜止鋒減弱北抬期間環(huán)流特征分析

李 剛，楊 林，湯天然，譙 勛，劉健平

（1. 貴州省氣象臺，貴陽 550002；2. 畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700）

鋒作為重要天氣系統(tǒng)之一，國內(nèi)外學者對其研究已有較長歷史。最早是Bjerknes（1919）提出“鋒面”概念，最初只是將密度場的不連續(xù)定義為鋒面，隨后在后續(xù)研究中得到不斷的完善和補充。在中國，梅雨鋒（鄭永光等，2007；陳紅專等，2009）、華南準靜止鋒（陶祖鈺等，2008）及云貴靜止鋒（索渺清等，2016）等研究一直備受關(guān)注。鋒面天氣系統(tǒng)的產(chǎn)生及存在，通常具有很大的斜壓性，氣象要素水平梯度加大，有利于垂直環(huán)流的發(fā)展和能量轉(zhuǎn)換，在其附近常有比較劇烈的天氣變化和氣壓系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，一般可以根據(jù)溫度、風切變、露點、云量、云類、能見度和降水等辨別鋒面位置。但由于地面氣象要素受下墊面影響較大，因而鋒附近的要素場特征不如理論上明顯。如夏半年白天，冷鋒前暖空氣一側(cè)有云遮蔽，溫度回升不明顯，或是冷鋒后為晴空，溫度日變化值較大，此時冷鋒兩側(cè)的溫度差異不明顯（壽紹文等，2006）。

滇黔靜止鋒，又叫云貴準靜止鋒，不少學者將其稱為西南準靜止鋒，指在東亞地區(qū)冷空氣爆發(fā)南下擴展時不能穿越高原大地形，受其阻擋與來自孟加拉灣西南暖濕氣流共同作用而形成的特有鋒面系統(tǒng)。不少研究也指出云貴準靜止鋒是地形產(chǎn)物（Jong,1950），是地面冷高壓沿青藏高原東側(cè)遇高原阻擋而形成（段旭等，2002）。王曼等（2009）利用MM5 中尺度數(shù)值模式，定量分析得出高原地形作用是云貴準靜止鋒形成和維持的必要條件。云貴準靜止鋒一年四季均有出現(xiàn)，但其活動具有明顯的季節(jié)特征，夏半年相對偏弱偏少，冬半年較強較多。此外，云貴準靜止鋒具有夜間南進、白天東北退的顯著日變化特征，并在幾十上百甚至數(shù)千米內(nèi)做東西向的擺動（高增勇等，1984）。在春夏和秋冬交替季節(jié)存在驟降弱升的突變，通常云貴準靜止鋒兩側(cè)的天氣迥然不同，單純準靜止鋒影響時天氣一般較單一、穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為由南、北兩股氣流勢力的強弱而擺動，鋒前為西南暖濕氣流影響、天氣晴朗；鋒后為冷空氣影響、陰雨錦錦（杜正靜，2007a）。但靜止鋒多數(shù)會隨冷暖空氣強弱擺動，特別與南支槽等其他天氣系統(tǒng)結(jié)合時，極易產(chǎn)生劇烈天氣，如造成冬、春季強降水、暴雨和冰雹和大風等天氣（李英等，2000；杜正靜等，2015；徐海等，2016；周明飛等，2017）。當云貴準靜止鋒加強向西南移出時，會造成鋒后區(qū)域貴州、云南等地的降溫、降雨，如果冷空氣較強且維持時間長則會形成鋒后的低溫、雨雪和冰凍等災害性天氣，而鋒前云南、貴州西南部地區(qū)則會形成持續(xù)的晴熱少雨天氣或旱情（張潤瓊等，2009；趙荻，2016）。杜正靜等（2007b）還分析了云貴準靜止鋒演變的大氣結(jié)構(gòu)和特征，歸納出4 類云貴準靜止鋒的結(jié)構(gòu)、天氣和大氣環(huán)流特征；李英（2001）通過典型個例分析，發(fā)現(xiàn)當有南支槽等天氣系統(tǒng)配合時，云貴準靜止鋒產(chǎn)生強天氣的形勢結(jié)構(gòu)；此外，杜小玲等（2010）發(fā)現(xiàn)，冬季造成強凍雨的準靜止鋒，一般具有鋒上暖濕云、鋒下冷濕云的特點。為揭示各類鋒區(qū)特征，杜小玲等（2014）還分析了凍雨和強對流天氣的鋒區(qū)結(jié)構(gòu)，以及凍雨和冰粒、雪等不同相態(tài)下的鋒區(qū)結(jié)構(gòu)特征。

總體上，以往研究均是在靜止鋒活動明顯或較強時段冬季進行，而這類明顯或較強滇黔靜止鋒的出現(xiàn)相對容易識別和預報。一般情況，在每年的深秋初冬時節(jié)（即11—12月），冷空氣勢力表現(xiàn)較弱，滇黔靜止鋒特征不及冬季明顯，這類弱冷空氣下造成靜止鋒的出現(xiàn)及擺動，一般較難預測和預報；一旦受其影響，不但天氣現(xiàn)象難以把握，而且對其影響期間的氣溫預報更是困難重重；部分觀測站點氣溫相對誤差可達10.0℃甚至更高，給預報服務及生產(chǎn)出行帶來嚴重影響。從當前滇黔靜止鋒的研究進展看，在云貴之間關(guān)于深秋初冬時節(jié)出現(xiàn)的形勢表現(xiàn)較弱的滇黔靜止鋒的研究，在貴州目前尚未開展。因此，本文主要針對深秋初冬時節(jié)（11—12月）滇黔靜止鋒減弱北抬期間對貴州造成的氣溫差異進行評估，同時選取氣溫預準確率較差的年份——2014年，對滇黔靜止鋒減弱北抬時當天的個例進行合成，并將其與當年平均狀態(tài)下相應環(huán)流形勢進行對比分析，探討其變化的本質(zhì)原因。以期為滇黔靜止鋒減弱北抬期間氣溫等要素的預報提供參考。

1 數(shù)據(jù)與資料

實況資料：采用2011—2021 年深秋初冬時節(jié)（11—12月）逐3 h地面氣壓場（SPL）、地面綜合觀測資料及衛(wèi)星資料，選取滇黔靜止鋒減弱北抬個例，并選取同時段日最高溫（Tmax）、日最低溫（Tmin）實況資料（T 20:00—20:00）①注：氣象業(yè)務應用中，T 20:00—20:00表示當日20時后至次日20時之間的時段。作為滇黔靜止鋒擺動期間氣溫變化分析的參考依據(jù)。

采用上述對應時段日常預報業(yè)務應用的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）所提供的2 m 氣溫作為預報材料，用于預報性能評估。該資料每日T 20:00（北京時）起報，屬Micaps第4類數(shù)據(jù)格式，分辨率為0.125°×0.125°經(jīng)緯網(wǎng)格，時效為96 h 內(nèi)逐3 h預報。

再分析資料：選取同時段NCEP/NCAR 每日T 12:00（世界時，即北京時T 20:00）的4次1.0°×1.0°再分析FNL資料，對深秋初冬時節(jié)滇黔靜止鋒減弱北抬期間的結(jié)構(gòu)形勢進行分析。

2 靜止鋒頻數(shù)統(tǒng)計與氣溫預報評估

2.1 頻數(shù)統(tǒng)計

參考杜正靜等（2007b）的選取方式，并根據(jù)實況資料，最終選擇出2010—2021年深秋初冬時節(jié)期間滇黔靜止鋒減弱北抬的個例共191個。

圖1顯示，2010—2021年滇黔靜止鋒減弱北抬變化次數(shù)在2010和2012年最多，達24次；2016年最少，僅為10 次?？傮w上，2010—2021 年的11—12 月靜止鋒出現(xiàn)減弱北抬的次數(shù)隨時間呈減少趨勢。

圖1 2010—2021年11—12月滇黔靜止鋒減弱北抬次數(shù)Fig.1 Statistics of the Dian-Qian quasi-stationary front weakened and moved northward from November to December,2010-2021

2.2 靜止鋒影響期間氣溫預報評估

因滇黔靜止鋒減弱北抬過程中，主要表現(xiàn)為預報業(yè)務中晴雨、氣溫預報上的嚴重偏差與失誤，特別是氣溫，相對誤差可達10.0℃以上。因此，為評估具體影響，利用所選191個個例，對滇黔靜止鋒減弱北抬當天的日最高、最低溫預報進行檢驗。

圖2 顯示了滇黔靜止鋒減弱北抬期間ECMWF 72 h內(nèi)逐日最高溫、最低溫預報與11—12月平均狀態(tài)時的預報平均準確率、平均均方根誤差（RMSE）的對比分析。由圖2-a、b可見，2010—2021年11—12月平均狀態(tài)72 h內(nèi)預報能力相當，準確率變化不大，日高低溫總體介于52.0%～64.0%，并表現(xiàn)為日最低溫預報準確率高于日最高溫。當?shù)崆o止鋒擺動時，其日最高溫、最低溫預報準確率均受到顯著影響，平均準確率下降至36.0%～50.0%，下降幅度為14.0%～16.0%。由圖2-c、d可見，平均狀態(tài)下日最高溫、最低溫RMSE在1.9～2.6℃，而當?shù)崆o止鋒減弱北抬時，其平均RMSE顯著增加，誤差增至3.1～4.1℃，不少個例中部分測站相對誤差可達10.0℃以上，嚴重影響預報及服務效果。

圖2 2010—2021年11—12月滇黔靜止鋒減弱北抬期間（JZF）與平均狀態(tài)（AVE）各時次氣溫預報準確率及平均均方根誤差對比（a、c.日最高溫；b、d.日最低溫）Fig.2 Comparison of mean accuracy and RMSE of temperature forecast between the weakening and moved northward of Dian-Qian quasi-stationary front and the average state during November to December,2010-2021(a,c.daily maximum temperature;b,d.daily minimum temperature)

為進一步探索滇黔靜止鋒擺動期間誤差的具體情況，以24～48 h 日最高溫預報為例。從2010—2021年平均預報準確率與11—12月平均狀態(tài)的預報性能對比可知（圖3），平均狀態(tài)下整體平均準確率為54.3%，靜止鋒影響期間為40.8%，準確率下降了13.5%?？臻g分布上，平均狀態(tài)下貴州中部及偏北、偏西地區(qū)的平均準確率＞50.0%，特別中部一線可達70.0%以上，均優(yōu)于南部和東部的預報能力；滇黔靜止鋒減弱北抬影響期間，平均準確率大幅度下降，特別是貴州西北部及西南部部分地區(qū)不到20.0%，幾乎喪失預報能力?？梢姡?shù)崆o止鋒發(fā)生減弱北抬期間，對氣溫預報準確率產(chǎn)生嚴重影響。

圖3 2010—2021年11—12月24～48 h最高氣溫平均預報準確率空間分布（a.平均狀態(tài)；b.滇黔靜止鋒減弱北抬期間）Fig.3 Spatial distribution of mean accuracy of 24～48 h maximum temperature from November to December,2010 to 2021（a.Average state；b.Period during the Dian-Qian quasi-stationary front weakens to the north）

由2010—2021年滇黔靜止鋒北抬期間日最高溫平均準確率，以及平均RMSE在72 h預報內(nèi)的逐年變化可知（圖4），預報準確率與RMSE呈顯著反位相關(guān)系，即對應的年份上，預報準確率越高，其平均RMSE越??；反之，預報準確率低，平均RMSE越大。此外，圖4-a中準確率變化趨勢與圖1中每年靜止鋒擺動次數(shù)也呈現(xiàn)反位相關(guān)系，即當靜止鋒活動多的年份對預報影響越大，其預報準確率偏低。還可看出，2014 年期間準確率最低，不足20.0%，ECMWF數(shù)值預報幾乎喪失預報能力，對天氣預報及其服務效果產(chǎn)生嚴重影響。

圖4 2010—2021年11—12月滇黔靜止鋒減弱北抬期間最高氣溫準確率（a）及平均RMSE（b）逐年變化趨勢Fig.4 The maximum temperature mean accuracy(a)and RMSE(b)during the period of weakening northerly movement of Dian-Qian quasi-stationary front from November to December,2010-2021 changed year by year

3 環(huán)流形勢與要素場特征分析

為深入探索2010—2021年滇黔靜止鋒擺動影響期間氣溫預報準確率偏低的原因，以預報準確率最低的2014 年為例，對該年份11—12 月發(fā)生的19 次滇黔靜止鋒減弱北抬當天的形勢和要素進行合成（即算術(shù)平均），與當年11—12月平均狀態(tài)下的環(huán)流和要素場特征進行對比分析。

3.1 環(huán)流形勢

圖5 顯示了2014 年滇黔靜止鋒減弱北抬期間，19次個例合成與當年11—12月平均狀態(tài)的環(huán)流形勢對比。整體上，11—12 月500 hPa 在中高緯沒有明顯的阻塞高壓形勢，冷空氣表現(xiàn)不明顯。平均狀態(tài)下，亞洲中高緯呈現(xiàn)兩槽一脊形勢，槽和脊均較淺，槽位分別位于中亞地區(qū)50°—70°N、60°—90°E和東亞地區(qū)30°—55°N、115°—130°E，其中東亞大槽底部伸至25°N 左右，槽后為西北氣流引導冷空氣南下，此時地面靜止鋒位置偏西偏南，貴州處于鋒后脊前弱西北氣流影響下，相對鋒面天氣影響時降水零星，形勢也較為穩(wěn)定（圖5-a）。當發(fā)生靜止鋒減弱北抬時，冷空氣勢力減弱，中高緯兩槽一脊的環(huán)流形勢表現(xiàn)更加不明顯，整個環(huán)流形勢變得更加平直，緯向度加大，30°N 均為平直的西風氣流；靜止鋒減弱北抬至貴州中北部，造成貴州中部偏西一帶地區(qū)由鋒后轉(zhuǎn)為鋒前天氣，從而使這一區(qū)域天氣現(xiàn)象和要素預報發(fā)生較大改變。從200 hPa 西風帶急流表現(xiàn)看（圖5中陰影區(qū)域），平均狀態(tài)時西風急流較強，＞60.0 m/s 的急流入口西伸到110°E 附近，平均中心值為65.0 m/s；當靜止鋒減弱北抬時，200 hPa 急流中心強度有所減弱，急流入口略為東移且南北界區(qū)域變得更加窄小，總體強度在60.0 m/s左右。

圖5 平均狀態(tài)（a）與滇黔靜止鋒減弱北抬期間（b）500 hPa位勢高度場（實線）（gpm）、風場（流線）（m/s）和200 hPa西風帶急流（陰影）（m/s）Fig.5 Average state(a)and during the weakening and moved northward of the Dian-Qian quasi-stationary front(b)500 hPa geopotential height field(solid line)(gpm),wind field(streamline)(m/s)and 200 hPa westerly jet(shadow)(m/s)

3.2 溫度場特征

由2014 年11—12 月的平均狀態(tài)與19 次滇黔靜止鋒北抬影響時合成的溫度垂直剖面可見（圖6），平均狀態(tài)時存在一定勢力的冷空氣，地面氣溫均在10℃以下，低層等溫線與地形走向基本一致，從西向東低層有溫度梯度逐漸變小趨勢，0℃線位于600 hPa 高度層附近；當靜止鋒減弱北抬時，冷空氣勢力減弱，中低層氣溫回升，近地面氣溫可達16℃以上，東西向無明顯溫度梯度差異，表明鋒后冷氣團已明顯變性減弱?？梢姡械蛯託鉁鼗厣?，冷氣團變性減弱，是造成滇黔靜止鋒減弱北抬特征之一。

靜止鋒減弱前后，0℃線仍位于600 hPa高度層附近，與平均狀態(tài)相比變化不大。溫度差異變化大的區(qū)域主要集中在700～850 hPa，甚至在700 hPa到近地面層（見圖6）。因此，在滇黔靜止鋒減弱北抬前后，對700、850 hPa進行溫度空間分布展示（圖7）。700 hPa（圖7-a）溫度場分布中，靜止鋒控制時，貴州為均勻緯向溫度場控制，南部邊緣與北部邊緣溫差均為5.0℃；當?shù)崆o止鋒減弱北抬時，溫度場成西北—東南向的均勻場控制，其南北界溫差仍為5.0℃，但相對平均狀態(tài)時溫度增加1℃（圖7-b）。850 hPa（圖7-c）在貴州西部邊緣表現(xiàn)出明顯等溫線密集帶，溫度梯度大，表現(xiàn)出典型的鋒面特征，而東部等溫線卻較為松散，其中東北—西南向溫差5.0℃；滇黔靜止鋒減弱北抬時，相比平均狀態(tài)時東北邊界氣溫增高1℃，西南邊界平均抬升2.0℃，東北—西南溫差約7.0℃，總體分布較均勻，鋒面特征減弱（圖7-d）。而在700～850 hPa 對應的垂直方向，平均狀態(tài)時貴州區(qū)域東北、西南邊界垂直溫差分別為5.0℃、5.0℃，而當靜止鋒擺動時，東北、西南邊界垂直溫差分別變?yōu)?.0℃、7.0℃，即在貴州省的西南邊界溫度升高，逆溫狀態(tài)減弱?？梢?，在滇黔靜止鋒擺動前后，700、850 hPa的溫度無論在水平還是垂直方向上，均發(fā)生了明顯變化，從而導致地面氣溫變化。

圖6 平均狀態(tài)（a）與滇黔靜止鋒減弱北抬期間（b）溫度沿25oN的垂直分布（℃）Fig.6 Average state(a)and vertical distribution of temperature along 25°N during the weakening and moved northward(b)of the Dian-Qian quasi-stationary front

圖7 平均狀態(tài)與滇黔靜止鋒減弱北抬期間平均溫度場分布（a、b.700 hPa；c、d.850 hPa）（℃）Fig.7 Spatial distribution of the mean temperature on average state and during the weakening and moved northward of the Dian-Qian quasi-stationary front(a,b.700 hPa;c,d.850 hPa)(℃)

3.3 低層動力作用

圖8顯示了850 hPa的平均風場與相對渦度場對比。從圖8-a可看出，在2014年11—12月平均狀態(tài)下，來自云南的西南氣流與東北回流下的偏東風均較弱，在云南東部—貴州西部邊緣一帶交匯并維持，與靜止鋒位置對應，幾乎整個貴州處于鋒后冷氣團控制區(qū)域。滇黔靜止鋒減弱北抬時（圖8-b），貴州主體由較強偏南風控制，與來自云南的西南氣流結(jié)合，將暖空氣不斷地往北輸送，其南北風交匯區(qū)域位于貴州西北部至重慶一帶，即靜止鋒位置明顯東移北抬，大幅度發(fā)生變化，致使貴州由冷氣團轉(zhuǎn)為暖氣團控制，地面氣溫發(fā)生顯著變化，從而導致氣溫預報差異較大。此外，在平均狀態(tài)期間，貴州區(qū)域內(nèi)渦度在0 值附近（見圖8-a），即表示貴州處于滇黔靜止鋒后，南北風的緯向變化與東西風的經(jīng)向變化相當；滇黔靜止鋒北抬期間，由于南風的增強，貴州大部出現(xiàn)正渦度，即逐漸轉(zhuǎn)為西南熱低壓控制（見圖8-b）。

圖8 850 hPa 平均風場（流線）（m/s）與相對渦度場（彩色實線）（a.平均狀態(tài)；b.滇黔靜止鋒北抬期間）（10-6 · s-1）Fig.8 Mean wind field of 850 hPa(streamline)(m/s)and relative vorticity field(solid color line)(a.average state;b.period of north lifting of Dian-Qian quasi-stationary front)(10-6 · s-1)

4 結(jié)論

為探索滇黔靜止鋒減弱北抬期間對貴州造成影響的原因，對2010-2021年深秋初冬時節(jié)（11—12月）期間滇黔靜止鋒減弱北抬個例進行統(tǒng)計，并檢驗評估其影響期間ECMWF細網(wǎng)格預報的性能。并以預報質(zhì)量較差的2014 年19 次個例進行合成，對比平均狀態(tài)的環(huán)流及要素場特征，得到以下主要結(jié)論：

1）2010-2021 年11-12 月期間滇黔靜止鋒減弱北抬次數(shù)2010和2012年最多，達24次，2016年最少，為10次?？傮w上，11年期間滇黔靜止鋒減弱北抬次數(shù)呈減弱趨勢。

2）通過ECMWF 72 h 內(nèi)逐日最高溫、最低溫預報的對比分析，滇黔靜止鋒減弱北抬期間相比平均狀態(tài)，其預報準確率均顯著降低而平均RMSE明顯增加，其中2014 年在滇黔靜止鋒減弱北抬時，ECMWF 幾乎喪失預報能力，平均預報準確低于20%。

3）通過對2014 年滇黔靜止鋒減弱北抬個例的合成分析發(fā)現(xiàn)，相對平均狀態(tài)，滇黔靜止鋒減弱北抬期間200 hPa 上急流入口有所東移，急流南北界區(qū)域總體變窄，中心平均強度由65.0 m/s 下降到60.0 m/s；500 hPa上中高緯兩槽一脊形勢變得更不明顯，其冷空氣變得更弱，環(huán)流緯向度加大。要素場上，滇黔靜止鋒減弱北抬期間0℃線均位于600 hPa 附近，中低層氣溫呈現(xiàn)明顯增溫狀態(tài)，700～850 hPa 逆溫層狀態(tài)變?nèi)跎踔料?；而低層風場上則表現(xiàn)為南風增強，渦度增大。

綜上，當?shù)崆o止鋒發(fā)生減弱北抬時，其環(huán)流和要素場特征相對平均狀態(tài)均發(fā)生強度和位置上的變化。因此，在預報工作中，可根據(jù)這些強度和位置的變化特征判斷滇黔靜止鋒是否減弱北抬，以更好地指導氣溫、天氣現(xiàn)象等要素的預報及服務工作。