2020年寧夏寒潮天氣的強(qiáng)降溫分析

蘇 洋，楊 銀，丁永紅*

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)氣象臺(tái)，寧夏 銀川 750002）

寒潮是寧夏冬季主要的災(zāi)害性天氣之一。寒潮天氣的主要特點(diǎn)是出現(xiàn)劇烈降溫和大風(fēng)，并伴有雨、雪、雨凇和霜凍等[1]，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和人們的日常生活等帶來(lái)不利影響。近些年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)寧夏的寒潮天氣過(guò)程進(jìn)行了分析和研究。陳豫英等[2-3]認(rèn)為對(duì)高空冷槽和地面冷高壓路徑的預(yù)報(bào)是寒潮預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，并提出了春季寒潮預(yù)報(bào)概念模型和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。胡亮帆等[4]對(duì)突發(fā)寒潮極值暴雪過(guò)程的等熵位渦特征進(jìn)行了分析，提出315 K等熵位渦圖可作為短時(shí)、局地春季寒潮降雪過(guò)程的有效分析方法和預(yù)報(bào)指標(biāo)。肖云清等[5]認(rèn)為高空旋轉(zhuǎn)低壓槽與強(qiáng)鋒區(qū)是春季寒潮的動(dòng)力機(jī)制。魏月娥等[6]對(duì)比分析了寧夏初春2次寒潮天氣過(guò)程，發(fā)現(xiàn)由于蒙古氣旋較強(qiáng)的下沉氣流和前期急劇回暖而造成的沙塵天氣更為劇烈。周翠芳等[7]認(rèn)為冷中心強(qiáng)度是冬季橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮暴發(fā)南下的關(guān)鍵點(diǎn)，其研究表明寧夏寒潮多發(fā)生在春、秋季，冬季較少，且因氣候背景的差異，寒潮過(guò)程的特點(diǎn)各不相同。已有的研究大多是關(guān)于寧夏春、秋季寒潮天氣過(guò)程，對(duì)冬季寒潮天氣過(guò)程的分析較少。本文旨在通過(guò)對(duì)2020年2月13—15日寒潮天氣過(guò)程的分析，找出寧夏冬季寒潮天氣的成因，為今后進(jìn)一步提高寧夏冬季寒潮天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 寒潮天氣實(shí)況

2020年2月13—15日，受強(qiáng)冷空氣東移南下影響，寧夏全區(qū)出現(xiàn)了1次寒潮天氣過(guò)程（圖1）。13—14日24 h日平均氣溫降幅有5站超過(guò)10℃，最大降幅出現(xiàn)在六盤(pán)山站，為11.7℃；13—15日48 h日平均氣溫降幅有18站超過(guò)10℃，5站超過(guò)14℃，最大降幅出現(xiàn)在固原站，為16℃；15日清晨全區(qū)氣溫為-20.7～-13.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在六盤(pán)山站，為-20.7℃，有14站最低氣溫低于-16℃；14日全區(qū)氣溫為-11.8～-1.7℃，較13日20:00偏低1.6～5.2℃，出現(xiàn)了“氣溫倒掛”現(xiàn)象。

13日08:00寧夏受鋒前熱低壓控制，各站24 h變壓為-4.2～-1.6 hPa；升溫劇烈，固原和中衛(wèi)站6 h增溫分別為3.4℃和5.7℃，其他3站增溫為9.9～13.9℃，出現(xiàn)了“潮前回暖”現(xiàn)象。13日14:00冷鋒開(kāi)始過(guò)境，冷空氣南下，各站氣溫逐步降低；20:00鋒面已過(guò)境，各站6 h氣壓增壓均為11 hPa左右。隨著冷空氣分裂南下，15日08:00氣溫降到最低。各站降溫時(shí)段持續(xù)超過(guò)60 h，24 h變溫普遍為11～15℃，24 h變壓為15～19 hPa，降溫和升壓過(guò)程基本同步（圖2）。此次寒潮天氣過(guò)程的主要特點(diǎn)是持續(xù)性降溫，對(duì)公眾生活和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成了不利影響。

圖2 2020年2月13日08:00—15日20:00惠農(nóng)、吳忠、中衛(wèi)、鹽池和固原站逐時(shí)氣溫，24 h變溫和變壓分布圖

2 環(huán)流形勢(shì)演變和影響系統(tǒng)

2.1 高空形勢(shì)

此次寒潮天氣過(guò)程的環(huán)流型是典型的低西風(fēng)指數(shù)型（圖略）。2月3日阿拉斯加暖脊和大西洋暖脊向極低發(fā)展，7日極渦分裂為二，分別位于東、西兩個(gè)半球。2月8—12日烏拉爾山和鄂霍茨克海建立暖性高壓脊，亞洲極渦加強(qiáng)并南壓，形成東亞地區(qū)的倒Ω流型。在此階段，極地至烏拉爾山地區(qū)一帶位勢(shì)高度場(chǎng)較常年同期偏低，新地島冷渦不斷加強(qiáng)，橫槽發(fā)展東移，冷空氣處于醞釀之中。

過(guò)程發(fā)生前3天（10日20:00）（圖3a），歐亞大陸中高緯為“兩槽兩脊”，冷渦中心位于中西伯利亞北部，從中西伯利亞北部至咸海一帶為東北—西南向橫槽，歐洲西部地區(qū)為低渦和槽控制，烏拉爾山地區(qū)為高壓脊控制，冷空氣沿烏拉爾山高壓脊南下，向西伯利亞中部寒潮關(guān)鍵區(qū)（43～65°N，70～90°E）堆積，同時(shí)在中亞中低緯度有一弱脊。11日20:00歐洲西部的低壓系統(tǒng)發(fā)展，槽前西南氣流加強(qiáng)，促使烏拉爾山高壓脊向東北伸展，同時(shí)中亞脊與烏拉爾山脊同位相疊加，后脊加強(qiáng)發(fā)展，冷渦中心移至貝加爾湖北側(cè)，橫槽從冷渦延伸至巴爾喀什湖一帶，冷渦中心為-44℃。12日20:00（圖3b），高壓脊不斷向東北方向加強(qiáng)發(fā)展，里海和咸海地區(qū)低渦系統(tǒng)發(fā)展，在關(guān)鍵區(qū)東部形成552閉合環(huán)流的阻塞高壓，高壓脊前偏北氣流顯著增強(qiáng)，引導(dǎo)冷空氣向?qū)幭暮标P(guān)鍵區(qū)（38～55°N，90～110°E）堆積，位于俄羅斯北部的低渦中心維持少動(dòng)，低壓槽移至貝加爾湖新疆北部一帶，槽前出現(xiàn)階梯槽的形勢(shì)，槽前等高線疏散。在此階段，從溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)上看，橫槽后部有顯著的暖平流和正變高，冷中心超前于橫槽，槽前為冷平流，有負(fù)變高，具有氣旋式曲率等高線疏散結(jié)構(gòu)的正渦度平流也使得橫槽東南方產(chǎn)生負(fù)變高，變高梯度指向東南，以上均預(yù)示著橫槽即將轉(zhuǎn)豎。

13日08:00（圖3c），烏拉爾山東側(cè)至貝加爾湖地區(qū)受高壓脊控制，阻塞形勢(shì)維持，阻塞高壓崩潰。冷渦中心維持不動(dòng)，為-44℃，橫槽東移并斷裂成3個(gè)部分，分別位于鄂霍茨克海、貝加爾湖東側(cè)和河西走廊北部，河西走廊北部的槽已轉(zhuǎn)豎，鋒區(qū)即將影響寧夏。13日20:00高壓脊繼續(xù)向東北深入發(fā)展，脊前冷空氣不斷南下，河西地區(qū)的短波槽移至河套西部，寧夏位于短波槽的底前部。14日20:00（圖3d），烏拉爾山地區(qū)的低壓槽發(fā)展，槽前西南氣流加強(qiáng),使得阻塞形勢(shì)維持，并再次出現(xiàn)閉合高壓和切斷低壓，脊前偏北氣流也隨之加強(qiáng)，繼續(xù)引導(dǎo)冷空氣在河套地區(qū)北部的切斷低壓槽內(nèi)聚積，低渦中心為-36℃，造成寧夏持續(xù)性降溫。

圖3 500 hPa形勢(shì)場(chǎng)演變圖

2.2 地面系統(tǒng)

此次寒潮天氣過(guò)程是1次典型的西北路冷空氣活動(dòng)過(guò)程（圖4）。當(dāng)新地島以東洋面的冷空氣沿烏拉爾山高壓脊南下加深時(shí)，冷空氣在西西伯利亞關(guān)鍵區(qū)堆積。隨著橫槽東移發(fā)展，冷高壓范圍不斷擴(kuò)大，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。12日08:00冷高壓中心位于阿爾泰山脈北部，中心氣壓為1 045 hPa，冷鋒位于外興安嶺至貝加爾湖南側(cè)的蒙古高原一帶，寧夏受蒙古國(guó)南部熱低壓影響，全區(qū)升溫明顯。13日08:00冷高壓主體東移至貝加爾湖西南側(cè)，中心強(qiáng)度加強(qiáng)為1 050 hPa，冷鋒移至我國(guó)東北西部至內(nèi)蒙古中部一帶，寧夏東部受河套熱低壓控制，熱低壓中心與冷高壓中心的氣壓差為50 hPa，低壓內(nèi)ΔP3最大為-1.0 hPa（ΔP24達(dá)到-5.5 hPa）；14:00熱低壓移至河套地區(qū)東部，強(qiáng)度加深至1 005 hPa，其與冷高壓中心的氣壓差為42.5 hPa，河套地區(qū)升溫明顯，較08:00普遍升溫10℃左右，熱低壓內(nèi)ΔP3達(dá)到-4.9 hPa，ΔP24達(dá)到-7.6 hPa，暖平流減壓有利于寒潮冷鋒加速南下，鋒面壓至寧夏石嘴山東部—銀川中部—中衛(wèi)西部一帶，鋒面附近溫度梯度大，鋒后ΔP3達(dá)到+2.2 hPa，ΔP24達(dá)到+10.1 hPa，寧夏大部開(kāi)始出現(xiàn)大風(fēng)、浮塵或揚(yáng)沙天氣；20:00冷鋒移過(guò)寧夏，大部地區(qū)ΔT24為-9～-4℃。14日08:00冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)到1 065 hPa，氣壓梯度增大到50 hPa，其母體一直滯留在貝加爾湖西南側(cè)堆積區(qū)并不斷分裂出小股冷空氣，但是無(wú)明顯的副冷鋒，冷鋒移至我國(guó)東北東部—華北中部—西北地區(qū)東南部一帶，寧夏大部ΔP24為+10～15 hPa。15日08:00冷高壓母體仍滯留在貝加爾湖西南側(cè)堆積區(qū)，中心氣壓維持1 060 hPa，分裂南下的冷高壓中心位于河套地區(qū)西部，中心氣壓達(dá)1 054 hPa，寧夏大部ΔP24為+10 hPa左右，氣溫持續(xù)下降，最低氣溫普遍為-18～-13℃。16日08:00冷高壓減弱，母體仍滯留在貝加爾湖西南側(cè)，冷鋒已經(jīng)完全移至海上，寧夏已轉(zhuǎn)為負(fù)變壓控制，氣溫開(kāi)始緩慢回升。

圖4 2020年2月12—16日寒潮過(guò)程綜合動(dòng)態(tài)圖（審圖號(hào)：GS(2019)3082）

3 強(qiáng)降溫天氣成因分析

3.1 寒潮前回暖

2月上旬寧夏全區(qū)平均氣溫為-2.7℃，較常年同期偏高2.6℃。寒潮過(guò)程發(fā)生前，西北地區(qū)東部至東北地區(qū)主要受熱低壓控制且持續(xù)加強(qiáng)，12日熱低壓加深至1 005 hPa。因此，寒潮發(fā)生前5天，寧夏大部升溫明顯（圖5），8—12日平均氣溫為0.5℃，較常年同期偏高4.4℃，12日最高氣溫普遍為12.7～18.9℃，較常年同期偏高7.6～11.6℃；日平均氣溫和最高氣溫與常年值間的差值逐漸增大，其中8日的日最高氣溫差值為4.1℃，12日增大到9.5℃，增溫顯著。從8—12日的日平均氣溫距平分布圖（圖略）上可以看到固原、永寧、韋州和麻黃山地區(qū)氣溫偏高最多，超過(guò)5.2℃，其中固原站8—12日日平均氣溫為2.8℃，較常年同期偏高6.8℃，這也是固原站平均氣溫降幅最大的原因。由此可知，寒潮前氣溫回升是寧夏寒潮預(yù)報(bào)的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖5 2020年2月8—16日最高氣溫、最低氣溫和日平均氣溫的變化圖

3.2 強(qiáng)冷平流

根據(jù)熱流量方程，某地溫度變化主要取決于溫度平流和非絕熱因子的作用。在寒潮天氣過(guò)程中，氣溫下降主要是由強(qiáng)冷平流所引起的，故本文只討論700 hPa上冷平流的演變情況[3]。13日08:00（圖6a），河西北部的小槽已轉(zhuǎn)豎，強(qiáng)冷平流中心位于阿爾泰山脈東部，為-110×10-5℃/s，表明冷空氣勢(shì)力很強(qiáng)；13日20:00（圖6b），小槽已東移南下，寧夏地區(qū)位于槽底部，帶狀冷平流主體進(jìn)入河套地區(qū)，3個(gè)冷平流中心分別位于內(nèi)蒙古鄂托克旗附近（中心增大至-140×10-5℃/s）、寧夏賀蘭山地區(qū)（中心為-100×10-5℃/s）和青海湖東側(cè)（中心為-110×10-5℃/s），強(qiáng)冷平流東移造成寧夏地區(qū)氣溫驟降；14日20:00（圖略），冷平流繼續(xù)東移，影響我國(guó)西北地區(qū)東部至華北地區(qū)西部，中心強(qiáng)度明顯減弱，但是寧夏大部地區(qū)仍處在-20×10-5℃/s的冷平流控制下，氣溫持續(xù)下降。

由106°E溫度平流和假相當(dāng)位溫剖面可知，13日08:00（圖6c），鋒面還未進(jìn)入寧夏地區(qū)，中低層冷平流強(qiáng)度較弱，冷平流中心主要位于600 hPa以下的40°N以北地區(qū)，中心強(qiáng)度為-20×10-5℃/s；13日20:00（圖6d），鋒面過(guò)境，位于35°N附近，能量鋒區(qū)內(nèi)的等假相當(dāng)位溫線梯度加大，鋒區(qū)加強(qiáng)，冷平流主體隨高空槽東移南壓，且高度抬升至400 hPa，冷平流中心增強(qiáng)至-110×10-5℃/s，位于600 hPa附近，對(duì)流層高層冷平流也呈增強(qiáng)趨勢(shì)，高層冷平流的向下傳導(dǎo)對(duì)中低層冷平流有明顯的加強(qiáng)作用，增大了地面溫度梯度，造成地面氣溫陡降[8]。

圖6 2020年2月13日700 hPa溫度平流分布（單位：10-5℃/s），經(jīng)106°E溫度平流（單位：10-5℃/s）及假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）剖面圖

4 數(shù)值預(yù)報(bào)模式檢驗(yàn)

數(shù)值預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)階段制作天氣預(yù)報(bào)的重要工具，了解數(shù)值預(yù)報(bào)性能、提高數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用能力對(duì)于準(zhǔn)確制作天氣預(yù)報(bào)有著極其重要的意義[9]。橫槽轉(zhuǎn)豎型的寒潮天氣過(guò)程，預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)是橫槽何時(shí)轉(zhuǎn)豎。因此，針對(duì)橫槽轉(zhuǎn)豎的時(shí)刻（13日08:00），本文根據(jù)寧夏寒潮預(yù)報(bào)客觀模式對(duì)ECMWF模式的預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)。13日08:00（表1），冷高壓中心強(qiáng)度為1 050 hPa，ECMWF 72 h內(nèi)預(yù)報(bào)均較實(shí)況偏小7 hPa，預(yù)報(bào)的范圍與實(shí)況較為一致；對(duì)冷空氣前沿氣壓梯度的預(yù)報(bào)偏大，烏蘭巴托和烏魯木齊與銀川站的氣壓差預(yù)報(bào)偏大誤差在1～3 hPa內(nèi)；對(duì)高空鋒區(qū)的預(yù)報(bào)均與實(shí)況較為一致，偏小誤差在1.5 gpm內(nèi)，但對(duì)河西走廊地區(qū)的轉(zhuǎn)豎小槽預(yù)報(bào)偏強(qiáng)（預(yù)報(bào)出現(xiàn)536閉合環(huán)流，-35℃冷中心）。ECMWF的溫度預(yù)報(bào)與實(shí)況比較一致?？傮w來(lái)說(shuō)，ECMWF 72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)預(yù)報(bào)較穩(wěn)定，可預(yù)報(bào)性高。

表1 寧夏寒潮預(yù)報(bào)客觀模式對(duì)ECMWF模式的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)此次寒潮過(guò)程的天氣形勢(shì)和強(qiáng)降溫特征分析，得出以下結(jié)論。

（1）此次寒潮天氣過(guò)程的冷空氣源地是新地島以東洋面，冷空氣先在西西伯利亞堆積，然后沿西北偏北路徑分裂南下。中亞脊與烏拉爾山脊同位相疊加后不斷向東北方向加強(qiáng)發(fā)展，形成阻塞高壓，高壓脊前偏北氣流顯著增強(qiáng)，引導(dǎo)冷空氣向寒潮關(guān)鍵區(qū)堆積，成為本次寒潮天氣過(guò)程暴發(fā)的必要條件。

（2）促使寒潮暴發(fā)的大氣環(huán)流為橫槽轉(zhuǎn)豎，阻塞高壓崩潰后橫槽東移并斷裂成3部分，分別位于鄂霍茨克海、貝加爾湖東側(cè)和河西走廊北部，河西走廊北部的轉(zhuǎn)豎小槽引導(dǎo)寒潮關(guān)鍵區(qū)冷空氣南下，造成了此次寒潮天氣過(guò)程。

（3）寒潮過(guò)程發(fā)生前，西北地區(qū)東部主要受熱低壓控制，且持續(xù)加強(qiáng)，地面增溫明顯，過(guò)程前5日，寧夏全區(qū)日平均氣溫較常年同期偏高4.4℃，有利于增大氣溫降幅，成為寒潮暴發(fā)的有利條件之一。

（4）在顯著偏暖的背景下，長(zhǎng)時(shí)間維持的700 hPa強(qiáng)冷平流是造成持續(xù)性降溫的主要原因，冷平流中心強(qiáng)度最強(qiáng)達(dá)到-140×10-5℃/s。伴隨著鋒面系統(tǒng)的移動(dòng)，高層冷平流向下傳導(dǎo)后與中低層冷平流結(jié)合變強(qiáng)，增大了地面溫度梯度，造成地面氣溫陡降。

（5）本文根據(jù)寧夏寒潮預(yù)報(bào)客觀模式，對(duì)ECMWF模式的預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，ECMWF對(duì)這次寒潮過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)給出了較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，但是對(duì)冷空氣的強(qiáng)度預(yù)報(bào)存在一定偏差，因此預(yù)報(bào)員在參考時(shí)應(yīng)當(dāng)注意訂正。