基于鋒生函數(shù)及次級(jí)環(huán)流的早春寒潮過(guò)程分析
——以寧夏回族自治區(qū)一次突發(fā)寒潮災(zāi)害性天氣為例

胡亮帆， 王金蘭， 胡文東

（1.新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453000； 2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；3.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225）

寧夏回族自治區(qū)（104°17′～109°39′E，35°14′～39°14′N）地處內(nèi)蒙古高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，地勢(shì)北低南高，自北向南降水逐漸增多，處在我國(guó)從干旱區(qū)向半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)的過(guò)渡帶，屬于典型的生態(tài)脆弱帶和農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，對(duì)降水有著非常敏感的響應(yīng)，極易受災(zāi)害性天氣影響.

日平均降溫幅度不小于8 ℃，且最低氣溫低于5 ℃，并伴有降水、大風(fēng)等，可定義為寒潮［1］. 寧夏地區(qū)寒潮大多發(fā)生于冬春或秋冬的交替季節(jié)（約占寒潮總數(shù)的80%以上），其中4月發(fā)生的全區(qū)性寒潮過(guò)程最多（約占寒潮總數(shù)的29%），且70%以上的寒潮伴有降水、凍雨、霜凍等天氣［2-3］. 春季寒潮型暴雪天氣是最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一，常伴有強(qiáng)降溫、大風(fēng)、積雪、道路結(jié)冰等，給自然生態(tài)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、社會(huì)運(yùn)行及人民出行安全等帶來(lái)嚴(yán)重危害，經(jīng)濟(jì)損失較大，同時(shí)也有助于改善空氣質(zhì)量、提高農(nóng)田底墑［4］，故完善此類過(guò)程的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)兼具社會(huì)和學(xué)術(shù)雙重意義.

1 鋒生理論的分析情況

中緯度地區(qū)各類降水系統(tǒng)和云系產(chǎn)生和發(fā)展的關(guān)鍵影響因子之一是鋒面系統(tǒng)及其垂直環(huán)流［5］. 鋒生函數(shù)作為一個(gè)動(dòng)力和熱力的綜合物理量，既可診斷鋒面強(qiáng)度和時(shí)空分布特征，也可定量分析具體的天氣變化狀況［6］.

國(guó)內(nèi)外專家對(duì)鋒生函數(shù)及其天氣學(xué)應(yīng)用已取得較多成果，如Petterssen［7］和Miller［8］將鋒生函數(shù)定義為位溫梯度的個(gè)別變化，從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)定量的分析鋒生和鋒消變化. Petterssen［9］將二維風(fēng)場(chǎng)泰勒展開，并指出鋒生強(qiáng)度與風(fēng)場(chǎng)的散度、渦度和變形作用密切相關(guān). Sotais 和Camma［10］發(fā)現(xiàn)高空急流出口區(qū)的間接環(huán)流與低空急流是耦合的，并位于冷鋒附近. Ninomiya［11-12］對(duì)鋒生函數(shù)各項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)了計(jì)算和分析，指出變形項(xiàng)和水平輻合項(xiàng)驅(qū)動(dòng)梅雨鋒生，且鋒面垂直環(huán)流與鋒生強(qiáng)迫作用有關(guān).

國(guó)內(nèi)，高守亭和陶詩(shī)言［13］從波流相互作用的觀點(diǎn)指出高空急流加速引起大氣低層鋒生，同時(shí)指出華東冷鋒的高低空環(huán)流特征. 韓桂榮等［14］指出假相當(dāng)位溫的等值線密集區(qū)與變形向量大值區(qū)重疊時(shí)有利于鋒生，且鋒生持續(xù)強(qiáng)迫出鋒面垂直環(huán)流，產(chǎn)生強(qiáng)輻合上升，造成暴雨增幅. 楊克明等［15］在對(duì)2004年7月黃淮突發(fā)特大暴雨的分析中表明，降雨鋒的形成與鋒生函數(shù)的水平運(yùn)動(dòng)項(xiàng)關(guān)系最大，且強(qiáng)降水區(qū)與鋒生大值區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好. 李娜等［16］指出變形向量可清晰地指示水平變形項(xiàng)的鋒生鋒消作用. 王伏村等［17］指出散度項(xiàng)和變形項(xiàng)在隴南大暴雨的鋒生作用中貢獻(xiàn)較大，且切變線、鋒生與暴雨的強(qiáng)度-時(shí)間變化曲線基本一致. 還有許多學(xué)者［18-20］已對(duì)準(zhǔn)靜止鋒或梅雨鋒的鋒面結(jié)構(gòu)、鋒生過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的討論，但目前對(duì)短時(shí)局地鋒生過(guò)程的研究較少.

上述研究所涉及天氣均為暴雨事件，目前利用鋒生函數(shù)對(duì)降雪過(guò)程進(jìn)行分析的學(xué)者較少，如Sanders和Bosart［21］利用鋒生函數(shù)的分析方法得出鋒生強(qiáng)迫和對(duì)稱不穩(wěn)定是導(dǎo)致華盛頓、波士頓產(chǎn)生大雪的主要原因.池再香等［22］指出，2008年初貴州長(zhǎng)期（月余）冰凍災(zāi)害天氣的主要原因?yàn)槌掷m(xù)的鋒生作用，且冷空氣強(qiáng)度與鋒生強(qiáng)度一致. 李兆惠等［23］指出，2008年1月底武漢暴雪與華南準(zhǔn)靜止鋒對(duì)流層中低層鋒區(qū)及次級(jí)環(huán)流有關(guān)，降雪天氣的出現(xiàn)和停止與總鋒生函數(shù)的正、負(fù)值時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，且鋒生函數(shù)各項(xiàng)貢獻(xiàn)不同.

鋒生函數(shù)有多種計(jì)算方法［24-26］，主要由4項(xiàng)組成，其中傾斜項(xiàng)的分布不規(guī)則且對(duì)其他項(xiàng)常有抵消作用，因此很多文獻(xiàn)未考慮傾斜項(xiàng)的影響，如池再香等［22］，李兆惠等［23］. 實(shí)際上，傾斜項(xiàng)的量級(jí)與輻合項(xiàng)、變形項(xiàng)相當(dāng)，又與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)，對(duì)鋒生和鋒面環(huán)流發(fā)展有重要作用，理應(yīng)考慮在內(nèi).

2 資料及主要研究?jī)?nèi)容

所用資料為寧夏區(qū)域地面加密站逐時(shí)觀測(cè)資料、探空觀測(cè)資料和歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA-interim 逐6 h再分析資料，垂直分辨率21層，水平分辨率0.125°×0.125°，包含位勢(shì)高度、風(fēng)、溫度、比濕等要素.

本文選取2016年4月2—3日寧夏早春一次寒潮降雪過(guò)程，在影響系統(tǒng)相對(duì)較弱、前期環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定、后期天氣系統(tǒng)突變的情況下，針對(duì)突發(fā)性、局地性與災(zāi)害性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間較短（12 h左右）等特點(diǎn)，利用鋒生函數(shù)與常規(guī)天氣分析相結(jié)合的方法，對(duì)此次天氣個(gè)例的天氣系統(tǒng)演變、冷空氣的來(lái)源與傳播路徑、鋒生過(guò)程及次級(jí)環(huán)流進(jìn)行了綜合分析，以揭示此次事件的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，以期找出寒潮暴雪天氣的時(shí)間演變、落區(qū)和雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)指標(biāo)，為增強(qiáng)預(yù)報(bào)能力提供參考依據(jù)，進(jìn)一步提高西北干旱氣候下生態(tài)脆弱區(qū)的氣象防災(zāi)減災(zāi)水平.

3 天氣實(shí)況分析

2016年4月2日11時(shí)—3日09時(shí)，寧夏地區(qū)出現(xiàn)了一次寒潮雨雪天氣過(guò)程，并伴有6級(jí)以上大風(fēng)，過(guò)程后出現(xiàn)道路結(jié)冰、大霧等災(zāi)害，從此次過(guò)程的降溫幅度分布（圖1 a）可以看出，寧夏自北向南出現(xiàn)大范圍降溫，石嘴山市、銀川市、吳忠市大部及中衛(wèi)市東部日降溫8～12 ℃，最大降溫幅度出現(xiàn)在青銅峽（降溫11.6 ℃），其中寧夏北部達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)，海原等站達(dá)到強(qiáng)降溫災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn).

此次降雪天氣主要發(fā)生在賀蘭山東側(cè)（圖1b），覆蓋寧夏的中北部地區(qū)，其中最強(qiáng)降雪中心位于賀蘭，降水量20.4 mm，創(chuàng)該站1961 年建站以來(lái)的日最大降水量極值；銀川、陶樂(lè)、平羅降水量分別為12.2、11.1、7.9 mm，創(chuàng)1961年建站以來(lái)4月的日最大降雪量極值［27］. 3日08時(shí)，賀蘭站積雪深達(dá)6.0 cm，其他站積雪普遍1.0～3.0 cm. 此次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程集中在2日11時(shí)至2日23時(shí)，且自西北向東南推進(jìn). 2日11時(shí)，降水最早出現(xiàn)在寧夏西北側(cè)賀蘭山站；2 日12 時(shí)至18 時(shí)為主要降水時(shí)段；2 日19 時(shí)至2 日23 時(shí)，降水過(guò)程趨于結(jié)束，僅寧夏中東部個(gè)別站點(diǎn)有微到小雪.

圖1 2016年4月2日寧夏寒潮降雪過(guò)程天氣實(shí)況Fig.1 Real weather of cold wave and snowfall process in Ningxia on April 2，2016

地面觀測(cè)資料表明，2016年4月1日08時(shí)—2日08時(shí)（圖2），寧夏寒潮關(guān)鍵區(qū)（40°～55°N，90°～110°E）［1］存在一個(gè)東北—西南向塊狀分布的冷高壓，且緩慢南壓. 2日08時(shí)，冷高壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)至1 042.5 hPa，寧夏位于冷高壓前緣，其大部仍為暖區(qū)控制. 地面冷鋒位于寧夏北部，呈東西向分布. 2日14時(shí)，冷高壓分裂且主體快速南壓至寧夏北部（8緯距/3 h），強(qiáng)冷空氣沿著高壓南側(cè)入侵至寧夏地區(qū)，導(dǎo)致寒潮爆發(fā). 寧夏地面氣壓南低北高，氣壓梯度加大，地面東風(fēng)增強(qiáng). 冷空氣從近地層灌入，寧夏上空的暖濕空氣被迫抬升，產(chǎn)生鋒后降雪. 17時(shí)，冷空氣轉(zhuǎn)為向東南推進(jìn). 20時(shí)，鋒面和500 hPa槽線移出，寒潮降雪過(guò)程趨于結(jié)束.

圖2 2016年4月1日08時(shí)—2日02時(shí)地面冷高壓及冷鋒演變圖Fig.2 The evolution of surface cold high pressure and cold front from 08：00 on April 1，2016 to 02：00 on April 2，2016

此次過(guò)程是在環(huán)流穩(wěn)定少變的情況下，500 hPa 西風(fēng)帶小槽自河西走廊北側(cè)快速東移，追上東南側(cè)較大的槽后合并加強(qiáng)，槽后冷空氣與貝加爾湖南下冷空氣配合侵入寧夏，并配合地面冷高壓分裂南下，使鋒區(qū)南壓，導(dǎo)致寒潮爆發(fā)和鋒后降雪. 本次過(guò)程屬于高空小槽東移合并型，與700 hPa 輻合線、高空急流、鋒面及其次級(jí)環(huán)流的存在與發(fā)展密切相關(guān)［28］. 西風(fēng)帶小槽的移速快、時(shí)空尺度小，地面冷高壓突然分裂且快速南壓（8 緯距/3 h），多股冷空氣合并入侵，所以此次過(guò)程具備短時(shí)、突發(fā)、局地、強(qiáng)災(zāi)害性的特點(diǎn). 由于前期天氣形勢(shì)穩(wěn)定，2 日08 時(shí)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折突發(fā)，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中獲得實(shí)況資料的延遲性，再加上小槽在高度場(chǎng)的演變難以追蹤且現(xiàn)有探空資料時(shí)空分辨率不足，因此對(duì)于此類突發(fā)災(zāi)害性天氣，常規(guī)天氣資料指示意義有限，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)具有難度.

4 鋒生函數(shù)特征分析

4.1 鋒生函數(shù)的計(jì)算

許多學(xué)者將濕度較大的雨雪過(guò)程近似為濕絕熱過(guò)程，并使用包含溫度、濕度和壓力的綜合物理量θse（表示假相當(dāng)位溫，下同）來(lái)表征鋒面結(jié)構(gòu)及特征［29-32］，下面選取P坐標(biāo)系的標(biāo)量鋒生公式［33-34］：

式中：F1、F2、F3、F4、FG分別為非絕熱項(xiàng)、水平變形項(xiàng)、水平輻合項(xiàng)、傾斜項(xiàng)和總鋒生函數(shù)，F(xiàn)＞0，對(duì)應(yīng)鋒生，F(xiàn)＜0 則對(duì)應(yīng)鋒消；D為水平散度；E是大氣總變形，Est為水平伸長(zhǎng)變形，Esh為水平切變變形；ψ是變形場(chǎng)伸長(zhǎng)軸與局地直角坐標(biāo)系x軸的夾角；η為等θse線與x軸的夾角；β是等θse線與變形場(chǎng)伸長(zhǎng)軸（或變形向量）的夾角；u、v、ω分別為緯向風(fēng)風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速、P坐標(biāo)中的垂直速度. 本次鋒面系統(tǒng)為次天氣尺度系統(tǒng)，F(xiàn)1量級(jí)與其他3 項(xiàng)相比較小，通常略去，F(xiàn)2、F3、F4量級(jí)相當(dāng)且相互聯(lián)系，均對(duì)鋒生有重要作用，故以下用F2、F3、F4來(lái)描述此次鋒生過(guò)程.

4.2 鋒生函數(shù)各項(xiàng)的貢獻(xiàn)

2016 年4 月1 日20 時(shí)至2 日20 時(shí)，水平變形項(xiàng)F2（圖3 a）、水平輻合項(xiàng)F3（圖3 b）在對(duì)流層中下層（800～500 hPa 附近）均表現(xiàn)為連續(xù)鋒生，量級(jí)一致，最大值均達(dá)18×10-10K·m-1·s-1，但相比于風(fēng)場(chǎng)輻合作用，風(fēng)場(chǎng)變形作用早出現(xiàn)約12 h且晚結(jié)束約6 h，即變形項(xiàng)F2的鋒生持續(xù)時(shí)間比輻合項(xiàng)F3更長(zhǎng)，貢獻(xiàn)更大. 水平變形項(xiàng)F2、水平輻合項(xiàng)F3的極大值均出現(xiàn)在2日14時(shí)降水峰值時(shí)刻600 hPa，說(shuō)明鋒面系統(tǒng)與降水密切相關(guān)，特別是此時(shí)輻合項(xiàng)F3在400 hPa以上出現(xiàn)較強(qiáng)的鋒消作用，且中低層強(qiáng)鋒生，這種配置說(shuō)明風(fēng)場(chǎng)已形成有力的上升氣流動(dòng)力條件，有利于產(chǎn)生降水增幅.

傾斜項(xiàng)F4（圖3 c）的鋒生鋒消作用變化較快，數(shù)量級(jí)與F2、F3一致，且總體上與F2、F3有相抵消的作用. 2日08時(shí)、14時(shí)，F(xiàn)4在對(duì)流層中層為較強(qiáng)的鋒消作用，最大值達(dá)-21×10-10K·m-1·s-1，在對(duì)流層高層、低層有較強(qiáng)鋒生作用. 受此3 項(xiàng)的共同影響，銀川站總鋒生函數(shù)FG（圖3 d）2 日08 時(shí)在對(duì)流層中下層有極大值，表明此時(shí)地面鋒面已到達(dá)銀川站.

圖3 2016年4月1—3日銀川站鋒生函數(shù)及各項(xiàng)的時(shí)間-高度分布圖（單位：10-10 K·m-1·s-1）Fig.3 The time-height distribution of frontogenesis function and its each item at Yinchuan Station from April 1，2016 to April 3，2016（unit：10-10 K·m-1·s-1）

從圖3 可知，銀川站的鋒生函數(shù)各項(xiàng)均在600 hPa 附近有極大值，為對(duì)流層中下層鋒生，故以下選取600 hPa剖面進(jìn)一步分析鋒生函數(shù)的演變及其與本次寒潮降雪過(guò)程的關(guān)系.

4.3 鋒生演變特征

2016年4月2日08時(shí)（圖4a），θse等值線密集區(qū)前出現(xiàn)鋒生函數(shù)大值區(qū)，呈東西走向，中心值位于寧夏西北側(cè)，與高位渦中心所代表的強(qiáng)冷空氣一致. 強(qiáng)鋒生帶在寧夏地區(qū)出現(xiàn)明顯斷裂，寧夏北部總鋒生函數(shù)小于0，說(shuō)明鋒生作用最初主要產(chǎn)生于寧夏西北側(cè)，此時(shí)僅有弱冷空氣到達(dá)寧夏北部，寒潮降雪過(guò)程尚未開始. 2日14時(shí)（圖4 b），θse等值線趨于密集，鋒生帶顯著加強(qiáng)并向南推進(jìn)至38°N附近，強(qiáng)鋒區(qū)位于寧夏中部，與實(shí)況分析所得一致（圖2）. 此時(shí)，寧夏中北部降水區(qū)域的總鋒生函數(shù)達(dá)到最大值55×10-10K·m-1·s-1，與寒潮的全面爆發(fā)時(shí)刻、降水峰值時(shí)刻有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

2日20時(shí)（圖4 c），隨500 hPa槽線過(guò)境，冷空氣轉(zhuǎn)為向東南推進(jìn)，鋒生帶轉(zhuǎn)為西南—東北走向，與地面鋒面變化完全一致（圖2）. 雖然此時(shí)鋒區(qū)在溫度場(chǎng)表現(xiàn)并不明顯，但鋒生函數(shù)仍可清楚地體現(xiàn)鋒面的時(shí)空變化、指示鋒區(qū)的位置走向. 寧夏中北部處于鋒消（-10×10-10K·m-1·s-1），對(duì)應(yīng)后6 h降溫幅度、降水強(qiáng)度大幅度減小. 3日02時(shí)（圖4d），鋒生帶大幅縮短，強(qiáng)度減小并完全移出寧夏，對(duì)應(yīng)寧夏地區(qū)寒潮降雪過(guò)程結(jié)束.

由上述分析可知，鋒生、鋒消變化與寒潮降雪天氣的出現(xiàn)、增強(qiáng)、減弱一致. 對(duì)比600 hPa 總鋒生分布（圖4）與實(shí)況地面冷鋒演變（圖2）可以看出，600 hPa鋒生函數(shù)大值區(qū)與實(shí)況鋒區(qū)的位置、演變一致，且對(duì)于溫度場(chǎng)表現(xiàn)不明顯的鋒區(qū)仍有較好指示作用. 利用鋒生函數(shù)既能直觀描述鋒面的時(shí)空分布特征、定量的診斷鋒面強(qiáng)度，避免了人工判定鋒面時(shí)產(chǎn)生的個(gè)體差異，還能作為與鋒面相關(guān)的寒潮降雪等天氣過(guò)程的有效分析工具.

圖4 600 hPa總鋒生函數(shù)FG和假相當(dāng)位溫θse分布圖Fig.4 Distribution of total frontogenesis function FG at 600 hPa and pseudo-equivalent potential temperature θse

5 急流-鋒次級(jí)環(huán)流及其與寒潮降雪的關(guān)系

高空急流和鋒區(qū)定義為急流-鋒系，相伴隨的急流-鋒次級(jí)環(huán)流是中尺度雨帶的一種啟動(dòng)機(jī)制［5］. 強(qiáng)烈的鋒面天氣并不產(chǎn)生在鋒面的所有部位，主要出現(xiàn)在垂直環(huán)流圈的上升支，其為暴雪天氣提供水汽和動(dòng)力條件［5，23］.

次級(jí)環(huán)流繪制方法如下：沿106.2°E作垂直于鋒面且經(jīng)過(guò)銀川站的剖面，因垂直速度量級(jí)低于經(jīng)向風(fēng)量級(jí)，圖5中流線為經(jīng)向風(fēng)和垂直速度擴(kuò)大20倍的合成速度，只能定性地表示氣流運(yùn)動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和方向.

2016年4月2日08時(shí)（圖5a，降水前期），地面鋒面位于寧夏西北側(cè)38°N附近，鋒區(qū)隨高度向北傾斜，坡度較小，鋒面兩側(cè)存在弱的次級(jí)正環(huán)流. 鋒后貝湖附近堆積的冷空氣自平流層下部南下，但由于氣團(tuán)變性，僅有弱冷空氣到達(dá)寧夏以北地區(qū)，寧夏仍為暖區(qū)控制. 南支槽前暖濕氣流向北運(yùn)動(dòng)時(shí)受地形抬升作用產(chǎn)生弱上升運(yùn)動(dòng)，之后沿鋒面繼續(xù)爬升，最大上升氣流僅有-0.6 Pa·s-1，位于400 hPa（圖略）. 由于寧夏南部山區(qū)的地形抬升作用與垂直環(huán)流上升支相配合，低層潮濕空氣持續(xù)向上輸送，寧夏地區(qū)中上層水汽積聚，600 hPa等壓面以下相對(duì)濕度較小，此時(shí)水汽條件和動(dòng)力條件尚不滿足降水發(fā)生條件.

2日14時(shí)（圖5 b，降水峰值期），隨著500 hPa槽線過(guò)境、地面冷高壓分裂南下，北路和西北路冷空氣自鋒后合并南下，鋒生強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，鋒面南壓至寧夏中部，寒潮全面爆發(fā). 隨著高空急流中心東移，寧夏地區(qū)位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，高空急流和鋒面的垂直環(huán)流的上升支重合，即鋒面垂直環(huán)流和急流次級(jí)環(huán)流發(fā)展為急流-鋒次級(jí)環(huán)流，最大上升速度增強(qiáng)至-1.6 Pa·s-1且位于500 hPa附近，鋒面變陡. 低層水汽強(qiáng)輻合并由急流-鋒次級(jí)環(huán)流的強(qiáng)上升氣流向上輸送，從地面到對(duì)流層整層大氣頂?shù)南鄬?duì)濕度均大于70%. 在動(dòng)力、水汽等條件的多重配合下，雨雪過(guò)程突發(fā)，且降水區(qū)位于上升氣流的下方，其上空500～700 hPa對(duì)應(yīng)有較深厚的水汽通量輻合區(qū)，極小值為-3.5×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1.

圖5 溫度、假相當(dāng)位溫、垂直流場(chǎng)、水汽通量散度和相對(duì)濕度沿106.2°E的緯度-高度剖面圖Fig.5 Latitude-altitude profile of temperature，pseudo-equivalent potential temperature，vertical flow field，water vapor flux divergence and relative humidity along 106.2°E

此時(shí)，寧夏地區(qū)等θse線密集且陡直，對(duì)流穩(wěn)定度()?θse/?p減小，有利于不穩(wěn)定能量釋放，為雨雪過(guò)程發(fā)生提供了有力的層結(jié)和動(dòng)力條件. 08時(shí)～14時(shí)，0 ℃等溫線由750 hPa附近下降到地面，寧夏北部部分地區(qū)整層大氣小于0 ℃，由雨轉(zhuǎn)為雨夾雪、雪.

2日20時(shí)（圖5 c，零星降水期），鋒面轉(zhuǎn)為東北-西南向且移至寧夏東南部，寧夏地區(qū)的次級(jí)正環(huán)流強(qiáng)度大幅度削弱，中心下降到750 hPa左右，位于寧夏南部. 寧夏中北部地區(qū)鋒消，為弱下沉氣流控制，降水強(qiáng)度大幅度減?。ǎ? mm/h）.

3日2時(shí)（圖5d，降水結(jié)束），隨著鋒區(qū)完全移出寧夏，寧夏區(qū)域附近的次級(jí)環(huán)流消失，寒潮降雪過(guò)程結(jié)束.

急流-鋒次級(jí)環(huán)流的發(fā)展與鋒生、鋒消是密切聯(lián)系的［23］，下面針對(duì)本次過(guò)程進(jìn)行具體討論. 2日08時(shí)至14時(shí)，隨冷空氣入侵，寧夏中北部逐漸由鋒消轉(zhuǎn)為鋒生，隨著鋒生的持續(xù)，鋒面兩側(cè)溫度梯度和冷暖平流逐漸增強(qiáng)，鋒面平衡態(tài)被打破，誘發(fā)熱力直接環(huán)流圈，即次級(jí)正環(huán)流. 2日14時(shí)，鋒生強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)有鋒后冷平流達(dá)到最強(qiáng)，降溫幅度顯著增強(qiáng)，且鋒面兩側(cè)次級(jí)正環(huán)流達(dá)到最強(qiáng)，上升氣流達(dá)到最強(qiáng)，降水強(qiáng)度達(dá)到峰值. 在將此次過(guò)程近似為濕絕熱過(guò)程的前提下，鋒前暖空氣上升減溫，鋒后冷空氣下沉增溫，兩側(cè)溫度梯度減小，等θse線變疏散，至2日20時(shí)引起鋒消，降雪趨于結(jié)束. 以上分析表明：鋒生持續(xù)誘發(fā)次級(jí)正環(huán)流，次級(jí)正環(huán)流增強(qiáng)又引起鋒消，即鋒生、鋒消的轉(zhuǎn)變與次級(jí)環(huán)流發(fā)展存在平衡態(tài)，二者緊密相關(guān).

6 結(jié)論

利用鋒生函數(shù)與常規(guī)天氣分析相結(jié)合的方法，從天氣系統(tǒng)演變、冷空氣的來(lái)源及傳播路徑、鋒生及急流-鋒次級(jí)環(huán)流、寒潮雨雪天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)等方面，對(duì)2016年4月2—3日寧夏早春一次突發(fā)寒潮極值暴雪的災(zāi)害性天氣過(guò)程進(jìn)行了綜合分析，以揭示此次事件的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，并提出寒潮暴雪天氣的時(shí)間演變、落區(qū)和雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)指標(biāo). 得到主要結(jié)論如下：

1）本次過(guò)程屬于高空小槽東移合并型，是在環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定少變的情況下，500 hPa西風(fēng)帶小槽自河西走廊北側(cè)快速東移，追上東南側(cè)較大的槽后合并加強(qiáng)；槽后冷空氣與貝加爾湖南下冷空氣配合侵入寧夏，并配合地面冷高壓快速分裂南下（8緯距/3 h）使鋒區(qū)南壓，導(dǎo)致寒潮爆發(fā)和鋒后降雪. 過(guò)程前期環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，后期天氣系統(tǒng)突變，常規(guī)氣象資料難以預(yù)報(bào).

2）鋒生函數(shù)大值區(qū)與實(shí)況鋒區(qū)的位置、演變完全一致，特別對(duì)此次溫度場(chǎng)表現(xiàn)并不明顯的鋒區(qū)仍有較好指示作用，且鋒生、鋒消變化與寒潮降雪天氣的出現(xiàn)、增強(qiáng)、減弱一致. 利用鋒生函數(shù)不僅能夠直觀的描述鋒面的時(shí)空分布特征、定量的指示鋒面強(qiáng)度，避免了人工判定鋒面時(shí)產(chǎn)生的個(gè)體差異和誤差，而且可以作為與鋒面相關(guān)的寒潮降雪等天氣的有效分析工具.

3）西風(fēng)帶小槽和中低層輻合線驅(qū)動(dòng)此次對(duì)流層中下層鋒生，鋒生函數(shù)極大值出現(xiàn)在600 hPa附近. 此次鋒生過(guò)程中，變形項(xiàng)F2鋒生、輻合項(xiàng)F3鋒生量級(jí)一致，起主要作用，其中變形項(xiàng)鋒生作用出現(xiàn)更早且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、貢獻(xiàn)略大于輻合項(xiàng)鋒生作用，傾斜項(xiàng)F4的鋒生鋒消作用變化較快且總體上與F2、F3作用相反.

4）此次降水屬于冷鋒后降水. 降水區(qū)與上升運(yùn)動(dòng)極大值所在區(qū)域一致，且位于次級(jí)環(huán)流上升支的下方，最大降水時(shí)刻與次級(jí)環(huán)流上升支最強(qiáng)時(shí)刻一致. 2日14時(shí)寧夏地區(qū)鋒前最大上升氣流出現(xiàn)的有利條件一是200 hPa西風(fēng)急流和700 hPa輻合線的有效配置，二是鋒生強(qiáng)度最大時(shí)鋒面的抬升作用，三是急流-鋒次級(jí)環(huán)流的發(fā)展，四是寧夏地區(qū)對(duì)流穩(wěn)定度減小，提供了有利的層結(jié)和動(dòng)力條件.

5）鋒生持續(xù)誘發(fā)次級(jí)正環(huán)流，次級(jí)正環(huán)流增強(qiáng)又引起鋒消，即鋒生、鋒消的轉(zhuǎn)變與次級(jí)環(huán)流發(fā)展存在平衡態(tài)，二者緊密相關(guān).