2次昆明準(zhǔn)靜止鋒的對比分析

李 銳，孟慶怡，張 夢，蒙仕紅，何依遙

(1.貴州省晴隆縣氣象局，貴州 晴隆 561400；2.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400)

0 引言

昆明準(zhǔn)靜止鋒冬季常處于我國云貴高原，是我國西南地區(qū)最重要的天氣系統(tǒng)之一。昆明準(zhǔn)靜止鋒生成之后，由于受到云貴地區(qū)高原地形的影響，冷空氣難以越過云貴高原西進(jìn)，從而與暖空氣形成對峙，所以鋒面通常維持在平均位置，呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。昆明準(zhǔn)靜止鋒活動具有明顯的季節(jié)性特征，多出現(xiàn)在冬春季，一年平均出現(xiàn)87 d左右[1]。昆明準(zhǔn)靜止鋒的鋒前后具有明顯的氣候差異，鋒前的昆明四季如春，更是有“春城”之稱，而鋒后的貴州則常常是連陰雨天氣[2-6]。昆明準(zhǔn)靜止鋒對貴州、云南以及四川南部冬半年的天氣變化有著非常重大的影響，云貴地區(qū)冬季的災(zāi)害性天氣都與它有著密切的關(guān)聯(lián)，而它一旦與其它天氣系統(tǒng)(阻塞高壓、南支槽、西南低渦、切變線以及高低空急流等)相配合，往往會帶來一系列的災(zāi)害性天氣，如凝凍天氣、寒潮、冬季暴雨、冰雹以及倒春寒等，對大春育秧、小春越冬、安全輸電、交通運輸?shù)葒窠?jīng)濟和人民財產(chǎn)都會造成重大災(zāi)害[7]。

鋒面的形成主要是因為2個熱力性質(zhì)不同的氣團之間的互相作用，而昆明準(zhǔn)靜止鋒的不同之處在于除了冷暖氣團的互相作用以外，還與青藏高原的大地形作用有很大的關(guān)系，而且在鋒面結(jié)構(gòu)上也與其它鋒面有些不同[8]。樊平[9]最先開始從天氣圖和單站的角度對昆明準(zhǔn)靜止鋒的結(jié)構(gòu)、預(yù)報和分析進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。秦劍等[10]研究表明滇黔準(zhǔn)靜止鋒的平均位置一般在威寧、沾益以西，靜止鋒強盛時可抵達(dá)昆明以西，比較弱時在貴州東北部，經(jīng)度的最大跨度大概為7個經(jīng)度。段旭等[11]選取了10個沒有被南支槽天氣系統(tǒng)影響的典型個例，進(jìn)行合成計算、分析，對其溫、濕特征、運動學(xué)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。杜正靜等[12]分析了2001年年初昆明準(zhǔn)靜止鋒的演變過程中溫濕結(jié)構(gòu)以及大氣環(huán)流特征，指出其大氣環(huán)流特征和高原關(guān)系緊密。杜小玲等[13]對比分析了2008年年初的凍雨天氣和2009年年初的陰雨天氣過程時的鋒區(qū)結(jié)構(gòu)特征，并發(fā)現(xiàn)鋒生函數(shù)變性項以及水平輻合項對準(zhǔn)靜止鋒天氣過程中降水形態(tài)的差異，是因為變性項和水平輻合項對準(zhǔn)靜止鋒的貢獻(xiàn)有所不同。

前期對昆明準(zhǔn)靜止鋒的研究，一般是通過某些災(zāi)害性天氣來進(jìn)行討論，通常是以個例分析為主。張騰飛等[7]通過研究表明高層西南風(fēng)加強、上升運動的增強、水汽通量增大、存在高空冷暖平流與高空急流等，均對發(fā)生強降雪天氣有利。張瑾文等[14]通過對比分析3次寒潮天氣背景下的昆明準(zhǔn)靜止鋒天氣過程的環(huán)流形勢、鋒的生消及維持等，得出500 hPa高空阻塞形勢是云南寒潮天氣發(fā)生的典型環(huán)流形勢。張亞男[8]利用天氣學(xué)診斷、合成分析、數(shù)值模擬等方法，探討了昆明準(zhǔn)靜止鋒進(jìn)退及維持時所具有的鋒面結(jié)構(gòu)、環(huán)流特征及鋒生函數(shù)的特征及作用，得出相對位溫對于描述昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒區(qū)強度、鋒面位置及鋒生情況比位溫和廣義位溫更好的。

1 資料的選取

①ECMWF 1981年至今ERA5 land逐小時數(shù)據(jù)：2013年12月7—23日08時2 m溫度0.1°×0.1°再分析數(shù)據(jù)；2016年1月20—27日08時2 m溫度0.1°×0.1°再分析數(shù)據(jù)。

②ECMWF 1979年至今ERA5逐小時氣壓數(shù)據(jù)： 2013年12月7—23日08時0.25°×0.25°再分析數(shù)據(jù)，包括高低空氣壓、溫度、相對濕度以及U、V風(fēng)場；2016年1月20—27日08時0.25°×0.25°再分析數(shù)據(jù)，包括高低空氣壓、溫度、相對濕度以及U、V風(fēng)場。

2 天氣過程簡述及環(huán)流形勢

2.1 天氣過程簡述

以下將2013年12月這次昆明準(zhǔn)靜止鋒天氣過程稱為過程1，2016年1月這次稱為過程2。

從2 m溫度場可以看到，過程1持續(xù)時間較長，但昆明在12月13日之前幾乎未受到影響，會澤在12月8—12日溫度一直都是起起伏伏的狀態(tài)，貴陽溫度則是一直保持低迷，可以看出貴陽從8日以后就受到冷空氣的控制，也說明昆明準(zhǔn)靜止鋒在會澤附近擺動。而在13日08時，冷空氣來勢洶洶，昆明、會澤、貴陽3地均受到偏東風(fēng)的影響，故13日08時—15日08時48 h內(nèi)，會澤、昆明降溫超過10 ℃并且最低溫度低于4 ℃，達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)。15日以后氣溫又開始逐漸回升，昆明準(zhǔn)靜止鋒開始向北向東移動直至消散。

過程2中昆明、會澤在20—22日溫度并無太大變化，且溫度比貴陽高，說明此前準(zhǔn)靜止鋒的位置偏東。從22日開始，昆明、會澤受到來自東北方向的強冷空氣南下影響，22日08時—24日08時48 h內(nèi)降溫均超過10 ℃，且溫度低于4 ℃，達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)。貴陽23日以后溫度一直在緩慢回升，說明冷空氣雖然較強，但后續(xù)并沒有冷空氣補充，昆明準(zhǔn)靜止鋒很快開始消散。

2.2 鋒面結(jié)構(gòu)特征及位置

對于這2次準(zhǔn)靜止鋒天氣過程，可以分別選取鋒面維持在地形東邊，鋒面西進(jìn)階段，越過地形、鋒面消散階段3個關(guān)鍵時間點來進(jìn)行分析。對這2次過程的幾個關(guān)鍵時間點前1 d 850 hPa相當(dāng)位溫和和風(fēng)場分布圖進(jìn)行分析。

12月10日08時東風(fēng)區(qū)域減少，鋒后相當(dāng)位溫的310 K控制范圍明顯擴大，鋒前相當(dāng)位溫從370 K增加至375 K，且相當(dāng)位溫的密集程度與鋒面前后風(fēng)速均增大，鋒面東退至滇黔交界一帶，呈準(zhǔn)南北向。說明暖空氣推動昆明準(zhǔn)靜止鋒向東移，而鋒后同樣有冷空氣補充，造成了鋒面東移且相當(dāng)位溫密集程度增大，而鋒后的冷空氣補充也是鋒面在會澤附近擺動的原因。14日鋒后主要是偏東偏南風(fēng)，由于地形的阻擋，冷空氣在向西推進(jìn)時受到阻礙，而15日(圖1a)鋒后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，鋒面迅速向西南方向推進(jìn)，鋒后相當(dāng)位溫中心值從310 K降至300 K,而鋒前并無太大變化，且310 K線向南壓至25°N以南，向西至105°E以東，所以此次鋒面西進(jìn)，主要是受到冷空氣控制。17日、18日08時，鋒后風(fēng)場變化不大，相當(dāng)位溫的中心值從300 K降到295 K，說明鋒后仍有冷空氣補充，但鋒面附近的相當(dāng)位溫幾乎沒有變化，鋒面維持在滇黔交界一帶直至消散。

圖1 2013年12月15日08時(a)和2016年1月23日08時(b)850 hPa相當(dāng)位溫(黑色等值線，單位：K)和水平風(fēng)場(紅色箭頭，單位：m·s-1)，綠色曲線是地形高度大于1500 m的區(qū)域

過程2在1月20日、21日08時鋒前多為西南風(fēng)，鋒后東風(fēng)較弱，所以鋒面并未有太多變化。23日08時(圖1b)鋒面向西推進(jìn)至云南中部地區(qū)，鋒面為準(zhǔn)南北向。從22日08時—23日08時，昆明和會澤24 h內(nèi)降溫超過10 ℃。

過程2雖然持續(xù)的時間較短，但相當(dāng)位溫的密集區(qū)更為明顯，說明鋒面兩側(cè)的氣象要素差異更為明顯。

在過程2中，15日08時(圖2a)鋒后東風(fēng)加強，鋒面已經(jīng)越過地形的阻擋，抵達(dá)100 °E左右，此時鋒區(qū)的等相當(dāng)位溫線與10日08時相比已經(jīng)變得稀疏了許多。昆明準(zhǔn)靜止鋒的形成和維持與地形有著密不可分的聯(lián)系，所以當(dāng)鋒面越過地形的阻擋后，鋒區(qū)等相當(dāng)位溫線梯度變小了許多。18日08時鋒區(qū)等相當(dāng)位溫線梯度進(jìn)一步減小，鋒前后700 hPa以上高空等相當(dāng)位溫線變得密集，且等數(shù)值升高至340 K以上，說明鋒前暖空氣有了較大的增強。

1月21日08時等相當(dāng)位溫線最密集的區(qū)域在104 °E附近，等相當(dāng)位溫線與地面接近垂直，判定鋒面在104 °E附近且呈準(zhǔn)南北向。1月23日08時(圖2b)鋒面越過地形，抵達(dá)101 °E附近，同樣是強冷空氣推動鋒面向西移動，鋒后600 hPa以下等相當(dāng)位溫線小于375 K(而過程1則是小于390 K)，地面最低為285 K(而過程1則為290 K)，說明寒潮爆發(fā)時過程2冷空氣強度更大。1月26日鋒面已經(jīng)不是很明顯了，沒有地形的阻擋，且云貴地區(qū)有反氣旋式切變，鋒前西風(fēng)增強，鋒面難以維持，鋒面已經(jīng)向西移動至104 °E附近，且等相當(dāng)位溫線梯度較小，說明如果鋒后沒有冷空氣補充，鋒面將逐漸消散。

圖2 2013年12月15日08時沿105°E(a)和2016年1月23日08時沿25°N (b)相當(dāng)位溫(黑色等值線，單位：K)和相對濕度(彩色陰影，單位：%)剖面，灰色陰影是地形

2.3 大尺度環(huán)流形勢

過程1：12月10日500 hPa高空貝爾加爾湖以西存在高壓脊引導(dǎo)冷平流向南輸送，加強南下低空的冷高壓，在中西伯利亞高原的橫槽得以發(fā)展，將冷空氣攔截堆積在貝加爾湖以北，其冷渦中心數(shù)值達(dá)到508 dagpm，冷中心溫度達(dá)-44 ℃。對應(yīng)850 hPa低空除鋒區(qū)外，低緯度地區(qū)等位勢線較為稀疏，而中緯度地區(qū)的等位勢線開始變得密集，且沿西北方向遞增，因為高層高壓脊引導(dǎo)脊前西北冷平流向南移動。14日08時阻塞形勢已經(jīng)崩潰，大量冷空氣南下，-32 ℃已經(jīng)從65°N南壓至40°N附近，此時位于孟加拉灣附近的南支槽已進(jìn)一步發(fā)展加深。15日08時云貴高原地區(qū)850 hPa低空已經(jīng)被冷高壓控制，說明此時冷空氣已經(jīng)推進(jìn)至云貴地區(qū)造成影響。18日08時貝加爾湖以北又形成了阻塞高壓，阻擋住高緯度地區(qū)的冷空氣，使得昆明準(zhǔn)靜止鋒后冷空氣強度減弱，南支槽也東移至108°E附近，從高空環(huán)流形勢來看，不利于昆明準(zhǔn)靜止鋒的發(fā)展與維持。

過程2：1月21日08時500 hPa西西伯利亞平原上空阻塞形勢較好，將高緯度地區(qū)的冷空氣很好地阻擋在中高緯地區(qū)，但此時橫槽已經(jīng)南壓至貝加爾湖以南，冷中心溫度達(dá)-48 ℃，此時南支槽位于恒河平原上空，且此時西太平洋副高也較為偏北。21日08時與過程1相似高層環(huán)流形勢引導(dǎo)高壓脊前較弱的冷平流南下，使得等位勢線密集區(qū)與過程1差不多。1月23日橫槽和冷中心均南壓至40°N附近，高壓脊有所減弱，引導(dǎo)大量冷空氣影響我國，此時南支槽在孟加拉灣上空附近，但較為淺顯。此時云貴地區(qū)850 hPa低空已經(jīng)被冷高壓控制，說明此時冷空氣已經(jīng)南下至云貴地區(qū)，26日08時貝加爾湖以北地區(qū)重新建立橫槽，將冷空氣攔截在高緯度地區(qū)，昆明準(zhǔn)靜止鋒逐漸消散。

3 要素場對比

對要素場的研究仍然選取一些時間點進(jìn)行分析，鋒面兩側(cè)要素場變化較大，而鋒面在越過地形后，準(zhǔn)靜止鋒迅速減弱，所以在對于要素場的研究時，主要分析鋒面維持在云貴高原地形東側(cè)和寒潮爆發(fā)時的要素場特征。

3.1 溫度特征對比

圖3是溫度和風(fēng)場垂直剖面圖。在過程1中，12月10日08時兩側(cè)溫度變化最大的位置在105.5°E附近，從850 hPa相當(dāng)位溫和水平風(fēng)場來看鋒面位置大概就在105°E附近。此時鋒面被云貴高原地形阻擋在高原地形以東，在烏拉爾山脈地區(qū)500 hPa高空高壓脊發(fā)展較深，所以南下的冷空氣有限，而南支槽此時幾乎沒有，此時云貴地區(qū)高空主要受來自受來自低緯度地區(qū)的西風(fēng)控制。在850 hPa主要受到偏北風(fēng)的控制，但水平風(fēng)場也較弱，這樣的高低空環(huán)流配置有利于鋒面維持在高原以東。此時鋒后存在微弱的逆溫層，說明南下冷空氣較弱。兩側(cè)溫差達(dá)到10 ℃以上，說明這樣的環(huán)流背景有利于鋒面的維持。12月15日是鋒面越過地形阻擋的階段，從850 hPa相當(dāng)位溫和水平風(fēng)場來看，此時鋒面呈準(zhǔn)東西向且南壓至20°N附近，500 hPa高空阻塞形勢崩潰，南支槽發(fā)展，850 hPa低空被冷高壓控制。而此時鋒面兩側(cè)溫差只有6 ℃左右，說明鋒面越過地形后，雖然鋒后有較強冷空氣，而南支槽也有較好的發(fā)展，但鋒面強度仍然在減弱，說明地形是昆明準(zhǔn)靜止鋒形成的重要因素。

圖3 2013年12月15日08時沿103°E溫度垂直剖面(彩色陰影，單位：℃)和緯向風(fēng)垂直剖面(a)，2016年1月23日08時沿22°N溫度垂直剖面(彩色陰影，單位：℃)和經(jīng)向風(fēng)垂直剖面(b)，灰色陰影為地形

過程2中，2016年1月22日鋒面維持在云貴高原地形東側(cè)，鋒面位于104.5°附近，500 hPa高空21日08時中高緯度地區(qū)阻塞形勢發(fā)展較好，且在貝加爾湖南側(cè)有橫槽的存在，將大量冷空氣阻擋在中高緯度地區(qū)。22日08時鋒后低空存在較弱逆溫層，且有冷空氣開始補充，鋒面兩側(cè)溫差在10 ℃以上，且溫度描述的鋒面也較為明顯，說明這樣的環(huán)流背景有利于昆明準(zhǔn)靜止鋒的維持。1月23日08時500 hPa高空橫槽已經(jīng)南壓至40°N附近，冷中心也南壓至40°N且冷中心溫度達(dá)到-44 ℃附近。鋒面向西移動越過地形的阻擋，鋒后存在明顯的逆溫層(圖3b)，說明暖空氣有一定勢力，溫度在垂直結(jié)構(gòu)上呈“冷暖冷”結(jié)構(gòu)。鋒面兩側(cè)溫差在6 ℃左右，同樣說明鋒面在越過地形阻擋后，鋒面強度在減弱。

對比2次過程，在鋒面維持時，溫度梯度大的區(qū)域與地面接近垂直，水平梯度大；而在鋒面向西移動越過地形時，溫度的水平梯度均減弱了，過程1中冷空氣勢力只能維持到700 hPa附近。過程2中逆溫層下界面達(dá)到700 hPa，冷空氣向上達(dá)到700 hPa，說明暖空氣有一定勢力，而冷空氣的勢力也只能維持到700 hPa附近，說明昆明準(zhǔn)靜止鋒是淺薄系統(tǒng)。

3.2 風(fēng)場特征對比

過程1中，2013年12月10日08時鋒面維持在高原地形東側(cè)時，水平風(fēng)切變大值區(qū)在105.5°E附近，且水平風(fēng)切變向上延伸至650 hPa附近，說明鋒面向上只延伸至650 hPa附近。在鋒面越過高原地形后，可以看到鋒面呈準(zhǔn)東西向，水平風(fēng)切變向密集區(qū)上延伸至600 hPa附近(圖3a)，說明鋒面高度達(dá)到600 hPa?？梢钥吹竭^程1中當(dāng)冷空氣向南爆發(fā)后，冷空氣勢力增強，水平風(fēng)切變高度增加。過程2中1月22日08時鋒面還在高原地形的的東側(cè)，水平風(fēng)切變最大的位置大概是104.5°E，且向上延伸至700 hPa附近。23日08時，水平風(fēng)切變最大的區(qū)域在102.5°E附近向上延伸至700 hPa附近(圖3b)，但略高于22日08時，當(dāng)冷空氣向南爆發(fā)后，冷空氣勢力增強，水平風(fēng)切變延伸的高度和強度均有所增加，但沒有過程1增加得多。

從2次過程來看，當(dāng)鋒面維持在高原地形東側(cè)時，水平風(fēng)切變高度和位置均與溫度場描述的鋒面位置幾乎相同。在寒潮爆發(fā)后，鋒面越過地形，水平風(fēng)切變高度均有所增加。2次過程中水平風(fēng)切變大值區(qū)向上延伸均在600 hPa附近或以下，說明昆明準(zhǔn)靜止鋒是1個淺薄系統(tǒng)。

3.3 相對濕度對比

同樣選取相對應(yīng)的時間點來進(jìn)行研究。12月10日08時沿25°N相對濕度剖面圖中，鋒面維持在大地形東側(cè)時相對濕度大于80%的區(qū)域主要是鋒后低空的小塊區(qū)域；沿105°E相對濕度剖面圖中，相對濕度大于80%的區(qū)域為鋒前低緯度低空以及鋒后低空。過程2的維持階段沿緯向剖面可以看到鋒前濕層較為深厚，鋒后高濕區(qū)主要是850 hPa以下低空，而鋒前有一塊向上延伸至500 hPa高空的高濕區(qū)，且越往上濕度越大，說明過程1中，鋒后的高濕區(qū)主要是由于鋒后冷空氣變性造成的。過程2中鋒后低層的高濕區(qū)與過程1的高濕區(qū)來源相同，均是由于冷空氣變性造成的，但過程2鋒前存在的高濕區(qū)則是來自西南氣流輸送。2個過程的高空環(huán)流形勢區(qū)別在于過程1的南支槽微弱，且位于陸地上空，而過程2南支槽強于過程1，且位于孟加拉灣上空。

鋒后強冷空氣爆發(fā)時，過程1高濕區(qū)主要在鋒后，鋒后850 hPa低空風(fēng)場主要是來自太平洋西岸的風(fēng)場氣旋性切變而來的東北風(fēng)，而500 hPa高空南支槽后的西北氣流多是來自陸地，中高緯度地區(qū)阻塞形勢崩潰為南方帶來強冷平流到南方后變性導(dǎo)致相對濕度增加。過程2中23日鋒后低層濕度小于80%，高濕區(qū)向高空延伸。

鋒面越過地形后向東移動時，過程1的鋒面附近幾乎沒有高濕區(qū)，過程2中26日在鋒后又出現(xiàn)一大塊高濕區(qū)，且濕層深厚。在此階段過程1南支槽已經(jīng)東移至110°E附近與東亞大槽結(jié)合，增強東亞大槽，且中高緯度地區(qū)重新建立阻塞高壓，將冷空氣阻擋在高緯度地區(qū)，昆明準(zhǔn)靜止鋒后冷空氣較弱，高空主要受偏西氣流控制，不利于昆明準(zhǔn)靜止鋒的發(fā)展與維持。而過程2南支槽位于95°E附近，中高緯度地區(qū)高壓脊向北延伸很深，貝加爾湖以北地區(qū)建立橫槽，將冷空氣阻擋在高緯度地區(qū)。高壓脊會引導(dǎo)一些冷平流南下補充，因此鋒后又存在深厚的濕區(qū)。

4 結(jié)論

①昆明準(zhǔn)靜止鋒的移動與西太平洋副高、南支槽、中高緯度阻塞高壓以及東亞大槽等天氣系統(tǒng)配置有關(guān)，當(dāng)南支槽出現(xiàn)在孟加拉灣時，會使得準(zhǔn)靜止鋒前出現(xiàn)高濕區(qū)。與一般冷鋒后干燥的冷空氣不同，當(dāng)有強冷空氣南下時，昆明準(zhǔn)靜止鋒鋒后都出現(xiàn)了高濕區(qū)。雖然昆明準(zhǔn)靜止鋒大多呈準(zhǔn)南北向，但在越過云貴高原地形的阻擋后，也會出現(xiàn)準(zhǔn)東西向的鋒面。

②在垂直方向上，2次過程中鋒面所在位置等相當(dāng)位溫線與地面近似垂直，且等相當(dāng)位溫線水平梯度大。

③2次過程中，在鋒面維持時，溫度梯度大的區(qū)域均與地面接近垂直，水平梯度大；而在鋒面向西移動時，溫度的水平梯度均減弱，水平風(fēng)的切變均增強。2次過程冷空氣均只能維持到700 hPa附近，且水平風(fēng)切變也均為600 hPa以下的低空切變，說明昆明準(zhǔn)靜止鋒為淺薄系統(tǒng)。

④鋒面的強弱與鋒面前后的冷暖氣團強弱有關(guān)，當(dāng)冷暖氣團均強且勢均力敵時，有利于鋒面的維持。若冷空氣較強時，鋒面會向西移動，越過云貴高原地形的阻擋；反之，鋒面則會向東移動。