2016年11月一次強寒潮南下天氣特征分析

余洋

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205；2 湖北省武漢市蔡甸區氣象局，武漢 430100）

0 引言

寒潮是一種大規模強冷空氣活動過程，常伴有劇烈的大風和降溫，有時還伴有雨、雪、雨凇和霜凍等[1-2]。其導致的道路結冰、港河封凍、電線積冰、早春晚秋農作物受凍等危害會對交通和電力帶來諸多的不利影響。

寒潮的研究最初側重于對寒潮天氣過程的分析。早在1957年，陶詩言等就對影響我國冷空氣的源地和南下路徑做了研究和分類[3]。1990年，Ding進一步研究證明影響中國的寒潮冷空氣主要來自新地島以西洋面、新地島以東洋面和冰島以南洋面[4]。接著，部分學者開始探究寒潮發生的機理和預報。通過對寒潮的研究和個例分析，在寒潮成因及預報方法、影響我國寒潮的天氣系統和天氣過程等方面取得了較大進步[5-11]。隨后，對寒潮的研究則多側重于氣候變化對寒潮的影響。Chen等通過研究東亞寒潮發生頻次與ENSO循環之間的關系指出，受厄爾尼諾影響時東亞寒潮頻次會增多；反之，受拉尼娜影響時則會減少[12]。Thompson和Wallace研究指出北極濤動指數（AO）降低時東亞地區易發生寒潮[13]。

近年來，我國出現了較多橫槽型寒潮天氣過程，許多學者對其進行了大量研究。樊明等對2001年4月19日的一次寒潮天氣過程做了剖析, 指出西伯利亞大低壓發展盤踞造成的強冷空氣源南壓導致橫槽的形成是寒潮爆發的前提條件[14]。牛若蕓等分析2008年12月2—6日寒潮天氣過程指出，橫槽轉豎冷空氣爆發南下是導致該次寒潮過程中氣溫驟降的主要原因；寒潮大風的形成除了與冷平流有關外還得益于高空動量下傳[15]。王麗等對湖北省一次罕見寒潮天氣過程氣溫陡降成因分析得出，該降溫過程主要由兩個原因導致：一方面是由于地面強冷空氣侵入暖槽，另一更主要的原因在于高空冷平流下傳和地面自西向東發展的降水[16]。許愛華等分析2005年3月10—13日的全國性寒潮指出，由于兩個短波槽侵入阻高，橫槽兩次建立和轉豎，導致冷空氣加速南下；冷空氣與西南急流交匯，導致了我國南方的大雪[17]。

20世紀50年代以來，我國寒潮發生頻次減少、強度減弱[18-21]。王遵姬和丁一匯利用1951—2004年中國740站逐日溫度資料對中國寒潮頻次變化的原因進行分析，認為西伯利亞高壓和冬季風強度的減弱、西伯利亞上空低層冷堆溫度和中國地表溫度的顯著升高可能是中國寒潮及其相伴隨大風頻次減少的原因[22]。錢維宏等分析寒潮頻次與冬季增暖的關系，指出我國中高緯度寒潮活動次數的減少是由于西風帶上天氣尺度斜壓波動減少和減弱[23]。

雖然在全球氣候變暖的大背景下，我國寒潮發生的頻次逐漸減少，且強度有所減弱，但是繼2016年1月的較為罕見的寒潮之后，同年11月又出現了一次較強寒潮天氣過程，除青藏高原和西南地區西部、南部外，我國大部地區出現6～16 ℃降溫，黃淮、江淮、江南北部、華南北部等地降溫幅度超過16 ℃[22,24]。受該次寒潮過程影響，我國多地出現入冬以來最低氣溫，迎來2016年初雪。雖然氣象局已對此次天氣提前48 h做出準確的預報，并提前向公眾發布了寒潮預警，有關部門也積極采取了相應的防范措施，但是由于導致橋面結冰的臨界環境氣溫比地面結冰的環境臨界氣溫高約2℃[25]，且融雪鹽對融冰效果較差，此次寒潮過程仍然導致多處橋梁、高架出現道路結冰。車輛從未結冰的路面行駛至結冰的橋面時反應不及時，造成多起交通事故，導致交通擁堵。深入認識在全球變暖背景下誘發強寒潮的天氣形勢及寒潮的降溫特點，對強寒潮的預報及強降溫天氣的應急處理具有重要意義。

本文利用武漢國家氣象站觀測的常規氣象要素資料、中國氣象局地面氣象資料的共享數據、MICAPS常規資料等，采用天氣學原理和診斷分析方法，對2016年11月寒潮的天氣形勢診斷分析，探究本次寒潮發生時的天氣形勢及寒潮冷空氣對我國部分地區降溫的影響，以期為全球變暖背景下寒潮的預警及低溫、冰凍災害的防御提供參考依據。

1 寒潮天氣特征分析

1.1 寒潮天氣概況

2016年11月20日，入秋以來最強的一次冷空氣開始影響我國。受該次寒潮過程影響，我國大部地區出現了大幅降溫，其中我國中、東部部分地區降溫達到16 ℃以上。以位于華中地區的武漢為例對該寒潮過程的天氣實況做簡要分析。

圖1 是寒潮期間武漢國家觀測站日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫隨時間的變化。從武漢站常規觀測數據可以看出，21日氣溫開始陡降，日最低氣溫在一天之內從14.4 ℃降至1.0 ℃，23日最低氣溫低至－1.5 ℃。達到強寒潮等級[26-27]。

圖1 2016年11月17—27日武漢站日最高氣溫（紅線）、日最低氣溫（藍線）和日平均氣溫（黑線）隨時間的變化Fig. 1 Temporal variation of the daily maximum temperature (red line) , the daily minimum temperature(blue line) and the daily average temperature (black line)during 17-27 November 2016

實況顯示，22日受冷空氣南下影響，武漢市出現瞬時8級大風，23日01時左右東西湖站觀測到雨夾雪。隨著氣溫繼續降低，武漢市北部普降小雪，南部出現雨夾雪。24日06時57分最低氣溫降至－3.1 ℃，達到本次寒潮過程中武漢站氣溫最低值，日出后氣溫開始回升，寒潮過程即將結束。

受本次寒潮降溫過程影響，2016年11月20—24日平均氣溫低于常年同期候平均氣溫（1981—2010年第64和第65候）3.3～3.7 ℃。陳城等研究發現武漢地區30年平均入冬時間是11月26日，并且在21世紀之后武漢的入冬時間有延后的趨勢，很多年份入冬時間推遲到12月之后[28]。2016年11月22日起日平均氣溫陡降至3.8℃，并一直維持在10 ℃以下，武漢市從11月22日起正式入冬，成為近10年來最早入冬的年份。

1.2 寒潮初始階段

11月10日，位于烏拉爾山和鄂霍次克海的暖性高壓脊加強、北伸，在亞洲上空形成一個倒“Ω”流型。12日，烏拉爾山高壓脊進一步北伸，侵占北極，將極渦向南擠壓至貝加爾湖西側的西西伯利亞地區，并在該處維持。14日，該極渦東移并分裂為兩個冷低壓中心，分別位于西西伯利亞和貝加爾湖以東地區，兩個低渦在該地區維持5 d，位置少動。19日，歐洲北部的西南氣流攜帶大量暖濕空氣向北輸送，暖平流使烏拉爾山高壓脊再次北伸，形成東北—西南走向的阻塞高壓，位于西西伯利亞的冷低壓被向東擠壓，在脊前形成一個橫槽（圖2）。20日，烏拉爾山高壓脊與黑海打通，形成一個跨越北極的東北—西南向強脊，橫槽逐漸加強。

圖2 2016年11月19日08時500 hPa等壓面圖Fig. 2 500 hPa isobaric surface at 08∶00 BT on 19 November 2016

1.3 寒潮醞釀階段

圖3 是21日08時500 hPa等壓面。烏拉爾山附近的高壓脊順時針旋轉為東西向，歐洲北部受西北氣流控制，西北風將冷空氣輸入高壓脊，預示著高壓脊將逐漸減弱。亞洲高緯地區貝加爾湖以東極渦開始南壓，由極渦西伸出的橫槽移至蒙古國境內。槽后偏北風攜帶大量冷空氣南下，由于橫槽的阻擋，冷空氣在貝加爾湖附近聚集。從溫壓場的配置可以看出，在該橫槽后出現暖平流，有正變高；槽前為冷平流，有負變高。橫槽前西風氣流中出現階梯槽，有利于等高線疏散結構的形成，進而促使槽的東南方產生負變高。兩者共同作用預示著橫槽即將轉豎并且南壓。21日08時和20時850 hPa等壓面圖（圖略）上顯示，華北、華中地區在08時為南風控制，有暖平流，但20時已轉為北風控制，冷空氣開始影響我國中、東部地區。該極渦中的冷空氣有向南移動的趨勢。

圖3 同圖2，但為11月21日Fig. 3 Same as Fig. 2, but for 21 November

1.4 寒潮爆發階段

圖4 是22日08時500 hPa等壓面圖。22日08時橫槽后風向由北風逆時針旋轉為西北風。橫槽開始逆時針旋轉逐漸轉變成東北—西南走向的槽，位于我國東北地區，冷空氣開始大舉南下。從圖4中可以看出，該次寒潮冷空氣主要來自新地島以西洋面，受咸海附近冷低壓影響，寒潮關鍵區中的部分冷空氣逆時針繞過咸海從西路侵入我國，其余大部分冷空氣在橫槽轉豎后從東路侵入我國，兩股冷空氣在黃土高原匯合，華北、華中地區風速加大。地面冷鋒從青海—河套一帶（21日08時）移動到秦嶺—淮河一帶（圖5）。受地面強冷空氣影響，位于華中地區的武漢市氣溫持續下降，19時51分出現該日最低氣溫，并伴隨瞬時8級大風。22日夜間，風力逐漸減小，出現雨夾雪天氣。

圖4 同圖2，但為11月22日Fig. 4 Same as Fig.2, but for 22 November

23日08時橫槽轉為豎槽，東移至日本，并在日本附近維持至24日，地面冷鋒移至華南以南地區。我國大部地區仍受西北氣流控制，武漢站觀測到較強北風，氣溫持續走低，24日06時57分出現該次寒潮過程中氣溫的最低值。

2 降溫特征分析

圖5 2016年11月20—23日地面冷鋒變化動態Fig. 5 The movement of surface cold front during 20-23 November 2016

該次寒潮天氣過程導致武漢地區氣溫驟降，入冬時間提前，出現7年來最早初雪。從前述分析中可以看出，此次冷空氣分東路和西路侵入我國并直抵我國中、東部地區。為分析兩路冷空氣對我國的影響程度以及我國中、東部地區氣溫大幅降低的原因，本節以武漢為中心，在東西向選取29.0°—31.0°N范圍內的溫江、沙坪壩和杭州站，南北向選取112.5°—116.5°E范圍內的北京、鄭州、長沙和廣州站的觀測數據進行對比分析。由于個別時次出現數據的缺測，本文用內插法進行了數據的替代。

圖6 為溫江、沙坪壩、武漢和杭州站氣溫隨時間的變化情況。從東西方向來看，降溫開始的時間點相差不大，位于最西邊的溫江站降溫開始時間略早，觀測資料顯示21日凌晨最低氣溫就降至9.4 ℃，而其他三個站在21日夜間才開始出現明顯降溫；四個觀測站的氣溫的變化趨勢基本相同，但是武漢和杭州站的降溫幅度較大，整個寒潮過程最低氣溫下降15～18 ℃，溫江和沙坪壩站最低氣溫下降8～9 ℃。

圖6 2016年11月17—27日東西向氣象站（30.0°N左右）氣溫隨時間的變化Fig. 6 Temporal variation of temperature of the east-west weather stations( about 30.0°N) during 17-27 November 2016

圖7 為北京、鄭州、武漢、長沙和廣州站氣溫隨時間的變化。從圖中可以看出，北京站從20日凌晨開始出現降溫過程，廣州站則在23日凌晨才出現明顯的大幅降溫過程。隨著緯度的減小，各觀測站觀測到的降溫開始時間隨之延后，即寒潮導致我國自北向南大幅降溫。另外，從圖中還可以看出，在整個寒潮過程中，鄭州、武漢和長沙站最低氣溫下降13～18 ℃，而更北邊的北京站及更南邊的廣州站最低氣溫下降8～12 ℃。中部地區降溫更劇烈。

圖7 2016年11月17—27日南北向氣象站（114.0°E左右）氣溫隨時間的變化Fig. 7 Temporal variation of temperature of the north south weather stations (about 114.0°E) from 17-27 November 2016

為進一步探究兩路冷空氣的強度，將上述站點在寒潮過程中的日最低氣溫變化特征做對比分析。圖8是北京、鄭州、武漢、長沙、廣州、溫江、沙坪壩和杭州站日最低氣溫隨時間的變化。比較與武漢站緯度相近的幾個觀測站的日最低氣溫隨時間的變化（圖8a）可以看出，位于最西邊的溫江站在21日就開始降溫，并且降溫的持續時間最長，但是降溫較緩慢，日最低氣溫在6 d的時間內下降了9.0 ℃，平均每天下降1.5 ℃左右。其余的三個觀測站的日最低氣溫均是從22日開始下降，24日氣溫降至最低，但是沙坪壩站降溫幅度較小，杭州站次之，武漢站降溫幅度最大。東西向分布的這幾個觀測站中，溫江站在降溫時間上先于其他三個觀測站是由西路冷空氣自西向東侵入我國導致的，此外位于西邊的兩個站點日降溫幅度相對較小。這也說明西路冷空氣移動速度較慢，而且強度不大，造成的降溫幅度相對較緩慢。

圖8 2016年11月17—27日位于30.0°N左右的東西向氣象站（a）和位于114.0°E左右的南北向氣象站（b）日最低氣溫隨時間的變化Fig. 8 Temporal variation of the daily minimum temperature of some weather stations located near 30.0°N(a) and near 114.0°E (b) from 17-27 November 2016

比較與武漢站經度相近的幾個觀測站的日最低氣溫隨時間的變化（圖8b）可以看出，在南北方向上，各站開始降溫的時間相差較大，除武漢站和長沙站在同一天開始出現明顯降溫外，隨著緯度的減小，各測站觀測到的降溫開始時間基本相差1 d左右。最北邊的北京站降溫相對于溫江站而言更為迅速，降溫幅度也更大，22日最低氣溫已降至－6.6 ℃。對比南北向分布的幾個站點資料可以發現，相對于西路冷空氣而言東路冷空氣入侵我國的速度更快、強度較大。

表1 是寒潮過程中上述觀測站每日最低氣溫及其變化。從該表中日最低氣溫降溫幅度來看，武漢、長沙、杭州站降溫幅度較大，24 h內最低氣溫下降了9～14℃；而更西邊的溫江站、沙坪壩站、更北邊的北京站以及更南邊的廣州站降溫相比之下較平緩，最低氣溫24 h最大降溫幅度均在3～6 ℃，即華中、華東地區降溫幅度較大。寒潮過程中，冷空氣以東路加西路的方式侵入我國。東路冷空氣經內蒙古，從河套南下抵達兩湖盆地；西路冷空氣經西藏、青海抵達華中、華東地區，兩股冷空氣在黃土高原匯合。從500 hPa等壓面圖上可以看到，西藏、青海地區上空的等高線相對較稀疏，再加上青藏高原的阻擋，西路冷空氣強度較弱，風力也較小。位于我國西南地區的溫江站和沙坪壩站，主要受西路冷空氣影響，降溫較緩慢。位于華北地區的北京站，主要受東路冷空氣影響，最先出現降溫過程，東路冷空氣的強度大于西路冷空氣，因此北京站的降溫幅度大于溫江站；廣州站位于我國東南沿海，冷空氣抵達廣州時勢力已出現衰減，受兩路冷空氣的影響相對較小，降溫幅度不及中、東部地區；武漢站、杭州站和長沙站位于我國中、東部地區，兩股冷空氣匯合后勢力加強，共同影響華中、華東，導致該地區氣溫驟降。

表1 2016年11月20—21日每日最低氣溫（單位：℃）及其變化Table 1 The daily minimum temperature (unit∶ ℃) from 20-21 November 2016 and their change

3 武漢地區2016年兩次寒潮過程對比

雖然全球變暖使我國寒潮發生頻次降低、強度減弱，但是2016年1月20—25日（簡稱“過程Ⅰ”）和11月20—24日（簡稱“過程Ⅱ”）出現了兩次較強寒潮過程。兩次寒潮過程均為比較典型的橫槽轉豎型，橫槽在蒙古國附近建立并維持。偏北氣流帶來的冷空氣在槽后聚集、積累。受槽后暖平流產生的正變高影響，橫槽開始轉豎，冷空氣爆發南下，侵入我國造成大范圍的降溫過程。

利用武漢國家氣象觀測站觀測資料對這兩次寒潮過程部分指標做對比分析。圖9是過程Ⅰ和過程Ⅱ中武漢站日最低氣溫、累年平均日最低氣溫隨時間的變化，從圖中可以看出兩次寒潮前氣溫都有一個回暖過程。由于我國地處西風帶，高空槽前多為西南氣流。冷空氣來臨時，隨著槽線的南壓，武漢地區受槽前西南氣流控制，西南氣流將南方的暖濕空氣向冷鋒前方輸送，在冷鋒逐漸逼近時，冷氣團擠壓暖濕空氣迫使其聚集，導致氣溫升高。在寒潮的預報中，降溫幅度是基于鋒前增溫以及鋒后降溫效應的疊加，因此寒潮前的回暖對寒潮天氣有較為重要的意義。方雯等將氣溫回升作為寒潮預報的一個重要指標，并指出如果沒有回暖過程，即使冷空氣較強，降溫幅度也不易達到寒潮標準[29]。

圖9 過程Ⅰ（a）和過程Ⅱ（b）中日最低氣溫和累年平均日最低氣溫隨時間的變化Fig. 9 Temporal variation of the daily minimum temperature and the long-term average minimum temperature in CaseⅠ(a) and CaseⅡ(b)

表2 是兩次寒潮過程中部分指標。以累年平均日最低氣溫作為參照，從圖9和表1中可以看到，過程Ⅰ前期氣溫波動很大，有一個短時的回暖過程，21日開始受冷空氣影響，最低氣溫開始下降，連續7 d均低于同期累年平均最低值。過程Ⅱ前期氣溫回暖明顯，持續時間比過程Ⅰ中長，最低溫度在1 d之內從負距平變成穩定的正距平，日最低氣溫比同期累年平均最低值高4～8℃，且氣溫波動相對較小。過程Ⅰ中最低氣溫降至－9.4℃，但是降溫過程相比之下比較平緩，寒潮過程降溫8.9℃（歷時5 d）。過程Ⅱ日最低氣溫－3.1℃，不及過程Ⅰ，但是由于前期回暖明顯，該次寒潮降溫幅度大，并且降溫迅速，48 h內最低氣溫下降15.9 ℃，寒潮過程降溫17.5 ℃（歷時3 d）。

表2 兩次寒潮過程部分指標Table 2 Some indexes of two cold wave processes

過程Ⅰ中，冰島地區的風暴進入北極，導致氣溫升高，極渦南下，從而引導冷空氣南下，從西北路（中路）侵入我國。過程Ⅱ中，冷空氣來自新地島以西洋面，受咸海冷低壓的影響，寒潮關鍵區中的部分冷空氣逆時針繞過該冷低壓從西路侵入我國，其余大部分冷空氣從東路侵入，兩路冷空氣匯合后共同影響華中、華東部分地區。可能正是由于在過程Ⅱ中冷空氣以東路加西路的方式侵入再加上寒潮前劇烈的回暖導致該過程中武漢地區出現了比過程Ⅰ中更大、更劇烈的降溫。

4 結論

1）201 6年11月20—24日發生的寒潮屬于橫槽轉豎型，受橫槽的阻擋，冷空氣在貝加爾湖附近聚集。來自歐洲北部的冷平流導致烏拉爾山高壓脊崩潰后，橫槽轉豎，冷空氣大舉南下，影響我國。

2）該次寒潮冷空氣來自新地島以西洋面，分東、西兩路侵入我國。我國西南地區和華北地區分別主要受到西路和東路冷空氣的影響，西路冷空氣強度弱于東路，因此我國西南地區降溫幅度不及華北地區。兩路冷空氣在黃土高原匯合后共同影響我國中、東部地區，導致華中、華東部分地區降溫達15 ℃以上。

3）201 6年1和11月發生的兩次較強寒潮均為橫槽轉豎型。相比于1月的寒潮過程，11月的寒潮過程發生前氣溫回暖明顯，持續時間更長，再加上兩路冷空氣的共同作用，導致武漢地區在該次過程中降溫更加劇烈，但是最低氣溫高于1月的寒潮過程。

致謝：論文撰寫過程中湖北省氣象服務中心陳正洪教授對筆者進行了指導、提出了寶貴修改建議，在此謹表示感謝。