春季一次強冷空氣過程分析討論

容娜

（克拉瑪依市氣象局，克拉瑪依 834000）

0 引言

2019年5月中旬新疆北部出現了一次大范圍寒潮天氣，15—16日克拉瑪依區域（后簡稱“克市轄區”）大部出現了9級以上大風（圖1），區域站點最大瞬間風速為33.9 m/s。強風區位于克市轄區中部，中心城區及周邊受影響較大。大風持續約8 h，而后各地轉為降水。強降雨中心在克市轄區中南部，局部出現了暴雨。而后各地氣溫明顯下降，48 h內最低氣溫下降8～10 ℃，部分站點最低氣溫達到0 ℃，出現了霜凍天氣。針對這次過程，氣象臺發布了寒潮藍色、暴雨藍色、霜凍藍色等預警信號。由于春季為春耕關鍵時期，此次強冷空氣過程對農業生產影響較大。

此次春季寒潮過程存在預報難點，尤其是對其引發的災害天氣的特點、強度及量級的預報都需要仔細分析。且此次過程具有許多與以往典型寒潮中期過程分析的不同之處，如環流場上冷空氣爆發階段的表征不明顯等，需要對其機理進行進一步分析。

已有學者在討論寒潮天氣時使用了等熵位渦法，得到了高值位渦中心的移動、強度變化與冷空氣及低渦系統移動、暴雨落區等之間的聯系。本文利用位渦理論，對此次春季寒潮的形成機理等其他主要特征進行討論分析。

圖1 2019年5月15—17日克拉瑪依區域降水、大風天氣情況（a）降水量（單位：mm）；（b）大風（單位：m/s）Fig.1 Precipitation and gale weathers in Karamay on 15－17 May 2019(a) precipitation (unit: mm); (b) gale (unit: m/s)

1 資料與方法

本文采用NCEP 1°×1°逐日（4次/日）再分析資料，時間為2019年5月14—17日。

根據等壓面上位渦的分布，選取中層500 hPa和高層300 hPa兩個層次，分析此次強冷空氣活動的源地、移動路徑，討論位渦與克拉瑪依市（簡稱“克市”）轄區強降水落區的關系。

2 環流形勢概況

14日20時，500 hPa歐洲至中亞地區開始建立阻塞形勢。烏拉爾山（后簡稱“烏山”）高壓脊北伸至極地，脊前北風帶不斷加強引導冷空氣南下，在西伯利亞堆積形成寬槽。高空西北鋒區上有冷槽南壓東移。冷空氣爆發時，主影響槽的上游存在一趕槽。15日20時—16日08時，趕槽自烏山西側快速南落推動冷槽加速南壓進入北疆。同時，咸海處有低渦存在，與北方阻高形成了北暖南冷溫度場結構，有利于將暖空氣阻擋在高緯地區，低渦前部西南氣流也有利于把水汽輸送到中亞地區，為后期降水天氣提供相應的水汽條件。

850 hPa溫度場、高度場均為經向分布，烏山脊前北風與巴湖地區溫度鋒區相垂直，表明大氣斜壓性較強。北疆上空的冷平流十分強盛，西西伯利亞冷中心隨北風引導氣流不斷南落。地面冷鋒進入北疆西部，結合850 hPa溫度場、風場發現，進入克市轄區的冷平流有2個路徑，一支自塔城西方進入，另一支自阿勒泰北方偏東向進入，克拉瑪依市轄區處于2支氣流的輻合帶上。

地面高壓自高緯地區南落后轉東南向進入中亞，15日14時—16日08時，地面系統移速較快，這一時段克市轄區出現了大風天氣；16日08時—16日23時，地面系統位置少動，這一時段克市轄區出現了降水天氣，故冷空氣移速不同引發的天氣也不同，系統停滯時有利于降水天氣維持。冷鋒位置變化在15日14時—17時最為明顯，雖然此時該區域大部站點3小時變壓仍為減壓，但克市轄區大風天氣已開始，說明冷鋒移速加快比3小時變壓更有利于指示克拉瑪依市轄區的大風天氣。15日20時冷鋒鋒面過境，此時克拉瑪依市轄區各地風速達到了最強。

3 氣候背景

2019年5月以來，克市轄區頻繁受冷空氣活動影響，月平均氣溫較氣候值為偏低。1981—2010年5月500 hPa氣候平均場中（圖2a），在中緯度歐亞地區為緯向環流，等高線總體分布均勻，高緯地區為極地低壓，里咸海為一淺槽，中亞為新疆淺脊，烏山西側無偏北氣流。而2019年5月原位于新疆的淺脊西移至咸海（圖2b），并與歐洲北部脊疊加伸向高緯地區。從歐洲北部至東亞沿岸均以西北氣流為主，有利于引導極地冷空氣南下進入新疆，使冷空氣活動增多。

圖2 5月500 hPa氣候平均位勢高度場（a）1981—2010年；（b）2019年Fig. 2 500 hPa climate average geopotential height field in May(a) 1981—2010; (b) 2019

4 大氣斜壓性分析

NCEP再分析場更直觀地表現出此次過程大氣的斜壓性質。500 hPa溫度場經向分布明顯強于風場，高緯地區有一強冷舌向南伸至中亞地區，且在寬槽區有2個低渦中心（圖3a、3b），“互旋”作用加快了西西伯利亞低渦東移，也使中亞強冷舌快速進入北疆。隨后冷舌強度減弱（圖3c、3d），冷空氣能量大量釋放，中高緯大氣的斜壓有效位能向動能轉化，北疆出現了大范圍寒潮。

圖3 2019年5月15—16日NCEP再分析資料場500 hPa溫度場（陰影，單位：℃）、流場（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）15日08時；（b）15日14時；（c）15日20時；（d）16日02時（實星為克拉瑪依市轄區）Fig. 3 NCEP reanalysis data of 500 hPa temperature field (shadow, unit: ℃) and flow field (vector, unit: m/s)(a) 08:00 on 15 May; (b) 14:00 on 15 May; (c) 20:00 on 15 May; (d) 02:00 on 16 May 2019(The real star is the location of Karamay)

850 hPa中亞地區同樣存在冷舌，表明冷空氣較深厚。且克市轄區上空的底層風場發生了西北—東北風的轉換，與實況天氣對應，說明冷空氣進入該區域時存在2支路徑。而低層偏東路徑的冷空氣不僅加強了降溫，也對降水天氣有利，因為偏東氣流易在低層與克拉瑪依市轄區西緣的加依爾山脈形成迎風坡效應。該偏東氣流與高層西風系統疊加，加大了垂直方向上切變，這種垂直方向上的緯向西風加速，有利于產生高層向北的地轉偏差風與次級環流，激發上升運動，從而加強降水所需的抬升機制。

5 等壓面上位渦與冷空氣、降水落區的關系

5.1 位渦與冷空氣強度、移動路徑的關系

此次天氣過程發生前期，高位渦中心位于烏山東部，中心強度為2.185 PVU，對應西西伯利亞冷渦。歐洲暖脊對應低位渦區，代表強盛暖空氣向極地發展。

14日阻高脊前強西北氣流帶與高位渦中心配合（圖4a），冷空氣將向南侵襲。15日08時高位渦中心12 h南落5個緯度（圖4b）。強風帶由位渦后部西北風逐漸轉為渦底西風，此時槽區底部內位渦梯度達到最強。偏北風減弱不利于高位渦繼續南落，但里海附近有一弱高位渦中心，其分裂東移的速度非常快，每12 h約為10經度，在北疆上空與北部高位渦中心結合，進一步加快冷空氣南落和東移，使強冷空氣能迅速爆發。15—16日高位渦中心值減少了約0.5 PVU，這是造成新疆寒潮過程所釋放的位渦能量。18日08時高位渦中心已東移南落至蒙古，受北支冷空氣補充，位渦中心再次加強。

圖4 2019年5月14—15日300 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風場（矢量，單位：m/s）的疊加圖（a）14日20時；（b）15日08時Fig.4 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 300 hPa(a) 20:00 BT on 14 May; (b) 08:00 BT on 15 May 2019

5.2 位渦與降水落區關系

15日14時高位渦中心位于西西伯利亞，其底部為強梯度帶，也是位渦高值中心軸線移動方向的右側，同時存在強西風氣流與之疊加，對應6 h后克拉瑪依市轄區及準噶爾盆地有降雨中心，這與吳迪等分析結論一致。這是由于位渦高值中心移動軸線的右側常為上升運動區，若此處有水汽通量輻合，則有利于產生降水天氣。16日02—08時西風氣流明顯減弱（圖5b、5c），對應6 h后降水強度減弱。由此看出，此次降水落區與位渦高值中心、輻合風場有一定的對應聯系。

6 結論

1）此次天氣具有較強斜壓性，溫度場經向分布強于高度場、風場。暖槽的快速南落推動冷槽加速南壓。咸海低渦將北部的暖空氣阻擋在高緯地區，其前部的西南氣流為水汽輸送到中亞地區提供了有利條件。

2）2019年5月500 hPa高空西北氣流較強，易于高緯度冷空氣南下影響新疆。此次過程高緯地區有一強冷舌直伸中亞，進一步加大了垂直風切變，誘發上升運動。

3）高緯地區強的高位渦中心南落、中亞弱的高位渦中心快速東移，兩者合并進入北疆，進一步加快了強冷空氣的南落和東移，使其能迅速爆發。在降水落區方面，高位渦區在新疆北國境線停滯，當高位渦中心移動軸線右側與強西風氣流在克市轄區上空疊加時，對應6 h后該地出現降雨落區中心。

大量研究結果對寒潮過程的環流系統分析已較為成熟，但仍存在地域差異及不同個例間差異，造成復雜天氣的成因也各不相同。關于寒潮天氣的分析仍需要更多個例來討論完善。

圖5 2019年5月15—16日500 hPa位渦（等值線，單位：PVU）、風場（矢量，單位：m/s）及之后6 h降水量（陰影區，單位：mm）分布的疊加圖（a）15日20時；（b）16日02時；（c）16日08時；（d）16日14時Fig.5 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 500 hPa and precipitation (shaded area, unit: mm) distribution in the following 6 hours(a) 20:00 BT on 15 May; (b) 02:00 BT on 16 May; (c) 08:00 BT on 16 May; (d) 14:00 BT on 16 May 2019