甘肅省平涼市春季一次罕見寒潮 低溫天氣的極端性分析

李曉霞 李常德 馬真 趙慧 高玲

（1 甘肅省平涼市氣象局，平涼 744000；2 甘肅省白銀市氣象局，白銀 730900）

0 引言

寒潮天氣過程是一種大規模的強冷空氣活動過程。寒潮天氣的主要特點是劇烈的降溫和大風，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍。寒潮是我國冬春季嚴重的災害性天氣之一，能給工農業生產和人們日常生活帶來很大的影響。對寒潮天氣的認識和研究已較為廣泛，閻琦等從氣候角度分析了各地寒潮天氣的變化特征及影響因子。周星妍指出北大西洋風暴軸位置異常與我國寒潮頻次變化存在顯著的相關關系。張琳發現極端氣旋的生成和移動是中國寒潮天氣發生的重要原因之一。近年來，對不同寒潮天氣過程的發生機制進行對比分析的研究較多，田秀霞等對相關寒潮天氣的影響系統、發生背景、水汽、動力、熱力機制等進行了診斷對比分析，得出一些重要的寒潮預報經驗和指標。董全等利用歐洲中期天氣預報中心再分析資料和極端天氣指數對某一次強寒潮天氣活動進行了分析檢驗，探討了如何有效利用極端天氣指數來提高對極端災害性天氣過程預報的準確率。韋志剛等評估了CFSv2系統對寒潮天氣預報的能力，發現該系統對寒潮降溫情況具有一定的提前預報能力。王麗等將濕位渦應用到暴雨、強對流、寒潮等災害性天氣時，得出了有意義的結果。近年來，不少氣象學者利用多種氣象資料及相關產品對諸多典型寒潮天氣個例做了深入的研究，雖然引發寒潮爆發的環流形勢和天氣系統基本都是我們所熟知的，但是我國幅員遼闊，氣候條件差異很大，各地寒潮天氣特征存在一定的差異性，這就需要我們氣象工作者根據當地的具體情況來研究寒潮預報的經驗和指標，并做到本地化應用。目前而言，關于甘肅省平涼市本地的寒潮天氣研究較少，對寒潮天氣的極端性判斷和預報也就更加欠缺。

2018年4月4—7日，甘肅省大部地方爆發了一次大范圍的強寒潮天氣，就平涼市而言，7個縣（市、區）連續2日均出現寒潮天氣，最低溫度降幅最大達13.9 ℃，最低氣溫均達到或超過歷史極值，屬于一次極端性罕見強寒潮天氣。各縣區均出現不同程度的冷凍災害，主要災情出現在涇川縣和靈臺縣，其中，涇川縣有14個鄉鎮受災，造成農作物受災面積達27.85萬畝（1畝≈666.7 m），直接經濟損失25882.66萬元。靈臺縣有11個鄉鎮災情較嚴重，造成果樹、農作物等受災面積達5.66萬畝，直接經濟損失16977.81萬元。本文主要從寒潮天氣系統、寒潮降溫條件等方面入手，分析此次極端性寒潮天氣的形成原因，為平涼市寒潮天氣的預報及由此產生的氣象災害的預防提供參考。

1 天氣實況

2018年4月4—7日，甘肅省平涼市爆發了入春以來最強的一次寒潮天氣過程，造成7個縣（市、區）出現大范圍的劇烈降溫天氣，從寒潮強度和連續日數來看，4—7日研究區出現連續2天的區域性強寒潮天氣，屬于歷史罕見寒潮天氣。過程前后，全市日最低氣溫下降幅度普遍在8.5～13.9 ℃，其中，4—6日，莊浪縣降溫幅度最大，達到13.9 ℃；5—7日，靈臺縣降溫幅度最大，達到13.8 ℃（圖1）。7日清晨全市最低氣溫均降到?9.4～?5.0 ℃，最低氣溫和近20年同期相比較，7個縣（市、區）均達到或超過歷史極值，尤其靜寧縣的最低氣溫低于歷史極值2.7 ℃。另外，4—5日寒潮區還出現了瞬時風力達6～7級的偏北大風，其中崆峒區極大風速達20.4 m/s。此次寒潮天氣過程出現范圍之廣，強度之大，為歷史罕見。

圖1 2018年4月4—7日平涼市各縣（市、區）48小時最低氣溫降溫幅度（單位: ℃） Fig. 1 Drop range of minimum temperature for 48 h in Pingliang of all counties (cities, districts ) in 4-7 April 2018 (unit: ℃)

2 影響系統及降溫條件

2.1 100 hPa極渦

亞洲高緯度地區維持一個強大的極渦時，對我國的寒潮天氣過程有很好的指示意義。利用NCEP再分析資料對寒潮的中短期形勢做了分析，分析寒潮發生前5 d、前1 d和發生時100 hPa極渦的分布特征發現，寒潮發生前5 d，有一極渦中心穩定于新地島以東的喀拉海一帶，中心強度在1512～1516 gpm左右，呈不對稱的單波型，可見寒潮爆發前5 d，在北半球就出現了東西向偏心型極渦。寒潮爆發前1 d，3日08時，極渦中心位于80°N以南，較前期相比強度增強，中心位置有所南壓。3日20時，極渦繼續加強南壓至70°N附近，中心強度達1540 gpm左右。寒潮爆發時，4日08時，極渦進一步加強南壓，極渦由東西向轉為西北東南向，徑向度加大，影響范圍也大幅擴大。5日20時，極渦發生了一次分裂， 2個中心分別位于70°N以北（極渦Ⅰ）和貝加爾湖附近（極渦Ⅱ），2個極渦均位于歐亞大陸，中心強度分別為1552 gpm和1564 gpm，且靠近我國的極渦Ⅱ偏強，說明伴隨我國的大范圍寒潮低溫天氣也是偏強的，甘肅省平涼市位于極渦Ⅱ底部，受其影響將出現持續低溫冷凍天氣。

此次寒潮天氣過程冷空氣的源地位于新地島以東的洋面上，而后經喀拉海、太梅爾半島、西伯利亞一帶進入我國。寒潮爆發期間，對流層中、上部的極渦發生了一次斷裂，分為兩個中心，形成偶極型環流，這表明此次冷空氣的強度為中等以上強度，由于靠近我國的極渦中心偏強，且位于西伯利亞北部，這樣冷空氣從西伯利亞源源南下，造成我國大范圍持續低溫天氣，也是形成此次甘肅省平涼市極端寒潮天氣的重要原因之一。

2.2 500 hPa環流形勢

寒潮能否爆發與冷空氣的源地和堆積程度有著密切的關系。分析500 hPa的環流形勢可以看出，此次寒潮爆發前，2日20時，烏拉爾山附近為一高壓脊，脊前有一弱的短波小槽，從溫壓場的配置來看，溫度場落后于高度場，預示著上述槽、脊將會發展加強。3日08時，脊前不穩定小槽加強并東移南壓至西西伯利亞一帶。3日20時（圖2a），烏拉爾山高壓脊前冷槽分裂為南、北兩支小槽，南支低槽位于新疆東部，等溫線與等高線的交角大，槽后冷平流強。等高線也呈疏散結構，即槽線上有正渦度平流，兩種因子共同促使該冷槽持續發展。同時，烏拉爾山高壓脊線附近的暖平流和負渦度平流使得高壓脊繼續加強，使得脊前偏北風加大，這意味著冷平流的加強，將進一步促進脊前冷槽的發展。烏拉爾山高壓脊和其前冷槽邊發展邊隨著基本氣流向東移動，至4日20時（圖2b），烏拉爾山高壓脊東移至亞洲西部，并由南北向逐漸向東北西南向發展，冷空氣在脊前槽后持續堆積加強。5日08時，南北兩支低槽同位相疊加，同時，亞洲西部高壓脊同中亞高壓脊有所合并加強，這將使得環流經向度進一步加大，脊前偏北風加強，引導槽后冷空氣大舉向南爆發，形成寒潮爆發的誘因。6日08時，亞洲中部受高壓脊控制，低槽東移至我國東部，東亞大槽完成了一次重建，此時寒潮研究區仍受槽后冷平流的影響，前后出現了連續性的強寒潮天氣。

圖2 2018年4月4—6日500 hPa環流形勢 （實線：等高線；虛線：等溫線） Fig. 2 Circulation situation of 500 hPa in 4-6 April 2018 (solid: contours, dashed: isotherms)

此次寒潮天氣過程屬于脊前不穩定小槽發展型。高空主要影響系統為烏拉爾山高壓脊及其前低壓槽，不斷東傳的低槽持續影響寒潮研究區，加之強冷平流的長時間維持，使得此次寒潮天氣過程具備了持續時間久，強度大，范圍廣的特征。

2.3 地面冷高壓及冷鋒

分析地面形勢（圖3）發現，此次寒潮爆發前后，在寒潮地面高壓的前緣都有一條強度較強的冷鋒作為寒潮的前鋒，并且在300 hPa以下各等壓面上都配合有明顯的高空冷槽和鋒區，同樣，在寒潮冷鋒的后部都有一地面冷高壓存在，從冷高壓的移動路徑可以看出冷空氣的移動路徑為西北—東南向。對比上一節分析可以發現，地面寒潮冷鋒均位于500 hPa冷槽前部，屬于后傾形勢。寒潮爆發過程中，隨著高空冷槽的加深，地面冷鋒后的氣流經向度也加大，利于寒潮冷鋒的南下。3日08時，地面冷高壓位于烏拉爾山脊底部下游，寒潮冷鋒位于兩個冷高壓之間的低壓變形場中。3日20時（圖3a），高壓中心強度達1042.5 hPa，冷空氣擴散到北疆，變形場中生成氣旋中心，位于貝加爾湖西側，寒潮冷鋒位于貝加爾湖西側至新疆北部。4日08時（圖3b），冷高壓位置少動，但主力冷空氣分裂一閉合冷性小高壓南壓至河西西部和青海高原西部一帶，其前有副冷鋒生成，是發展的低壓倒槽與柴達木冷空氣前鋒結合地形錮囚鋒，此時主鋒仍位于蒙古氣旋中心向西延伸的低壓槽中。4日20時，隨著主冷鋒下擺轉向，與其前副冷鋒合并，形成一支更強的冷鋒位于蒙古中部至甘肅東南部一帶，其后部的地面高壓中心強度分別增強到1045.8 hPa、1028.4 hPa，這也預示著冷空氣強度的增強，此時，甘肅省平涼市位于冷鋒后3 h顯著升壓區內，鋒后正變壓中心值達+10.0 hPa，變壓差達增大到11.0 hPa 左右，這與該時段內平涼全市出現偏北大風天氣密切相關。5日08時，地面冷高壓位置少動，強度增強到1057.1 hPa，伸出的地面高壓脊伸向東南，沿河西走廊不斷延伸，其前冷鋒東移，前后變壓差在10.5 hPa 左右；5日20時，切斷出閉合冷高壓，中心位于馬鬃山-額濟納一帶，中心強度達1042.5 hPa，平涼市仍位于冷鋒后3 h顯著升壓區內，鋒后正變壓中心值達+9.0 hPa，變壓差在8.5 hPa 左右，而鋒后強冷空氣和較大變壓差是形成平涼市寒潮和大風天氣的重要影響因子；6日08時，冷高壓中心沿河西走廊東移南下直至甘肅省河東地區，之后的24小時內北部冷高壓中心緩慢變性，高壓前冷鋒也逐漸東移減弱消失。

圖3 2018年4月3—4日地面形勢 Fig. 3 Ground situation in 3-4 April 2018

從地面冷鋒、氣旋和冷高壓的演變來看，冷空氣主力并未爆發性東移南下，而是以冷高壓分裂的形式影響甘肅省東部地區。分裂的冷空氣出現向南爆發的現象，冷高壓中心沿河西走廊南下，其空間尺度較小，降溫集中。另外，變形場和地面倒槽的動力、熱力作用有利于地面（副）冷鋒的生成和地面氣旋加強。

2.4 溫度平流

在水平氣流方向上氣溫分布不均勻時，空氣水平運動將引起氣溫的局地變化，暖平流使局地氣溫上升，冷平流使局地氣溫下降，因而氣溫變化的程度決定于溫度平流的強度。

本文利用NCEP再分析資料對溫度平流進行診斷分析，沿35.3°N做溫度平流的垂直剖面，發現寒潮爆發前期，4月2—3日，研究區基本受暖平流或弱冷平流控制，以3日14時為例，在對流層中層有一個暖平流中心，強度達4×10℃/s，可見過程前期研究區處于明顯的升溫環境中，為后期的寒潮降溫和降溫強度提供了溫度基礎。4日20時（圖4a），600 hPa以下到近地面層，研究區轉為受冷平流控制，最強中心位于近地面層，中心值達?1.6×10℃/s，表明低層已有冷空氣入侵。5日08時（圖4b），從近地面層至對流層高層，研究區均受冷平流控制，中心位于700 hPa附近，值達到?2.0×10℃/s，可見冷空氣逐漸變得深厚，強度也大大增強，為連續兩日寒潮天氣提供了冷空氣條件。到5日20時，冷空氣持續加強，冷平流區域貫穿到對流層頂，最強中心位于500～400 hPa，研究區偏東一帶更為顯著，靈臺縣境內中心強度達?2.2×10℃/s左右。另外，從5日午后到前半夜，溫度平流具有明顯的上冷下暖分布特征，這種配置有利于不穩定層結的形成，可促使冷暖空氣的上下對流，利于動量下傳，形成地面大風。

圖4 2018年4月4—5日沿35.3 °N溫度平流的經向剖面（單位：10-4 ℃/s ） Fig. 4 The meridional section along 35.3 °N of temperature advection in 2-5 April 2018 (unit: 10-4 ℃/s )

2.5 垂直速度

本節主要分析垂直運動對局地氣溫變化的影響，垂直運動對局地氣溫變化的影響主要是通過垂直運動的方向、強度和大氣的溫度來實現的。在穩定大氣層結狀態下，如有上升運動，即ω＜0，當地氣溫就下降，反之，如有下沉運動，即ω＞0，當地氣溫就上升。

本文沿35.3°N做垂直速度的垂直剖面，可以看出，4月3日20時，寒潮研究區500 hPa以下均為上升運動，中心值為?20×10Pa/s，對流層中低層這種垂直運動的分布，可產生絕熱膨脹冷卻效應，從而利于研究區降溫天氣的加劇。4日20時，從近地層到對流層頂，研究區整層均為強的上升運動，中心最大值達?52×10Pa/s以上，且最強上升運動區位于寒潮研究區境內，這說明此次寒潮天氣過程中，垂直運動劇烈，從而引起的局地降溫也就較強。5日20時，上升運動的強度有所減弱，但其伸展高度仍達300 hPa左右。至7日08時，研究區整層均轉為下沉運動，由垂直運動項對局地溫度變化所造成的影響轉為升溫效應。

3 濕位渦

濕位渦（MPV）是能夠反映大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量。

在p坐標系中，濕位渦守恒的表達式為：

其中：式（2）為濕正壓項，式（3）為濕斜壓項。濕正壓項表示慣性穩定性和對流穩定性作用。濕斜壓項包含了濕斜壓性和水平風垂直切變的作用，標志了大氣斜壓性的發展，而大氣的斜壓性有利于氣旋性渦度的發展。MPV2與高空冷平流有很好的對應關系，可以很好的應用到寒潮天氣的預報診斷中，當MPV2＜0，|MPV2|越大時，表示大氣斜壓性越強，等壓面上的等溫線越密集（即溫度梯度越大），冷空氣鋒生越強，利于寒潮天氣過程中的氣溫下降。

利用NCEP再分析資料，分別計算出500 hPa、700 hPa等壓面上的MPV2項以及沿35.3°N的MPV2緯向垂直剖面，分析MPV2項在此次強寒潮天氣過程中的作用。以500 hPa為例，3日20時，在甘肅省河西東部地區有一個MPV的密集帶，中心值為?1.3 PVU（1 PVU=10m·K·s·kg），平涼市位于零線范圍內。4日08時（圖5a），MPV2密集帶南壓到甘肅省河東地區，研究區的值為?0.6～?0.3 PVU，表明此時冷空氣已南壓并開始影響研究區，且500 hPa冷平流增強。5日08時（圖5b），MPV2高值中心整體東移，研究區|MPV2|增大，為?1.4～?1.0 PVU，大氣斜壓性進一步增強，冷空氣鋒生加強，平涼市出現了明顯的氣溫下降。之后MPV2密集帶和大值中心逐漸東移，直到6日20時，研究區均位于MPV2負值區，但強度減弱。700 hPa的MPV2分布特征基本類似于500 hPa，3日20時—6日08時，研究區均位MPV2負值區，最強時段為3日夜間到4日白天，最強值達?0.9～?0.6 PVU。

再沿35.3°N做MPV2緯向垂直剖面圖分析發現，3日02時，寒潮研究區700 hPa以上開始出現MPV2負值。4日20時（圖5c），從近地面到對流層中上層，MPV2均為負值，|MPV2|普遍增大，最強中心位于600 hPa附近，值達?1.1 PVU左右，表明冷空氣變深厚，強度增強。5日14時（圖5d），MPV2大值中心東移，而寒潮區仍持續深厚MPV2的負值區。直到6日14時，研究區內MPV2值上下層均轉為正值或弱的負值。

圖5 500 hPa MPV2的分布特征（a，b）及沿35.3°N MPV2的緯向垂直剖面（c，d）圖（單位：PVU） Fig. 5 The distribution characteristics of 500 hPa MPV2 and the vertical zonal section along 35.3°N of MPV2 (unit: PVU)

可見，濕位渦中第二項濕斜壓項在此次寒潮天氣過程中有著很好的指示意義，其時、空演變特征能夠很好地描述冷空氣的移動、發展過程，從而有助于寒潮天氣過程中降溫情況的判斷和研究。

4 結論

（1）此次寒潮天氣的冷空氣源地位于新地島以東洋面上，而后經喀拉海、太梅爾半島、西伯利亞一帶進入我國。寒潮爆發前5 d，100 hPa在北半球有一東西向偏心型極渦。寒潮爆發期間，對流層中、上部的極渦發生了一次分裂，表明此次冷空氣強度為中等以上強度，因靠近我國的極渦中心偏強，造成我國大范圍的持續低溫天氣也偏強。

（2）此次寒潮天氣過程屬于脊前不穩定小槽發展型。高空主要影響系統為烏拉爾山高壓脊及其前低壓槽，不斷東傳的低槽持續影響寒潮研究區，加之強冷平流的長時間維持，使得此次寒潮天氣過程具備了持續時間久，強度大，范圍廣的特征。

（3）從地面冷鋒、氣旋和冷高壓的演變來看，此次寒潮爆發前后，在寒潮地面高壓的前緣都有一條強度較強的冷鋒作為寒潮的前鋒，主體冷高壓位置少動，后期分裂形成一閉合小高壓南壓，并配合有副冷鋒生成，隨著主冷鋒下擺轉向，與其前副冷鋒合并，形成一支更強的冷鋒影響寒潮區。

（4）從高空冷暖平流的分布可以得出，寒潮爆發前，研究區處于明顯的升溫環境中，這為后期的寒潮降溫和降溫強度提供了一定的溫度基礎。爆發期，研究區受強冷平流的長時間持續影響，因高空冷平流項引起的局地降溫也是顯著的；寒潮期間，研究區存在明顯的上升運動，可產生顯著的絕熱膨脹冷卻效應，從而利于研究區降溫天氣的加劇。

（5）將濕位渦應用到此次寒潮天氣的分析中，發現濕位渦中第二項濕斜壓項在此次寒潮天氣過程中有著很好的指示意義，其時空演變特征能夠很好地描述冷空氣的移動、發展過程，從而有助于寒潮天氣過程中降溫情況的判斷和研究。