巴彦淖尔市一次寒潮天气动力机制分析

孙令东，梁凤娟，王永清，柳艳艳

(内蒙古自治区巴彦淖尔市气象局，内蒙古 临河 015000)

1 引言

巴彦淖尔市地处内陆深处的内蒙古高原［1］，地理位置在 105°12'～ 109°53'E，40°13'～42°28'N 之间，东与包头市相连，西与阿拉善盟接壤，南与鄂尔多斯市隔河相望，北与蒙古国为邻，西南依黄河与乌海市相连。由黄河灌溉农业区(后套地区)、山旱农业区、沙区和牧区组成。寒潮是由高纬度地区大规模冷空气堆积并迅速南下的结果，冬春季常常伴有大风、降雪天气，对农牧业生产影响很大。在牧区寒潮不仅影响放牧，而且还会使交通阻塞、运输困难，牲畜因此而断绝草料，甚至由于风力过大，刮倒棚舍和蒙古包，压伤人畜。在农区由于强寒潮往往造成春秋霜冻出现，使作物受到严重灾害。学者们对于寒潮过程的冷空气源地和路径、寒潮关键区、寒潮中短期环流演变形势特征等已得出众多有益结论［2－7］。诸如文献指出影响中国冷空气源地分别位于新地岛附近洋面和冰岛以南洋面，冷空气多经关键区——西伯利亚中部(43°～65°N、70°～90°E)堆积加强后，由西北路、西路、东路、东路加西路向中国侵入。许爱华［2］等对2005年3月的寒潮天气过程进行了诊断分析，认为其主要成因是西欧上空的500 hPa强暖平流致使在西伯利亚地区形成阻塞高压，建立横槽，横槽北侧的东北气流引导极地冷空气和西路冷空气合并加强，形成了异常强的冷高压、锋区、冷温度中心和冷温度平流。钟有萍［5］等对一次寒潮天气过程的中期环流形式分析，提出当500 hPa环流型转为阻塞高压和横槽型，阻塞高压脊的经向环流既强又稳定，往往具备了爆发寒潮的环流背景。杨宏宇［6］等对2006年3月影响六盘水市的一次寒潮天气过程进行分析，指出后期滇黔静止锋的形成和高原冷空气对贵州省西北部的补充影响是持续低温天气的主要原因。巴彦淖尔市地处西北边疆，是冷空气爆发必经之地，其冬季漫长，无霜期短，寒潮天气多，为了提高防灾减灾能力，因此对于寒潮及寒潮天气的研究分析仍然是近期乃至今后研究的重点。

该文利用常规气象观测资料，采用天气学原理和天气动力学诊断分析方法，从寒潮环流背景和动力机制，对2012年11月2—4日发生在内蒙古巴彦淖尔市一次寒潮天气过程进行分析和总结，以期进一步提高对寒潮的科学认识，为此类天气过程的分析预报提供有参考价值的信息。

2 天气实况

受强冷空气影响，2012年11月2—4日，巴彦淖尔市出现大风、寒潮天气，风力5—7级，大部地区最低气温下降超过10℃，海力素降幅达18.5℃，最低气温出现在4日凌晨(表1)。东南部伴有小量降雪，道路出现结冰，对交通产生不利影响。大幅降温，对城市供暖有一定压力，使设施农业作物生长放缓，土壤水分下渗慢，部分秋浇地出现结冰，秋浇用水量减少。

表1 2012年11月2—4日最低气温变化 (单位:℃)

3 寒潮天气过程分析

3.1 冷空气源地和寒潮酝酿

寒潮能否爆发和冷空气源地以及堆积程度有密切关系。11月1日08时，500 hPa欧亚中高纬为两低两高型(图1a)。贝加尔湖以西、巴尔喀什湖以东有一低涡，乌拉尔山一带为高脊区，脊线呈南—北向，极地冷空气沿脊前偏北气流向低涡内输送。1日20时(图1b)，该低涡加强东移南压，范围扩大，由40°N南压至30°N附近，涡底分裂的冷空气在蒙古形成横槽，涡后脊前偏北急流为36 m/s，并有－36℃冷中心相对应。受内蒙古东北部暖高脊阻挡，冷空气在巴彦淖尔市上游堆积加强。700 hPa、850 hPa上，中西伯利亚到北疆一线分别有冷涡 ，冷中心分别为－24℃和－20℃。贝加尔湖到蒙古西南部有东北—西南走向锋区，等温线密集(24℃/10纬距)。在海平面气压场上，蒙古国西部至新疆北部有冷锋活动，锋后冷高压中心为1 040 hPa。850～500 hPa厚度可以代表850 hPa与500 hPa之间的冷气团的强度［4］，此次寒潮过程 850～500 hPa厚度大，表明冷气团较强。

图1 11月1日08时(a)和20时(b)500 hPa高空度场(实线)和温度场(虚线)

寒潮爆发和急流有密切关系。陶祖钰［4］用准地转理论解释了中纬度地带天气尺度扰动的移动和发展机制、锋面气旋的维持和发展机制、高空急流和中纬度天气过程。指出寒潮过程中高空扰动是不对称的，在寒潮爆发前的高空波动表现为后脊强、前脊弱的不对称波动，乌拉尔山高压脊前急流带，不仅使地面冷高压加强和锋生，而且也有利于寒潮冷堆加强。1日20时300 hPa(图略)，乌拉尔山高压脊前有一偏北急流带，急流中心左侧强的气旋性切变涡度以相应的正涡度平流造成上升运动，上升运动所伴随的绝热冷却使500 hPa的冷中心加强。这一过程就是热流量方程中垂直运动一项对局地气温变化的影响过程。当急流轴与高空槽配合时，槽后有明显的负涡度平流，使地面反气旋发展，这加大地面气压场的气压梯度，有利于寒潮的爆发。因此，冷空气堆积已初步形成，具备了寒潮爆发的首要条件。

3.2 寒潮爆发

由图1b看出，1日20时，500 hPa乌拉尔山高压脊线东移至乌拉山东侧(80°E)，脊前涡后偏北急流带也随之东移南压，急流核位于90°E、55°N附近，这为横槽转竖提供了有利动力条件。横槽西段涡度明显大于东侧，说明横槽西段加深比东侧快，有利于横槽转竖。2日20时(图2a)500 hPa高空横槽略有转竖，槽线长达15个纬距，并东移至巴彦淖尔市上游;地面锋面位于河套地区西侧，冷高压中心加强到1 050 hPa。高空锋区呈南—北走向，地面高压轴向与锋区走向一致。3日08时(图2b)，南下低涡与转竖低槽合并，向南加深，环流径向度加大，并有－32℃冷中心相对应，巴彦淖尔市处于高空槽内控制;地面受1 035 hPa冷高压中心控制，使巴彦淖尔市气温骤降，达到了寒潮标准。

图2 11月2日20时(a)和3日08时(b)500 hPa高空场(实线)和温度场(虚线)，(单位:dagpm、℃)

4 强降温和强风成因

4.1 强降温成因

温度平流是寒潮天气过程关键因素。水平方向上气温分布不均匀时，空气水平运动将引起气温局地变化，暖平流使局地温度升高，冷平流使局地温度下降，因此气温变化程度与温度平流密切相关。温度平流强度一方面反映了系统斜压性强度，另一方面也是强冷空气南下的主要动力方式。冷平流可以反映出冷空气爆发南下强度，冷平流越强，冷空气活动越强烈。尤其是850 hPa温度平流中心强度及其移动路径，直接揭示寒潮强度及影响区域。

由850 hPa温度平流演变趋势看出，1日20时，冷平流进入巴尔喀什湖东北至贝加尔湖以西地区，中心值 －20 ×10－5·s－1表明冷空气很强(图略)。2日20时，随着乌拉尔山高压脊加强发展，巴尔喀什湖东北部横槽缓慢转竖，冷平流区向东南方向移至蒙古国西南到甘肃中部，锋区呈东北—南向，蒙古国有 －16×10－5·s－1中心值(图略)。3 日 20 时，南下低涡与转竖低槽合并向南加深，冷平流范围扩大，强度加强，前沿扩展到35°N附近，巴彦淖尔市处于－12～－8℃之间控制(图略)。3日20时，冷空气活动对巴彦淖尔市影响基本结束。由表1可知，最低气温出现在4日凌晨。由此可知，850 hPa冷平流区向南扩展速度比地面气温24负变温区向南扩展速度超前12 h左右。

4.2 强风成因

寒潮爆发前的1日08时海平面气压场上(图3a)，欧亚中高纬呈西高东低型，贝加尔湖以西、巴尔喀什湖北部有冷高压，蒙古气旋已生成。蒙古国西南至新疆北部等压线密集，巴彦淖尔市处于蒙古气旋底前部。蒙古气旋前部是暖性，后部与冷高压相邻部分是冷性，气旋热力性质使冷锋前后具有极强的气压梯度、变压梯度和温度梯度，对产生大风提供有利条件。此时地面冷高压位于高空槽槽后，蒙古气旋位于槽前。急流所伴随动力学过程决定关键区域内高空波动演变和地面气旋和反气旋活动，蕴含着巨大能量，特别是急流轴附近，由于动量下传，使低层风力加大;高空急流使冷空气堆积加快、锋区不断加强，各层等压面上均有明显反应。随着乌拉尔山高压脊前偏北急流带南移，南下低涡与转竖低槽合并向南加深东移，2日08时(图3b)巴彦淖尔市处于等压线密集带，风力达到了最强。3日08时以后风力逐渐减小，寒潮伴随大风天气趋于结束。

图3 11月1日08时(a)和2日08时(b)海平面气压场，(单位:hPa)

300 hPa(图略)，乌拉尔山高压脊前有一偏北急流带，急流轴位于巴尔喀什湖东北部，最大风速为56 m/s，与地面冷高压相对应。由于急流轴左侧风速有气旋性切变，右侧有反气旋性切变，与高空槽相配合，槽前有明显的正涡度平流，使地面气旋发展加深;槽后负涡度平流使地面反气旋发展，加大了地面气压场气压梯度，产生“梯度风”。急流出口右侧，有很强的负涡度平流，使地面高压加强，产生“变压风”致使地面风力加大，而且使地面冷锋加强，有利于冷空气堆积;在大风出现前地面冷锋前是暖区，而高空急流使地面高层冷平流加强，逐渐导致大气层结不稳定，锋前暖区产生上升运动，锋后冷区产生下沉运动，使锋面斜压性增强。

5 结论

①此次寒潮天气过程出现在乌拉尔山高压脊强烈发展并缓慢东移，欧亚中高纬环流形势由纬向型向径向型转换过程，乌拉尔山高压脊前偏北急流带南移、横槽西段的涡度明显大于东侧、槽前正涡度平流使横槽前东南方产生负变高等促使横槽转竖;南下低涡与转竖低槽合并向南加深，冷空气势力加强向南爆发，造成此次寒潮天气过程。

②850 hPa冷平流区向南扩展速度比地面气温24 h负变温区向南扩展速度超前12 h左右，强盛冷平流是造成气温骤降的主要原因。

③300 hPa高空偏北急流轴左侧风速有气旋性切变，右侧有反气旋性切变，加大地面气压场的气压梯度，产生“梯度风”。出口右侧，有强的负涡度平流，使地面高压加强，产生“变压风”，使地面高层冷平流加强。高空槽前暖平流、槽后冷平流，暖区上升、冷区下沉，形成对流运动。低层由冷区指向暖区水平运动和暖区上升运动构成垂直方向上次级环流，其下沉支处于高空急流轴入口区左侧下方，有利于高空急流的动量传递到地面，在底层的水平运动(冷区指向暖区)进一步加大地面风速。

［1］李金田，张喜林.巴彦淖尔市农牧业气候资源与区划［M］.北京:科学普及出版社，2006:1－6.

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