2011年初北疆强寒潮过程诊断分析

2013-11-04肉孜阿基李如琦

沙漠与绿洲气象 2013年3期

肉孜·阿基，李如琦，唐冶

（新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830002）

寒潮是新疆冬春季最严重的灾害性天气之一，由于短期内气温下降剧烈，给工农业生产、交通运输及日常生活造成严重的危害。近年来气象学者对我国错综复杂的寒潮天气过程进行了天气动力学诊断和数值模拟研究，得到了不少有益的成果。但由于很多条件的制约，对寒潮强度、路径等各方面的研究还存在较大的局限性，对寒潮爆发的认识还存在许多不足。寒潮天气的影响范围大，造成的损失呈扩大趋势，因此，开展寒潮过程的分析总结工作，认识其发生发展的客观规律，提高寒潮预报的准确率，减轻寒潮天气造成的损失，无疑是一件十分有意义的工作。

2010年12月31日02 时到2011年1月2日20 时，受北方横槽转竖东移的影响，北疆、东疆出现强寒潮天气过程，对交通、农业、林果业等造成很大影响，强寒潮天气使北疆地区最低气温下降15 ℃以上，北疆大部地区的最低气温达-30 ℃以下，1个站破了建站以来1月历史极值，8个站为1月历史第二位，7个站为1月历史第三位。另有13个站破了1月近30 a 极值，12个站破了1月上旬历史极值。本次寒潮不但强度很强，而且严寒持续时间长，造成严重后续衍生灾害：寒潮后的低温天气造成昌吉州木垒县近百座大棚果类蔬菜不同程度的被冻伤；乌鲁木齐市天山区、水磨沟区、新市区多处下水道、自来水管道、天然气管道阀门冻坏；冻伤骨折患者明显增多。本文利用NCEP 1°×1°的6 h分析资料和常规观测等资料，对本次寒潮天气过程成因进行了诊断分析，以期对新疆寒潮的实时预报业务提供参考。

1 寒潮过程概况

1.1 天气过程实况

2010年12月31日02 时至2011年1月2日20 时，北疆各地、天山山区、吐鄯托及哈密地区普遍出现微到小雪，其中伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山一带、天山山区的部分地区中雪，伊犁河谷、北疆沿天山一带局地大雪，北疆、东疆风口风力8～10 级，上述地区最低气温普遍下降了10～15 ℃，部分地区下降15～20 ℃，局部地区降幅达20～25 ℃。

1.2 天气过程特点

（1）降雪量不大。北疆、东疆普遍降小雪，仅伊犁河谷、阿勒泰东部、北疆沿天山一带、天山山区的部分地区出现中雪，局地大雪。（2）降温幅度大，低温严寒持续时间长。北疆大部地区最低气温下降幅度达15 ℃以上，阿勒泰东北部、塔城北部下降幅度达20℃以上，北疆大部地区的最低气温达-30 ℃以下，局地最低气温达-40 ℃以下，北疆地区平均气温较常年偏低15 ℃左右，并且持续到1月中旬。

2 大尺度环流和主要影响系统

2.1 100 hPa 环流背景

过程前期极涡为偏心型分布，极涡中心位于新地岛东北部，中高纬度地区为3 波型，主要长波槽位于西伯利亚，新疆处于西北气流控制中。2010年12月30日，东欧脊发展，极涡逆转东移，西伯利亚长波槽迅速南伸，与中亚地区低槽联通，形成西伯利亚到中亚的长波槽（图1）。2011年1月1日，东欧脊继续发展推动长波槽东移，造成这次寒潮天气过程。

图1 30日20 时100 hPa 环流形势

2.2 强冷空气的聚积

寒潮能否爆发，与前期的大气环流形势、冷源及冷空气的聚集程度有着密切的关系。本次寒潮天气过程是在500 hPa 欧亚中高纬环流发生西长东消形势下爆发的。寒潮爆发前12月29日，500 hPa 上欧亚中高纬呈三槽两脊型分布，乌拉尔山以西及巴尔喀什湖以北为两个弱脊，欧洲、乌拉尔山到新地岛及西伯利亚为低值区，西西伯利亚到新疆西部国境线都在强锋区控制下。欧洲低槽持续发展东北移，乌拉尔山脊强烈发展，脊前北风带形成，新地岛冷涡分裂一个短波东移南下到西西伯利亚并形成独立的中心，在槽前巴尔喀什湖高压脊的阻挡下，低涡持续加强并缓慢南压，12月30日，低涡中心强度达512 daghm 并伴有-40 ℃冷中心，锋区强度达15个纬距内13 条等高线，低槽中冷平流使巴尔喀什湖高压脊减弱东移到蒙古西部（图2）。随后乌拉尔山高压脊继续发展，脊顶东扩，推动西西伯利亚低涡中心逆转，使低槽轴向呈西南—东北向。海平面气压场上，上游冷高压在欧洲东部生成，随后开始缓慢东移并略南压。高空槽北面东北气流引导的超极地冷空气、槽后北风带引导的北方冷空气在乌拉尔山地区合并注入到冷高压中，使冷高压进一步加强。同时蒙古高压分裂成南北两部分，北面高压西退北收，于31日14 时退到新地岛以东并与乌拉尔山冷高压合并，形成异常强的冷高压，整个东欧到西伯利亚的中高纬均为高压带，高压中心强度为1 050 hPa，锋区强度达10个纬距内10 条等压线，冷锋前端已达西部国境线附近（图3）。冷中心温度达-40 ℃的高空冷涡和地面强冷高压的形成标志着冷空气堆已形成。

图2 30日20 时500 hPa 环流形势

图3 31日14 时海平面气压场

2.3 冷空气的向南爆发

12月30日夜间到1日，大西洋沿岸低槽迅速发展并东北移，受其挤压，里咸海高压脊的脊顶继续东扩并南压，脊前东北气流使西西伯利亚低槽进一步加强并变为横槽，伴有-44 ℃冷中心的冷涡中心进入了北疆北部地区，新疆大部都在槽区控制下，槽前等高线疏散形成正涡度平流和冷平流产生负变高；横槽后部东北气流逆转为西北气流出现暖平流的正变高，预示着横槽将要转竖。1日白天开始，乌拉尔山高压脊向南衰退，横槽转竖，分两个波东移，引导西西伯利亚强冷空气全面向南爆发，冷高压中心强度达1 056 hPa，锋区在10个纬距内有15 条等压线，冷锋完全进入新疆并继续南压到天山一带，北疆地区的强降温开始。2日白天，乌拉尔山西部到我国东北的广阔地域均为强冷高压控制区，高压中心移到贝加尔湖以北并加强为1 060 hPa。2日20 时，降水结束。直到3日白天，强冷高压才开始缓慢减弱东移北收，新疆上游也开始出现负变压，北疆温度也开始缓慢回升。4日14 时，强冷空气对新疆的影响结束。从地面冷高的形成和移动路径分析（图4），这次寒潮属较为典型的西北路径寒潮。

图4 地面和500 hPa 形势演变图

3 强降温成因

根据“Z”坐标系热力学方程分析，在本次寒潮过程中，气温骤降的主要原因是强冷平流所致。

式（1）中，对于近地层w 可近似为0，变压和气压平流引起的温度局地变化也很小。因此，某地温度的变化主要决定于温度平流和非绝热因子的作用。温度平流主要考虑平流冷暖性质和强度，非绝热因子考虑辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响。气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团变性。在本次寒潮过程中，由于有大量的锋面云系，太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化较小，北疆降雪过程中水汽凝结作用会使气温有所下降，但气温骤降则是强冷平流所引起的。故本节只讨论低层冷平流的演变情况。

从2010年12月30日20 时至2011年1月2日20 时850 hPa 冷平流分布图（图5）上可知，30日，北疆大部还处在暖平流下，境外上游有带状冷平流区，中心强度为-30×10-4℃·s-1，表明冷空气很强。伴随着高空横槽转竖东移，冷平流开始侵入新疆并缓慢东移，31日冷平流中心位于塔城地区，强度为-40×10-4℃·s-1，天山山区也有一个强度为-20×10-4℃·s-1的中心。1日08 时，随着冷空气全面向南爆发，冷平流覆盖了整个北疆和哈密地区，最强中心依然位于塔城地区，中心强度加强为-80×10-4℃·s-1，这也是北疆强降温开始的时间，说明这次北疆大范围寒潮降温天气是由强冷平流造成的。随后，冷平流区东移南压，翻越天山山脉，哈密地区、吐鄯托盆地相继出现了-30×10-4℃·s-1的冷平流中心。2日08 时，冷平流开始减弱。700 hPa 和500 hPa 的冷平流变化情况同850 hPa 基本一致。

4 降雪成因

4.1 涡度场、散度场和垂直速度分析

中低层辐合与高层辐散是降雪形成的有利动力条件。通过对2010年12月28日至2011年1月3日逐6 小时850 hPa、700 hPa、500 hPa 和200 hPa的涡度场、散度场和垂直速度场分析发现，850 hPa上，北疆大部持续为正涡度，强度不大，31日08 时正涡度中心位于阿勒泰，中心强度为8×10-5s-1，700 hPa、500 hPa 则为负涡度，直到31日02 时北疆大部中低层都有弱下沉气流，不利于降水。随后负涡度开始缓慢减小，31日14 时开始形成正涡度，尤其在2日02 时，700 hPa 和500 hPa分别出现了中心强度为12×10-5s-1、15×10-5s-1的强正涡度（图6），这与北疆降雪开始时间基本吻合，表明随着天气系统进入新疆，弱下沉气流开始变为上升气流，冷空气向南爆发时，上升气流明显加强。散度场上，冷空气向南爆发前，中低层伊犁河谷、阿勒泰东部、天山山区都出现了辐合区，对应200 hPa 是弱辐散区。最强辐合中心3×10-5s-1位于伊犁河谷和天山山区。从垂直速度场上看，过程开始时，北疆各地上空从低层850 hPa 到中层500 hPa 的垂直速度均为较小的正值，即北疆上空为弱下沉运动区。从31日20 时（图7），北疆大部垂直速度由负值逐渐变成了正值，且在1日夜间达到最大，中心区域在伊犁河谷和天山山区，中心值分别为1×10-1Pa·s-1、0.5×10-1Pa·s-1。涡散场和垂直速度的中心区域与过程降水的大值区（即阿勒泰、伊犁河谷、天山山区）比较吻合，说明随着强冷平流进入，上述地区在中低层均出现了较强的辐合上升运动，为降雪提供动力条件。

图5 30日20 时至1月2日20 时850 hPa 冷平流分布图（单位：10-4 ℃·s-1）

图6 2日02 时500 hPa（a）和700 hP（b）涡度场（单位：10-5 s-1）

图7 500 hPa 垂直速度（a.31日20 时；b.2日02 时）

4.2 水汽条件分析

通过分析850 hPa、700 hPa、500 hPa 的水汽通量发现（图略），本次过程降水的水汽主要是由700～850 hPa 上从里咸海盛行的一支偏西急流所携带，然后经巴尔喀什湖向东输送到北疆地区。偏西急流从2010年12月28日开始加强并东移，30日进入新疆，31日20 时700 hPa 最大风速增强到24 m/s，850 hPa 最大风速增强到14 m/s，大风速区位于伊犁河谷和塔城，致使西部沿天山和阿勒泰东部出现风速的辐合。急流维持到2011年1月1日夜间，从2日08 时开始，两层的风速均明显减小。700 hPa、850 hPa 水汽通量图上，这支偏西急流将里、咸海上空较丰富水汽携带到西部国境线附近，其中大部分水汽沿着西南气流移到了西伯利亚，只有较少一部分东移到北疆地区，为降雪提供了基本水汽条件。同时由于副热带锋区位置过于偏南，孟加拉湾暖湿气流没能补充到北疆地区，致使北疆上空水汽条件相对较差，所以本次寒潮的降水并不是很明显。

5 本次过程的预报难点

对于这次过程预报北疆地区将有中到大雪、局部暴雪，但实况跟预报相差较大。预报员对于强降温的预报较为准确，但对于过程降水量级和降水落区的判断出入较大，这是由于以下两个原因：（1）本次冷空气的路径为西北路径，但副热带锋区位置较偏南。一般来说，西北路径的寒潮对新疆地区的影响降温降水都很明显，但前提是孟加拉湾暖湿气流通过副热带锋区源源不断的输送到北疆地区，保证充分的水汽供应。本次过程中，数值模式对于副热带锋区位置的预报偏差较大，实况跟模式预报相比，位置更偏南，而且系统也更弱，这样导致西南暖湿气流无法与北支冷空气配合，因此降水量比预报的明显偏小；（2）几家模式对北疆地区的降水预报的量级均偏大。在强天气来临前，预报员对模式预报的依赖性较大，数值预报偏差大，导致预报员对降水的判断出现误差。正是这两个原因，导致本次天气降水量级预报偏大，这也是本次寒潮天气过程的预报难点。