新疆“4·23”强寒潮降温特征分析

牟　欢，于碧馨，张俊兰

新疆“4·23”强寒潮降温特征分析

牟欢，于碧馨，张俊兰

（新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002）

利用常规天气观测资料、美国NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料，应用天气学原理和天气动力诊断分析方法，对2014年4月22—24日一场春季强寒潮降温天气（“4·23”强寒朝）进行分析。结果表明:（1）前期北疆500 hPa上空被弱脊控制，欧洲脊强烈发展，强北风带建立，中高纬环流由纬向转为经向。中期欧洲脊衰退，引导冷空气向东南爆发，长波槽迅速东移南下侵入北疆，造成了本次寒潮天气。（2）寒潮爆发前期，日平均气温较历年同期偏高以及地形因素是导致冷空气强烈爆发、气温陡降的有利因素。（3）沿46°N的垂直温度平流、θse剖面图可以分析得出，地面冷锋先与高空锋面进入新疆境内，冷空气在6 h内迅速移动并且强度明显加强。（4）锋生函数分析表明强降温的区域、寒潮的路径和起始时间与其中心变化有很好的对应关系，可以清楚地分析出冷空气的时空变化。

寒潮；诊断分析；冷平流；锋生函数

牟欢，于碧馨，张俊兰.新疆“4·23”强寒潮降温特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（3）：59-65.

寒潮是大范围的强冷空气在一定环流形势下向南爆发的现象，常常造成大范围的剧烈降温、大风、降水等天气现象，对工农业生产和交通运输等有巨大影响[1]。近些年来，随着全球气温升高，特别是冬季增温明显，全国各类型寒潮的发生频次呈减少趋势且强度减弱[2-3]。国内外许多学者从高空急流、低层锋生、环流特征等方面对我国的寒潮、降温天气做了统计、诊断及机理研究，得出了很多有意义的结论[4-7]。通过对850 hPa冷平流、假相当位温、锋生函数等物理量的诊断分析，更加清晰地阐明了相关物理量与寒潮降温天气的密切联系[8-10]。牛若芸[11]指出，850 hPa的冷平流与最低气温降幅10℃以上的区域大体一致并且强风的形成与冷平流入侵和高空动量下传关系密切。陈豫英[12]等通过寒潮过程的对比分析发现，对高空冷槽和地面冷高压路径的预报是寒潮降温预报的关键。陈涛[13]等认为地形前方的中尺度辐合对于低层局地锋生有正的贡献，而与潜热释放对于垂直运动项产生了最强的锋生。

20世纪80年代，张家宝、张学文等从寒潮源地、路径、季节分布等方面对新疆寒潮天气的研究做出系统的总结，分析了寒潮冷空气的酝酿、堆积、爆发的3个阶段。个例天气分析[14-16]认为对新疆寒潮天气的路径、冷空气堆积和爆发时间、强冷平流的分析是预报寒潮的重点，对此还需要进行更加深入的研究。张俊兰[17]等对北疆寒潮天气进行了环流和区域分型并根据季节、各高度层锋区强度、冷空气的主要特征等提出了预报概念模型和主要预报指标。虽然新疆寒潮天气的研究较多，但是对其物理量天气学诊断分析较少，对寒潮的强度和降温区域预报不够精准。春季是农牧业生产的关键时节，寒潮造成的危害更严重，而目前对春季的强寒潮天气过程的总结较少。本文对春季一次强寒潮天气在天气学动力、热力方面进行诊断分析，着重分析局部地区强降温的原因，为预报寒潮天气提供参考依据。

1　寒潮实况分析

2014年4月22—24日，新疆北部出现了一次强寒潮天气过程（图1a）。北疆大部降温8～12℃，北疆偏北地区和乌鲁木齐以东的北疆沿天山一带的部分地区降温12～15℃，局部降温15℃以上。以托里站为例（图1b），由4月22日16:00的14.7℃降至23日09:00的-7.6℃，期间有6个时次的逐小时最低气温下降幅度≥2℃且均在22日20:00—23日05:00，4月23日00:00的降幅最明显达到了2.8℃。可见强冷空气的主力是从22日20:00开始影响托里站，短时间内温度骤降明显，利于寒潮天气的发生，然后东移南下逐渐侵袭新疆北疆大部地区。同时，此次天气还伴随着大风，其中北疆大部、东疆和南疆等地风力达7级，部分地区9级以上，三十里风区、百里风区达13级以上。由于天气发生在春季，正值新疆农事活动繁忙期，因此给农牧林果业及交通带来了不利影响。

图1　2014年4月22日20:00—23日20:00新疆各地降温（a）和22日14:00—23日11:00托里站逐小时气温（b）

2　资料处理

本文采用资料包括:（1）高空和地面常规观测资料；（2）国家级地面自动站资料；（3）美国NCEP/ NCAR的1°×1°逐6 h再分析资料。由于22日20:00—23日20:00为过程主要的降温时段，选取北疆偏北强降温地区做天气学诊断分析。

诊断资料所选取的高空资料范围为35°～100° E，35°～70°N、地面资料范围为70°～100°E，30°～50° N，物理量的垂直剖面范围为，70°～90°E，46°N，1000～200 hPa，通过对各物理量在时间、空间上的分布和配置，着重分析强降温天气出现的机理和原因。本文内均采用北京标准时间（BST）。

利用锋生函数对本次天气过程进行诊断，锋生函数可以从定量的角度来分析具体的天气现象、气象要素的变化状况。以F表示锋生函数，F＞0表示锋生，F＜0则表示锋消，|▽θse|表示θse的水平梯度绝对值。

上式中三项依次为空气水平运动、垂直运动和非绝热加热对锋生的作用。

一般用假相当位温（θse）作为气象参数来计算锋生函数。假相当位温是一个考虑了气压、温度、湿度的综合性物理量，对于干绝热、湿绝热过程同一气块的θse值都是保守的。

3　天气形势分析

3.1高空形势

500 hPa的高空形势图上（图2），前期中高纬在欧亚范围内基本属于两脊一槽型，此时寒潮正处于开始阶段。21日20:00，咸海至北欧为高压脊，脊顶北伸至65°N附近，泰米尔半岛附近有504 hPa的低涡中心，其后部配合有-40℃冷中心，中亚和西西伯利亚地区为宽广的槽区，新疆大部处于低涡底部弱偏西气流中。700 hPa上与500 hPa冷中心相对应的区域有-24℃冷中心，这说明寒潮爆发前强冷空气在这片区域堆积，而冷空气的堆积也是寒潮爆发的必要条件。850 hPa的锋区位于西西伯利亚地区，等温线十分密集，在50°～62°N区域内南北方向上温差达24℃，并且在锋区附近的强偏北风与等温线接近垂直，在巴湖附近有偏西风，冷空气辐合使得温度梯度加大，这样的形势也非常有利于高纬度的冷平流向中低纬地区输送。随着天气系统的发展,里海脊发展与欧洲脊叠加，经向度加大，黑海至北欧的脊先发展东移于22日08:00开始向东南衰退，位于乌拉尔山高压脊的顶部不断有不稳定小槽快速发展东移南下，推动锋区南下并对冷空气中心补充加强，配合东移的南支槽同位相地叠加，引起西西伯利亚至中亚地区的槽明显加强加深。此类天气形势在新疆寒潮天气形势预报中属于欧洲脊类[1]；22日20:00，500 hPa上槽继续加深南压，振幅在20个纬距以上，等压线密集且经向度加大，槽后北风带最强风速达38 m·s-1，在乌拉尔山以东堆积的强冷空气也随着强烈的北风带南下，迅速灌入北疆地区，造成了此次寒潮天气。

图2　2014年4月23日08:00高空500 hPa高度场（实线）和温度场（虚线）

3.2地面形势

按照寒潮的源地、冷高压和冷锋移动路径等方面考虑，可以将本次天气过程归为西北路径。寒潮高压最早形成于新地岛附近，新疆受暖脊控制地面热低压强烈发展。由图3可见，4月21日08:00，1032 hPa的高压中心从波罗的海附近先东南下，过程中高压中心逐渐加强，随后移至乌拉尔山南端60°N附近并有短暂的滞留。从4月23日08:00开始，高压中心明显向东折向，位于乌拉山南端的高压中心加强到最强，移动速度缓慢，并且地面冷锋于23日02:00左右进入新疆北部的偏西地区。另外，22日11: 00的3 h变压图上，位于乌拉尔山南端高压底前部的正变压中心由前一时次的+4 hPa增至+7 hPa，正变压明显加强，正负变压中心连线也为西北—东南走向。24日白天地面高压中心移至阿勒泰地区，高压前的冷锋也移出新疆，天气过程结束。

地面形势分析结果表明，地面冷高压建立、加强，并与高层冷空气一起发展。寒潮冷锋的移动与高空槽的移动路径基本一致，由于大气的斜压性，地面冷锋移速快，先于高空槽进入新疆境内。

图3　2014年4月21—23日08:00地面高压中心和地面冷锋移动路径

4　气温变化特征

4.1前期气温距平

在寒潮发生前（4月20前后），在500 hPa高度场上，新疆大部处于弱高压脊的控制下，天气形势稳定，有利于地面增温。新疆北部的大部分地区日平均气温均高于历年同期日平均气温1～6℃，北部偏北地区和石河子以东的北疆沿天山一带日平均气温高于历年日平均气温3～5℃。此次寒潮过程主要出现在北疆偏北地区和石河子以东的北疆沿天山一带（降温幅度在10～12℃），由此可见前期日平均气温值的偏高幅度对寒潮的发生影响十分明显。

4.2温度平流的水平变化

某一地区的温度变化可以用热流量方程来表示。

上式中由于在近地层，故ω≠0，而变压和气压平流引起的温度局地变化很小，在实际预报中可以不必考虑，经过简化得到：

该式说明在大尺度系统中的某地温度的变化主要决定于温度平流和非绝热因子。温度平流项（-V· ▽T）是在水平气流方向上气温分布不均匀时，空气水平运动将引起气温局地的变化，气温变化的程度决定于温度平流的强度。非绝热因子项（1dQ）的cpdt变化是空气与外界交换的结果，主要考虑辐射、水汽变相而释放潜热、乱流传导等，气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团的变性。本次寒潮天气过程中，在新疆上空有大面积的锋面云系覆盖，天空状况相似，太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化不明显，在研究短期无凝结过程的天气时，非绝热项作用很小项可略去，大尺度系统的局地降温主要还是由冷平流引起的。故下面只讨论850 hPa上冷平流的变化情况。

图4为4月22日20:00和23日08:00冷平流在850 hPa的分布图，在寒潮天气爆发前，巴尔喀什湖偏西和偏北地区有明显的东西向带状冷平流，中心最大值达到-70×10-5℃·s-1。在500 hPa高空有相对应的东北—西南向的大槽，这也表明了前期堆积的冷空气势力很强。22日20:00（图4a），大槽逐渐转竖东南移，冷空气迅速东移，冷平流主体东移南下并分裂出4个中心，分别位于北疆偏西的国境线附近和克州地区，其中最强的中心位于北疆偏西的国境线附近，中心最大值加强到-90×10-5℃·s-1。23日08:00（图4b），随着欧洲脊向东南衰退，位于新疆的大槽经向度也随之加大。850 hPa冷平流的主体东南下进入北疆境内，范围也明显扩大，北疆、东疆和南疆的阿克苏、巴州等地的大部地区都处于冷平流控制下。而冷平流的中心位置和强度分布也发生了明显变化，其中心分3部分进入北疆，最强的一部分沿塔城北部至博州东部东南下进入北疆，然后移至哈密北部至昌吉州东部，强度达到-120×10-5℃·s-1，这是造成北疆大部寒潮天气的主要原因，强的冷平流迅速东移，使得该区域内的气温骤降甚至出现强寒潮天气；较强的一部分则是从伊犁河谷的西南部东南下至阿克苏东部，对阿克苏的局部地区造成了寒潮天气；较弱的一部分位于塔城的东北部，是在前面两股强冷平流之后沿塔城和阿勒泰的交界处进入北疆的，冷平流的范围和强度最弱，但是其对前面的冷平流起到了很好的补充作用，并使得在之前降温区域的降温幅度继续加大，这也是在北疆、东疆的部分地区出现了强寒潮天气的重要原因之一。寒潮后期，冷平流继续东移，但范围和中心强度明显减弱，冷中心位于哈密偏北偏东地区，天气趋于结束。由此可见，850 hPa强冷平流的影响范围和中心与明显降温区域和中心有很好的对应关系。

图4　850 hPa冷平流（≤-40×10-5℃·s-1）分布

4.3温度平流的垂直变化

沿此次天气降温最明显的区域之一的塔城北部地区（46°N，70°～90°E）作温度的垂直剖面（图5），82°～90°E（新疆境内）一线在本次天气过程中降温幅度十分明显，有利于说明强降温的成因。降温过程前期4月22日20:00（图5a），中低层冷平流的主体位于500 hPa以下77°～83°E的区域，冷平流中心位于低层700 hPa附近，中心强度达-90×10-5℃·s-1，从垂直高度位置来看，中低层冷平流主体的伸展高度约500 hPa且先于高层冷平流进入新疆境内。从风场的剖面也可以看出，在冷平流主体内，地面至高层风速均大于20 m·s-1，中心风速达50 m·s-1位于650 hPa。500 hPa以下的槽线位于78°E附近，而500 hPa以上的槽线位于74°E附近，槽后为西北风输送冷平流。到23日02:00（图5b），6 h内，中低层的冷平流快速东移至83°～90°E，中心强度也加强到180× 10-5℃·s-1，平均高度抬升至400 hPa附近。高层冷平流紧随其后进入新疆境内，500 hPa以下的槽线移至83°E附近，500 hPa以上的槽线移至81°E附近，高低空槽线位置接近，冷空气更加深厚。从风场上看，冷平流内50 m·s-1的风速中心移至寒潮区（82°～90°E）上空，高度抬升到550 hPa，地面到850 hPa附近的风速明显加大，风速中心达到44 m·s-1，风速辐合加强并且切变的经向度也更加明显，有利于低层冷平流加强，此时中低层冷平流强度达到最强。从风场和冷平流的配置看，高层冷平流向下传导对中低层冷平流有明显加强作用。另外，从出现强降温中心区域（46°N，83°E附近）的地形可以清晰的看到，上游由于有山地的阻挡作用，使得冷空气在山地前部堆积，低层的水汽也受到了阻拦，而当地面冷锋被强迫抬升后再下沉，下沉气流风速加快，更有利于山地后下游部分地区的冷空气的爆发。

图5　22日20:00时（a）和23日02:00时（b）沿46°N的温度平流剖面和风场（单位:10-5℃·s-1）

4.4假相当位温（θse）分析

沿46°N做θse场的纬向剖面可以看到，22日20:00（图6a）在低层巴湖（70°～75°N）附近有一个中心强度为286 K的低能中心，而在600 hPa新疆境内84°E附近有310 K的高能中心，高低中心之间在水平方向上差值约为20 K。垂直方向上由于能量堆积形成强的锋区，锋区内线从地面到500 hPa的高空密集且陡峭。

23日02:00（图6b）低能中心强度加强到280 K，低能舌强烈向上发展至400 hPa左右的高度且经向度加大。能量锋区内的等θse线的梯度明显加大，高低中心之间的水平方向上差值增加到约24 K，锋区加强，有利于中低层的冷空气在寒潮爆发区的正涡度强烈发展，水平和垂直方向上的运动加剧，形成了局地的短时强降温。

图6　22日20:00时（a）和23日02:00时（b）沿46°N的假相当位温垂直剖面（单位:K）

5　锋生作用分析

以假相当位温（θse）作为参数来计算锋生函数，用NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料可以计算出22日20:00和23日02:00的850 hPa的锋生函数（图7）。图中黑点为托里站。从图7a可以看出，22日20:00 850 hPa的锋生带呈东北—西南走向，位于巴尔喀什湖和新疆西部国境线之间，中心值达8×10-9K·s-1· m-1，北疆的偏西偏北地区为弱的西南气流；23日02: 00锋生带快速东南移，进入新疆境内，中心移至北疆的偏东地区，强度不变，依然呈东北—西南走向，托里站附近转为负值，风场转为西北风且风速明显加强，说明进入新疆后强的降温区域出现在锋生带中心的后部的强西北气流中。

6　结论

通过对此次寒潮过程的天气形势及各物理量在水平和垂直剖面上时空分布的分析得出以下结论：

（1）此次天气过程在新疆寒潮天气形势预报中属于欧洲脊类。从500 hPa高空形势可以看出，前期极地冷空气南下并在乌拉尔山以东堆积，欧洲脊发展东移后于22日08:00开始向东南衰退，配合东移的南支槽同位相叠加，引起西西伯利亚至中亚地区的槽明显加深，倒Ω流型明显收缩，在乌拉尔山以东堆积的强冷空气也随着强烈的北风带南下，迅速灌入北疆地区。

（2）寒潮天气发生前期，500 hPa新疆处于高压脊控制下，地面增温明显，使得日平均气温明显高于历年同期水平，有利于加大气温的降幅，是寒潮爆发的有利条件之一。

（3）冷空气的源地在波罗的海附近，高压中心沿西北路径移动，冷空气在乌拉尔山以东堆积，再经巴尔喀什湖北部进入新疆，冷空气的堆积和爆发是寒潮预报的重点。地面冷高压的强度和前沿气压梯度密集程度是判断冷空气强度的重要依据。通过观察高空急流位置、强度以及850 hPa的冷平流强度可以进一步判定冷空气的强度。

（4）850 hPa强冷平流是造成气温剧烈下降的主要原因，冷平流的影响区域和中心与降温区域和中心有较好的对应关系。对温度平流、做垂直剖面分析发现:高空槽呈后倾状且冷气团深厚，中低层冷平流进入新疆后与向下传导的高层冷平流结合后更强，使得本次寒潮具有强度大、爆发力足的特点。

（5）计算锋生函数表明，锋生函数与强降温有很好的对应关系，强降温区域出现在锋生带中心的后部强的西北气流中，对寒潮天气的范围、路径、开始时间都有很好的指示意义。

图7　22日20:00（a）和23日02:00（b）850 hPa锋生函数和风场

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Charateristics of“4·23”Cold Wave with Temperature Decreaing in Xinjiang

MU Huan，YU Bixin，ZHANG Junlan
（Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China）

Based on the conventional surface and upper data，NCEP1°×1°reanalysis data of every 6-hours，a cold wave during April 22th to 24th，in the spring of 2014 was analyzed using synoptic principle and dynamic diagnosis It is concluded that,firstly,In the early days,North Xinjiang was under the control of young ridge on 500 hPa,the while the European ridge developed intensely，the strong northerly wind zone thus formed and the zonal circulation shifted into meridional in the middle-high latitude in the Northern Hemisphere.In the middle stadgethe uropean ridge weaked Southeastward,which induced the strong northerly wind showed up and leaded the cold air invaded to the southeast,a long wave trough quickly moved to the southeast and a cold wave breaked out in North Xinjiang.Secondly,the main causes for the cold wave were the higher temperature than that at the historical same peirod and the toporgraphy.Thirdly,analysis of cross section of temperature circulation andshowed that,the ground-based cold frontgenesis move into Xinjiang earlier than the upper air frontgenesis,the cold air moved swiftly and become stronger suddenly inside 6hr Finally,Anylysis of frontogenesis function indicated fine correlationship among the temperature drop area,cold wave path and beginning time,，which could thus be a preferable indicator in analyzing the spatio-temporal variability of cold air.

cold wave；diagnostic analysis；cold air；frontogenesis function

P458.122

B

1002-0799（2016）03-0059-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.009

2015-07-10；

2015-10-13

中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2014009）和中国气象局预报员专项（CMAYBY2014-078）共同资助。

牟欢（1982-），男，工程师，从事天气预报研究和气象服务工作。E-mail:213de88@163.com