2014年4月22日新疆寒潮天气过程锋面结构演变特征分析

孙淑芳，张广兴，李 曼

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；3.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

在中纬度，锋面是重要的天气系统。天山山脉高大陡峭，在中亚锋面演变中扮演重要角色。目前，地形对锋面影响的动力学问题在观测、理论及数值模拟等方面的研究中取得了较大进展。国外的Bannon[1，2]利用准地转、半地转理论，讨论了地形对锋面锋生、锋消及移动的影响。Blumen[3]研究了地形对冷锋锋面移动的动力阻挡作用，发现冷锋锋面在山前减速，而在背风坡加速，被认为是锋面过山模式的范式。Zehder和Bannon[4]直接在物理坐标中引入地形，数值求解半地转方程，从而进一步改进了Bannon地转动量近似条件下地形对锋面影响作用的理论结果。Schumann[5]和Haderlein[6]用一个完全的浅水模式，克服了半地转模式的缺点，进一步研究了地形对冷锋移动及锋生的影响作用。

Kalazhokov[7]利用一个线性边界层模式，进一步讨论边界层摩擦对大气锋面垂直结构及环流分布的影响。Manton[8]、Egger[8]和 Morozovsky[10]等同样利用一个二层浅水锋面模式，在理论上研究边界层摩擦对锋面结构的影响。Welander[11]则考虑非线性、湍流摩擦共同作用对定常锋面环流的影响。Dunst[12]利用一个完整的边界层数值模式讨论了边界层过程对地面冷锋结构特征的影响。Garratt[13]指出，要完整地研究低层锋面系统结构动力学，必须同时考虑地形、边界层的作用对锋面系统的影响。

国内的谈哲敏[14，15]利用一个有地形、边界层摩擦作用的二层锋面浅水模式，讨论了地形、边界层摩擦共同作用对冷暖锋锋面的结构形状及环流分布的影响问题。吕克利[16]利用半地转模式模拟了地形对冷锋、暖锋和锢囚锋锋生，基本气流变化对冷锋、暖锋和锢囚锋发展的影响。张熠[17]利用三维非静力中尺度数值模式MM5模拟了干湿大气条件下中纬度典型锋面系统的生成与演变过程，重点讨论地表拖曳对干、湿大气中地面锋结构、锋生过程的影响作用。以上工作对天山准静止锋的研究提供了理论基础和研究范式。

纵观复杂地形锋生动力影响和准静止锋结构特征的研究历史，我国4种准静止锋研究最多的是梅雨锋[18，24]，华南准静止锋[25，26]和昆明准静止锋[27]也有涉猎，唯独天山准静止锋缺乏研究。究其特点，梅雨锋和华南准静止锋的形成主要是冷暖气团间的对抗形成，地形作用不大；昆明准静止锋的形成云贵高原地形起到了一定作用，相较于天山该地形就平缓了许多，是地形和冷暖气团共同作用的结果。尽管前3种静止锋的形成机制各有差异，但其研究成果对天山准静止锋的研究积累了丰富的经验。众所周知，中亚是我国寒潮和强冷空气入侵的关键区，新疆是寒潮强冷空气天气过程多发地区，当地的大气科学工作者对此有大量的研究[28，34]。当冷空气在中亚经过充分堆积，强而快速移动的冷锋迎面遇到陡峭而复杂的天山，动力强迫显著；天山两侧，冷热干湿有别，热力差异迥异，在此共同作用下产生强烈锋生。在手工绘制地面天气图时，等压线过于密集，常常难以全部一一绘出，而将若干等压线汇集于一条锯齿线中。在此独特的动力及热力条件下锋面的空间结构和演变特征为何？是一个亟待研究解决的科学问题和业务难点，但研究很少。

1 资料

本文用经过审核的规范观测资料作为天气实况分析；用美国国家环境预报中心（NCEP）的NCEP-fnl资料（Derber[32]），每日4次，间隔6 h，水平分辨率为1°经度×1°纬度的再分析资料进行天气形势分析和物理量计算。

2 天气形势

2.1 天气概况

2014年4月22日08时（北京时）开始，受西西伯利亚低槽南下影响，北疆各地、天山山区、哈密北部出现雨转雪，伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山、天山山区、哈密北部出现中到大雪，局部暴雪；北疆大部、东疆和南疆等地出现7级大风，部分地区极大风力9级以上，三十里风区阵风12级，百里风区阵风14级。东疆、南疆24个国家站出现沙尘暴，3个站出现特强沙尘暴；北疆大部降温8～12℃，部分地区降温12～15℃，局部降温15℃以上，属于典型的寒潮天气。

2.2 500 hPa环流形势

从500 hPa高空形势（图1a，1b，1c）上可以看到，2014年4月21日08：00欧亚范围内为两槽一脊的经向环流，东欧地区为高压脊，整个西伯利亚地区为一深厚的低值系统，脊前冷空气不断南下堆积，低涡加深发展，中心值496 dagpm，并配有-36℃温度闭合线。4月22日08：00，随着欧洲脊向东南方向移动，推动西西伯利亚低槽迅速东移南下。与此同时，南支系统也比较活跃，中亚的咸海东北侧有低槽活动，该低槽与东移南下的西西伯利亚北支低槽合并加深。槽后位于里海附近的脊与欧洲脊合并后向北发展。之后随着该脊不断发展东移，脊前冷空气推动西西伯利亚低槽东移南下进入新疆，造成这次寒潮过程。

2.3 地面气压场

从地面气压形势演变（图1d，1e，1f）可以看出，2014年4月21日08：00，锋面气旋低涡在西西伯利亚，从气旋伸出的冷锋由西西伯利亚向西延伸至乌拉尔山中部。地面高压位于乌拉尔山南段。同时，新疆的塔里木盆地为上次冷空气入侵残存的高压。4月22日08：00冷锋已经快速东移南下到中亚的里海至巴尔喀什湖一带，冷高压位于哈萨克丘陵，中心强度达到1032 hPa。由于受到500 hPa槽前动力减压作用，新疆的准噶尔盆地和塔里木盆地气压迅速降低，形成低压。4月23日08：00，冷锋进入新疆北部的准噶尔盆地。高压中心位于巴尔喀什湖北侧，中心气压达到1040 hPa。同时塔里木盆地低压进一步加深，中心气压下降为996 hPa，地面温度升高。天山南北两侧反向的气压变化使得气压差进一步加大，差值达到44 hPa，同时温差也加大，在天山山脉北麓冷锋加强，由于天山的阻挡，冷空气在山前堆积，使得锋面在700 hPa以下高度移动缓慢，呈现准静止状态，时间达到6 h以上，进而形成天山准静止锋，在天山山脉南北两侧气压呈现南低北高的态势，在气压梯度力的作用下，冷空气经天山垭口翻山，风口风力达到极大值，在塔里木盆地形成强沙尘暴。

3 寒潮天气过程锋面系统演变特征

3.1 锋面系统位温和冷暖平流演变特征

图1 天气形势

锋面的经典定义由Bergen学派在20世纪20年代提出，认为锋面是冷暖气团之间的一个倾斜不连续截面，垂直于截面两侧除了气压外其他的气象要素都是不连续的。在本文中采用等位温（θ）密集倾斜区代表锋面的方法，这也符合锋面的经典定义。图2是沿图1d中的AB绿色线所做的西北东南向垂直剖面图，贯穿锋面和天山山脉。时间从2014年4 月 22 日 20：00—24 日 02：00，时间间隔 6 h 的等位温和冷暖平流演变。锋区用两条粗红实线表示，在锋区外，θ线为水平方向分布，垂直梯度较大，水平梯度很小；在锋区内等θ线呈垂直走向，垂直梯度很小，水平梯度却很大，与锋区外正好相反。22日20：00（图2a）代表锋面的等位温线密集带在巴尔喀什湖附近，锋面较宽，向西倾斜，高度达到400 hPa。锋区冷平流较强，越接近地面，冷平流越强。23日02：00（图 2b）当锋面接近天山，受天山山脉阻挡，山体以下，由于垂直于山体风速较小，而平行于山脉的温差也较小，因此，冷平流减弱。同时，锋面变窄变陡。23日14时700 hPa以下低层的冷空气通过准噶尔盆地的东部天山山脉与阿尔泰山山脉之间的开阔地以及天山的垭口进入河西走廊。但在沿天山一带，冷锋却停留在山前位置静止少动，形成天山准静止锋。

3.2 锋面系统温度梯度演变特征

在中国的江淮流域和华南地区冷暖气团移动的势力旗鼓相当，进而形成稳定少动的准静止锋。中亚是寒潮强冷空气爆发关键区，北疆是重要通道，每当冷空气入侵，强度较大，移动速度快，缺乏同等势力的暖气团与冷气团对抗进而形成准静止锋，只能是像天山这样高大陡峭而且横亘千里的地形阻拦而成。为此，取温度梯度矢量的模绘图。

3.2.1 温度梯度水平演变特征

图2 垂直剖面锋面位温和冷暖平流特征演变

从 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h海平面气压和温度梯度演变（图3）上可见，22日20：00当冷高压中心位于咸海北侧，冷高压范围东西方向从乌拉尔山南部一直延伸到了西西伯利亚，冷高压携带的冷空气东移南下的前锋已经到了中国新疆北疆边境线至哈萨克丘陵一带，在此区域，温度梯度出现大值区，呈带状分布，主要位于巴尔喀什湖到西伯利亚，在冷高压与气旋低压之间，和冷锋位置走向一致。同时在天山山脉西段也有一个温度梯度大值区，主要是塔里木盆地低压发展，天山两侧温差增大，产生温度梯度。温度梯度最大值区域的分布与冷锋锋面一致，因此，可以用温度梯度的这个物理量的大值区来追踪冷锋锋面的演变。冷锋的较北段位于巴尔喀什湖到哈萨克丘陵一线时，南段到达中亚南部。之后冷空气率先进入伊犁河谷，而伊犁河谷北部的冷空气翻越塔城盆地东侧的阿拉陶山和萨乌尔山进入准噶尔盆地，从锋面走向可以看到南段锋面呈东西向与天山平行，位于准噶尔盆地的北段为南北向，与冷高压等压线平行，温度梯度的大值区的分布亦如此。23日08：00，位于哈萨克丘陵的冷锋北段由于没有地形阻挡一直东移。进入准噶尔盆地的冷锋在东移过程中遇到东天山的博格达山峰和阿勒泰山阻拦，移动速度减缓。而冷锋南段停留在天山北坡，位置少动，在天山山区维持了24 h，呈现准静止状态，形成天山准静止锋。可以看到从22日20：00—23日20：00，在天山山脉北麓一致维持温度梯度的大值区，呈现准静止状态维持了24 h。从温度梯度的分布和演变来看，天山准静止锋是客观存在的。

3.2.3 温度梯度垂直剖面演变特征

沿图1d新疆到乌拉尔山中段做垂直剖面，贯穿锋面和天山山脉。2014年4月22日20：00—24日02：00每隔6 h的温度梯度垂直剖面演变图（图4）上，22日20：00温度梯度大值区与代表锋面的位温密集区宽度一致，高度达到700 hPa。6 h后的23日02：00，随着锋面接近天山，等θ线密集区变窄，温度梯度大值区也变窄，高度伸展到了500 hPa。23日08：00时冷锋到达天山，受天山大地形影响，在等位温剖面图上，等θ线与水平线的夹角变大，说明冷锋增强，变窄，呈近似垂直状态。同时，温度梯度进一步增大，高度可达400 hPa。当冷锋进一步东移南压，温度梯度大值区维持在天山山脉，位置少动。23日08：00时冷锋到达天山，受山体阻挡，温度梯度达到最大值，形成天山准静止锋。之后尽管天山静止锋仍然维持，但冷空气的前锋已进入河西走廊。温度梯度最大区域变宽，扩展到青藏高原。

图3 地面海平面气压和温度梯度

4 寒潮天气过程锋面系统锋生函数

锋生是指锋区内温度或位温梯度增强的运动过程，通常定义锋生函数为：

引进矢量Q，其定义为：

上述（5）式表示锋生函数是Q矢量与位温梯度的点乘，采用这样的表达式有一个好处就是可以用天气学常用的Q矢量来计算锋生函数F。当F＞0时锋生；F＜0时锋消。

4.1 锋生函数水平演变特征

图4 温度梯度的垂直剖面

图5 地面锋生函数

从 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的地面锋生函数F演变（图5）可见，22日20：00，冷高压较南段的冷空气到达中亚南部，遇到西天山和帕米尔高原，加之塔里木盆地的热低压发展，使得西段天山两侧位温梯度增大，这里锋生函数F为正，发生锋生。之后冷空气率先进入伊犁河谷，中天山山脉和锋生函数也为正值，并且维持少动，呈现准静止状态。23日08：00，随着冷空气进入准噶尔盆地，锋生函数F沿天山均为正值，位置少动，整个天山形成准静止锋。

4.2 锋生函数垂直剖面演变特征

2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的沿图1d的A-B连线的绿色实线做垂直剖面，在垂直方向展示锋生函数F演变。22日20：00在天山的南坡由于热力因素温度梯度加大，相应的位温梯度也增大，F为正值，此时锋生。23日02：00，当冷锋接近天山，在天山北坡由于降温使得南北两侧温差增大，进而使得位温的梯度进一步增大，F为正值，此时锋生。23日08：00冷锋到达天山，位温梯度达到最大值，锋生也最强。23日14：00，不仅天山山区锋生，而且天山山体上空的大气层均形成窄而且陡峭的锋生区，高度到达400 hPa。

5 结论

2014年4月22日新疆地区经历了一次以强降温，局部地区强降水，风口风力达到12级，南疆发生强沙尘暴的寒潮天气过程。分析本次寒潮天气过程发生时的环流形势和冷锋系统的演变特征，结论如下：

⑴500 hPa偏东位置的欧洲脊在暖平流的作用下快速发展；受其影响，西西伯利亚低槽东移加强，脊前冷空气不断南下堆积，低槽加深发展。随着欧洲脊向东南方向移东，与南支的里海脊叠加，推动西西伯利亚低槽迅速东移南下影响新疆；与此同时，在西伯利亚锋面气旋发展旺盛，地面冷高逐步东移，冷空气在入侵新疆的关键区堆积，形成强大的冷高压，同时形成冷锋。随着冷空气的进一步东移，天山南北两侧气压梯度和温度梯度增大，冷锋在天山北侧加强，位置少动维持24 h，形成天山准静止锋。

图6 锋生函数垂直剖面

（2）在横贯冷锋和天山山脉的西北东南向的垂直剖面上，冷锋表现为等位温线密集分布带。巴尔喀什湖附近地形平坦，锋面向后倾斜明显，与地面夹角为锐角。当接近天山，受大地形影响，冷锋变强变窄，温度梯度增强。当冷锋到达天山山区，山体上空均为窄而陡峭的锋生区，高度达到400 hPa。冷锋近似垂直状态，位置维持少动形成天山准静止锋面。当其进一步东移，低层受到天山山体阻挡，移动受阻，高层越过天山，锋面在高低层一分为二，呈现断裂状态。