2018年华北寒潮天气的强降温及大风分析

王万筠，卢焕珍，卜清军，殷海涛

(1.天津市滨海新区气象局 天津300457；2.天津市气象台 天津300074)

0 引 言

寒潮多指冬半年来自极地或高纬度地区的寒冷空气向低纬度地区侵袭的过程，常伴有雨雪和大风天气，对交通、电力以及畜牧业和农业都有很大影响。在全球变暖的气候背景下，有研究表明[1-2]北半球低温事件频发。谢韶青等[2]研究了近 16年来欧亚大陆中纬度地区低温事件频发的原因后指出，1998年以来冬季西伯利亚高压增强并向西北扩展，伴随着欧亚大陆中纬度地区冬季北风增强，西风减弱，寒潮事件频发且持续时间增长。段立瑶等[3]对环渤海地区寒潮时空分布及变化特征进行了分析，指出：在气候变暖背景下，环渤海地区区域寒潮次数明显减少，但特强寒潮即极端寒潮事件并未减少。2018年初春华北地区气温骤降，连续 2d出现了寒潮天气，部分地区达到强寒潮的等级。

很多专家在寒潮的冷空气源地、路径、寒潮中短期环流演变形势特征及影响系统等方面进行了很多深入的研究[4-8]。近年来，湿位涡作为综合反映大气动力、热力和水汽作用的物理量，也被广泛应用到暴雪以及冷空气的分析中[9-13]，并得到了许多有价值的结论。王丽等[9]应用湿位涡理论分析了湖北省一次罕见寒潮天气，发现湿位涡斜压项的时空演变和强冷空气的发展、移动、气温陡降有很好的对应关系。陆尔等[10]根据位涡分析揭示出 1991年 5～7月冷空气主要从北方或东北方南下，从大气低层进入我国江淮流域。纪策等[11]在分析昌吉地区一次春季强寒潮的强降温成因中，利用等熵面上的高位涡带来揭示强冷空气的发展和移动。

2018年4月2～4日华北地区气温骤降，大部分地区连续2d出现了24h内最低气温下降8℃以上，部分地区最低气温降幅达到 12℃以上，伴有雨雪和大风天气。按照冷空气等级国家标准(GB/T 20484—2006)，此次华北地区的强降温达到了寒潮的标准。多地出现晚霜冻以及低温冻害，造成果树及农作物等大面积减产或绝收。河北省部分地区的一些企业厂房和村民牛棚、鸡舍、猪棚等被雪压塌，部分房屋倒塌或严重受损，经济损失达 3亿元以上。山西省受低温冻害及雪灾影响，经济损失也达 3亿元以上，其中山西省古县一地 1.53万 hm2核桃减产 90%以上，0.067万 hm2小麦、0.027万 hm2中药材、0.027万hm2油用牡丹受到轻微冻害，67余hm2苹果等果树几乎绝收。此次寒潮天气过程降温幅度大，影响范围广，受灾严重。

在初春季节出现如此大范围的寒潮乃至强寒潮天气，极为少见。本文利用常规天气观测资料、NCEP再分析资料(水平分辨率 1°×1°)，分析了此次强寒潮过程的环流形势，进行了物理量诊断，并利用湿位涡理论分析了强降温和大风的原因。希望对今后寒潮过程的准确预报、预警和防灾减灾提供一些参考。

1 天气实况及形势分析

1.1 天气实况

图1 最低气温24小时变化和24小时内的大风区(17.2m/s以上)Fig.1 24-hour variation of minimum temperature and high wind(17.2m/s or more)area within 24hours

此次华北地区的寒潮天气过程气温骤降，24h降温幅度大，且连续 2d的降温幅度都达到了寒潮的标准。从 4月 2日至 3日最低气温的 24h变化图(图1a)中可以看到，华北西北部 24h最低气温已经出现了大于 10℃的降温，最低气温在-4～-8℃，达到了寒潮的标准(GB/T 20484—2006)。部分地区最低气温的降温幅度在 10℃以上，达到了强寒潮的标准。其中最强降温出现在内蒙古太仆寺旗，最低气温变温达到 17℃。3～4日降温持续(如图1b)，此时华北中东部的大部分地区 24h最低气温下降 8℃以上，大部分地区最低气温降至 4℃以下。部分地区强降温在 10℃以上，河北省中部固安、雄县甚至降温达到 12℃，天津市降温也达到 11℃。选取天津北辰、河北固安、河北雄县小时气温变化曲线来分析此次寒潮天气的气温演变过程(如图1c)，降温由 2日08:00一直持续到 3日 22:00，从 2日白天最高气温接近 30℃一直降至 3日凌晨最低气温降至 0℃以下，最高最低气温之间的日变化幅度达 30℃左右。过程中降温幅度较大的分为2个时段，一是2日白天10:00～16:00，二是 3日 06:00～20:00。此外一直到5日，华北地区气温都维持在10℃以下。冷空气在影响了我国东部大部分地区的同时，自北向南多地出现了8级以上的大风(图1a，1b)。

此次寒潮天气影响范围大，强度强，低温持续影响时间长，降温的同时还出现了雨雪大风的灾害性天气。本文对此次寒潮的极端性进行了初步探讨，希望对今后华北地区寒潮过程的准确预报能够提供一些定量化参考。

1.2 天气形势

图2 500hPa高度场(单位：dagpm)和温度场(阴影，单位：℃)：4月2日20:00高度场(单位：dagpm)、温度场(阴影，单位：℃)及风场(单位：m·s-1)：Fig.2 Geopotential height(unit：dagpm)and temperature field(shadow，unit：℃)at 500hPa：

寒潮爆发前 500hPa(图略)上，极涡在亚洲地区的冷中心位于萨彦岭，冷中心值为-48℃。2日 20:00(图2a)系统东移南下的过程中处于萨彦岭至贝加尔湖地区的下坡地形，冷空气南下东移中有所加强。3日 08:00(图2b)中心值加强为-52℃，在鄂霍次克海地区形成闭合的冷涡。极涡在泰梅尔半岛附近，中心略有减弱，而位置少动。在极涡和冷涡之间，萨彦岭以东形成弱脊。冷涡向西南方向伸展出横槽。此时的温度槽明显落后于高度槽。槽后的偏北气流引导冷空气向南爆发。700hPa冷中心达到-32℃，850hPa达到-24℃(图2c、2d)。与天气学原理中所提到的典型寒潮过程冷中心的强度相比，此次过程仅500hPa和 700hPa冷中心的强度达到了寒潮爆发的标准，850hPa冷中心的强度没有达到华北地区常见的寒潮天气爆发阈值。在实际预报中，常使用850hPa变温来预报强降温事件。在 2日 20:00 850hPa温度在京津地区很高，达到 15℃，至 3日20:00，气温降至-3℃(图略)。850hPa的24h变温达到18℃，可以预报出地面将有8～10℃的降温。

但是 4日 20时(图略)，850hPa温度为-7℃，3～4日24h变温仅有4℃，而在实际预报中，也出现了华北东部寒潮的漏报情况。

地面图中，2日 20:00(图2e)地面冷高压中心位于贝加尔湖以西，中心强度为 1040hPa，与天气学原理中提到的典型寒潮过程相比，并没有特别强。我国东部为低压控制，东北地区以北以及华北地区东部分别有低压中心。高低压中间等值线非常密集。高压前沿的冷锋锋面大致由东北地区东部经渤海延伸至我国河套地区。3日 08:00(图2f)地面冷高压中心东移南下，其东移12个经度左右，但南下不足5个纬度。冷空气南下受阻，主要是因为其南侧低压倒槽影响。冷空气东移后以回流形势影响华北地区中东部，是典型的降雪天气形势。但是由于冷锋的移动较为缓慢，而容易忽视寒潮天气的发生。

因此仅从天气形势场上，无法判断此次寒潮过程的强度，在预报方面还需要结合其他的条件进行进一步分析。

2 强降温以及强风成因

根据朱乾根等著《天气学原理和方法》，局地的温度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；非绝热因子包括辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响。从天津单站的温度变化曲线(图1c)上可以看到，降温主要发生在 2日～3日，过程中降温幅度较大的分为 2个时段，一是 2日白天 10:00～16:00，二是3日06:00～20:00。尤其是3日白天的辐射增温并没能抵消降温的趋势。2日夜间至3日由于降雪天气影响，天空云量较多，不满足晴空辐射降温的条件。可见在此次降温过程中辐射的作用并不突出。

2.1 温度平流

4月1日20:00，850hPa冷平流区出现在内蒙边境，中心值超过-100×10-5℃/s，表明冷空气之强(图略)，冷平流呈带状分布。在高空偏北气流的引导下，强冷平流带向南移动。在 2日 08时(图3a)，京津地区出现暖平流，中心值为 20×10-5℃/s，在 2日全天华北地区东部都受此暖平流影响，出现了日最高气温接近 30℃。降温之前的升温，进一步加大了变温的幅度。同时冷暖平流之间等值线非常密集，密集带附近冷暖平流变化大，将会出现气温骤降，造成了 2日白天10:00至16:00较强幅度的降温。

2日 08:00冷平流在东北地区还维持了超过-100×10-5℃/s的中心值，在内蒙古中西部的冷平流中心有所减弱。3日 08:00(如图3b)东北地区的强冷平流区东移经渤海回流至华北东部，冷空气采取东路影响华北东部。另一股冷空气采取中路，经河套地区南下影响山西及河北西部。850hPa冷平流中心的位置变化，表明了冷空气的移动路径。两股冷空气在3日 08:00大范围影响我国中东部地区的时候，中心值仍能维持在-60×10-5℃/s。冷平流的出现，受日变化的影响较小，3日的全天平流维持了较长的时间，造成了 3日 06:00～20:00较强幅度的降温。一直到4日 14:00仍有-20×10-5℃/s的带状维持在华北地区。在天津预报员手册中提到，850hPa冷平流强度低于-10×10-5℃/s的区域与日最低气温下降幅度在10℃以上的区域大体一致。与之相比，本次过程中华北地区 850hPa冷平流中心数值低于-60×10-5℃/s，说明冷空气强度远远超过了历史过程中统计的阈值。

图3 850hPa温度平流(单位：℃/s)Fig.3 Temperature advection at 850hPa(unit：℃/s)

强冷平流影响了华北大部分地区，且维持了较长时间，是此次强降温的主要原因。而冷空气影响华北之前出现的暖平流中心，对应了华北在2日白天异常的高温。降温之前的升温，进一步加大了变温的幅度，使得这次强降温最终达到了寒潮的等级。

2.2 变压和气压梯度分析

冷空气影响的同时，多地出现 8级以上的大风。风场与气压场的关系，一般符合地转风、梯度风的原理。寒潮天气影响带来的大风，首先和寒潮地面冷高压密不可分。在此次寒潮天气的影响过程中，地面冷高压中心仅达到 1040hPa，与天气学原理中提到的典型寒潮过程相比，并没有特别强。但是地面仍然出现了大范围的大风。3日 08时，中国东部出现 19～23m/s的大风。从 3日 08时海平面气压场(图4)上可以看到，我国中东部地区海平面气压场出现北高南低的分布形势。内蒙以北为冷高压，而华中地区为低压。低压中心强度达到1010hPa。华北一带等压线非常密集，气压梯度大(26hPa/10个经纬距)，梯度风大。而地面变压场也可见，3日 08:00 24h变压在华北地区最大达到16～18hPa，而东北地区更是达到了20hPa以上，变压风在上述地区也很大。从 3h变压和大风天气区域的叠加来看，大风区主要发生在正变压中心，也有部分站点在中心区域以外，但仍分布在正变压区域之内。在梯度风和变压风的共同作用下，造成了大范围的大风天气。

图4 4月3日气压及变压分析图Fig.4 Pressure and Variable Pressure Analysis Chart on April 3

3 湿位涡诊断分析

吴国雄等[14-15]证明绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性，并在此基础上提出倾斜涡度发展理论。湿位涡综合表征了大气动力和热力属性。湿位涡分为正压项和斜压项两部分，其公式推导可参见文献[13]。MPV1为湿位涡的正压项，其值取决与空气块绝对涡度的垂直分量和相当位温垂直梯度的乘积。当大气为对流不稳定时，MPV1＜0；若大气为对流稳定时，MPV1＞0；MPV2是湿位涡的斜压项，它的数值由风的垂直切变和 θse的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性。风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加，均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。位涡的单位为 PVU，1PVU＝10-6m2/s·k·kg。王丽等[9]在湖北省一次罕见寒潮天气过程气温陡降分析中发现，湿位涡第二项湿斜压项的时空演变很好地描述了冷空气的发展、移动过程。大气斜压性强，则等压面上的等温线越密集，冷空气锋生越强，也会造成风力进一步加大。由于 MPV1绝对值往往比MPV2大 1～2个量级，所以 MPV的分布一般与MPV1一致。故可将湿位涡分为正压项和斜压项来分析，而不再分析MPV的分布。

3.1 湿位涡正压项分析

大气为对流稳定时，MPV1＞0，MPV1正值区标志着有稳定的干冷气团影响。在 2日 02:00 850hPa MPV1分布图上MPV1正值区位于内蒙古中部，中心值约为 5.2PVU。随后正值区由西向东移动至河北省西北部。在08:00～14:00 MPV1正值中心数值减小，京津地区 MPV1值为零。对应了 2日白天的降温并不是冷空气直接影响造成的，而是2日白天的异常增温所造成的温差较大。2日 20:00(图5a)上看到，850hPa有两个大值中心，分别位于河北西北部和辽宁西部。在京津地区出现负值中心。华北地区中东部MPV1正值中心和负值中心成对出现。在冷空气的前沿，由于锋区的抬升作用，会加剧不稳定的发生，造成了这种正负中心成对出现的现象。《天气学原理》中也提到，由于地转偏差风辐合辐散的作用，锋区附近形成垂直环流，这种锋区垂直环流的作用，使得风力进一步加大。MPV1的等值线在华北东部非常密集，而这个地区也恰恰是地面锋区所在位置。

MPV1的正值区往往会标志着较为稳定的冷空气。随后，辽宁西部的正值区向西南移动影响天津地区，而河北西北的正值区南下影响河北西部。MPV1正值区在一定程度上指示了冷空气及其移动的路径。3日 08:00～14:00(图5b)，MPV1正值中心由2日夜间的 1.5PVU增大到 5PVU以上，也说明了3日的冷空气强度再次加大，与华北地区3日的降温较为一致。4日 08:00后正值区减弱并移出华北地区，标志着冷空气对于华北地区的影响趋于结束。

图5 850hPaMPV1和MPV2分布图Fig.5 Distribution of MPV1 and MPV2 at 850hPa

3.2 湿位涡斜压项分析

MPV2 是湿位涡的斜压项，当 MPV2绝对值增大，大气斜压性加强。大气斜压性强，则等压面上的等温线越密集，冷空气锋生越强，也会造成风力进一步加大。在850hPaMPV2分布图上，4月2日8:00有带状的负值区中心值由0PVU降低至-2PVU。系统东移过程中，14:00带状负值区西南部明显减弱，东部东移至辽宁，中心再次加强到-2.8PVU。20:00(图5c)带状负值区南压，同时带状西部明显西伸至天津地区，中心仍维持在-2.6PVU。MPV2维持大的绝对值，说明大气斜压性强，则等压面上的等温线越密集，将同时刻的 MPV2图与海平面气压图相比(图5c与图2e相比)，带状的负值区走向大致与地面冷锋一致。将其与冷锋位置相比发现，负值区等压线密集带与地面冷锋的位置近似相同。同时20:00开始辽宁至河北北部一带出现大范围 17～19m/s的大风。3日14:00(图5d)，MPV2负值区南下影响河北省南部地区，其等值线密集带的前进方向一侧，同样诱发了17m/s以上的大风天气。4日08:00以后，MPV2大的负值区有所减弱，同时密集带消失，对比实况的大风区也同步消失。此次过程 MPV2负值区先东移后南下，可以清晰的描述冷空气采取东路，由辽宁西部经渤海影响华北东部地区的过程。其数值的增大及维持，标志着大风天气的产生。

3.3 湿位涡时间变化分析

利用站点附近单点的MPV1与MPV2的时间变化曲线与气温变化曲线进行对比分析，以北辰站为例(图5e)。MPV1有3个明显的波峰，而MPV2有3个明显的波谷，两者同步发生。MPV1的正值的增大标志着稳定的冷空气增强，而 MPV2绝对值增大代表了大气斜压性加强。

2日白天强降温时，MPV1与MPV2值均接近于0，是 2日白天的异常增温所造成的温差较大，而非强冷空气造成。MPV1与MPV2的3个锋值阶段，对应的气温曲线上，在 3h后均可以分析出气温的降温幅度更大。例如，2日 20:00开始 MPV1增大，而MPV2减小，在 3日 02:00达到锋值，北辰地区的气温一路下降，但仍可以分析出 3日 05:00～14:00的降温幅度更大。利用湿位涡来分析寒潮天气时，MPV1与 MPV2其值的跃增，预示了冷空气的影响，其提前量有3～6h。

4 结 论

本次寒潮天气过程发生的天气形势场是横槽下摆引导冷空气南下，高空冷中心较强，500hPa达到-52℃。地面上蒙古冷高压中心值达到 1040hPa。冷空气东移南下，影响我国东部地区。

此次过程的强降温的成因主要在于温度平流以及水汽凝结和蒸发的作用。850hPa冷平流区中心值超过-60×10-5℃/s，远超当地的历史阈值。强冷平流维持了较长时间，是此次强降温的主要原因。降温之前的升温，进一步加大了变温的幅度。使得这次强降温最终达到了寒潮的等级。

此次寒潮天气的影响过程中，地面冷高压中心仅达到 1040hPa，我国华北处于高低压中间，等压线非常密集，梯度风大。而地面 24h变压达到 20hPa以上，变压风在上述地区也很大。

MPV1正值区标志着有稳定的干冷气团影响，可以指示冷空气及其移动的路径。MPV2带状的负值区走向大致与地面冷锋一致，位置近似相同。此次过程MPV2负值区先东移后南下，可以清晰地描述冷空气采取东路，由辽宁西部经渤海影响华北东部地区的过程。当 MPV2绝对值增大，大气斜压性加强，标志了大风天气的产生。MPV1与 MPV2其值的跃增，预示了冷空气的影响，其提前量有3～6h。