南京地区一次罕见锋前增温天气过程分析

2021-04-17张子仪李国翠

绿色科技 2021年6期

张子仪，李国翠

(1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京 210044；2.石家庄市气象局，河北石家庄 050081)

1 引言

冷锋过境引起的天气变化常常带来较为激烈的天气现象，如大范围的大风、降温及降水[1]。而锋前增温指冷空气到来之前，冷锋前部由于受暖湿气流控制，随着冷锋逼近,冷空气把原来占主导地位的暖气团迅速挤压到狭窄区域聚集增温的现象[2]；另外，冷空气到来之前一般吹偏南风，也会加剧大气升温变暖。观测已经表明冷锋过境时会出现气温突变、锋前增温幅度极大而过境后迅速降温的现象[3,4]。

从垂直运动方面，冷锋产生的较强的阵风可能导致上层暖空气向下输送，从而形成近地面夜间增温事件[5]。罗然等[6]指出，北京一次锋前夜间强增温事件是高原高位温空气强迫下沉到边界层后加之湍流混合运动导致的低层增温；甘茹蕙等[7]通过定性分析得知，伴随冷锋产生的阵风增强导致上层暖空气向下运动与夜间增温有关。二者都反映了暖空气由高层向低层的输送和下沉作用对于增温的重要性。而非绝热加热在增降温过程中也可以起到显著贡献作用[8,9]。前者分析的暴雪过程中强降温是由于非绝热加热中的固态水相变吸收热量引起；后者得出冷锋逼近的非绝热加热对增温贡献超过100%的结果。而某些地区局地温度变化是由温度平流和垂直上升运动的共同作用引起[10]。

2020年11月中旬冷锋和冷锋伴随的气旋活动影响范围较广，在南京地区表现为大幅度的增温，实时最高温超过了28 ℃，同期近50年来罕见。国内学者多从大尺度角度研究冷空气和增暖现象，而对于局地突发性增温研究不多，为探究锋前增温的原因和增暖的机理，选用热力学一级能量方程，从垂直运动下沉增温、非绝热加热和暖平流三项[11]，对南京地区(118.35°N～119.23°N，31.24°E～32.61°E)11月17～18日的增温过程进行定量诊断分析，比较强下沉运动亦或非绝热加热、暖平流作用对于锋前增温贡献因子的大小，确定起主导作用的因子，再结合天气形势找出主要的影响系统，对更好的研究冬季冷锋形成，并对气温突变事件做出预报十分有益。

2 资料和方法

3 过程观测特征

选取南京地区(118.5°E，31.5°N)为代表点，绘制15日至19日的气温和位势高度时间序列。由图1，得当地气温整体呈现出先升后降的形势：15日至18日气温呈现波动上升的状态，日最高气温逐日上升，15日的日最高气温接近20 ℃，18日的最高温度已升至27.5 ℃，代表冷锋前暖气团逐渐控制华东地区；而18日起气温开始骤跌，平均降温幅度达到了5°/d，到19日最高气温已经跌至17 ℃。同时，日平均气温也符合先升高再降低的趋势。

从1000 hPa(海平面)位势高度也可以看出，温度与位势呈现出负相关关系，位势高度由15日的最高值21 dagpm下降到18日08时的5 dagpm，位势最低值对应有温度的最大值，表明低气压和锋前暖空气占据南京地区；19日02时位势已超过12 dagpm，表明冷锋过境后锋后冷平流的侵袭和冷气团来临。而后两天内位势整体呈现出攀升趋势，位势高度上升速率较前期加大，本地已受锋后冷高压控制。

图1 2020年11月15日～19日南京地面气温、位势高度变化

4 环流形势

17日08时，从500 hPa形势(图2a)来看，我国中南部有大的低槽，东部整体处于高空槽前的正涡度平流区，带来辐散，有利于低层上升运动，气旋发展；南京受副热带高压北侧控制，槽前西南侧和副热带高压西侧的气流共同作用，西南暖湿气流进一步加强并输送水汽，引起湿度加大，为降水提供充足的水汽条件，同时提供大量暖平流。850 hPa图上对应华北地区已经可以看到闭合的等压线，为低压中心，低层暖锋北抬，温度场落后于高度场，存在较强暖平流，利于气旋东移。同时地面气旋前部减压，后部加压，所以气旋一面快速东移，一面在高空涡度平流作用下快速发展。由于我国东部和南部位于暖锋后部冷锋前部，处于温度的高值区，由于锋前的增温作用，气温进一步升高，介于18～28 ℃。

图2 500 hPa环流形势图(单位：dagpm)

18日500 hPa上温压场仍呈现温度场落后于高度场的西倾配置，低槽在冷平流作用下进一步加深，同时槽前带来的强暖平流作用更为明显，南支槽东移北抬，输送大量暖湿气流。850 hPa上闭合低压中心后部，我国中部可见强冷平流区，为明显冷锋锋区；而南京地区对应为锋前暖区，低层气旋明显发展，暖湿气流更显著，形成了多年以来最大幅度的增温现象。此后冷锋南压，南京经历冷锋过境，转为锋后冷空气控制，温度剧降。

4 增温因子分析

4.1 垂直速度分析

图3a中，本次以南京站所在纬线(31.5°N)作18日02时的垂直速度和温度叠加垂直剖面图，可见115°E～120°E存在温度的极大值中心，说明增温的来临；可以看到，在116°E附近存在一强下沉中心，中心数值超过1.4 Pa/s，在850 hPa最为明显，从地面一直延伸到对流

图3 垂直速度剖面图(单位：Pa/s)

层中层500 hPa；而水平范围内这一强下沉区域自115.5°E延伸至118°E，由此可以看出南京地区(118.5°E)的强增温过程受下沉运动影响很小，因而本次增温不是由高层空气的下沉运动带来的；而其西侧温度变化是由于绝热下沉运动带来的增温效应，该区域的温度变化会通过其它形式如温度平流等间接影响南京局地气温。

从图3b中可以更清晰地看出南京局地垂直速度随时间分布的变化图，低层一直没有明显的下沉运动，在18日剧烈增温前南京地区还有弱的上升运动，中心为-0.4 Pa/s。已知上升运动会带来局地降温冷却，由此也可以说明本次增温过程中垂直运动没有正贡献，相反产生了负贡献，不是增温的主要因子。

5.2 散度分析

分析散度图(图4，散度已放大105倍)，16日至17日低层以辐散为主，但平均绝对值不大，对应有微弱的下沉运动；17日12时至18日强增温来临前的一小段时间内925 hPa有低层的辐合中心，数值达到了-5×10-5s-1，对应中层600 hPa左右的辐散中心，可见温度升高气柱膨胀，由辐合辐散机制也可以看出对应的上升运动，垂直方向上起到了降温的作用。

图4 2020年11月16日～19日散度图(单位：s-1)

5.3 温度平流分析

绘制11月17日20时、18日02时和08时华东地区温度平流图(图5，已放大105倍)，可以看出本次地面冷锋发展过程中锋后狭长的强烈冷平流区和锋前显著的暖平流区，其中冷锋后方冷平流范围不断南北向延伸，由于高空槽加深，槽后冷平流入侵，冷平流区随东北气旋发展而东移，中心强度大，可达-50；锋前暖平流区分布较为集中，多在华东沿海，且有包括南京地区在内的多个极大值区，中心数值均超过10。可见暖平流在此次增温过程中的重要性。由前文分析，暖平流是由西南暖湿气流，南支槽北抬带来的，槽前环流形势为华东地区输送了大量西南的暖空气。

图5 中国东部温度平流图(单位：K/s)

6 贡献项定性分析

以上为增温因子的定性估计，而准确得出包括非绝热加热、温度平流和垂直运动项各个因子的贡献率还需要进行定量计算。通过选取2020年11月16日14时至17日08时，17日14时至18日08时两个时段的垂直速度、温度、水平风速等物理量计算三项各项大小，从而确定它们分别在两时段增温过程中所占比重。

已知温度平流和垂直运动项的大小，而非绝热加热包括地面长波辐射、太阳短波辐射、水汽相变潜热、液态水温度变化和地面和大气间的湍流热量交换、水汽通量等等，定量观测和计算有一定困难；因而由局地温度变化减去温度平流和垂直运动项得出非绝热加热项大小。从各个贡献项在16日至18日定量随时间变化图中可以看出，温度平流项在增温过程中变化较为平缓，平均有正贡献；垂直加热项先有正贡献，而后呈现明显的负贡献，绝对值较大；非绝热加热项贡献大小在零线附近波动，但总体正贡献围绕的面积大于负贡献。

计算两时段内各项的平均贡献值，将结果乘105，得到表1，可以看出二时段较一时段局地增温率更大。由于增温时段内垂直方向平均为上升运动，因而垂直运动项两日均为负贡献，二时段内负贡献尤其明显；同时，温度平流项均呈现出超过100%的正贡献，它是两日内促使增温的主要因素；二时段中非绝热加热项也十分明显，甚至贡献率大于温度平流项，可见它也是使得17日至18日增温的主要因子。已知暖平流是由于850 hPa西南气流输送引起，而非绝热加热与冷空气把原来占主导地位的暖气团迅速挤压到狭窄区域聚集增温的现象有关。也是使得17日至18日增温的主要因子。已知暖平流是由于850hPa西南气流输送引起，而绝热加热与冷空气把原来占主导地位的暖气团迅速挤压到狭窄区域聚集增温的现象有关。