局地低温过程的特征分析及思考

刘 凯，林 卉，卜清军，王 迪

(1. 山东首信项目管理有限公司 山东德州253000；2. 天津市滨海新区气象局 天津300457)

0 引 言

2018年1月24日，受强冷空气影响，天津市出现了低温天气，最低气温出现在北辰区。这场低温天气强度大，持续时间长，低温期间北辰区日最高气温在-2.1～5.9℃之间，日最低气温在-5.9～-19.8℃之间。受低温影响，城区供水设施自来水管、水表冻坏破裂漏水；医院心血管呼吸道疾病人数明显增加，给人民生活带来了不便。其次，低温也是严重的农业灾害之一，因冻害死苗导致粮食减产。可见，进一步加强低温天气过程的特征分析，不断提高低温灾害的预报和预警能力，对保障国民经济和人民生命财产有着十分重要的现实意义。

低温作为一种灾害性天气现象近年来受到广泛关注。低温通常是由于冷空气侵入形成的，并具有较强的地域性特征。通过对我国各地低温的气候特征和环流背景进行研究，发现不同地区低温过程的气候规律及大尺度背景条件有明显的差异，有人认为区域性极端低温事件发生频次较高的纬度带主要位于32°N和42°N附近；还有人对安徽省近50年极端低温事件的变化特征和季节性差异进行分析，认为极端低温事件的变化特征具有明显的季节性差异，各极端低温事件均表现为冬季最多、春秋次之，夏季最少的季节特征。

近年来，尽管人们对低温落区采用不同模式进行了研究，但由于低温天气过程的成因十分复杂，低温的形成往往同时受到特定的地理条件、特殊的天气背景以及大气边界层多种热力和动力因子的综合影响，要深化对低温落区过程的特征分析，不断提高低温落区天气的预报水平，仍需要进行大量深入细致的研究工作。

本文采用天津市13个国家级地面台站同一时间不同地点的地面气象观测资料，通过对北辰区2018年1月24日为全市低温之首过程的大尺度背景分析，以及动力和热力要素的时空特征及其变化趋势等方面的计算，以期揭示本次低温落区天气形成的原因。

1 低温落区过程及大尺度天气背景

2018年1月24日，北辰区出现了全市范围内最低的一次低温天气。表1是1月24日全市国家级各台站监测到的低温数据，可以看到，低温主要分布在北部地区，从极值落区看极端最低气温落区出现在北辰区，数值为-19.8℃。

表1 2018年1月24日全市13个国家级台站最低气温统计表Tab.1 Minimum temperature statistics of 13 national stations on January 24，2018

表2 是全市13个国家级台站个别气象要素1月份月统计资料。

从北风出现回数月合计看，北辰区出现62次，西青区出现125次，北辰区出现回数只有西青的1/2，但西青区的北风在强冷空气来临前是不连续的(下文有曲线图描述)，也就是说23日西青区没有长时间一致性的北风出现，而北辰区自动观测10 min平均风向自22日23时至23日05时连续7 h为北风，在此出现了北风的一致性，说明北辰区是冷空气的最有利入口。

表2 全市13个国家级台站个别气象要素1月份月统计资料Tab.2 Monthly statistics of individual meteorological elements of 13 national stations in January，2018

从静风出现回数月合计及频率看，北辰区静风回数64次，频率为9%，远远高于全市其他台站，静风频率高不利于热量交换，使得冷空气稳定维持。

从上旬、中旬最低平均气温-8.0℃和-9.7℃看，北辰区气温位于全市最低或次低值区内，由此可见北辰区的基础温度本来就是处在低值区，所以后面强冷空气的出现使得气温叠加下降。

从上、中旬14时平均水汽压1.7 mPa和2.5 mPa来看，北辰区湿度位于全市低值区内，并且也是全月低值区。在大寒季节中，湿度越小，温度越低，也就是人们常说的干冷空气。如果湿度稍大，温度就不会那么低，因为水汽遇冷凝结会释放潜热的。

从前面这些数据可以看出，北辰区1月份气象条件为干冷气团主导，静风和北风的连续性为低温落区起到了助推作用。

图1 显示1月份北辰区本站气压值均维持在高位，月最高值1 041.7 mPa，月平均最高1 030.6 mPa，月内出现了3次冷高压过程，分别在3日A点1 041.7 mPa，11日B点1 038.9 mPa，25日C点1 040.7 mPa。对应冷高压出现的3次低温现象分别出现在6日A′点-11.5℃，12日B′点-13.1℃，24日C′点-19.8℃。从曲线图上看出，低温总是出现在高压附近，6日、12日两次低温出现在冷高压之后，24日的低温出现在冷高压之前，原因是22日至23日出现了一股冷空气，22日23时至23日05时连续7个小时正北风，23日日最大风速6.7 m/s(北风)，日极大风速11.9 m/s(北风)，因此最低值出现在冷高压之前。1月份北辰区冷高压的频繁造访带来了冷空气的叠加，所以，北辰区气温接二连三下挫，由此可见，北辰区降温贡献率最大的应该是冷高压。

在北辰区自动观测10 min平均风向风速观测资料中(图2—图4)，3日07时至14时连续8个小时，4日03时至10时连续8个小时；22日23时至23日05时连续7个小时，这3个时段内风向一致性为正北风，这是其他台站没有的。俗话说：东风送湿，西风送干，南风送暖，北风送寒，冷空气的不断补充，加剧了北辰区低温落区的迅速形成。

2 低温的基本特征

在1月地面气象记录月报表资料上清晰显示，这场低温的强度很强，低温维持了8 d。

低温发生前，本站气压有年极值出现并且维持在高位，出现了长达8 h连续性的正北风，有长时间正北风向的辐合，气温跌宕起伏，不断有冷空气补充，使得日最低气温连创新低。

低温发生时，华北地区出现了首场降雪后的积雪，天津地区积雪深度最大为9 cm，最长积雪时间10 d，低温出现在冷高压附近，在此期间由于积雪融化吸热，气温叠加下降，日最高气温在-2.1～-5.9℃之间，日最低气温在-5.9℃至-19.8℃之间，天气十分寒冷。

低温发生后，本站气压值呈缓慢下降趋势，气温随着本站气压的降低而升高。

3 低温过程形成和维持机制分析

3.1 风向风速的作用

为了分析本次低温过程中风向、风速的作用，首先采用定性的方法来描述。选取全市13个国家级台站低温前期22日14时至23日14时自动观测10 min平均风向、风速，再制作时间演变图(图5—图17)。

以上各图中风向风速逐小时变化曲线表明，13个国家级台站中只有北辰区22～23日明显出现了长时间较大风速的北风连续性。可见，温度的变化清楚表明风向、风速的作用对本次低温过程具有明显的触发作用。

3.2 低温稳定性层结的建立

从北辰区1月本站气压3次极值看，1月3日出现了月最高值1 041.7 mPa，1月25日出现了月次高值1 040.7 mPa，1月11日出现了月第3高值1 038.9 mPa，3次极值分别分布在上旬、中旬、下旬，使得冷高压一直在高位运行。

从13个国家级台站1月上旬、中旬平均最低气温对比看出，北辰区处在全市低值区中，基础温度低加上冷高压频繁造访，形成冷空气在此堆积，北辰区的气温接二连三下挫(表3)。

表3 全市国家级各台站1月上、中旬最低平均气温统计Tab.3 Minimum average temperature statistics of Tianjin City’s national stations in early and mid-January

3.3 常规地面气象要素的跳变

低温极值出现前的征兆，22日21时至22时1 h升压0.8 mPa，22日21时至22时1 h降温2.4℃，22日23时至24时1 h水汽压下降1.5 mPa，22日23时至24时1 h相对湿度下降52%，22日23时至24时1 h露点温度下降12.8℃，22日21时为西南风1.9 m/s，22时为北东北风0.4 m/s，23时为北风3.1 m/s，出现了风向和风速的不连续。以上这些要素的跳变可以称得上是气象要素内部一致性的表现，也是北辰区与众不同之处，说明大气边界层将有强烈扰动发生，从这些数据的变化趋势看，十分有利于低温的形成。可见气象要素的跳变是预示灾害性天气来临的警告(图18—图23)。

3.4 低温消散的动力因子

在低温过程最后阶段，随着大气压强的逐步降低，地面冷高压明显减弱。26日、27日极大风向也有了改变，转为西南风向，由于风向的改变，气温出现了回升使得持续8 d的低温天气终于结束(表4)。

表4 北辰区1月21日至28日个别要素统计Tab.4 Individual element statistics from 21 to 28 January in Beichen District

4 结 论

本文采用全市13个国家级台站地面气象观测资料，对2018年1月24日北辰区一次低温为全市之首过程进行了分析，通过对本次过程动力和热力特征的深入分析揭示了其成因和维持机制，分析表明：

①地面冷高压不断加强及水汽压、露点温度不断创新低为低温落区过程提供了良好的背景条件。此外，在上旬6日21时至7日09时连续10个小时自动观测10 min平均风向、风速为静风，全月静风月合计64次为全市之首，高频率的静风有利于地面冷高压的稳定维持。

②过程期间地面气象常规观测数据都出现了明显的跳变现象，22日21时至22时本站气压上升0.8 mPa，22日21时至22时气温下降2.4℃，22日23时至24时水汽压下降1.5 mPa，22日23时至24时相对湿度下降52%，22日23时至24时露点温度下降12.8℃，22日21时至22时风向由西南风转为北东北风，气象要素值出现了不连续。低温结束后，数据的不连续现象只出现在个别要素值而不具普遍性，并且跳变数值不明显。因此，当观测数据出现打破常规的跳变现象时，就是对大气环流将要发生改变流向的预警。

③22日23时至23日05时连续7个小时正北风，对这次低温落区过程具有重要的触发和加强作用，北风属于干冷空气，干空气有利于蒸发，蒸发是吸热过程，22日北辰有降雪3.5 mm，22日至25日有积雪，最大雪深5 cm。因此，使气温叠加下挫。随着26日最大风向改变为西南风，积雪消融，气温升高，驱使地面冷高压解体，低温过程结束。■