春季一次强冷空气过程分析讨论

容娜

（克拉玛依市气象局，克拉玛依 834000）

0 引言

2019年5月中旬新疆北部出现了一次大范围寒潮天气，15—16日克拉玛依区域（后简称“克市辖区”）大部出现了9级以上大风（图1），区域站点最大瞬间风速为33.9 m/s。强风区位于克市辖区中部，中心城区及周边受影响较大。大风持续约8 h，而后各地转为降水。强降雨中心在克市辖区中南部，局部出现了暴雨。而后各地气温明显下降，48 h内最低气温下降8～10 ℃，部分站点最低气温达到0 ℃，出现了霜冻天气。针对这次过程，气象台发布了寒潮蓝色、暴雨蓝色、霜冻蓝色等预警信号。由于春季为春耕关键时期，此次强冷空气过程对农业生产影响较大。

此次春季寒潮过程存在预报难点，尤其是对其引发的灾害天气的特点、强度及量级的预报都需要仔细分析。且此次过程具有许多与以往典型寒潮中期过程分析的不同之处，如环流场上冷空气爆发阶段的表征不明显等，需要对其机理进行进一步分析。

已有学者在讨论寒潮天气时使用了等熵位涡法，得到了高值位涡中心的移动、强度变化与冷空气及低涡系统移动、暴雨落区等之间的联系。本文利用位涡理论，对此次春季寒潮的形成机理等其他主要特征进行讨论分析。

图1 2019年5月15—17日克拉玛依区域降水、大风天气情况（a）降水量（单位：mm）；（b）大风（单位：m/s）Fig.1 Precipitation and gale weathers in Karamay on 15－17 May 2019(a) precipitation (unit: mm); (b) gale (unit: m/s)

1 资料与方法

本文采用NCEP 1°×1°逐日（4次/日）再分析资料，时间为2019年5月14—17日。

根据等压面上位涡的分布，选取中层500 hPa和高层300 hPa两个层次，分析此次强冷空气活动的源地、移动路径，讨论位涡与克拉玛依市（简称“克市”）辖区强降水落区的关系。

2 环流形势概况

14日20时，500 hPa欧洲至中亚地区开始建立阻塞形势。乌拉尔山（后简称“乌山”）高压脊北伸至极地，脊前北风带不断加强引导冷空气南下，在西伯利亚堆积形成宽槽。高空西北锋区上有冷槽南压东移。冷空气爆发时，主影响槽的上游存在一赶槽。15日20时—16日08时，赶槽自乌山西侧快速南落推动冷槽加速南压进入北疆。同时，咸海处有低涡存在，与北方阻高形成了北暖南冷温度场结构，有利于将暖空气阻挡在高纬地区，低涡前部西南气流也有利于把水汽输送到中亚地区，为后期降水天气提供相应的水汽条件。

850 hPa温度场、高度场均为经向分布，乌山脊前北风与巴湖地区温度锋区相垂直，表明大气斜压性较强。北疆上空的冷平流十分强盛，西西伯利亚冷中心随北风引导气流不断南落。地面冷锋进入北疆西部，结合850 hPa温度场、风场发现，进入克市辖区的冷平流有2个路径，一支自塔城西方进入，另一支自阿勒泰北方偏东向进入，克拉玛依市辖区处于2支气流的辐合带上。

地面高压自高纬地区南落后转东南向进入中亚，15日14时—16日08时，地面系统移速较快，这一时段克市辖区出现了大风天气；16日08时—16日23时，地面系统位置少动，这一时段克市辖区出现了降水天气，故冷空气移速不同引发的天气也不同，系统停滞时有利于降水天气维持。冷锋位置变化在15日14时—17时最为明显，虽然此时该区域大部站点3小时变压仍为减压，但克市辖区大风天气已开始，说明冷锋移速加快比3小时变压更有利于指示克拉玛依市辖区的大风天气。15日20时冷锋锋面过境，此时克拉玛依市辖区各地风速达到了最强。

3 气候背景

2019年5月以来，克市辖区频繁受冷空气活动影响，月平均气温较气候值为偏低。1981—2010年5月500 hPa气候平均场中（图2a），在中纬度欧亚地区为纬向环流，等高线总体分布均匀，高纬地区为极地低压，里咸海为一浅槽，中亚为新疆浅脊，乌山西侧无偏北气流。而2019年5月原位于新疆的浅脊西移至咸海（图2b），并与欧洲北部脊叠加伸向高纬地区。从欧洲北部至东亚沿岸均以西北气流为主，有利于引导极地冷空气南下进入新疆，使冷空气活动增多。

图2 5月500 hPa气候平均位势高度场（a）1981—2010年；（b）2019年Fig. 2 500 hPa climate average geopotential height field in May(a) 1981—2010; (b) 2019

4 大气斜压性分析

NCEP再分析场更直观地表现出此次过程大气的斜压性质。500 hPa温度场经向分布明显强于风场，高纬地区有一强冷舌向南伸至中亚地区，且在宽槽区有2个低涡中心（图3a、3b），“互旋”作用加快了西西伯利亚低涡东移，也使中亚强冷舌快速进入北疆。随后冷舌强度减弱（图3c、3d），冷空气能量大量释放，中高纬大气的斜压有效位能向动能转化，北疆出现了大范围寒潮。

图3 2019年5月15—16日NCEP再分析资料场500 hPa温度场（阴影，单位：℃）、流场（矢量，单位：m/s）的叠加图（a）15日08时；（b）15日14时；（c）15日20时；（d）16日02时（实星为克拉玛依市辖区）Fig. 3 NCEP reanalysis data of 500 hPa temperature field (shadow, unit: ℃) and flow field (vector, unit: m/s)(a) 08:00 on 15 May; (b) 14:00 on 15 May; (c) 20:00 on 15 May; (d) 02:00 on 16 May 2019(The real star is the location of Karamay)

850 hPa中亚地区同样存在冷舌，表明冷空气较深厚。且克市辖区上空的底层风场发生了西北—东北风的转换，与实况天气对应，说明冷空气进入该区域时存在2支路径。而低层偏东路径的冷空气不仅加强了降温，也对降水天气有利，因为偏东气流易在低层与克拉玛依市辖区西缘的加依尔山脉形成迎风坡效应。该偏东气流与高层西风系统叠加，加大了垂直方向上切变，这种垂直方向上的纬向西风加速，有利于产生高层向北的地转偏差风与次级环流，激发上升运动，从而加强降水所需的抬升机制。

5 等压面上位涡与冷空气、降水落区的关系

5.1 位涡与冷空气强度、移动路径的关系

此次天气过程发生前期，高位涡中心位于乌山东部，中心强度为2.185 PVU，对应西西伯利亚冷涡。欧洲暖脊对应低位涡区，代表强盛暖空气向极地发展。

14日阻高脊前强西北气流带与高位涡中心配合（图4a），冷空气将向南侵袭。15日08时高位涡中心12 h南落5个纬度（图4b）。强风带由位涡后部西北风逐渐转为涡底西风，此时槽区底部内位涡梯度达到最强。偏北风减弱不利于高位涡继续南落，但里海附近有一弱高位涡中心，其分裂东移的速度非常快，每12 h约为10经度，在北疆上空与北部高位涡中心结合，进一步加快冷空气南落和东移，使强冷空气能迅速爆发。15—16日高位涡中心值减少了约0.5 PVU，这是造成新疆寒潮过程所释放的位涡能量。18日08时高位涡中心已东移南落至蒙古，受北支冷空气补充，位涡中心再次加强。

图4 2019年5月14—15日300 hPa位涡（等值线，单位：PVU）、风场（矢量，单位：m/s）的叠加图（a）14日20时；（b）15日08时Fig.4 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 300 hPa(a) 20:00 BT on 14 May; (b) 08:00 BT on 15 May 2019

5.2 位涡与降水落区关系

15日14时高位涡中心位于西西伯利亚，其底部为强梯度带，也是位涡高值中心轴线移动方向的右侧，同时存在强西风气流与之叠加，对应6 h后克拉玛依市辖区及准噶尔盆地有降雨中心，这与吴迪等分析结论一致。这是由于位涡高值中心移动轴线的右侧常为上升运动区，若此处有水汽通量辐合，则有利于产生降水天气。16日02—08时西风气流明显减弱（图5b、5c），对应6 h后降水强度减弱。由此看出，此次降水落区与位涡高值中心、辐合风场有一定的对应联系。

6 结论

1）此次天气具有较强斜压性，温度场经向分布强于高度场、风场。暖槽的快速南落推动冷槽加速南压。咸海低涡将北部的暖空气阻挡在高纬地区，其前部的西南气流为水汽输送到中亚地区提供了有利条件。

2）2019年5月500 hPa高空西北气流较强，易于高纬度冷空气南下影响新疆。此次过程高纬地区有一强冷舌直伸中亚，进一步加大了垂直风切变，诱发上升运动。

3）高纬地区强的高位涡中心南落、中亚弱的高位涡中心快速东移，两者合并进入北疆，进一步加快了强冷空气的南落和东移，使其能迅速爆发。在降水落区方面，高位涡区在新疆北国境线停滞，当高位涡中心移动轴线右侧与强西风气流在克市辖区上空叠加时，对应6 h后该地出现降雨落区中心。

大量研究结果对寒潮过程的环流系统分析已较为成熟，但仍存在地域差异及不同个例间差异，造成复杂天气的成因也各不相同。关于寒潮天气的分析仍需要更多个例来讨论完善。

图5 2019年5月15—16日500 hPa位涡（等值线，单位：PVU）、风场（矢量，单位：m/s）及之后6 h降水量（阴影区，单位：mm）分布的叠加图（a）15日20时；（b）16日02时；（c）16日08时；（d）16日14时Fig.5 The potential vorticity (isoline, unit: PVU) and wind field (vector, unit: m/s) at 500 hPa and precipitation (shaded area, unit: mm) distribution in the following 6 hours(a) 20:00 BT on 15 May; (b) 02:00 BT on 16 May; (c) 08:00 BT on 16 May; (d) 14:00 BT on 16 May 2019