铜仁市寒潮天气分型及成因分析

胡 萍,冉仙果,徐大红,聂 云,张李娟，蔡成瑶

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省沿河县气象局，贵州 沿河 565300)

0 引言

寒潮是贵州省冬季主要的灾害性天气之一[1]，其主要特点是剧烈降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨凇、霜冻等[2]。寒潮对人们生产、生活带来诸多不利影响，能导致河港封冻、交通中断、畜牧和农作物受冻等危害。近年来对贵州省的冻雨天气过程研究比较多[3-5]，对寒潮的研究较少[6-7]，许丹[8]指出近55 a贵州寒潮天气过程呈微弱减少趋势,张艳梅[9]分析了近48 a贵州寒潮天气发生次数的时空分布及环流特征，发现贵州东北部边缘地区寒潮天气出现较少。铜仁市地处中低纬地区，位于贵州省东北部，强冷空气南下侵袭的降温幅度很少能达到寒潮天气过程，但是一旦达到寒潮天气过程时，其造成的危害及影响不容小觑，尤其是寒潮带来的雨雪和冰冻天气对铜仁市交通运输危害极大，春季和秋季的强寒潮造成的灾害更大，能导致早春晚秋田间作物受到十分严重的冻害，甚至绝收[10]。2018年12月29日铜仁市发生一次寒潮天气过程，日最低气温达到-3.4 ℃，48 h日平均气温降幅达11.5 ℃，此次寒潮还伴有全市大范围降雪，铜仁市东部出现暴雪天气，碧江区积雪深度达14 mm，并伴有持续低温、道路结冰等灾害，使得多处道路有车辆及人员的滞留，房屋损坏、养殖场坍塌、牲畜死亡及蔬菜、油菜等农作物受灾严重，经济损失达9 292.69万元(注：信息来源于http://10.1.64.146)。因此，本文对铜仁市寒潮天气过程的环流形势进行分析研究，找出寒潮天气环流背景和影响因子，提高寒潮天气预报精准度，从而服务于工农业部门。

1 资料和方法

1.1 资料

资料来源于中国气象局每日下发的业务常规资料，收集2009—2018年铜仁市10个国家观测站逐日平均气温和最低气温资料，以及预报业务应用的MICAPS逐日高低空探测和观测资料。

1.2 方法

为方便研究铜仁市寒潮天气密集程度和强度情况，参照中国气象局寒潮定义标准和贵州省寒潮业务考核标准，将铜仁市单站和区域性寒潮以及寒潮强度标准定义如下：

单站寒潮标准：对某一站点，受冷空气的影响，24 h内日平均气温下降8 ℃以上或48 h内日平均气温下降10 ℃以上或72 h内日平均气温下降12 ℃以上，同时最低气温降至4 ℃及以下。

区域性寒潮标准：铜仁市有2个国家观测站达到上述单站寒潮标准，称为一次区域性寒潮过程。

寒潮强度划分标准如下:

24 h内日平均气温降幅≥8 ℃或48 h内日平均气温降幅≥10 ℃或72 h内日平均气温降幅≥12 ℃，同时日最低气温≤4 ℃，称为一次寒潮天气过程。

24 h内日平均气温降幅≥10 ℃或48 h内日平均气温降幅≥12 ℃或72 h内日平均气温降幅≥14 ℃，同时日最低气温≤2 ℃，称为一次强寒潮天气过程。

24 h内日平均气温降幅≥12 ℃或48 h内日平均气温降幅≥14 ℃或72 h内日平均气温降幅≥16 ℃，同时日最低气温≤0 ℃，称为一次特强寒潮天气过程。

寒潮天气过程的标准为: 单站寒潮标准的站数超过1站作为一次寒潮天气过程。在一次寒潮过程中，冷空气持续补充南下影响时，寒潮天气可能持续影响到24 h、48 h、72 h，则只按起始日期最早的时次统计分析[6]。

2 铜仁市寒潮分布特征

2.1 空间分布特征

从24 h、48 h、72 h达到寒潮天气过程的空间分布图可见(图1)，大多数的寒潮天气过程发生在铜仁市东南部，其中万山镇最多。从达到寒潮标准的次数来看。24 h达到寒潮标准的次数最多占50%为0～9次，其中万山镇9次为最多，碧江区次之为3次，沿河、思南、松桃三县均无寒潮天气发生。48 h达到寒潮的次数占30%为0～5次，其中万山镇5次最多，玉屏县、石阡县均发生1次，其余区县没有达到寒潮标准。72 h达到寒潮的次数最少占20%为0～4次，其中万山镇4次最多，玉屏县发生1次，其余区县均没有寒潮天气发生。由此可见，万山镇为寒潮多发区，沿河、思南、松桃为寒潮不易发生区。

图1 铜仁市近10 a国家站24 h(a)、48 h(b)、72 h(c)寒潮发生次数空间分布

2.2 时间分布特征

从寒潮发生的年份来看(图2)，铜仁市除了2009、2012、2015年没有发生寒潮天气过程外，其余年份均有寒潮天气过程发生。其中2011年发生寒潮天气过程次数最多达6次，2016年次之为4次，多在24 h内达到寒潮天气过程。48 h内达到寒潮标准天气过程主要发生在2010、2013和2018年，均为2次；72 h内达到寒潮标准天气过程主要发生在2010、2011、2016和2018年，均为1次。

图2 铜仁市近10 a国家站寒潮年日数时间分布

从寒潮发生的月份来看(图3)，铜仁市寒潮天气发生时段主要集中在当年10月—次年4月，以2月发生的次数最多。24 h、48 h、72 h达到寒潮的天气过程发生的月份也有些差异，24 h达到寒潮天气多出现在2、3、4、11、12月，其中2月显著多于其它月份；48 h达到寒潮天气多出现在2、3、4、10月，其中2、3月次数最多，均达2次；72 h达到寒潮天气多出现在1、3、11、12月，出现次数均为1次。

图3 铜仁市近10 a国家站寒潮月数时间分布

2.3 强度分布特征

统计铜仁市2009—2018年寒潮天气，结果见表1。从寒潮发生的范围来看，以单站寒潮为主，占比70%，且绝大多数为一般强度寒潮。从发生的寒潮天气过程来看，一般强度的寒潮发生15次，占寒潮总数的75%，平均每年1.5次；强寒潮发生4次，占20%；特强寒潮发生1次，占比5%，发生的次数最少。20次寒潮过程单站达到寒潮标准的有12次，单站达到强寒潮标准的有2次，其余等级寒潮强度2站以上总计出现6次，可见，铜仁市以单站寒潮天气为主，极少出现大范围寒潮天气。

表1 铜仁市10个基本气象观测站2009—2018年不同强度寒潮次数

3 铜仁市寒潮天气的冷空气源地及路径特征

影响我国的冷空气大部分都要经过西伯利亚中部(43～65°N、70～90°E)地区，称为寒潮关键区，冷空气从关键区侵入我国有4条路径，分别为西北路、东路、西路及东路加西路[11]。许丹、张艳梅等[8-9]的研究指出，贵州寒潮天气的发生与寒潮关键区冷空气强弱以及天气系统的影响有关。

冷空气从关键区侵入铜仁市大体有3条路径(图4、表2)：Ⅰ型路径，从关键区经蒙古国的冷空气与新西伯利亚的冷空气合并，经内蒙古中东部—河北—河南中东部—湖南西北部侵入铜仁市东部，占比21%，此类路径多在24 h内出现寒潮天气。Ⅱ型路径，从关键区经蒙古国—内蒙古中部—河南中部—湖南西北部侵入铜仁市东部，进而影响全市，占比68%，此类型路径多在48 h、72 h内出现寒潮天气。Ⅲ型路径，从关键区经蒙古国向南分裂成两股冷空气入侵，西段从四川中部经贵州省西北部向东侵入铜仁市西部，东段从湖北西部经湖南西北部侵入铜仁市东部，称为西北+东北路径，占比11%，此类型路径冷空气达到寒潮天气过程较少，均在24 h内出现寒潮天气过程。

图4 寒潮天气过程入侵铜仁市冷空气路径(粗红线为贵州省边界，细红线为铜仁市区县界，空心箭头为冷空气侵入铜仁市的路径)

表2 不同寒潮强度的天气要素统计分析

4 寒潮天气的环流形势特征

基于500 hPa环流和海平面气压场形势，应用聚类分析方法对寒潮天气过程进行客观分类，依据《贵州省新版预报员手册》中的短期天气形势分型，将有利寒潮天气出现的环流形势归纳为经向型、横槽型及纬向型。其中经向型最多，共8次(占比42%)，受Ⅰ型或Ⅱ型东北路径冷空气影响，冷锋位置多位于四川境内—贵州中部一线，一般强度寒潮6次，强寒潮2次。纬向型次之，共6次(占32%)，多为Ⅱ型东北路径冷空气影响，其中一般强度寒潮为5次，冷锋位置均在四川南部—贵州中部一带，强寒潮1次，冷锋位置位于四川东部—贵州中东部。经向型与纬向型强寒潮的共同点在于冷空气路径均为Ⅱ型东北路径，前期没有热低压的影响，这是由于冷空气强度较强造成较大的降温幅度；一般强度寒潮的Ⅰ型冷空气路径影响下在铜仁市前期均有西藏—四川东伸或云南—广西北扩的热低压影响致其升温，随着冷锋南下侵入造成寒潮天气的发生。横槽型相对较少，冷空气路径有两类，分别是Ⅱ型东北路径和Ⅲ型东北+西北路径，共5次(占比26%)，一般强度寒潮4次，冷锋位置均在四川南部—贵州中部一带，强寒潮1次，受Ⅲ型东北+西北路径冷空气影响，前期有云南—广西北扩的热低压影响致其升温，随着冷锋南下至四川东部—贵州中部一带时造成强寒潮的发生。

4.1 经向型

此型寒潮过程主要受新西伯利亚冷高压或新西伯利亚与蒙古高压共同影响，多为东北路径冷空气，冬季、春季均有发生，次数较多，除造成寒潮天气外，还常引起降雨和雨夹雪。经向型寒潮爆发时环流形势如图5，在500 hPa中高纬为两槽一脊形势，高压脊在河套至贝湖附近发展强盛，在里海附近和东北地区有低涡或低压槽存在，常有冷涡配合，槽脊振幅较大，贯穿30～60°N；700 hPa上0 ℃线伸至铜仁市北部(图略)；850 hPa温度锋区南下至铜仁市—湖南省北部一带，锋区北侧东北急流达16～18 m/s(图略)；海平面气压场上蒙古高压发展，地面前期西藏—四川东伸的暖低压使得铜仁市增温明显(图略)，位于河南—陕西—四川北部的冷锋快速南下，冷空气从东北方向南下侵入影响铜仁市，24 h后迅速移至贵州省西南部边缘(图5b)，地面气温下降，寒潮爆发。

图5 经向型寒潮爆发时500 hPa高度场和温度场(a)、海平面气压场(b)

4.2 横槽型

横槽型寒潮是由贝湖南部—新疆北部横槽后部积聚冷空气，横槽南压或转竖引导冷空气南下爆发寒潮天气，因此，此型又分为横槽转竖型和横槽南压型。

4.2.1 横槽转竖型 此型寒潮过程多为东北+西北路径，除造成寒潮天气外，以小雨或降雪天气为主，多发生在2、3月。横槽转竖型寒潮爆发时环流形势如图6所示，500 hPa高压脊稳定维持在乌拉尔山以西，东西向横槽位于黑龙江北部—蒙古国南部—新疆北部，槽前等高线等温线密集，温度槽落后于高度槽，脊后加强的偏北气流向横槽内输送冷空气并堆积，使得横槽持续增强发展，寒潮爆发时横槽迅速转竖，槽底伸至贵州省中部；700 hPa上的0 ℃线压至贵州省中部(图略)；850 hPa上温度锋区南下至贵州省中南部，锋区北侧东北急流加强至16～20 m/s(图略)；地面前期云南—广西的暖低压北扩至整个贵州使得铜仁市有明显的增暖(图略)，气温明显升高，横槽转竖后强冷空气大举南下，一股冷空气从四川经贵州省西北部入侵铜仁市西部，另一股冷空气从湖南北部向西进入铜仁市东部，12 h后冷空气影响铜仁全市，地面气温下降，寒潮爆发。

图6 横槽转竖型寒潮爆发时500 hPa高度场和温度场(a)、海平面气压场(b)

4.2.2 横槽南压型 此型寒潮过程为东北路径冷空气影响形成回流天气，易造成降水天气，多发生在1、2月。横槽南压型寒潮爆发时环流形势如图7，在500 hPa上高压脊稳定维持在乌拉尔山以东，横槽位于黑龙江中部—内蒙古北部边缘—新疆北部，槽前等高线等温线密集，温度槽与高度槽走向一致，等高线和等温线交角较横槽转竖型小，脊后偏北气流的加强使得横槽不断南压，当横槽缓慢南压至内蒙古中部时，横槽南部中纬地区多短波槽东移引导地面冷空气南下侵入铜仁市；700 hPa上的0 ℃线压至重庆中南部(图略)；850 hPa上温度锋区南下至贵州中部，温度梯度较横槽转竖型小，锋区北侧东气流加强至10～16 m/s(图略)；地面上前期云南—广西北扩至贵州的热低压使铜仁市有明显的增暖(图略)，四川北部—重庆中部—湖南北部的冷锋12 h后南下至贵州省中东部时，寒潮爆发。

图7 横槽南压型寒潮爆发时500 hPa和温度场(a)、海平面气压场(b)

4.3 纬向型

此型寒潮过程主要受新西伯利亚冷空气从东北方向南下侵入影响，冷空气活动时间较长，但强度较弱，多造成铜仁市东部寒潮天气发生，以小雨天气为主，48 h达寒潮过程较多，多发生在2、3月。纬向型寒潮爆发时环流形势如图8所示，500 hPa欧亚地区以纬向环流为主，125°E附近有明显的东亚大槽，槽底伸至30°N；700 hPa上0 ℃线位于铜仁市南部(图略)；850 hPa锋区位于四川北部—重庆中部—湖南北部一线(图略)；海平面气压场上前期有四川东伸的热低压影响致使铜仁市增温(图略)，随着冷空气的南下，位于湖北南部—陕西—甘肃南部的冷锋快速南下，24 h后移至贵州省东部致使铜仁市地面气温下降，寒潮爆发。

图8 纬向型寒潮爆发时500 hPa和温度场(a)、海平面气压场(b)

5 其它影响因子

5.1 海拔高度与地理分布

利用线性回归方法，建立各个国家站寒潮频次(Y)与站点海拔(H)之间的线性回归方程(公式1)，由公式可知，每当海拔升高100 m寒潮频次增加2.5次。其关系方程为：

Y=0.025 2H-8.085 2

(1)

相关系数r=0.887 4，大于0.1显著性水平值，通过检验。有上式建立铜仁市10个国家基准观测站的寒潮频次与观测站点海拔高度的散点分布图(图9)，可以看出，海拔越高气温越低，当冷空气入侵影响时，气温下降越快越显著。

图9 平均寒潮频次与站点海拔高度的散点图

从铜仁市地形分布可见(图10)，万山镇是铜仁市海拔最高的国家站，海拔达884.3 m，近10 a共发生18次寒潮天气过程，远远高于其他台站。但并不是所有台站寒潮次数与海拔高度的变化都符合上述垂直分布特征，比如铜仁市本站海拔282.7 m，寒潮年均0.3次，而沿河县海拔334.6 m、松桃县、思南县站海拔在400 m以上，均比铜仁市本站海拔高，出现寒潮的次数却为0，可能这与海拔2 493 m高的梵净山地形相关，铜仁市寒潮的冷空气路径多为东北路径，即从河南—湖南入侵铜仁市时，由于梵净山的阻挡，冷空气在其东侧聚集，致使东侧的碧江区、万山镇比其西侧的市县更容易形成寒潮天气。因此海拔高度是影响寒潮分布的重要因子，但不是唯一因子。

5.2 西南热低压

在我国青藏高原东南侧的云、贵、川三省附近常出现一个闭合性暖低压，这种地方性热低压是影响春季西南地区的一种重要天气系统[12]。在热低压生成发展时，受热低压控制，铜仁市各地常是晴天，温度骤升，相对湿度和气压显著下降。3、4月是热低压出现频率最高的月份[7]，统计寒潮过程个例中发现(表2、表3)，铜仁市发生寒潮降温前有7次热低压的控制和发展，多出现在2月，11月、3月及4月各出现1次，主要影响万山镇、玉屏县及石阡县，一般维持2～5 d。热低压有两种方式控制或影响铜仁市，一种是西藏或四川东部发展的热低压东伸至贵州省(2次)，另一种是云南东南部或广西西部发展的热低压北扩至贵州省(5次)。当北方有冷空气南下时，地面热低压南退至贵州省的西南部，铜仁市受冷空气入侵出现转折性天气，由于前期热低压控制，铜仁市南部更接近热低压中心，气温更高，降温幅度更大，易达到寒潮标准，因而铜仁市南部寒潮多于北部。

表3 热低压对铜仁市寒潮的影响

6 总结与讨论

①铜仁市近10 a寒潮空间分布是多发在铜仁市东南部，万山镇出现次数最多；多发于冬季和春季，尤其是2月次数最多，达到峰值；发生年份较多的是2011年和2016年；24 h、48 h和72 h达到寒潮天气过程所占比例分别为50%、30%和20%。

②铜仁市近10 a共出现20次寒潮天气过程，其中寒潮15次，发生的概率最大，占寒潮总数的70%；强寒潮4次，占比20%；特强寒潮1次，占比5%，发生的次数最少。

③冷空气南下多从河南—湖南入侵铜仁市东部，包含Ⅰ、Ⅱ型路径，Ⅲ型路径，除了从河南—湖南入侵铜仁市东部外，还有一部分从四川中部经贵州西北部向东入侵铜仁市西部。冷空气从关键区南下入侵铜仁市的路径以Ⅱ型东北路径居多，占比68%，此类寒潮天气出现时，有时伴有降雨或雨夹雪；Ⅰ型东北路径次多，占比21%，多在24 h内出现寒潮天气；东北+西北路径较少为11%，需要更强的冷空气才能达到寒潮天气标准，往往伴有降雨，影响范围较广，均在24 h内出现寒潮天气。

④铜仁市近10 a发生的寒潮天气过程分为经向型、横槽型和纬向型，其中经向型8次，占比42%，主要发生在冬、春季，东北路径影响铜仁市；纬向型6次，占32%，出现时间以2—3月为主，多东北路径；横槽型5次，占26%，主要出现在1—3月，分为横槽转竖型和横槽南压型，横槽转竖型冷空气以东北+西北路径共同入侵铜仁市，横槽南压型则多以东北路径影响。

⑤海拔高度是影响寒潮分布的重要因子，但不是唯一因子，跟地理位置和地形分布均有关；热低压的发展使得前期气温升高，是冷空气影响造成剧烈降温形成寒潮天气的重要原因。