驻马店市2021年“11·7”寒潮天气过程分析

艾润冰

摘 要：本文利用常规探空和地面自动站观测资料对2021年11月6日夜间至7日白天驻马店市发生的一次强降温大风雨雪天气过程进行了分析，初步总结了雨雪相态和大风的本地化预报指标。结果表明：①此次寒潮过程属于横槽转竖型，与500 hPa南支槽、高空急流、锋面的存在与发展密切相关;②前期较高的气温、高空强冷平流和动量下传以及地面较大的气压梯度与变压梯度是造成驻马店市剧烈降温和大风的主要原因;高空水汽含量不足和700 hPa切变线偏南则造成了降水偏弱;③3 h变压达到2～4 hPa可作为驻马店市大风预报参考指标;④降雪发生前850～925 hPa存在逆温层，降雪过程中0 ℃层高度逐渐下降至925 hPa;地面气温Ta<2 ℃时为纯雪;2 ℃≤Ta≤4 ℃时，降水相态变为雨夹雪。

关键词：大风;降水相态;预报指标;驻马店市

中图分类号：P458.122      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0111-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.025

Study on Weather Process of "11.7" Cold Wave in 2021 over Zhumadian City

AI Runbing1，2

（1. China Meteorological Administration，Henan Provincial Key Laboratory of Agricultural Meteorological Support and Application Technology，Zhengzhou 450003，China;2. Zhumadian Meteorological Bureau，Zhumadian 463000，China）

Abstract： Based on the conventional sounding and ground automatic station observation data， the weather process of a strong cooling， fierce wind， rain and weak snow that occurred in Zhumadian City from the night of November 6 to the day of November 7， 2021 was analyzed， and the localized forecast indicators of rain and snow phase as well as strong wind were preliminarily summarized. The results show that： ①the cold wave process belongs to the horizontal trough to vertical type，which is closely related to the existence and development of the 500 hPa southern branch trough，high-altitude jet，and front;②High temperature in the early stage， strong cold advection at high altitude and momentum downward transmission， as well as large air pressure gradient and transformation pressure gradient on the ground are the main reasons for severe cooling and strong wind in the city; insufficient water vapor content in the upper air and the southward 700 hPa shear line lead to the weak precipitation; ③ when the 3-h transformation pressure in the city reaches 2 ～ 4 hPa can be used as the reference index for gale prediction;④ there was an inversion layer at 850 ～ 925 hPa before snowfall， and the height of the 0 ℃ layer gradually dropped to 925 hPa when it snows; when the ground temperature drops below 2 ℃， it is pure snow; Ground temperature lies between 2 and 4 ℃， the precipitation phase is sleet.

Keywords： strong wind; precipitation types; forecast indicators; Zhumadian City

0 引言

寒潮天氣过程是一种大范围的强冷空气活动过程[1]，主要表现为剧烈降温和强风，可能还伴有雨、雪、霜冻等天气，是我国最主要的灾害性天气之一。强降温易导致农作物和林果等遭受冻害，大风则会给人民生产生活和交通安全等带来不利影响，造成严重的经济损失[2]，而冬季降水由于其不同相态产生的影响可能存在显著差异，也是预报的难点之一，例如9 mm的降水，若相态为液态则属于小雨量级，影响很小;为固态，则成为大到暴雪，属于灾害性天气[3]。日常预报业务中，一般都将地面温度场中的0℃线、850 hPa温度场中的-4℃线作为雨雪的判别依据，然而实际应用时，基于以上指标预报的降水相态与实际情况存在较大差异。因此，探索当地雨雪相态预报指标对于经济社会建设以及人民群众的生产生活都具有相当重要的意义。

国内外有关降水雨雪相态预报的研究，已经大量成果出现。例如，国外学者先后提出了利用冻结层高度[4]、关键层厚度[5-6]及不同气压层上的温、湿度等要素[7-9]作为降水相态的判别依据的方法，Bourgouin[10]对其中5种具有代表性的方法进行了总结。在国内，学者围绕我国不同地区的降水相态问题也开展了许多研究：周雪松等[11]研究表明垂直温度阔线直接影响了雨雪相态的转变;漆梁波等[12]综合考虑了温度和厚度因子，得到了较适用于中国东部地区冬季降水相态的判据，开拓了降水相态研究和预报的新思路;张琳娜等[13]研究了2000—2009年北京冬季的降水过程，筛选出6种与当地雨雪转换关系密切的物理量;杨成芳等[14]研究表明1 000 hPa以下温度是雨雪相态转换的关键指标，而850 hPa和925 hPa 温度无明显指示性;邵宇翔等[15-16]分别对河南省2013年和2015年两次寒潮过程进行分析，认为降水相态的变化取决于0℃层高度和暖层温度。从以上研究可以看出，冬季各地降水相态的预报指标存在较大差异，因此开展适用于本地的冬季降水相态预报指标研究很有必要。

2021年11月6日至7日連续两天，河南省出现了一次大范围寒潮雨雪天气过程，驻马店市也迎来了今年的首场降雪，尽管此次过程降水量不大，但具有风力较强、初雪时间较早的特点。通过对此次区域性强降温大风雨雪天气进行深度分析，找出此次天气过程发生的根本原因及降水相态转化指标。

1 资料与方法

以常规地面、高空气象观测资料及自动站资料为参考，对此次寒潮过程进行天气形势分析。

2 天气实况

2021年11月6日夜间至7日白天，驻马店市出现了今年首次大范围强降温大风及雨雪天气，各县区国家基本气象站日平均最低气温从6日的15.9 ℃降到7日的5.6 ℃，24 h降温幅度达10.3 ℃，最大降温出现在正阳站，为11.3℃。同时，驻马店市大部出现平均风力6级及以上大风天气，局地阵风11级。大风开始时间为6日18时，风区从驻马店市泌阳县逐渐向东扩展，最强时段在6日夜间至7日凌晨，最大风速出现在遂平凤鸣谷，为30.3 m/s（11级，7日03时）;其次出现在遂平嵖岈山，为28.2 m/s（10级，7日03时）;7日夜间风力逐渐减小。伴随着大风降温过程7日05时驻马店市部分县区出现雨夹雪，随后多次发生雨夹雪和纯雪之间的相态转变，11时全市降雪过程结束转为小雨，过程降水量较小，为小雨雪量级。图1为此次寒潮过程期间驻马店站气温、极大风速与降水实况，该站点气象要素变化趋势与上述分析基本一致。

3 环流形势

强降温、大风和弱降水是此次天气过程的主要特征。影响此次天气过程的天气系统主要有高空横槽和南支槽、低层倒槽和地面冷锋。

3.1 高空形势

3.1.1 500 hPa形势。冷空气影响驻马店市前3天，亚洲中高纬为一脊一槽，乌拉尔山附近有一明显高压脊，贝加尔湖以北有一低涡，低涡中心至巴尔喀什湖以西为一深厚横槽，40°N～ 70°N 地区经向度非常大。受脊前偏北气流引导，冷空气南下堆积在关键区。随着横槽向东移动，受天山地形影响其断裂为中高纬度（40°N以北，简称北槽）和中低纬度（40°N以南，简称南槽）两个槽，北槽经向度较小，移速较快，先行东移转竖影响我国东北地区后入海;南槽经向度较大，是后期影响河南天气的主要系统。6日20时，受北槽入海减弱影响，贝湖至西藏地区高压脊显著增强，脊前环流经向度加大;内蒙古西部地区形成-32℃闭合冷中心与南槽配合，等温线密集在槽前，锋区强度达24℃/10纬距（6根等温线）;南槽仍为东北—西南走向，冷槽落后于低槽，槽内有较强冷平流输送，槽继续加深东移，槽后脊前环流经向度进一步加大，冷空气堆积在我国西北地区。20时之后，横槽逐渐转竖，旋转的低槽与南支槽同位相叠加，在脊前西北气流的作用下，冷空气加速南下，导致强降温大风天气的爆发。7日08时冷温槽在内蒙古中部地区形成闭合低压中心并维持，中心强度逐渐降至544 dagpm，槽前西南风急流核处风速达36 m/s，驻马店市处于急流核右侧，有利于大风天气的持续;8日08时随着低槽东移入海，驻马店市转受脊前西北气流控制，天气迅速转好。

3.1.2 700 hPa形势。700 hPa环流形势发展与500 hPa类似，6日20时锋区到达河南省西部，锋区强度达24℃/10纬距（6根等温线），冷中心强度-20℃;7日08时冷锋到达驻马店市，驻马店市上空为强烈的冷暖平流交汇区，平流交角接近垂直;此时中低层有一定水汽，但500 hPa水汽条件较差，因此降水较弱。20时驻马店市转受槽后西北气流控制，冷空气影响结束。

3.1.3 850 hPa形势。850 hPa环流形势为两高一低，6日08时西西伯利亚高压断裂形成两个高压中心，其中一个位于我国西北地区，长江中下游地区为一暖低压。高压前部西北气流与日本海高压后部偏东气流辐合，在我国东北至河套地区形成锋区。随着西北高压东移南下，6日20时辐合气流在我省形成一倒槽，驻马店市处在倒槽底部锋区前缘偏东气流中，有利于降水和降温天气发生。7日20时倒槽移出驻马店市，驻马店市转受倒槽后部高压前部西北气流控制，天气转好。

3.1.4 高空温压场配置冷空气影响驻市前3天，其上空大气整体温度较高，11月4至6日的日平均气温较常年同期分别偏高2.5 ℃、4.8 ℃和2.6 ℃，前期较高的温度背景为强降温提供了条件。从高空温度场配置来看（表1），6日20时驻市上空850 hPa以上为暖平流，925 hPa已出现冷暖平流交汇，500 hPa与925 hPa温差在24～32℃之间，能量极其不稳定，为大风的发生提供了热力条件。降雪开始前驻市上空850～925 hPa之间存在逆温层，且各层均为暖平流;降雪发生时驻市高层（500 hPa）仍为暖平流但平流较弱，中层（700 hPa）为强烈的冷暖平流交汇区，低层（850 hPa）转为冷平流;降雪结束后各层均转为冷平流，且逆温层消失。低层冷平流为降雪提供了冷垫，使降雪不易融化，同时有利于逆温层的建立。

3.2 地面形势

6日20时地面冷高压中心位于甘肃西北地区，中心强度为1 055 hPa，四川西部低压中心强度为1 010 hPa，高、低压中心相差仅一个纬距，气压梯度达45 hPa（18 根等压线/10纬距），等压线非常密集，110°E～120°E之间等压线也达到12根。驻马店市位于冷高压前缘，其大部仍为暖区控制，给此次强降温过程提供了高温背景，地面冷锋呈东北西南走向。随着高压东移南下，冷锋开始影响驻马店，其附近出现强的气压梯度和变压梯度，6日20时驻马店市与高压中心压差为37.5 hPa，3 h变压在2～4 hPa的范围内，部分站点达到3.5 hPa;7日05时3 h变压加强，部分站点达到4 hPa以上，如此强的气压和变压梯度造成了驻市11级阵风的发生;08时之后3 h变压减弱至1～2 hPa，最大风力有所减弱，此时仍有3根等压线穿过驻市，随着冷高压继续南压，其后部冷空气源源不断进行补充，有利于大风天气的持续;冷空气与东南暖湿气流交汇，形成了降水，但中层水汽条件较差，降水较弱;7日20时，锋面和500 hPa槽线移出，寒潮大风和降温过程趋于结束。根据以上分析可知，造成强降温的主要原因是前期较高的温度背景、高空强冷平流和地面冷高压入侵;风的形成原因是较高的气压梯度和变压梯度，驻市3 h变压达到2～4 hPa时对大风预报具有指示意义。

4 降水相态判据

表2为此次驻马店降水区10个测站在常规观测时次的降水相态，7日05时，驻马店市北部最早出现降水，相态为雨夹雪，降水强度为0.5 mm/h左右，降水落区在1 h之内自北向南迅速推进至全市范围。06时之后部分站点气温降至2℃以下，降水相态也转为纯雪;09时之后随着气温升高，各个站点降水又转为雨夹雪;12时降水过程趋于结束，过程降水量为小到中雨雪量级。可以看出降水发生时，当地面气温2 ℃≤Ta≤4 ℃时，降水相态为雨夹雪;当地面气温Ta<2℃时为纯雪。

在满足降水条件的区域，温度的垂直结构直接决定降水相态[17-21]。由于本站没有探空，参考南阳站探空资料发现（图2），6日20时南阳站上空1 000～925 hPa之间有一层浅薄的逆温层，地面至700 hPa温度均在0℃以上，此时还未发生降水。高空风场呈现“天南地北”型，即700 hPa以上盛行西南风，以下则为强盛的东北气流，西南气流在东北气流上爬升，上下层风相向而吹，此时段0～6 km垂直风切变非常大（>35m/s），有利于高空能量下传，对应南阳大风降温最强时段，但地面图上冷锋主体还未到达驻市，仅有弱冷空气到达驻市西北部，低空暖层相对较厚，驻市大风降温天气还未开始。随着高空冷高压逐渐南压，低层受冷平流影响温度逐渐下降，暖层结构遭到破坏，冷层强度增强，探空资料上表现为0℃层高度由6日20时的2 879 m（700 hPa附近）迅速下降至7日08时的782 m（925 hPa以下），并且在925～600 hPa之间形成深厚的零下等温层，而925 hPa以下温度仍大于0℃，此时降水相态为雨夹雪或雪，这是由于高空固态降水粒子经过低层时发生融化造成的，-10 ℃层高度未发生明显变化的原因和500 hPa仍为暖平流有关。由此可以看出南阳站的探空资料对驻市即将发生的强降温大风和雨雪天气有指示性意义。

以上分析表明：溫度廓线图（T-logp图）可直观地表明温度的垂直分布特征，地面温度、0 ℃层高度及逆温结构可指示降水相态变化，是最经典的降水相态判据，但其还需要配合天气形势分析;而人为预报经验缺乏定量的标准，且探空资料时间间隔大，使得人工对短时雨雪过程（12 h）的相态转变分析有限。

5 结论

通过对2021年驻马店市首次强降温大风雨雪天气过程进行分析，主要得出以下结论。

①此次寒潮过程驻马店市日平均气温24 h降幅达10.3 ℃，最大风速为30.3 m/s，降水较弱但雨雪过程相态复杂且相态转变较快，整体降水持续时间仅为8 h。

②本次过程属于横槽转竖型，与500 hPa南支槽、700 hPa 辐合线、高空急流、锋面的存在与发展密切相关，具备短时、突发、影响范围广、强灾害性的特点。

③前期较高的气温、高空强冷平流和动量下传、地面较大的气压梯度与变压梯度、强的垂直风切变是造成驻市剧烈降温和大风的主要原因;驻市3 h变压达到2～4 hPa可作为大风预报指标。

④当850～925 hPa之间存在逆温层、925 hPa温度在0℃以下、地面气温在4℃以下时，驻马店降水将会发生降雪;同时地面气温Ta<2 ℃时为纯雪;2 ℃≤Ta≤4 ℃时，降水相态变为雨夹雪。

⑤南阳站探空资料中0 ℃层高度迅速下降且低层存在逆温层对驻市雨雪天气预报具有指示意义。

需要说明的是，本次降水雨夹雪至雪的相态转变过程很快，临界点判定也较模糊，上述分析只代表此次个例，相关关系及阈值的确定尚需更多个例的统计。

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