2020年宁夏寒潮天气的强降温分析

2022-07-11丁永红

宁夏工程技术 2022年2期

苏洋，杨银，丁永红*

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；3.宁夏回族自治区气象台，宁夏银川 750002）

寒潮是宁夏冬季主要的灾害性天气之一。寒潮天气的主要特点是出现剧烈降温和大风，并伴有雨、雪、雨凇和霜冻等[1]，给工农业生产、交通运输和人们的日常生活等带来不利影响。近些年来，许多学者对宁夏的寒潮天气过程进行了分析和研究。陈豫英等[2-3]认为对高空冷槽和地面冷高压路径的预报是寒潮预报的关键，并提出了春季寒潮预报概念模型和预报着眼点。胡亮帆等[4]对突发寒潮极值暴雪过程的等熵位涡特征进行了分析，提出315 K等熵位涡图可作为短时、局地春季寒潮降雪过程的有效分析方法和预报指标。肖云清等[5]认为高空旋转低压槽与强锋区是春季寒潮的动力机制。魏月娥等[6]对比分析了宁夏初春2次寒潮天气过程，发现由于蒙古气旋较强的下沉气流和前期急剧回暖而造成的沙尘天气更为剧烈。周翠芳等[7]认为冷中心强度是冬季横槽转竖型寒潮暴发南下的关键点，其研究表明宁夏寒潮多发生在春、秋季，冬季较少，且因气候背景的差异，寒潮过程的特点各不相同。已有的研究大多是关于宁夏春、秋季寒潮天气过程，对冬季寒潮天气过程的分析较少。本文旨在通过对2020年2月13—15日寒潮天气过程的分析，找出宁夏冬季寒潮天气的成因，为今后进一步提高宁夏冬季寒潮天气的预报、预警提供科学依据。

1 寒潮天气实况

2020年2月13—15日，受强冷空气东移南下影响，宁夏全区出现了1次寒潮天气过程（图1）。13—14日24 h日平均气温降幅有5站超过10℃，最大降幅出现在六盘山站，为11.7℃；13—15日48 h日平均气温降幅有18站超过10℃，5站超过14℃，最大降幅出现在固原站，为16℃；15日清晨全区气温为-20.7～-13.1℃，最低气温出现在六盘山站，为-20.7℃，有14站最低气温低于-16℃；14日全区气温为-11.8～-1.7℃，较13日20:00偏低1.6～5.2℃，出现了“气温倒挂”现象。

13日08:00宁夏受锋前热低压控制，各站24 h变压为-4.2～-1.6 hPa；升温剧烈，固原和中卫站6 h增温分别为3.4℃和5.7℃，其他3站增温为9.9～13.9℃，出现了“潮前回暖”现象。13日14:00冷锋开始过境，冷空气南下，各站气温逐步降低；20:00锋面已过境，各站6 h气压增压均为11 hPa左右。随着冷空气分裂南下，15日08:00气温降到最低。各站降温时段持续超过60 h，24 h变温普遍为11～15℃，24 h变压为15～19 hPa，降温和升压过程基本同步（图2）。此次寒潮天气过程的主要特点是持续性降温，对公众生活和设施农业生产等造成了不利影响。

图2 2020年2月13日08:00—15日20:00惠农、吴忠、中卫、盐池和固原站逐时气温，24 h变温和变压分布图

2 环流形势演变和影响系统

2.1 高空形势

此次寒潮天气过程的环流型是典型的低西风指数型（图略）。2月3日阿拉斯加暖脊和大西洋暖脊向极低发展，7日极涡分裂为二，分别位于东、西两个半球。2月8—12日乌拉尔山和鄂霍茨克海建立暖性高压脊，亚洲极涡加强并南压，形成东亚地区的倒Ω流型。在此阶段，极地至乌拉尔山地区一带位势高度场较常年同期偏低，新地岛冷涡不断加强，横槽发展东移，冷空气处于酝酿之中。

过程发生前3天（10日20:00）（图3a），欧亚大陆中高纬为“两槽两脊”，冷涡中心位于中西伯利亚北部，从中西伯利亚北部至咸海一带为东北—西南向横槽，欧洲西部地区为低涡和槽控制，乌拉尔山地区为高压脊控制，冷空气沿乌拉尔山高压脊南下，向西伯利亚中部寒潮关键区（43～65°N，70～90°E）堆积，同时在中亚中低纬度有一弱脊。11日20:00欧洲西部的低压系统发展，槽前西南气流加强，促使乌拉尔山高压脊向东北伸展，同时中亚脊与乌拉尔山脊同位相叠加，后脊加强发展，冷涡中心移至贝加尔湖北侧，横槽从冷涡延伸至巴尔喀什湖一带，冷涡中心为-44℃。12日20:00（图3b），高压脊不断向东北方向加强发展，里海和咸海地区低涡系统发展，在关键区东部形成552闭合环流的阻塞高压，高压脊前偏北气流显著增强，引导冷空气向宁夏寒潮关键区（38～55°N，90～110°E）堆积，位于俄罗斯北部的低涡中心维持少动，低压槽移至贝加尔湖新疆北部一带，槽前出现阶梯槽的形势，槽前等高线疏散。在此阶段，从温压场结构上看，横槽后部有显著的暖平流和正变高，冷中心超前于横槽，槽前为冷平流，有负变高，具有气旋式曲率等高线疏散结构的正涡度平流也使得横槽东南方产生负变高，变高梯度指向东南，以上均预示着横槽即将转竖。

13日08:00（图3c），乌拉尔山东侧至贝加尔湖地区受高压脊控制，阻塞形势维持，阻塞高压崩溃。冷涡中心维持不动，为-44℃，横槽东移并断裂成3个部分，分别位于鄂霍茨克海、贝加尔湖东侧和河西走廊北部，河西走廊北部的槽已转竖，锋区即将影响宁夏。13日20:00高压脊继续向东北深入发展，脊前冷空气不断南下，河西地区的短波槽移至河套西部，宁夏位于短波槽的底前部。14日20:00（图3d），乌拉尔山地区的低压槽发展，槽前西南气流加强,使得阻塞形势维持，并再次出现闭合高压和切断低压，脊前偏北气流也随之加强，继续引导冷空气在河套地区北部的切断低压槽内聚积，低涡中心为-36℃，造成宁夏持续性降温。

图3 500 hPa形势场演变图

2.2 地面系统

此次寒潮天气过程是1次典型的西北路冷空气活动过程（图4）。当新地岛以东洋面的冷空气沿乌拉尔山高压脊南下加深时，冷空气在西西伯利亚关键区堆积。随着横槽东移发展，冷高压范围不断扩大，强度明显增强。12日08:00冷高压中心位于阿尔泰山脉北部，中心气压为1 045 hPa，冷锋位于外兴安岭至贝加尔湖南侧的蒙古高原一带，宁夏受蒙古国南部热低压影响，全区升温明显。13日08:00冷高压主体东移至贝加尔湖西南侧，中心强度加强为1 050 hPa，冷锋移至我国东北西部至内蒙古中部一带，宁夏东部受河套热低压控制，热低压中心与冷高压中心的气压差为50 hPa，低压内ΔP3最大为-1.0 hPa（ΔP24达到-5.5 hPa）；14:00热低压移至河套地区东部，强度加深至1 005 hPa，其与冷高压中心的气压差为42.5 hPa，河套地区升温明显，较08:00普遍升温10℃左右，热低压内ΔP3达到-4.9 hPa，ΔP24达到-7.6 hPa，暖平流减压有利于寒潮冷锋加速南下，锋面压至宁夏石嘴山东部—银川中部—中卫西部一带，锋面附近温度梯度大，锋后ΔP3达到+2.2 hPa，ΔP24达到+10.1 hPa，宁夏大部开始出现大风、浮尘或扬沙天气；20:00冷锋移过宁夏，大部地区ΔT24为-9～-4℃。14日08:00冷高压中心强度达到1 065 hPa，气压梯度增大到50 hPa，其母体一直滞留在贝加尔湖西南侧堆积区并不断分裂出小股冷空气，但是无明显的副冷锋，冷锋移至我国东北东部—华北中部—西北地区东南部一带，宁夏大部ΔP24为+10～15 hPa。15日08:00冷高压母体仍滞留在贝加尔湖西南侧堆积区，中心气压维持1 060 hPa，分裂南下的冷高压中心位于河套地区西部，中心气压达1 054 hPa，宁夏大部ΔP24为+10 hPa左右，气温持续下降，最低气温普遍为-18～-13℃。16日08:00冷高压减弱，母体仍滞留在贝加尔湖西南侧，冷锋已经完全移至海上，宁夏已转为负变压控制，气温开始缓慢回升。

图4 2020年2月12—16日寒潮过程综合动态图（审图号：GS(2019)3082）

3 强降温天气成因分析

3.1 寒潮前回暖

2月上旬宁夏全区平均气温为-2.7℃，较常年同期偏高2.6℃。寒潮过程发生前，西北地区东部至东北地区主要受热低压控制且持续加强，12日热低压加深至1 005 hPa。因此，寒潮发生前5天，宁夏大部升温明显（图5），8—12日平均气温为0.5℃，较常年同期偏高4.4℃，12日最高气温普遍为12.7～18.9℃，较常年同期偏高7.6～11.6℃；日平均气温和最高气温与常年值间的差值逐渐增大，其中8日的日最高气温差值为4.1℃，12日增大到9.5℃，增温显著。从8—12日的日平均气温距平分布图（图略）上可以看到固原、永宁、韦州和麻黄山地区气温偏高最多，超过5.2℃，其中固原站8—12日日平均气温为2.8℃，较常年同期偏高6.8℃，这也是固原站平均气温降幅最大的原因。由此可知，寒潮前气温回升是宁夏寒潮预报的一个重要指标。

图5 2020年2月8—16日最高气温、最低气温和日平均气温的变化图

3.2 强冷平流

根据热流量方程，某地温度变化主要取决于温度平流和非绝热因子的作用。在寒潮天气过程中，气温下降主要是由强冷平流所引起的，故本文只讨论700 hPa上冷平流的演变情况[3]。13日08:00（图6a），河西北部的小槽已转竖，强冷平流中心位于阿尔泰山脉东部，为-110×10-5℃/s，表明冷空气势力很强；13日20:00（图6b），小槽已东移南下，宁夏地区位于槽底部，带状冷平流主体进入河套地区，3个冷平流中心分别位于内蒙古鄂托克旗附近（中心增大至-140×10-5℃/s）、宁夏贺兰山地区（中心为-100×10-5℃/s）和青海湖东侧（中心为-110×10-5℃/s），强冷平流东移造成宁夏地区气温骤降；14日20:00（图略），冷平流继续东移，影响我国西北地区东部至华北地区西部，中心强度明显减弱，但是宁夏大部地区仍处在-20×10-5℃/s的冷平流控制下，气温持续下降。

由106°E温度平流和假相当位温剖面可知，13日08:00（图6c），锋面还未进入宁夏地区，中低层冷平流强度较弱，冷平流中心主要位于600 hPa以下的40°N以北地区，中心强度为-20×10-5℃/s；13日20:00（图6d），锋面过境，位于35°N附近，能量锋区内的等假相当位温线梯度加大，锋区加强，冷平流主体随高空槽东移南压，且高度抬升至400 hPa，冷平流中心增强至-110×10-5℃/s，位于600 hPa附近，对流层高层冷平流也呈增强趋势，高层冷平流的向下传导对中低层冷平流有明显的加强作用，增大了地面温度梯度，造成地面气温陡降[8]。

图6 2020年2月13日700 hPa温度平流分布（单位：10-5℃/s），经106°E温度平流（单位：10-5℃/s）及假相当位温（等值线，单位：K）剖面图

4 数值预报模式检验

数值预报已成为现阶段制作天气预报的重要工具，了解数值预报性能、提高数值预报应用能力对于准确制作天气预报有着极其重要的意义[9]。横槽转竖型的寒潮天气过程，预报着眼点是横槽何时转竖。因此，针对横槽转竖的时刻（13日08:00），本文根据宁夏寒潮预报客观模式对ECMWF模式的预报进行了检验。13日08:00（表1），冷高压中心强度为1 050 hPa，ECMWF 72 h内预报均较实况偏小7 hPa，预报的范围与实况较为一致；对冷空气前沿气压梯度的预报偏大，乌兰巴托和乌鲁木齐与银川站的气压差预报偏大误差在1～3 hPa内；对高空锋区的预报均与实况较为一致，偏小误差在1.5 gpm内，但对河西走廊地区的转竖小槽预报偏强（预报出现536闭合环流，-35℃冷中心）。ECMWF的温度预报与实况比较一致。总体来说，ECMWF 72 h预报时效内预报较稳定，可预报性高。