宝应2016年1月和2021年1月2次寒潮降温过程的对比分析

2022-10-01徐昝敏周舒佳何馨紫王春晖

农业灾害研究 2022年8期

徐昝敏，周舒佳，何馨紫，王春晖，刘玲

1.江苏省宝应县气象局，江苏宝应 225000；2.江苏省金坛区气象局，江苏常州213000；3.江苏省泗阳县气象局，江苏泗阳 223800

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程，通常会出现剧烈降温和大风天气，有时伴有雨、雪、雨凇和霜冻，对工农业生产、人民生活和健康都有着较为严重的影响[1]。寒潮的本质是冷空气在源地不断堆积，然后在有利的环流背景下向南暴发的过程。目前，我国对寒潮过程的预报准确率较高，主要着眼点于冷空气源地和路径、冷空气的酝酿和暴发、环流形势、极端性的预报[2-5]。

近年来，中国在东亚冬季风的影响下，极端低温事件频发，其中寒潮过程是造成极端低温事件的原因之一[6]。影响寒潮过程中发生极端低温的形成机制中，大气环流最重要。朱乾根等[7]研究发现，高空急流的位置和强度变化与寒潮过程中低温等灾害性天气密切相关。阻塞高压的频繁变化也有利于欧亚大陆寒潮和大范围低温事件的发生[8-10]。

2021年1月6—8日的这场寒潮使得我国很多地区打破了2016年1月24日的最低温度，创下了21世纪以来的最低温度。根据宝应县气象台站资料发现，2021年1月8日，最低气温达-12.1℃，相比2016年1月24日最低气温仅差0.1℃，是宝应县21世纪以来气温最低的2次寒潮过程。

通过对比分析2016年1月22—24日与2021年1月6—8日2次寒潮天气降温过程的差异，分析了各气象要素场的变化，讨论了影响这2次寒潮天气过程的影响系统和降温成因。

1 资料和方法

所用的气温数据来自宝应地区自动观测站常规观测资料。大气的环流形势场、风场、温度场和湿度场采用NCEP/NCAR每6 h观测1次的再分析资料，水平分辨率为1°×1°，对2016年1月22—24日和2021年1月6—8日影响宝应的2次强寒潮天气过程进行了对比分析。

寒潮的标准按照《冷空气等级》国家标准(GB/T 20484—2017)：某地最低气温24 h内降幅≥8℃，或48 h内降幅≥10℃，或72 h内降幅≥12℃，且该地日最低气温下降到≤4℃的冷空气。

2 过程概况对比分析

2016年1月22—24日，受冷空气的影响，宝应县17个站点48 h内最低气温的降幅为7℃～10℃。22日出现明显雨雪冰冻天气，22日08:00—23日08:00降雪量2.0 mm，积雪深度0.8 cm，导致道路结冰。23—24日，宝应县大部分地区出现5～7级偏北大风。

2021年1月6—8日，宝应县17个站点48 h内最低气温的降幅可达10℃～12℃。7—8日，宝应县大部分地区出现5～6级偏北大风，其中广阳湖镇在7日出现了7级偏北极大风。

对比2次寒潮过程，虽然最低温度下降到-12.0℃，但2次寒潮过程的降幅有所不同，2021年的寒潮降温幅度要强于2016年的寒潮，需进一步分析2次寒潮降温的具体原因。

3 主要影响系统对比分析

3.1 2016年寒潮天气形势

1月22日00:00，从500 hPa形势图（图1）上可以看出，主要呈现为一脊一槽的形势，即乌拉尔山以东的东北-西南走向的长波脊，其中有一个阻塞高压，以及东北冷涡向西南延伸出的东北—西南走向的横槽。横槽后部对应着一个-48℃的冷中心，并伴有偏北气流，引导冷空气进一步南下。与此同时，青藏高原南侧附近有一南支槽形成并逐渐东移，槽前的西南气流与南下的冷空气汇合，形成了雨雪天气。之后，阻塞高压崩溃，脊线向东北方向发展，占据了原先冷涡的位置，冷涡被迫继续南下，到23日12:00，冷涡中心已移动到我国华北地区，带来了强降温天气。

图1 2016年1月22日00:00（a）和1月23日12:00（b）的500 hPa位势高度场、风场和温度场

图2为寒潮期间850 hPa的天气形势，22日00:00在湖南、江西处有一低涡向东北方向移动，并形成了一条东北—西南走向的切变线，切变线的动力抬升配合低涡前西南气流输送的充足水汽。此外，从温度场上可以看出，江苏处于冷槽前，温度水平梯度逐渐加大，风场与温度场的夹角接近垂直，带来了很强的冷平流作用，且江苏在850 hPa的等温线明显低于-4℃，因此在江苏出现了雨雪天气。

图2 2016年1月22日00:00的850 hPa位势高度场、风场、温度场和相对湿度场

3.2 2021年寒潮天气形势

1月4日00:00，从500 hPa天气图（图3）中可以看出，中高纬地区环流形势呈一脊一槽，乌拉尔山以东为高压脊，贝加尔湖以北有一冷涡，并延伸出横槽，槽后的冷中心为-48℃。6日00:00，系统东移南下，并在高压脊中形成了一个阻塞高压，由于槽后脊前的偏北气流，使得冷空气不断地向南输送，此时的冷涡中心已南压到我国东北地区。7日00:00系统继续东移，冷涡进一步加强，等温线的密集带已推至江苏，带来了降温天气。7日16:00，冷涡东移入海并减弱，横槽旋转南下。8日06:00，阻塞高压崩溃，横槽转竖。

2021年1月4日的850 hPa图上发现江苏南部有较大的相对湿度，并在偏东气流的作用下，将太平洋的水汽输送至江苏。在5日00:00（图4），江苏大部分地区都处于80%以上的相对湿度区，结合500 hPa江苏处于槽前，给江苏带来了较好的水汽和动力条件，因此江苏出现了弱降水天气。此时，冷锋锋区到达贝加尔湖附近，锋后盛行偏北风，风向与等温线的夹角较大，可以将锋后-36℃的冷空气提前输送到我国。随后，冷中心继续南下，到7日00:00，冷中心已经南压至我国东北地区，给我国带来了大幅度的降温过程。

图4 2021年1月5日00:00（a）和7日00:00（b）的850 hPa位势高度场、风场、温度场和相对湿度场

3.3 2次寒潮过程的对比

从动力条件来看，2次寒潮过程都是横槽转竖型。但从850 hPa图上来看，2次寒潮的冷中心强度有所不同，2016年为-32℃，而2021年为-36℃，因而2021年寒潮的降温幅度大于2016年寒潮，虽然2次寒潮最终都使宝应达到了-12℃左右的最低温度，但是2021年寒潮的强度更大。

从水汽条件来看，因为2016年寒潮有南支槽的西南风输送水汽，2016年寒潮的水汽条件好于2021年寒潮，且-4℃的等温线使得相态为雪，因而2016年宝应出现了小雪天气，2021年宝应只在寒潮到来前出现了小雨天气，且维持时间较短。

4 降温成因对比分析

近地面层局地温度的变化主要是受温度平流和非绝热加热影响的[11]。温度平流主要考虑冷暖平流，而非绝热加热考虑辐射、水汽潜热释放和感热输送[12]。由于2次寒潮过程均有大范围的云系，辐射引起的温度变化较小，所以主要对比研究温度平流和降水对2次寒潮降温过程的影响。

4.1 温度平流的对比

受暖脊的影响，2次寒潮前对宝应地区均有一定程度的气温回升过程（图5）。2016年寒潮前期，宝应地区19—21日最低温度和平均温度均有所回升，其中最低温度在2 d内回升了5.8℃。2021年寒潮前期的回暖程度更大，2—4日最低温度提升了7.9℃，平均温度从-1℃升至3.7℃。

图5 2016年1月18—25日（a）和2021年1月2—9日（b)宝应平均温度、最低温度及最高温度日变化

根据热力方程可知，温度平流的强度主要取决于温度水平梯度、风速，以及风速与等温线夹角。寒潮前期的温度回升过程，提高了南北温度水平梯度，使得冷平流强度变强，局地温度迅速下降。

图6为2016年1月22日06:00的850 hPa冷平流及风场，可以看出，22日06:00在偏北气流的引导下，冷平流中心从河北、河南地区向江苏移动，冷平流最大强度在-24×10-5K/s，此时江苏地区自北向南降温。

图6 2016年1月22日06:00（a）和2021年1月6日06:00（b）的850 hPa冷平流（阴影，单位：10-5 K/s）和风场（风向标，单位：m/s）

2021年1月6日06:00，冷平流中心最大强度可达-28×10-5K/s，明显强于2016年，虽然冷平流中心所处位置与2016年寒潮差不多，但冷平流的范围和强度均强于2016年。此外，从风场可以看到，2021年的偏北大风的最大风速在18 m/s左右，而2016年的最大风速在14 m/s 左右。较大的温度水平梯度和较大的风场使得2021年的冷平流强于2016年，因而2021年寒潮的降温幅度大于2016年寒潮。

对比温度回升、冷平流和风速，均可发现，虽然2次寒潮过程中最低温度都达到了-12℃，但是2021年寒潮的降温幅度强于2016年寒潮。2016年寒潮最低温度能下降至-12℃，是因为寒潮前期的温度相较于2021年寒潮低，即使降温幅度小，也可以达到-12℃。

4.2 降水的对比

对比2次寒潮过程的天气形势图发现，2016年的寒潮在500 hPa上有一支受青藏高原地形影响形成的南支槽，南支槽前西南风携带着水汽，与南下的冷空气交汇处出现了雨雪天气。而在2021年的寒潮中，没有水汽条件，只在寒潮前期出现了弱降水天气。因此，对比2次寒潮过程，2016年寒潮的降水过程加强了降温，而2021年寒潮中的弱降水对降温幅度起到的作用不大。