2023 年5 月巴州北部平原极端低温天气成因及可预报性分析

周雪英，张云惠，仇会民，杨 柳，刘长墉

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒841000；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

春季灾害性天气种类多、冷空气活动频繁，易造成寒潮或低温冻害发生，但南疆盆地春季冷空气活动高频时段集中在4 月[1]，进入5 月，南疆盆地气温迅速升高、降水增多，冷空气活动常造成大风、沙尘暴、局地冰雹和暴雨等多种灾害性天气[2-6]，但云、风、沙等天气现象和城市热岛效应均有效制约最低气温的下降，因此5 月南疆盆地很少发生寒潮和低温霜冻天气。近年来全球气候变暖加剧，西北干旱区新疆气候呈现“暖湿化”特征，气温上升的趋势显著，极端气候事件的频次和强度剧烈变化[7]，5 月寒潮和持续低温天气时有发生，发生后低温强度和范围增强，致使霜冻天气加剧发展，且霜冻灾害造成的损失极其严重[8-9]。春霜冻又称为晚霜冻，指在农作物生长季节里，地面和植物表面温度短时间下降到引起农作物遭受伤害或者死亡的低温，它与最低气温有着密切的关系，南疆盆地晚春低温冻害发生后，喜温作物和果蔬等农林作物正处于幼苗生长和开花坐果阶段，抗冻能力弱，往往造成严重灾害[10-11]。目前关于低温霜冻研究多集中在霜冻气候变化特征的分析[12-14]，近年来新疆暖湿化加剧，对南疆盆地5 月的天气研究多集中在春季降水的影响系统、发生背景、水汽、动力、热力机制和预报经验指标等[15-18]，而低温霜冻天气主要受环流背景异常、影响系统持续时间、冷空气入侵强度及路径、地面冷锋过境、霜冻线移动速度以及地形等综合条件的影响[19]。目前对南疆极端低温雨雪天气成因研究个例分析较少，2023 年5 月2—7 日巴州北部平原发生了一次大范围、高影响的罕见极端低温雨雪天气，此次天气发生在春末，持续时间长、影响范围广，致使巴州地区棉花、林果等喜温作物遭受严重冻害，损失惨重。那么，在增暖背景下，如何做好春季异常极端低温过程中最低气温和雨转雪天气的精准预报，是今后预报预警服务的关键。本文利用常规观测、FNL、NCEP 再分析等资料，对此次极端低温雨雪天气的异常环流背景、冷空气特点、温度平流和锋区结构特征以及可预报性进行诊断，以期提高春季低温霜冻天气的预报预警准确率，为防灾减灾提供参考和依据。

1 低温天气影响及极端性

1.1 天气概况及灾情

2023 年5 月2—7 日巴州北部平原遭遇极端低温雨雪霜冻天气。2—5 日先后出现大风、沙尘暴、暴雨、局地冰雹，6 日，尉犁、库尔勒、焉耆盆地出现同期最晚的罕见雨转雪；7 日，清晨平原各地普遍遭遇低温霜冻，和硕、和静、库尔勒、轮台最低气温打破历史同期极值。此次天气正值巴州各类喜温农作物出苗及幼苗生长关键期，致使巴州北部平原棉花、加工辣椒和番茄等农作物受灾面积达96 305.6 hm2，经济损失3.38 亿元，给当地工农业生产和人民群众生活造成严重影响和危害。

1.2 低温天气的极端性特征

2023 年5 月上旬巴州平均气温仅为10.3 ℃，历年平均气温为16.9 ℃，较历年偏低6.6 ℃，突破历史同期极值；巴州平原各地最低气温也异常偏低，其中和硕、和静、库尔勒、轮台4 站极端最低气温分别为-1.8、-0.9、0.5、0.7 ℃，均破历史同期极值。5 月6日巴州北部平原出现雨转雪也具有极端性，巴州平原历年降雪最晚出现在4 月，5 月除尉犁县1982 年5 月11 日出现过降雪，其余地区均无降雪天气发生。

根据巴州278 个地面气象观测站和86 个乡镇资料分析，2023 年5 月上旬最低气温≤0 ℃和≤2 ℃逐日分布和受低温霜冻影响农业乡镇占比变化见图1。5 月3 日巴州个别农业乡镇出现轻霜冻，日最低气温≤2 ℃的有1 站次；4—5 日有54 站次日最低气温≤0 ℃，3%～8%的农业乡镇出现霜冻，有82 站次日最低气温≤2 ℃，21%～28%的农业乡镇出现轻霜冻；6—7 日有158 站次日最低气温≤0 ℃，28%～69%的农业乡镇出现霜冻，有243 站次日最低气温≤2 ℃，基本全部农业乡镇出现轻霜冻；8—9 日仍有80 站次日最低气温≤2 ℃，13%～42%的农业乡镇出现轻霜冻。此次极端低温天气致使巴州各农业乡镇普遍出现轻霜，超过69%的农业乡镇出现严重霜冻，此次极端低温霜冻天气持续时间长，造成灾害重，影响范围广。

图1 1961—2023 年5 月上旬巴州最低气温≤0 ℃和≤2 ℃自动站数量及霜冻影响乡镇占比逐日变化

2 极端低温成因

2.1 极涡与中亚低涡活动异常

2023 年5 月2—7 日100 hPa 高度及距平场上，北半球极涡呈持续偏心型，中心位于80°N 的鄂霍茨克海附近，同时极涡向西伸至新地岛西南侧，新地岛附近是冷空气活动中我国达到寒潮次数最多的源地[20]。500 hPa 欧亚范围中高纬呈“两脊两槽”的经向环流，即欧洲为低槽活动区，乌拉尔山—西西伯利亚为经向度较大的阻塞高压脊，对应16 dagpm 的正距平，新疆为深厚的中亚低涡，对应14 dagpm 的负距平，正负距平“西北高、东南低”的配置，有利于中亚低涡南下，下游蒙古为浅高压脊。由于乌拉尔山高压脊稳定维持，中亚低涡携带冷空气分两段影响巴州北部，2—4 日乌拉尔山高压脊向北发展，脊前北风带引导冷空气南下（图2a），巴州北部受中亚低涡南压影响，出现大风沙尘暴、暴雨、局地冰雹；5—7日乌拉尔山阻塞高压并向东北伸展（图2b），引导冷空气不断在西西伯利亚堆积，中亚低涡西退至北疆西部翻山进入天山南坡，在东移北抬过程中造成巴州北部极端低温雨雪天气。中亚低涡影响新疆的强度及移动路径统计分析表明[21-22]，中亚低涡东移过程中，均减弱成槽影响新疆，但本次中亚低涡进入新疆后长时间维持，比较少见。

图2 2023 年5 月2—4 日（a）和5—7 日（b）500 hPa 高度及其距平

2.2 中亚低涡影响新疆时间长、冷中心强

由新疆逐日500 hPa 高度和温度场的时间剖面（图3）可知，2023 年5 月2—7 日，乌拉尔山阻塞高压长时间维持，新疆受稳定深厚的中亚低涡影响（图3a、3c）。2—4 日，东欧至乌拉尔山高压脊不断向北发展，中亚低涡中心位于西西伯利亚55°N 附近，中心值为532 dagpm，并伴有-36 ℃的冷中心，槽底南伸至40°N 以南，巴州北部位于中亚低涡底部，受低涡556 dagpm 等高线及-26 ℃等温线南压影响，巴州北部出现大风、沙尘暴、局地暴雨、大范围强对流天气，5 月4 日，平原北部日最低气温开始下降，有47 站次≤0 ℃，3%的农业乡镇出现霜冻，58 站次日最低气温≤2 ℃，21%的农业乡镇出现轻霜冻。5—7日，欧洲高压脊缓慢向东南衰退，中亚低涡在北疆西退南压，然后自西天山翻山进入天山南坡，配合有-32 °C 的冷中心，6 日08 时，-30 °C 的冷舌南伸至40°N 附近（图3b、3d），造成巴州北部库尔勒、尉犁、焉耆盆地罕见雨转雪天气，7 日08 时，巴州158站次日最低气温≤0 ℃，69%的农业乡镇出现霜冻，243 站次日最低气温≤2 ℃，基本全部农业乡镇出现轻霜冻。

图3 2023 年5 月2—7 日沿41°N 500 hPa 高度（a，单位：dagpm，阴影区：位势高度≥544 dagpm，下同）和温度（b，单位：℃，阴影区：温度≤-18 ℃，下同）的时间—经向剖面及沿86°E 500 hPa 高度（c）和温度（d）的时间—纬向剖面

2.3 温度变化和锋生

2.3.1 高空温度与冷暖平流

春季发生罕见极端低温雨转雪天气与高空温度快速下降密切相关，在水平气流方向上气温分布不均匀时，空气水平运动将引起气温的局地变化，暖平流使局地气温上升，冷平流使局地气温下降，因而气温变化的程度决定于温度平流的强度[20]。

从2023 年5 月2—7 日巴州北部平原区域平均温度和温度平流随时间的高度剖面（图4a）可知，过程前期2—4 日0 ℃线高空位置较高，在750 hPa 以上，3 日≥0.6×10-5K/s 的暖平流中心位于650～600 hPa；过程中后期5—7 日0 ℃线高空位置逐步降低，≥0.4×10-5K/s 的暖平流中心明显下降，位于700 hPa 以下，6 日0 ℃线降至850 hPa 附近，在800hPa出现0.6×10-5K/s 的暖平流中心，巴州北部出现雨转雪天气。2—6 日600 hPa 以上长时间维持＜-0.5×10-5K/s 的冷平流，冷平流最强中心在400 hPa 附近，达-4.8×10-5K/s，出现在5 日夜间（图4a）。低层为大范围弱的冷平流包裹着分散的暖平流，说明局地热力不均，有利于冷暖交汇和局地对流发展。

图4 2023 年5 月2—7 日（40°～42.5°N，84°～90°E）巴州北部平原区域高度—时间剖面（a），500 hPa（b）和850 hPa（c）平均温度（黑色实线，单位：℃）及温度平流（彩色阴影区，单位：10-5 K/s）

从500 hPa 水平方向过程平均温度与温度平流分布（图4b）可知，中亚低涡冷中心平均强度为-30 ℃，位于北疆偏西偏北一带，巴州北部平原受-24 ℃等温线控制，巴州北部温度平流在-0.5～2.4×10-5K/s，-4.8×10-5K/s 的强冷平流中心位于巴州东部的东疆地区，即东灌的冷空气对此次降温起到重要作用。从850 hPa 水平方向上过程平均温度与温度平流分布（图4c）可知，巴州北部平原受6 ℃等温线控制，850 hPa 温度平流为±0.2×10-5K/s 冷暖平流之间，在库尔勒地区西南部弱冷平流中包裹着0.8×10-5K/s 的暖平流，有利于降水天气的发生。

2.3.2 锋生与雨雪影响

在2023 年5 月2—7 日新疆维持长历时的低涡活动过程中，巴州北部平原出现两次明显降水时段，都伴随巴州北部平原锋生过程。过程前期受中亚低涡南伸影响，3 日01 时—4 日09 时，巴州北部库尔勒市、博湖县及和硕县出现中到大雨，博湖县出现暴雨。

由3 日02 时500 hPa 假相当位温和锋生函数分布（图5a）可知，巴州北部山区为明显的西风锋区，锋区不断南压，北部山区锋生中心达3×10-7K/（m·s）；巴州北部暴雨天气与低层锋生关系更密切，且与暴雨落区对应[23]，从3 日14 时850 hPa 假相当位温和锋生函数分布（图5c）可知，3 日在轮台北部——巴音布鲁克山区一带开始锋生，锋生中心强度为1.8×10-7K（/m·s），随后锋生区向东南移动造成博湖暴雨。

图5 3 日02 时（a）、6 日02 时500 hPa（b）及3 日14 时（c）、6 日08 时（d）850 hPa 锋生函数（彩色阴影区，单位：10-7 K/m·s）和假相当位温（红色等值线，单位：K）

5—7 日中亚低涡先南压后东移北抬，5 日12时—6 日14 时巴州北部尉犁县、库尔勒市、焉耆盆地出现小雨转雪，其中6 日07 时转雪，6 日11 时由雪转雨，降雪中心在尉犁县，6 日02 时500 hPa 巴州北部存在明显的西南风锋区（图5b），锋生中心强度为2.5×10-7K（/m·s），6 日08 时850 hPa 在库尔勒偏东至焉耆盆地出现不足6 h 的短暂锋生（图5d），锋生中心强度为1.2×10-7K（/m·s），低层锋生与巴州北部平原降水关系密切。3 日夜间和6 日上午巴州北部平原出现降水有利于降温，6 日出现罕见雨转雪，7 日清晨天气转晴后，平流和辐射降温进一步加剧最低气温的下降幅度。

2.4 地面冷空气补充

由2—4 日海平面气压场（图6）可知，冷高压中心位于巴尔喀什湖西北部，中心值达1 030 hPa，1 015 hPa 等压线位于巴州北部，较历年同期偏高1 hPa。5—7 日冷高压中心位于西伯利亚地区，中心值达102 5 hPa，1 020 hPa 等压线位于巴州北部，较历年同期偏高5～7 hPa。过程前期冷空气沿西北路径南下进入新疆，造成北疆偏西偏北地区降温，过程中后期，冷空气得到东北路径的补充，受两路冷空气共同影响，巴州北部出现大范围极端低温雨雪天气。

图6 2023 年5 月2—7 日海平面气压场沿41°N 剖面（a）和沿86°E 剖面（b）

从海平面气压场纬向—时间剖面（图6a）可知，2—4 日位于巴州西侧的冷高压中心逐日增强，4 日冷高压中心强度为1 022.5 hPa，5 日达1 027.5 hPa，6 日增强至1 034 hPa，位于80°E 附近，冷空气势力较历年同期明显偏强。

从经向剖面（图6b）可知，4—5 日1 022.5 hPa的冷高压南压至42°N 以北，6 日1 022.5 hPa 的冷高压南压至39°N 到达巴州北部平原，南疆西部翻山冷空气与南疆盆地东灌冷空气于6 日08 时在巴州北部汇合，使6 日08—11 时巴州北部高空、地面温度快速下降，出现罕见雨转雪天气。

3 可预报性分析

3.1 中亚低涡强度、稳定性及预报偏差分析

中亚低涡影响巴州北部的天气，往往空报率较高，中亚低涡位置偏南有利于南疆盆地出现降水或降温天气[21—22]。对比中亚低涡中心位置及移动路径实况与ECMWF（以下简称“EC”）模式不同起报时间预报，结果表明2—7 日中亚低涡不同起报时间逐12 h 移动路径变化一致，表现为3 日中亚低槽西退南压、4 日低槽加深东移至新疆切涡、5 日中亚低涡在新疆西退南压、6 日低涡在天山南坡东移北抬影响巴州北部，但低涡中心强度和移动路径在预报细节上存在差异，导致对巴州北部的影响有不确定性。

从EC 96 h 预报的路径变化可知，中亚低涡中心强度较实况偏弱，位置偏北偏东，对巴州北部影响相对较弱；3 日起报低涡中心位置明显调整西退南压至新疆偏西的伊犁河谷一带，同时低涡冷中心降至-30 ℃，对巴州北部可能产生明显影响。由于天山山脉阻挡作用，后续的移动路径是否翻越西天山进入南疆盆地，这对巴州北部平原低温雨雪预报很关键。72 h 内预报的中亚低涡中心位置和强度与实况基本一致，且5 日预报的冷中心强度强于实况。与实况出现偏差的关键预报在6 日08 时，中亚低涡外围-28 ℃等温线东移南压的位置，6 日实况-28 ℃等温线明显偏南，3—5 日EC 模式预报整体沿巴州北部山区一带东移北抬，并未预报出-28 ℃等温线南压至40°N 巴州北部平原附近。6 日08 时实况中亚低涡南压和冷空气西翻位置都更偏南一些。

整体来看，EC 模式对于中亚低涡中心强度、位置预报较好，提前96 h 稳定性略差，提前72 h 内中亚低涡预报连续性、一致性较好，对于巴州北部预报偏差主要体现在低涡外围-28 ℃等温线和地面冷高压关键特征线南压的位置。

3.2 巴州北部极端最低气温可预报性

对比分析5 月7 日各种模式不同起报时间对巴州北部国家站24 h 最低气温预报的平均误差（图7a）可知，EC 模式预报偏差最小，误差为0.7～1.5 ℃，基本接近实况；CMA—GFS 和NCEP 预报偏差为3.5～8.4 ℃，误差较大，预报整体高于实况较多。分析各种模式不同时效预报误差可知，CMA—GFS 模式最低气温误差随着预报时效临近，误差逐步减小；NCEP模式误差呈波动式增加；EC 模式整体对极端最低温度预报稳定、准确，可提前72 h 准确预报出最低气温，且误差控制在1 ℃以内，具有业务参考价值。

图7 2023 年5 月7 日巴州北部国家站各模式日最低气温不同起报时间平均误差（a）和5 月6 日库尔勒城区日降水量各模式及智能网格不同时效预报误差（b）

由5 月7 日08 和20 时不同时效预报的最低气温（表1）可知，从2 日开始起报至6 日，平均误差EC 模式＜1 ℃，NCEP 模式误差最大，为5.8～6.5 ℃，CMA—GFS 模式居中，为4.1 ～4.9 ℃。NCEP 和CMA—GFS 模式20 时起报误差均＜08 时起报，EC模式则相反，08 时起报误差略＜20 时起报。

表1 巴州北部5 月7 日各种模式不同起报时间极端低温平均误差变化 ℃

3.3 库尔勒罕见雨转雪的可预报性

从6 日库尔勒城区罕见雨转雪降水实况对应的不同预报时效多模式日降水量误差分析可知，6 日库尔勒城区24 h 降水量为6.2 mm，降水相态复杂，包括雨、雨夹雪和雪3 种相态，且固态雨夹雪降水量为5.1 mm。不同提前量的模式降水预报中，NCEP、EC 模式为负偏差，说明降水量预报偏小；智能网格不同预报产品也是一致的负偏差，且库尔勒城区降水漏报；72 h 内CMA—GFS 数值模式与其他模式一致表现为明显偏差，但是提前48 h 开始CMA—GFS模式明显调强，库尔勒降水为2 mm 左右的正偏差，与实况接近，对于库尔勒降水预报具有很强的指导价值。但是CMA—GFS 模式对库尔勒降水预报空报率较高，尤其预报小量级降水时，多种模式降水预报一致偏小。

库尔勒城区降水相态预报是此次天气的难点，一般情况下春季巴州北部平原降温过程中发生降水时，当850 hPa 温度在0 ℃附近、地面温度在2 ℃以上、降水量级预报较小时，结合云、城市热岛效应等条件，温度一般会有弱的上升，就不会考虑雨转雪天气，当出现雨转雪后，致使气温下降的更明显。因此，对于库尔勒城区降水智能网格预报及数值模式确定性预报整体预报偏小，对于雨雪相态转换的模式预报评估，需要更多精细资料深入分析，这也是今后工作开展的重点方向。

4 结论

本文利用多种资料，对2023 年5 月2—7 日巴州北部极端低温雨雪天气成因和可预报性进行分析，主要结论如下：

（1）极端低温雨雪天气发生在北半球极涡异常活动呈偏心型，乌拉尔山阻塞高压向东北发展，深厚中亚低涡配合-36 °C 的冷中心在新疆长时间维持，中亚低涡自北疆西部翻山进入南疆，-30 ℃冷舌伸至巴州北部的有利天气背景下。5 月影响新疆的中亚低涡多为浅薄型低涡，深厚型中亚低涡在7 月出现最多[24-26]，此次深厚中亚低涡在新疆持续时间及强度出现在5 月实属罕见，低涡深厚与浅薄、持续时间的长短对巴州北部平原天气演变影响差异巨大。

（2）西北路径冷高压东移南压强度较历年同期偏强，冷高压平均中心值达1025 hPa，南疆盆地西翻冷空气与东北路径东灌冷空气在巴州北部汇合增强，造成巴州北部极端雨雪降温。巴州北部高层强冷平流，低层为弱的冷平流包裹暖平流，冷暖交汇致使局地锋生。巴州北部平原两次明显降水时段，与低层锋生和暖平流关系密切，降水落区位于低层暖平流中心和850 hPa 锋生区域，降水天气有利于气温下降。巴州平原北部发生雨转雪时，850 hPa 温度降至0 ℃左右，地面气温骤降至2 ℃左右，雨转雪天气进一步加剧平原最低气温的降幅。

（3）72 h 内EC 模式形势预报较准确预报出中亚低涡中心位置、强度与移动路径，但对低涡外围关键等温线南压位置、低槽移动方向等细节预报有差异，致使对巴州北部雨雪降温预报存在不确定性，尤其中亚低涡外围-28 ℃等温线东移南压的位置对巴州北部平原雨雪降温天气起决定作用。

（4）NCEP、EC、CMA—GFS 数值模式对温度和降水预报的可参考性，各模式表现不一。EC 模式最低气温预报基本接近实况，NCEP、CMA—GFS 模式对极端低温预报偏差大，基本无参考价值；NCEP、EC 模式对库尔勒单站降水预报为负偏差，预报偏小，CMA—GFS 模式为正偏差，预报偏大。对于日最低气温的预报，一般情况更多是参考20 时起报，本次检验表明08 时起报的温度也需要关注并检验，综合考虑有利于提高预报准确率。