肉孜·阿基，李如琦，唐 冶

（新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002）

寒潮是新疆冬春季最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一，由于短期內(nèi)氣溫下降劇烈，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及日常生活造成嚴(yán)重的危害。近年來(lái)氣象學(xué)者對(duì)我國(guó)錯(cuò)綜復(fù)雜的寒潮天氣過(guò)程進(jìn)行了天氣動(dòng)力學(xué)診斷和數(shù)值模擬研究，得到了不少有益的成果。但由于很多條件的制約，對(duì)寒潮強(qiáng)度、路徑等各方面的研究還存在較大的局限性，對(duì)寒潮爆發(fā)的認(rèn)識(shí)還存在許多不足。寒潮天氣的影響范圍大，造成的損失呈擴(kuò)大趨勢(shì)，因此，開(kāi)展寒潮過(guò)程的分析總結(jié)工作，認(rèn)識(shí)其發(fā)生發(fā)展的客觀規(guī)律，提高寒潮預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，減輕寒潮天氣造成的損失，無(wú)疑是一件十分有意義的工作。

2010年12月31日02 時(shí)到2011年1月2日20 時(shí)，受北方橫槽轉(zhuǎn)豎東移的影響，北疆、東疆出現(xiàn)強(qiáng)寒潮天氣過(guò)程，對(duì)交通、農(nóng)業(yè)、林果業(yè)等造成很大影響，強(qiáng)寒潮天氣使北疆地區(qū)最低氣溫下降15 ℃以上，北疆大部地區(qū)的最低氣溫達(dá)-30 ℃以下，1個(gè)站破了建站以來(lái)1月歷史極值，8個(gè)站為1月歷史第二位，7個(gè)站為1月歷史第三位。另有13個(gè)站破了1月近30 a 極值，12個(gè)站破了1月上旬歷史極值。本次寒潮不但強(qiáng)度很強(qiáng)，而且嚴(yán)寒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成嚴(yán)重后續(xù)衍生災(zāi)害：寒潮后的低溫天氣造成昌吉州木壘縣近百座大棚果類(lèi)蔬菜不同程度的被凍傷；烏魯木齊市天山區(qū)、水磨溝區(qū)、新市區(qū)多處下水道、自來(lái)水管道、天然氣管道閥門(mén)凍壞；凍傷骨折患者明顯增多。本文利用NCEP 1°×1°的6 h分析資料和常規(guī)觀測(cè)等資料，對(duì)本次寒潮天氣過(guò)程成因進(jìn)行了診斷分析，以期對(duì)新疆寒潮的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供參考。

1 寒潮過(guò)程概況

1.1 天氣過(guò)程實(shí)況

2010年12月31日02 時(shí)至2011年1月2日20 時(shí)，北疆各地、天山山區(qū)、吐鄯托及哈密地區(qū)普遍出現(xiàn)微到小雪，其中伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)的部分地區(qū)中雪，伊犁河谷、北疆沿天山一帶局地大雪，北疆、東疆風(fēng)口風(fēng)力8～10 級(jí)，上述地區(qū)最低氣溫普遍下降了10～15 ℃，部分地區(qū)下降15～20 ℃，局部地區(qū)降幅達(dá)20～25 ℃。

1.2 天氣過(guò)程特點(diǎn)

（1）降雪量不大。北疆、東疆普遍降小雪，僅伊犁河谷、阿勒泰東部、北疆沿天山一帶、天山山區(qū)的部分地區(qū)出現(xiàn)中雪，局地大雪。（2）降溫幅度大，低溫嚴(yán)寒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。北疆大部地區(qū)最低氣溫下降幅度達(dá)15 ℃以上，阿勒泰東北部、塔城北部下降幅度達(dá)20℃以上，北疆大部地區(qū)的最低氣溫達(dá)-30 ℃以下，局地最低氣溫達(dá)-40 ℃以下，北疆地區(qū)平均氣溫較常年偏低15 ℃左右，并且持續(xù)到1月中旬。

2 大尺度環(huán)流和主要影響系統(tǒng)

2.1 100 hPa 環(huán)流背景

過(guò)程前期極渦為偏心型分布，極渦中心位于新地島東北部，中高緯度地區(qū)為3 波型，主要長(zhǎng)波槽位于西伯利亞，新疆處于西北氣流控制中。2010年12月30日，東歐脊發(fā)展，極渦逆轉(zhuǎn)東移，西伯利亞長(zhǎng)波槽迅速南伸，與中亞地區(qū)低槽聯(lián)通，形成西伯利亞到中亞的長(zhǎng)波槽（圖1）。2011年1月1日，東歐脊繼續(xù)發(fā)展推動(dòng)長(zhǎng)波槽東移，造成這次寒潮天氣過(guò)程。

圖1 30日20 時(shí)100 hPa 環(huán)流形勢(shì)

2.2 強(qiáng)冷空氣的聚積

寒潮能否爆發(fā)，與前期的大氣環(huán)流形勢(shì)、冷源及冷空氣的聚集程度有著密切的關(guān)系。本次寒潮天氣過(guò)程是在500 hPa 歐亞中高緯環(huán)流發(fā)生西長(zhǎng)東消形勢(shì)下爆發(fā)的。寒潮爆發(fā)前12月29日，500 hPa 上歐亞中高緯呈三槽兩脊型分布，烏拉爾山以西及巴爾喀什湖以北為兩個(gè)弱脊，歐洲、烏拉爾山到新地島及西伯利亞為低值區(qū)，西西伯利亞到新疆西部國(guó)境線都在強(qiáng)鋒區(qū)控制下。歐洲低槽持續(xù)發(fā)展東北移，烏拉爾山脊強(qiáng)烈發(fā)展，脊前北風(fēng)帶形成，新地島冷渦分裂一個(gè)短波東移南下到西西伯利亞并形成獨(dú)立的中心，在槽前巴爾喀什湖高壓脊的阻擋下，低渦持續(xù)加強(qiáng)并緩慢南壓，12月30日，低渦中心強(qiáng)度達(dá)512 daghm 并伴有-40 ℃冷中心，鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)15個(gè)緯距內(nèi)13 條等高線，低槽中冷平流使巴爾喀什湖高壓脊減弱東移到蒙古西部（圖2）。隨后烏拉爾山高壓脊繼續(xù)發(fā)展，脊頂東擴(kuò)，推動(dòng)西西伯利亞低渦中心逆轉(zhuǎn)，使低槽軸向呈西南—東北向。海平面氣壓場(chǎng)上，上游冷高壓在歐洲東部生成，隨后開(kāi)始緩慢東移并略南壓。高空槽北面東北氣流引導(dǎo)的超極地冷空氣、槽后北風(fēng)帶引導(dǎo)的北方冷空氣在烏拉爾山地區(qū)合并注入到冷高壓中，使冷高壓進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)蒙古高壓分裂成南北兩部分，北面高壓西退北收，于31日14 時(shí)退到新地島以東并與烏拉爾山冷高壓合并，形成異常強(qiáng)的冷高壓，整個(gè)東歐到西伯利亞的中高緯均為高壓帶，高壓中心強(qiáng)度為1 050 hPa，鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)10個(gè)緯距內(nèi)10 條等壓線，冷鋒前端已達(dá)西部國(guó)境線附近（圖3）。冷中心溫度達(dá)-40 ℃的高空冷渦和地面強(qiáng)冷高壓的形成標(biāo)志著冷空氣堆已形成。

圖2 30日20 時(shí)500 hPa 環(huán)流形勢(shì)

圖3 31日14 時(shí)海平面氣壓場(chǎng)

2.3 冷空氣的向南爆發(fā)

12月30日夜間到1日，大西洋沿岸低槽迅速發(fā)展并東北移，受其擠壓，里咸海高壓脊的脊頂繼續(xù)東擴(kuò)并南壓，脊前東北氣流使西西伯利亞低槽進(jìn)一步加強(qiáng)并變?yōu)闄M槽，伴有-44 ℃冷中心的冷渦中心進(jìn)入了北疆北部地區(qū)，新疆大部都在槽區(qū)控制下，槽前等高線疏散形成正渦度平流和冷平流產(chǎn)生負(fù)變高；橫槽后部東北氣流逆轉(zhuǎn)為西北氣流出現(xiàn)暖平流的正變高，預(yù)示著橫槽將要轉(zhuǎn)豎。1日白天開(kāi)始，烏拉爾山高壓脊向南衰退，橫槽轉(zhuǎn)豎，分兩個(gè)波東移，引導(dǎo)西西伯利亞強(qiáng)冷空氣全面向南爆發(fā)，冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)1 056 hPa，鋒區(qū)在10個(gè)緯距內(nèi)有15 條等壓線，冷鋒完全進(jìn)入新疆并繼續(xù)南壓到天山一帶，北疆地區(qū)的強(qiáng)降溫開(kāi)始。2日白天，烏拉爾山西部到我國(guó)東北的廣闊地域均為強(qiáng)冷高壓控制區(qū)，高壓中心移到貝加爾湖以北并加強(qiáng)為1 060 hPa。2日20 時(shí)，降水結(jié)束。直到3日白天，強(qiáng)冷高壓才開(kāi)始緩慢減弱東移北收，新疆上游也開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)變壓，北疆溫度也開(kāi)始緩慢回升。4日14 時(shí)，強(qiáng)冷空氣對(duì)新疆的影響結(jié)束。從地面冷高的形成和移動(dòng)路徑分析（圖4），這次寒潮屬較為典型的西北路徑寒潮。

圖4 地面和500 hPa 形勢(shì)演變圖

3 強(qiáng)降溫成因

根據(jù)“Z”坐標(biāo)系熱力學(xué)方程分析，在本次寒潮過(guò)程中，氣溫驟降的主要原因是強(qiáng)冷平流所致。

式（1）中，對(duì)于近地層w 可近似為0，變壓和氣壓平流引起的溫度局地變化也很小。因此，某地溫度的變化主要決定于溫度平流和非絕熱因子的作用。溫度平流主要考慮平流冷暖性質(zhì)和強(qiáng)度，非絕熱因子考慮輻射、水汽凝結(jié)、蒸發(fā)和地面感熱對(duì)氣溫的影響。氣溫的非絕熱變化主要表現(xiàn)為氣溫的日變化和氣團(tuán)變性。在本次寒潮過(guò)程中，由于有大量的鋒面云系，太陽(yáng)輻射和地表輻射引起的氣溫日變化較小，北疆降雪過(guò)程中水汽凝結(jié)作用會(huì)使氣溫有所下降，但氣溫驟降則是強(qiáng)冷平流所引起的。故本節(jié)只討論低層冷平流的演變情況。

從2010年12月30日20 時(shí)至2011年1月2日20 時(shí)850 hPa 冷平流分布圖（圖5）上可知，30日，北疆大部還處在暖平流下，境外上游有帶狀冷平流區(qū)，中心強(qiáng)度為-30×10-4℃·s-1，表明冷空氣很強(qiáng)。伴隨著高空橫槽轉(zhuǎn)豎東移，冷平流開(kāi)始侵入新疆并緩慢東移，31日冷平流中心位于塔城地區(qū)，強(qiáng)度為-40×10-4℃·s-1，天山山區(qū)也有一個(gè)強(qiáng)度為-20×10-4℃·s-1的中心。1日08 時(shí)，隨著冷空氣全面向南爆發(fā)，冷平流覆蓋了整個(gè)北疆和哈密地區(qū)，最強(qiáng)中心依然位于塔城地區(qū)，中心強(qiáng)度加強(qiáng)為-80×10-4℃·s-1，這也是北疆強(qiáng)降溫開(kāi)始的時(shí)間，說(shuō)明這次北疆大范圍寒潮降溫天氣是由強(qiáng)冷平流造成的。隨后，冷平流區(qū)東移南壓，翻越天山山脈，哈密地區(qū)、吐鄯托盆地相繼出現(xiàn)了-30×10-4℃·s-1的冷平流中心。2日08 時(shí)，冷平流開(kāi)始減弱。700 hPa 和500 hPa 的冷平流變化情況同850 hPa 基本一致。

4 降雪成因

4.1 渦度場(chǎng)、散度場(chǎng)和垂直速度分析

中低層輻合與高層輻散是降雪形成的有利動(dòng)力條件。通過(guò)對(duì)2010年12月28日至2011年1月3日逐6 小時(shí)850 hPa、700 hPa、500 hPa 和200 hPa的渦度場(chǎng)、散度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，850 hPa上，北疆大部持續(xù)為正渦度，強(qiáng)度不大，31日08 時(shí)正渦度中心位于阿勒泰，中心強(qiáng)度為8×10-5s-1，700 hPa、500 hPa 則為負(fù)渦度，直到31日02 時(shí)北疆大部中低層都有弱下沉氣流，不利于降水。隨后負(fù)渦度開(kāi)始緩慢減小，31日14 時(shí)開(kāi)始形成正渦度，尤其在2日02 時(shí)，700 hPa 和500 hPa分別出現(xiàn)了中心強(qiáng)度為12×10-5s-1、15×10-5s-1的強(qiáng)正渦度（圖6），這與北疆降雪開(kāi)始時(shí)間基本吻合，表明隨著天氣系統(tǒng)進(jìn)入新疆，弱下沉氣流開(kāi)始變?yōu)樯仙龤饬?，冷空氣向南爆發(fā)時(shí)，上升氣流明顯加強(qiáng)。散度場(chǎng)上，冷空氣向南爆發(fā)前，中低層伊犁河谷、阿勒泰東部、天山山區(qū)都出現(xiàn)了輻合區(qū)，對(duì)應(yīng)200 hPa 是弱輻散區(qū)。最強(qiáng)輻合中心3×10-5s-1位于伊犁河谷和天山山區(qū)。從垂直速度場(chǎng)上看，過(guò)程開(kāi)始時(shí)，北疆各地上空從低層850 hPa 到中層500 hPa 的垂直速度均為較小的正值，即北疆上空為弱下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)。從31日20 時(shí)（圖7），北疆大部垂直速度由負(fù)值逐漸變成了正值，且在1日夜間達(dá)到最大，中心區(qū)域在伊犁河谷和天山山區(qū)，中心值分別為1×10-1Pa·s-1、0.5×10-1Pa·s-1。渦散場(chǎng)和垂直速度的中心區(qū)域與過(guò)程降水的大值區(qū)（即阿勒泰、伊犁河谷、天山山區(qū)）比較吻合，說(shuō)明隨著強(qiáng)冷平流進(jìn)入，上述地區(qū)在中低層均出現(xiàn)了較強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，為降雪提供動(dòng)力條件。

圖5 30日20 時(shí)至1月2日20 時(shí)850 hPa 冷平流分布圖（單位：10-4 ℃·s-1）

圖6 2日02 時(shí)500 hPa（a）和700 hP（b）渦度場(chǎng)（單位：10-5 s-1）

圖7 500 hPa 垂直速度（a.31日20 時(shí)；b.2日02 時(shí)）

4.2 水汽條件分析

通過(guò)分析850 hPa、700 hPa、500 hPa 的水汽通量發(fā)現(xiàn)（圖略），本次過(guò)程降水的水汽主要是由700～850 hPa 上從里咸海盛行的一支偏西急流所攜帶，然后經(jīng)巴爾喀什湖向東輸送到北疆地區(qū)。偏西急流從2010年12月28日開(kāi)始加強(qiáng)并東移，30日進(jìn)入新疆，31日20 時(shí)700 hPa 最大風(fēng)速增強(qiáng)到24 m/s，850 hPa 最大風(fēng)速增強(qiáng)到14 m/s，大風(fēng)速區(qū)位于伊犁河谷和塔城，致使西部沿天山和阿勒泰東部出現(xiàn)風(fēng)速的輻合。急流維持到2011年1月1日夜間，從2日08 時(shí)開(kāi)始，兩層的風(fēng)速均明顯減小。700 hPa、850 hPa 水汽通量圖上，這支偏西急流將里、咸海上空較豐富水汽攜帶到西部國(guó)境線附近，其中大部分水汽沿著西南氣流移到了西伯利亞，只有較少一部分東移到北疆地區(qū)，為降雪提供了基本水汽條件。同時(shí)由于副熱帶鋒區(qū)位置過(guò)于偏南，孟加拉灣暖濕氣流沒(méi)能補(bǔ)充到北疆地區(qū)，致使北疆上空水汽條件相對(duì)較差，所以本次寒潮的降水并不是很明顯。

5 本次過(guò)程的預(yù)報(bào)難點(diǎn)

對(duì)于這次過(guò)程預(yù)報(bào)北疆地區(qū)將有中到大雪、局部暴雪，但實(shí)況跟預(yù)報(bào)相差較大。預(yù)報(bào)員對(duì)于強(qiáng)降溫的預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，但對(duì)于過(guò)程降水量級(jí)和降水落區(qū)的判斷出入較大，這是由于以下兩個(gè)原因：（1）本次冷空氣的路徑為西北路徑，但副熱帶鋒區(qū)位置較偏南。一般來(lái)說(shuō)，西北路徑的寒潮對(duì)新疆地區(qū)的影響降溫降水都很明顯，但前提是孟加拉灣暖濕氣流通過(guò)副熱帶鋒區(qū)源源不斷的輸送到北疆地區(qū)，保證充分的水汽供應(yīng)。本次過(guò)程中，數(shù)值模式對(duì)于副熱帶鋒區(qū)位置的預(yù)報(bào)偏差較大，實(shí)況跟模式預(yù)報(bào)相比，位置更偏南，而且系統(tǒng)也更弱，這樣導(dǎo)致西南暖濕氣流無(wú)法與北支冷空氣配合，因此降水量比預(yù)報(bào)的明顯偏小；（2）幾家模式對(duì)北疆地區(qū)的降水預(yù)報(bào)的量級(jí)均偏大。在強(qiáng)天氣來(lái)臨前，預(yù)報(bào)員對(duì)模式預(yù)報(bào)的依賴(lài)性較大，數(shù)值預(yù)報(bào)偏差大，導(dǎo)致預(yù)報(bào)員對(duì)降水的判斷出現(xiàn)誤差。正是這兩個(gè)原因，導(dǎo)致本次天氣降水量級(jí)預(yù)報(bào)偏大，這也是本次寒潮天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)難點(diǎn)。

6 小結(jié)

（1）前期烏拉爾山脊異常增強(qiáng)，脊前北風(fēng)帶和斜槽后的東北風(fēng)引導(dǎo)極地冷空氣和超極地冷空氣在西西伯利亞聚積，使地面冷高壓快速增強(qiáng)，這是寒潮向南爆發(fā)的前提條件。隨著新地島低渦分裂短波南壓并東移，巴爾喀什湖高壓脊東移衰退，導(dǎo)致西西伯利亞冷空氣迅速向南暴發(fā)。西西伯利亞冷渦是本次寒潮天氣的影響系統(tǒng)。

（2）烏拉爾山附近高壓的變化對(duì)寒潮天氣的形成至關(guān)重要。過(guò)程前期，由于烏拉爾山高壓脊快速發(fā)展東擴(kuò)，引導(dǎo)極地冷空氣和超極地冷空氣迅速南下到西西伯利亞聚集，使地面冷高壓異常增強(qiáng)。而中后期也是烏拉爾山高壓脊向東南衰退，導(dǎo)致強(qiáng)冷空氣南下進(jìn)入新疆，使寒潮爆發(fā)。

（3）地面異常強(qiáng)的冷高壓、高空鋒區(qū)和強(qiáng)冷平流，是造成本次寒潮劇烈降溫的主要原因。

（4）北疆上空中低層渦散場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)較一致，出現(xiàn)了較明顯的輻合上升運(yùn)動(dòng)，中心區(qū)域位于伊犁河谷、阿勒泰東部和天山山區(qū)，為降雪提供了動(dòng)力條件。

（5）西北路徑的寒潮來(lái)臨時(shí)，需要有副熱帶鋒區(qū)配合，引導(dǎo)西南暖濕氣流東北上，與寒潮冷空氣配合，才會(huì)造成大降水。如果副熱帶鋒區(qū)偏南，則寒潮的影響以降溫為主，而降水不會(huì)很大。

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