閻 琦，崔 錦，趙梓淇，李 爽，楊 青

（1.遼寧省氣象臺，遼寧 沈陽 110166；2.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166）

在2015年氣候狀態(tài)聲明中，世界氣象組織詳細匯總了創(chuàng)全球紀錄的世界各地的極端天氣事件。2007年3月初中國東北地區(qū)百年一遇的暴風雪、2012年中國“7·21”北京特大暴雨、2016年 6月 24日中國鹽城阜寧縣龍卷風和強冰雹雙重災害等極端天氣造成的災害嚴重。針對高影響的高溫、低溫、干旱及降水等天氣，氣象專家展開了廣泛研究[1-5]。近年來，眾多學者對寒潮天氣進行了多方面的研究，并取得大量有意義的成果。王遵婭等[6]、錢維宏等[7]、康志明等[8]研究了中國寒潮天氣的時空變化特征。林愛蘭等[9]、伍紅雨等[10]、白松竹等[11]、閻琦等[12]對中國不同區(qū)域寒潮天氣的多年變化規(guī)律進行了分析。朱乾根等[13]、李鋒等[14]、張培忠等[15]、趙玉廣等[16]從環(huán)流形勢方面研究寒潮天氣成因，發(fā)現(xiàn)寒潮過程的天氣學分型在寒潮業(yè)務預報中廣泛應用，對寒潮天氣預報具有較好的指導作用。田秀霞等[17]、丁一匯等[18]、馬曉青等[19]、傅慎明等[20]、邵宇翔等[21]從等熵位渦、大氣低頻波動和能量收支方面對寒潮冷空氣源地、移動路徑、寒潮爆發(fā)原因、降水相態(tài)特征進行深入研究。基于中短期天氣預報[21-27]對典型寒潮天氣個例綜合分析的研究較多。因此對寒潮的機理研究較成熟，為寒潮天氣成因分析奠定了堅實基礎(chǔ)。1999年11月24日（北京時間，下同）遼寧地區(qū)的強寒潮天氣過程（簡稱“11·24”強寒潮過程）是近46 a遼寧最強一次，因此有必要對其成因進行分析，以期積累強寒潮天氣預報經(jīng)驗。

本文采用遼寧省氣象臺業(yè)務應用的區(qū)域性強寒潮過程的標準，即：全省有≥20%站次出現(xiàn)日最低氣溫24 h降溫幅度≥10℃、最低氣溫≤4℃的寒潮過程。利用常規(guī)氣象觀測資料及NCEP再分析資料，應用天氣學原理和動力學診斷等方法，對寒潮天氣成因進行分析。

1 “11·24”寒潮過程實況分析

“11·24”寒潮過程從1999年11月17日開始，11月26日結(jié)束。11月24日遼寧省最低氣溫24 h變溫：遼寧省西北部為8～10℃，其他地區(qū)均在10℃以上，遼寧省中部地區(qū)達18～22℃。1971—2016年遼寧共出現(xiàn)91次區(qū)域性寒潮過程，下面從降溫幅度、寒潮落區(qū)覆蓋率2個方面對比分析此次寒潮強度情況。圖1a為91次寒潮過程的區(qū)域平均最低氣溫24 h變溫，近46 a遼寧省區(qū)域平均降溫幅度多年平均為8℃，90%的寒潮過程的區(qū)域平均降溫幅度在5～10℃之間，99%的寒潮過程的區(qū)域平均降溫幅度＜11℃。2012年4月12日寒潮過程降溫幅度最小為5℃，“11·24”寒潮過程（紅色菱形所示）區(qū)域平均降溫幅度最大達15.8℃。圖1b為91次過程的寒潮覆蓋率，遼寧省平均寒潮覆蓋率為30.7%，80%的寒潮過程的覆蓋率＜35.0%，寒潮覆蓋率＞50.0%的僅占 7.5%，僅“11·24”（紅色菱形所示）寒潮過程的覆蓋率超過70.0%，且達到93.0%，因此“11·24”過程寒潮范圍非常廣。

圖1 1971—2016年遼寧省寒潮過程區(qū)域平均最低氣溫24 h變溫（a）和寒潮覆蓋率（b）

2 結(jié)果分析

2.1 “11·24”寒潮過程環(huán)流及影響系統(tǒng)演變

1999年的“11·24”寒潮過程，由于 NCEP FNL逐6 h業(yè)務化全球分析資料（1°×1°）環(huán)流與實況環(huán)流較吻合，而NCEP FNL資料可以提供時空分辨較高的多要素資料，因此利用NCEP FNL資料分析此次寒潮過程高、低空環(huán)流和影響系統(tǒng)的中短期演變。

2.1.1 500 hPa形勢演變

18—19日，鄂霍茨克海附近低渦與泰梅爾半島低渦合并，低渦后部橫槽發(fā)展。20—21日，橫槽旋轉(zhuǎn)南下至60°N附近，蘇伊士運河至黑海的高壓脊北伸并與喀拉海附近極地高壓合并。22—23日（圖2a），橫槽橫跨 40°～140°E，極地阻塞高壓脊附近（圖3）負渦度平流輸送，且高壓脊以下的氣柱均為暖平流，熱力、動力因子有利于高壓脊加強，高壓脊前覆蓋 55°～140°E、60°～80°N 范圍，大面積偏北風將新地島以東的極地冷空氣輸送到橫槽中堆積，冷渦附近最低溫度達-44℃，橫槽前鋒區(qū)在55°N附近強烈發(fā)展；同時，遼寧地區(qū)在暖平流控制下，氣溫處于回升階段。24日（圖2b），里海低渦發(fā)展與鄂霍茨克海低渦（泰梅爾半島附近低渦南壓形成）后部橫槽打通，使喀拉海附近阻塞高壓與高壓脊分離，西路冷空氣沿阻塞高壓底部偏西氣流向橫槽中輸送；值得注意的是北地群島以東洋面新生成的冷渦（110°～130°E、70°～80°N）開始與鄂霍茨克海低渦合并，引導超極地冷空氣向橫槽中補充，西北路冷空氣加之超極地、西路冷空氣的配合，致使寒潮爆發(fā)階段冷空氣更加強烈；阻塞高壓長軸沿順時針方向移動，導致橫槽南壓，強冷平流影響遼寧寒潮爆發(fā)。

圖2 1999年11月22日（a）、24日（b）20時500 hPa高度（單位：dagpm；棕色粗線為高空槽，紅色虛線為高壓脊）和850 hPa溫度平流（填色，單位：10-5℃/s）

2.1.2 地面系統(tǒng)的演變

19—21日喀拉海附近極地高壓南移與黑海附近高壓合并形成西伯利亞高壓，地面高壓（圖3a）中心上空（44°E藍色粗線所示）及高壓前部850 hPa以下為冷平流，熱力因子有利于高壓中心及前部產(chǎn)生正變壓，但高壓中心上空渦度平流較弱，動力因子對高壓發(fā)展作用不明顯，該階段高壓強度發(fā)展緩慢，中心氣壓1030 hPa。22—24日（圖3b）西伯利亞高壓中心附近（58°N藍色粗線所示）及高壓前部上空渦度平流垂直廓線較比20日20時明顯不同，負渦度平流至低層向高層一致性遞減，動力因子產(chǎn)生下沉運動利于地面加壓，高壓中心附近及高壓前部650 hPa以下各層為較強冷平流，動力、熱力因子共同作用下地面高壓出現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展；23日西伯利亞高壓覆蓋歐亞大陸北部地區(qū)，24 h加壓20 hPa，中心氣壓達到1050 hPa；24日西伯利亞高壓繼續(xù)向東發(fā)展，高壓中心24 h加壓10 hPa，強度達1060 hPa，11月出現(xiàn)如此強的高壓較少見，是產(chǎn)生強寒潮的原因之一。

圖3 溫度平流（填色，單位：10-5℃/s）、渦度平流（黑色等值線，單位：10-10s-2）沿垂直高壓脊直線的剖面

2.1.3 寒潮中心氣溫演變精細化分析

由天氣學中[13]熱力學能量方程可知，局地溫度變化由溫度平流、垂直運動以及非絕熱因子等引起。此次寒潮中心鞍山站位于平原地區(qū)，近地面附近垂直運動近于零，因此從溫度平流、非絕熱因子方面精細化分析氣溫變化的原因。

從鞍山站6 h氣溫變化情況（圖4），發(fā)現(xiàn)從21—23日14時處于回暖階段，尤其是21、22日夜間也是升溫的，利于升溫的非絕熱因子有白天晴空、弱偏南風、無降水，不利于升溫的非絕熱因子有夜間晴空；23日14時到25日08時出現(xiàn)持續(xù)降溫，利于降溫的非絕熱因子有白天多云、弱偏北風、降雪，不利于降溫的非絕熱因子有夜間多云。

圖4 鞍山站地面觀測要素時間演變

各層溫度平流的變化情況如圖5，21—23日14時升溫階段，低層以暖平流為主，而中高層為弱的冷平流。對應降溫階段，23日08時開始975 hPa暖平流開始減弱，24日02時到14時冷平流快速增強到最強，對應氣溫下降17.4℃；850 hPa溫度平流在24日08時到20時快速增強，直至25日14時均維持強冷平流控制；500、200 hPa溫度平流變化趨勢滯后于低層。

21日夜間晴空、風力小，無降水，非絕熱因子有利于夜間降溫，然而氣溫反而上升，可見低層暖平流對氣溫變化影響更大。23日夜間多云、微風，后半夜開始弱降雪，非絕熱因子不利于夜間降溫，然而該階段氣溫下降12℃，與975 hPa強冷平流關(guān)系密切。由此可見低層的溫度平流對氣溫預報具有較好指示作用。

圖5 鞍山站溫度平流（單位：10-5℃/s）時間演變

2.2 “11·24”強寒潮成因進一步分析

2.2.1 冷空氣路徑對比分析

統(tǒng)計91次區(qū)域性寒潮冷空氣路徑發(fā)現(xiàn)，1條冷空氣入侵路徑的個例占57%，2條冷空氣入侵路徑的個例占42%，3條冷空氣入侵路徑的個例占2%。3條冷空氣入侵路徑的過程僅出現(xiàn)2次，較為罕見。1983年2月15日寒潮過程以西路冷空氣為主，東路和超極地冷空氣配合影響。1999年的“11·24”寒潮過程是西北路冷空氣為主，西路及超極地冷空氣為補充。

2.2.2 物理量對比分析

圖6 1971—2016年遼寧省區(qū)域性寒潮過程物理量箱線

應用 NCEP（2.5°×2.5°）資料，統(tǒng)計 91 次區(qū)域性寒潮過程的常用物理量制作箱線圖（圖6）。75%的過程500、850 hPa冷中心分別集中分布在-44～-40℃、-32～-24 ℃?！?1·24”寒潮過程中，500、850 hPa 冷中心溫度為-46、-35℃，低于集中區(qū)域下限，接近歷史極小值，表明中低層冷空氣非常強?！?1·24”寒潮過程高壓中心氣壓1070 hPa，屬于歷年11月罕見的強高壓；鋒區(qū)強度達8條等溫線，為歷史極大值；升溫幅度為10.7℃，沒有高于集中分布區(qū)域上限，升溫幅度一般。

3 結(jié)論

針對1999年遼寧的“11·24”寒潮過程成因進行天氣學、動力學分析及對比分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）“11·24”寒潮，遼寧大部分地區(qū)最低氣溫 24 h下降10℃以上，中部地區(qū)下降18～22℃，是遼寧地區(qū)近46 a降溫幅度最大、覆蓋范圍最廣的一次強寒潮過程。

（2）寒潮醞釀階段，暖平流控制遼寧導致持續(xù)升溫，西伯利亞高壓脊強烈發(fā)展，西北路、西路、超極地冷空氣均向橫槽中輸送并大量堆積，冷暖空氣增強造成鋒區(qū)發(fā)展。寒潮爆發(fā)階段，橫槽南壓引導地面高壓、冷鋒、低空強冷平流影響遼寧，在前期較強升溫和氣溫驟降的共同作用下，形成強的寒潮過程。

（3）造成遼寧寒潮的冷空氣入侵路徑為1、2、3條的個例分別占 57%、42%、2%。“11·24”寒潮過程是西北路冷空氣為主，西路及超極地冷空氣作補充，屬于罕見的3條冷空氣入侵類型中最強的一種。在有利的背景下，中低層冷空氣、鋒區(qū)、地面高壓強度均強于其他寒潮過程，表明冷空氣極強是形成這次少見強寒潮的重要原因。