胡 萍,冉仙果,徐大紅,聶 云,張李娟，蔡成瑤

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省沿河縣氣象局，貴州 沿河 565300)

0 引言

寒潮是貴州省冬季主要的災害性天氣之一[1]，其主要特點是劇烈降溫和大風，有時還伴有雨、雪、雨凇、霜凍等[2]。寒潮對人們生產、生活帶來諸多不利影響，能導致河港封凍、交通中斷、畜牧和農作物受凍等危害。近年來對貴州省的凍雨天氣過程研究比較多[3-5]，對寒潮的研究較少[6-7]，許丹[8]指出近55 a貴州寒潮天氣過程呈微弱減少趨勢,張艷梅[9]分析了近48 a貴州寒潮天氣發(fā)生次數的時空分布及環(huán)流特征，發(fā)現貴州東北部邊緣地區(qū)寒潮天氣出現較少。銅仁市地處中低緯地區(qū)，位于貴州省東北部，強冷空氣南下侵襲的降溫幅度很少能達到寒潮天氣過程，但是一旦達到寒潮天氣過程時，其造成的危害及影響不容小覷，尤其是寒潮帶來的雨雪和冰凍天氣對銅仁市交通運輸危害極大，春季和秋季的強寒潮造成的災害更大，能導致早春晚秋田間作物受到十分嚴重的凍害，甚至絕收[10]。2018年12月29日銅仁市發(fā)生一次寒潮天氣過程，日最低氣溫達到-3.4 ℃，48 h日平均氣溫降幅達11.5 ℃，此次寒潮還伴有全市大范圍降雪，銅仁市東部出現暴雪天氣，碧江區(qū)積雪深度達14 mm，并伴有持續(xù)低溫、道路結冰等災害，使得多處道路有車輛及人員的滯留，房屋損壞、養(yǎng)殖場坍塌、牲畜死亡及蔬菜、油菜等農作物受災嚴重，經濟損失達9 292.69萬元(注：信息來源于http://10.1.64.146)。因此，本文對銅仁市寒潮天氣過程的環(huán)流形勢進行分析研究，找出寒潮天氣環(huán)流背景和影響因子，提高寒潮天氣預報精準度，從而服務于工農業(yè)部門。

1 資料和方法

1.1 資料

資料來源于中國氣象局每日下發(fā)的業(yè)務常規(guī)資料，收集2009—2018年銅仁市10個國家觀測站逐日平均氣溫和最低氣溫資料，以及預報業(yè)務應用的MICAPS逐日高低空探測和觀測資料。

1.2 方法

為方便研究銅仁市寒潮天氣密集程度和強度情況，參照中國氣象局寒潮定義標準和貴州省寒潮業(yè)務考核標準，將銅仁市單站和區(qū)域性寒潮以及寒潮強度標準定義如下：

單站寒潮標準：對某一站點，受冷空氣的影響，24 h內日平均氣溫下降8 ℃以上或48 h內日平均氣溫下降10 ℃以上或72 h內日平均氣溫下降12 ℃以上，同時最低氣溫降至4 ℃及以下。

區(qū)域性寒潮標準：銅仁市有2個國家觀測站達到上述單站寒潮標準，稱為一次區(qū)域性寒潮過程。

寒潮強度劃分標準如下:

24 h內日平均氣溫降幅≥8 ℃或48 h內日平均氣溫降幅≥10 ℃或72 h內日平均氣溫降幅≥12 ℃，同時日最低氣溫≤4 ℃，稱為一次寒潮天氣過程。

24 h內日平均氣溫降幅≥10 ℃或48 h內日平均氣溫降幅≥12 ℃或72 h內日平均氣溫降幅≥14 ℃，同時日最低氣溫≤2 ℃，稱為一次強寒潮天氣過程。

24 h內日平均氣溫降幅≥12 ℃或48 h內日平均氣溫降幅≥14 ℃或72 h內日平均氣溫降幅≥16 ℃，同時日最低氣溫≤0 ℃，稱為一次特強寒潮天氣過程。

寒潮天氣過程的標準為: 單站寒潮標準的站數超過1站作為一次寒潮天氣過程。在一次寒潮過程中，冷空氣持續(xù)補充南下影響時，寒潮天氣可能持續(xù)影響到24 h、48 h、72 h，則只按起始日期最早的時次統(tǒng)計分析[6]。

2 銅仁市寒潮分布特征

2.1 空間分布特征

從24 h、48 h、72 h達到寒潮天氣過程的空間分布圖可見(圖1)，大多數的寒潮天氣過程發(fā)生在銅仁市東南部，其中萬山鎮(zhèn)最多。從達到寒潮標準的次數來看。24 h達到寒潮標準的次數最多占50%為0～9次，其中萬山鎮(zhèn)9次為最多，碧江區(qū)次之為3次，沿河、思南、松桃三縣均無寒潮天氣發(fā)生。48 h達到寒潮的次數占30%為0～5次，其中萬山鎮(zhèn)5次最多，玉屏縣、石阡縣均發(fā)生1次，其余區(qū)縣沒有達到寒潮標準。72 h達到寒潮的次數最少占20%為0～4次，其中萬山鎮(zhèn)4次最多，玉屏縣發(fā)生1次，其余區(qū)縣均沒有寒潮天氣發(fā)生。由此可見，萬山鎮(zhèn)為寒潮多發(fā)區(qū)，沿河、思南、松桃為寒潮不易發(fā)生區(qū)。

圖1 銅仁市近10 a國家站24 h(a)、48 h(b)、72 h(c)寒潮發(fā)生次數空間分布

2.2 時間分布特征

從寒潮發(fā)生的年份來看(圖2)，銅仁市除了2009、2012、2015年沒有發(fā)生寒潮天氣過程外，其余年份均有寒潮天氣過程發(fā)生。其中2011年發(fā)生寒潮天氣過程次數最多達6次，2016年次之為4次，多在24 h內達到寒潮天氣過程。48 h內達到寒潮標準天氣過程主要發(fā)生在2010、2013和2018年，均為2次；72 h內達到寒潮標準天氣過程主要發(fā)生在2010、2011、2016和2018年，均為1次。

圖2 銅仁市近10 a國家站寒潮年日數時間分布

從寒潮發(fā)生的月份來看(圖3)，銅仁市寒潮天氣發(fā)生時段主要集中在當年10月—次年4月，以2月發(fā)生的次數最多。24 h、48 h、72 h達到寒潮的天氣過程發(fā)生的月份也有些差異，24 h達到寒潮天氣多出現在2、3、4、11、12月，其中2月顯著多于其它月份；48 h達到寒潮天氣多出現在2、3、4、10月，其中2、3月次數最多，均達2次；72 h達到寒潮天氣多出現在1、3、11、12月，出現次數均為1次。

圖3 銅仁市近10 a國家站寒潮月數時間分布

2.3 強度分布特征

統(tǒng)計銅仁市2009—2018年寒潮天氣，結果見表1。從寒潮發(fā)生的范圍來看，以單站寒潮為主，占比70%，且絕大多數為一般強度寒潮。從發(fā)生的寒潮天氣過程來看，一般強度的寒潮發(fā)生15次，占寒潮總數的75%，平均每年1.5次；強寒潮發(fā)生4次，占20%；特強寒潮發(fā)生1次，占比5%，發(fā)生的次數最少。20次寒潮過程單站達到寒潮標準的有12次，單站達到強寒潮標準的有2次，其余等級寒潮強度2站以上總計出現6次，可見，銅仁市以單站寒潮天氣為主，極少出現大范圍寒潮天氣。

表1 銅仁市10個基本氣象觀測站2009—2018年不同強度寒潮次數

3 銅仁市寒潮天氣的冷空氣源地及路徑特征

影響我國的冷空氣大部分都要經過西伯利亞中部(43～65°N、70～90°E)地區(qū)，稱為寒潮關鍵區(qū)，冷空氣從關鍵區(qū)侵入我國有4條路徑，分別為西北路、東路、西路及東路加西路[11]。許丹、張艷梅等[8-9]的研究指出，貴州寒潮天氣的發(fā)生與寒潮關鍵區(qū)冷空氣強弱以及天氣系統(tǒng)的影響有關。

冷空氣從關鍵區(qū)侵入銅仁市大體有3條路徑(圖4、表2)：Ⅰ型路徑，從關鍵區(qū)經蒙古國的冷空氣與新西伯利亞的冷空氣合并，經內蒙古中東部—河北—河南中東部—湖南西北部侵入銅仁市東部，占比21%，此類路徑多在24 h內出現寒潮天氣。Ⅱ型路徑，從關鍵區(qū)經蒙古國—內蒙古中部—河南中部—湖南西北部侵入銅仁市東部，進而影響全市，占比68%，此類型路徑多在48 h、72 h內出現寒潮天氣。Ⅲ型路徑，從關鍵區(qū)經蒙古國向南分裂成兩股冷空氣入侵，西段從四川中部經貴州省西北部向東侵入銅仁市西部，東段從湖北西部經湖南西北部侵入銅仁市東部，稱為西北+東北路徑，占比11%，此類型路徑冷空氣達到寒潮天氣過程較少，均在24 h內出現寒潮天氣過程。

圖4 寒潮天氣過程入侵銅仁市冷空氣路徑(粗紅線為貴州省邊界，細紅線為銅仁市區(qū)縣界，空心箭頭為冷空氣侵入銅仁市的路徑)

表2 不同寒潮強度的天氣要素統(tǒng)計分析

4 寒潮天氣的環(huán)流形勢特征

基于500 hPa環(huán)流和海平面氣壓場形勢，應用聚類分析方法對寒潮天氣過程進行客觀分類，依據《貴州省新版預報員手冊》中的短期天氣形勢分型，將有利寒潮天氣出現的環(huán)流形勢歸納為經向型、橫槽型及緯向型。其中經向型最多，共8次(占比42%)，受Ⅰ型或Ⅱ型東北路徑冷空氣影響，冷鋒位置多位于四川境內—貴州中部一線，一般強度寒潮6次，強寒潮2次。緯向型次之，共6次(占32%)，多為Ⅱ型東北路徑冷空氣影響，其中一般強度寒潮為5次，冷鋒位置均在四川南部—貴州中部一帶，強寒潮1次，冷鋒位置位于四川東部—貴州中東部。經向型與緯向型強寒潮的共同點在于冷空氣路徑均為Ⅱ型東北路徑，前期沒有熱低壓的影響，這是由于冷空氣強度較強造成較大的降溫幅度；一般強度寒潮的Ⅰ型冷空氣路徑影響下在銅仁市前期均有西藏—四川東伸或云南—廣西北擴的熱低壓影響致其升溫，隨著冷鋒南下侵入造成寒潮天氣的發(fā)生。橫槽型相對較少，冷空氣路徑有兩類，分別是Ⅱ型東北路徑和Ⅲ型東北+西北路徑，共5次(占比26%)，一般強度寒潮4次，冷鋒位置均在四川南部—貴州中部一帶，強寒潮1次，受Ⅲ型東北+西北路徑冷空氣影響，前期有云南—廣西北擴的熱低壓影響致其升溫，隨著冷鋒南下至四川東部—貴州中部一帶時造成強寒潮的發(fā)生。

4.1 經向型

此型寒潮過程主要受新西伯利亞冷高壓或新西伯利亞與蒙古高壓共同影響，多為東北路徑冷空氣，冬季、春季均有發(fā)生，次數較多，除造成寒潮天氣外，還常引起降雨和雨夾雪。經向型寒潮爆發(fā)時環(huán)流形勢如圖5，在500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢，高壓脊在河套至貝湖附近發(fā)展強盛，在里海附近和東北地區(qū)有低渦或低壓槽存在，常有冷渦配合，槽脊振幅較大，貫穿30～60°N；700 hPa上0 ℃線伸至銅仁市北部(圖略)；850 hPa溫度鋒區(qū)南下至銅仁市—湖南省北部一帶，鋒區(qū)北側東北急流達16～18 m/s(圖略)；海平面氣壓場上蒙古高壓發(fā)展，地面前期西藏—四川東伸的暖低壓使得銅仁市增溫明顯(圖略)，位于河南—陜西—四川北部的冷鋒快速南下，冷空氣從東北方向南下侵入影響銅仁市，24 h后迅速移至貴州省西南部邊緣(圖5b)，地面氣溫下降，寒潮爆發(fā)。

圖5 經向型寒潮爆發(fā)時500 hPa高度場和溫度場(a)、海平面氣壓場(b)

4.2 橫槽型

橫槽型寒潮是由貝湖南部—新疆北部橫槽后部積聚冷空氣，橫槽南壓或轉豎引導冷空氣南下爆發(fā)寒潮天氣，因此，此型又分為橫槽轉豎型和橫槽南壓型。

4.2.1 橫槽轉豎型 此型寒潮過程多為東北+西北路徑，除造成寒潮天氣外，以小雨或降雪天氣為主，多發(fā)生在2、3月。橫槽轉豎型寒潮爆發(fā)時環(huán)流形勢如圖6所示，500 hPa高壓脊穩(wěn)定維持在烏拉爾山以西，東西向橫槽位于黑龍江北部—蒙古國南部—新疆北部，槽前等高線等溫線密集，溫度槽落后于高度槽，脊后加強的偏北氣流向橫槽內輸送冷空氣并堆積，使得橫槽持續(xù)增強發(fā)展，寒潮爆發(fā)時橫槽迅速轉豎，槽底伸至貴州省中部；700 hPa上的0 ℃線壓至貴州省中部(圖略)；850 hPa上溫度鋒區(qū)南下至貴州省中南部，鋒區(qū)北側東北急流加強至16～20 m/s(圖略)；地面前期云南—廣西的暖低壓北擴至整個貴州使得銅仁市有明顯的增暖(圖略)，氣溫明顯升高，橫槽轉豎后強冷空氣大舉南下，一股冷空氣從四川經貴州省西北部入侵銅仁市西部，另一股冷空氣從湖南北部向西進入銅仁市東部，12 h后冷空氣影響銅仁全市，地面氣溫下降，寒潮爆發(fā)。

圖6 橫槽轉豎型寒潮爆發(fā)時500 hPa高度場和溫度場(a)、海平面氣壓場(b)

4.2.2 橫槽南壓型 此型寒潮過程為東北路徑冷空氣影響形成回流天氣，易造成降水天氣，多發(fā)生在1、2月。橫槽南壓型寒潮爆發(fā)時環(huán)流形勢如圖7，在500 hPa上高壓脊穩(wěn)定維持在烏拉爾山以東，橫槽位于黑龍江中部—內蒙古北部邊緣—新疆北部，槽前等高線等溫線密集，溫度槽與高度槽走向一致，等高線和等溫線交角較橫槽轉豎型小，脊后偏北氣流的加強使得橫槽不斷南壓，當橫槽緩慢南壓至內蒙古中部時，橫槽南部中緯地區(qū)多短波槽東移引導地面冷空氣南下侵入銅仁市；700 hPa上的0 ℃線壓至重慶中南部(圖略)；850 hPa上溫度鋒區(qū)南下至貴州中部，溫度梯度較橫槽轉豎型小，鋒區(qū)北側東氣流加強至10～16 m/s(圖略)；地面上前期云南—廣西北擴至貴州的熱低壓使銅仁市有明顯的增暖(圖略)，四川北部—重慶中部—湖南北部的冷鋒12 h后南下至貴州省中東部時，寒潮爆發(fā)。

圖7 橫槽南壓型寒潮爆發(fā)時500 hPa和溫度場(a)、海平面氣壓場(b)

4.3 緯向型

此型寒潮過程主要受新西伯利亞冷空氣從東北方向南下侵入影響，冷空氣活動時間較長，但強度較弱，多造成銅仁市東部寒潮天氣發(fā)生，以小雨天氣為主，48 h達寒潮過程較多，多發(fā)生在2、3月。緯向型寒潮爆發(fā)時環(huán)流形勢如圖8所示，500 hPa歐亞地區(qū)以緯向環(huán)流為主，125°E附近有明顯的東亞大槽，槽底伸至30°N；700 hPa上0 ℃線位于銅仁市南部(圖略)；850 hPa鋒區(qū)位于四川北部—重慶中部—湖南北部一線(圖略)；海平面氣壓場上前期有四川東伸的熱低壓影響致使銅仁市增溫(圖略)，隨著冷空氣的南下，位于湖北南部—陜西—甘肅南部的冷鋒快速南下，24 h后移至貴州省東部致使銅仁市地面氣溫下降，寒潮爆發(fā)。

圖8 緯向型寒潮爆發(fā)時500 hPa和溫度場(a)、海平面氣壓場(b)

5 其它影響因子

5.1 海拔高度與地理分布

利用線性回歸方法，建立各個國家站寒潮頻次(Y)與站點海拔(H)之間的線性回歸方程(公式1)，由公式可知，每當海拔升高100 m寒潮頻次增加2.5次。其關系方程為：

Y=0.025 2H-8.085 2

(1)

相關系數r=0.887 4，大于0.1顯著性水平值，通過檢驗。有上式建立銅仁市10個國家基準觀測站的寒潮頻次與觀測站點海拔高度的散點分布圖(圖9)，可以看出，海拔越高氣溫越低，當冷空氣入侵影響時，氣溫下降越快越顯著。

圖9 平均寒潮頻次與站點海拔高度的散點圖

從銅仁市地形分布可見(圖10)，萬山鎮(zhèn)是銅仁市海拔最高的國家站，海拔達884.3 m，近10 a共發(fā)生18次寒潮天氣過程，遠遠高于其他臺站。但并不是所有臺站寒潮次數與海拔高度的變化都符合上述垂直分布特征，比如銅仁市本站海拔282.7 m，寒潮年均0.3次，而沿河縣海拔334.6 m、松桃縣、思南縣站海拔在400 m以上，均比銅仁市本站海拔高，出現寒潮的次數卻為0，可能這與海拔2 493 m高的梵凈山地形相關，銅仁市寒潮的冷空氣路徑多為東北路徑，即從河南—湖南入侵銅仁市時，由于梵凈山的阻擋，冷空氣在其東側聚集，致使東側的碧江區(qū)、萬山鎮(zhèn)比其西側的市縣更容易形成寒潮天氣。因此海拔高度是影響寒潮分布的重要因子，但不是唯一因子。

5.2 西南熱低壓

在我國青藏高原東南側的云、貴、川三省附近常出現一個閉合性暖低壓，這種地方性熱低壓是影響春季西南地區(qū)的一種重要天氣系統(tǒng)[12]。在熱低壓生成發(fā)展時，受熱低壓控制，銅仁市各地常是晴天，溫度驟升，相對濕度和氣壓顯著下降。3、4月是熱低壓出現頻率最高的月份[7]，統(tǒng)計寒潮過程個例中發(fā)現(表2、表3)，銅仁市發(fā)生寒潮降溫前有7次熱低壓的控制和發(fā)展，多出現在2月，11月、3月及4月各出現1次，主要影響萬山鎮(zhèn)、玉屏縣及石阡縣，一般維持2～5 d。熱低壓有兩種方式控制或影響銅仁市，一種是西藏或四川東部發(fā)展的熱低壓東伸至貴州省(2次)，另一種是云南東南部或廣西西部發(fā)展的熱低壓北擴至貴州省(5次)。當北方有冷空氣南下時，地面熱低壓南退至貴州省的西南部，銅仁市受冷空氣入侵出現轉折性天氣，由于前期熱低壓控制，銅仁市南部更接近熱低壓中心，氣溫更高，降溫幅度更大，易達到寒潮標準，因而銅仁市南部寒潮多于北部。

表3 熱低壓對銅仁市寒潮的影響

6 總結與討論

①銅仁市近10 a寒潮空間分布是多發(fā)在銅仁市東南部，萬山鎮(zhèn)出現次數最多；多發(fā)于冬季和春季，尤其是2月次數最多，達到峰值；發(fā)生年份較多的是2011年和2016年；24 h、48 h和72 h達到寒潮天氣過程所占比例分別為50%、30%和20%。

②銅仁市近10 a共出現20次寒潮天氣過程，其中寒潮15次，發(fā)生的概率最大，占寒潮總數的70%；強寒潮4次，占比20%；特強寒潮1次，占比5%，發(fā)生的次數最少。

③冷空氣南下多從河南—湖南入侵銅仁市東部，包含Ⅰ、Ⅱ型路徑，Ⅲ型路徑，除了從河南—湖南入侵銅仁市東部外，還有一部分從四川中部經貴州西北部向東入侵銅仁市西部。冷空氣從關鍵區(qū)南下入侵銅仁市的路徑以Ⅱ型東北路徑居多，占比68%，此類寒潮天氣出現時，有時伴有降雨或雨夾雪；Ⅰ型東北路徑次多，占比21%，多在24 h內出現寒潮天氣；東北+西北路徑較少為11%，需要更強的冷空氣才能達到寒潮天氣標準，往往伴有降雨，影響范圍較廣，均在24 h內出現寒潮天氣。

④銅仁市近10 a發(fā)生的寒潮天氣過程分為經向型、橫槽型和緯向型，其中經向型8次，占比42%，主要發(fā)生在冬、春季，東北路徑影響銅仁市；緯向型6次，占32%，出現時間以2—3月為主，多東北路徑；橫槽型5次，占26%，主要出現在1—3月，分為橫槽轉豎型和橫槽南壓型，橫槽轉豎型冷空氣以東北+西北路徑共同入侵銅仁市，橫槽南壓型則多以東北路徑影響。

⑤海拔高度是影響寒潮分布的重要因子，但不是唯一因子，跟地理位置和地形分布均有關；熱低壓的發(fā)展使得前期氣溫升高，是冷空氣影響造成劇烈降溫形成寒潮天氣的重要原因。