李博淵，王定定，莊曉翠

(1.青河縣氣象局，新疆青河　836200；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰　836500)

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阿勒泰地區(qū)一次強(qiáng)寒潮天氣成因分析

李博淵1，王定定2，莊曉翠2

(1.青河縣氣象局，新疆青河836200；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰836500)

摘要：利用常規(guī)觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)預(yù)報產(chǎn)品及T639數(shù)值模式的初始場和預(yù)報產(chǎn)品，運(yùn)用天氣動力學(xué)診斷方法對阿勒泰地區(qū)2014年4月23—24日寒潮天氣進(jìn)行診斷分析和檢驗。結(jié)果表明:歐洲脊向西北方向強(qiáng)烈發(fā)展，脊前西北急流帶建立加強(qiáng)，引導(dǎo)新地島附近的強(qiáng)冷空氣東南下到西西伯利亞地區(qū)堆積增強(qiáng)；歐洲脊頂部受冷空氣侵襲，快速向南衰退，促使西西伯利亞強(qiáng)冷空氣大舉南下，形成寒潮天氣。850 hPa強(qiáng)冷平流及前期地面氣溫異常偏高是形成強(qiáng)降溫的主要原因；強(qiáng)冷平流和高空動量下傳是造成強(qiáng)風(fēng)的主要原因。08時起報的ECMWF 850 hPa溫度預(yù)報較20時的穩(wěn)定；ECMWF對于96 h內(nèi)850 hPa溫度預(yù)報誤差較??；ECMWF對于大風(fēng)區(qū)預(yù)報能力較T639的略強(qiáng)，但對于極大風(fēng)速出現(xiàn)時間、大風(fēng)的起風(fēng)時間、大風(fēng)持續(xù)時間的預(yù)報，兩個模式在實際中均有較高的參考價值。

關(guān)鍵詞：寒潮；環(huán)流形勢；冷平流；動量下傳；阿勒泰

寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動，其特點(diǎn)是出現(xiàn)劇烈的降溫和大風(fēng)，并伴隨有暴雨(雪)、冰雹、雷電、沙塵暴、霜凍等災(zāi)害性天氣，是新疆秋、冬、春季危害最為嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一。新疆許多學(xué)者對寒潮過程的冷空氣源地和路徑、環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)等進(jìn)行了較深入的研究[1-6]，成果在預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。然而由于寒潮天氣形成機(jī)理的復(fù)雜性、多樣性及地域特征明顯等，使人們對寒潮的認(rèn)識不夠全面，特別是新疆阿勒泰地區(qū)地形復(fù)雜，氣候差異大，寒潮天氣過程也不盡相同。尤其在全球變暖的大背景下，我國寒潮天氣也發(fā)生了改變[7]，因此對于寒潮天氣的研究仍然是近期乃至今后工作的重點(diǎn)。

利用常規(guī)觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)預(yù)報產(chǎn)品及T639數(shù)值模式的初始場和預(yù)報產(chǎn)品，采用天氣動力學(xué)診斷方法，分析2014年4月23—24日(以下簡稱“4·23過程”)發(fā)生在阿勒泰地區(qū)的強(qiáng)寒潮天氣，并對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在此次寒潮天氣中的預(yù)報能力進(jìn)行檢驗，以期進(jìn)一步提高對寒潮的科學(xué)認(rèn)識，為今后寒潮天氣的預(yù)報預(yù)警和防御提供參考依據(jù)。

1天氣概況

2014年4月23—24日阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)以大風(fēng)、強(qiáng)降溫為主的寒潮天氣過程，主要特點(diǎn)是大風(fēng)范圍廣、持續(xù)時間長、強(qiáng)度大，降溫劇烈，降水量小。由本次寒潮天氣過程極大風(fēng)速分布(圖1a)可知，除山區(qū)個別站點(diǎn)外，全區(qū)42個測站或區(qū)域自動站均達(dá)大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)；阿勒泰市640臺地風(fēng)速為34.6 m/s，為此次寒潮天氣過程的極大風(fēng)速中心；風(fēng)速超過8級(24 m/s)的測站或區(qū)域自動站有21個；大部分自動站的大風(fēng)持續(xù)時間超過20 h。此次天氣過程降溫劇烈，最低氣溫24 h或48 h降幅達(dá)7.7～17.9 ℃，大部分測站24 h降溫10 ℃以上，最大降溫中心出現(xiàn)在富蘊(yùn)縣奧爾塔阿格勒塔依溝，降溫幅度達(dá)17.9 ℃(圖1b)。此次寒潮天氣過程阿勒泰地區(qū)僅出現(xiàn)少量降水,因此主要分析大風(fēng)和強(qiáng)降溫的成因。

圖1　2014-04-23—24阿勒泰地區(qū)極大風(fēng)速 (a 單位為m/s，小黑點(diǎn)為阿勒泰市640臺地)和最低氣溫降溫幅度(b 單位為℃，小黑點(diǎn)為富蘊(yùn)縣奧爾塔阿格勒塔依溝)分布

2成因分析

2.1冷空氣源地及堆積

寒潮能否爆發(fā)與冷空氣的源地和堆積程度有密切關(guān)系。4月19日08時500 hPa天氣圖(圖略)上，極渦位于新地島以北的極區(qū)，歐洲沿岸為高壓脊，烏拉爾山東北部有低槽發(fā)展，地中海附近為一中心值為544 dagpm的低渦，里?！毯?、新疆分別為高壓脊區(qū)。20日08時，在地中海低渦前暖平流的作用下，位于里?！毯５母邏杭瓜蛭鞅狈较虬l(fā)展，并與歐洲沿岸的高壓脊同位相疊加，形成經(jīng)向環(huán)流較大的歐洲脊，脊前西北氣流建立并加強(qiáng)，引導(dǎo)新地島附近的冷空氣東移南下，補(bǔ)充到烏拉爾山東北部的低槽中，使該槽加深并東移南下，形成西西伯利亞低槽(圖略)。21日20時，歐洲脊繼續(xù)向北發(fā)展，歐亞中高緯度環(huán)流經(jīng)向度進(jìn)一步加大，脊前西北氣流顯著增強(qiáng)，形成風(fēng)速大于36 m/s的急流帶，新地島附近的冷空氣進(jìn)一步東移南下到西西伯利亞。此時，位于新疆的高壓脊東移到貝加爾湖東部，阻擋了西西伯利亞冷空氣東移，使冷空氣在西伯利亞地區(qū)堆積并增強(qiáng)(冷中心為-40 ℃)(圖2a)。根據(jù)有關(guān)研究[6]可知，冷空氣堆已初步形成，具備寒潮爆發(fā)的首要條件。

圖2　20時500 hPa天氣圖(a 2014-04-21，b 2014-04-22；細(xì)實線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃；粗實線為槽線；圓點(diǎn)為阿勒泰站)

2.2冷空氣的爆發(fā)及地面冷高壓路徑

22日20時500 hPa天氣圖(圖2b)上，歐洲脊頂部受冷空氣的入侵快速減弱南壓，引導(dǎo)西西伯利亞強(qiáng)冷空氣大規(guī)模南下，造成寒潮天氣。

此次寒潮天氣，地面冷高壓中心路徑為西北路徑(圖略)。20日20時冷高壓中心位于斯堪的納維亞半島，強(qiáng)度較弱；21日20時冷高壓中心東南下到歐洲中部；22日20時冷高壓進(jìn)一步南下到烏拉爾山南部并增強(qiáng)，冷空氣開始影響新疆；23日08時冷高壓顯著增強(qiáng)東移南下，中心位于巴爾喀什湖附近，達(dá)1 040 hPa(圖略)，此時新疆已出現(xiàn)劇烈的降溫、大風(fēng)、沙塵暴、暴雨(雪)天氣。23日20時冷高壓中心移至阿勒泰地區(qū)的西部境外，阿勒泰地區(qū)為冷高壓控制，寒潮天氣逐漸結(jié)束。

綜上所述，里?！毯８邏杭箯?qiáng)烈向西北發(fā)展，形成環(huán)流經(jīng)向度較大的歐洲脊，脊前西北急流帶加強(qiáng)，增強(qiáng)了新地島附近的強(qiáng)冷空氣在西西伯利亞的堆積；歐洲脊頂部受冷空氣入侵，快速南退減弱，造成西西伯利亞強(qiáng)冷空氣大舉南下，形成寒潮天氣。此次寒潮冷空氣的源地位于新地島附近，路徑為西北路徑。

2.3強(qiáng)降溫成因

通過對比發(fā)現(xiàn)，T639預(yù)報產(chǎn)品的12 h物理量資料與實況基本吻合，因此采用T639初始場和6 h物理量資料分析強(qiáng)降溫成因。

2.3.1強(qiáng)冷平流特征此次寒潮天氣過程中，強(qiáng)冷平流是造成氣溫驟降的主要原因。 22日20時，850 hPa上新疆西部及西北部為強(qiáng)冷平流控制，中心強(qiáng)度為-1 320×10-6K/s。23時該區(qū)域冷平流中心略有東移并增強(qiáng)為-1 490×10-6K/s，阿勒泰地區(qū)西部和塔城地區(qū)東北部存在2個冷平流中心，地面氣溫開始下降。23日02時冷平流控制北疆大部，且有三個強(qiáng)冷中心，分別位于福?？h、米泉附近和塔城地區(qū)東北部(圖3)；阿勒泰地區(qū)大部地面氣溫6 h降幅達(dá)10～18 ℃。此后強(qiáng)冷平流快速減弱東移，20時冷平流已經(jīng)明顯減弱，強(qiáng)降溫天氣逐漸趨于結(jié)束。

從850 hPa冷平流及地面氣溫變化可以看出，冷平流小于-100×10-6K/s的區(qū)域與日最低氣溫下降幅度超過10 ℃的區(qū)域基本吻合，大部分測站最低氣溫負(fù)變溫區(qū)向東南擴(kuò)展的速度比冷平流向東南擴(kuò)展的速度滯后12～15 h。

2.3.2前期升溫迅猛4月20—22日地面天氣圖上，冷空氣入侵前阿勒泰地區(qū)熱低壓迅速發(fā)展，氣溫回升明顯。日平均氣溫較歷年同期偏高1.5～5.7 ℃，尤其是21—22日全區(qū)日平均氣溫異常偏高2.5～5.7 ℃。前期氣溫升高迅猛有利于冷空氣的爆發(fā)。

圖3　2014-04-23T02 850 hPa溫度平流 (單位為10-6 K/s)

從阿勒泰站探空資料850 hPa的24 h變溫(ΔT24)也能夠反映降溫的情況。23日08時ΔT24為-19 ℃，對應(yīng)地面的24 h最大正變壓(ΔP24)為14～25 hPa，最大負(fù)變溫為16～21 ℃。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該區(qū)春季寒潮預(yù)報指標(biāo)[6]。

2.4大風(fēng)成因

強(qiáng)冷平流不僅會造成強(qiáng)烈降溫，還會使地面正變壓場加強(qiáng)，變壓梯度和氣壓梯度增大，促使地面風(fēng)場發(fā)展，冷平流愈強(qiáng)，風(fēng)力會越大。利用MICAPS系統(tǒng)提供的球面距離計算功能計算得到，此次寒潮過程中強(qiáng)盛的冷平流使阿勒泰地區(qū)3 h變壓梯度達(dá)1.2～3.2 hPa/100 km，氣壓梯度達(dá)1.8～2.5 hPa/100 km，對應(yīng)出現(xiàn)的風(fēng)力達(dá)6～10級。

強(qiáng)風(fēng)的出現(xiàn)不僅與強(qiáng)冷平流侵入有關(guān)，還與高空動量下傳密切相關(guān)。西西伯利亞低槽在東移南下的過程中不斷加強(qiáng)加深，槽前上升運(yùn)動增強(qiáng)。22日20時(圖略)，阿勒泰地區(qū)的西部為強(qiáng)上升氣流控制，上升區(qū)從850 hPa伸展到150 hPa，垂直上升速度最大區(qū)域位于500～400 hPa，中心達(dá)-140×10-2Pa/s；23日02時，阿勒泰地區(qū)東部富蘊(yùn)站附近處于增強(qiáng)的上升運(yùn)動區(qū)，塔城地區(qū)北部處于槽后增強(qiáng)的下沉區(qū)，其中心位于克拉瑪依站附近(圖4a)。沿圖4a中強(qiáng)上升運(yùn)動中心和強(qiáng)下沉運(yùn)動中心的連線(AB直線)做垂直速度剖面(圖4b)可知，垂直上升運(yùn)動區(qū)位于阿勒泰地區(qū)東部，最大上升區(qū)位于89oE附近的富蘊(yùn)站，中心為-220×10-2Pa/s，位于400 hPa；而塔城地區(qū)北部85oE附近的克拉瑪依站為較強(qiáng)的下沉運(yùn)動區(qū)，中心值為120×10-2Pa/s，與阿勒泰地區(qū)東部的強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)構(gòu)成緯向垂直環(huán)流圈。該環(huán)流圈的形成，有利于高空動量向下輸送，地面風(fēng)力加強(qiáng)。23日02時后，緯向垂直環(huán)流圈減弱，風(fēng)力減小。

圖4　2014-04-23T02 700 hPa垂直速度(a　單位為10-2 Pa/s；粗實線AB為強(qiáng)上升運(yùn)動和強(qiáng)下沉運(yùn)動中心的連線)和沿AB連線的垂直速度剖面(b)

22日20時(圖略)阿勒泰地區(qū)西部境外高空西北急流帶顯著增強(qiáng)。500、700、850 hPa急流帶風(fēng)速分別為28～44、20～36、20～32 m/s，急流核風(fēng)速分別達(dá)44、36、32 m/s，而925 hPa急流位于新疆西北境外，中心為20 m/s(圖略)。23日08時，500 hPa急流東移北上，急流核減弱為36 m/s，位于阿勒泰地區(qū)北部邊界附近；700 hPa急流核東移到阿勒泰地區(qū)東部，中心減弱為20 m/s；850 hPa急流核東移至阿勒泰地區(qū)西部，也減弱為28 m/s?？梢?00、700、850 hPa風(fēng)速明顯減小，而925 hPa風(fēng)速(圖略)明顯增強(qiáng)，中心位于天山北部，達(dá)36 m/s。由此可見，高空急流增強(qiáng)引起高空向下傳輸動量增強(qiáng)，促使地面風(fēng)力加強(qiáng)。這是因為在急流中心的下方存在溫度水平梯度較大的鋒區(qū)，急流越強(qiáng)，鋒區(qū)的斜壓性越強(qiáng)[8]；高空急流軸右側(cè)存在強(qiáng)輻散，左側(cè)存在強(qiáng)輻合，這種分布有利于極鋒鋒區(qū)擾動增強(qiáng)，從而使得鋒區(qū)上低值系統(tǒng)(西西伯利亞低槽)增強(qiáng)。槽前強(qiáng)輻合與高空強(qiáng)輻散的疊置有利于上升運(yùn)動增強(qiáng)，從而增強(qiáng)緯向垂直環(huán)流，有利于動量下傳形成偏西大風(fēng)。

單站高空風(fēng)的演變也明顯地反映了動量下傳。由阿勒泰站(51076)單站高空風(fēng)演變(圖5)可知，22日20時最大風(fēng)速位于300 hPa附近，大于16 m/s的風(fēng)速位于500 hPa以上， 850 hPa及以下風(fēng)速為2～4 m/s。23日08時最大風(fēng)速位于400 hPa，為52 m/s，相應(yīng)地500 、700 、850 hPa風(fēng)速分別增至32、20、24 m/s，850 hPa以下風(fēng)速迅速增加，為16 m/s的偏西風(fēng)；23日20時對流層風(fēng)速迅速減小，850 hPa以下風(fēng)速則增強(qiáng)至16～20 m/s。阿勒泰站地面23日08時為12.2 m/s的偏西風(fēng)，20時為14.8 m/s的西西北風(fēng)。

圖5　2014-04-21—24 阿勒泰站單站高空風(fēng)隨時間的演變

3數(shù)值預(yù)報檢驗

近年來，國家氣象中心對T639、日本、ECMWF等數(shù)值模式的中期預(yù)報性能進(jìn)行了定期檢驗和發(fā)布[9-13]，為預(yù)報員了解和掌握各模式對中高緯環(huán)流形勢、850 hPa溫度及地面冷高壓、西太平洋副熱帶高壓等的預(yù)報能力提供可靠的參考依據(jù)。然而，中國幅員遼闊，地形復(fù)雜，尤其在制作阿勒泰地區(qū)當(dāng)?shù)匾仡A(yù)報時，不僅需要參考數(shù)值模式對環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)的預(yù)報，更需要參考數(shù)值模式的格點(diǎn)要素預(yù)報值。因此，針對影響此次寒潮天氣的主要?dú)庀笠蜃印?50 hPa溫度和風(fēng)場，檢驗了T639模式、ECMWF預(yù)報產(chǎn)品對該次寒潮天氣的預(yù)報能力。

3.1850 hPa溫度

對于寒潮天氣，通常需要提前48 h或72 h(有時甚至是96 h或120 h)進(jìn)行預(yù)報服務(wù)。因此，針對“4·23過程”，將23、24日08時和20時阿勒泰站(51076)850 hPa實況溫度分別與相應(yīng)時刻ECMWF 168 h預(yù)報時效范圍內(nèi)850 hPa在87.5oE、47.5oN格點(diǎn)的溫度預(yù)報值進(jìn)行對比分析，可知對于20 時起報的ECMWF，96～168 h溫度預(yù)報誤差均大于2 ℃，參考價值較??；96 h內(nèi)只有1 d溫度誤差為2.3 ℃，其它預(yù)報時效范圍溫度誤差均在2 ℃內(nèi)，即 96 h內(nèi)預(yù)報較為穩(wěn)定。08時起報的ECMWF，168 h內(nèi)預(yù)報只有1 d誤差為3 ℃，其它預(yù)報時效的溫度誤差均在1～2 ℃?？梢妼τ贓CMWF，08 時起報的850 hPa溫度較20 時穩(wěn)定。

采用同樣的方法對T639在168 h預(yù)報時效范圍內(nèi)850 hPa溫度預(yù)報進(jìn)行檢驗，結(jié)果表明誤差均大于4 ℃，誤差較大，在運(yùn)用時需訂正。

3.2850 hPa風(fēng)場

采用3.1中同樣的方法分別對T639和ECMWF的850 hPa風(fēng)場預(yù)報進(jìn)行檢驗。結(jié)果顯示，T639 對于48 h預(yù)報時效內(nèi)大于17 m/s的風(fēng)速區(qū)(簡稱大風(fēng)區(qū))的預(yù)報與實況基本吻合；72 h預(yù)報時效內(nèi)大風(fēng)區(qū)的風(fēng)速偏小4 m/s。而ECMWF在72 h預(yù)報時效內(nèi)對大風(fēng)區(qū)的預(yù)報與實況基本吻合。將兩種模式對大風(fēng)的起止時間和極大風(fēng)速的出現(xiàn)時間及大小與實況進(jìn)行對比分析(表1)，結(jié)果顯示T639模式預(yù)報的極大風(fēng)速值比實況偏小4.5 m/s，而ECMWF偏大5.5 m/s；極大風(fēng)速出現(xiàn)時間兩個模式均較實況偏晚2 h。對于大風(fēng)的起始(結(jié)束)時間，T639模式預(yù)報較實況偏早1(2) h，而ECMWF較實況偏晚2(1) h；對于大風(fēng)持續(xù)時間，兩個模式與實況均有1 h誤差。綜上所述可知，ECMWF對大風(fēng)區(qū)的預(yù)報較T639的能力略強(qiáng)，而對于極大風(fēng)速出現(xiàn)時間、大風(fēng)的起風(fēng)時間、大風(fēng)持續(xù)時間的預(yù)報，兩個模式在實際中均有較高的參考價值。

表1　T639、ECMWF 850 hPa風(fēng)場預(yù)報與實況對比

4結(jié)論

(1)寒潮冷高壓路徑為西北路徑，冷空氣源地主要來自新地島附近。歐洲脊向西北方向強(qiáng)烈發(fā)展，脊前西北急流帶增強(qiáng)，引導(dǎo)新地島附近的強(qiáng)冷空氣東移南下到西西伯利亞地區(qū)堆積加強(qiáng)；歐洲脊頂部受冷空氣入侵，快速南退減弱，造成西西伯利亞強(qiáng)冷空氣大舉南下，形成寒潮天氣。

(2)強(qiáng)降溫的主要原因是850 hPa強(qiáng)冷平流及冷空氣入侵前地面氣溫回升明顯，并異常偏高；造成強(qiáng)風(fēng)的主要原因是強(qiáng)冷平流和高空動量下傳。

(3)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對本次寒潮天氣過程預(yù)報較為準(zhǔn)確，08時起報的ECMWF 850 hPa溫度預(yù)報較20時的穩(wěn)定；ECMWF對于96 h內(nèi)850 hPa溫度預(yù)報誤差較??；ECMWF對于大風(fēng)區(qū)預(yù)報較T639的能力略強(qiáng)，但對于極大風(fēng)速出現(xiàn)時間、大風(fēng)的起風(fēng)時間、大風(fēng)持續(xù)時間的預(yù)報，兩個模式在實際中均有較高的參考價值。

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基金項目：陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計劃項目(2013M-18)

作者簡介：王娟(1981—)，陜西西安人，滿族，碩士，工程師，主要從事遙感應(yīng)用方面的工作。

收稿日期：2015-06-11

文章編號：1006-4354(2015)06-0006-04

中圖分類號：P158.122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A