劉 凱，林 卉，卜清軍，王 迪

(1. 山東首信項目管理有限公司 山東德州253000；2. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

2018年1月24日，受強冷空氣影響，天津市出現(xiàn)了低溫天氣，最低氣溫出現(xiàn)在北辰區(qū)。這場低溫天氣強度大，持續(xù)時間長，低溫期間北辰區(qū)日最高氣溫在-2.1～5.9℃之間，日最低氣溫在-5.9～-19.8℃之間。受低溫影響，城區(qū)供水設(shè)施自來水管、水表凍壞破裂漏水；醫(yī)院心血管呼吸道疾病人數(shù)明顯增加，給人民生活帶來了不便。其次，低溫也是嚴重的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，因凍害死苗導(dǎo)致糧食減產(chǎn)?？梢?，進一步加強低溫天氣過程的特征分析，不斷提高低溫災(zāi)害的預(yù)報和預(yù)警能力，對保障國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)有著十分重要的現(xiàn)實意義。

低溫作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象近年來受到廣泛關(guān)注。低溫通常是由于冷空氣侵入形成的，并具有較強的地域性特征。通過對我國各地低溫的氣候特征和環(huán)流背景進行研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)低溫過程的氣候規(guī)律及大尺度背景條件有明顯的差異，有人認為區(qū)域性極端低溫事件發(fā)生頻次較高的緯度帶主要位于32°N和42°N附近；還有人對安徽省近50年極端低溫事件的變化特征和季節(jié)性差異進行分析，認為極端低溫事件的變化特征具有明顯的季節(jié)性差異，各極端低溫事件均表現(xiàn)為冬季最多、春秋次之，夏季最少的季節(jié)特征。

近年來，盡管人們對低溫落區(qū)采用不同模式進行了研究，但由于低溫天氣過程的成因十分復(fù)雜，低溫的形成往往同時受到特定的地理條件、特殊的天氣背景以及大氣邊界層多種熱力和動力因子的綜合影響，要深化對低溫落區(qū)過程的特征分析，不斷提高低溫落區(qū)天氣的預(yù)報水平，仍需要進行大量深入細致的研究工作。

本文采用天津市13個國家級地面臺站同一時間不同地點的地面氣象觀測資料，通過對北辰區(qū)2018年1月24日為全市低溫之首過程的大尺度背景分析，以及動力和熱力要素的時空特征及其變化趨勢等方面的計算，以期揭示本次低溫落區(qū)天氣形成的原因。

1 低溫落區(qū)過程及大尺度天氣背景

2018年1月24日，北辰區(qū)出現(xiàn)了全市范圍內(nèi)最低的一次低溫天氣。表1是1月24日全市國家級各臺站監(jiān)測到的低溫數(shù)據(jù)，可以看到，低溫主要分布在北部地區(qū)，從極值落區(qū)看極端最低氣溫落區(qū)出現(xiàn)在北辰區(qū)，數(shù)值為-19.8℃。

表1 2018年1月24日全市13個國家級臺站最低氣溫統(tǒng)計表Tab.1 Minimum temperature statistics of 13 national stations on January 24，2018

表2 是全市13個國家級臺站個別氣象要素1月份月統(tǒng)計資料。

從北風(fēng)出現(xiàn)回數(shù)月合計看，北辰區(qū)出現(xiàn)62次，西青區(qū)出現(xiàn)125次，北辰區(qū)出現(xiàn)回數(shù)只有西青的1/2，但西青區(qū)的北風(fēng)在強冷空氣來臨前是不連續(xù)的(下文有曲線圖描述)，也就是說23日西青區(qū)沒有長時間一致性的北風(fēng)出現(xiàn)，而北辰區(qū)自動觀測10 min平均風(fēng)向自22日23時至23日05時連續(xù)7 h為北風(fēng)，在此出現(xiàn)了北風(fēng)的一致性，說明北辰區(qū)是冷空氣的最有利入口。

表2 全市13個國家級臺站個別氣象要素1月份月統(tǒng)計資料Tab.2 Monthly statistics of individual meteorological elements of 13 national stations in January，2018

從靜風(fēng)出現(xiàn)回數(shù)月合計及頻率看，北辰區(qū)靜風(fēng)回數(shù)64次，頻率為9%，遠遠高于全市其他臺站，靜風(fēng)頻率高不利于熱量交換，使得冷空氣穩(wěn)定維持。

從上旬、中旬最低平均氣溫-8.0℃和-9.7℃看，北辰區(qū)氣溫位于全市最低或次低值區(qū)內(nèi)，由此可見北辰區(qū)的基礎(chǔ)溫度本來就是處在低值區(qū)，所以后面強冷空氣的出現(xiàn)使得氣溫疊加下降。

從上、中旬14時平均水汽壓1.7 mPa和2.5 mPa來看，北辰區(qū)濕度位于全市低值區(qū)內(nèi)，并且也是全月低值區(qū)。在大寒季節(jié)中，濕度越小，溫度越低，也就是人們常說的干冷空氣。如果濕度稍大，溫度就不會那么低，因為水汽遇冷凝結(jié)會釋放潛熱的。

從前面這些數(shù)據(jù)可以看出，北辰區(qū)1月份氣象條件為干冷氣團主導(dǎo)，靜風(fēng)和北風(fēng)的連續(xù)性為低溫落區(qū)起到了助推作用。

圖1 顯示1月份北辰區(qū)本站氣壓值均維持在高位，月最高值1 041.7 mPa，月平均最高1 030.6 mPa，月內(nèi)出現(xiàn)了3次冷高壓過程，分別在3日A點1 041.7 mPa，11日B點1 038.9 mPa，25日C點1 040.7 mPa。對應(yīng)冷高壓出現(xiàn)的3次低溫現(xiàn)象分別出現(xiàn)在6日A′點-11.5℃，12日B′點-13.1℃，24日C′點-19.8℃。從曲線圖上看出，低溫總是出現(xiàn)在高壓附近，6日、12日兩次低溫出現(xiàn)在冷高壓之后，24日的低溫出現(xiàn)在冷高壓之前，原因是22日至23日出現(xiàn)了一股冷空氣，22日23時至23日05時連續(xù)7個小時正北風(fēng)，23日日最大風(fēng)速6.7 m/s(北風(fēng))，日極大風(fēng)速11.9 m/s(北風(fēng))，因此最低值出現(xiàn)在冷高壓之前。1月份北辰區(qū)冷高壓的頻繁造訪帶來了冷空氣的疊加，所以，北辰區(qū)氣溫接二連三下挫，由此可見，北辰區(qū)降溫貢獻率最大的應(yīng)該是冷高壓。

在北辰區(qū)自動觀測10 min平均風(fēng)向風(fēng)速觀測資料中(圖2—圖4)，3日07時至14時連續(xù)8個小時，4日03時至10時連續(xù)8個小時；22日23時至23日05時連續(xù)7個小時，這3個時段內(nèi)風(fēng)向一致性為正北風(fēng)，這是其他臺站沒有的。俗話說：東風(fēng)送濕，西風(fēng)送干，南風(fēng)送暖，北風(fēng)送寒，冷空氣的不斷補充，加劇了北辰區(qū)低溫落區(qū)的迅速形成。

2 低溫的基本特征

在1月地面氣象記錄月報表資料上清晰顯示，這場低溫的強度很強，低溫維持了8 d。

低溫發(fā)生前，本站氣壓有年極值出現(xiàn)并且維持在高位，出現(xiàn)了長達8 h連續(xù)性的正北風(fēng)，有長時間正北風(fēng)向的輻合，氣溫跌宕起伏，不斷有冷空氣補充，使得日最低氣溫連創(chuàng)新低。

低溫發(fā)生時，華北地區(qū)出現(xiàn)了首場降雪后的積雪，天津地區(qū)積雪深度最大為9 cm，最長積雪時間10 d，低溫出現(xiàn)在冷高壓附近，在此期間由于積雪融化吸熱，氣溫疊加下降，日最高氣溫在-2.1～-5.9℃之間，日最低氣溫在-5.9℃至-19.8℃之間，天氣十分寒冷。

低溫發(fā)生后，本站氣壓值呈緩慢下降趨勢，氣溫隨著本站氣壓的降低而升高。

3 低溫過程形成和維持機制分析

3.1 風(fēng)向風(fēng)速的作用

為了分析本次低溫過程中風(fēng)向、風(fēng)速的作用，首先采用定性的方法來描述。選取全市13個國家級臺站低溫前期22日14時至23日14時自動觀測10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速，再制作時間演變圖(圖5—圖17)。

以上各圖中風(fēng)向風(fēng)速逐小時變化曲線表明，13個國家級臺站中只有北辰區(qū)22～23日明顯出現(xiàn)了長時間較大風(fēng)速的北風(fēng)連續(xù)性?？梢?，溫度的變化清楚表明風(fēng)向、風(fēng)速的作用對本次低溫過程具有明顯的觸發(fā)作用。

3.2 低溫穩(wěn)定性層結(jié)的建立

從北辰區(qū)1月本站氣壓3次極值看，1月3日出現(xiàn)了月最高值1 041.7 mPa，1月25日出現(xiàn)了月次高值1 040.7 mPa，1月11日出現(xiàn)了月第3高值1 038.9 mPa，3次極值分別分布在上旬、中旬、下旬，使得冷高壓一直在高位運行。

從13個國家級臺站1月上旬、中旬平均最低氣溫對比看出，北辰區(qū)處在全市低值區(qū)中，基礎(chǔ)溫度低加上冷高壓頻繁造訪，形成冷空氣在此堆積，北辰區(qū)的氣溫接二連三下挫(表3)。

表3 全市國家級各臺站1月上、中旬最低平均氣溫統(tǒng)計Tab.3 Minimum average temperature statistics of Tianjin City’s national stations in early and mid-January

3.3 常規(guī)地面氣象要素的跳變

低溫極值出現(xiàn)前的征兆，22日21時至22時1 h升壓0.8 mPa，22日21時至22時1 h降溫2.4℃，22日23時至24時1 h水汽壓下降1.5 mPa，22日23時至24時1 h相對濕度下降52%，22日23時至24時1 h露點溫度下降12.8℃，22日21時為西南風(fēng)1.9 m/s，22時為北東北風(fēng)0.4 m/s，23時為北風(fēng)3.1 m/s，出現(xiàn)了風(fēng)向和風(fēng)速的不連續(xù)。以上這些要素的跳變可以稱得上是氣象要素內(nèi)部一致性的表現(xiàn)，也是北辰區(qū)與眾不同之處，說明大氣邊界層將有強烈擾動發(fā)生，從這些數(shù)據(jù)的變化趨勢看，十分有利于低溫的形成?？梢姎庀笠氐奶兪穷A(yù)示災(zāi)害性天氣來臨的警告(圖18—圖23)。

3.4 低溫消散的動力因子

在低溫過程最后階段，隨著大氣壓強的逐步降低，地面冷高壓明顯減弱。26日、27日極大風(fēng)向也有了改變，轉(zhuǎn)為西南風(fēng)向，由于風(fēng)向的改變，氣溫出現(xiàn)了回升使得持續(xù)8 d的低溫天氣終于結(jié)束(表4)。

表4 北辰區(qū)1月21日至28日個別要素統(tǒng)計Tab.4 Individual element statistics from 21 to 28 January in Beichen District

4 結(jié) 論

本文采用全市13個國家級臺站地面氣象觀測資料，對2018年1月24日北辰區(qū)一次低溫為全市之首過程進行了分析，通過對本次過程動力和熱力特征的深入分析揭示了其成因和維持機制，分析表明：

①地面冷高壓不斷加強及水汽壓、露點溫度不斷創(chuàng)新低為低溫落區(qū)過程提供了良好的背景條件。此外，在上旬6日21時至7日09時連續(xù)10個小時自動觀測10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速為靜風(fēng)，全月靜風(fēng)月合計64次為全市之首，高頻率的靜風(fēng)有利于地面冷高壓的穩(wěn)定維持。

②過程期間地面氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了明顯的跳變現(xiàn)象，22日21時至22時本站氣壓上升0.8 mPa，22日21時至22時氣溫下降2.4℃，22日23時至24時水汽壓下降1.5 mPa，22日23時至24時相對濕度下降52%，22日23時至24時露點溫度下降12.8℃，22日21時至22時風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為北東北風(fēng)，氣象要素值出現(xiàn)了不連續(xù)。低溫結(jié)束后，數(shù)據(jù)的不連續(xù)現(xiàn)象只出現(xiàn)在個別要素值而不具普遍性，并且跳變數(shù)值不明顯。因此，當觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)打破常規(guī)的跳變現(xiàn)象時，就是對大氣環(huán)流將要發(fā)生改變流向的預(yù)警。

③22日23時至23日05時連續(xù)7個小時正北風(fēng)，對這次低溫落區(qū)過程具有重要的觸發(fā)和加強作用，北風(fēng)屬于干冷空氣，干空氣有利于蒸發(fā)，蒸發(fā)是吸熱過程，22日北辰有降雪3.5 mm，22日至25日有積雪，最大雪深5 cm。因此，使氣溫疊加下挫。隨著26日最大風(fēng)向改變?yōu)槲髂巷L(fēng)，積雪消融，氣溫升高，驅(qū)使地面冷高壓解體，低溫過程結(jié)束?！?/p>