蘇 洋，楊 銀，丁永紅*

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)氣象臺，寧夏 銀川 750002）

寒潮是寧夏冬季主要的災(zāi)害性天氣之一。寒潮天氣的主要特點是出現(xiàn)劇烈降溫和大風(fēng)，并伴有雨、雪、雨凇和霜凍等[1]，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和人們的日常生活等帶來不利影響。近些年來，許多學(xué)者對寧夏的寒潮天氣過程進行了分析和研究。陳豫英等[2-3]認為對高空冷槽和地面冷高壓路徑的預(yù)報是寒潮預(yù)報的關(guān)鍵，并提出了春季寒潮預(yù)報概念模型和預(yù)報著眼點。胡亮帆等[4]對突發(fā)寒潮極值暴雪過程的等熵位渦特征進行了分析，提出315 K等熵位渦圖可作為短時、局地春季寒潮降雪過程的有效分析方法和預(yù)報指標(biāo)。肖云清等[5]認為高空旋轉(zhuǎn)低壓槽與強鋒區(qū)是春季寒潮的動力機制。魏月娥等[6]對比分析了寧夏初春2次寒潮天氣過程，發(fā)現(xiàn)由于蒙古氣旋較強的下沉氣流和前期急劇回暖而造成的沙塵天氣更為劇烈。周翠芳等[7]認為冷中心強度是冬季橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮暴發(fā)南下的關(guān)鍵點，其研究表明寧夏寒潮多發(fā)生在春、秋季，冬季較少，且因氣候背景的差異，寒潮過程的特點各不相同。已有的研究大多是關(guān)于寧夏春、秋季寒潮天氣過程，對冬季寒潮天氣過程的分析較少。本文旨在通過對2020年2月13—15日寒潮天氣過程的分析，找出寧夏冬季寒潮天氣的成因，為今后進一步提高寧夏冬季寒潮天氣的預(yù)報、預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 寒潮天氣實況

2020年2月13—15日，受強冷空氣東移南下影響，寧夏全區(qū)出現(xiàn)了1次寒潮天氣過程（圖1）。13—14日24 h日平均氣溫降幅有5站超過10℃，最大降幅出現(xiàn)在六盤山站，為11.7℃；13—15日48 h日平均氣溫降幅有18站超過10℃，5站超過14℃，最大降幅出現(xiàn)在固原站，為16℃；15日清晨全區(qū)氣溫為-20.7～-13.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在六盤山站，為-20.7℃，有14站最低氣溫低于-16℃；14日全區(qū)氣溫為-11.8～-1.7℃，較13日20:00偏低1.6～5.2℃，出現(xiàn)了“氣溫倒掛”現(xiàn)象。

13日08:00寧夏受鋒前熱低壓控制，各站24 h變壓為-4.2～-1.6 hPa；升溫劇烈，固原和中衛(wèi)站6 h增溫分別為3.4℃和5.7℃，其他3站增溫為9.9～13.9℃，出現(xiàn)了“潮前回暖”現(xiàn)象。13日14:00冷鋒開始過境，冷空氣南下，各站氣溫逐步降低；20:00鋒面已過境，各站6 h氣壓增壓均為11 hPa左右。隨著冷空氣分裂南下，15日08:00氣溫降到最低。各站降溫時段持續(xù)超過60 h，24 h變溫普遍為11～15℃，24 h變壓為15～19 hPa，降溫和升壓過程基本同步（圖2）。此次寒潮天氣過程的主要特點是持續(xù)性降溫，對公眾生活和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成了不利影響。

圖2 2020年2月13日08:00—15日20:00惠農(nóng)、吳忠、中衛(wèi)、鹽池和固原站逐時氣溫，24 h變溫和變壓分布圖

2 環(huán)流形勢演變和影響系統(tǒng)

2.1 高空形勢

此次寒潮天氣過程的環(huán)流型是典型的低西風(fēng)指數(shù)型（圖略）。2月3日阿拉斯加暖脊和大西洋暖脊向極低發(fā)展，7日極渦分裂為二，分別位于東、西兩個半球。2月8—12日烏拉爾山和鄂霍茨克海建立暖性高壓脊，亞洲極渦加強并南壓，形成東亞地區(qū)的倒Ω流型。在此階段，極地至烏拉爾山地區(qū)一帶位勢高度場較常年同期偏低，新地島冷渦不斷加強，橫槽發(fā)展東移，冷空氣處于醞釀之中。

過程發(fā)生前3天（10日20:00）（圖3a），歐亞大陸中高緯為“兩槽兩脊”，冷渦中心位于中西伯利亞北部，從中西伯利亞北部至咸海一帶為東北—西南向橫槽，歐洲西部地區(qū)為低渦和槽控制，烏拉爾山地區(qū)為高壓脊控制，冷空氣沿烏拉爾山高壓脊南下，向西伯利亞中部寒潮關(guān)鍵區(qū)（43～65°N，70～90°E）堆積，同時在中亞中低緯度有一弱脊。11日20:00歐洲西部的低壓系統(tǒng)發(fā)展，槽前西南氣流加強，促使烏拉爾山高壓脊向東北伸展，同時中亞脊與烏拉爾山脊同位相疊加，后脊加強發(fā)展，冷渦中心移至貝加爾湖北側(cè)，橫槽從冷渦延伸至巴爾喀什湖一帶，冷渦中心為-44℃。12日20:00（圖3b），高壓脊不斷向東北方向加強發(fā)展，里海和咸海地區(qū)低渦系統(tǒng)發(fā)展，在關(guān)鍵區(qū)東部形成552閉合環(huán)流的阻塞高壓，高壓脊前偏北氣流顯著增強，引導(dǎo)冷空氣向?qū)幭暮标P(guān)鍵區(qū)（38～55°N，90～110°E）堆積，位于俄羅斯北部的低渦中心維持少動，低壓槽移至貝加爾湖新疆北部一帶，槽前出現(xiàn)階梯槽的形勢，槽前等高線疏散。在此階段，從溫壓場結(jié)構(gòu)上看，橫槽后部有顯著的暖平流和正變高，冷中心超前于橫槽，槽前為冷平流，有負變高，具有氣旋式曲率等高線疏散結(jié)構(gòu)的正渦度平流也使得橫槽東南方產(chǎn)生負變高，變高梯度指向東南，以上均預(yù)示著橫槽即將轉(zhuǎn)豎。

13日08:00（圖3c），烏拉爾山東側(cè)至貝加爾湖地區(qū)受高壓脊控制，阻塞形勢維持，阻塞高壓崩潰。冷渦中心維持不動，為-44℃，橫槽東移并斷裂成3個部分，分別位于鄂霍茨克海、貝加爾湖東側(cè)和河西走廊北部，河西走廊北部的槽已轉(zhuǎn)豎，鋒區(qū)即將影響寧夏。13日20:00高壓脊繼續(xù)向東北深入發(fā)展，脊前冷空氣不斷南下，河西地區(qū)的短波槽移至河套西部，寧夏位于短波槽的底前部。14日20:00（圖3d），烏拉爾山地區(qū)的低壓槽發(fā)展，槽前西南氣流加強,使得阻塞形勢維持，并再次出現(xiàn)閉合高壓和切斷低壓，脊前偏北氣流也隨之加強，繼續(xù)引導(dǎo)冷空氣在河套地區(qū)北部的切斷低壓槽內(nèi)聚積，低渦中心為-36℃，造成寧夏持續(xù)性降溫。

圖3 500 hPa形勢場演變圖

2.2 地面系統(tǒng)

此次寒潮天氣過程是1次典型的西北路冷空氣活動過程（圖4）。當(dāng)新地島以東洋面的冷空氣沿烏拉爾山高壓脊南下加深時，冷空氣在西西伯利亞關(guān)鍵區(qū)堆積。隨著橫槽東移發(fā)展，冷高壓范圍不斷擴大，強度明顯增強。12日08:00冷高壓中心位于阿爾泰山脈北部，中心氣壓為1 045 hPa，冷鋒位于外興安嶺至貝加爾湖南側(cè)的蒙古高原一帶，寧夏受蒙古國南部熱低壓影響，全區(qū)升溫明顯。13日08:00冷高壓主體東移至貝加爾湖西南側(cè)，中心強度加強為1 050 hPa，冷鋒移至我國東北西部至內(nèi)蒙古中部一帶，寧夏東部受河套熱低壓控制，熱低壓中心與冷高壓中心的氣壓差為50 hPa，低壓內(nèi)ΔP3最大為-1.0 hPa（ΔP24達到-5.5 hPa）；14:00熱低壓移至河套地區(qū)東部，強度加深至1 005 hPa，其與冷高壓中心的氣壓差為42.5 hPa，河套地區(qū)升溫明顯，較08:00普遍升溫10℃左右，熱低壓內(nèi)ΔP3達到-4.9 hPa，ΔP24達到-7.6 hPa，暖平流減壓有利于寒潮冷鋒加速南下，鋒面壓至寧夏石嘴山東部—銀川中部—中衛(wèi)西部一帶，鋒面附近溫度梯度大，鋒后ΔP3達到+2.2 hPa，ΔP24達到+10.1 hPa，寧夏大部開始出現(xiàn)大風(fēng)、浮塵或揚沙天氣；20:00冷鋒移過寧夏，大部地區(qū)ΔT24為-9～-4℃。14日08:00冷高壓中心強度達到1 065 hPa，氣壓梯度增大到50 hPa，其母體一直滯留在貝加爾湖西南側(cè)堆積區(qū)并不斷分裂出小股冷空氣，但是無明顯的副冷鋒，冷鋒移至我國東北東部—華北中部—西北地區(qū)東南部一帶，寧夏大部ΔP24為+10～15 hPa。15日08:00冷高壓母體仍滯留在貝加爾湖西南側(cè)堆積區(qū)，中心氣壓維持1 060 hPa，分裂南下的冷高壓中心位于河套地區(qū)西部，中心氣壓達1 054 hPa，寧夏大部ΔP24為+10 hPa左右，氣溫持續(xù)下降，最低氣溫普遍為-18～-13℃。16日08:00冷高壓減弱，母體仍滯留在貝加爾湖西南側(cè)，冷鋒已經(jīng)完全移至海上，寧夏已轉(zhuǎn)為負變壓控制，氣溫開始緩慢回升。

圖4 2020年2月12—16日寒潮過程綜合動態(tài)圖（審圖號：GS(2019)3082）

3 強降溫天氣成因分析

3.1 寒潮前回暖

2月上旬寧夏全區(qū)平均氣溫為-2.7℃，較常年同期偏高2.6℃。寒潮過程發(fā)生前，西北地區(qū)東部至東北地區(qū)主要受熱低壓控制且持續(xù)加強，12日熱低壓加深至1 005 hPa。因此，寒潮發(fā)生前5天，寧夏大部升溫明顯（圖5），8—12日平均氣溫為0.5℃，較常年同期偏高4.4℃，12日最高氣溫普遍為12.7～18.9℃，較常年同期偏高7.6～11.6℃；日平均氣溫和最高氣溫與常年值間的差值逐漸增大，其中8日的日最高氣溫差值為4.1℃，12日增大到9.5℃，增溫顯著。從8—12日的日平均氣溫距平分布圖（圖略）上可以看到固原、永寧、韋州和麻黃山地區(qū)氣溫偏高最多，超過5.2℃，其中固原站8—12日日平均氣溫為2.8℃，較常年同期偏高6.8℃，這也是固原站平均氣溫降幅最大的原因。由此可知，寒潮前氣溫回升是寧夏寒潮預(yù)報的一個重要指標(biāo)。

圖5 2020年2月8—16日最高氣溫、最低氣溫和日平均氣溫的變化圖

3.2 強冷平流

根據(jù)熱流量方程，某地溫度變化主要取決于溫度平流和非絕熱因子的作用。在寒潮天氣過程中，氣溫下降主要是由強冷平流所引起的，故本文只討論700 hPa上冷平流的演變情況[3]。13日08:00（圖6a），河西北部的小槽已轉(zhuǎn)豎，強冷平流中心位于阿爾泰山脈東部，為-110×10-5℃/s，表明冷空氣勢力很強；13日20:00（圖6b），小槽已東移南下，寧夏地區(qū)位于槽底部，帶狀冷平流主體進入河套地區(qū)，3個冷平流中心分別位于內(nèi)蒙古鄂托克旗附近（中心增大至-140×10-5℃/s）、寧夏賀蘭山地區(qū)（中心為-100×10-5℃/s）和青海湖東側(cè)（中心為-110×10-5℃/s），強冷平流東移造成寧夏地區(qū)氣溫驟降；14日20:00（圖略），冷平流繼續(xù)東移，影響我國西北地區(qū)東部至華北地區(qū)西部，中心強度明顯減弱，但是寧夏大部地區(qū)仍處在-20×10-5℃/s的冷平流控制下，氣溫持續(xù)下降。

由106°E溫度平流和假相當(dāng)位溫剖面可知，13日08:00（圖6c），鋒面還未進入寧夏地區(qū)，中低層冷平流強度較弱，冷平流中心主要位于600 hPa以下的40°N以北地區(qū)，中心強度為-20×10-5℃/s；13日20:00（圖6d），鋒面過境，位于35°N附近，能量鋒區(qū)內(nèi)的等假相當(dāng)位溫線梯度加大，鋒區(qū)加強，冷平流主體隨高空槽東移南壓，且高度抬升至400 hPa，冷平流中心增強至-110×10-5℃/s，位于600 hPa附近，對流層高層冷平流也呈增強趨勢，高層冷平流的向下傳導(dǎo)對中低層冷平流有明顯的加強作用，增大了地面溫度梯度，造成地面氣溫陡降[8]。

圖6 2020年2月13日700 hPa溫度平流分布（單位：10-5℃/s），經(jīng)106°E溫度平流（單位：10-5℃/s）及假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）剖面圖

4 數(shù)值預(yù)報模式檢驗

數(shù)值預(yù)報已成為現(xiàn)階段制作天氣預(yù)報的重要工具，了解數(shù)值預(yù)報性能、提高數(shù)值預(yù)報應(yīng)用能力對于準(zhǔn)確制作天氣預(yù)報有著極其重要的意義[9]。橫槽轉(zhuǎn)豎型的寒潮天氣過程，預(yù)報著眼點是橫槽何時轉(zhuǎn)豎。因此，針對橫槽轉(zhuǎn)豎的時刻（13日08:00），本文根據(jù)寧夏寒潮預(yù)報客觀模式對ECMWF模式的預(yù)報進行了檢驗。13日08:00（表1），冷高壓中心強度為1 050 hPa，ECMWF 72 h內(nèi)預(yù)報均較實況偏小7 hPa，預(yù)報的范圍與實況較為一致；對冷空氣前沿氣壓梯度的預(yù)報偏大，烏蘭巴托和烏魯木齊與銀川站的氣壓差預(yù)報偏大誤差在1～3 hPa內(nèi)；對高空鋒區(qū)的預(yù)報均與實況較為一致，偏小誤差在1.5 gpm內(nèi)，但對河西走廊地區(qū)的轉(zhuǎn)豎小槽預(yù)報偏強（預(yù)報出現(xiàn)536閉合環(huán)流，-35℃冷中心）。ECMWF的溫度預(yù)報與實況比較一致?？傮w來說，ECMWF 72 h預(yù)報時效內(nèi)預(yù)報較穩(wěn)定，可預(yù)報性高。

表1 寧夏寒潮預(yù)報客觀模式對ECMWF模式的預(yù)報檢驗統(tǒng)計表

5 結(jié)論

本文通過對此次寒潮過程的天氣形勢和強降溫特征分析，得出以下結(jié)論。

（1）此次寒潮天氣過程的冷空氣源地是新地島以東洋面，冷空氣先在西西伯利亞堆積，然后沿西北偏北路徑分裂南下。中亞脊與烏拉爾山脊同位相疊加后不斷向東北方向加強發(fā)展，形成阻塞高壓，高壓脊前偏北氣流顯著增強，引導(dǎo)冷空氣向寒潮關(guān)鍵區(qū)堆積，成為本次寒潮天氣過程暴發(fā)的必要條件。

（2）促使寒潮暴發(fā)的大氣環(huán)流為橫槽轉(zhuǎn)豎，阻塞高壓崩潰后橫槽東移并斷裂成3部分，分別位于鄂霍茨克海、貝加爾湖東側(cè)和河西走廊北部，河西走廊北部的轉(zhuǎn)豎小槽引導(dǎo)寒潮關(guān)鍵區(qū)冷空氣南下，造成了此次寒潮天氣過程。

（3）寒潮過程發(fā)生前，西北地區(qū)東部主要受熱低壓控制，且持續(xù)加強，地面增溫明顯，過程前5日，寧夏全區(qū)日平均氣溫較常年同期偏高4.4℃，有利于增大氣溫降幅，成為寒潮暴發(fā)的有利條件之一。

（4）在顯著偏暖的背景下，長時間維持的700 hPa強冷平流是造成持續(xù)性降溫的主要原因，冷平流中心強度最強達到-140×10-5℃/s。伴隨著鋒面系統(tǒng)的移動，高層冷平流向下傳導(dǎo)后與中低層冷平流結(jié)合變強，增大了地面溫度梯度，造成地面氣溫陡降。

（5）本文根據(jù)寧夏寒潮預(yù)報客觀模式，對ECMWF模式的預(yù)報進行了檢驗。結(jié)果表明，ECMWF對這次寒潮過程的環(huán)流形勢給出了較為準(zhǔn)確的預(yù)報，但是對冷空氣的強度預(yù)報存在一定偏差，因此預(yù)報員在參考時應(yīng)當(dāng)注意訂正。