阿勒泰地区一次强寒潮天气成因分析

李博渊，王定定，庄晓翠

(1.青河县气象局，新疆青河　836200；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰　836500)



阿勒泰地区一次强寒潮天气成因分析

李博渊1，王定定2，庄晓翠2

(1.青河县气象局，新疆青河836200；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰836500)

摘要：利用常规观测资料、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)预报产品及T639数值模式的初始场和预报产品，运用天气动力学诊断方法对阿勒泰地区2014年4月23—24日寒潮天气进行诊断分析和检验。结果表明:欧洲脊向西北方向强烈发展，脊前西北急流带建立加强，引导新地岛附近的强冷空气东南下到西西伯利亚地区堆积增强；欧洲脊顶部受冷空气侵袭，快速向南衰退，促使西西伯利亚强冷空气大举南下，形成寒潮天气。850 hPa强冷平流及前期地面气温异常偏高是形成强降温的主要原因；强冷平流和高空动量下传是造成强风的主要原因。08时起报的ECMWF 850 hPa温度预报较20时的稳定；ECMWF对于96 h内850 hPa温度预报误差较小；ECMWF对于大风区预报能力较T639的略强，但对于极大风速出现时间、大风的起风时间、大风持续时间的预报，两个模式在实际中均有较高的参考价值。

关键词：寒潮；环流形势；冷平流；动量下传；阿勒泰

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动，其特点是出现剧烈的降温和大风，并伴随有暴雨(雪)、冰雹、雷电、沙尘暴、霜冻等灾害性天气，是新疆秋、冬、春季危害最为严重的灾害性天气之一。新疆许多学者对寒潮过程的冷空气源地和路径、环流形势及影响系统等进行了较深入的研究[1-6]，成果在预报预警业务和防灾减灾中发挥了重要作用。然而由于寒潮天气形成机理的复杂性、多样性及地域特征明显等，使人们对寒潮的认识不够全面，特别是新疆阿勒泰地区地形复杂，气候差异大，寒潮天气过程也不尽相同。尤其在全球变暖的大背景下，我国寒潮天气也发生了改变[7]，因此对于寒潮天气的研究仍然是近期乃至今后工作的重点。

利用常规观测资料、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)预报产品及T639数值模式的初始场和预报产品，采用天气动力学诊断方法，分析2014年4月23—24日(以下简称“4·23过程”)发生在阿勒泰地区的强寒潮天气，并对数值预报产品在此次寒潮天气中的预报能力进行检验，以期进一步提高对寒潮的科学认识，为今后寒潮天气的预报预警和防御提供参考依据。

1天气概况

2014年4月23—24日阿勒泰地区出现以大风、强降温为主的寒潮天气过程，主要特点是大风范围广、持续时间长、强度大，降温剧烈，降水量小。由本次寒潮天气过程极大风速分布(图1a)可知，除山区个别站点外，全区42个测站或区域自动站均达大风标准；阿勒泰市640台地风速为34.6 m/s，为此次寒潮天气过程的极大风速中心；风速超过8级(24 m/s)的测站或区域自动站有21个；大部分自动站的大风持续时间超过20 h。此次天气过程降温剧烈，最低气温24 h或48 h降幅达7.7～17.9 ℃，大部分测站24 h降温10 ℃以上，最大降温中心出现在富蕴县奥尔塔阿格勒塔依沟，降温幅度达17.9 ℃(图1b)。此次寒潮天气过程阿勒泰地区仅出现少量降水,因此主要分析大风和强降温的成因。

图1　2014-04-23—24阿勒泰地区极大风速 (a 单位为m/s，小黑点为阿勒泰市640台地)和最低气温降温幅度(b 单位为℃，小黑点为富蕴县奥尔塔阿格勒塔依沟)分布

2成因分析

2.1冷空气源地及堆积

寒潮能否爆发与冷空气的源地和堆积程度有密切关系。4月19日08时500 hPa天气图(图略)上，极涡位于新地岛以北的极区，欧洲沿岸为高压脊，乌拉尔山东北部有低槽发展，地中海附近为一中心值为544 dagpm的低涡，里海—咸海、新疆分别为高压脊区。20日08时，在地中海低涡前暖平流的作用下，位于里海—咸海的高压脊向西北方向发展，并与欧洲沿岸的高压脊同位相叠加，形成经向环流较大的欧洲脊，脊前西北气流建立并加强，引导新地岛附近的冷空气东移南下，补充到乌拉尔山东北部的低槽中，使该槽加深并东移南下，形成西西伯利亚低槽(图略)。21日20时，欧洲脊继续向北发展，欧亚中高纬度环流经向度进一步加大，脊前西北气流显著增强，形成风速大于36 m/s的急流带，新地岛附近的冷空气进一步东移南下到西西伯利亚。此时，位于新疆的高压脊东移到贝加尔湖东部，阻挡了西西伯利亚冷空气东移，使冷空气在西伯利亚地区堆积并增强(冷中心为-40 ℃)(图2a)。根据有关研究[6]可知，冷空气堆已初步形成，具备寒潮爆发的首要条件。

图2　20时500 hPa天气图(a 2014-04-21，b 2014-04-22；细实线为等高线，单位为dagpm；虚线为等温线，单位为℃；粗实线为槽线；圆点为阿勒泰站)

2.2冷空气的爆发及地面冷高压路径

22日20时500 hPa天气图(图2b)上，欧洲脊顶部受冷空气的入侵快速减弱南压，引导西西伯利亚强冷空气大规模南下，造成寒潮天气。

此次寒潮天气，地面冷高压中心路径为西北路径(图略)。20日20时冷高压中心位于斯堪的纳维亚半岛，强度较弱；21日20时冷高压中心东南下到欧洲中部；22日20时冷高压进一步南下到乌拉尔山南部并增强，冷空气开始影响新疆；23日08时冷高压显著增强东移南下，中心位于巴尔喀什湖附近，达1 040 hPa(图略)，此时新疆已出现剧烈的降温、大风、沙尘暴、暴雨(雪)天气。23日20时冷高压中心移至阿勒泰地区的西部境外，阿勒泰地区为冷高压控制，寒潮天气逐渐结束。

综上所述，里海—咸海高压脊强烈向西北发展，形成环流经向度较大的欧洲脊，脊前西北急流带加强，增强了新地岛附近的强冷空气在西西伯利亚的堆积；欧洲脊顶部受冷空气入侵，快速南退减弱，造成西西伯利亚强冷空气大举南下，形成寒潮天气。此次寒潮冷空气的源地位于新地岛附近，路径为西北路径。

2.3强降温成因

通过对比发现，T639预报产品的12 h物理量资料与实况基本吻合，因此采用T639初始场和6 h物理量资料分析强降温成因。

2.3.1强冷平流特征此次寒潮天气过程中，强冷平流是造成气温骤降的主要原因。 22日20时，850 hPa上新疆西部及西北部为强冷平流控制，中心强度为-1 320×10-6K/s。23时该区域冷平流中心略有东移并增强为-1 490×10-6K/s，阿勒泰地区西部和塔城地区东北部存在2个冷平流中心，地面气温开始下降。23日02时冷平流控制北疆大部，且有三个强冷中心，分别位于福海县、米泉附近和塔城地区东北部(图3)；阿勒泰地区大部地面气温6 h降幅达10～18 ℃。此后强冷平流快速减弱东移，20时冷平流已经明显减弱，强降温天气逐渐趋于结束。

从850 hPa冷平流及地面气温变化可以看出，冷平流小于-100×10-6K/s的区域与日最低气温下降幅度超过10 ℃的区域基本吻合，大部分测站最低气温负变温区向东南扩展的速度比冷平流向东南扩展的速度滞后12～15 h。

2.3.2前期升温迅猛4月20—22日地面天气图上，冷空气入侵前阿勒泰地区热低压迅速发展，气温回升明显。日平均气温较历年同期偏高1.5～5.7 ℃，尤其是21—22日全区日平均气温异常偏高2.5～5.7 ℃。前期气温升高迅猛有利于冷空气的爆发。

图3　2014-04-23T02 850 hPa温度平流 (单位为10-6 K/s)

从阿勒泰站探空资料850 hPa的24 h变温(ΔT24)也能够反映降温的情况。23日08时ΔT24为-19 ℃，对应地面的24 h最大正变压(ΔP24)为14～25 hPa，最大负变温为16～21 ℃。远远超过该区春季寒潮预报指标[6]。

2.4大风成因

强冷平流不仅会造成强烈降温，还会使地面正变压场加强，变压梯度和气压梯度增大，促使地面风场发展，冷平流愈强，风力会越大。利用MICAPS系统提供的球面距离计算功能计算得到，此次寒潮过程中强盛的冷平流使阿勒泰地区3 h变压梯度达1.2～3.2 hPa/100 km，气压梯度达1.8～2.5 hPa/100 km，对应出现的风力达6～10级。

强风的出现不仅与强冷平流侵入有关，还与高空动量下传密切相关。西西伯利亚低槽在东移南下的过程中不断加强加深，槽前上升运动增强。22日20时(图略)，阿勒泰地区的西部为强上升气流控制，上升区从850 hPa伸展到150 hPa，垂直上升速度最大区域位于500～400 hPa，中心达-140×10-2Pa/s；23日02时，阿勒泰地区东部富蕴站附近处于增强的上升运动区，塔城地区北部处于槽后增强的下沉区，其中心位于克拉玛依站附近(图4a)。沿图4a中强上升运动中心和强下沉运动中心的连线(AB直线)做垂直速度剖面(图4b)可知，垂直上升运动区位于阿勒泰地区东部，最大上升区位于89oE附近的富蕴站，中心为-220×10-2Pa/s，位于400 hPa；而塔城地区北部85oE附近的克拉玛依站为较强的下沉运动区，中心值为120×10-2Pa/s，与阿勒泰地区东部的强上升运动区构成纬向垂直环流圈。该环流圈的形成，有利于高空动量向下输送，地面风力加强。23日02时后，纬向垂直环流圈减弱，风力减小。

图4　2014-04-23T02 700 hPa垂直速度(a　单位为10-2 Pa/s；粗实线AB为强上升运动和强下沉运动中心的连线)和沿AB连线的垂直速度剖面(b)

22日20时(图略)阿勒泰地区西部境外高空西北急流带显著增强。500、700、850 hPa急流带风速分别为28～44、20～36、20～32 m/s，急流核风速分别达44、36、32 m/s，而925 hPa急流位于新疆西北境外，中心为20 m/s(图略)。23日08时，500 hPa急流东移北上，急流核减弱为36 m/s，位于阿勒泰地区北部边界附近；700 hPa急流核东移到阿勒泰地区东部，中心减弱为20 m/s；850 hPa急流核东移至阿勒泰地区西部，也减弱为28 m/s。可见500、700、850 hPa风速明显减小，而925 hPa风速(图略)明显增强，中心位于天山北部，达36 m/s。由此可见，高空急流增强引起高空向下传输动量增强，促使地面风力加强。这是因为在急流中心的下方存在温度水平梯度较大的锋区，急流越强，锋区的斜压性越强[8]；高空急流轴右侧存在强辐散，左侧存在强辐合，这种分布有利于极锋锋区扰动增强，从而使得锋区上低值系统(西西伯利亚低槽)增强。槽前强辐合与高空强辐散的叠置有利于上升运动增强，从而增强纬向垂直环流，有利于动量下传形成偏西大风。

单站高空风的演变也明显地反映了动量下传。由阿勒泰站(51076)单站高空风演变(图5)可知，22日20时最大风速位于300 hPa附近，大于16 m/s的风速位于500 hPa以上， 850 hPa及以下风速为2～4 m/s。23日08时最大风速位于400 hPa，为52 m/s，相应地500 、700 、850 hPa风速分别增至32、20、24 m/s，850 hPa以下风速迅速增加，为16 m/s的偏西风；23日20时对流层风速迅速减小，850 hPa以下风速则增强至16～20 m/s。阿勒泰站地面23日08时为12.2 m/s的偏西风，20时为14.8 m/s的西西北风。

图5　2014-04-21—24 阿勒泰站单站高空风随时间的演变

3数值预报检验

近年来，国家气象中心对T639、日本、ECMWF等数值模式的中期预报性能进行了定期检验和发布[9-13]，为预报员了解和掌握各模式对中高纬环流形势、850 hPa温度及地面冷高压、西太平洋副热带高压等的预报能力提供可靠的参考依据。然而，中国幅员辽阔，地形复杂，尤其在制作阿勒泰地区当地要素预报时，不仅需要参考数值模式对环流形势和天气系统的预报，更需要参考数值模式的格点要素预报值。因此，针对影响此次寒潮天气的主要气象因子——850 hPa温度和风场，检验了T639模式、ECMWF预报产品对该次寒潮天气的预报能力。

3.1850 hPa温度

对于寒潮天气，通常需要提前48 h或72 h(有时甚至是96 h或120 h)进行预报服务。因此，针对“4·23过程”，将23、24日08时和20时阿勒泰站(51076)850 hPa实况温度分别与相应时刻ECMWF 168 h预报时效范围内850 hPa在87.5oE、47.5oN格点的温度预报值进行对比分析，可知对于20 时起报的ECMWF，96～168 h温度预报误差均大于2 ℃，参考价值较小；96 h内只有1 d温度误差为2.3 ℃，其它预报时效范围温度误差均在2 ℃内，即 96 h内预报较为稳定。08时起报的ECMWF，168 h内预报只有1 d误差为3 ℃，其它预报时效的温度误差均在1～2 ℃。可见对于ECMWF，08 时起报的850 hPa温度较20 时稳定。

采用同样的方法对T639在168 h预报时效范围内850 hPa温度预报进行检验，结果表明误差均大于4 ℃，误差较大，在运用时需订正。

3.2850 hPa风场

采用3.1中同样的方法分别对T639和ECMWF的850 hPa风场预报进行检验。结果显示，T639 对于48 h预报时效内大于17 m/s的风速区(简称大风区)的预报与实况基本吻合；72 h预报时效内大风区的风速偏小4 m/s。而ECMWF在72 h预报时效内对大风区的预报与实况基本吻合。将两种模式对大风的起止时间和极大风速的出现时间及大小与实况进行对比分析(表1)，结果显示T639模式预报的极大风速值比实况偏小4.5 m/s，而ECMWF偏大5.5 m/s；极大风速出现时间两个模式均较实况偏晚2 h。对于大风的起始(结束)时间，T639模式预报较实况偏早1(2) h，而ECMWF较实况偏晚2(1) h；对于大风持续时间，两个模式与实况均有1 h误差。综上所述可知，ECMWF对大风区的预报较T639的能力略强，而对于极大风速出现时间、大风的起风时间、大风持续时间的预报，两个模式在实际中均有较高的参考价值。

表1　T639、ECMWF 850 hPa风场预报与实况对比

4结论

(1)寒潮冷高压路径为西北路径，冷空气源地主要来自新地岛附近。欧洲脊向西北方向强烈发展，脊前西北急流带增强，引导新地岛附近的强冷空气东移南下到西西伯利亚地区堆积加强；欧洲脊顶部受冷空气入侵，快速南退减弱，造成西西伯利亚强冷空气大举南下，形成寒潮天气。

(2)强降温的主要原因是850 hPa强冷平流及冷空气入侵前地面气温回升明显，并异常偏高；造成强风的主要原因是强冷平流和高空动量下传。

(3)数值预报产品对本次寒潮天气过程预报较为准确，08时起报的ECMWF 850 hPa温度预报较20时的稳定；ECMWF对于96 h内850 hPa温度预报误差较小；ECMWF对于大风区预报较T639的能力略强，但对于极大风速出现时间、大风的起风时间、大风持续时间的预报，两个模式在实际中均有较高的参考价值。

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基金项目：陕西省气象局科技创新基金计划项目(2013M-18)

作者简介：王娟(1981—)，陕西西安人，满族，硕士，工程师，主要从事遥感应用方面的工作。

收稿日期：2015-06-11

文章编号：1006-4354(2015)06-0006-04

中图分类号：P158.122

文献标识码：A