嵊泗两次寒潮天气过程对比分析

嵊泗县气象局 陶烨明 虞佳维 张恩泽

引言

寒潮是指日平均气温24小时内下降8℃或48小时内下降10℃，且最低气温降至4℃以下的冷空气影响过程。王镇铭等[1]研究指出移动性西风槽型、横槽转轴型、东北冷涡维持性、前期显著回暖型是影响浙江省的常见冷空气天气系统。对于嵊泗来说，寒潮带来的低温冰冻、大风对岛城居民影响最大，因此，以个例分析探究寒潮强降温、沿海大风成因，以提升嵊泗寒潮天气过程预报服务能力具有相当重要的现实意义。本文将对2020年末和2021年初的两次寒潮过程天气实况、冷空气移动路径、环流形势进行对比分析，探究两次过程形成原因及差异，总结预报经验，为今后寒潮天气气象服务提供参考。

1 主要天气事实对比分析

为进一步了解2020年12月29～31日以及2021年1月6～8日两次寒潮天气过程对嵊泗的影响，特将两次过程的天气实况统计如下：（表1）

表1 嵊泗两次寒潮过程天气实况对比

两次寒潮过程仅相隔一周左右，但其天气实况却有较大区别：一是从降温特点来看，2020年底的寒潮过程在寒潮来临前有明显回温，29日气温回升到17.2℃，29日温差达11.8℃，过程日平均气温降温幅度高达16.2℃，降温幅度大、速度快；而2021年初的寒潮过程，5日已有一股弱冷空气影响，前期气温已有所下降，两股冷空气衔接较为紧密，6日寒潮来临前无回温，自5日起气温便呈现逐步下降的态势，降温速度相对较慢，过程日平均气温下降幅度为9.8℃，总体呈现降温幅度、速度一般，但气温持续低迷的特点。二是从最低气温来看，2020年末寒潮虽温度降幅大，但前期气温基数较高，过程最低气温为-5.4℃，而2021年初的寒潮来临前已降温，虽降温幅度较2020年末寒潮偏小，但过程最低气温却低至-6.6℃。三是从降水情况来看，2020年末寒潮受冷暖气流交汇影响，有弱降水，且随着气温下降，出现了雨雪相态转化，但由于降水量级小，且降水与低温之间存在时间差，未出现明显道路结冰，而2021年初寒潮仅有干冷空气影响，水汽条件差，仅局部出现短时雨雪天气。四是从大风影响来看，2020年末寒潮过程嵊泗沿海普遍出现10-11级大风，个别高山站风力达13级，9级大风维持时间长达39小时，2021年初寒潮过程嵊泗沿海普遍为8-9级大风，个别高山站最大风力11级，大风维持时间也较2020年末寒潮过程明显偏短，总体来看，2020年末寒潮大风明显强于2021年初的寒潮过程。结合以上实况特点，由于两次过程对嵊泗影响较大的主要是低温和寒潮大风，下文将重点围绕降温成因和沿海大风成因进行分析。

2 主要影响系统和冷空气路径对比分析

从500hPa高空图和槽线移动路径图（图略）可以看到两次寒潮过程均为横槽转竖引导冷空气南下影响我县的过程，寒潮开始影响前，中高纬地区大体上为两槽夹一脊的形势，脊区均位于西西伯利亚地区，呈东北——西南走向，2021年初寒潮过程的脊区较2020年末的明显偏强，西侧高空槽均位于乌拉尔山西侧，东侧高空槽为本次影响嵊泗的主要天气系统，此处高空槽两次过程之间差异较大，是导致两次寒潮过程降温特点区别较大的原因之一：2020年末的寒潮过程在寒潮影响前，鄂霍茨克海-贝加尔湖之间是一个大致呈东西走向的横槽，高空低压中心与冷中心位置趋于重合，位于鄂霍茨克海和俄罗斯的交界处，冷中心最低气温为-44℃，后期随着横槽转竖，引导冷空气扩散南下，形成了寒潮；而2021年初的寒潮过程东侧低涡呈现双低压中心、双冷中心的状态，冷中心最低气温为-44℃，这与2020年末的寒潮过程一致，两个低压中心分别有槽伸出，一个低压中心位于尼古拉耶夫斯克，高空槽从尼古拉耶夫斯克延伸到海参崴附近，此处高空槽后续东移入海，为寒潮来临前冷空气过程的影响系统，冷中心落后于低压中心，高空逐渐减弱，另一个低压中心位于雅库利姆北侧，冷中心与低压中心近乎重合，8日高空槽走向与北纬60°纬圈趋于重合，槽线较2020年寒潮过程明显偏短，后期随着高空槽东移南下，并逐渐转竖，形成了2021年初的寒潮过程。

从地面图上（图略）可以看到，2020年末这次过程地面冷高压从贝加尔湖西侧（约98°E）分裂出新的冷高压东移南下，经内蒙古中部、河套地区直达长江中下游及江南地区，影响长江中下游地区时地面冷高压中心约为1035hPa，整体来看属于中路冷空气影响；2021年初的寒潮过程地面冷高压主体位于阿尔泰山脉西北侧,稳定少动，冷空气从蒙古国西部经河西走廊南下，属于较典型的西北路冷空气影响，两次过程冷高压主体位置较为接近,但2020年末的寒潮过程地面冷高压中心出现明显分裂现象，这可能是导致后期冷空气南下路径出现较大差别的主要原因。

3 强降温成因对比分析

近地面局地温度的变化主要由温度平流和非绝热加热引起[2]，温度平流是两次寒潮天气出现强降温的主要原因，主要通过冷暖平流的强度进行判断，非绝热因子主要考虑辐射和水汽相态变化的影响，嵊泗地处海岛，海洋下垫面的调节作用比较显著，辐射降温对嵊泗影响不大，此外，2020年末的寒潮过程出现了雨雪的相态转换，而2021年初的寒潮过程则因水汽条件较差，仅局部地区出现短时小雪，降水及其相态转变在一定程度上加剧了气温的快速下降，但两次过程降水量级不大，降水对气温的影响相对仍较小，因此本节主要将对850hPa的温度平流情况进行对比分析。

2020年末寒潮过程发生强降温的时段主要为29日08时-30日08时，该时段内气温从14.1℃降至-2.2℃，降温幅度达16.3℃，从850hPa等温线变化来看，29日08时，嵊泗上空850hPa温度约为6℃，30日08时850hPa温度降至-8℃左右，降温幅度约为14℃，从29日20时的天气图可以看到，此时嵊泗附近等温线非常密集，十个纬距内分布有9条等温线，即温差达到36℃，且风向与等温线近乎垂直，风速普遍达到16～20m/s，冷平流极强，因此在该时段内，嵊泗气温实现跳水式下降；2021年初寒潮过程嵊泗的气温自5日08时的9.5℃降至7日20时的-5.8℃，降温幅度约为15.3℃，气温变化相对平缓，降温过程持续时间明显偏长，从850hPa等温线变化来看，5日08时嵊泗上空850hPa气温约为0℃，7日20时850hPa温度降至-12℃左右，降温幅度约为12℃，从6日20时850hPa的天气图可以看到，此时嵊泗附近的等温线密集程度明显较上一次过程稀疏，10个纬距内分布有6～7条等温线，风向与等温线之间夹角相对较小，且风速普遍仅为10～14m/s，冷平流强度较2020年末寒潮过程明显偏弱。从冷平流持续时间看，2020年寒潮31日08时风向已经几乎与等温线平行，且嵊泗附近等温线明显疏散，冷平流明显减弱，而2021年寒潮直到8日08时风向仍与等温线存在一定夹角，等温线也未出现明显疏散，冷平流持续时间较2020年寒潮过程明显偏长，冷平流的强度变化及其持续时间可能是造成两次寒潮降温特点迥异的最主要原因。

4 沿海大风成因对比分析

常见的冷空气大风其成因不外乎：强的地面气压梯度、高低空急流活动、高空动量下传以及强冷平流作用，对这两次寒潮大风的成因分析也将主要从以上几方面展开。

从地面图来看，29日20时-30日20时，120°-125°E之间分布有6～8根等压线，31日08时120°-125°E之间也仍旧存在5根等压线，气压梯度非常大，且持续时间较长，密集的等压线分布，强的地面气压梯度是2020年末寒潮过程沿海普遍刮起10-11级大风，且9级大风持续时间长达39小时的最主要原因。相对而言，2021年初的这次寒潮过程，7日08时-8日08时，120°～125°E之间分布有4-5根等压线，其地面气压梯度较2020年末的寒潮明显偏小，因此2021年初的寒潮普遍以9级大风为主，9级大风持续时间相对而言也较短。此外，上文对于冷平流强度已有较详细的分析，可知2020年末的冷平流强度明显较2021年初的过程偏强，这可能也是2020年末的寒潮大风强于2021年初寒潮大风的原因之一。

动量下传一般需要具备两个条件：其一是高低空风速垂直切变要大，二是要有一定的垂直下沉速度。这两次寒潮过程高低空风向风速以上海宝山站为例，统计结果如下：

由表2、表3结合高空各层的天气图可以看到：2020年初的寒潮过程500hPa、700hPa和850hPa都有急流存在，2020年12月29日20时-30日20时高低空风速的垂直切变都很大，普遍500hPa和850hPa之间风速切变在18-28m/s之间，在此区间风向随高度逆转，有冷平流；2021年末的寒潮过程同样三层都有急流存在，但各层风速与2020年末的过程相比整体偏小，500hPa和850hPa之间的风速切变基本稳定在22m/s，高低空垂直风速切变也较大，整体风向随高度呈逆转状态，说明同样存在冷平流，两次过程均存在高低空急流配合以及较大的风速垂直切变，这就意味着出现动量下传使地面风增强的可能性较大。此外，两次过程700hPa均有逆温出现，这意味着该时段内700hPa附近有锋区存在。

表2 2020年12月29日～30日上海宝山站高低空风向风速及温度变化

表3 2021年1月7日～8日上海宝山站高低空风向风速及温度变化

从各层垂直速度图（图略）来看，2020年12月30日08时～30日20时和2021年1月7日08时～8日08时，嵊泗周边700hPa以下各层的垂直速度都保持在0～1m/s，处在一个微弱的气流下沉区；500hPa以上以及2020年12月29日08时，嵊泗处于一个微弱的的气流上升运动区，中低层的下沉运动使得动量下传成为可能，但由于下沉运动非常微弱，综合考虑认为动量下传可能是这两次寒潮过程出现大风的原因之一，但绝非主要原因，影响非常有限。

5 结论与讨论

（1）两次寒潮均是典型的横槽转竖引导冷空气南下造成强降温的过程，但由于2020年末寒潮温度基数高，前期回温明显，2021年初寒潮紧接上一股冷空气南下，温度基数低，无锋前增温，导致两次寒潮过程的降温幅度及降温特点有明显区别。

（2）2020年末寒潮过程整体来看属于中路冷空气影响，而2021年初的寒潮过程属于较典型的西北路冷空气影响，两次过程冷高压主体位置较为接近，但2020年末的寒潮过程地面冷高压中心出现明显分裂现象，这可能是导致后期冷空气南下路径出现较大差别的主要原因。

（3）850hPa的强冷平流是造成两次寒潮强降温过程的主要原因。

（4）强的地面气压梯度、高低空急流活动以及强冷平流多种因子共同作用致使嵊泗两次寒潮过程均出现了大风天气，且2020年末的寒潮过程由于沿海梯度更大，高低空急流、冷平流作用更强，形成的沿海大风在强度上及持续时间上均较2021年初的寒潮过程偏强；由于垂直下沉运动微弱，两次寒潮过程中动量下传作用对风速增大贡献有限。