2020年2月13—15日宁夏寒潮天气过程分析

张泽瑾

（宁夏中卫市气象局，宁夏 中卫 755000）

寒潮是宁夏冬半年主要灾害性天气之一[1]，发生时常伴随剧烈降温和大风，有时还伴有沙尘和雨雪，给交通出行、农业生产、公众生活带来了许多不利影响。我国气象工作者王遵娅等[1]、刘传凤[2]、许爱华等[3]对寒潮影响系统的演变、冷空气的移动路径等开展了大量研究，得出了许多具有实用价值的预报指标[4]；宁夏气象工作者也对本地多个寒潮个例进行了分析，总结出了相关定量化预报指标，为当地寒潮天气的预报提供了参考和技术支撑[4-9]。受新疆强冷空气东移南下影响，2020年2月13—15日宁夏出现了一次寒潮、大风天气过程。本文在前人研究的基础上，利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）逐6 h 再分析资料，对环流背景及主要影响系统的发展演变、降温和大风的形成原因等进行分析，进一步揭示了寒潮天气的形成机制，为宁夏寒潮天气预报、预警提供了参考依据。

1 天气实况

受新疆强冷空气东移南下影响，2020年2月13—15日宁夏出现了一次寒潮、大风天气过程，寒潮等级未达到全区性寒潮。其中，13日午后至14日夜间，全区大部出现5 级左右偏北风，阵风7 到9 级，并伴有扬沙或浮尘天气，最大风速出现在贺兰山站，为29.7 m/s，最低能见度出现在同心站，为1 772 m；15日全区最低气温普遍降至-18～-13 ℃，较13日最低气温平均下降13.9 ℃，有3 站降幅超过14 ℃，最大降幅出现在泾源站，达到16.4 ℃；13—15日日平均气温平均下降11 ℃，最大气温降幅出现在固原站，达到15.6 ℃。此次寒潮天气过程致使石嘴山市平罗县姚伏镇周城村6 个蔬菜大棚、许家桥村3 个蔬菜大棚棚膜被大风吹毁，造成直接经济损失1.35 万元。

2 强冷空气活动

2.1 冷空气初始阶段

2月10日冷空气初始阶段500 hPa 环流形势如图1 所示，过程前期欧亚中高纬呈“两脊一槽”的环流形势，极涡位于60°N 以北、新地岛以东至150°E 的宽广区域内，其底部为较为平直的纬向环流，来自新地岛以东洋面的冷空气逐渐南压，在西西伯利亚—中西伯利亚地区形成高空冷涡，冷中心最低温度为-44 ℃。冷涡槽在乌拉尔山脊前西北气流的引导下逐渐向贝加尔湖附近移动；欧洲东部的切断低压缓慢向黑海附近移动；咸海北部的槽前有一支强西风，最大风速达44 m/s；太平洋东部的阿拉斯加有一暖性高压脊。

图1 2020年2月10日冷空气初始阶段500 hPa 环流形势图

2.2 冷空气积聚阶段

2月11—12日冷空气积聚阶段环流形势如图2所示。11日08 时，原位于欧洲的暖脊向北发展并东移，我国东北地区有暖性高压脊建立，形成东亚地区倒Ω 流型；西西伯利亚形成了深厚低压槽和强锋区；自极涡分裂南下的冷涡逐渐东移，中心最低温度为-45 ℃，横槽前部锋区很强，槽前最大风速值为40 m/s。11日20 时，乌拉尔山南部高压脊发展，与欧洲北伸的脊逐渐合并，脊前有强的偏北气流，引导极地冷空气南下，在横槽中堆积。东北地区的脊向北发展，中西伯利亚东部冷涡移动缓慢，来自新地岛以东的冷空气不断堆积。12日08 时，乌拉尔山高压脊不断北伸，脊前北风增强，最大风速为28 m/s，风向与等温线近于垂直，有强的冷平流。冷空气继续堆积，低涡缓慢东移，冷中心加强，温度降至-46 ℃。同时，地面冷高压主体位于北疆北部，中心强度为1 040 hPa，西北地区东北部受地面热低压控制，升温较快。

图2 2020年2月11—12日冷空气积聚阶段环流形势图

2.3 冷空气爆发阶段

2月13—15日冷空气爆发阶段环流形势如图3所示。13日08 时，冷涡移动缓慢，冰岛地区有冷空气不断侵袭，乌拉尔山高压脊逐渐东移并发展到最强阶段，使脊前冷空气南下，横槽受新地岛以东较强冷空气的补充及引导作用，向东南方向移动加深,引导槽主体位于贝加尔湖南部，冷空气在横槽后部堆积。地面冷高压主体扩大，前缘冷锋位于内蒙古地区，宁夏大部分地区仍受地面热低压控制。14日08 时，随着上游系统发展，高压脊东移，环流经向度加大，脊前由东北偏北风逆转为西北风，温度槽和高度槽趋于重合，横槽转竖，冷空气大举南下，我区处在强锋区和强风带控制之下。地面冷高压主体整体南压，中心强度增至1 055 hPa，其前部与寒潮地面冷锋间等压线非常密集，气压梯度很大，锋面东移南压至我区南部—陕西北部—河北北部。14日20 时，500 hPa引导槽继续南压影响宁夏地区，并在内蒙古地区形成一切断低涡，同时锋区加强南压，冷空气继续影响宁夏。虽然地面冷锋移出宁夏，但冷高压中心强度达到1 062.5 hPa，宁夏地区位于冷高压的底部，因此温度会有一个持续下降的过程。15日08 时，冷涡槽移出宁夏至内蒙古中部，在500 hPa 西风急流的作用下将继续发展东移，地面我区位于冷高压底部。

图3 2020年2月13—15日冷空气爆发阶段环流形势图

3 物理量场分析

3.1 探空分析

13日20 时，地面至中层较干，湿度条件差，无不稳定能量，地面相对较暖，低层温度直减率大，有利于下沉气流在下降过程中保持向下的加速度和较强下沉对流有效位能的形成，整层为一致的偏北风，低层至高层存在风速切变；14日08 时，地面温度降至零下，500 hPa 附近湿度较大，其以下温度露点差较大，存在热力不稳定，高空急流明显，动量下传作用使中低层风速加大；15日08 时，地面温度进一步降低，湿度转好，低层风速减小。

3.2 涡度平流分析

银川站涡度平流如图4a 所示，13日20 时—14日20 时银川站500 hPa 及以上高层有正涡度平流，最大中心为34×10-10s-2，表明宁夏处于槽前，且正涡度平流随高度增加，有利于其上升产生绝热冷却，使冷舌增强。寒潮爆发后，正涡度平流强度迅速减弱，能量释放导致大范围降温[6]。14日20 时以后，低层至高层为负涡度平流，宁夏位于槽后脊前的西北气流中，负涡度平流随高度增加，伴随有较强的下沉运动，动量下传使地面形成强烈的寒潮大风。地面冷高压上空有负涡度平流配合，预示着地面冷高压将持续加强。13日午后至14日夜间，850 hPa 及其以下为涡度正值区，有气旋性涡柱，利于垂直运动发展。13日20时500 hPa 涡度平流如图4b 所示，贝加尔湖及其以南为负涡度平流区，表明槽后有较强的下沉气流，利于高空强冷空气引导下传[5]，宁夏及内蒙古大部分地区处于正涡度平流区，位于槽前，有利于锋面发展，出现大风天气。

图4 涡度平流（单位：10-10 s-2）

3.3 温度平流分析

银川站温度平流变化如图5 所示，过程前（12日）400 hPa 及以下区域受暖平流控制，升温明显；13日14 时后宁夏位于冷平流区，降温开始，且冷平流逐渐增强，近地层冷高压势力逐渐加强，气温逐步下降；13日20 时—14日20 时，500 hPa 以上高层为暖平流，表明暖性高压脊此时位于宁夏上空，且暖平流随高度增强，预示着高压脊将减弱，槽后为暖平流，变温梯度指向东南，预示着横槽转竖南压；14日20 时以后，低层到高层为冷平流区，下沉运动明显，地面冷高压发展影响宁夏。过程前（12日），中低层受暖平流区控制，高层有冷平流，上冷下暖，大气层结不稳定，利于大风形成；14日白天斜压锋生作用明显，级次环流加强，使得锋后风速加大。13日夜间至14日白天，冷平流大值区位于低层850 hPa，中心值达-30×10-5℃/s，表明有强冷平流经过，风力增加，气温骤降，造成寒潮。

图5 银川站温度平流剖面图（单位：10-5 ℃/s）

3.4 假相当位温分析

银川站假相当位温变化如图6 所示，12日前，自地面至700 hPa 中低层有向上伸展的舌状能量高值区，存在上升运动，且θse随高度减小，12日14时θse为36 ℃（850 hPa），寒潮爆发前积累高能高湿[5]。寒潮过程来临后，假相当位温有所下降，13日14 时θse为26 ℃。随着冷空气进一步爆发南下，假相当位温急速下降，14日14 时θse为6 ℃左右，空气变得干冷。θse的变化表明寒潮大风的产生伴随有不稳定能量的释放。

图6 银川站假相当位温剖面图（单位：℃）

4 强降温成因

4.1 寒潮前期回暖

寒潮天气过境时，气压升高、气温骤降，气象要素变化剧烈。银川站和固原站地面温度及气压变化特征如图7 所示，过程前期，地面受蒙古热低压控制，升温迅速，13日14 时两站气温升至最高（银川站8.5 ℃、固原站6.5 ℃），后气温直线下降，地面气压逐步升高，寒潮开始影响宁夏地区。该态势持续至15日08 时，两站气温降至最低（银川站-15.2 ℃、固原站-17.7 ℃）。此后气温有所回升，气压开始下降。

图7 地面温度及气压变化特征图

研究表明，寒潮前气温回升是宁夏寒潮爆发的一个重要指标。宁夏所有寒潮过程均是在前期强烈升温的基础上由较强冷空气向南侵袭造成的。在冷空气势力相同的情况下,寒潮前回暖越强,降温强度越大[6]。因为在前期升温强烈的基础上，若有较强冷空气入侵，很容易造成温度变化剧烈；此外，低层比高层增暖幅度大，会形成热力不稳定，随着强冷空气入侵、锋面过境，热力不稳定层结被破坏，湍流交换，动量下传，形成大风。

4.2 强冷平流

在寒潮降温预报的所有条件里，温度平流对气温局地变化的影响最大。此次气温骤降主要是由强冷平流引起的。温度平流分布如图8 所示，13日20时，200 hPa 中西伯利亚—贝加尔湖—北疆北部受冷平流控制，冷平流中心位于中西伯利亚附近，数值为-30×10-5℃/s，新疆北部—内蒙古西部—河西走廊西部受较强的冷平流控制，宁夏位于弱的暖平流区；500 hPa 原位于贝加尔湖南部的冷平流中心南压至内蒙古中部，冷平流较强，宁夏位于一般强度的冷平流区内；700 hPa 冷平流南压至新疆、内蒙古、宁夏、陕西和山西，这些地区均受冷平流控制，冷平流较强，中心位于内蒙古中部。高空锋区随高度升高向冷区倾斜，锋区内有冷平流,对应地面有冷锋。从高层至低层，宁夏的温度平流由暖转为冷，冷平流逐步加强，促使低层锋区进一步加强，地面气压梯度增大。当冷空气前锋入侵时，致使大风及沙尘天气出现。

图8 温度平流分布图（单位：10-5 ℃/s）

5 结论

（1）此次寒潮天气过程为横槽转竖型。乌拉尔山高压脊先建立后向极地扩展加强，使得新地岛以东的强冷空气沿脊前强北风急流南下，在西西伯利亚—中西伯利亚上空堆积，形成高空低涡，冷中心强度低于-38 ℃是此次寒潮爆发南下的关键点。乌拉尔山高压脊向东南方向崩溃，推动强冷空气大举南下，从而造成此次寒潮天气。

（2）冷空气取西北路径入侵，即冷空气从乌拉尔山偏北移至西伯利亚后，经我国新疆、内蒙古西部、河西走廊影响宁夏。地面冷高压中心强度达到1 055 hPa 且完整有规律地向东南方向移动是此次寒潮爆发南下的必要条件。

（3）寒潮前期升温，形成热力不稳定；强冷空气入侵后，温度变化剧烈，变温达到23 ℃。地面冷高压上空有负涡度平流配合，加之850 hPa 有强度为-30×10-5℃/s 的强冷平流经过，使其强度增加，降温持续。

（4）850 hPa 为弱的正涡度区，700 hPa 为较强的负涡度区。中空明显的辐散下沉气流，使得高空冷空气动量下传，从而形成强烈的寒潮大风。寒潮过程前后，假相当位温变化明显，Δθse达到30 ℃，随着强冷空气爆发南下，假相当位温急速下降，不稳定能量释放导致寒潮爆发，产生大风。