滇黔静止锋减弱北抬期间环流特征分析

李 刚，杨 林，汤天然，谯 勋，刘健平

（1. 贵州省气象台，贵阳 550002；2. 毕节市气象局，贵州 毕节 551700）

锋作为重要天气系统之一，国内外学者对其研究已有较长历史。最早是Bjerknes（1919）提出“锋面”概念，最初只是将密度场的不连续定义为锋面，随后在后续研究中得到不断的完善和补充。在中国，梅雨锋（郑永光等，2007；陈红专等，2009）、华南准静止锋（陶祖钰等，2008）及云贵静止锋（索渺清等，2016）等研究一直备受关注。锋面天气系统的产生及存在，通常具有很大的斜压性，气象要素水平梯度加大，有利于垂直环流的发展和能量转换，在其附近常有比较剧烈的天气变化和气压系统的发生发展，一般可以根据温度、风切变、露点、云量、云类、能见度和降水等辨别锋面位置。但由于地面气象要素受下垫面影响较大，因而锋附近的要素场特征不如理论上明显。如夏半年白天，冷锋前暖空气一侧有云遮蔽，温度回升不明显，或是冷锋后为晴空，温度日变化值较大，此时冷锋两侧的温度差异不明显（寿绍文等，2006）。

滇黔静止锋，又叫云贵准静止锋，不少学者将其称为西南准静止锋，指在东亚地区冷空气爆发南下扩展时不能穿越高原大地形，受其阻挡与来自孟加拉湾西南暖湿气流共同作用而形成的特有锋面系统。不少研究也指出云贵准静止锋是地形产物（Jong,1950），是地面冷高压沿青藏高原东侧遇高原阻挡而形成（段旭等，2002）。王曼等（2009）利用MM5 中尺度数值模式，定量分析得出高原地形作用是云贵准静止锋形成和维持的必要条件。云贵准静止锋一年四季均有出现，但其活动具有明显的季节特征，夏半年相对偏弱偏少，冬半年较强较多。此外，云贵准静止锋具有夜间南进、白天东北退的显著日变化特征，并在几十上百甚至数千米内做东西向的摆动（高增勇等，1984）。在春夏和秋冬交替季节存在骤降弱升的突变，通常云贵准静止锋两侧的天气迥然不同，单纯准静止锋影响时天气一般较单一、稳定，主要表现为由南、北两股气流势力的强弱而摆动，锋前为西南暖湿气流影响、天气晴朗；锋后为冷空气影响、阴雨锦锦（杜正静，2007a）。但静止锋多数会随冷暖空气强弱摆动，特别与南支槽等其他天气系统结合时，极易产生剧烈天气，如造成冬、春季强降水、暴雨和冰雹和大风等天气（李英等，2000；杜正静等，2015；徐海等，2016；周明飞等，2017）。当云贵准静止锋加强向西南移出时，会造成锋后区域贵州、云南等地的降温、降雨，如果冷空气较强且维持时间长则会形成锋后的低温、雨雪和冰冻等灾害性天气，而锋前云南、贵州西南部地区则会形成持续的晴热少雨天气或旱情（张润琼等，2009；赵荻，2016）。杜正静等（2007b）还分析了云贵准静止锋演变的大气结构和特征，归纳出4 类云贵准静止锋的结构、天气和大气环流特征；李英（2001）通过典型个例分析，发现当有南支槽等天气系统配合时，云贵准静止锋产生强天气的形势结构；此外，杜小玲等（2010）发现，冬季造成强冻雨的准静止锋，一般具有锋上暖湿云、锋下冷湿云的特点。为揭示各类锋区特征，杜小玲等（2014）还分析了冻雨和强对流天气的锋区结构，以及冻雨和冰粒、雪等不同相态下的锋区结构特征。

总体上，以往研究均是在静止锋活动明显或较强时段冬季进行，而这类明显或较强滇黔静止锋的出现相对容易识别和预报。一般情况，在每年的深秋初冬时节（即11—12月），冷空气势力表现较弱，滇黔静止锋特征不及冬季明显，这类弱冷空气下造成静止锋的出现及摆动，一般较难预测和预报；一旦受其影响，不但天气现象难以把握，而且对其影响期间的气温预报更是困难重重；部分观测站点气温相对误差可达10.0℃甚至更高，给预报服务及生产出行带来严重影响。从当前滇黔静止锋的研究进展看，在云贵之间关于深秋初冬时节出现的形势表现较弱的滇黔静止锋的研究，在贵州目前尚未开展。因此，本文主要针对深秋初冬时节（11—12月）滇黔静止锋减弱北抬期间对贵州造成的气温差异进行评估，同时选取气温预准确率较差的年份——2014年，对滇黔静止锋减弱北抬时当天的个例进行合成，并将其与当年平均状态下相应环流形势进行对比分析，探讨其变化的本质原因。以期为滇黔静止锋减弱北抬期间气温等要素的预报提供参考。

1 数据与资料

实况资料：采用2011—2021 年深秋初冬时节（11—12月）逐3 h地面气压场（SPL）、地面综合观测资料及卫星资料，选取滇黔静止锋减弱北抬个例，并选取同时段日最高温（Tmax）、日最低温（Tmin）实况资料（T 20:00—20:00）①注：气象业务应用中，T 20:00—20:00表示当日20时后至次日20时之间的时段。作为滇黔静止锋摆动期间气温变化分析的参考依据。

采用上述对应时段日常预报业务应用的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）所提供的2 m 气温作为预报材料，用于预报性能评估。该资料每日T 20:00（北京时）起报，属Micaps第4类数据格式，分辨率为0.125°×0.125°经纬网格，时效为96 h 内逐3 h预报。

再分析资料：选取同时段NCEP/NCAR 每日T 12:00（世界时，即北京时T 20:00）的4次1.0°×1.0°再分析FNL资料，对深秋初冬时节滇黔静止锋减弱北抬期间的结构形势进行分析。

2 静止锋频数统计与气温预报评估

2.1 频数统计

参考杜正静等（2007b）的选取方式，并根据实况资料，最终选择出2010—2021年深秋初冬时节期间滇黔静止锋减弱北抬的个例共191个。

图1显示，2010—2021年滇黔静止锋减弱北抬变化次数在2010和2012年最多，达24次；2016年最少，仅为10 次。总体上，2010—2021 年的11—12 月静止锋出现减弱北抬的次数随时间呈减少趋势。

图1 2010—2021年11—12月滇黔静止锋减弱北抬次数Fig.1 Statistics of the Dian-Qian quasi-stationary front weakened and moved northward from November to December,2010-2021

2.2 静止锋影响期间气温预报评估

因滇黔静止锋减弱北抬过程中，主要表现为预报业务中晴雨、气温预报上的严重偏差与失误，特别是气温，相对误差可达10.0℃以上。因此，为评估具体影响，利用所选191个个例，对滇黔静止锋减弱北抬当天的日最高、最低温预报进行检验。

图2 显示了滇黔静止锋减弱北抬期间ECMWF 72 h内逐日最高温、最低温预报与11—12月平均状态时的预报平均准确率、平均均方根误差（RMSE）的对比分析。由图2-a、b可见，2010—2021年11—12月平均状态72 h内预报能力相当，准确率变化不大，日高低温总体介于52.0%～64.0%，并表现为日最低温预报准确率高于日最高温。当滇黔静止锋摆动时，其日最高温、最低温预报准确率均受到显著影响，平均准确率下降至36.0%～50.0%，下降幅度为14.0%～16.0%。由图2-c、d可见，平均状态下日最高温、最低温RMSE在1.9～2.6℃，而当滇黔静止锋减弱北抬时，其平均RMSE显著增加，误差增至3.1～4.1℃，不少个例中部分测站相对误差可达10.0℃以上，严重影响预报及服务效果。

图2 2010—2021年11—12月滇黔静止锋减弱北抬期间（JZF）与平均状态（AVE）各时次气温预报准确率及平均均方根误差对比（a、c.日最高温；b、d.日最低温）Fig.2 Comparison of mean accuracy and RMSE of temperature forecast between the weakening and moved northward of Dian-Qian quasi-stationary front and the average state during November to December,2010-2021(a,c.daily maximum temperature;b,d.daily minimum temperature)

为进一步探索滇黔静止锋摆动期间误差的具体情况，以24～48 h 日最高温预报为例。从2010—2021年平均预报准确率与11—12月平均状态的预报性能对比可知（图3），平均状态下整体平均准确率为54.3%，静止锋影响期间为40.8%，准确率下降了13.5%。空间分布上，平均状态下贵州中部及偏北、偏西地区的平均准确率＞50.0%，特别中部一线可达70.0%以上，均优于南部和东部的预报能力；滇黔静止锋减弱北抬影响期间，平均准确率大幅度下降，特别是贵州西北部及西南部部分地区不到20.0%，几乎丧失预报能力。可见，当滇黔静止锋发生减弱北抬期间，对气温预报准确率产生严重影响。

图3 2010—2021年11—12月24～48 h最高气温平均预报准确率空间分布（a.平均状态；b.滇黔静止锋减弱北抬期间）Fig.3 Spatial distribution of mean accuracy of 24～48 h maximum temperature from November to December,2010 to 2021（a.Average state；b.Period during the Dian-Qian quasi-stationary front weakens to the north）

由2010—2021年滇黔静止锋北抬期间日最高温平均准确率，以及平均RMSE在72 h预报内的逐年变化可知（图4），预报准确率与RMSE呈显著反位相关系，即对应的年份上，预报准确率越高，其平均RMSE越小；反之，预报准确率低，平均RMSE越大。此外，图4-a中准确率变化趋势与图1中每年静止锋摆动次数也呈现反位相关系，即当静止锋活动多的年份对预报影响越大，其预报准确率偏低。还可看出，2014 年期间准确率最低，不足20.0%，ECMWF数值预报几乎丧失预报能力，对天气预报及其服务效果产生严重影响。

图4 2010—2021年11—12月滇黔静止锋减弱北抬期间最高气温准确率（a）及平均RMSE（b）逐年变化趋势Fig.4 The maximum temperature mean accuracy(a)and RMSE(b)during the period of weakening northerly movement of Dian-Qian quasi-stationary front from November to December,2010-2021 changed year by year

3 环流形势与要素场特征分析

为深入探索2010—2021年滇黔静止锋摆动影响期间气温预报准确率偏低的原因，以预报准确率最低的2014 年为例，对该年份11—12 月发生的19 次滇黔静止锋减弱北抬当天的形势和要素进行合成（即算术平均），与当年11—12月平均状态下的环流和要素场特征进行对比分析。

3.1 环流形势

图5 显示了2014 年滇黔静止锋减弱北抬期间，19次个例合成与当年11—12月平均状态的环流形势对比。整体上，11—12 月500 hPa 在中高纬没有明显的阻塞高压形势，冷空气表现不明显。平均状态下，亚洲中高纬呈现两槽一脊形势，槽和脊均较浅，槽位分别位于中亚地区50°—70°N、60°—90°E和东亚地区30°—55°N、115°—130°E，其中东亚大槽底部伸至25°N 左右，槽后为西北气流引导冷空气南下，此时地面静止锋位置偏西偏南，贵州处于锋后脊前弱西北气流影响下，相对锋面天气影响时降水零星，形势也较为稳定（图5-a）。当发生静止锋减弱北抬时，冷空气势力减弱，中高纬两槽一脊的环流形势表现更加不明显，整个环流形势变得更加平直，纬向度加大，30°N 均为平直的西风气流；静止锋减弱北抬至贵州中北部，造成贵州中部偏西一带地区由锋后转为锋前天气，从而使这一区域天气现象和要素预报发生较大改变。从200 hPa 西风带急流表现看（图5中阴影区域），平均状态时西风急流较强，＞60.0 m/s 的急流入口西伸到110°E 附近，平均中心值为65.0 m/s；当静止锋减弱北抬时，200 hPa 急流中心强度有所减弱，急流入口略为东移且南北界区域变得更加窄小，总体强度在60.0 m/s左右。

图5 平均状态（a）与滇黔静止锋减弱北抬期间（b）500 hPa位势高度场（实线）（gpm）、风场（流线）（m/s）和200 hPa西风带急流（阴影）（m/s）Fig.5 Average state(a)and during the weakening and moved northward of the Dian-Qian quasi-stationary front(b)500 hPa geopotential height field(solid line)(gpm),wind field(streamline)(m/s)and 200 hPa westerly jet(shadow)(m/s)

3.2 温度场特征

由2014 年11—12 月的平均状态与19 次滇黔静止锋北抬影响时合成的温度垂直剖面可见（图6），平均状态时存在一定势力的冷空气，地面气温均在10℃以下，低层等温线与地形走向基本一致，从西向东低层有温度梯度逐渐变小趋势，0℃线位于600 hPa 高度层附近；当静止锋减弱北抬时，冷空气势力减弱，中低层气温回升，近地面气温可达16℃以上，东西向无明显温度梯度差异，表明锋后冷气团已明显变性减弱。可见，中低层气温回升，冷气团变性减弱，是造成滇黔静止锋减弱北抬特征之一。

静止锋减弱前后，0℃线仍位于600 hPa高度层附近，与平均状态相比变化不大。温度差异变化大的区域主要集中在700～850 hPa，甚至在700 hPa到近地面层（见图6）。因此，在滇黔静止锋减弱北抬前后，对700、850 hPa进行温度空间分布展示（图7）。700 hPa（图7-a）温度场分布中，静止锋控制时，贵州为均匀纬向温度场控制，南部边缘与北部边缘温差均为5.0℃；当滇黔静止锋减弱北抬时，温度场成西北—东南向的均匀场控制，其南北界温差仍为5.0℃，但相对平均状态时温度增加1℃（图7-b）。850 hPa（图7-c）在贵州西部边缘表现出明显等温线密集带，温度梯度大，表现出典型的锋面特征，而东部等温线却较为松散，其中东北—西南向温差5.0℃；滇黔静止锋减弱北抬时，相比平均状态时东北边界气温增高1℃，西南边界平均抬升2.0℃，东北—西南温差约7.0℃，总体分布较均匀，锋面特征减弱（图7-d）。而在700～850 hPa 对应的垂直方向，平均状态时贵州区域东北、西南边界垂直温差分别为5.0℃、5.0℃，而当静止锋摆动时，东北、西南边界垂直温差分别变为5.0℃、7.0℃，即在贵州省的西南边界温度升高，逆温状态减弱。可见，在滇黔静止锋摆动前后，700、850 hPa的温度无论在水平还是垂直方向上，均发生了明显变化，从而导致地面气温变化。

图6 平均状态（a）与滇黔静止锋减弱北抬期间（b）温度沿25oN的垂直分布（℃）Fig.6 Average state(a)and vertical distribution of temperature along 25°N during the weakening and moved northward(b)of the Dian-Qian quasi-stationary front

图7 平均状态与滇黔静止锋减弱北抬期间平均温度场分布（a、b.700 hPa；c、d.850 hPa）（℃）Fig.7 Spatial distribution of the mean temperature on average state and during the weakening and moved northward of the Dian-Qian quasi-stationary front(a,b.700 hPa;c,d.850 hPa)(℃)

3.3 低层动力作用

图8显示了850 hPa的平均风场与相对涡度场对比。从图8-a可看出，在2014年11—12月平均状态下，来自云南的西南气流与东北回流下的偏东风均较弱，在云南东部—贵州西部边缘一带交汇并维持，与静止锋位置对应，几乎整个贵州处于锋后冷气团控制区域。滇黔静止锋减弱北抬时（图8-b），贵州主体由较强偏南风控制，与来自云南的西南气流结合，将暖空气不断地往北输送，其南北风交汇区域位于贵州西北部至重庆一带，即静止锋位置明显东移北抬，大幅度发生变化，致使贵州由冷气团转为暖气团控制，地面气温发生显著变化，从而导致气温预报差异较大。此外，在平均状态期间，贵州区域内涡度在0 值附近（见图8-a），即表示贵州处于滇黔静止锋后，南北风的纬向变化与东西风的经向变化相当；滇黔静止锋北抬期间，由于南风的增强，贵州大部出现正涡度，即逐渐转为西南热低压控制（见图8-b）。

图8 850 hPa 平均风场（流线）（m/s）与相对涡度场（彩色实线）（a.平均状态；b.滇黔静止锋北抬期间）（10-6 · s-1）Fig.8 Mean wind field of 850 hPa(streamline)(m/s)and relative vorticity field(solid color line)(a.average state;b.period of north lifting of Dian-Qian quasi-stationary front)(10-6 · s-1)

4 结论

为探索滇黔静止锋减弱北抬期间对贵州造成影响的原因，对2010-2021年深秋初冬时节（11—12月）期间滇黔静止锋减弱北抬个例进行统计，并检验评估其影响期间ECMWF细网格预报的性能。并以预报质量较差的2014 年19 次个例进行合成，对比平均状态的环流及要素场特征，得到以下主要结论：

1）2010-2021 年11-12 月期间滇黔静止锋减弱北抬次数2010和2012年最多，达24次，2016年最少，为10次。总体上，11年期间滇黔静止锋减弱北抬次数呈减弱趋势。

2）通过ECMWF 72 h 内逐日最高温、最低温预报的对比分析，滇黔静止锋减弱北抬期间相比平均状态，其预报准确率均显著降低而平均RMSE明显增加，其中2014 年在滇黔静止锋减弱北抬时，ECMWF 几乎丧失预报能力，平均预报准确低于20%。

3）通过对2014 年滇黔静止锋减弱北抬个例的合成分析发现，相对平均状态，滇黔静止锋减弱北抬期间200 hPa 上急流入口有所东移，急流南北界区域总体变窄，中心平均强度由65.0 m/s 下降到60.0 m/s；500 hPa上中高纬两槽一脊形势变得更不明显，其冷空气变得更弱，环流纬向度加大。要素场上，滇黔静止锋减弱北抬期间0℃线均位于600 hPa 附近，中低层气温呈现明显增温状态，700～850 hPa 逆温层状态变弱甚至消散；而低层风场上则表现为南风增强，涡度增大。

综上，当滇黔静止锋发生减弱北抬时，其环流和要素场特征相对平均状态均发生强度和位置上的变化。因此，在预报工作中，可根据这些强度和位置的变化特征判断滇黔静止锋是否减弱北抬，以更好地指导气温、天气现象等要素的预报及服务工作。