2022 年4 月云南罕见寒潮天气成因及预报偏差分析

连 钰，杨素雨**，马文倩，赵宁坤，张秀年，晏红明

[1.云南省气象台，云南 昆明 650034；2.中国气象局横断山区（低纬高原）灾害性天气研究中心，云南 昆明 650034；3.云南省气候中心，云南 昆明 650034]

寒潮作为一种大规模强冷空气活动过程，主要带来剧烈降温和大风，并伴有雨、雪、雨凇或霜冻[1].云南地处低纬高原，其特殊的地理位置和地形导致侵袭云南的寒潮次数偏少、强度偏弱[2].但云南相对温和的冬季气候也使其对寒潮和低温天气的抵抗能力较差[3-4]，寒潮是云南省冬春季严重的灾害性天气之一，给人民生产生活和生命财产带来严重的影响[3,5].

云南的寒潮多发生在12 月到次年的2 月[6-7]，期间寒潮发生频次占总频次的84%[4,8].其中，2008 年1—2 月，包括云南省在内的中国南方大部分地区发生了严重的低温雨雪冰冻灾害，云南直接经济损失90.9 亿元，创下了云南省气象灾害损失的新纪录[5].统计表明，云南寒潮频次总体呈现东多西少的特征[9].寒潮发生时，中高纬度500 hPa 高度场上相比气候态表现为负距平，副热带高压偏弱[9].张腾飞等[10]、张瑾文等[11]发现中高纬度的大气环流形势与云南寒潮的发生有着密切的关联.在低纬高原的地形影响下，南下的强冷空气在影响云南的同时，与昆明准静止锋也产生了一定的相互作用.陶云等[12]分析了寒潮与昆明准静止锋的气候关联性，结果表明寒潮的强度和频次与昆明准静止锋的发生频次和锋面位置均有着显著的相关性.

相较于冬季寒潮，云南省春季寒潮发生的次数相对较少[13-14]，特别寒潮很少发生在4 月.也正因为如此，发生在4 月的寒潮造成的雨雪冰冻等灾害防御难度更大.2022 年3 月31 日—4 月2 日，云南省出现了历史同期罕见的寒潮天气过程[15]，其中，6 个州（市）的7 个县分别出现雪灾、低温冷害、冻害、暴雨洪涝和严重的地质灾害，经济损失上亿元.因此，对于此类寒潮天气过程的深入分析研究，有助于总结春季寒潮天气过程的成因，为更好地开展寒潮预报、减少经济损失、保护人民生命财产安全有着重要的现实意义.本文主要针对此次寒潮过程的环流形势和强降温的成因进行分析，对此次寒潮过程的欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）模式预报进行了检验，可为今后同类寒潮过程的预报预警提供科学依据.

1 资料与方法

本文使用2022 年3 月31 日—4 月3 日云南省125 个国家站地面最低气温、最高气温、日平均气温、积雪深度和3 300 个区域站降水观测资料、云南省5 个高空站观测资料以及葵花8 号卫星资料；数值模式资料使用ECMWF 细网格高空0.25°×0.25°（https://www.ecmwf.int/en/forecasts）和地面0.125°×0.125°逐3 h（0～72 h）和逐6 h（72～240 h）环流场、地面2 m 温度数据；逐日北极涛动指数(Arctic Oscillation index，后文简称AO 指数)由美国国家气候预测中心（Climate Prediction Center,CPC）提供（https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao_index.html）；此外，还使用NCEP FNL 1°× 1°逐6 h 全球再分析数据（https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/）.

本文运用天气学分析方法，对此次寒潮发生前后的环流背景进行了对比分析；运用动力-热力诊断方法对局地气温的变化特征进行定量分析；对ECMWF 数值模式的环流形势和最低温度预报效果进行检验，其中ECMWF 细网格模式的最低温度选取逐日2 m 温度的最低值.

2 寒潮天气概况

2022 年3 月31 日—4 月2 日，受高空槽、南支槽、切变线和冷锋的共同影响，云南省出现了历史同期罕见的寒潮天气，造成大范围的剧烈降温，为2022 年春季最强寒潮.在此期间，全省大部地区最低气温普遍下降4～8 ℃，其中滇东、滇中、滇南北部和滇西北南部最低气温下降8～14 ℃[图1(a)].滇东、滇中东部、滇西北日最低气温下降至4 ℃以下，滇西北高海拔地区最低气温降至0 ℃以下[图1(b)].根据中国气象局寒潮等级[16]，全省仅有6 个站点达到国家寒潮标准.由于云南特殊的地理位置和地形条件，在天气预报业务中根据《云南省天气预报员手册》[17]定义的云南不同地区的寒潮标准，如：滇中地区日平均气温24 h 下降6 ℃以上或者48 h 下降8 ℃以上或者72 h 下降10 ℃以上，且日最低气温≤5 ℃；或日平均气温≤4 ℃，或有降雪天气现象.全省共有28 个站点达到云南寒潮标准，主要分布在滇东、滇中东部和滇西北地区.同时，滇西北的德钦和香格里拉分别有16 cm 和19 cm的积雪深度，达暴雪量级，滇东北、滇东天气现象出现小雪或雨夹雪，但无积雪，滇西南及滇西北出现大到暴雨局地大暴雨天气[图1(c)、(d)].

图1 2022 年3 月30 日—4 月2 日云南寒潮过程实况Fig.1 The observation of the cold wave process in Yunnan from March 30th to April 2nd

3 成因分析

3.1 环流形势和主要天气系统发展演变前人研究表明，北极涛动（Arctic Oscillation，AO）指数处于负位相时，往往伴随着西伯利亚高压和东亚冬季风偏强，冷空气更容易侵入东亚地区造成寒潮天气的发生[18-21].2022 年3 月22 日，AO 指数位相由正转负，同期对流层中层乌拉尔山地区高压脊发展增强，形成了有利于来自极地的冷空气向东亚中低纬地区传播的环流形势[22].3 月22 日—4 月2 日，在寒潮发生前和发生中，AO 指数均处于负位向.AO 指数负位向通常对应着偏弱的极涡，同样有利于北极冷空气向中低纬地区传播[23-24].详见图2.

图2 2022 年3 月16 日—4 月7 日AO 指数Fig.2 The Arctic Oscillation (AO) index from March 16th to April 7th,2022

500 hPa 上，此次寒潮过程前，3 月29 日08 时（图3），亚洲中高纬地区为两槽一脊的Ω 流型，乌拉尔山至贝加尔湖为宽广的高压脊区，其南北振幅达35 个纬距，脊前偏北气流中心风速32 m·s-1，东侧低压槽位于中国东北地区，贝加尔湖南部有-40 ℃的冷温槽与低槽配合，温度场落后于高度场，未来低压槽将发展增强.3 月30 日20 时，高压脊在东移的过程中向东北—西南方向发展，贝加尔湖南部有一横槽的形成，冷空气在蒙古附近堆积.高压脊东侧的低压槽在东移的过程中与高原上快速东移的短波槽合并，东亚大槽位于华北地区.同时，低纬度93°E 附近有南支槽形成.3 月31 日08 时，横槽转竖后东移与东亚大槽叠加，引导低层冷空气南下，同时低纬度南支槽东移至95°E，槽底伸至20°N 附近.副高位于110°E 以东、25°N 以南地区，云南受南支槽前和副高外围西南气流影响，有利于水汽输送.北脊南槽的形势有利于冷暖空气在云南交汇，引发寒潮雨雪天气.

图3 2022 年3 月29 日08 时500 hPa 环流形势场Fig.3 The 500 hPa atmospheric circulation at 08:00 March 29th,2022

3 月30 日20 时，700 hPa 环流场，青海—新疆为冷高压控制，四川盆地南部有低涡切变存在，位势高度场呈北高南低的态势，有助于低涡切变向南移动影响云南；3 月31 日08 时，切变线南压至曲靖北部，风场与等温线有较大交角，冷平流较强，0 ℃等温线位于昭通南部；4 月1 日08 时，切变线快速南压西推至大理西部—楚雄南部—玉溪中部—红河北部一线；4 月2 日08 时，切变后部风速较大，达8～10 m·s-1，切变线进一步西推至滇西南边缘，0 ℃线南压至红河中部—玉溪西部—楚雄南部—大理中部一线[图4(a)].

图4 2022 年4 月2 日08 时环流场和3 月31 日—4 月2 日天气系统演变Fig.4 The circulation pattern at 08:00 April 2ndand the temporal evolution of the system from March 31st to April 2nd,2022

从海平面气压场看出[图4(b)]，3 月31 日08 时，位于贝加尔湖的冷高压中心向南移动到蒙古地区，冷空气扩散南下，冷空气从东北路径进入云南省，锋面位于曲靖西部—曲靖南部一线，锋后出现1～6 ℃的降温；3 月31 日20 时，高压中心进一步南压至内蒙古，冷空气加强南下，锋面到达楚雄东部—玉溪中部—红河西部一线；4 月1 日08 时，位于新疆北部的冷高压东移发展增强至1 055 hPa，冷高压南下补充，锋面进一步西推南压，锋区等压线梯度加大，锋后有较强的正变压；4 月1 日20 时，在云南省东部有1 032.5 hPa 的高压中心（较历史同期异常偏高12.5 hPa 以上），锋面进一步向西移动；4 月2 日08 时，锋面再向西推进至德宏—临沧西部—普洱西部—西双版纳西部边缘地区.

3.2 强降温天气成因一级简化的热力学能量方程为：

式中：W为垂直速度（单位：m·s-1）；γd和 γ 为干绝热温度递减率和实际温度递减率（单位：K·m-1）；Cp为定压比热[单位：1004J·（kg·K）-1]；表示由非绝热加热造成的单位质量的加热率（单位表示温度的局地变化；-V·∇T为温度平流项；-W(γd-γ)为垂直运动项为非绝热加热项.

利用NCEP FNL 资料对温度平流项进行诊断分析，从图1(a)中可以看出，此次寒潮过程降温幅度最大值出现在25°N 附近，因此我们沿25°N 作垂直剖面，定量分析寒潮过程中局地温度变化的各项贡献.

3.2.1 温度平流项 寒潮过程开始前，3 月31 日08 时[图5(a)]，近地面106°E 附近有弱的冷平流，冷空气南下到达贵州南部.3 月31 日14 时[图5(b)]，104°～106°E 之间，近地层为冷平流控制，最强中心位于海拔2.4 km 左右，达-1.5×10-4℃·s-1，冷空气南下开始影响滇东地区.4 月1 日08 时[图5(c)]，冷空气在向西移动的过程中变得深厚，强度维持，为滇中和滇东地区寒潮天气的出现提供了条件.4 月2 日02 时[图5(d)]，冷空气在继续向西推进的过程中强度增强，向西扩展到98°E 附近，中心位于101°～104°E 之间，海拔2.8 km，强度为-2×10-4℃·s-1.因此，寒潮过程发生时，温度平流项使地面气温下降.

图5 2022 年3 月31 日—4 月2 日温度平流沿25°N 的经向剖面（单位：10-4 ℃·s-1 ）Fig.5 The cross section through 25°N of the temperature flux term from March 31st to April 2nd,2022 (unit: 10-4 ℃·s-1)

3.2.2 垂直运动项 从垂直运动项的垂直剖面图并结合垂直速度图和地面形势图可以看出，3 月31 日08 时[图6(a)]，锋面位于104°E，锋后海拔4 km 以下表现为强的降温效应，由于锋后为上升运动区，垂直上升运动造成绝热膨胀冷却，加剧了此区域的降温.4 月1 日20 时[图6(b)]，随着锋面的西推，强垂直上升运动区向西移动并扩展至98°～104°E，从海拔3 km 至6 km 表现为降温效应，中心最大值达-4.5×10-4℃·s-1，剧烈的垂直运动，加强了局地温度的下降.4 月2 日20 时[图6(d)]，整层转为下沉运动，对局地温度的贡献转为升温作用.

图6 2022 年3 月31 日—4 月2 日垂直运动项沿25°N 的经向剖面（单位：10-4 ℃·s-1 ）Fig.6 The cross section along 25° N of the vertical motion term from March 31st to April 2nd,2022 (unit: 10-4 ℃·s-1)

3.2.3 非绝热项 非绝热项比较复杂，包含了辐射、感热输送、潜热释放等作用.因此，非绝热项的值通过计算方程其他3 项的值间接获得.3 月31日02 时[图7(a)]，除在104°～110°E 的近地层非绝热项为增温作用外，其余均表现为降温作用.结合卫星云图并考虑夜间辐射作用影响，云南大部晴朗无云，冷锋南下至云南东部边缘（104°E 附近），锋后有云层的遮挡，地面长波辐射减弱，局地降温减弱.3 月31 日14 时[图7(b)]，在近地层表现为降温作用，而海拔2～5 km 非绝热项主要表现为增温效应.4 月1 日20 时[图7(c)]，在98°～104°E 区域内，地面至海拔3 km 表现为降温，海拔3～6 km 的增温区与上升运动区对应较好，升温考虑由上升气流热传导所致.4 月2 日20 时[图7(d)]，主要表现为降温作用，结合卫星云图，考虑冷空气西推后减弱，锋后云层变薄甚至转为晴空区，夜间地面长波辐射增强，地表降温增强.

作为滇中地区对冷空气的反映具有代表性的站点，昆明强降温主要发生在3 月31 日—4 月1 日，利用NCEP FNL 资料，选取离昆明站最近的格点（103°E，25°N），最接近地面的高度层，定量计算3个因子对局地温度变化的贡献.由表1 对比8 个时次可以看出，在寒潮影响昆明之前，昆明局地温度在3 月31 日02 时出现负变温，主要受非绝热项的影响，由夜间地面长波辐射导致.3 月31 日08 时，局地温度变化表现为增温，也主要是由非绝热项导致，考虑昆明地区有雾，对地面长波辐射降温产生了一定的抑制作用.3 月31 日14 时—4 月1 日08 时，昆明局地气温均为负变温，温度平流项对昆明局地气温的变化贡献最大(除4 月1 日02 时外).在4 月1 日02 时，非绝热项对局地温度的贡献大于温度平流的贡献.垂直运动项仅在3 月31 日14时为降温作用，对局地温度变化为正贡献，其余时次均表现为增温作用.4 月1 日14 时，昆明局地气温的变化转为升温，此时仍有弱的冷平流，但非绝热项的增温作用比温度平流项作用强.4 月1 日20 时，昆明局地气温为弱的负变温，此时冷平流的作用已明显减弱，主要是非绝热项的贡献，仍由夜间地面长波辐射导致.

表1 昆明局地气温变化及各项贡献（单位：10-4 ℃·s-1）Tab.1 The local variation of temperature in Kunming and the relative contributions of the terms (unit: 10-4 ℃·s-1)

4 ECMWF 模式预报检验

4.1 环流形势预报检验通过对比ECMWF 模式不同起报时间预报4 月1 日08 时500 hPa 环流场（图略），3 月27 日20 时预报和28 日20 时预报3月31 日—4 月2 日南支槽逐渐向东移动，而29 日20 时预报南支槽的位置31 日为稳定少动，从4 月1 日起开始逐渐向东移动，与实况一致.在风速预报方面，27 日20 时预报南支槽前滇西、滇西南的风速较实况偏大，其他地区与实况接近或略偏小.28 日20 时预报南支槽前风速较实况偏大的区域减小.29 日20 时预报南支槽前云南的风速与实况接近.由此可以看出，ECMWF 模式对南支槽位置和南支槽前风速的预报，随着时效的临近，与实况更为接近.

对比ECMWF 模式不同起报时间预报4 月1 日08 时700 hPa 环流场，3 月27 日20 时预报[图8(a)]，700 hPa 切变线南下到达丽江东部—楚雄北部—昆明北部—曲靖中部一带，切变后部的风速为4～6 m·s-1，切变前部的偏南风为4～10 m·s-1.实况切变线位于大理中部—楚雄南部—玉溪中部一带，预报的切变线移速偏慢，切变线后部的风速偏小2～4 m·s-1，前部风速偏大2～6 m·s-1.28 日20 时预报[图8(b)]，切变线位置较前一个预报时次无明显变化，但切变线后部的风速较实况偏小4 m·s-1，切变线前部偏南风与实况接近.29 日20 时预报[图8(c)]，切变线位置无明显变化，切变后部局部风速偏大2 m·s-1，切变线前部滇西北风速偏小2 m·s-1.随着预报时效的临近，700 hPa 切变线的位置无明显调整，但切变线两侧风速的预报与实况更接近.

图8 ECMWF 模式不同时间起报2022 年4 月1 日08 时云南700 hPa 预报风场与实况风场（单位：m·s-1）Fig.8 The 700 hPa wind (unit: m·s-1) field over Yunnan at 08:00 April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

对比ECMWF 模式不同起报时间预报4 月1日08 时海平面气压场，3 月27 日20 时预报[图9(a)]，1 030 hPa 等压线位于昭通中部，较实况偏弱2.5 hPa，预报1 020 hPa 位于丽江东部—楚雄中部—玉溪中部—红河西部，较实况偏东.3 月28 日20 时预报[图9(b)]，1 032.5 hPa 等压线位于昭通东部，强度与实况一致，但位置偏东偏北，说明预报影响云南的冷高压强度与实况一致，但位置偏东，预报1 020 hPa 位于楚雄南部—玉溪中部—红河南部，实况位于玉溪西部—红河西部，预报锋面的位置略偏东，预报锋面西推的速度略偏慢.3 月29 日20时预报[图9(c)]，1 032.5 hPa 等压线的位置较上一个预报时次偏西，与实况更接近，预报1 020 hPa 线的位置与上一个时次的预报接近，略向西调整.由此可以看出，随着预报时效的临近，ECMWF 模式对海平面气压场的预报向更接近于实况方向调整.

图9 ECMWF 模式不同时间起报2022 年4 月1 日08 时预报云南海平面气压场和实况海平面气压场Fig.9 The sea level pressure field over Yunnan Province at 0800 April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

4.2 最低气温预报检验根据国家寒潮等级[17]，最低气温是预报寒潮的基本要素，我们对ECMWF模式的最低气温预报效果进行检验.2022 年4 月1日最低气温实况[图10(a)]，滇东北南部、滇东、滇中东部、滇西北最低气温降至4 ℃以下.ECMWF模式3 月27 日20 时预报4 月1 日最低气温[图10(b)]，最低气温≤4 ℃的区域较实况偏小，预报滇西北最低气温强度较实况偏强；3 月28 日20时预报[图10(c)]，最低气温≤4 ℃的区域在滇东地区范围增大，但在滇西北范围缩小，且在滇东和滇西北均预报出≤0 ℃的区域，强度较实况偏强；3 月29 日20 时预报[图10(d)]，滇西北最低气温≤4 ℃的范围有所扩大，较实况偏大，滇东最低气温≤4 ℃的范围较实况偏小.预报滇东≤0 ℃的区域减弱消失，与实况更接近，但预报滇西北≤0 ℃进一步增强，与实况偏差更大.

图10 2022 年4 月1 日云南省最低气温实况及ECMWF 模式不同时间起报预报图Fig.10 The daily minimum temperature (unit: ℃) on April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

4 月2 日最低气温实况[图11(a)]，滇东和滇西北最低气温≤4 ℃的范围向南扩大，且在滇西北北部出现了≤0 ℃的区域.ECMWF 模式3 月27日20 时预报4 月2 日最低气温[图11(b)]，滇东北、滇东、滇中东部、滇西北最低气温≤4 ℃的区域较实况略偏大，且预报滇西北和滇东最低气温≤0 ℃的区域较实况偏大；3 月28 日20 时预报[图11(c)]出现≤4 ℃的区域进一步扩大，预报出现≤0 ℃的区域也进一步增大，较实况明显偏大；3 月29 日20 时预报[图11(d)]出现≤4 ℃的区域较上一个预报时次缩小，与实况更接近，预报出现≤0 ℃的区域也较上一时次略缩小.综上，ECMWF 模式预报出了本次寒潮的降温过程.ECMWF 模式预报最低气温，随着预报时效的临近，最低气温的范围向更接近实况的趋势调整，但对于降温强度的预报相对较差.

图11 2022 年4 月2 日云南省最低气温实况及ECMWF 模式不同时间起报预报图Fig.11 The daily minimum temperature in Yunnan Province on April 2nd,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

5 结论

（1）此次寒潮过程发生在AO 负位相期间，西西伯利亚高压偏强，中高纬环流形成两槽一脊环流形势.东亚大槽后部强劲的偏北风引导低层冷空气南下，南支槽东移向云南省输送暖湿空气，700 hPa切变线和地面冷锋的南侵，共同造成了此次寒潮雨雪天气过程的发生.

（2）此次寒潮过程中，近地层强冷平流引起显著的局地降温.冷锋后部较强的垂直上升运动引起的绝热膨胀冷却作用，加剧了局地气温的下降.

（3）通过定量分析发现，导致昆明局地气温变化的各项因子中，昆明的降温主要受温度平流的影响，其次是非绝热作用的影响.

ECMWF 模式在中、短期时效内，均稳定地预报了此次寒潮过程，但对降温的范围、强度的预报有偏差；随着预报时效的临近，ECMWF 模式预报各层环流形势场、降温范围均向与实况接近的方向调整，但可能由于ECMWF 数值预报系统对云南复杂地形等中小尺度动力、热力因素缺乏准确的把握，使降温强度的预报与实况存在偏差.