四川省兩次區(qū)域性寒潮天氣過程對比分析

唐 沛，袁 靜，王俊驛，趙巍燃

(1.四川省遂寧市氣象局，遂寧 629000；2.四川省滎經(jīng)縣氣象局，滎經(jīng) 625200；3.四川省阿壩州氣象局，馬爾康 624000)

引言

寒潮過程是高緯度南下的強(qiáng)大冷空氣的活動(dòng)過程，是高低緯度地區(qū)之間能量交換的執(zhí)行者[1]。寒潮天氣不僅對我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響，同時(shí)能造成交通癱瘓、由于電線積冰造成的通訊和電力中斷[2-3]。近年來，很多氣象學(xué)者從多個(gè)方面對我國寒潮天氣展開了詳盡的研究。王遵婭等[4]對我國寒潮發(fā)生頻次變化趨勢進(jìn)行研究，并討論了我國寒潮發(fā)生次數(shù)減少的原因?？抵久鞯萚5]對我國近55年寒潮過程氣候特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并使用聚類分析寒潮過程物理量特征。許多氣象學(xué)者對我國不同地區(qū)的寒潮時(shí)空分布特征也進(jìn)行了研究。劉紅霞等[6]運(yùn)用小波分析等統(tǒng)計(jì)方法對我國新疆北部地區(qū)冷空氣的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。段麗瑤等[7]對1961～2010年環(huán)渤海地區(qū)寒潮過程的氣候概況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出環(huán)渤海地區(qū)寒潮過程逐年減少的結(jié)論。姚永明等[8]發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)類寒潮總體發(fā)生頻次逐年減少，具有年代際特征。劉憲鋒等[9]對1960～2013年期間內(nèi)蒙古寒潮發(fā)生頻次的變化趨勢和成因進(jìn)行了分析。朱乾根等[10]、喬娟等[11]、李鋒等[12]利用“流型辨識法[13]”對大氣環(huán)流形勢演變進(jìn)行分析，研究我國寒潮天氣成因，對寒潮預(yù)報(bào)起到較好的指示意義。

基于寒潮中短期預(yù)報(bào)已經(jīng)有不少氣象學(xué)者運(yùn)用天氣分析和物理量診斷的方法對寒潮天氣過程進(jìn)行分析，也取得了較多研究成果[14-19]。但是四川盆地處于我國青藏高原東側(cè)，北側(cè)有大巴山和秦嶺，加之南側(cè)和東側(cè)的山脈，造成了四川盆地四面環(huán)山的地形，同樣也導(dǎo)致了四川盆地寒潮天氣過程特點(diǎn)與其他地區(qū)不盡相同。周長春等[20]總結(jié)了四川氣象工作者的研究成果，并對四川盆地近59年的區(qū)域性寒潮時(shí)空分布和年際變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。周春花等[21]通過診斷分析后發(fā)現(xiàn)四川盆地寒潮過程中低空急流產(chǎn)生降水對降溫也有十分重要的作用。

根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)[20]，1月和12月四川盆地出現(xiàn)區(qū)域性寒潮的次數(shù)是最少的。四川預(yù)報(bào)員研究寒潮個(gè)例中多數(shù)是春季寒潮，對于四川盆地冬季寒潮的研究不多，但往往冬季寒潮能夠造成更大危害，低溫冰凍雨雪甚至?xí)斐赊r(nóng)作物大面積絕收。因此，本文希望通過對四川省兩次冬季區(qū)域性寒潮天氣過程成因的分析，能夠進(jìn)一步了解四川盆地寒潮過程的發(fā)生機(jī)制。

文章采用四川省氣象臺業(yè)務(wù)應(yīng)用四川盆地區(qū)域性寒潮標(biāo)準(zhǔn)[1]。四川盆地單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)：(1)12月～2月72小時(shí)日平均溫度下降6℃。(2)10～11月、3月～4月72小時(shí)日平均溫度下降8℃。區(qū)域性寒潮標(biāo)準(zhǔn)：盆地內(nèi)15個(gè)國家基準(zhǔn)站中≥8個(gè)站點(diǎn)達(dá)到單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)。利用常規(guī)地面和高空觀測資料、國家地面自動(dòng)觀測站資料以及美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的1°×1°逐6小時(shí)再分析資料，對2018年1月24～26日(以下簡稱過程Ⅰ)和2018年12月27～29日(以下簡稱過程Ⅱ)四川省兩次區(qū)域性寒潮天氣過程成因進(jìn)行對比分析，尋找兩次寒潮天氣過程的相同與不同之處。

1 寒潮天氣過程概況

過程Ⅰ前盆地大部日均氣溫較歷史同期偏高2～4℃，到26日盆地內(nèi)日平均氣溫下降到2～5℃，盆地北部山區(qū)為-2～0℃，較歷史同期偏低1～3℃，盆地大部地區(qū)日平均氣溫普遍下降了6～8℃，其中廣元、萬源累計(jì)降溫幅度達(dá)9.5℃和10.2℃(表1)。降溫期間盆地大部普降小到中雨，其中宜賓、瀘州2市局部降了中到大雨，盆地西部沿山一線和北部邊緣的部分地方降了小雨雪，個(gè)別地方出現(xiàn)道路結(jié)冰。

過程Ⅱ前盆地大部日均氣溫較歷史同期偏高1～3℃，冷空氣過后盆地大部日平均氣溫下降5～7℃，平均為0～3℃，最大降幅出現(xiàn)在簡陽為7.6℃(表2)。冷空氣影響時(shí)段盆地內(nèi)出現(xiàn)小雪或雨夾雪，部分地區(qū)積雪嚴(yán)重，個(gè)別地方積雪達(dá)到13cm。29日盆地日平均氣溫1.5℃，位列歷史第3低位，有16個(gè)國家站日平均氣溫破建站以來歷史記錄，多地平均氣溫的最大下降幅度打破1981～2010年的氣象記錄。

表1 2018年1月23～26日四川盆地代表站三天降溫幅度

表2 2018年12月26～29日四川盆地代表站三天降溫幅度

2 環(huán)流形勢和主要影響系統(tǒng)對比分析

2.1 高空環(huán)流形勢對比分析

四川預(yù)報(bào)專家經(jīng)過多年的分析和研究，將四川寒潮分為五大類型：烏山高脊型(L型)，中亞橫槽型(N型)，一脊一槽型(A型)，兩槽一脊型(W型)以及緯向環(huán)流(P型)[1]。其中N型寒潮是四川省氣象臺統(tǒng)計(jì)1959～1984年冬半年共76次寒潮個(gè)例中占比最大的類型，達(dá)到34%。本文分析的2018年冬季四川省兩次區(qū)域性寒潮天氣過程均屬于N型寒潮。這兩次過程的特點(diǎn)分別為：

(1)過程Ⅰ發(fā)生前1月21日08時(shí)500hPa上圖1(a)，西西伯利亞到烏拉爾山東部70°E、70°N附近為中心值552hPa的烏拉爾山阻高，與阿拉斯加暖性高壓脊挾持極渦，倒“Ω”流型已建立。烏拉爾山阻高前部東北氣流和西北氣流形成橫槽，橫槽南側(cè)高空鋒區(qū)呈東西向，南壓到50°N附近。阻高后部有暖平流北上使其能夠繼續(xù)維持，其前部的東北氣流向西南向發(fā)展，風(fēng)速達(dá)到20～34m/s，使得冷空氣不斷的堆積加強(qiáng)，高空鋒區(qū)繼續(xù)南壓，冷中心強(qiáng)度達(dá)到-48℃以上。到1月22日烏拉爾山阻高繼續(xù)向東北向發(fā)展，整個(gè)西西伯利亞都在阻高的控制范圍，此時(shí)我國新疆中部-青海-華北平原為強(qiáng)大的偏西氣流，風(fēng)速達(dá)到了30～50m/s，為高空鋒區(qū)的位置所在。

影響N型寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)是橫槽轉(zhuǎn)豎以及阻高崩潰，1月24日08時(shí)500hPa上圖1(b)，阻高上游低槽東移并向其輸送正渦度和冷平流，阻高閉合式環(huán)流消失，阻高后部有冷平流輸送，并且有-40℃冷中心配合，橫槽北部由東北氣流轉(zhuǎn)為北風(fēng)，使暖平流向南輸送，導(dǎo)致北高南低、北暖南冷的環(huán)流形勢開始瓦解，橫槽斷裂，分裂東移。從圖中可以看到南支槽位于75°E附近，橫槽中分裂小槽后部西北氣流與南支槽槽前西南氣流在35°N秦嶺以北匯合，冷空氣入侵盆地造成此次過程。

(2)過程Ⅱ發(fā)生前12月23日08時(shí)500hPa上(圖略)，同樣是倒“Ω”流型已建立，烏拉爾山高脊加強(qiáng)在其前部的東北氣流和西北氣流之間60°N有橫槽，高空鋒區(qū)也南壓至55°N，并且有-48℃冷中心配合。到12月25日08時(shí)500hPa上圖1(c)，可以看到烏拉爾山高脊與里海東部的高脊基本打通，脊前東北氣流使得冷空氣不斷堆積加強(qiáng)。此時(shí)的歐亞中高緯度為寬廣的脊區(qū)，脊后西南氣流攜帶暖濕氣流北上使得高脊繼續(xù)維持發(fā)展，橫槽南壓到50°N附近，橫槽冷中心值為-48℃。新疆北部-甘肅-河北北部一線為強(qiáng)盛的西風(fēng)氣流，風(fēng)速達(dá)到20～48m/s，該區(qū)域等高線和等溫線密集，可以看出高空鋒區(qū)就在這里。

12月27日08時(shí)500hPa上圖1(d)，烏拉爾山阻高前部東北氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流，使得阻高前部有暖平流向南輸送，導(dǎo)致阻高外圍東部變?yōu)榧訅簠^(qū)而阻高內(nèi)部減壓，北高南低、北暖南冷的穩(wěn)定環(huán)流形勢遭到破壞，橫槽將轉(zhuǎn)豎東移。此時(shí)南支槽位于75°E附近，從西藏中部到盆地為一致的南支槽槽前西南氣流，并且有弱的溫度暖脊，橫槽轉(zhuǎn)豎后的西北氣流與南支槽槽前的西南氣流交匯并且從秦嶺北側(cè)入侵四川盆地。

綜上所述可以得出這兩次過程環(huán)流形勢共同特點(diǎn)有：(1)均屬于中亞橫槽型寒潮(N型)，過程開始前西西伯利亞有穩(wěn)定的高壓脊或阻塞高壓，并且有橫槽位于巴湖與貝湖之間。(2)從過程速度和路徑而言兩次過程均屬于N型下的緩慢型。即橫槽斷裂部分東移，并且都有南支槽活動(dòng)，兩支氣流交匯緩慢進(jìn)入盆地，產(chǎn)生陰雨和低溫天氣。兩次過程的不同點(diǎn)是：從阻高和橫槽的位置來看，過程Ⅰ屬于偏東類，而過程Ⅱ?qū)儆谄黝??？梢钥闯?，偏東類形勢在橫槽轉(zhuǎn)豎東移后冷空氣的路徑較為偏東，對四川盆地東北部的降溫影響更大，而偏西類形勢對整個(gè)四川盆地都有影響，所以冷空氣的強(qiáng)度也更強(qiáng)。

2.2 地面冷空氣作用對比分析

從兩次過程地面冷高壓中心動(dòng)態(tài)圖上可以看到，兩次過程冷空氣源地均位于新地島東部，冷高壓中心的路徑與高空鋒區(qū)的路徑基本一致。

過程Ⅰ動(dòng)態(tài)圖中可以看到，寒潮過程開始前3天冷高壓主體在60°～65°N、85°～90°E打轉(zhuǎn)加強(qiáng)，冷中心強(qiáng)度達(dá)到1067.5hPa，21日冷空氣分裂東移南下到貝湖附近，中心值為1050hPa，到23日08時(shí)冷鋒前沿已經(jīng)到達(dá)秦嶺北部，甘肅與四川之間等壓線十分密集，從地面的變壓場和變溫場可知在冷鋒后部的陜甘一帶有降溫增壓區(qū)，冷鋒經(jīng)過之處帶來劇烈的降溫天氣，與此同時(shí)到23日又有一股冷空氣分裂南下移動(dòng)到貝湖西部，中心值達(dá)到1050hPa，此時(shí)分裂南下的冷空氣能夠使溫度進(jìn)一步下降。

從過程Ⅱ動(dòng)態(tài)圖中看到，過程前3天冷空氣中心位于65°N、75°E附近，與過程Ⅰ不同的是，過程Ⅱ是冷空氣中心在東移南壓的過程中中心強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，到25日中心值達(dá)到1055hPa，與此同時(shí)在24日貝湖北部有新的冷中心生成，強(qiáng)度達(dá)到1045hPa，并且在逐漸南壓的過程中強(qiáng)度達(dá)到1057.5hPa，到了26日兩股冷空氣合并強(qiáng)度達(dá)到1062.5hPa，27日冷中心移動(dòng)到我國內(nèi)蒙古北部強(qiáng)度1057.5hPa，并且冷空氣前鋒已南壓至四川盆地北部。此次過程冷空氣中心移動(dòng)路徑更加偏南且中心值強(qiáng)度更大導(dǎo)致降溫劇烈。

2.3 低空急流作用對比分析

低空急流對于四川盆地寒潮過程降溫起著重要的作用，下面將對兩次過程低空急流作用進(jìn)行分析。

過程Ⅰ發(fā)生前在四川南部22°～26°N附近為一條急流帶，與此同時(shí)北方南下的冷空氣與這支急流在長江中下游以北交匯，有明顯的鋒生作用。到過程開始時(shí)24日20時(shí)圖3(a)，這條急流北抬移動(dòng)到盆地東部且急流軸位于貴州-重慶一帶，中心值達(dá)到了24m/s，到25日20時(shí)急流軸中心移動(dòng)到115°E附近，急流強(qiáng)度仍然保持在20m/s以上。急流產(chǎn)生的降水，使得盆地內(nèi)的溫度進(jìn)一步下降。而過程Ⅱ圖3(b)700hPa上的急流與過程Ⅰ類似，只是急流核的位置要略微偏東，風(fēng)速也略微偏小。從兩次過程發(fā)生時(shí)的850hPa圖3(c)和圖3(d)上都可以明顯的看到，由于地面冷中心的東移南壓，冷鋒已經(jīng)進(jìn)入盆地，冷中心前部的東北急流將冷空氣向盆地輸送，并且在盆地內(nèi)形成低渦使降水持續(xù)，進(jìn)而加劇了盆地內(nèi)的降溫天氣，不同的是過程Ⅱ850hPa東北急流更強(qiáng)。

由上可知，700hPa上低空急流帶來源源不斷水汽和不穩(wěn)定能量為四川盆地持續(xù)多天的降水提供絕佳條件，而850hPa上東北急流能夠?qū)⒗淇諝獬掷m(xù)向盆地輸送，使得盆地內(nèi)溫度進(jìn)一步下降。

3 物理量診斷分析

3.1 熱力條件對比分析

從1月23日20時(shí)和12月26日20時(shí)兩個(gè)過程發(fā)生前一天700hPa溫度平流場上(圖略)都可以看到在東北地區(qū)有帶狀冷平流，而在850hPa溫度平流場上(圖略)在新疆東部到內(nèi)蒙古西部以及東北地區(qū)有帶狀冷平流，不同的是過程Ⅱ中850hPa上冷平流的強(qiáng)度更強(qiáng)達(dá)到-40×10-5℃·s-1以上，過程Ⅰ為-30×10-5℃·s-1以上。到1月24日20時(shí)圖4(a)和圖4(b)東移南下的冷空氣，在高空引導(dǎo)氣流的帶領(lǐng)下入侵四川盆地以及重慶地區(qū)，并且還有冷平流不斷從偏北方向補(bǔ)充南下，使得四川盆地的冷空氣非常強(qiáng)大，850hPa上冷平流的強(qiáng)度達(dá)到了-35×10-5℃·s-1以上，700hPa為-40×10-5℃·s-1左右。相比之下，過程Ⅱ冷平流的強(qiáng)度更強(qiáng)，700hPa上冷平流中心值達(dá)到了-45×10-5℃·s-1左右，850hPa上冷平流的強(qiáng)度更是達(dá)到了-45×10-5℃·s-1以上，并且同樣有冷空氣補(bǔ)充南下。

上述分析可知，這兩次寒潮過程都是強(qiáng)大冷平流過境造成的，且冷平流的強(qiáng)度大小、移動(dòng)路徑的差異以及是否存在持續(xù)補(bǔ)充南下的冷空氣等要素，均對寒潮過程持續(xù)時(shí)間以及降溫幅度產(chǎn)生直接影響。過程Ⅱ中冷平流的強(qiáng)度更大，影響范圍更廣，使得過程多個(gè)國家站的平均氣溫和降溫幅度破氣象記錄。而從平流路徑上看，過程Ⅰ主要是以偏北路徑為主，同時(shí)影響了盆地西北和東北部并且南下，則對盆地北部造成的降溫更加明顯，而過程Ⅱ冷平流是從盆地西北部入侵對整個(gè)盆地造成較大降溫。對于四川盆地區(qū)域性寒潮天氣過程而言，850hPa上冷平流強(qiáng)度以及移動(dòng)路徑的指示意義更好。

3.2 水汽條件對比分析

過程Ⅰ降水量為小到中雨，部分地方中到大雨，過程Ⅱ降水量主要為小雨，并且都持續(xù)時(shí)間較長，所以降水的凝結(jié)潛熱釋放對于兩次過程的降溫也是有很大的作用，下面就來對兩次過程中水汽通量和水汽通量散度進(jìn)行分析。

過程Ⅰ發(fā)生前23日20時(shí)700hPa上(圖略)，可以看到在整個(gè)盆地包括重慶、貴州為水汽通量散度負(fù)值區(qū)，在盆地中部有-3×10-5g·cm-2·(hPa·s)-1的中心值，并且在云南與貴州交界處有8g·cm-1·(hPa·s)-1的水汽通量中心值，通過西南氣流向盆地內(nèi)輸送水汽。850hPa上(圖略)盆地內(nèi)為水汽通量散度負(fù)值區(qū)，中心值-4×10-5g·cm-2·(hPa·s)-1，在我國南方地區(qū)為水汽通量大值區(qū)，通過東南氣流向四川盆地輸送水汽。到24日700hPa上圖5(a)四川盆地-重慶-貴州東部依然保持水汽通量散度負(fù)值，在貴州北部有12g·cm-1·(hPa·s)-1的水汽通量中心值，在西南氣流的作用下向盆地內(nèi)輸送水汽。850hPa上圖5(b)盆地北部到西部為一條水汽通量散度帶，中心值達(dá)到-4×10-5g·cm-2·(hPa·s)-1，在盆地南部與貴州交界處有水汽通量散度大值區(qū)，中心值達(dá)到-7×10-5g·cm-2·(hPa·s)-1，且從廣西到盆地為一致的偏南氣流，將水汽源源不斷向盆地輸送。到后期隨著系統(tǒng)東移南壓，水汽輻合區(qū)也隨之東移南壓，降水趨于結(jié)束。

過程Ⅱ與過程Ⅰ相比在700hPa上圖5(c)，西南急流的位置偏東，導(dǎo)致水汽輻合地區(qū)主要是在盆地東部-中部-南部一線，而且水汽通量散度較弱，為-2×10-5g·cm-2·(hPa·s)-1左右，大值區(qū)主要集中在貴州到廣西一帶，在850hPa上圖5(d)，水汽通量散度大值區(qū)主要在盆地東部，且由于850hPa上盆地-重慶-貴州一帶主要吹東北氣流，所以水汽輸送條件差一些。

從分析可知，兩次過程中南支槽移動(dòng)到80°E以東時(shí)開始加強(qiáng)，使得槽前西南急流加強(qiáng)水汽輸送加大，盆地內(nèi)降水隨之增大，氣溫進(jìn)一步下降。過程Ⅰ中冷空氣路徑較為偏東且冷平流較過程Ⅱ偏弱，所以過程Ⅰ降溫可能與水汽條件更好、降水強(qiáng)度更大有關(guān)。

4 結(jié)論

通過對2018年四川盆地兩次區(qū)域性寒潮天氣過程的環(huán)流形勢和物理量時(shí)空分布特征分析后得出以下結(jié)論：

(1)兩次過程均屬于中亞橫槽型寒潮(N型)，從過程速度和路徑而言兩次過程均屬于N型下的緩慢型。過程前期均存在烏拉爾山阻高發(fā)展，極地冷空氣在橫槽北側(cè)東北氣流帶動(dòng)下向南輸送，并且不斷堆積加強(qiáng)。隨著烏拉爾山阻高前部轉(zhuǎn)為偏北氣流，暖平流向南輸送，橫槽轉(zhuǎn)豎東移，槽后強(qiáng)冷空氣快速南壓，南支槽前西南氣流與橫槽轉(zhuǎn)豎后西北氣流在秦嶺北部交匯入侵四川盆地。兩次過程的不同點(diǎn)是：從阻高和橫槽的位置來看，過程Ⅰ屬于偏東類，而過程Ⅱ?qū)儆谄黝?，且偏西類形勢冷空氣的?qiáng)度更強(qiáng)。

(2)兩次寒潮過程冷空氣源地均位于新地島以東，并且寒潮地面高壓按西北路徑移動(dòng)。過程Ⅰ中冷中心先在烏拉爾山東部打轉(zhuǎn)堆積加強(qiáng)，而后沿貝加爾湖到內(nèi)蒙古中部從秦嶺北部入侵盆地。過程Ⅱ中冷中心是在緩慢東移南壓的過程中加強(qiáng)，到26日在貝加爾湖西南部與從貝加爾湖北部補(bǔ)充南下的冷空氣合并然后南下影響四川盆地。寒潮地面高壓中心值的強(qiáng)度和冷鋒附近的氣壓梯度的強(qiáng)度是反映冷空氣強(qiáng)弱的主要根據(jù)。

(3)西南急流能夠?qū)⑺粩嘞蚺璧貎?nèi)輸送，并且冷空氣在850hPa東北急流的帶領(lǐng)下不斷的補(bǔ)充進(jìn)入盆地，干冷氣流與暖濕氣流在盆地內(nèi)交匯造成連續(xù)的降水，對氣溫下降也起到了增幅作用，是造成強(qiáng)降溫的原因之一。

(4)兩次寒潮過程發(fā)生前，新疆到四川盆地均處在脊前西北氣流控制之下，天氣較好，地面溫度明顯上升，有利于降溫幅度的進(jìn)一步加大，再加上850hPa強(qiáng)冷平流不斷從北方補(bǔ)充南下，這是導(dǎo)致出現(xiàn)寒潮天氣過程的關(guān)鍵因素，且可以看出冷平流的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度中心與過程降溫地區(qū)有很好的對應(yīng)。