嵊泗兩次寒潮天氣過程對比分析

嵊泗縣氣象局 陶燁明 虞佳維 張恩澤

引言

寒潮是指日平均氣溫24小時內(nèi)下降8℃或48小時內(nèi)下降10℃，且最低氣溫降至4℃以下的冷空氣影響過程。王鎮(zhèn)銘等[1]研究指出移動性西風(fēng)槽型、橫槽轉(zhuǎn)軸型、東北冷渦維持性、前期顯著回暖型是影響浙江省的常見冷空氣天氣系統(tǒng)。對于嵊泗來說，寒潮帶來的低溫冰凍、大風(fēng)對島城居民影響最大，因此，以個例分析探究寒潮強降溫、沿海大風(fēng)成因，以提升嵊泗寒潮天氣過程預(yù)報服務(wù)能力具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實意義。本文將對2020年末和2021年初的兩次寒潮過程天氣實況、冷空氣移動路徑、環(huán)流形勢進行對比分析，探究兩次過程形成原因及差異，總結(jié)預(yù)報經(jīng)驗，為今后寒潮天氣氣象服務(wù)提供參考。

1 主要天氣事實對比分析

為進一步了解2020年12月29～31日以及2021年1月6～8日兩次寒潮天氣過程對嵊泗的影響，特將兩次過程的天氣實況統(tǒng)計如下：（表1）

表1 嵊泗兩次寒潮過程天氣實況對比

兩次寒潮過程僅相隔一周左右，但其天氣實況卻有較大區(qū)別：一是從降溫特點來看，2020年底的寒潮過程在寒潮來臨前有明顯回溫，29日氣溫回升到17.2℃，29日溫差達11.8℃，過程日平均氣溫降溫幅度高達16.2℃，降溫幅度大、速度快；而2021年初的寒潮過程，5日已有一股弱冷空氣影響，前期氣溫已有所下降，兩股冷空氣銜接較為緊密，6日寒潮來臨前無回溫，自5日起氣溫便呈現(xiàn)逐步下降的態(tài)勢，降溫速度相對較慢，過程日平均氣溫下降幅度為9.8℃，總體呈現(xiàn)降溫幅度、速度一般，但氣溫持續(xù)低迷的特點。二是從最低氣溫來看，2020年末寒潮雖溫度降幅大，但前期氣溫基數(shù)較高，過程最低氣溫為-5.4℃，而2021年初的寒潮來臨前已降溫，雖降溫幅度較2020年末寒潮偏小，但過程最低氣溫卻低至-6.6℃。三是從降水情況來看，2020年末寒潮受冷暖氣流交匯影響，有弱降水，且隨著氣溫下降，出現(xiàn)了雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)化，但由于降水量級小，且降水與低溫之間存在時間差，未出現(xiàn)明顯道路結(jié)冰，而2021年初寒潮僅有干冷空氣影響，水汽條件差，僅局部出現(xiàn)短時雨雪天氣。四是從大風(fēng)影響來看，2020年末寒潮過程嵊泗沿海普遍出現(xiàn)10-11級大風(fēng)，個別高山站風(fēng)力達13級，9級大風(fēng)維持時間長達39小時，2021年初寒潮過程嵊泗沿海普遍為8-9級大風(fēng)，個別高山站最大風(fēng)力11級，大風(fēng)維持時間也較2020年末寒潮過程明顯偏短，總體來看，2020年末寒潮大風(fēng)明顯強于2021年初的寒潮過程。結(jié)合以上實況特點，由于兩次過程對嵊泗影響較大的主要是低溫和寒潮大風(fēng)，下文將重點圍繞降溫成因和沿海大風(fēng)成因進行分析。

2 主要影響系統(tǒng)和冷空氣路徑對比分析

從500hPa高空圖和槽線移動路徑圖（圖略）可以看到兩次寒潮過程均為橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)冷空氣南下影響我縣的過程，寒潮開始影響前，中高緯地區(qū)大體上為兩槽夾一脊的形勢，脊區(qū)均位于西西伯利亞地區(qū)，呈東北——西南走向，2021年初寒潮過程的脊區(qū)較2020年末的明顯偏強，西側(cè)高空槽均位于烏拉爾山西側(cè)，東側(cè)高空槽為本次影響嵊泗的主要天氣系統(tǒng)，此處高空槽兩次過程之間差異較大，是導(dǎo)致兩次寒潮過程降溫特點區(qū)別較大的原因之一：2020年末的寒潮過程在寒潮影響前，鄂霍茨克海-貝加爾湖之間是一個大致呈東西走向的橫槽，高空低壓中心與冷中心位置趨于重合，位于鄂霍茨克海和俄羅斯的交界處，冷中心最低氣溫為-44℃，后期隨著橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣擴散南下，形成了寒潮；而2021年初的寒潮過程東側(cè)低渦呈現(xiàn)雙低壓中心、雙冷中心的狀態(tài)，冷中心最低氣溫為-44℃，這與2020年末的寒潮過程一致，兩個低壓中心分別有槽伸出，一個低壓中心位于尼古拉耶夫斯克，高空槽從尼古拉耶夫斯克延伸到海參崴附近，此處高空槽后續(xù)東移入海，為寒潮來臨前冷空氣過程的影響系統(tǒng)，冷中心落后于低壓中心，高空逐漸減弱，另一個低壓中心位于雅庫利姆北側(cè)，冷中心與低壓中心近乎重合，8日高空槽走向與北緯60°緯圈趨于重合，槽線較2020年寒潮過程明顯偏短，后期隨著高空槽東移南下，并逐漸轉(zhuǎn)豎，形成了2021年初的寒潮過程。

從地面圖上（圖略）可以看到，2020年末這次過程地面冷高壓從貝加爾湖西側(cè)（約98°E）分裂出新的冷高壓東移南下，經(jīng)內(nèi)蒙古中部、河套地區(qū)直達長江中下游及江南地區(qū)，影響長江中下游地區(qū)時地面冷高壓中心約為1035hPa，整體來看屬于中路冷空氣影響；2021年初的寒潮過程地面冷高壓主體位于阿爾泰山脈西北側(cè),穩(wěn)定少動，冷空氣從蒙古國西部經(jīng)河西走廊南下，屬于較典型的西北路冷空氣影響，兩次過程冷高壓主體位置較為接近,但2020年末的寒潮過程地面冷高壓中心出現(xiàn)明顯分裂現(xiàn)象，這可能是導(dǎo)致后期冷空氣南下路徑出現(xiàn)較大差別的主要原因。

3 強降溫成因?qū)Ρ确治?/h2>

近地面局地溫度的變化主要由溫度平流和非絕熱加熱引起[2]，溫度平流是兩次寒潮天氣出現(xiàn)強降溫的主要原因，主要通過冷暖平流的強度進行判斷，非絕熱因子主要考慮輻射和水汽相態(tài)變化的影響，嵊泗地處海島，海洋下墊面的調(diào)節(jié)作用比較顯著，輻射降溫對嵊泗影響不大，此外，2020年末的寒潮過程出現(xiàn)了雨雪的相態(tài)轉(zhuǎn)換，而2021年初的寒潮過程則因水汽條件較差，僅局部地區(qū)出現(xiàn)短時小雪，降水及其相態(tài)轉(zhuǎn)變在一定程度上加劇了氣溫的快速下降，但兩次過程降水量級不大，降水對氣溫的影響相對仍較小，因此本節(jié)主要將對850hPa的溫度平流情況進行對比分析。

2020年末寒潮過程發(fā)生強降溫的時段主要為29日08時-30日08時，該時段內(nèi)氣溫從14.1℃降至-2.2℃，降溫幅度達16.3℃，從850hPa等溫線變化來看，29日08時，嵊泗上空850hPa溫度約為6℃，30日08時850hPa溫度降至-8℃左右，降溫幅度約為14℃，從29日20時的天氣圖可以看到，此時嵊泗附近等溫線非常密集，十個緯距內(nèi)分布有9條等溫線，即溫差達到36℃，且風(fēng)向與等溫線近乎垂直，風(fēng)速普遍達到16～20m/s，冷平流極強，因此在該時段內(nèi)，嵊泗氣溫實現(xiàn)跳水式下降；2021年初寒潮過程嵊泗的氣溫自5日08時的9.5℃降至7日20時的-5.8℃，降溫幅度約為15.3℃，氣溫變化相對平緩，降溫過程持續(xù)時間明顯偏長，從850hPa等溫線變化來看，5日08時嵊泗上空850hPa氣溫約為0℃，7日20時850hPa溫度降至-12℃左右，降溫幅度約為12℃，從6日20時850hPa的天氣圖可以看到，此時嵊泗附近的等溫線密集程度明顯較上一次過程稀疏，10個緯距內(nèi)分布有6～7條等溫線，風(fēng)向與等溫線之間夾角相對較小，且風(fēng)速普遍僅為10～14m/s，冷平流強度較2020年末寒潮過程明顯偏弱。從冷平流持續(xù)時間看，2020年寒潮31日08時風(fēng)向已經(jīng)幾乎與等溫線平行，且嵊泗附近等溫線明顯疏散，冷平流明顯減弱，而2021年寒潮直到8日08時風(fēng)向仍與等溫線存在一定夾角，等溫線也未出現(xiàn)明顯疏散，冷平流持續(xù)時間較2020年寒潮過程明顯偏長，冷平流的強度變化及其持續(xù)時間可能是造成兩次寒潮降溫特點迥異的最主要原因。

4 沿海大風(fēng)成因?qū)Ρ确治?/h2>

常見的冷空氣大風(fēng)其成因不外乎：強的地面氣壓梯度、高低空急流活動、高空動量下傳以及強冷平流作用，對這兩次寒潮大風(fēng)的成因分析也將主要從以上幾方面展開。

從地面圖來看，29日20時-30日20時，120°-125°E之間分布有6～8根等壓線，31日08時120°-125°E之間也仍舊存在5根等壓線，氣壓梯度非常大，且持續(xù)時間較長，密集的等壓線分布，強的地面氣壓梯度是2020年末寒潮過程沿海普遍刮起10-11級大風(fēng)，且9級大風(fēng)持續(xù)時間長達39小時的最主要原因。相對而言，2021年初的這次寒潮過程，7日08時-8日08時，120°～125°E之間分布有4-5根等壓線，其地面氣壓梯度較2020年末的寒潮明顯偏小，因此2021年初的寒潮普遍以9級大風(fēng)為主，9級大風(fēng)持續(xù)時間相對而言也較短。此外，上文對于冷平流強度已有較詳細的分析，可知2020年末的冷平流強度明顯較2021年初的過程偏強，這可能也是2020年末的寒潮大風(fēng)強于2021年初寒潮大風(fēng)的原因之一。

動量下傳一般需要具備兩個條件：其一是高低空風(fēng)速垂直切變要大，二是要有一定的垂直下沉速度。這兩次寒潮過程高低空風(fēng)向風(fēng)速以上海寶山站為例，統(tǒng)計結(jié)果如下：

由表2、表3結(jié)合高空各層的天氣圖可以看到：2020年初的寒潮過程500hPa、700hPa和850hPa都有急流存在，2020年12月29日20時-30日20時高低空風(fēng)速的垂直切變都很大，普遍500hPa和850hPa之間風(fēng)速切變在18-28m/s之間，在此區(qū)間風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流；2021年末的寒潮過程同樣三層都有急流存在，但各層風(fēng)速與2020年末的過程相比整體偏小，500hPa和850hPa之間的風(fēng)速切變基本穩(wěn)定在22m/s，高低空垂直風(fēng)速切變也較大，整體風(fēng)向隨高度呈逆轉(zhuǎn)狀態(tài)，說明同樣存在冷平流，兩次過程均存在高低空急流配合以及較大的風(fēng)速垂直切變，這就意味著出現(xiàn)動量下傳使地面風(fēng)增強的可能性較大。此外，兩次過程700hPa均有逆溫出現(xiàn)，這意味著該時段內(nèi)700hPa附近有鋒區(qū)存在。

表2 2020年12月29日～30日上海寶山站高低空風(fēng)向風(fēng)速及溫度變化

表3 2021年1月7日～8日上海寶山站高低空風(fēng)向風(fēng)速及溫度變化

從各層垂直速度圖（圖略）來看，2020年12月30日08時～30日20時和2021年1月7日08時～8日08時，嵊泗周邊700hPa以下各層的垂直速度都保持在0～1m/s，處在一個微弱的氣流下沉區(qū)；500hPa以上以及2020年12月29日08時，嵊泗處于一個微弱的的氣流上升運動區(qū)，中低層的下沉運動使得動量下傳成為可能，但由于下沉運動非常微弱，綜合考慮認為動量下傳可能是這兩次寒潮過程出現(xiàn)大風(fēng)的原因之一，但絕非主要原因，影響非常有限。

5 結(jié)論與討論

（1）兩次寒潮均是典型的橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)冷空氣南下造成強降溫的過程，但由于2020年末寒潮溫度基數(shù)高，前期回溫明顯，2021年初寒潮緊接上一股冷空氣南下，溫度基數(shù)低，無鋒前增溫，導(dǎo)致兩次寒潮過程的降溫幅度及降溫特點有明顯區(qū)別。

（2）2020年末寒潮過程整體來看屬于中路冷空氣影響，而2021年初的寒潮過程屬于較典型的西北路冷空氣影響，兩次過程冷高壓主體位置較為接近，但2020年末的寒潮過程地面冷高壓中心出現(xiàn)明顯分裂現(xiàn)象，這可能是導(dǎo)致后期冷空氣南下路徑出現(xiàn)較大差別的主要原因。

（3）850hPa的強冷平流是造成兩次寒潮強降溫過程的主要原因。

（4）強的地面氣壓梯度、高低空急流活動以及強冷平流多種因子共同作用致使嵊泗兩次寒潮過程均出現(xiàn)了大風(fēng)天氣，且2020年末的寒潮過程由于沿海梯度更大，高低空急流、冷平流作用更強，形成的沿海大風(fēng)在強度上及持續(xù)時間上均較2021年初的寒潮過程偏強；由于垂直下沉運動微弱，兩次寒潮過程中動量下傳作用對風(fēng)速增大貢獻有限。