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      巴彥淖爾市一次寒潮天氣動(dòng)力機(jī)制分析

      2013-09-29 05:49:16孫令東梁鳳娟王永清柳艷艷
      中低緯山地氣象 2013年5期
      關(guān)鍵詞:冷平流平流渦度

      孫令東,梁鳳娟,王永清,柳艷艷

      (內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市氣象局,內(nèi)蒙古 臨河 015000)

      1 引言

      巴彥淖爾市地處內(nèi)陸深處的內(nèi)蒙古高原[1],地理位置在 105°12'~ 109°53'E,40°13'~42°28'N 之間,東與包頭市相連,西與阿拉善盟接壤,南與鄂爾多斯市隔河相望,北與蒙古國(guó)為鄰,西南依黃河與烏海市相連。由黃河灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)(后套地區(qū))、山旱農(nóng)業(yè)區(qū)、沙區(qū)和牧區(qū)組成。寒潮是由高緯度地區(qū)大規(guī)模冷空氣堆積并迅速南下的結(jié)果,冬春季常常伴有大風(fēng)、降雪天氣,對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)影響很大。在牧區(qū)寒潮不僅影響放牧,而且還會(huì)使交通阻塞、運(yùn)輸困難,牲畜因此而斷絕草料,甚至由于風(fēng)力過大,刮倒棚舍和蒙古包,壓傷人畜。在農(nóng)區(qū)由于強(qiáng)寒潮往往造成春秋霜凍出現(xiàn),使作物受到嚴(yán)重災(zāi)害。學(xué)者們對(duì)于寒潮過程的冷空氣源地和路徑、寒潮關(guān)鍵區(qū)、寒潮中短期環(huán)流演變形勢(shì)特征等已得出眾多有益結(jié)論[2-7]。諸如文獻(xiàn)指出影響中國(guó)冷空氣源地分別位于新地島附近洋面和冰島以南洋面,冷空氣多經(jīng)關(guān)鍵區(qū)——西伯利亞中部(43°~65°N、70°~90°E)堆積加強(qiáng)后,由西北路、西路、東路、東路加西路向中國(guó)侵入。許愛華[2]等對(duì)2005年3月的寒潮天氣過程進(jìn)行了診斷分析,認(rèn)為其主要成因是西歐上空的500 hPa強(qiáng)暖平流致使在西伯利亞地區(qū)形成阻塞高壓,建立橫槽,橫槽北側(cè)的東北氣流引導(dǎo)極地冷空氣和西路冷空氣合并加強(qiáng),形成了異常強(qiáng)的冷高壓、鋒區(qū)、冷溫度中心和冷溫度平流。鐘有萍[5]等對(duì)一次寒潮天氣過程的中期環(huán)流形式分析,提出當(dāng)500 hPa環(huán)流型轉(zhuǎn)為阻塞高壓和橫槽型,阻塞高壓脊的經(jīng)向環(huán)流既強(qiáng)又穩(wěn)定,往往具備了爆發(fā)寒潮的環(huán)流背景。楊宏宇[6]等對(duì)2006年3月影響六盤水市的一次寒潮天氣過程進(jìn)行分析,指出后期滇黔靜止鋒的形成和高原冷空氣對(duì)貴州省西北部的補(bǔ)充影響是持續(xù)低溫天氣的主要原因。巴彥淖爾市地處西北邊疆,是冷空氣爆發(fā)必經(jīng)之地,其冬季漫長(zhǎng),無霜期短,寒潮天氣多,為了提高防災(zāi)減災(zāi)能力,因此對(duì)于寒潮及寒潮天氣的研究分析仍然是近期乃至今后研究的重點(diǎn)。

      該文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料,采用天氣學(xué)原理和天氣動(dòng)力學(xué)診斷分析方法,從寒潮環(huán)流背景和動(dòng)力機(jī)制,對(duì)2012年11月2—4日發(fā)生在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市一次寒潮天氣過程進(jìn)行分析和總結(jié),以期進(jìn)一步提高對(duì)寒潮的科學(xué)認(rèn)識(shí),為此類天氣過程的分析預(yù)報(bào)提供有參考價(jià)值的信息。

      2 天氣實(shí)況

      受強(qiáng)冷空氣影響,2012年11月2—4日,巴彥淖爾市出現(xiàn)大風(fēng)、寒潮天氣,風(fēng)力5—7級(jí),大部地區(qū)最低氣溫下降超過10℃,海力素降幅達(dá)18.5℃,最低氣溫出現(xiàn)在4日凌晨(表1)。東南部伴有小量降雪,道路出現(xiàn)結(jié)冰,對(duì)交通產(chǎn)生不利影響。大幅降溫,對(duì)城市供暖有一定壓力,使設(shè)施農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)放緩,土壤水分下滲慢,部分秋澆地出現(xiàn)結(jié)冰,秋澆用水量減少。

      表1 2012年11月2—4日最低氣溫變化 (單位:℃)

      3 寒潮天氣過程分析

      3.1 冷空氣源地和寒潮醞釀

      寒潮能否爆發(fā)和冷空氣源地以及堆積程度有密切關(guān)系。11月1日08時(shí),500 hPa歐亞中高緯為兩低兩高型(圖1a)。貝加爾湖以西、巴爾喀什湖以東有一低渦,烏拉爾山一帶為高脊區(qū),脊線呈南—北向,極地冷空氣沿脊前偏北氣流向低渦內(nèi)輸送。1日20時(shí)(圖1b),該低渦加強(qiáng)東移南壓,范圍擴(kuò)大,由40°N南壓至30°N附近,渦底分裂的冷空氣在蒙古形成橫槽,渦后脊前偏北急流為36 m/s,并有-36℃冷中心相對(duì)應(yīng)。受內(nèi)蒙古東北部暖高脊阻擋,冷空氣在巴彥淖爾市上游堆積加強(qiáng)。700 hPa、850 hPa上,中西伯利亞到北疆一線分別有冷渦 ,冷中心分別為-24℃和-20℃。貝加爾湖到蒙古西南部有東北—西南走向鋒區(qū),等溫線密集(24℃/10緯距)。在海平面氣壓場(chǎng)上,蒙古國(guó)西部至新疆北部有冷鋒活動(dòng),鋒后冷高壓中心為1 040 hPa。850~500 hPa厚度可以代表850 hPa與500 hPa之間的冷氣團(tuán)的強(qiáng)度[4],此次寒潮過程 850~500 hPa厚度大,表明冷氣團(tuán)較強(qiáng)。

      圖1 11月1日08時(shí)(a)和20時(shí)(b)500 hPa高空度場(chǎng)(實(shí)線)和溫度場(chǎng)(虛線)

      寒潮爆發(fā)和急流有密切關(guān)系。陶祖鈺[4]用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論解釋了中緯度地帶天氣尺度擾動(dòng)的移動(dòng)和發(fā)展機(jī)制、鋒面氣旋的維持和發(fā)展機(jī)制、高空急流和中緯度天氣過程。指出寒潮過程中高空擾動(dòng)是不對(duì)稱的,在寒潮爆發(fā)前的高空波動(dòng)表現(xiàn)為后脊強(qiáng)、前脊弱的不對(duì)稱波動(dòng),烏拉爾山高壓脊前急流帶,不僅使地面冷高壓加強(qiáng)和鋒生,而且也有利于寒潮冷堆加強(qiáng)。1日20時(shí)300 hPa(圖略),烏拉爾山高壓脊前有一偏北急流帶,急流中心左側(cè)強(qiáng)的氣旋性切變渦度以相應(yīng)的正渦度平流造成上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)所伴隨的絕熱冷卻使500 hPa的冷中心加強(qiáng)。這一過程就是熱流量方程中垂直運(yùn)動(dòng)一項(xiàng)對(duì)局地氣溫變化的影響過程。當(dāng)急流軸與高空槽配合時(shí),槽后有明顯的負(fù)渦度平流,使地面反氣旋發(fā)展,這加大地面氣壓場(chǎng)的氣壓梯度,有利于寒潮的爆發(fā)。因此,冷空氣堆積已初步形成,具備了寒潮爆發(fā)的首要條件。

      3.2 寒潮爆發(fā)

      由圖1b看出,1日20時(shí),500 hPa烏拉爾山高壓脊線東移至烏拉山東側(cè)(80°E),脊前渦后偏北急流帶也隨之東移南壓,急流核位于90°E、55°N附近,這為橫槽轉(zhuǎn)豎提供了有利動(dòng)力條件。橫槽西段渦度明顯大于東側(cè),說明橫槽西段加深比東側(cè)快,有利于橫槽轉(zhuǎn)豎。2日20時(shí)(圖2a)500 hPa高空橫槽略有轉(zhuǎn)豎,槽線長(zhǎng)達(dá)15個(gè)緯距,并東移至巴彥淖爾市上游;地面鋒面位于河套地區(qū)西側(cè),冷高壓中心加強(qiáng)到1 050 hPa。高空鋒區(qū)呈南—北走向,地面高壓軸向與鋒區(qū)走向一致。3日08時(shí)(圖2b),南下低渦與轉(zhuǎn)豎低槽合并,向南加深,環(huán)流徑向度加大,并有-32℃冷中心相對(duì)應(yīng),巴彥淖爾市處于高空槽內(nèi)控制;地面受1 035 hPa冷高壓中心控制,使巴彥淖爾市氣溫驟降,達(dá)到了寒潮標(biāo)準(zhǔn)。

      圖2 11月2日20時(shí)(a)和3日08時(shí)(b)500 hPa高空?qǐng)?實(shí)線)和溫度場(chǎng)(虛線),(單位:dagpm、℃)

      4 強(qiáng)降溫和強(qiáng)風(fēng)成因

      4.1 強(qiáng)降溫成因

      溫度平流是寒潮天氣過程關(guān)鍵因素。水平方向上氣溫分布不均勻時(shí),空氣水平運(yùn)動(dòng)將引起氣溫局地變化,暖平流使局地溫度升高,冷平流使局地溫度下降,因此氣溫變化程度與溫度平流密切相關(guān)。溫度平流強(qiáng)度一方面反映了系統(tǒng)斜壓性強(qiáng)度,另一方面也是強(qiáng)冷空氣南下的主要?jiǎng)恿Ψ绞健@淦搅骺梢苑从吵隼淇諝獗l(fā)南下強(qiáng)度,冷平流越強(qiáng),冷空氣活動(dòng)越強(qiáng)烈。尤其是850 hPa溫度平流中心強(qiáng)度及其移動(dòng)路徑,直接揭示寒潮強(qiáng)度及影響區(qū)域。

      由850 hPa溫度平流演變趨勢(shì)看出,1日20時(shí),冷平流進(jìn)入巴爾喀什湖東北至貝加爾湖以西地區(qū),中心值 -20 ×10-5·s-1表明冷空氣很強(qiáng)(圖略)。2日20時(shí),隨著烏拉爾山高壓脊加強(qiáng)發(fā)展,巴爾喀什湖東北部橫槽緩慢轉(zhuǎn)豎,冷平流區(qū)向東南方向移至蒙古國(guó)西南到甘肅中部,鋒區(qū)呈東北—南向,蒙古國(guó)有 -16×10-5·s-1中心值(圖略)。3 日 20 時(shí),南下低渦與轉(zhuǎn)豎低槽合并向南加深,冷平流范圍擴(kuò)大,強(qiáng)度加強(qiáng),前沿?cái)U(kuò)展到35°N附近,巴彥淖爾市處于-12~-8℃之間控制(圖略)。3日20時(shí),冷空氣活動(dòng)對(duì)巴彥淖爾市影響基本結(jié)束。由表1可知,最低氣溫出現(xiàn)在4日凌晨。由此可知,850 hPa冷平流區(qū)向南擴(kuò)展速度比地面氣溫24負(fù)變溫區(qū)向南擴(kuò)展速度超前12 h左右。

      4.2 強(qiáng)風(fēng)成因

      寒潮爆發(fā)前的1日08時(shí)海平面氣壓場(chǎng)上(圖3a),歐亞中高緯呈西高東低型,貝加爾湖以西、巴爾喀什湖北部有冷高壓,蒙古氣旋已生成。蒙古國(guó)西南至新疆北部等壓線密集,巴彥淖爾市處于蒙古氣旋底前部。蒙古氣旋前部是暖性,后部與冷高壓相鄰部分是冷性,氣旋熱力性質(zhì)使冷鋒前后具有極強(qiáng)的氣壓梯度、變壓梯度和溫度梯度,對(duì)產(chǎn)生大風(fēng)提供有利條件。此時(shí)地面冷高壓位于高空槽槽后,蒙古氣旋位于槽前。急流所伴隨動(dòng)力學(xué)過程決定關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)高空波動(dòng)演變和地面氣旋和反氣旋活動(dòng),蘊(yùn)含著巨大能量,特別是急流軸附近,由于動(dòng)量下傳,使低層風(fēng)力加大;高空急流使冷空氣堆積加快、鋒區(qū)不斷加強(qiáng),各層等壓面上均有明顯反應(yīng)。隨著烏拉爾山高壓脊前偏北急流帶南移,南下低渦與轉(zhuǎn)豎低槽合并向南加深東移,2日08時(shí)(圖3b)巴彥淖爾市處于等壓線密集帶,風(fēng)力達(dá)到了最強(qiáng)。3日08時(shí)以后風(fēng)力逐漸減小,寒潮伴隨大風(fēng)天氣趨于結(jié)束。

      圖3 11月1日08時(shí)(a)和2日08時(shí)(b)海平面氣壓場(chǎng),(單位:hPa)

      300 hPa(圖略),烏拉爾山高壓脊前有一偏北急流帶,急流軸位于巴爾喀什湖東北部,最大風(fēng)速為56 m/s,與地面冷高壓相對(duì)應(yīng)。由于急流軸左側(cè)風(fēng)速有氣旋性切變,右側(cè)有反氣旋性切變,與高空槽相配合,槽前有明顯的正渦度平流,使地面氣旋發(fā)展加深;槽后負(fù)渦度平流使地面反氣旋發(fā)展,加大了地面氣壓場(chǎng)氣壓梯度,產(chǎn)生“梯度風(fēng)”。急流出口右側(cè),有很強(qiáng)的負(fù)渦度平流,使地面高壓加強(qiáng),產(chǎn)生“變壓風(fēng)”致使地面風(fēng)力加大,而且使地面冷鋒加強(qiáng),有利于冷空氣堆積;在大風(fēng)出現(xiàn)前地面冷鋒前是暖區(qū),而高空急流使地面高層冷平流加強(qiáng),逐漸導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定,鋒前暖區(qū)產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),鋒后冷區(qū)產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng),使鋒面斜壓性增強(qiáng)。

      5 結(jié)論

      ①此次寒潮天氣過程出現(xiàn)在烏拉爾山高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展并緩慢東移,歐亞中高緯環(huán)流形勢(shì)由緯向型向徑向型轉(zhuǎn)換過程,烏拉爾山高壓脊前偏北急流帶南移、橫槽西段的渦度明顯大于東側(cè)、槽前正渦度平流使橫槽前東南方產(chǎn)生負(fù)變高等促使橫槽轉(zhuǎn)豎;南下低渦與轉(zhuǎn)豎低槽合并向南加深,冷空氣勢(shì)力加強(qiáng)向南爆發(fā),造成此次寒潮天氣過程。

      ②850 hPa冷平流區(qū)向南擴(kuò)展速度比地面氣溫24 h負(fù)變溫區(qū)向南擴(kuò)展速度超前12 h左右,強(qiáng)盛冷平流是造成氣溫驟降的主要原因。

      ③300 hPa高空偏北急流軸左側(cè)風(fēng)速有氣旋性切變,右側(cè)有反氣旋性切變,加大地面氣壓場(chǎng)的氣壓梯度,產(chǎn)生“梯度風(fēng)”。出口右側(cè),有強(qiáng)的負(fù)渦度平流,使地面高壓加強(qiáng),產(chǎn)生“變壓風(fēng)”,使地面高層冷平流加強(qiáng)。高空槽前暖平流、槽后冷平流,暖區(qū)上升、冷區(qū)下沉,形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)。低層由冷區(qū)指向暖區(qū)水平運(yùn)動(dòng)和暖區(qū)上升運(yùn)動(dòng)構(gòu)成垂直方向上次級(jí)環(huán)流,其下沉支處于高空急流軸入口區(qū)左側(cè)下方,有利于高空急流的動(dòng)量傳遞到地面,在底層的水平運(yùn)動(dòng)(冷區(qū)指向暖區(qū))進(jìn)一步加大地面風(fēng)速。

      [1]李金田,張喜林.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)氣候資源與區(qū)劃[M].北京:科學(xué)普及出版社,2006:1-6.

      [2]許愛華,喬林,詹豐興,等.2005年3月一次寒潮天氣過程的診斷分析[J].氣象,2006,32(3):49 -55.

      [3]樊明,馮軍,尚學(xué)軍.“2011.4.19”寒潮天氣形成過程分析[J]. 氣象,2002,28(3):54 -57.

      [4]顧潤(rùn)原.內(nèi)蒙古自治區(qū)天氣預(yù)報(bào)手冊(cè)[M].北京:氣象出版社,2012:474-475.

      [5]鐘有萍,楊正國(guó).一次寒潮天氣過程的中期環(huán)流形勢(shì)分析[J].貴州氣象,1995,23(5):8-10.

      [6]陳謀,文日鳳.一次強(qiáng)寒潮天氣過程若干物理機(jī)制分析[J].貴州氣象,1999,19(1):11-14.

      [7]楊宏宇,吳華洪,鐘靜.2006年3月一次典型寒潮過程分析[J].貴州氣象,2006,30(5):24-26.

      [8]閆小利,余錦華,劉謙,等.河南省一次強(qiáng)寒潮天氣診斷分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2008,31(1):60 -65.

      [9]郭翠英,閆小利.2006年春季河南一次強(qiáng)寒潮天氣診斷分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2011,34(4):40 -45.

      [10]莫愛勰.2011年4月2日盧氏縣寒潮天氣成因分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2012,35(2):78 -82.

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