巴彥淖爾市一次寒潮天氣動(dòng)力機(jī)制分析

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.

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