昌吉地區(qū)一次春季強寒潮天氣分析及數(shù)值模擬

紀 策，徐枝芳，彭 敏,,3，李澤椿，肖 昕

（1.昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100； 2.中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081;3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225;4.中國氣象局氣象中心，北京 100081;5.昌吉市氣象局，新疆 昌吉 831100）

寒潮是我國冬春季嚴重的災(zāi)害性天氣之一，是一種大規(guī)模的強冷空氣活動過程。寒潮天氣的主要特點是劇烈降溫和大風(fēng)，有時還伴有雨、雪、雨淞和霜凍等，會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、電力、人類健康等造成不利影響[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，寒潮所造成的損失不斷擴大。很多氣象工作者利用常規(guī)天氣資料和雷達等產(chǎn)品對寒潮天氣進行了深入研究[2-7]，研究表明由于地面強冷空氣侵入暖槽和高空冷平流下傳以及地面自西向東發(fā)展的降水所致氣溫陡降，西伯利亞大低壓發(fā)展盤踞造成強冷空氣源，低壓南壓和橫槽的形成是爆發(fā)寒潮的前提條件，多普勒天氣雷達上0℃層亮帶高度的迅速下降，可作為從雨向雪轉(zhuǎn)換的判據(jù)之一。通過物理量的診斷分析[8-10]，發(fā)現(xiàn)強的冷平流是氣溫驟降的主要原因。中高層偏西急流與近地面風(fēng)場輻合形成的垂直環(huán)流為降雪提供必要的動力條件，鋒生函數(shù)分析表明強降溫的區(qū)域、寒潮的路徑和起始時間與其中心變化有很好的對應(yīng)關(guān)系。然而我國幅員遼闊，氣候條件差異很大，寒潮過程特點各不相同。特別是在氣候變暖的大背景下，我國寒潮特征也發(fā)生了改變[11]。因此對于寒潮及寒潮天氣的研究仍然是近期乃至今后研究的重點。

近年來對于新疆的寒潮研究也取得了一定的進展[12-17]，造成強降水的原因是西方冷空氣與中亞南支槽東移北上的暖濕氣流在伊犁河谷、天山山區(qū)和新疆北部沿天山一帶匯合，并配合動力作用和水汽條件共同形成的。中低層強冷空氣先行入侵，在哈薩克丘陵附近形成鋒生冷鋒，在快速入侵新疆的過程中與干熱的下墊面接近，導(dǎo)致新疆北部出現(xiàn)劇烈降溫及不同程度的大風(fēng)沙塵天氣；冷鋒進入后在天山山脈北側(cè)形成寒潮靜止鋒，由于高空后傾的干冷空氣不斷侵入，再次出現(xiàn)鋒生過程，導(dǎo)致新疆北部沿天山及天山山區(qū)的持續(xù)降溫及大到暴量的雨轉(zhuǎn)雪過程。張俊蘭[18]等對新疆北部寒潮天氣進行了環(huán)流和區(qū)域分型并根據(jù)季節(jié)、各高度層鋒區(qū)強度、冷空氣的主要特征等提出了預(yù)報概念模型和主要預(yù)報指標。雖然新疆寒潮天氣的研究較多，但是對其等熵位渦診斷分析較少，對強冷空氣的源地和強冷空氣的活動預(yù)報不夠精準。春季是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵時節(jié)，寒潮造成的危害更嚴重，而目前對春季的強寒潮天氣過程的數(shù)值模擬也較少。本文使用WRF模式，利用常規(guī)天氣觀測資料和再分析資料FNL，采用天氣動力學(xué)和熱力學(xué)診斷分析方法，對2014年4月20—24日寒潮天氣過程進行分析和總結(jié)，著重分析局部地區(qū)暴雪和大風(fēng)的原因，提煉指標特征，為今后寒潮天氣的預(yù)警和防御提供參考依據(jù)。

1 天氣實況

2014年4月23日02時（北京時間，下同）—24日10時，昌吉地區(qū)出現(xiàn)了春季一次大范圍寒潮天氣過程，日最低氣溫下降幅度普遍7～12℃；同時各地出現(xiàn)了6～9級西北風(fēng)；中西部出現(xiàn)了大雨、大雪或者雨轉(zhuǎn)雪，山區(qū)局地為暴雪，其中瑪納斯為大雨（12.4 mm），天池（22.6 mm）、木壘（14.2 mm）為暴雪；山區(qū)積雪深度明顯增加，達到7～18 cm。

2 寒潮天氣形勢分析

此次寒潮天氣是在歐洲高壓脊東南衰退、西西伯利亞低槽東南下進入新疆爆發(fā)的大尺度環(huán)流背景下出現(xiàn)的。在500 hPa高空，21日隨著歐洲高壓脊發(fā)展，脊前北風(fēng)帶建立并加強；西西伯利亞低槽東移南下加深，22日08時歐洲高壓脊快速東移南下，脊減弱，西西伯利亞低槽繼續(xù)加深，22日20時西西伯利亞低槽南端已南伸至40°N，23日08時（圖1a），主導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生了替換，西西伯利亞低槽分成兩段，北段沿巴爾喀什湖北部東移，南段向南加深，槽后脊前的偏北風(fēng)帶也隨之東移并出現(xiàn)南壓；24日08時（圖1b），南段繼續(xù)向南加深并切渦于新疆北部東北部，低槽南伸至35°N附近。

在700 hPa上，從21日20時開始，巴爾喀什湖以西的附近區(qū)域T-Td維持在5℃附近并逐漸減小，到22日08時減小到1～2℃。說明強降水發(fā)生前，大氣變得接近飽和程度，空氣中的水汽條件變得非常有利于降水。同時從23日08時—24日08時700 hPa圖上發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向從偏南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)速逐漸增大至16m/s，演變成為低空急流。此時低空急流的出現(xiàn)，為暴雪的發(fā)生提供了足夠的抬升動力。24日20時，位于里海以北的低槽加深，巴爾喀什湖地區(qū)高壓脊加強推動低渦快速東移至貝加爾湖地區(qū)，強冷空氣對昌吉地區(qū)影響結(jié)束。

21日08時（圖1c），寒潮高壓始于巴倫支海，呈南北向分布，南北跨度達20個緯度,南北依次有2個1030 hPa高壓中心。22日08時，地面冷高移速緩慢，中心已加強至1035 hPa，位于里海北部和烏拉爾山西部，依然是南北向分布。22日20時地面冷高南壓至咸海北部，中心值達到1 033.8 hPa，高壓底部軸向由南北向轉(zhuǎn)為東西向。

圖1 500 hPa位勢高度、溫度場和地面氣壓場

圖2 320 K等熵面位渦（單位:PVU）分布特征

23日08時（圖1d），地面冷高快速向南加強堆積，中心值達到1040 hPa，冷空氣實力明顯加強并開始向南爆發(fā)。23日11時，冷高在東移到巴爾喀什湖北部時，受到不斷沿北風(fēng)帶南下的極地冷空氣補充，已加強至1 040.2 hPa。

至此，500～850 hPa高空低槽、地面冷鋒和從歐洲沿岸沿西北路徑東南下的地面冷高壓是本次寒潮的主要影響天氣系統(tǒng)。

3 天氣成因

3.1 強降溫成因

等熵面上的位渦分布對應(yīng)著一定的氣流結(jié)構(gòu)，高位渦對應(yīng)著氣旋性環(huán)流，其分布一般是高緯度大于低緯度，高層大于低層；等熵面上等壓線與風(fēng)場的配置能夠表示冷暖平流效應(yīng)，等熵位渦的密集帶表示動力對流層頂?shù)奈恢?，它也是對流層頂斷裂帶，其北?cè)是平流層低層的高位渦空氣，南側(cè)是對流層內(nèi)的低位渦空氣，代表著冷暖空氣的對峙和交綏[19-24]。本文選取320 K等熵面進行分析研究，通過跟蹤位渦異常區(qū)（位渦高值區(qū)）來追蹤大氣擾動情況，跟蹤天氣的變化。

由于取的等熵面較高，并且平流層低層的平均位渦超過4 PVU，所以用4 PVU表示高層強冷空氣范圍。這次強寒潮過程的高位渦強冷空氣可以向前追蹤到23日02時（圖2a）。23日高位渦主體位于45°N以北，新疆北部國境線附近出現(xiàn)了等熵位渦等值線密集區(qū)，代表冷暖空氣對峙，并向新疆北部東側(cè)伸展，高位渦中心值達到8 PVU。23日08時（圖2b）高位渦中心南段進入新疆偏西偏北地區(qū)，并與高緯度高位渦帶切斷為南北兩段。之后23日14時（圖2c），高位渦帶南段出現(xiàn)3個高位渦中心分別是C1、C2、C3，C2和C3在新疆北部地區(qū)加強，并南壓至42°N，中心值超過9 PVU，同時蒙古地區(qū)出現(xiàn)一新的高位渦帶C1。北側(cè)高緯度高位渦主體C1維持，其東北側(cè)不斷有高位渦C4強冷空氣補充輸入，C2和C3合并為高位渦帶C，并于24日02時（圖2d）到達昌吉地區(qū)，并引導(dǎo)極區(qū)高位渦強冷空氣向中國大范圍侵入。

22—23日高位渦強冷空氣不斷從北部切斷并移到巴爾喀什湖附近，之后23日高位渦強冷空氣在寒潮關(guān)鍵區(qū)堆積加強，在其東北側(cè)不斷有高位渦強冷空氣補充輸入；24日移到昌吉地區(qū)，并引導(dǎo)極區(qū)高位渦主體冷空氣向昌吉地區(qū)爆發(fā)。

3.2 大風(fēng)成因

3.2.1 垂直速度分布

23 日 02:00（圖 3a）起風(fēng)前，45°N 以北有上升氣流，且500 hPa附近存在一個上升速度的極大值區(qū)，45°N以南和48°N以北地區(qū)有下沉氣流一直達到對流層頂部。

23日14:00（圖3b）受高壓影響，昌吉地區(qū)在加壓，此時垂直運動分布出現(xiàn)明顯反轉(zhuǎn)。隨著動量下傳的加大，44°～46°N出現(xiàn)很強的下沉氣流，且下沉氣流高度較低在500 hPa以下。44°N以南上升氣流區(qū)逐漸接地，并且主體強度加強范圍增大，而42°～44°N正是地面大風(fēng)集中爆發(fā)的區(qū)域。配合風(fēng)場來看，200 hPa以上為平直西風(fēng)，但300～500 hPa風(fēng)速有明顯增大，下沉氣流區(qū)風(fēng)向逐漸由西南風(fēng)順時針旋轉(zhuǎn)，到達低層時基本轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，該下沉氣流向南傳遞，一直延伸到低緯上升氣流區(qū)的下部。

3.2.2 散度垂直分布

由圖4給出的4月23日散度垂直分布可見，23日02時（圖4a）在大雨中心上空是深厚、旺盛的對流，大雨中心區(qū)（86°～88°E）對流層低層是強輻合區(qū)，對流層中上層是強輻散區(qū)，伸展高度達500 hPa，這種低層強輻合高空輻散結(jié)構(gòu)，為中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展提供動力條件。大雨中心區(qū)有強的上升氣流向東輸送，在90°E附近有弱下沉運動，從而形成一單圈直接環(huán)流。08時（圖4b）受地形影響輻合區(qū)發(fā)生后傾，輻合區(qū)東移至95°E。14時（圖4c）輻合區(qū)范圍持續(xù)增大，中心強度超過-15×10-7s-2。24日02時（圖4d）在100～200 hPa顯示出明顯的對稱性結(jié)構(gòu)特征，在對流層頂 85°～94°E 散度呈現(xiàn)“-+-+”，在下層為相反呈現(xiàn)“+-+-”，此時木壘站出現(xiàn)暴雪。

4 數(shù)值模擬

從動力學(xué)角度看，大氣運動具有明顯的多尺度特征，而中尺度對流系統(tǒng)更強調(diào)其自身的運動特征，其發(fā)展的規(guī)律更加復(fù)雜。因此，長期以來，對中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機理還缺乏更深入的了解，對這類系統(tǒng)的天氣預(yù)報也就比較困難。近年來，氣象學(xué)者們利用數(shù)值模擬方法解決中尺度對流系統(tǒng)預(yù)報中存在的不確定性，并取得了大量有意義的成果[25-28]。

4.1 試驗設(shè)計

圖3 起風(fēng)前后高空急流區(qū)88°E剖面U-V合成風(fēng)場與垂直速度（圖中為填色部分，單位:Pa/s）分布

圖4 過東部暴雪中心區(qū)經(jīng)向帶（80°～100°E）散度（單位:10-7s-2）緯向平均的經(jīng)向垂直剖面

利用WRF3.7模式對此次天氣進行了高分辨率模擬，模擬時段為2014年4月23日02時—24日02 時。模擬初始場和邊界條件由 FNL（1°×1°）的格點資料（間隔 6 h）形成，模擬區(qū)域中心（44°N，88°E）采用三層雙向嵌套，由外到內(nèi)各區(qū)域格點數(shù)分別為120×115，112×118，109×109，水平分辨率分別為 27、9、3 km，垂直方向為30個層，三層嵌套分別采用分辨率為10、2 m和30 m地形數(shù)據(jù)，時間步長分別為81、27、9 s，模式層頂為 100 hPa。模擬區(qū)域采用物理方案主要包括WSM 3微物理方案、RRTM長波輻射方案、Noah陸面過程方案、淺對流Kain-Fritsch（new Eta）方案以及YSU方案，Monin-Obukhov方案，考慮地面通量、云的影響和雪蓋效應(yīng)。

為了評估地形在本次寒潮災(zāi)害形成過程中的作用，通過保持與改變模式地形的方法，對這次過程分別進行了3 km模擬?？刂圃囼灡３帜Ｊ皆械匦尾蛔?，并采用前述物理參數(shù)化方案。敏感性試驗中將原有地形降低了原有地形的30%，然后采取與控制試驗同樣的各類參數(shù)化方案重新模擬。圖5是兩組試驗的地形高度分布。

4.2 地形在局地暴雪過程中的作用

對比兩者模擬的降水落區(qū)與強度，分析天山山脈對天池降水的作用：在原地形上模擬，降水的分布明顯呈與地形平行的帶狀（圖6a），降水中心在天池出現(xiàn)，中心降水量達到13mm。模式準確地模擬出降水中心，但是降水量偏少9mm。從（圖6b）中可以看出，降低地形后，小雪以上量級的面積減小，天山地形的抬升作用減弱所引起的降水量變小。

4.3 控制試驗對風(fēng)場的模擬

在模擬的10m風(fēng)場上可以發(fā)現(xiàn)，模式較好地模擬出了大風(fēng)發(fā)生前及發(fā)生時的大氣背景場。大風(fēng)發(fā)生前（圖7a），昌吉地區(qū)西部開始有西北風(fēng)進入，在中東部以偏南風(fēng)為主，西北風(fēng)和偏南風(fēng)在88°～90°E匯合形成輻合帶。大風(fēng)發(fā)生時（23日08時，圖7b）昌吉地區(qū)為西北風(fēng)，急流中心快速東移南下，強度不斷加強。23日14時風(fēng)速大值區(qū)面積增大，在43°N附近低層強西北風(fēng)急流向山脈輻合，造成暖濕氣流在天山迎風(fēng)坡強烈爬升，是暴雪發(fā)生的觸發(fā)機制。24日02時，風(fēng)速明顯減小，大風(fēng)結(jié)束。

圖5 3 km模擬兩組試驗的地形高度（a為控制試驗，b為敏感性試驗）

圖6 3 km模擬的23日02時—24日02時累積降水量的變化

4.4 控制試驗對物理量垂直結(jié)構(gòu)的模擬

物理量分析方面，圖8a、8b分別是U、V分量風(fēng)速，最明顯的差異在于U分量在200 hPa的急流為帶狀，而V分量風(fēng)速最大到25 m/s左右，最大風(fēng)速帶為橢圓狀，中心在300～400 hPa，最大的風(fēng)速出現(xiàn)在23日08時；垂直速度（圖8c）23日05—11時表現(xiàn)為中低層上升運動，高層下沉運動，為暴雪提供有利的動力條件；相對濕度（圖8d）在23日02—11時濕層較厚，一直延伸至300 hPa都是相對濕度大于50%，最大相對濕度出現(xiàn)在23日05—08時，600 hPa以下的相對濕度基本＞90%，為暴雪提供有利的水汽條件。

5 結(jié)論

圖7 9 km模擬的10 m風(fēng)場

圖8 3 km逐小時模擬的沿暴雪中心天池附近（44°N，88°E）物理量時間垂直分布

本文首先分析了昌吉地區(qū)春季強寒潮過程的形勢場背景、等熵面位渦、垂直速度、散度和水汽輸送通道特征，然后使用WRF3.7模式研究了地形對暴雪和大風(fēng)影響，得到以下結(jié)論：

（1）2014年4月20—24日寒潮天氣過程出現(xiàn)在歐洲高壓脊東南衰退、西西伯利亞低槽東南下進入新疆爆發(fā)的大尺度環(huán)流背景。

（2）這次強寒潮過程的高位渦強冷空氣來自歐亞北部和北極地區(qū)的平流層下部和對流層上部。

（3）地面強烈加壓，作為補償，在地面大風(fēng)區(qū)下游出現(xiàn)上升氣流，由垂直環(huán)流加劇近地面大氣水平運動，從而引起大風(fēng)過程，并且高空風(fēng)向與地面風(fēng)向存在交角。

（4）低層強西北風(fēng)急流向山脈輻合，造成暖濕氣流在天山迎風(fēng)坡強烈爬升，是暴雪發(fā)生的觸發(fā)機制。通過地形敏感性試驗結(jié)果表明，天山地形的抬升作用減弱所引起的降水變小。

由于昌吉地區(qū)寒潮的復(fù)雜性，對寒潮過程的特征還需要分析更多的個例，并通過一些數(shù)值的資料同化試驗開展深入研究，總結(jié)一些對預(yù)報有指示意義的特征和指標，這將是下一步需要開展的工作。

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