2014年4月22日新疆寒潮天氣過程鋒面結構演變特征分析

孫淑芳，張廣興，李 曼

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；3.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002）

在中緯度，鋒面是重要的天氣系統。天山山脈高大陡峭，在中亞鋒面演變中扮演重要角色。目前，地形對鋒面影響的動力學問題在觀測、理論及數值模擬等方面的研究中取得了較大進展。國外的Bannon[1，2]利用準地轉、半地轉理論，討論了地形對鋒面鋒生、鋒消及移動的影響。Blumen[3]研究了地形對冷鋒鋒面移動的動力阻擋作用，發現冷鋒鋒面在山前減速，而在背風坡加速，被認為是鋒面過山模式的范式。Zehder和Bannon[4]直接在物理坐標中引入地形，數值求解半地轉方程，從而進一步改進了Bannon地轉動量近似條件下地形對鋒面影響作用的理論結果。Schumann[5]和Haderlein[6]用一個完全的淺水模式，克服了半地轉模式的缺點，進一步研究了地形對冷鋒移動及鋒生的影響作用。

Kalazhokov[7]利用一個線性邊界層模式，進一步討論邊界層摩擦對大氣鋒面垂直結構及環流分布的影響。Manton[8]、Egger[8]和 Morozovsky[10]等同樣利用一個二層淺水鋒面模式，在理論上研究邊界層摩擦對鋒面結構的影響。Welander[11]則考慮非線性、湍流摩擦共同作用對定常鋒面環流的影響。Dunst[12]利用一個完整的邊界層數值模式討論了邊界層過程對地面冷鋒結構特征的影響。Garratt[13]指出，要完整地研究低層鋒面系統結構動力學，必須同時考慮地形、邊界層的作用對鋒面系統的影響。

國內的談哲敏[14，15]利用一個有地形、邊界層摩擦作用的二層鋒面淺水模式，討論了地形、邊界層摩擦共同作用對冷暖鋒鋒面的結構形狀及環流分布的影響問題。呂克利[16]利用半地轉模式模擬了地形對冷鋒、暖鋒和錮囚鋒鋒生，基本氣流變化對冷鋒、暖鋒和錮囚鋒發展的影響。張熠[17]利用三維非靜力中尺度數值模式MM5模擬了干濕大氣條件下中緯度典型鋒面系統的生成與演變過程，重點討論地表拖曳對干、濕大氣中地面鋒結構、鋒生過程的影響作用。以上工作對天山準靜止鋒的研究提供了理論基礎和研究范式。

縱觀復雜地形鋒生動力影響和準靜止鋒結構特征的研究歷史，我國4種準靜止鋒研究最多的是梅雨鋒[18，24]，華南準靜止鋒[25，26]和昆明準靜止鋒[27]也有涉獵，唯獨天山準靜止鋒缺乏研究。究其特點，梅雨鋒和華南準靜止鋒的形成主要是冷暖氣團間的對抗形成，地形作用不大；昆明準靜止鋒的形成云貴高原地形起到了一定作用，相較于天山該地形就平緩了許多，是地形和冷暖氣團共同作用的結果。盡管前3種靜止鋒的形成機制各有差異，但其研究成果對天山準靜止鋒的研究積累了豐富的經驗。眾所周知，中亞是我國寒潮和強冷空氣入侵的關鍵區，新疆是寒潮強冷空氣天氣過程多發地區，當地的大氣科學工作者對此有大量的研究[28，34]。當冷空氣在中亞經過充分堆積，強而快速移動的冷鋒迎面遇到陡峭而復雜的天山，動力強迫顯著；天山兩側，冷熱干濕有別，熱力差異迥異，在此共同作用下產生強烈鋒生。在手工繪制地面天氣圖時，等壓線過于密集，常常難以全部一一繪出，而將若干等壓線匯集于一條鋸齒線中。在此獨特的動力及熱力條件下鋒面的空間結構和演變特征為何？是一個亟待研究解決的科學問題和業務難點，但研究很少。

1 資料

本文用經過審核的規范觀測資料作為天氣實況分析；用美國國家環境預報中心（NCEP）的NCEP-fnl資料（Derber[32]），每日4次，間隔6 h，水平分辨率為1°經度×1°緯度的再分析資料進行天氣形勢分析和物理量計算。

2 天氣形勢

2.1 天氣概況

2014年4月22日08時（北京時）開始，受西西伯利亞低槽南下影響，北疆各地、天山山區、哈密北部出現雨轉雪，伊犁河谷、阿勒泰、北疆沿天山、天山山區、哈密北部出現中到大雪，局部暴雪；北疆大部、東疆和南疆等地出現7級大風，部分地區極大風力9級以上，三十里風區陣風12級，百里風區陣風14級。東疆、南疆24個國家站出現沙塵暴，3個站出現特強沙塵暴；北疆大部降溫8～12℃，部分地區降溫12～15℃，局部降溫15℃以上，屬于典型的寒潮天氣。

2.2 500 hPa環流形勢

從500 hPa高空形勢（圖1a，1b，1c）上可以看到，2014年4月21日08：00歐亞范圍內為兩槽一脊的經向環流，東歐地區為高壓脊，整個西伯利亞地區為一深厚的低值系統，脊前冷空氣不斷南下堆積，低渦加深發展，中心值496 dagpm，并配有-36℃溫度閉合線。4月22日08：00，隨著歐洲脊向東南方向移動，推動西西伯利亞低槽迅速東移南下。與此同時，南支系統也比較活躍，中亞的咸海東北側有低槽活動，該低槽與東移南下的西西伯利亞北支低槽合并加深。槽后位于里海附近的脊與歐洲脊合并后向北發展。之后隨著該脊不斷發展東移，脊前冷空氣推動西西伯利亞低槽東移南下進入新疆，造成這次寒潮過程。

2.3 地面氣壓場

從地面氣壓形勢演變（圖1d，1e，1f）可以看出，2014年4月21日08：00，鋒面氣旋低渦在西西伯利亞，從氣旋伸出的冷鋒由西西伯利亞向西延伸至烏拉爾山中部。地面高壓位于烏拉爾山南段。同時，新疆的塔里木盆地為上次冷空氣入侵殘存的高壓。4月22日08：00冷鋒已經快速東移南下到中亞的里海至巴爾喀什湖一帶，冷高壓位于哈薩克丘陵，中心強度達到1032 hPa。由于受到500 hPa槽前動力減壓作用，新疆的準噶爾盆地和塔里木盆地氣壓迅速降低，形成低壓。4月23日08：00，冷鋒進入新疆北部的準噶爾盆地。高壓中心位于巴爾喀什湖北側，中心氣壓達到1040 hPa。同時塔里木盆地低壓進一步加深，中心氣壓下降為996 hPa，地面溫度升高。天山南北兩側反向的氣壓變化使得氣壓差進一步加大，差值達到44 hPa，同時溫差也加大，在天山山脈北麓冷鋒加強，由于天山的阻擋，冷空氣在山前堆積，使得鋒面在700 hPa以下高度移動緩慢，呈現準靜止狀態，時間達到6 h以上，進而形成天山準靜止鋒，在天山山脈南北兩側氣壓呈現南低北高的態勢，在氣壓梯度力的作用下，冷空氣經天山埡口翻山，風口風力達到極大值，在塔里木盆地形成強沙塵暴。

3 寒潮天氣過程鋒面系統演變特征

3.1 鋒面系統位溫和冷暖平流演變特征

圖1 天氣形勢

鋒面的經典定義由Bergen學派在20世紀20年代提出，認為鋒面是冷暖氣團之間的一個傾斜不連續截面，垂直于截面兩側除了氣壓外其他的氣象要素都是不連續的。在本文中采用等位溫（θ）密集傾斜區代表鋒面的方法，這也符合鋒面的經典定義。圖2是沿圖1d中的AB綠色線所做的西北東南向垂直剖面圖，貫穿鋒面和天山山脈。時間從2014年4 月 22 日 20：00—24 日 02：00，時間間隔 6 h 的等位溫和冷暖平流演變。鋒區用兩條粗紅實線表示，在鋒區外，θ線為水平方向分布，垂直梯度較大，水平梯度很小；在鋒區內等θ線呈垂直走向，垂直梯度很小，水平梯度卻很大，與鋒區外正好相反。22日20：00（圖2a）代表鋒面的等位溫線密集帶在巴爾喀什湖附近，鋒面較寬，向西傾斜，高度達到400 hPa。鋒區冷平流較強，越接近地面，冷平流越強。23日02：00（圖 2b）當鋒面接近天山，受天山山脈阻擋，山體以下，由于垂直于山體風速較小，而平行于山脈的溫差也較小，因此，冷平流減弱。同時，鋒面變窄變陡。23日14時700 hPa以下低層的冷空氣通過準噶爾盆地的東部天山山脈與阿爾泰山山脈之間的開闊地以及天山的埡口進入河西走廊。但在沿天山一帶，冷鋒卻停留在山前位置靜止少動，形成天山準靜止鋒。

3.2 鋒面系統溫度梯度演變特征

在中國的江淮流域和華南地區冷暖氣團移動的勢力旗鼓相當，進而形成穩定少動的準靜止鋒。中亞是寒潮強冷空氣爆發關鍵區，北疆是重要通道，每當冷空氣入侵，強度較大，移動速度快，缺乏同等勢力的暖氣團與冷氣團對抗進而形成準靜止鋒，只能是像天山這樣高大陡峭而且橫亙千里的地形阻攔而成。為此，取溫度梯度矢量的模繪圖。

3.2.1 溫度梯度水平演變特征

圖2 垂直剖面鋒面位溫和冷暖平流特征演變

從 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h海平面氣壓和溫度梯度演變（圖3）上可見，22日20：00當冷高壓中心位于咸海北側，冷高壓范圍東西方向從烏拉爾山南部一直延伸到了西西伯利亞，冷高壓攜帶的冷空氣東移南下的前鋒已經到了中國新疆北疆邊境線至哈薩克丘陵一帶，在此區域，溫度梯度出現大值區，呈帶狀分布，主要位于巴爾喀什湖到西伯利亞，在冷高壓與氣旋低壓之間，和冷鋒位置走向一致。同時在天山山脈西段也有一個溫度梯度大值區，主要是塔里木盆地低壓發展，天山兩側溫差增大，產生溫度梯度。溫度梯度最大值區域的分布與冷鋒鋒面一致，因此，可以用溫度梯度的這個物理量的大值區來追蹤冷鋒鋒面的演變。冷鋒的較北段位于巴爾喀什湖到哈薩克丘陵一線時，南段到達中亞南部。之后冷空氣率先進入伊犁河谷，而伊犁河谷北部的冷空氣翻越塔城盆地東側的阿拉陶山和薩烏爾山進入準噶爾盆地，從鋒面走向可以看到南段鋒面呈東西向與天山平行，位于準噶爾盆地的北段為南北向，與冷高壓等壓線平行，溫度梯度的大值區的分布亦如此。23日08：00，位于哈薩克丘陵的冷鋒北段由于沒有地形阻擋一直東移。進入準噶爾盆地的冷鋒在東移過程中遇到東天山的博格達山峰和阿勒泰山阻攔，移動速度減緩。而冷鋒南段停留在天山北坡，位置少動，在天山山區維持了24 h，呈現準靜止狀態，形成天山準靜止鋒。可以看到從22日20：00—23日20：00，在天山山脈北麓一致維持溫度梯度的大值區，呈現準靜止狀態維持了24 h。從溫度梯度的分布和演變來看，天山準靜止鋒是客觀存在的。

3.2.3 溫度梯度垂直剖面演變特征

沿圖1d新疆到烏拉爾山中段做垂直剖面，貫穿鋒面和天山山脈。2014年4月22日20：00—24日02：00每隔6 h的溫度梯度垂直剖面演變圖（圖4）上，22日20：00溫度梯度大值區與代表鋒面的位溫密集區寬度一致，高度達到700 hPa。6 h后的23日02：00，隨著鋒面接近天山，等θ線密集區變窄，溫度梯度大值區也變窄，高度伸展到了500 hPa。23日08：00時冷鋒到達天山，受天山大地形影響，在等位溫剖面圖上，等θ線與水平線的夾角變大，說明冷鋒增強，變窄，呈近似垂直狀態。同時，溫度梯度進一步增大，高度可達400 hPa。當冷鋒進一步東移南壓，溫度梯度大值區維持在天山山脈，位置少動。23日08：00時冷鋒到達天山，受山體阻擋，溫度梯度達到最大值，形成天山準靜止鋒。之后盡管天山靜止鋒仍然維持，但冷空氣的前鋒已進入河西走廊。溫度梯度最大區域變寬，擴展到青藏高原。

圖3 地面海平面氣壓和溫度梯度

4 寒潮天氣過程鋒面系統鋒生函數

鋒生是指鋒區內溫度或位溫梯度增強的運動過程，通常定義鋒生函數為：

引進矢量Q，其定義為：

上述（5）式表示鋒生函數是Q矢量與位溫梯度的點乘，采用這樣的表達式有一個好處就是可以用天氣學常用的Q矢量來計算鋒生函數F。當F＞0時鋒生；F＜0時鋒消。

4.1 鋒生函數水平演變特征

圖4 溫度梯度的垂直剖面

圖5 地面鋒生函數

從 2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的地面鋒生函數F演變（圖5）可見，22日20：00，冷高壓較南段的冷空氣到達中亞南部，遇到西天山和帕米爾高原，加之塔里木盆地的熱低壓發展，使得西段天山兩側位溫梯度增大，這里鋒生函數F為正，發生鋒生。之后冷空氣率先進入伊犁河谷，中天山山脈和鋒生函數也為正值，并且維持少動，呈現準靜止狀態。23日08：00，隨著冷空氣進入準噶爾盆地，鋒生函數F沿天山均為正值，位置少動，整個天山形成準靜止鋒。

4.2 鋒生函數垂直剖面演變特征

2014年 4月 22日 20：00—24日 02：00每隔6 h的沿圖1d的A-B連線的綠色實線做垂直剖面，在垂直方向展示鋒生函數F演變。22日20：00在天山的南坡由于熱力因素溫度梯度加大，相應的位溫梯度也增大，F為正值，此時鋒生。23日02：00，當冷鋒接近天山，在天山北坡由于降溫使得南北兩側溫差增大，進而使得位溫的梯度進一步增大，F為正值，此時鋒生。23日08：00冷鋒到達天山，位溫梯度達到最大值，鋒生也最強。23日14：00，不僅天山山區鋒生，而且天山山體上空的大氣層均形成窄而且陡峭的鋒生區，高度到達400 hPa。

5 結論

2014年4月22日新疆地區經歷了一次以強降溫，局部地區強降水，風口風力達到12級，南疆發生強沙塵暴的寒潮天氣過程。分析本次寒潮天氣過程發生時的環流形勢和冷鋒系統的演變特征，結論如下：

⑴500 hPa偏東位置的歐洲脊在暖平流的作用下快速發展；受其影響，西西伯利亞低槽東移加強，脊前冷空氣不斷南下堆積，低槽加深發展。隨著歐洲脊向東南方向移東，與南支的里海脊疊加，推動西西伯利亞低槽迅速東移南下影響新疆；與此同時，在西伯利亞鋒面氣旋發展旺盛，地面冷高逐步東移，冷空氣在入侵新疆的關鍵區堆積，形成強大的冷高壓，同時形成冷鋒。隨著冷空氣的進一步東移，天山南北兩側氣壓梯度和溫度梯度增大，冷鋒在天山北側加強，位置少動維持24 h，形成天山準靜止鋒。

圖6 鋒生函數垂直剖面

（2）在橫貫冷鋒和天山山脈的西北東南向的垂直剖面上，冷鋒表現為等位溫線密集分布帶。巴爾喀什湖附近地形平坦，鋒面向后傾斜明顯，與地面夾角為銳角。當接近天山，受大地形影響，冷鋒變強變窄，溫度梯度增強。當冷鋒到達天山山區，山體上空均為窄而陡峭的鋒生區，高度達到400 hPa。冷鋒近似垂直狀態，位置維持少動形成天山準靜止鋒面。當其進一步東移，低層受到天山山體阻擋，移動受阻，高層越過天山，鋒面在高低層一分為二，呈現斷裂狀態。