2018年華北寒潮天氣的強降溫及大風分析

王萬筠，盧煥珍，卜清軍，殷海濤

(1.天津市濱海新區氣象局 天津300457；2.天津市氣象臺 天津300074)

0 引 言

寒潮多指冬半年來自極地或高緯度地區的寒冷空氣向低緯度地區侵襲的過程，常伴有雨雪和大風天氣，對交通、電力以及畜牧業和農業都有很大影響。在全球變暖的氣候背景下，有研究表明[1-2]北半球低溫事件頻發。謝韶青等[2]研究了近 16年來歐亞大陸中緯度地區低溫事件頻發的原因后指出，1998年以來冬季西伯利亞高壓增強并向西北擴展，伴隨著歐亞大陸中緯度地區冬季北風增強，西風減弱，寒潮事件頻發且持續時間增長。段立瑤等[3]對環渤海地區寒潮時空分布及變化特征進行了分析，指出：在氣候變暖背景下，環渤海地區區域寒潮次數明顯減少，但特強寒潮即極端寒潮事件并未減少。2018年初春華北地區氣溫驟降，連續 2d出現了寒潮天氣，部分地區達到強寒潮的等級。

很多專家在寒潮的冷空氣源地、路徑、寒潮中短期環流演變形勢特征及影響系統等方面進行了很多深入的研究[4-8]。近年來，濕位渦作為綜合反映大氣動力、熱力和水汽作用的物理量，也被廣泛應用到暴雪以及冷空氣的分析中[9-13]，并得到了許多有價值的結論。王麗等[9]應用濕位渦理論分析了湖北省一次罕見寒潮天氣，發現濕位渦斜壓項的時空演變和強冷空氣的發展、移動、氣溫陡降有很好的對應關系。陸爾等[10]根據位渦分析揭示出 1991年 5～7月冷空氣主要從北方或東北方南下，從大氣低層進入我國江淮流域。紀策等[11]在分析昌吉地區一次春季強寒潮的強降溫成因中，利用等熵面上的高位渦帶來揭示強冷空氣的發展和移動。

2018年4月2～4日華北地區氣溫驟降，大部分地區連續2d出現了24h內最低氣溫下降8℃以上，部分地區最低氣溫降幅達到 12℃以上，伴有雨雪和大風天氣。按照冷空氣等級國家標準(GB/T 20484—2006)，此次華北地區的強降溫達到了寒潮的標準。多地出現晚霜凍以及低溫凍害，造成果樹及農作物等大面積減產或絕收。河北省部分地區的一些企業廠房和村民牛棚、雞舍、豬棚等被雪壓塌，部分房屋倒塌或嚴重受損，經濟損失達 3億元以上。山西省受低溫凍害及雪災影響，經濟損失也達 3億元以上，其中山西省古縣一地 1.53萬 hm2核桃減產 90%以上，0.067萬 hm2小麥、0.027萬 hm2中藥材、0.027萬hm2油用牡丹受到輕微凍害，67余hm2蘋果等果樹幾乎絕收。此次寒潮天氣過程降溫幅度大，影響范圍廣，受災嚴重。

在初春季節出現如此大范圍的寒潮乃至強寒潮天氣，極為少見。本文利用常規天氣觀測資料、NCEP再分析資料(水平分辨率 1°×1°)，分析了此次強寒潮過程的環流形勢，進行了物理量診斷，并利用濕位渦理論分析了強降溫和大風的原因。希望對今后寒潮過程的準確預報、預警和防災減災提供一些參考。

1 天氣實況及形勢分析

1.1 天氣實況

圖1 最低氣溫24小時變化和24小時內的大風區(17.2m/s以上)Fig.1 24-hour variation of minimum temperature and high wind(17.2m/s or more)area within 24hours

此次華北地區的寒潮天氣過程氣溫驟降，24h降溫幅度大，且連續 2d的降溫幅度都達到了寒潮的標準。從 4月 2日至 3日最低氣溫的 24h變化圖(圖1a)中可以看到，華北西北部 24h最低氣溫已經出現了大于 10℃的降溫，最低氣溫在-4～-8℃，達到了寒潮的標準(GB/T 20484—2006)。部分地區最低氣溫的降溫幅度在 10℃以上，達到了強寒潮的標準。其中最強降溫出現在內蒙古太仆寺旗，最低氣溫變溫達到 17℃。3～4日降溫持續(如圖1b)，此時華北中東部的大部分地區 24h最低氣溫下降 8℃以上，大部分地區最低氣溫降至 4℃以下。部分地區強降溫在 10℃以上，河北省中部固安、雄縣甚至降溫達到 12℃，天津市降溫也達到 11℃。選取天津北辰、河北固安、河北雄縣小時氣溫變化曲線來分析此次寒潮天氣的氣溫演變過程(如圖1c)，降溫由 2日08:00一直持續到 3日 22:00，從 2日白天最高氣溫接近 30℃一直降至 3日凌晨最低氣溫降至 0℃以下，最高最低氣溫之間的日變化幅度達 30℃左右。過程中降溫幅度較大的分為2個時段，一是2日白天10:00～16:00，二是 3日 06:00～20:00。此外一直到5日，華北地區氣溫都維持在10℃以下。冷空氣在影響了我國東部大部分地區的同時，自北向南多地出現了8級以上的大風(圖1a，1b)。

此次寒潮天氣影響范圍大，強度強，低溫持續影響時間長，降溫的同時還出現了雨雪大風的災害性天氣。本文對此次寒潮的極端性進行了初步探討，希望對今后華北地區寒潮過程的準確預報能夠提供一些定量化參考。

1.2 天氣形勢

圖2 500hPa高度場(單位：dagpm)和溫度場(陰影，單位：℃)：4月2日20:00高度場(單位：dagpm)、溫度場(陰影，單位：℃)及風場(單位：m·s-1)：Fig.2 Geopotential height(unit：dagpm)and temperature field(shadow，unit：℃)at 500hPa：

寒潮爆發前 500hPa(圖略)上，極渦在亞洲地區的冷中心位于薩彥嶺，冷中心值為-48℃。2日 20:00(圖2a)系統東移南下的過程中處于薩彥嶺至貝加爾湖地區的下坡地形，冷空氣南下東移中有所加強。3日 08:00(圖2b)中心值加強為-52℃，在鄂霍次克海地區形成閉合的冷渦。極渦在泰梅爾半島附近，中心略有減弱，而位置少動。在極渦和冷渦之間，薩彥嶺以東形成弱脊。冷渦向西南方向伸展出橫槽。此時的溫度槽明顯落后于高度槽。槽后的偏北氣流引導冷空氣向南爆發。700hPa冷中心達到-32℃，850hPa達到-24℃(圖2c、2d)。與天氣學原理中所提到的典型寒潮過程冷中心的強度相比，此次過程僅500hPa和 700hPa冷中心的強度達到了寒潮爆發的標準，850hPa冷中心的強度沒有達到華北地區常見的寒潮天氣爆發閾值。在實際預報中，常使用850hPa變溫來預報強降溫事件。在 2日 20:00 850hPa溫度在京津地區很高，達到 15℃，至 3日20:00，氣溫降至-3℃(圖略)。850hPa的24h變溫達到18℃，可以預報出地面將有8～10℃的降溫。

但是 4日 20時(圖略)，850hPa溫度為-7℃，3～4日24h變溫僅有4℃，而在實際預報中，也出現了華北東部寒潮的漏報情況。

地面圖中，2日 20:00(圖2e)地面冷高壓中心位于貝加爾湖以西，中心強度為 1040hPa，與天氣學原理中提到的典型寒潮過程相比，并沒有特別強。我國東部為低壓控制，東北地區以北以及華北地區東部分別有低壓中心。高低壓中間等值線非常密集。高壓前沿的冷鋒鋒面大致由東北地區東部經渤海延伸至我國河套地區。3日 08:00(圖2f)地面冷高壓中心東移南下，其東移12個經度左右，但南下不足5個緯度。冷空氣南下受阻，主要是因為其南側低壓倒槽影響。冷空氣東移后以回流形勢影響華北地區中東部，是典型的降雪天氣形勢。但是由于冷鋒的移動較為緩慢，而容易忽視寒潮天氣的發生。

因此僅從天氣形勢場上，無法判斷此次寒潮過程的強度，在預報方面還需要結合其他的條件進行進一步分析。

2 強降溫以及強風成因

根據朱乾根等著《天氣學原理和方法》，局地的溫度變化主要決定于溫度平流和非絕熱因子的作用。溫度平流主要考慮平流冷暖性質和強度；非絕熱因子包括輻射、水汽凝結、蒸發和地面感熱對氣溫的影響。從天津單站的溫度變化曲線(圖1c)上可以看到，降溫主要發生在 2日～3日，過程中降溫幅度較大的分為 2個時段，一是 2日白天 10:00～16:00，二是3日06:00～20:00。尤其是3日白天的輻射增溫并沒能抵消降溫的趨勢。2日夜間至3日由于降雪天氣影響，天空云量較多，不滿足晴空輻射降溫的條件?？梢娫诖舜谓禍剡^程中輻射的作用并不突出。

2.1 溫度平流

4月1日20:00，850hPa冷平流區出現在內蒙邊境，中心值超過-100×10-5℃/s，表明冷空氣之強(圖略)，冷平流呈帶狀分布。在高空偏北氣流的引導下，強冷平流帶向南移動。在 2日 08時(圖3a)，京津地區出現暖平流，中心值為 20×10-5℃/s，在 2日全天華北地區東部都受此暖平流影響，出現了日最高氣溫接近 30℃。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度。同時冷暖平流之間等值線非常密集，密集帶附近冷暖平流變化大，將會出現氣溫驟降，造成了 2日白天10:00至16:00較強幅度的降溫。

2日 08:00冷平流在東北地區還維持了超過-100×10-5℃/s的中心值，在內蒙古中西部的冷平流中心有所減弱。3日 08:00(如圖3b)東北地區的強冷平流區東移經渤?；亓髦寥A北東部，冷空氣采取東路影響華北東部。另一股冷空氣采取中路，經河套地區南下影響山西及河北西部。850hPa冷平流中心的位置變化，表明了冷空氣的移動路徑。兩股冷空氣在3日 08:00大范圍影響我國中東部地區的時候，中心值仍能維持在-60×10-5℃/s。冷平流的出現，受日變化的影響較小，3日的全天平流維持了較長的時間，造成了 3日 06:00～20:00較強幅度的降溫。一直到4日 14:00仍有-20×10-5℃/s的帶狀維持在華北地區。在天津預報員手冊中提到，850hPa冷平流強度低于-10×10-5℃/s的區域與日最低氣溫下降幅度在10℃以上的區域大體一致。與之相比，本次過程中華北地區 850hPa冷平流中心數值低于-60×10-5℃/s，說明冷空氣強度遠遠超過了歷史過程中統計的閾值。

圖3 850hPa溫度平流(單位：℃/s)Fig.3 Temperature advection at 850hPa(unit：℃/s)

強冷平流影響了華北大部分地區，且維持了較長時間，是此次強降溫的主要原因。而冷空氣影響華北之前出現的暖平流中心，對應了華北在2日白天異常的高溫。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度，使得這次強降溫最終達到了寒潮的等級。

2.2 變壓和氣壓梯度分析

冷空氣影響的同時，多地出現 8級以上的大風。風場與氣壓場的關系，一般符合地轉風、梯度風的原理。寒潮天氣影響帶來的大風，首先和寒潮地面冷高壓密不可分。在此次寒潮天氣的影響過程中，地面冷高壓中心僅達到 1040hPa，與天氣學原理中提到的典型寒潮過程相比，并沒有特別強。但是地面仍然出現了大范圍的大風。3日 08時，中國東部出現 19～23m/s的大風。從 3日 08時海平面氣壓場(圖4)上可以看到，我國中東部地區海平面氣壓場出現北高南低的分布形勢。內蒙以北為冷高壓，而華中地區為低壓。低壓中心強度達到1010hPa。華北一帶等壓線非常密集，氣壓梯度大(26hPa/10個經緯距)，梯度風大。而地面變壓場也可見，3日 08:00 24h變壓在華北地區最大達到16～18hPa，而東北地區更是達到了20hPa以上，變壓風在上述地區也很大。從 3h變壓和大風天氣區域的疊加來看，大風區主要發生在正變壓中心，也有部分站點在中心區域以外，但仍分布在正變壓區域之內。在梯度風和變壓風的共同作用下，造成了大范圍的大風天氣。

圖4 4月3日氣壓及變壓分析圖Fig.4 Pressure and Variable Pressure Analysis Chart on April 3

3 濕位渦診斷分析

吳國雄等[14-15]證明絕熱無摩擦的飽和濕空氣具有濕位渦守恒的特性，并在此基礎上提出傾斜渦度發展理論。濕位渦綜合表征了大氣動力和熱力屬性。濕位渦分為正壓項和斜壓項兩部分，其公式推導可參見文獻[13]。MPV1為濕位渦的正壓項，其值取決與空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當位溫垂直梯度的乘積。當大氣為對流不穩定時，MPV1＜0；若大氣為對流穩定時，MPV1＞0；MPV2是濕位渦的斜壓項，它的數值由風的垂直切變和 θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。風的垂直切變的增加或水平濕斜壓的增加，均能因濕等熵面的傾斜而引起垂直渦度的增長。位渦的單位為 PVU，1PVU＝10-6m2/s·k·kg。王麗等[9]在湖北省一次罕見寒潮天氣過程氣溫陡降分析中發現，濕位渦第二項濕斜壓項的時空演變很好地描述了冷空氣的發展、移動過程。大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，冷空氣鋒生越強，也會造成風力進一步加大。由于 MPV1絕對值往往比MPV2大 1～2個量級，所以 MPV的分布一般與MPV1一致。故可將濕位渦分為正壓項和斜壓項來分析，而不再分析MPV的分布。

3.1 濕位渦正壓項分析

大氣為對流穩定時，MPV1＞0，MPV1正值區標志著有穩定的干冷氣團影響。在 2日 02:00 850hPa MPV1分布圖上MPV1正值區位于內蒙古中部，中心值約為 5.2PVU。隨后正值區由西向東移動至河北省西北部。在08:00～14:00 MPV1正值中心數值減小，京津地區 MPV1值為零。對應了 2日白天的降溫并不是冷空氣直接影響造成的，而是2日白天的異常增溫所造成的溫差較大。2日 20:00(圖5a)上看到，850hPa有兩個大值中心，分別位于河北西北部和遼寧西部。在京津地區出現負值中心。華北地區中東部MPV1正值中心和負值中心成對出現。在冷空氣的前沿，由于鋒區的抬升作用，會加劇不穩定的發生，造成了這種正負中心成對出現的現象?！短鞖鈱W原理》中也提到，由于地轉偏差風輻合輻散的作用，鋒區附近形成垂直環流，這種鋒區垂直環流的作用，使得風力進一步加大。MPV1的等值線在華北東部非常密集，而這個地區也恰恰是地面鋒區所在位置。

MPV1的正值區往往會標志著較為穩定的冷空氣。隨后，遼寧西部的正值區向西南移動影響天津地區，而河北西北的正值區南下影響河北西部。MPV1正值區在一定程度上指示了冷空氣及其移動的路徑。3日 08:00～14:00(圖5b)，MPV1正值中心由2日夜間的 1.5PVU增大到 5PVU以上，也說明了3日的冷空氣強度再次加大，與華北地區3日的降溫較為一致。4日 08:00后正值區減弱并移出華北地區，標志著冷空氣對于華北地區的影響趨于結束。

圖5 850hPaMPV1和MPV2分布圖Fig.5 Distribution of MPV1 and MPV2 at 850hPa

3.2 濕位渦斜壓項分析

MPV2 是濕位渦的斜壓項，當 MPV2絕對值增大，大氣斜壓性加強。大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，冷空氣鋒生越強，也會造成風力進一步加大。在850hPaMPV2分布圖上，4月2日8:00有帶狀的負值區中心值由0PVU降低至-2PVU。系統東移過程中，14:00帶狀負值區西南部明顯減弱，東部東移至遼寧，中心再次加強到-2.8PVU。20:00(圖5c)帶狀負值區南壓，同時帶狀西部明顯西伸至天津地區，中心仍維持在-2.6PVU。MPV2維持大的絕對值，說明大氣斜壓性強，則等壓面上的等溫線越密集，將同時刻的 MPV2圖與海平面氣壓圖相比(圖5c與圖2e相比)，帶狀的負值區走向大致與地面冷鋒一致。將其與冷鋒位置相比發現，負值區等壓線密集帶與地面冷鋒的位置近似相同。同時20:00開始遼寧至河北北部一帶出現大范圍 17～19m/s的大風。3日14:00(圖5d)，MPV2負值區南下影響河北省南部地區，其等值線密集帶的前進方向一側，同樣誘發了17m/s以上的大風天氣。4日08:00以后，MPV2大的負值區有所減弱，同時密集帶消失，對比實況的大風區也同步消失。此次過程 MPV2負值區先東移后南下，可以清晰的描述冷空氣采取東路，由遼寧西部經渤海影響華北東部地區的過程。其數值的增大及維持，標志著大風天氣的產生。

3.3 濕位渦時間變化分析

利用站點附近單點的MPV1與MPV2的時間變化曲線與氣溫變化曲線進行對比分析，以北辰站為例(圖5e)。MPV1有3個明顯的波峰，而MPV2有3個明顯的波谷，兩者同步發生。MPV1的正值的增大標志著穩定的冷空氣增強，而 MPV2絕對值增大代表了大氣斜壓性加強。

2日白天強降溫時，MPV1與MPV2值均接近于0，是 2日白天的異常增溫所造成的溫差較大，而非強冷空氣造成。MPV1與MPV2的3個鋒值階段，對應的氣溫曲線上，在 3h后均可以分析出氣溫的降溫幅度更大。例如，2日 20:00開始 MPV1增大，而MPV2減小，在 3日 02:00達到鋒值，北辰地區的氣溫一路下降，但仍可以分析出 3日 05:00～14:00的降溫幅度更大。利用濕位渦來分析寒潮天氣時，MPV1與 MPV2其值的躍增，預示了冷空氣的影響，其提前量有3～6h。

4 結 論

本次寒潮天氣過程發生的天氣形勢場是橫槽下擺引導冷空氣南下，高空冷中心較強，500hPa達到-52℃。地面上蒙古冷高壓中心值達到 1040hPa。冷空氣東移南下，影響我國東部地區。

此次過程的強降溫的成因主要在于溫度平流以及水汽凝結和蒸發的作用。850hPa冷平流區中心值超過-60×10-5℃/s，遠超當地的歷史閾值。強冷平流維持了較長時間，是此次強降溫的主要原因。降溫之前的升溫，進一步加大了變溫的幅度。使得這次強降溫最終達到了寒潮的等級。

此次寒潮天氣的影響過程中，地面冷高壓中心僅達到 1040hPa，我國華北處于高低壓中間，等壓線非常密集，梯度風大。而地面 24h變壓達到 20hPa以上，變壓風在上述地區也很大。

MPV1正值區標志著有穩定的干冷氣團影響，可以指示冷空氣及其移動的路徑。MPV2帶狀的負值區走向大致與地面冷鋒一致，位置近似相同。此次過程MPV2負值區先東移后南下，可以清晰地描述冷空氣采取東路，由遼寧西部經渤海影響華北東部地區的過程。當 MPV2絕對值增大，大氣斜壓性加強，標志了大風天氣的產生。MPV1與 MPV2其值的躍增，預示了冷空氣的影響，其提前量有3～6h。