隆冬季節(jié)四次低溫天氣成因?qū)Ρ确治?/h1>
2021-03-24 11:41:08李樹(shù)嶺孟瑩瑩
黑龍江氣象 2021年4期 關(guān)鍵詞：風(fēng)速
李樹(shù)嶺 ，趙 玲 ，孟瑩瑩 ， 龐 博 ,付 雯
（1.哈爾濱市氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030;3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030）
1 引言
以往關(guān)于低溫與環(huán)流形勢(shì)關(guān)系的研究，多從月、季時(shí)間尺度進(jìn)行研究[1-3]，而從中短期預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)行低溫預(yù)報(bào)方法的研究較少， 且多以烏拉爾山阻塞高壓、冷空氣路徑、冷平流和地面冷高壓對(duì)地面低溫的影響研究為主[4-6]。 不過(guò)也有個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力小有利于夜間輻射降溫， 以及大氣穩(wěn)定度或逆溫對(duì)地面氣溫變化有重要影響[6-8]。 2020年年末至2021年1月中旬， 中國(guó)中東部地區(qū)接連受低溫或寒潮天氣影響， 不斷有最低氣溫突破當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠?lái)氣溫極低值的報(bào)告，給人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，黑龍江省多地氣溫也刷新了2020年入冬以來(lái)的最低值記錄， 其中 2020年12月26日到 2021年1月2日“跨年”低溫對(duì)黑龍江省影響相對(duì)較重。
本文利用實(shí)況觀測(cè)資料和物理量診斷資料，對(duì)黑龍江省此次低溫天氣以及2001年1月上旬到中旬初、2013年1月上旬、2018年1月下旬低溫時(shí)段的天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)比分析， 總結(jié)出一些低溫天氣的中短期預(yù)報(bào)思路和預(yù)報(bào)依據(jù)， 供預(yù)報(bào)員在日常業(yè)務(wù)中參考應(yīng)用。
2 四次低溫天氣實(shí)況
在本次研究中， 選取2001年1月上旬到中旬初低溫時(shí)段為個(gè)例1， 選取2013年1月上旬低溫時(shí)段為個(gè)例2，選取2018年1月下旬低溫時(shí)段為個(gè)例3，選取 2020年12月26日到 2021年1月2日低溫時(shí)段為個(gè)例4，其中在這四個(gè)低溫個(gè)例中多數(shù)站點(diǎn)的日最低氣溫分別在 2001年1月11日、2013年1月8日、2018年1月23日以及 2020年12月28日的早晨達(dá)到最低。
在四個(gè)低溫天氣個(gè)例中， 從低溫的強(qiáng)度和低溫的范圍以及低溫持續(xù)時(shí)間看， 前三個(gè)個(gè)例的低溫明顯強(qiáng)于第四個(gè)。 前三個(gè)個(gè)例持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)，范圍大，其中個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 第二強(qiáng)，個(gè)例2 第三強(qiáng)。
個(gè)例3 最強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部、哈爾濱北部、 佳木斯東部， 其中呼中最低氣溫-47.7℃、漠河-45.2 ℃、嘉蔭-44.9 ℃、慶安-43.4 ℃、烏伊嶺-43.1 ℃、五大連池-42.5 ℃、訥河-41.1 ℃、撫遠(yuǎn)-41 ℃，綏棱-41 ℃，加格達(dá)奇-40.2 ℃、延壽-40.1 ℃，均為這四個(gè)個(gè)例中當(dāng)?shù)貧鉁氐淖畹椭担?撫遠(yuǎn)等個(gè)別站點(diǎn)接近或突破有記錄以來(lái)的極低值記錄。
個(gè)例1 第二強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化、哈爾濱北部，其中呼中-44.4 ℃，嫩江-43.9 ℃（突破歷史極低值記錄），伊春、拜泉、通河-42 ℃左右。
個(gè)例2 第三強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)主要分布在大興安嶺、黑河、伊春三個(gè)地區(qū)，且最低氣溫高于第二個(gè)個(gè)例和第三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例4 最弱。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)僅分布在大興安嶺北部。 部分站點(diǎn)雖然達(dá)到2020年入冬以來(lái)的最低值，但是沒(méi)有站點(diǎn)突破歷史極低值記錄。
3 中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
3.1 500 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度
在500 hPa 高度場(chǎng)上（圖1），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫較強(qiáng)時(shí)，黑龍江省上空的冷空氣強(qiáng)度不同，等高線與等溫線交角小。 亞洲中高緯都是西高東低的環(huán)流形勢(shì)，但是位相略有差異。在個(gè)例1和個(gè)例3、個(gè)例4 中，伸向極地或較高緯度的高壓脊偏西，位于烏拉爾山地區(qū)，個(gè)例2 中的高壓脊位于中亞地區(qū)。
圖1 亞洲中高緯500 hPa 位勢(shì)高度/dagpm（實(shí)線）、溫度/℃（虛線）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）（a）2001年1月11日 08時(shí) （b）2013年1月8日 08時(shí) （c）2018年1月23日 08時(shí) （b）2020年12月28日 08時(shí)
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 500 hPa，主體冷空氣位于黑龍江省及其以北的俄羅斯區(qū)域， 全省500 hPa 氣溫低于-44 ℃，其中中西部低于-46 ℃，-49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部， 在高度場(chǎng)上則對(duì)應(yīng)是一個(gè)閉合等高線為496 dagpm 的冷渦，中心強(qiáng)度＜492 dagpm。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 500 hPa， 主體冷空氣位于鄂霍茨克海上，與東亞大槽相伴，中心強(qiáng)度低于-44 ℃，黑龍江省位于槽后，冷空氣最強(qiáng)處位于黑龍江省北部?jī)H為-40 ℃左右，弱于其它三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 500 hPa，主體冷空氣從西伯利亞向東南移入黑龍江省，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)； -49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部，相應(yīng)的有范圍較大的閉合等高線為496 dagpm 的冷渦位于黑龍江省北部及其以北的俄羅斯區(qū)域， 中心強(qiáng)度＜492 dagpm 。 冷渦和冷中心的強(qiáng)度、位置與個(gè)例1 接近，但是范圍比個(gè)例1 明顯偏大。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 500 hPa，-44 ℃冷空氣中心位于貝加爾湖到黑龍江省北部以及鄂霍茨克海，鄂霍茨克海上有＜496 dagpm 的冷渦與之配合，其橫槽向西經(jīng)過(guò)黑龍江省伸至貝加爾湖以西， 伴隨著烏拉爾山高壓脊東移、 橫槽轉(zhuǎn)豎， 冷空氣向南爆發(fā)。
低溫強(qiáng)度排前2 位的個(gè)例1 與個(gè)例3，500 hPa冷空氣中心強(qiáng)度接近，且均位于黑龍江省北部。 對(duì)應(yīng)在黑龍江省都有較強(qiáng)的冷渦控制， 并有冷中心與冷渦幾乎重合， 表明冷渦與冷空氣幾乎發(fā)展到了最強(qiáng)階段。個(gè)例3 低于-48 ℃的冷中心的范圍明顯大于個(gè)例1，冷空氣總體強(qiáng)于個(gè)例1。 冷空氣強(qiáng)度的這種差別與地面最低氣溫的差別表現(xiàn)一致。個(gè)例2和個(gè)例4在環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上明顯與個(gè)例1和個(gè)例3 不同， 冷渦位于鄂霍次克海上， 黑龍江省上空不是冷渦而是高空槽，冷空氣強(qiáng)度也較弱，尤其是個(gè)例2 的中層冷空氣強(qiáng)度最弱。 冷空氣的這些特征可以解釋個(gè)例3 是低溫強(qiáng)度最強(qiáng)的原因，也可以解釋個(gè)例1、個(gè)例3 的低溫強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，但是不能解釋個(gè)例2的低溫強(qiáng)度為什么明顯強(qiáng)于個(gè)例4。
分析四個(gè)低溫天氣過(guò)程亞洲中高緯500 hPa 平均高度場(chǎng)和距平場(chǎng)（圖略）特征，發(fā)現(xiàn)均為西高東低和北高南低環(huán)流形勢(shì)，即具有北極濤動(dòng)（AO）的負(fù)位相特征。 這個(gè)分析結(jié)果與文獻(xiàn)[1-3]對(duì)北極濤動(dòng)和烏拉爾山阻塞高壓與北方地區(qū)氣溫變化的關(guān)系的研究結(jié)果一致。 烏拉爾山和極地暖空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)，正高度距平中心強(qiáng)度≥15 dagpm，而西伯利亞地區(qū)南部冷空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)， 負(fù)高度距平中心強(qiáng)度≤-10 dagpm。
3.2 850 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
在850 hPa（圖2），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫最強(qiáng)時(shí)有兩個(gè)共同點(diǎn)， 一個(gè)是黑龍江省都位于高空槽或高空冷渦后部的西北氣流里， 另一個(gè)是黑龍江省上空都有冷中心。 冷中心落后于高空槽，等高線與等溫線有一定的交角，以冷平流為主。 黑龍江省西北部等溫線稀疏，冷平流較弱甚至有弱暖平流或冷平流。每個(gè)個(gè)例的冷空氣強(qiáng)度以及在東部和南部的等溫線稀疏程度和冷平流強(qiáng)度不同。
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 850 hPa，黑龍江省在低于-32 ℃的冷空氣控制中，中部大部地區(qū)冷空氣強(qiáng)度低于-34 ℃，中心強(qiáng)度為-37 ℃，冷空氣較強(qiáng)。 等溫線稀疏，風(fēng)力8-10 m·s-1。東部地區(qū)冷平流明顯，中西部地區(qū)溫度平流較弱。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 850 hPa，黑龍江省在低于-20 ℃的冷空氣控制中，冷空氣強(qiáng)度較弱，中北部地區(qū)低于-28 ℃，僅在大興安嶺南部、黑河北部較小的范圍內(nèi)低于-30 ℃。 等溫線稀疏，風(fēng)力 6-8 m·s-1，溫度平流較弱。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 850 hPa，冷中心在黑龍江省北側(cè)的俄羅斯境內(nèi)， 中心強(qiáng)度接近-39 ℃。黑龍江省大部在低于-30 ℃的冷空氣控制中，其中大興安嶺地區(qū)冷空氣強(qiáng)度-34 ℃左右。東南部地區(qū)等溫線相對(duì)密集，冷平流明顯；西部和北部地區(qū)等溫線稀疏，風(fēng)力多為4-6 m·s-1，有弱冷平流。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 850 hPa， 黑龍江省北部地區(qū)低于-28 ℃，其中大興安嶺地區(qū)上空有低于-32-（-30） ℃的冷中心，等溫線稀疏，有弱暖平流或零平流。 黑龍江省中南部地區(qū)位于冷鋒鋒區(qū)中，溫度為-28-（-20） ℃， 等溫線在四個(gè)個(gè)例中最為密集。風(fēng)力在四個(gè)個(gè)例中最大（12 m·s-1左右）。個(gè)例4 在黑龍江省中南部地區(qū)的冷平流在四個(gè)個(gè)例中強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大。 12月29日，冷空氣進(jìn)一步東移南下，全省850 hPa 溫度低于-28 ℃，雖然冷空氣和冷平流較強(qiáng)，但是由于西北風(fēng)風(fēng)力較大，熱量湍流交換強(qiáng)，地面降溫幅度較小。
綜上所述， 黑龍江省低層冷空氣強(qiáng)度個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 次之，均強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，可以解釋個(gè)例1和個(gè)例3 的低溫比個(gè)例2和個(gè)例4 強(qiáng)。 但是，個(gè)例2 與個(gè)例4、個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度并不完全對(duì)應(yīng)。
3.3 海平面氣壓場(chǎng)與低溫程度的關(guān)系
四次低溫天氣過(guò)程中最低氣溫較低時(shí)對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)（圖3）也有共同特點(diǎn)，即黑龍江省除大興安嶺地區(qū)外均位于冷高壓前部的偏北氣流中， 等壓線稀疏，風(fēng)力小，湍流弱，有利于夜間晴空輻射降溫，形成近地面或低層較強(qiáng)的逆溫， 從而形成較強(qiáng)的低溫天氣。 可以認(rèn)為，海平面氣壓場(chǎng)上這種冷高壓前部較稀疏的等壓線分布特征是有利于形成低溫天氣。
綜合分析發(fā)現(xiàn)冷高壓強(qiáng)度以及黑龍江省海平面氣壓值的高低與最低氣溫值大小沒(méi)有呈反比等對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，個(gè)例3 與個(gè)例4 的冷高壓位置接近，其中心強(qiáng)度均較強(qiáng)， 尤其是個(gè)例4 無(wú)論是冷高壓中心強(qiáng)度還是黑龍江省的海平面氣壓值在四個(gè)個(gè)例中均最強(qiáng)或最大， 但是個(gè)例4 的低溫程度在四個(gè)個(gè)例中卻最弱。
4 中低層風(fēng)力對(duì)低溫強(qiáng)度的影響
個(gè)例2 與個(gè)例4 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度以及個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度不完全對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與中低層風(fēng)速大小即熱量的湍流交換強(qiáng)度有一定關(guān)系。
四個(gè)個(gè)例中各層風(fēng)向以偏西風(fēng)或偏北風(fēng)為主，近地面風(fēng)速均較小， 但是低溫程度最輕的個(gè)例4 中低層風(fēng)速明顯大于其它三個(gè)個(gè)例（表1-2）。個(gè)例4 在400-700 hPa 的風(fēng)速明顯大于個(gè)例2， 冷鋒鋒區(qū)和冷平流強(qiáng)，湍流熱量交換強(qiáng)，低層輻射降溫和逆溫相對(duì)較弱，所以，雖然個(gè)例4 在黑龍江省北部中低層冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2， 但是地面最低氣溫高于個(gè)例2。另外，個(gè)例3 影響黑龍江省的冷空氣強(qiáng)度接近個(gè)例1，實(shí)際個(gè)例3 的低溫明顯強(qiáng)于個(gè)例1，其原因也可以用中低層風(fēng)速的差異解釋， 例如個(gè)例3 中低層風(fēng)速小于個(gè)例1，相應(yīng)的，個(gè)例3 的低溫程度總體強(qiáng)于個(gè)例1。
表1 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)哈爾濱各層風(fēng)速/m·s-1
可見(jiàn)， 中低層風(fēng)速大小尤其是中層風(fēng)速對(duì)低溫程度的影響至關(guān)重要， 以后在制作溫度預(yù)報(bào)或研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法時(shí)除關(guān)注中低層環(huán)流形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外，也要重視分析風(fēng)力對(duì)氣溫預(yù)報(bào)的影響。
表2 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)嫩江各層風(fēng)速/m·s-1
5 小結(jié)與思考
（1）本文分析得到一些有利于黑龍江省隆冬季節(jié)出現(xiàn)低溫的天氣形勢(shì)、 影響系統(tǒng)及部分相關(guān)的氣象要素特征， 可為今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)低溫天氣增加預(yù)報(bào)依據(jù)。 但是分析中使用的低溫天氣個(gè)例較少，所得結(jié)果有待于今后通過(guò)分析更多的低溫天氣個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)、補(bǔ)充和完善。
（2）亞洲中高緯500 hPa 高度場(chǎng)西高東低、北高南低環(huán)流形勢(shì)有利于黑龍江省出現(xiàn)低溫天氣。 黑龍江省上空受冷渦影響比受高空槽影響時(shí)低溫強(qiáng)度易更強(qiáng)。
（3）黑龍江省低溫易達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的天氣形勢(shì)特點(diǎn)為： 中層冷渦與冷空氣接近重合且位于黑龍江省附近時(shí)； 低層黑龍江省位于冷渦后或高空槽后的西北氣流里，冷中心落后于冷渦或高空槽，且黑龍江省處于冷空氣中心區(qū)域； 海平面氣壓場(chǎng)上黑龍江省位于冷高壓前部等壓線較稀疏區(qū)域。
（4）當(dāng)中低層冷空氣強(qiáng)度接近時(shí)，中低層風(fēng)速越小，低溫強(qiáng)度越強(qiáng)。 今后在研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法或制作極端最低氣溫預(yù)報(bào)時(shí)， 除考慮中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外， 還需考慮風(fēng)向風(fēng)速對(duì)氣溫變化的影響。
（5）建議今后研究并建立黑龍江省隆冬季節(jié)低溫天氣事件綜合強(qiáng)度分等級(jí)評(píng)估規(guī)范， 并建立客觀的低溫天氣分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法以及相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為在日常業(yè)務(wù)工作中做好低溫天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等氣象服務(wù)工作提供科學(xué)依據(jù)。
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（1.哈爾濱市氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030;3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030）
1 引言
以往關(guān)于低溫與環(huán)流形勢(shì)關(guān)系的研究，多從月、季時(shí)間尺度進(jìn)行研究[1-3]，而從中短期預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)行低溫預(yù)報(bào)方法的研究較少， 且多以烏拉爾山阻塞高壓、冷空氣路徑、冷平流和地面冷高壓對(duì)地面低溫的影響研究為主[4-6]。 不過(guò)也有個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力小有利于夜間輻射降溫， 以及大氣穩(wěn)定度或逆溫對(duì)地面氣溫變化有重要影響[6-8]。 2020年年末至2021年1月中旬， 中國(guó)中東部地區(qū)接連受低溫或寒潮天氣影響， 不斷有最低氣溫突破當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠?lái)氣溫極低值的報(bào)告，給人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，黑龍江省多地氣溫也刷新了2020年入冬以來(lái)的最低值記錄， 其中 2020年12月26日到 2021年1月2日“跨年”低溫對(duì)黑龍江省影響相對(duì)較重。
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2 四次低溫天氣實(shí)況
在本次研究中， 選取2001年1月上旬到中旬初低溫時(shí)段為個(gè)例1， 選取2013年1月上旬低溫時(shí)段為個(gè)例2，選取2018年1月下旬低溫時(shí)段為個(gè)例3，選取 2020年12月26日到 2021年1月2日低溫時(shí)段為個(gè)例4，其中在這四個(gè)低溫個(gè)例中多數(shù)站點(diǎn)的日最低氣溫分別在 2001年1月11日、2013年1月8日、2018年1月23日以及 2020年12月28日的早晨達(dá)到最低。
在四個(gè)低溫天氣個(gè)例中， 從低溫的強(qiáng)度和低溫的范圍以及低溫持續(xù)時(shí)間看， 前三個(gè)個(gè)例的低溫明顯強(qiáng)于第四個(gè)。 前三個(gè)個(gè)例持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度強(qiáng)，范圍大，其中個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 第二強(qiáng)，個(gè)例2 第三強(qiáng)。
個(gè)例3 最強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部、哈爾濱北部、 佳木斯東部， 其中呼中最低氣溫-47.7℃、漠河-45.2 ℃、嘉蔭-44.9 ℃、慶安-43.4 ℃、烏伊嶺-43.1 ℃、五大連池-42.5 ℃、訥河-41.1 ℃、撫遠(yuǎn)-41 ℃，綏棱-41 ℃，加格達(dá)奇-40.2 ℃、延壽-40.1 ℃，均為這四個(gè)個(gè)例中當(dāng)?shù)貧鉁氐淖畹椭担?撫遠(yuǎn)等個(gè)別站點(diǎn)接近或突破有記錄以來(lái)的極低值記錄。
個(gè)例1 第二強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)分布在大興安嶺、黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化、哈爾濱北部，其中呼中-44.4 ℃，嫩江-43.9 ℃（突破歷史極低值記錄），伊春、拜泉、通河-42 ℃左右。
個(gè)例2 第三強(qiáng)。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)主要分布在大興安嶺、黑河、伊春三個(gè)地區(qū)，且最低氣溫高于第二個(gè)個(gè)例和第三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例4 最弱。極端最低氣溫≤-40 ℃的站點(diǎn)僅分布在大興安嶺北部。 部分站點(diǎn)雖然達(dá)到2020年入冬以來(lái)的最低值，但是沒(méi)有站點(diǎn)突破歷史極低值記錄。
3 中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
3.1 500 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度
在500 hPa 高度場(chǎng)上（圖1），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫較強(qiáng)時(shí)，黑龍江省上空的冷空氣強(qiáng)度不同，等高線與等溫線交角小。 亞洲中高緯都是西高東低的環(huán)流形勢(shì)，但是位相略有差異。在個(gè)例1和個(gè)例3、個(gè)例4 中，伸向極地或較高緯度的高壓脊偏西，位于烏拉爾山地區(qū)，個(gè)例2 中的高壓脊位于中亞地區(qū)。
圖1 亞洲中高緯500 hPa 位勢(shì)高度/dagpm（實(shí)線）、溫度/℃（虛線）和風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿）（a）2001年1月11日 08時(shí) （b）2013年1月8日 08時(shí) （c）2018年1月23日 08時(shí) （b）2020年12月28日 08時(shí)
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 500 hPa，主體冷空氣位于黑龍江省及其以北的俄羅斯區(qū)域， 全省500 hPa 氣溫低于-44 ℃，其中中西部低于-46 ℃，-49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部， 在高度場(chǎng)上則對(duì)應(yīng)是一個(gè)閉合等高線為496 dagpm 的冷渦，中心強(qiáng)度＜492 dagpm。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 500 hPa， 主體冷空氣位于鄂霍茨克海上，與東亞大槽相伴，中心強(qiáng)度低于-44 ℃，黑龍江省位于槽后，冷空氣最強(qiáng)處位于黑龍江省北部?jī)H為-40 ℃左右，弱于其它三個(gè)個(gè)例。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 500 hPa，主體冷空氣從西伯利亞向東南移入黑龍江省，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)； -49 ℃冷中心位于大興安嶺地區(qū)東部，相應(yīng)的有范圍較大的閉合等高線為496 dagpm 的冷渦位于黑龍江省北部及其以北的俄羅斯區(qū)域， 中心強(qiáng)度＜492 dagpm 。 冷渦和冷中心的強(qiáng)度、位置與個(gè)例1 接近，但是范圍比個(gè)例1 明顯偏大。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 500 hPa，-44 ℃冷空氣中心位于貝加爾湖到黑龍江省北部以及鄂霍茨克海，鄂霍茨克海上有＜496 dagpm 的冷渦與之配合，其橫槽向西經(jīng)過(guò)黑龍江省伸至貝加爾湖以西， 伴隨著烏拉爾山高壓脊東移、 橫槽轉(zhuǎn)豎， 冷空氣向南爆發(fā)。
低溫強(qiáng)度排前2 位的個(gè)例1 與個(gè)例3，500 hPa冷空氣中心強(qiáng)度接近，且均位于黑龍江省北部。 對(duì)應(yīng)在黑龍江省都有較強(qiáng)的冷渦控制， 并有冷中心與冷渦幾乎重合， 表明冷渦與冷空氣幾乎發(fā)展到了最強(qiáng)階段。個(gè)例3 低于-48 ℃的冷中心的范圍明顯大于個(gè)例1，冷空氣總體強(qiáng)于個(gè)例1。 冷空氣強(qiáng)度的這種差別與地面最低氣溫的差別表現(xiàn)一致。個(gè)例2和個(gè)例4在環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上明顯與個(gè)例1和個(gè)例3 不同， 冷渦位于鄂霍次克海上， 黑龍江省上空不是冷渦而是高空槽，冷空氣強(qiáng)度也較弱，尤其是個(gè)例2 的中層冷空氣強(qiáng)度最弱。 冷空氣的這些特征可以解釋個(gè)例3 是低溫強(qiáng)度最強(qiáng)的原因，也可以解釋個(gè)例1、個(gè)例3 的低溫強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，但是不能解釋個(gè)例2的低溫強(qiáng)度為什么明顯強(qiáng)于個(gè)例4。
分析四個(gè)低溫天氣過(guò)程亞洲中高緯500 hPa 平均高度場(chǎng)和距平場(chǎng)（圖略）特征，發(fā)現(xiàn)均為西高東低和北高南低環(huán)流形勢(shì)，即具有北極濤動(dòng)（AO）的負(fù)位相特征。 這個(gè)分析結(jié)果與文獻(xiàn)[1-3]對(duì)北極濤動(dòng)和烏拉爾山阻塞高壓與北方地區(qū)氣溫變化的關(guān)系的研究結(jié)果一致。 烏拉爾山和極地暖空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)，正高度距平中心強(qiáng)度≥15 dagpm，而西伯利亞地區(qū)南部冷空氣勢(shì)力異常偏強(qiáng)， 負(fù)高度距平中心強(qiáng)度≤-10 dagpm。
3.2 850 hPa 天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度對(duì)比分析
在850 hPa（圖2），四個(gè)低溫天氣個(gè)例中低溫最強(qiáng)時(shí)有兩個(gè)共同點(diǎn)， 一個(gè)是黑龍江省都位于高空槽或高空冷渦后部的西北氣流里， 另一個(gè)是黑龍江省上空都有冷中心。 冷中心落后于高空槽，等高線與等溫線有一定的交角，以冷平流為主。 黑龍江省西北部等溫線稀疏，冷平流較弱甚至有弱暖平流或冷平流。每個(gè)個(gè)例的冷空氣強(qiáng)度以及在東部和南部的等溫線稀疏程度和冷平流強(qiáng)度不同。
個(gè)例 1 在 2001年1月11日 850 hPa，黑龍江省在低于-32 ℃的冷空氣控制中，中部大部地區(qū)冷空氣強(qiáng)度低于-34 ℃，中心強(qiáng)度為-37 ℃，冷空氣較強(qiáng)。 等溫線稀疏，風(fēng)力8-10 m·s-1。東部地區(qū)冷平流明顯，中西部地區(qū)溫度平流較弱。
個(gè)例 2 在 2013年1月8日 850 hPa，黑龍江省在低于-20 ℃的冷空氣控制中，冷空氣強(qiáng)度較弱，中北部地區(qū)低于-28 ℃，僅在大興安嶺南部、黑河北部較小的范圍內(nèi)低于-30 ℃。 等溫線稀疏，風(fēng)力 6-8 m·s-1，溫度平流較弱。
個(gè)例 3 在 2018年1月23日 850 hPa，冷中心在黑龍江省北側(cè)的俄羅斯境內(nèi)， 中心強(qiáng)度接近-39 ℃。黑龍江省大部在低于-30 ℃的冷空氣控制中，其中大興安嶺地區(qū)冷空氣強(qiáng)度-34 ℃左右。東南部地區(qū)等溫線相對(duì)密集，冷平流明顯；西部和北部地區(qū)等溫線稀疏，風(fēng)力多為4-6 m·s-1，有弱冷平流。
個(gè)例 4 在 2020年12月28日 850 hPa， 黑龍江省北部地區(qū)低于-28 ℃，其中大興安嶺地區(qū)上空有低于-32-（-30） ℃的冷中心，等溫線稀疏，有弱暖平流或零平流。 黑龍江省中南部地區(qū)位于冷鋒鋒區(qū)中，溫度為-28-（-20） ℃， 等溫線在四個(gè)個(gè)例中最為密集。風(fēng)力在四個(gè)個(gè)例中最大（12 m·s-1左右）。個(gè)例4 在黑龍江省中南部地區(qū)的冷平流在四個(gè)個(gè)例中強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大。 12月29日，冷空氣進(jìn)一步東移南下，全省850 hPa 溫度低于-28 ℃，雖然冷空氣和冷平流較強(qiáng)，但是由于西北風(fēng)風(fēng)力較大，熱量湍流交換強(qiáng)，地面降溫幅度較小。
綜上所述， 黑龍江省低層冷空氣強(qiáng)度個(gè)例3 最強(qiáng)，個(gè)例1 次之，均強(qiáng)于個(gè)例2和個(gè)例4，可以解釋個(gè)例1和個(gè)例3 的低溫比個(gè)例2和個(gè)例4 強(qiáng)。 但是，個(gè)例2 與個(gè)例4、個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度并不完全對(duì)應(yīng)。
3.3 海平面氣壓場(chǎng)與低溫程度的關(guān)系
四次低溫天氣過(guò)程中最低氣溫較低時(shí)對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)（圖3）也有共同特點(diǎn)，即黑龍江省除大興安嶺地區(qū)外均位于冷高壓前部的偏北氣流中， 等壓線稀疏，風(fēng)力小，湍流弱，有利于夜間晴空輻射降溫，形成近地面或低層較強(qiáng)的逆溫， 從而形成較強(qiáng)的低溫天氣。 可以認(rèn)為，海平面氣壓場(chǎng)上這種冷高壓前部較稀疏的等壓線分布特征是有利于形成低溫天氣。
綜合分析發(fā)現(xiàn)冷高壓強(qiáng)度以及黑龍江省海平面氣壓值的高低與最低氣溫值大小沒(méi)有呈反比等對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，個(gè)例3 與個(gè)例4 的冷高壓位置接近，其中心強(qiáng)度均較強(qiáng)， 尤其是個(gè)例4 無(wú)論是冷高壓中心強(qiáng)度還是黑龍江省的海平面氣壓值在四個(gè)個(gè)例中均最強(qiáng)或最大， 但是個(gè)例4 的低溫程度在四個(gè)個(gè)例中卻最弱。
4 中低層風(fēng)力對(duì)低溫強(qiáng)度的影響
個(gè)例2 與個(gè)例4 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度以及個(gè)例1 與個(gè)例3 的低層冷空氣強(qiáng)度與低溫程度不完全對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與中低層風(fēng)速大小即熱量的湍流交換強(qiáng)度有一定關(guān)系。
四個(gè)個(gè)例中各層風(fēng)向以偏西風(fēng)或偏北風(fēng)為主，近地面風(fēng)速均較小， 但是低溫程度最輕的個(gè)例4 中低層風(fēng)速明顯大于其它三個(gè)個(gè)例（表1-2）。個(gè)例4 在400-700 hPa 的風(fēng)速明顯大于個(gè)例2， 冷鋒鋒區(qū)和冷平流強(qiáng)，湍流熱量交換強(qiáng)，低層輻射降溫和逆溫相對(duì)較弱，所以，雖然個(gè)例4 在黑龍江省北部中低層冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)于個(gè)例2， 但是地面最低氣溫高于個(gè)例2。另外，個(gè)例3 影響黑龍江省的冷空氣強(qiáng)度接近個(gè)例1，實(shí)際個(gè)例3 的低溫明顯強(qiáng)于個(gè)例1，其原因也可以用中低層風(fēng)速的差異解釋， 例如個(gè)例3 中低層風(fēng)速小于個(gè)例1，相應(yīng)的，個(gè)例3 的低溫程度總體強(qiáng)于個(gè)例1。
表1 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)哈爾濱各層風(fēng)速/m·s-1
可見(jiàn)， 中低層風(fēng)速大小尤其是中層風(fēng)速對(duì)低溫程度的影響至關(guān)重要， 以后在制作溫度預(yù)報(bào)或研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法時(shí)除關(guān)注中低層環(huán)流形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外，也要重視分析風(fēng)力對(duì)氣溫預(yù)報(bào)的影響。
表2 四個(gè)個(gè)例低溫較強(qiáng)時(shí)嫩江各層風(fēng)速/m·s-1
5 小結(jié)與思考
（1）本文分析得到一些有利于黑龍江省隆冬季節(jié)出現(xiàn)低溫的天氣形勢(shì)、 影響系統(tǒng)及部分相關(guān)的氣象要素特征， 可為今后準(zhǔn)確預(yù)報(bào)低溫天氣增加預(yù)報(bào)依據(jù)。 但是分析中使用的低溫天氣個(gè)例較少，所得結(jié)果有待于今后通過(guò)分析更多的低溫天氣個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)、補(bǔ)充和完善。
（2）亞洲中高緯500 hPa 高度場(chǎng)西高東低、北高南低環(huán)流形勢(shì)有利于黑龍江省出現(xiàn)低溫天氣。 黑龍江省上空受冷渦影響比受高空槽影響時(shí)低溫強(qiáng)度易更強(qiáng)。
（3）黑龍江省低溫易達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的天氣形勢(shì)特點(diǎn)為： 中層冷渦與冷空氣接近重合且位于黑龍江省附近時(shí)； 低層黑龍江省位于冷渦后或高空槽后的西北氣流里，冷中心落后于冷渦或高空槽，且黑龍江省處于冷空氣中心區(qū)域； 海平面氣壓場(chǎng)上黑龍江省位于冷高壓前部等壓線較稀疏區(qū)域。
（4）當(dāng)中低層冷空氣強(qiáng)度接近時(shí)，中低層風(fēng)速越小，低溫強(qiáng)度越強(qiáng)。 今后在研發(fā)溫度客觀預(yù)報(bào)方法或制作極端最低氣溫預(yù)報(bào)時(shí)， 除考慮中低層天氣形勢(shì)和冷空氣強(qiáng)度外， 還需考慮風(fēng)向風(fēng)速對(duì)氣溫變化的影響。
（5）建議今后研究并建立黑龍江省隆冬季節(jié)低溫天氣事件綜合強(qiáng)度分等級(jí)評(píng)估規(guī)范， 并建立客觀的低溫天氣分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法以及相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為在日常業(yè)務(wù)工作中做好低溫天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等氣象服務(wù)工作提供科學(xué)依據(jù)。
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