河西走廊東部寒潮特征及典型個例分析

楊 梅，楊曉玲，李巖瑛，齊高先，羅曉玲，聶 鑫

（1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020；3.天祝縣氣象局，甘肅 天祝 733200）

寒潮（強冷空氣）是我國春秋冬三季的災害性天氣， 主要是指極地或高緯度的寒冷空氣向中低緯度侵襲，使溫度急劇下降，伴有大風沙塵、降水、霜凍等惡劣天氣[1]，對農林牧、人們的生產生活影響嚴重，給國民經濟造成巨大損失[2-4]。 國內外學者對寒潮多有研究，主要集中在氣候特征[5-7]、與氣候變化的關系[8-10]、發生機理[11-13]、預報方法[14-16]和凍害成因[17]等方面。

河西走廊東部遠離海洋，深居歐亞大陸腹地，水熱條件分布不均，是典型的干旱、半干旱地區[18]，其中，北部民勤為沙漠戈壁干旱區，中部涼州為綠洲平原區，北部永昌和南部的古浪為淺山區，南部烏鞘嶺屬于祁連山邊坡的高寒山區。 寒潮是河西走廊東部最嚴重的災害性天氣之一，具有范圍廣、伴隨災害性天氣多、預防難度大、損失嚴重等特點。近年來，在氣候變暖的大背景下，各地農事活動普遍提前，春季冷暖空氣活動頻繁，氣溫變化幅度大，各地寒潮出現頻率在47%～55%， 對開花和幼果期的林果業影響很大。目前，河西走廊東部寒潮的研究主要集中在氣候特征[19]和凍害成因[20]上，對春季寒潮過程以及寒潮與大氣環流特征量關系的分析較少， 因此筆者除了研究河西走廊東部寒潮時空變化特征以及寒潮頻次與大氣環流特征量的關系，還分析了2016 年春季的3 次典型寒潮過程， 以及寒潮頻次與大氣環流特征量的關系， 對提高河西走廊東部寒潮預報預測預警水平和防御凍害能力有重要的現實意義。

1 資料、標準與方法

選取河西走廊東部1986—2015 年涼州、 民勤、古浪、 烏鞘嶺、 永昌5 站的逐日平均氣溫和最低氣溫、自動站雨量、高低空觀測資料。 標準Ⅰ：朱乾根等[1]對于寒潮的定義是指日平均氣溫降幅24 h≥10 ℃或48 h≥12 ℃，最低氣溫≤5 ℃；標準Ⅱ：中國氣象局（氣發〔2005〕109 號）《中短期天氣預報質量檢驗辦法》對于寒潮的定義是指日最低氣溫降幅24 h≥8 ℃或48 h≥10 ℃，最低氣溫≤4 ℃。 一站及以上達到上述任意一種標準或當24 h 和48 h 同時達到時定為一次寒潮過程。 任何一個標準達到都有可能對本地農林業造成災害， 所以把達到兩種標準的寒潮合并進行統計分析。 大氣環流特征量資料由國家氣候中心氣候診斷預測室提供。

運用統計學方法分析寒潮年、 月際變化規律及初、終日的變化，用相關系數法分析寒潮頻次與大氣環流特征量的關系。采用天氣學、動力學的方法分析3 次寒潮天氣過程的成因。

2 氣候特征

2.1 空間分布

河西走廊東部寒潮天氣存在明顯的區域差異，1986—2015 年寒潮頻次總體由北向南減少（表1），但中部最少，全區域寒潮頻次為平均98 次。 民勤地處沙漠地區，受沙漠氣候的影響，輻射降溫明顯，氣溫降幅較大，且常受東北向冷空氣的入侵，寒潮頻次最多達117 次；涼州地處中部綠洲平原區，冷空氣不易入侵，寒潮頻次最少，為78 次；永昌、古浪地處祁連山邊坡，受山脈的阻擋作用，冷空氣易堆積，寒潮頻次居中， 分別為104、101 次； 烏鞘嶺地處高寒山區，冷空氣過境對其影響較小，寒潮頻次僅為88 次。因此，河西走廊東部寒潮的分布與冷空氣移動路徑、地形地貌、海拔高度等有關。

表1 河西走廊東部寒潮頻次分布次

2.2 時間變化

2.2.1 年際變化

1986—2015 年河西走廊東部共出現寒潮275次，年平均為9.2 次。河西走廊東部寒潮頻次年際差異較大，最多16 次，出現在2012 年；最少只有5 次，出現在1994 和2007 年。寒潮平均頻次1986—1990年為9.8 次，20 世紀90 年代為9.4 次，21 世紀前10 a最少，為8.2 次，2011—2015 年為10.2 次（圖1）。 20世紀90 年代中期到21 世紀初， 河西走廊東部年寒潮頻次呈弱減少趨勢，但2011—2015 年寒潮頻次出現了增加趨勢，但趨勢不明顯（圖1a）。 各站寒潮頻次極值出現的時間不一致， 年際變化趨勢為涼州持平，永昌減少，其他3 站增多，其中古浪明顯增加（圖1b），因此，區域寒潮略增多。

圖1 河西走廊東部年區域（a）和各站（b）寒潮頻次的變化

2.2.2 月際變化

河西走廊東部寒潮的多發季節為秋冬季和冬春季交替的2 個時段（表2）。寒潮頻次最多在4 月，共44 次， 占總頻次的16%；10 月次之， 為36 次，占13%；6 月最少，僅4 次，占1%。寒潮站次最多也在4月，為89 站次，3 月次之，為62 站次，6 月最少，僅4站次，均出現在山區。 7—8 月未出寒潮。

表2 河西走廊東部各月寒潮出現頻次及站次/次

2.2.3 初、終日期

河西走廊東部各地寒潮最早均出現在9 月，平均開始日為9 月10—11 日， 最晚出現在6 月上旬，平均結束日為5 月30 日。山區出現略早，結束遲，開始日最早在1997 年9 月1 日（永昌），結束日最晚在1998 年6 月7 日（烏鞘嶺）；中部涼州出現略遲，結束較早，最早在2009 年9 月20 日，最晚在1998 年5 月24 日；北部民勤最早在2006 年9 月9 日，最晚在1998 年5 月24 日。21 世紀以來結束日提前1 個月左右，開始日推遲1 個月左右。

3 寒潮與大氣環流特征量的關系

氣候尺度的冷空氣活動為天氣尺度強降溫提供了大尺度背景場， 而天氣尺度強降溫是對氣候尺度冷空氣活動的響應[19，22]。 采用相關系數法對河西走廊東部寒潮月際頻次與表征冷空氣和移動路徑的12 個大氣環流特征量進行相關性分析（表3），月寒潮頻次與亞洲極渦面積和強度、 北半球極渦面積和強度、北極濤動、亞洲經向環流和冷空氣呈正相關，其中，北極濤動通過琢=0.1 的顯著性檢驗，上月亞洲經向環流通過琢=0.05 的顯著性檢驗， 其余均通過琢=0.01 的顯著性檢驗；月寒潮頻次與北半球極渦中心緯向位置和強度、東亞大槽強度、西藏高原1 和2指數呈負相關，均通過琢=0.01 的顯著性檢驗。 說明這12 個指數與該地寒潮頻次有較好的對應關系，特別是前一月亞洲極渦面積和強度、 北半球極渦面積和強度、北半球極渦中心強度、北極濤動指數對寒潮預報預測具有良好的指示意義。

表3 河西走廊東部寒潮月頻次與大氣環流特征量的相關系數

對河西走廊東部寒潮月頻次與上一月的12 個大氣環流特征量， 使用多元回歸建立寒潮月頻次的預報方程：y =175.78 -3.531x1-0.004x2+1.391x3+0.078x5-0.152x6+0.026x7-0.043x8-3.795x10+1.25x11+0.8x12，通過了琢=0.1 的顯著性檢驗。

4 2016 年5 月3 次寒潮過程

4.1 天氣實況

過程Ⅰ：2016 年4 月30 日—5 月2 日河西走廊東部出現區域性寒潮（表4），涼州、民勤、古浪和永昌24 h 最低氣溫下降10.3～13.4 ℃， 日平均氣溫下降7.2～11.8 ℃，5 月1 日最低氣溫為-0.5～5.1 ℃；48 h最低氣溫下降13.0～14.3 ℃， 日平均氣溫下降8.5～12.0 ℃，2 日最低氣溫-2.9～3.4 ℃，伴有降水、大風、霜凍等災害天氣，未造成經濟損失。

過程Ⅱ：5 月10—12 日河西走廊東部出現區域性寒潮（表4），48 h 平均氣溫下降12.3～12.9 ℃，日最低氣溫為-5.1～0.4 ℃，伴有降水、大風、霜凍等災害天氣，造成直接經濟損失1.3 億元。

過程Ⅲ：5 月19—21 日河西走廊東部出現局地寒潮（表4），古浪24 h 日平均氣溫下降10.8 ℃，最低氣溫降幅8.2 ℃，20 日最低氣溫為4.4 ℃；48 h 日平均氣溫下降13.0 ℃，21 日最低氣溫為4.3 ℃，也伴有降水、 霜凍等災害天氣， 造成直接經濟損失290.76 萬元。

表4 2016 年5 月河西走廊東部3 次寒潮天氣實況

4.2 前期異常偏暖

若寒潮發生前天氣偏暖， 冷空氣來襲造成降溫幅度大， 更易達到寒潮。 過程Ⅰ：4 月27 日氣溫偏高，28—30 日顯著偏高，30 日偏高達4.1 ℃；1 日開始降溫，2 日平均氣溫低至5.9 ℃，偏低4.7 ℃。 過程Ⅱ：5 月7 日氣溫偏高，10 日顯著偏高達5.8 ℃；11日降溫，12 日平均氣溫低至6.7 ℃，偏低4.7 ℃。過程Ⅲ：5 月16 日氣溫偏高，19 日顯著偏高達4.4 ℃；20日降溫，22 日平均氣溫低至4.5 ℃，偏低9.3 ℃。 5 月河西走廊東部3 次寒潮出現前氣溫均顯著偏高（圖2），這是寒潮天氣發生的原因之一。

圖2 河西走廊東部2016 年4 月26 日—5 月24 日和歷年同時日平均氣溫變化趨勢

4.3 環流特征

4.3.1 極渦和中高緯環流演變

從2016 年5 月北半球500 hPa 月平均位勢高度場（圖3a）和距平場（圖3b）看，北半球極渦主要位于貝加爾湖北部呈偏心型，中心強度達524 dagpm，與常年同期相比距平中心約為-8 dagpm，表明5 月的極渦強度偏強， 極地上空有較強冷空氣； 同時500 hPa 中高緯有4 個長波槽，分別位于北美西部、格陵蘭島東部、里海西部和貝加爾湖北部。我國中高緯受貝加爾湖槽影響， 冷空氣活動頻繁。 由距平場（圖3b）可知，歐亞大陸距平場呈負—正—負—正分布，正距平中心和極地相連，利于冷空氣南下，這是寒潮爆發的重要因子。

圖3 2016 年5 月北半球500 hPa 月平均位勢高度（a）及距平（b）（單位：10 dagpm）

2016 年4 月下旬500 hPa 位勢高度場上，歐亞大陸中高緯環流形勢為兩槽一脊（圖4a），喀拉海至里海為廣闊的脊區，烏拉爾山附近形成阻塞高壓，脊前至貝加爾湖為橫槽， 冷空氣沿著槽底西北氣流南下，到達河西走廊東部。5 月上旬中高緯環流形勢轉為兩脊一槽（圖4b）[21]，極渦中心位于70 °N 以南貝加爾湖以北，中心偏南；我國中緯度環流形勢為西高東低，西風槽位于亞洲大陸北側，冷渦中心位于新地島以東，弱高壓脊在巴爾喀什湖，極渦底部的短波槽攜帶冷空氣不斷分裂東移南下， 造成北方地區多次降溫。5 月中旬中高緯環流形勢為兩槽兩脊（圖4c），極渦相較上旬減弱北抬東移，高壓脊略東移；西風槽位于亞洲大陸東側，冷渦中心較上旬偏東，高壓脊位于烏拉爾山；我國中緯度為平直西風環流，伴有較深的短波槽，造成北方降溫。5 月下旬環流形勢為一槽一脊，槽脊、極渦均有所減弱，河西走廊東部寒潮降溫天氣結束。

圖4 2016 年4 月下旬（a）、5 月上旬（b）和5 月中旬（c）的500 hPa 平均位勢高度

4.3.2 高低空環流演變

過程Ⅰ：4 月28 日20 時500 hPa 歐亞大陸中高緯為兩槽兩脊型，烏拉爾山附近形成阻塞高壓，脊前為橫槽，冷中心強度為-36 ℃，槽底西北氣流引導冷空氣進入甘肅（圖5a），700 hPa 溫度槽落后于高度槽；5 月1 日08 時500 hPa 橫槽轉豎南壓與巴湖短波槽合并， 新疆及甘肅位于西風槽后的西北氣流中， 冷中心強度為-27 ℃，700 hPa 溫度槽仍落后高度槽，等高線與等溫線垂直，利于槽加深發展不斷引導冷空氣南下堆積；850 hPa 民勤站溫度從4 月30日的20 ℃下降到2 日的7 ℃，降溫達13 ℃。河西走廊東部出現大風、降水、強降溫，寒潮天氣爆發。

過程Ⅱ：5 月11 日08 時500 hPa 歐亞大陸中高緯為一脊兩槽，槽分別位于烏拉爾山、貝加爾湖附近， 冷中心分別達-48、-42 ℃， 冷空氣不斷補充南下， 民勤與若羌溫差達20 ℃（圖5b），700 hPa 溫度槽落后于高度槽，等高線與等溫線基本垂直，民勤與若羌溫差達22 ℃；12 日溫度槽和高度場重合，河西走廊東部基本為偏西氣流，低層為偏南氣流；850 hPa民勤站溫度從11 日的17 ℃下降到12 日的7 ℃，降溫達10 ℃。古浪、烏鞘嶺出現降水、強降溫，寒潮、天氣爆發。

過程Ⅲ：5 月18 日08 時500 hPa 歐亞大陸中高緯為一脊一槽，槽位于新疆北部，烏拉爾山脊不斷向東北發展， 脊前西北氣流引導極地冷空氣南下在新疆堆積形成冷中心；20 時冷中心達-38 ℃，民勤與若羌溫差達14 ℃（圖5c），700 hPa 等高線與等溫線基本垂直，槽前等溫線密集，民勤與若羌溫差達18 ℃；850 hPa 民勤站的溫度從19 日的17 ℃下降到21 日的6 ℃，降溫達11 ℃。河西走廊東部出現大風、沙塵、降水、降溫，寒潮爆發。

圖5 2016 年4 月28 日20 時（a）、5 月11 日08 時（b）和18 日20 時（c）500 hPa 環流形勢

3 次區域寒潮過程高低空均有強冷中心存在，過程Ⅰ屬于橫槽轉向，西路冷空氣侵入；過程Ⅱ屬于中路冷空氣補充進入，冷中心、影響范圍、持續時間強于其余2 次，造成的災害較大；過程Ⅲ屬北路冷空氣直接侵入。

4.3.3 地面冷高壓強烈

河西走廊寒潮的爆發通常都伴隨著地面冷高壓的侵入[13]。 過程Ⅰ：5 月1 日05 時地面冷高壓發展南壓到新疆北部， 前沿冷空氣進入甘肅西北部，23時冷空氣影響河西走廊， 引起河西走廊東部強烈降溫，高壓中心達1 027 hPa。 過程Ⅱ：11 日地面冷高壓進入甘肅，高壓中心達1 026 hPa，冷空氣影響河西走廊， 引起河西走廊東部強烈降溫；12 日又一個冷高壓控制河西走廊，中心達1 035 hPa，冷空氣的補充侵入是造成此次寒潮天氣的重要原因。過程Ⅲ：19 日冷空氣進入甘肅，最強的冷高壓仍然維持在新疆北部，高壓中心達1 040 hPa，隨著冷空氣的不斷下滑， 在河西走廊形成中心值為1 017 hPa 的冷高壓，引起河西走廊東部強烈降溫。

4.4 溫度平流

局地溫度變化主要是溫度平流所引起， 因此強盛的冷平流通常是寒潮天氣發生的主要原因[1]。 過程Ⅰ：4 月30 日20 時冷平流進入新疆，700 hPa 有2個明顯的冷中心， 分別為-40.1×10-5、-43.7×10-5℃/s；5 月1 日08 時冷空氣進入河西走廊，700 hPa 冷中心位于蒙古中部，中心值達-100.6×10-5℃/s，河西走廊東部冷中心為-58.7×10-5℃/s（圖6a），表明冷空氣深厚且發展強盛；20 時冷空氣影響到河西走廊東部，從溫度平流的垂直結構可知，250 hPa 以上為暖平流，300 hPa 以下為強冷平流，500 hPa 冷中心達-42.1×10-5℃/s，冷空氣深厚發展持續。 2 日08 時700 hPa 冷中心移至甘肅河東，中心值達-51×10-5℃/s，表明冷空氣強勁且影響范圍較大。 過程Ⅱ：5 月10 日08 時冷平流進入新疆，700 hPa 有2 個值為-32×10-5℃/s 和-60.2×10-5℃/s 的冷中心；冷中心增強南壓，11 日20 時冷平流進入河西走廊東部且范圍增大，700 hPa 上2 個冷平流中心值分別達-55.4×10-5、-62.7×10-5℃/s（圖6b），表明冷空氣發展強盛；12 日08 時700 hPa 冷中心移至甘肅河東， 從溫度平流垂直結構可知，250～200 hPa 為暖平流，其他層均為冷平流，表明冷空氣深厚。過程Ⅲ：5 月18 日20時冷空氣進入新疆，700 hPa 新疆有-42.2×10-5℃/s的冷中心；19 日08 時冷平流減弱東移， 冷中心值為-30×10-5℃/s；19 日20 時冷平流進入河西走廊，冷中心值達-69.2×10-5℃/s（圖6c），冷平流范圍大，從溫度平流垂直結構可知，400～500 hPa 為暖平流，500 hPa 以下為強冷平流， 表明這次過程冷空氣沒有前2 次深厚。

圖6 2016 年5 月1 日08 時（a）、11 日20 時（b）和19 日20 時（c）700 hPa 總溫度平流

5 結論

本文對河西走廊東部寒潮時空分布及其與大氣環流特征量的關系和2016 年5 月3 次寒潮過程的成因進行了分析，得出如下結論：

（1）河西走廊東部寒潮頻次從北到南減少，中部最少。寒潮年平均頻次總體呈下降趨勢，年際變化較大。寒潮主要出現在1—5 月、10—12 月，頻次站次4月最多，6 月最少，春季出現頻次站次最多。 寒潮最早開始于9 月1 日（永昌）、最晚結束于6 月7 日（烏鞘嶺）。

（2） 寒潮月頻次與環流特征量具有良好的相關性，月寒潮頻次與亞洲、北半球極渦面積和強度、北極濤動、亞洲經向環流和冷空氣指數呈顯著正相關，與北半球極渦中心緯向位置和強度、東亞大槽強度、西藏高原1 和2 指數呈負顯著相關； 特別是前一月亞洲、 北半球極渦面積和強度、 北半球極渦中心強度、 北極濤動指數對寒潮預報預測具有較好的指示意義，使用多元回歸建立寒潮月頻次預報方程，通過了α=0.1 的顯著性檢驗。

（3）3 次寒潮過程都存在極渦偏心，且高低空均有強冷中心，地面冷高壓強烈引起劇烈降溫，并伴有雨雪、大風、霜凍天氣。過程Ⅰ屬于橫槽轉向，西路冷空氣侵入； 過程Ⅱ屬于中路冷空氣補充進入， 冷中心、影響范圍、持續時間強于其余2 次，造成的災害較大；過程Ⅲ屬北路冷空氣直接侵入。

（4）前期升溫明顯，強盛的冷平流是寒潮氣溫大幅下降的主要原因。過程Ⅰ有2 個冷平流中心，中高層均為冷平流；過程Ⅱ也有2 個冷平流中心，整層為冷平流， 冷空氣勢力最強； 過程Ⅲ有1 個冷平流中心，500 hPa 以下為冷平流。