駐馬店市2021年“11·7”寒潮天氣過程分析

艾潤冰

摘 要：本文利用常規探空和地面自動站觀測資料對2021年11月6日夜間至7日白天駐馬店市發生的一次強降溫大風雨雪天氣過程進行了分析，初步總結了雨雪相態和大風的本地化預報指標。結果表明：①此次寒潮過程屬于橫槽轉豎型，與500 hPa南支槽、高空急流、鋒面的存在與發展密切相關;②前期較高的氣溫、高空強冷平流和動量下傳以及地面較大的氣壓梯度與變壓梯度是造成駐馬店市劇烈降溫和大風的主要原因;高空水汽含量不足和700 hPa切變線偏南則造成了降水偏弱;③3 h變壓達到2～4 hPa可作為駐馬店市大風預報參考指標;④降雪發生前850～925 hPa存在逆溫層，降雪過程中0 ℃層高度逐漸下降至925 hPa;地面氣溫Ta<2 ℃時為純雪;2 ℃≤Ta≤4 ℃時，降水相態變為雨夾雪。

關鍵詞：大風;降水相態;預報指標;駐馬店市

中圖分類號：P458.122 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0111-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.025

Study on Weather Process of "11.7" Cold Wave in 2021 over Zhumadian City

AI Runbing1，2

（1. China Meteorological Administration，Henan Provincial Key Laboratory of Agricultural Meteorological Support and Application Technology，Zhengzhou 450003，China;2. Zhumadian Meteorological Bureau，Zhumadian 463000，China）

Abstract： Based on the conventional sounding and ground automatic station observation data， the weather process of a strong cooling， fierce wind， rain and weak snow that occurred in Zhumadian City from the night of November 6 to the day of November 7， 2021 was analyzed， and the localized forecast indicators of rain and snow phase as well as strong wind were preliminarily summarized. The results show that： ①the cold wave process belongs to the horizontal trough to vertical type，which is closely related to the existence and development of the 500 hPa southern branch trough，high-altitude jet，and front;②High temperature in the early stage， strong cold advection at high altitude and momentum downward transmission， as well as large air pressure gradient and transformation pressure gradient on the ground are the main reasons for severe cooling and strong wind in the city; insufficient water vapor content in the upper air and the southward 700 hPa shear line lead to the weak precipitation; ③ when the 3-h transformation pressure in the city reaches 2 ～ 4 hPa can be used as the reference index for gale prediction;④ there was an inversion layer at 850 ～ 925 hPa before snowfall， and the height of the 0 ℃ layer gradually dropped to 925 hPa when it snows; when the ground temperature drops below 2 ℃， it is pure snow; Ground temperature lies between 2 and 4 ℃， the precipitation phase is sleet.

Keywords： strong wind; precipitation types; forecast indicators; Zhumadian City

0 引言

寒潮天氣過程是一種大范圍的強冷空氣活動過程[1]，主要表現為劇烈降溫和強風，可能還伴有雨、雪、霜凍等天氣，是我國最主要的災害性天氣之一。強降溫易導致農作物和林果等遭受凍害，大風則會給人民生產生活和交通安全等帶來不利影響，造成嚴重的經濟損失[2]，而冬季降水由于其不同相態產生的影響可能存在顯著差異，也是預報的難點之一，例如9 mm的降水，若相態為液態則屬于小雨量級，影響很小;為固態，則成為大到暴雪，屬于災害性天氣[3]。日常預報業務中，一般都將地面溫度場中的0℃線、850 hPa溫度場中的-4℃線作為雨雪的判別依據，然而實際應用時，基于以上指標預報的降水相態與實際情況存在較大差異。因此，探索當地雨雪相態預報指標對于經濟社會建設以及人民群眾的生產生活都具有相當重要的意義。

國內外有關降水雨雪相態預報的研究，已經大量成果出現。例如，國外學者先后提出了利用凍結層高度[4]、關鍵層厚度[5-6]及不同氣壓層上的溫、濕度等要素[7-9]作為降水相態的判別依據的方法，Bourgouin[10]對其中5種具有代表性的方法進行了總結。在國內，學者圍繞我國不同地區的降水相態問題也開展了許多研究：周雪松等[11]研究表明垂直溫度闊線直接影響了雨雪相態的轉變;漆梁波等[12]綜合考慮了溫度和厚度因子，得到了較適用于中國東部地區冬季降水相態的判據，開拓了降水相態研究和預報的新思路;張琳娜等[13]研究了2000—2009年北京冬季的降水過程，篩選出6種與當地雨雪轉換關系密切的物理量;楊成芳等[14]研究表明1 000 hPa以下溫度是雨雪相態轉換的關鍵指標，而850 hPa和925 hPa 溫度無明顯指示性;邵宇翔等[15-16]分別對河南省2013年和2015年兩次寒潮過程進行分析，認為降水相態的變化取決于0℃層高度和暖層溫度。從以上研究可以看出，冬季各地降水相態的預報指標存在較大差異，因此開展適用于本地的冬季降水相態預報指標研究很有必要。

2021年11月6日至7日連續兩天，河南省出現了一次大范圍寒潮雨雪天氣過程，駐馬店市也迎來了今年的首場降雪，盡管此次過程降水量不大，但具有風力較強、初雪時間較早的特點。通過對此次區域性強降溫大風雨雪天氣進行深度分析，找出此次天氣過程發生的根本原因及降水相態轉化指標。

1 資料與方法

以常規地面、高空氣象觀測資料及自動站資料為參考，對此次寒潮過程進行天氣形勢分析。

2 天氣實況

2021年11月6日夜間至7日白天，駐馬店市出現了今年首次大范圍強降溫大風及雨雪天氣，各縣區國家基本氣象站日平均最低氣溫從6日的15.9 ℃降到7日的5.6 ℃，24 h降溫幅度達10.3 ℃，最大降溫出現在正陽站，為11.3℃。同時，駐馬店市大部出現平均風力6級及以上大風天氣，局地陣風11級。大風開始時間為6日18時，風區從駐馬店市泌陽縣逐漸向東擴展，最強時段在6日夜間至7日凌晨，最大風速出現在遂平鳳鳴谷，為30.3 m/s（11級，7日03時）;其次出現在遂平嵖岈山，為28.2 m/s（10級，7日03時）;7日夜間風力逐漸減小。伴隨著大風降溫過程7日05時駐馬店市部分縣區出現雨夾雪，隨后多次發生雨夾雪和純雪之間的相態轉變，11時全市降雪過程結束轉為小雨，過程降水量較小，為小雨雪量級。圖1為此次寒潮過程期間駐馬店站氣溫、極大風速與降水實況，該站點氣象要素變化趨勢與上述分析基本一致。

3 環流形勢

強降溫、大風和弱降水是此次天氣過程的主要特征。影響此次天氣過程的天氣系統主要有高空橫槽和南支槽、低層倒槽和地面冷鋒。

3.1 高空形勢

3.1.1 500 hPa形勢。冷空氣影響駐馬店市前3天，亞洲中高緯為一脊一槽，烏拉爾山附近有一明顯高壓脊，貝加爾湖以北有一低渦，低渦中心至巴爾喀什湖以西為一深厚橫槽，40°N～ 70°N 地區經向度非常大。受脊前偏北氣流引導，冷空氣南下堆積在關鍵區。隨著橫槽向東移動，受天山地形影響其斷裂為中高緯度（40°N以北，簡稱北槽）和中低緯度（40°N以南，簡稱南槽）兩個槽，北槽經向度較小，移速較快，先行東移轉豎影響我國東北地區后入海;南槽經向度較大，是后期影響河南天氣的主要系統。6日20時，受北槽入海減弱影響，貝湖至西藏地區高壓脊顯著增強，脊前環流經向度加大;內蒙古西部地區形成-32℃閉合冷中心與南槽配合，等溫線密集在槽前，鋒區強度達24℃/10緯距（6根等溫線）;南槽仍為東北—西南走向，冷槽落后于低槽，槽內有較強冷平流輸送，槽繼續加深東移，槽后脊前環流經向度進一步加大，冷空氣堆積在我國西北地區。20時之后，橫槽逐漸轉豎，旋轉的低槽與南支槽同位相疊加，在脊前西北氣流的作用下，冷空氣加速南下，導致強降溫大風天氣的爆發。7日08時冷溫槽在內蒙古中部地區形成閉合低壓中心并維持，中心強度逐漸降至544 dagpm，槽前西南風急流核處風速達36 m/s，駐馬店市處于急流核右側，有利于大風天氣的持續;8日08時隨著低槽東移入海，駐馬店市轉受脊前西北氣流控制，天氣迅速轉好。

3.1.2 700 hPa形勢。700 hPa環流形勢發展與500 hPa類似，6日20時鋒區到達河南省西部，鋒區強度達24℃/10緯距（6根等溫線），冷中心強度-20℃;7日08時冷鋒到達駐馬店市，駐馬店市上空為強烈的冷暖平流交匯區，平流交角接近垂直;此時中低層有一定水汽，但500 hPa水汽條件較差，因此降水較弱。20時駐馬店市轉受槽后西北氣流控制，冷空氣影響結束。

3.1.3 850 hPa形勢。850 hPa環流形勢為兩高一低，6日08時西西伯利亞高壓斷裂形成兩個高壓中心，其中一個位于我國西北地區，長江中下游地區為一暖低壓。高壓前部西北氣流與日本海高壓后部偏東氣流輻合，在我國東北至河套地區形成鋒區。隨著西北高壓東移南下，6日20時輻合氣流在我省形成一倒槽，駐馬店市處在倒槽底部鋒區前緣偏東氣流中，有利于降水和降溫天氣發生。7日20時倒槽移出駐馬店市，駐馬店市轉受倒槽后部高壓前部西北氣流控制，天氣轉好。

3.1.4 高空溫壓場配置冷空氣影響駐市前3天，其上空大氣整體溫度較高，11月4至6日的日平均氣溫較常年同期分別偏高2.5 ℃、4.8 ℃和2.6 ℃，前期較高的溫度背景為強降溫提供了條件。從高空溫度場配置來看（表1），6日20時駐市上空850 hPa以上為暖平流，925 hPa已出現冷暖平流交匯，500 hPa與925 hPa溫差在24～32℃之間，能量極其不穩定，為大風的發生提供了熱力條件。降雪開始前駐市上空850～925 hPa之間存在逆溫層，且各層均為暖平流;降雪發生時駐市高層（500 hPa）仍為暖平流但平流較弱，中層（700 hPa）為強烈的冷暖平流交匯區，低層（850 hPa）轉為冷平流;降雪結束后各層均轉為冷平流，且逆溫層消失。低層冷平流為降雪提供了冷墊，使降雪不易融化，同時有利于逆溫層的建立。

3.2 地面形勢

6日20時地面冷高壓中心位于甘肅西北地區，中心強度為1 055 hPa，四川西部低壓中心強度為1 010 hPa，高、低壓中心相差僅一個緯距，氣壓梯度達45 hPa（18 根等壓線/10緯距），等壓線非常密集，110°E～120°E之間等壓線也達到12根。駐馬店市位于冷高壓前緣，其大部仍為暖區控制，給此次強降溫過程提供了高溫背景，地面冷鋒呈東北西南走向。隨著高壓東移南下，冷鋒開始影響駐馬店，其附近出現強的氣壓梯度和變壓梯度，6日20時駐馬店市與高壓中心壓差為37.5 hPa，3 h變壓在2～4 hPa的范圍內，部分站點達到3.5 hPa;7日05時3 h變壓加強，部分站點達到4 hPa以上，如此強的氣壓和變壓梯度造成了駐市11級陣風的發生;08時之后3 h變壓減弱至1～2 hPa，最大風力有所減弱，此時仍有3根等壓線穿過駐市，隨著冷高壓繼續南壓，其后部冷空氣源源不斷進行補充，有利于大風天氣的持續;冷空氣與東南暖濕氣流交匯，形成了降水，但中層水汽條件較差，降水較弱;7日20時，鋒面和500 hPa槽線移出，寒潮大風和降溫過程趨于結束。根據以上分析可知，造成強降溫的主要原因是前期較高的溫度背景、高空強冷平流和地面冷高壓入侵;風的形成原因是較高的氣壓梯度和變壓梯度，駐市3 h變壓達到2～4 hPa時對大風預報具有指示意義。

4 降水相態判據

表2為此次駐馬店降水區10個測站在常規觀測時次的降水相態，7日05時，駐馬店市北部最早出現降水，相態為雨夾雪，降水強度為0.5 mm/h左右，降水落區在1 h之內自北向南迅速推進至全市范圍。06時之后部分站點氣溫降至2℃以下，降水相態也轉為純雪;09時之后隨著氣溫升高，各個站點降水又轉為雨夾雪;12時降水過程趨于結束，過程降水量為小到中雨雪量級。可以看出降水發生時，當地面氣溫2 ℃≤Ta≤4 ℃時，降水相態為雨夾雪;當地面氣溫Ta<2℃時為純雪。

在滿足降水條件的區域，溫度的垂直結構直接決定降水相態[17-21]。由于本站沒有探空，參考南陽站探空資料發現（圖2），6日20時南陽站上空1 000～925 hPa之間有一層淺薄的逆溫層，地面至700 hPa溫度均在0℃以上，此時還未發生降水。高空風場呈現“天南地北”型，即700 hPa以上盛行西南風，以下則為強盛的東北氣流，西南氣流在東北氣流上爬升，上下層風相向而吹，此時段0～6 km垂直風切變非常大（>35m/s），有利于高空能量下傳，對應南陽大風降溫最強時段，但地面圖上冷鋒主體還未到達駐市，僅有弱冷空氣到達駐市西北部，低空暖層相對較厚，駐市大風降溫天氣還未開始。隨著高空冷高壓逐漸南壓，低層受冷平流影響溫度逐漸下降，暖層結構遭到破壞，冷層強度增強，探空資料上表現為0℃層高度由6日20時的2 879 m（700 hPa附近）迅速下降至7日08時的782 m（925 hPa以下），并且在925～600 hPa之間形成深厚的零下等溫層，而925 hPa以下溫度仍大于0℃，此時降水相態為雨夾雪或雪，這是由于高空固態降水粒子經過低層時發生融化造成的，-10 ℃層高度未發生明顯變化的原因和500 hPa仍為暖平流有關。由此可以看出南陽站的探空資料對駐市即將發生的強降溫大風和雨雪天氣有指示性意義。

以上分析表明：溫度廓線圖（T-logp圖）可直觀地表明溫度的垂直分布特征，地面溫度、0 ℃層高度及逆溫結構可指示降水相態變化，是最經典的降水相態判據，但其還需要配合天氣形勢分析;而人為預報經驗缺乏定量的標準，且探空資料時間間隔大，使得人工對短時雨雪過程（12 h）的相態轉變分析有限。

5 結論

通過對2021年駐馬店市首次強降溫大風雨雪天氣過程進行分析，主要得出以下結論。

①此次寒潮過程駐馬店市日平均氣溫24 h降幅達10.3 ℃，最大風速為30.3 m/s，降水較弱但雨雪過程相態復雜且相態轉變較快，整體降水持續時間僅為8 h。

②本次過程屬于橫槽轉豎型，與500 hPa南支槽、700 hPa 輻合線、高空急流、鋒面的存在與發展密切相關，具備短時、突發、影響范圍廣、強災害性的特點。

③前期較高的氣溫、高空強冷平流和動量下傳、地面較大的氣壓梯度與變壓梯度、強的垂直風切變是造成駐市劇烈降溫和大風的主要原因;駐市3 h變壓達到2～4 hPa可作為大風預報指標。

④當850～925 hPa之間存在逆溫層、925 hPa溫度在0℃以下、地面氣溫在4℃以下時，駐馬店降水將會發生降雪;同時地面氣溫Ta<2 ℃時為純雪;2 ℃≤Ta≤4 ℃時，降水相態變為雨夾雪。

⑤南陽站探空資料中0 ℃層高度迅速下降且低層存在逆溫層對駐市雨雪天氣預報具有指示意義。

需要說明的是，本次降水雨夾雪至雪的相態轉變過程很快，臨界點判定也較模糊，上述分析只代表此次個例，相關關系及閾值的確定尚需更多個例的統計。

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