1. 引言
寒潮是冬季主要的灾害性天气之一，往往伴随着霜冻､严寒､大风等恶劣天气，对农牧业生产､交通运输、电力设施等诸多方面产生重大影响 [1] [2] [3] [4] [5]。近年来，寒潮的频繁发生已经成为影响社会经济、生态、环境和人体健康的重要问题 [6] [7] [8]，寒潮期间极端低温会导致影响区域的死亡率明显上升，这引起了广泛的公共卫生问题 [9] [10]。IPCC会议指出1880至2012年全球平均温度已升高0.85℃，气候变暖的一个严重可能后果就是导致极端降水、干旱、热浪和寒潮等极端事件更频繁发生 [11]，因此做好寒潮天气预报服务，提前采取防范其带来危害的措施具有相当大的现实意义。
对寒潮的研究，国内外已经有不少研究成果。上个世纪中期，李宪之 [12] 对寒潮进行了多次分析，归纳出寒潮的不同类型，陶诗言 [13] [14] 对冷空气源地和寒潮路径进行了分析，赵连城 [15] 对东亚寒潮路径及其天气做出相关研究，研究指出影响我国的冷空气源地主要有三个，分别位于新地岛以西和以东洋面和冰岛以南洋面上，冷空气都要经过西伯利亚中部地区加强。张丕远 [16] 在研究十六世纪以来中国的气候变换特征得出在暖冬时期盛行东路寒潮，在寒冬时期盛行中、西路寒潮。在近年中，东路寒潮和中、西路寒潮分阶段地交替占据优势地位，由此可以推论，在温暖时期西风带平直少变，在寒冷时期东亚大槽偏西、偏深、多变。仇永炎等 [17] [18] [19] [20] 对寒潮中期过程进行了大量的工作，分析了寒潮中期过程和大气环流中期变化的机制和寒潮中期预报方法，研究了寒潮中期过程的能量特征及其变化机制，表明北大西洋和北太平洋的波能通过斜压过程和波与波的相互作用输送给特征波，使东亚大槽重建而引起寒潮的爆发。丁一汇 [21] 研究了冬季19次东亚寒潮爆发过程中低频扰动的传播特征和行星尺度作用，揭示出冷空气的向南传播主要是一种低频模态的一天周期的振荡。钱维宏 [22] 在研究我国近46年来的寒潮时空变化与冬季增暖后得出，过去的45个冬季，影响中国的普通寒潮(降温10℃~15℃)事件、强寒潮(降温15℃~20℃)事件，乃至降温大20℃的极端寒潮频次都显著减少，并且强度也有减弱趋势，与寒潮减少一致的是冬季大风事件明显减少，而冬季的平均最低温度却明显增加增高。
2021年12月23日至26日，我国经历了一次较强寒潮天气过程，自北向南影响我国中东部地区，大部分地区出现了大风和降温天气，东北、华北及我国中南部部分地区出现了雨雪天气，本文通过对本次寒潮天气过程从天气系统、相关物理量，并重点对东北地区实况天气进行分析，旨在为今后寒潮预报预警提供参考。
2. 资料来源
文内天气形势及相关物理量基于NCAR/UCAR提供的NCEP FNL 1˚ × 1˚ (https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/#!access)再分析资料绘制，实况资料来自中国气象数据网 (http://data.cma.cn)，文内分析所用时间均为北京时间。
3. 天气实况分析
3.1. 最低温度
东三省最低气温统计可知(表1)，此次过程期间最低气温−47.6℃，发生在黑龙江省漠河劲涛站，最低气温−16℃~−24℃有278个站，−24℃~−32℃有1669个站，超过−32℃有669个站。最低温度的变化呈现出随经度和纬度增加而递减的分布。气温分布中(图1)，最低气温低于−40℃的地区主要集中在黑龙江省大部和吉林省东南部，最低气温介于−30℃~−40℃的地区主要集中于吉林省偏北大部和黑龙江省南部，但分布较为分散，最低气温介于−20℃~−30℃的地区基本出现在辽宁省大部，其中，辽宁省北部最低气温显著低于南部。从最低气温可见，由于受到极地或寒带的寒冷空气向中、低纬度侵袭，本次寒潮过程较为极端。
Table 1. Statistics of the lowest temperatures in the three eastern provinces (December 23~December 25, 2021)
表1. 东三省最低气温统计(2021年12月23日~12月25日)
Figure 1. Distribution of minimum temperatures from Dec. 23 to Dec. 25 2021 (08:00~08:00)
图1. 2021年12月23日~12月25日最低气温分布图(08时~08时)
从过程中各国家站气温距平(图2)可以看出，过程开始于23日，在24~25日达到盛期。23日(图2(a))，约有60%的站点出现气温负距平，其中，约有80%站点气温负距平低于−2℃，负距平最大值低于−5℃；24日(图2(b))，降温进一步加剧，东北部国家站中除4个站点外，其余站点均处于温度负距平，其中，超过80%的站点气温负距平低于−4℃，超过60%的站点气温负距平低于−6℃，超过30%的站点气温负距平低于−8℃，负距平最大值低于−9℃；25日(图2(c))除2个站点外，其余站点均处于温度负距平，其中，超过80%的站点气温负距平低于−5℃，超过60%的站点气温负距平低于−6℃，超过40%的站点气温负距平低于−8℃，负距平最大值接近−10℃。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 2. Average temperature anomaly. (a) December 23; (b) December 24; (c) December 25
图2. 平均气温距平。(a) 12月23日；(b) 12月24日；(c) 12月25日
3.2. 大风
从冷空气大风实况(表2)中可知，本次过程中东三省极大风28.6 m/s，发生在吉林省天池站，超过八级风有38个站，极大风速的变化呈现出随经度增加而递增、随纬度增加而递减的分布。从极大风速分布图中发现(图3)，大于18 m/s的地区主要集中于辽宁省大部和吉林省南部，其中，辽宁省南部极大风速显著大于北部。极大风速处于6~12 m/s的地区主要出现在吉林省大部和黑龙江省南部，但分布较为分散，极大风速小于6 m/s的地区主要集中于吉林省偏北地区和黑龙江省北部。从极大风速可见，与最低温度的分布存在一定的差异，东三省南部降温程度大于东三省北部。
Table 2. Statistics of extreme wind speed in the three eastern provinces (23 December~25 December 2021)
表2. 东三省极大风速统计(2021年12月23日~12月25日)
Figure 3. Distribution of extreme wind speed from Dec. 23 to Dec. 25 2021 (08:00~08:00)
图3. 2021年12月23日~12月25日极大风速分布图(08时~08时)
4. 环流形势场
4.1. 200 hPa环流形势分析
由对流层上层200 hPa上23日20时形势可知(图4(a))，在此次寒潮过程中，高空强西风急流非常活跃，存在两处风速超过40 m/s的风速带大值区(高空急流)，分别位于东亚地区的朝鲜半岛、日本、我国渤海、黄海、东海、东北、华北、华中、华南以及西南等地区，以及我国青藏高原西南部地区，范围非常大。而急流核位于我国黄海、朝鲜半岛以及日本南部，其中心最大风速超过了90 m/s。至24日20时(图4(b))急流核向东南方向移动，此时位于我国东海、朝鲜半岛南部以及日本南部地区，且中心最大风速仍超过90 m/s，且此时两块风速超过40 m/s的风速带已经连成一片。25日20时(图4(c))急流核范围有所扩大，且进一步南压，此时位于我国东部沿海、东海、朝鲜半岛南部以及日本南部等地区。至26日20时(图4(d))，高空强西风急流区范围进一步扩大，已经覆盖我国华北以南的大部分区域。表明此次寒潮天气过程中，高空动量下传作用较为显著，为寒潮的爆发提供了有利的环流形势。
4.2. 500 hPa环流形势
由本次过程中的500 hPa形势场(图5(a))可知，23日20时冷空气在我国内蒙古东北部以及黑龙江省北部地区堆积，基本环流形势为“两槽一脊”型，东北冷涡在黑龙江省北部形成，横槽位于我国黑龙江省北部、内蒙古东北部地区以及贝湖东侧一线，我国东北、内蒙古东部以及华北地区有另一槽线，脊线位于我国新疆北部以及贝湖西部地区。而风速大于20 m/s的急流区位于我国东北、内蒙古东部、华北、华中、华南、西南以及青藏高原地区，且在横槽后部形成了较大范围的偏北急流风区。至24日20时(图5(b))，随着冷空气的东移南下，横槽后部的偏北急流风区也随之向东移动并出现了南压趋势。与此同时，东北冷涡也向东南方向移动，且此时急流区也进一步向东南方向移动。至25日20时(图5(c))横槽开始逐渐转竖，且位于横槽北部的偏北急流风区范围进一步扩大，其中心最大风速已经超过了40 m/s，这也进一步加速了横槽转竖，同时西太平洋副热带高压东退显著。至26日08时(图5(d))，横槽转竖，冷空气加速发展，影响我国大范围地区，此时南支槽位于我国云南西南部地区，槽前西南气流向北输送暖湿气流，冷暖气团交汇。由以上分析可知，造成此次大范围寒潮天气过程的主要天气系统是位于我国黑龙江省北部、内蒙古东北部以及贝湖东侧的横槽转竖，冷空气东移南下，与南支槽带来的大量暖湿空气交汇。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 4. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 200 hPa height field (Unit: dagpm), wind field (Wind speed ≥ 40 m/s)
图4. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。200 hPa高度场(单位：dagpm)、风场(风速 ≥ 40 m/s)
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 5. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 500 hPa height field (Unit: dagpm), wind field (Wind speed ≥ 20 m/s)
图5. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。500 hPa高度场(单位：dagpm)、风场(风速 ≥ 20 m/s)
4.3. 850 hPa环流形势
从850 hPa形势图中可以看到，23日20时(图6(a))，850 hPa欧亚大陆中高纬度地区同样表现为“两槽一脊”，系统略有前倾，槽线分别位于我国新疆西北部巴尔喀什湖西侧以及我国东北至辽东半岛一线，脊线位于贝湖西北侧，与200 hPa高空急流区(图6(a))相比，在850 hPa上的低空急流区位置偏东南，低层辐合高层辐散，有上升运动。到24日20时(图6(b))，850 hPa上低环流中心也向东南方向移动，风速大于12 m/s的急流区向南移动，覆盖我国内蒙古东部、华北东部、渤海、黄海以及东海地区，槽线也进一步南压。至25日20时(图6(c))，风速大于12 m/s的急流区范围进一步扩大，已覆盖至我国东南沿海以及南海地区，此时槽线已移至巴士海峡以及我国东海一线。至26日20时(图6(d))，低环流中心已移至日本东北部，寒潮天气侵袭我国大部地区。此次寒潮过程中，在低层850 hPa上基本表现为“两槽一脊”型，槽线不断东移南下，引导冷空气也逐渐东移南下，造成此次全国大范围地区温度急剧下降。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 6. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 850 hPa height field (Unit: dagpm), wind field (Wind speed ≥ 12 m/s)
图6. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。850 hPa高度场(单位：dagpm)、风场(风速 ≥ 12 m/s)
4.4. 海平面气压场
海平面气压场(图7)表现为强冷空气抵达之前，东三省受暖平流影响，天气晴好，升温明显，为形成寒潮提供了有利的条件。从本次过程中的地面图可以看出：23日20时(图7(a))，在贝加尔湖北部形成一个中心超过1056.0 hPa的冷高压，冷空气前锋已经压在东三省西部，寒潮天气爆发；至24日20时(图7(b))，高压主体孙迅速东移南下，冷气团范围逐步扩大，强度也有所加强，锋后等压线密集，东三省出现阵风6~7级的大风和强降温天气，并伴有弱雨雪天气。
5. 物理量场
由23日20时(图8(a))可知，我国大范围地区有明显的冷平流，在内蒙古东北部以及宁夏、甘肃地区形成了两个极小值中心，其中心数值小于−25 × 10−6 K/s，而0℃等温线位于我国新疆北部、内蒙古中西部、山东半岛一线。至24日20时(图8(b))，冷平流范围也进一步扩大，已覆盖我国内蒙古中东部、东北、华北以及东南沿海地区，普遍小于−5 × 10−6 K/s，且在山东半岛南部形成了一新的极小值中心，其中心数值小于−30 × 10−6 K/s，0℃等温线也进一步南压至华中地区。至25日20时(图8(c))，强冷空气侵入我国
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 7. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. Sea level pressure field (Unit: dagpm)
图7. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。海平面气压场(单位：dagpm)
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 8. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 500 hPa temperature advection (Unit: 10−6 K/s)
图8. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。500 hPa温度平流(单位：10−6 K/s)
并迅速东移南下，冷平流区也进一步向南移动。26日20时(图8(d))，冷空气持续东移南下，逐渐影响全国，0℃等温线也进一步南压至华南以及东南沿海地区。综合分析可知，此次寒潮天气过程中有明显的冷平流，冷暖平流相互作用促进了冷暖气团的交汇发展，这也为寒潮的进一步发展提供了有利条件。
5.1. 500 hPa涡度场分析
由12月23日20时(图9(a))可知，在500 hPa上，正涡度区分别位于我国内蒙古东北部、黑龙江省北部地区，以及贝加尔湖西南部，其中心中心数值超过1.5 × 10−5 s−1，而负涡度区在蒙古国西南部以及朝鲜半岛地区，中心值小于−1.2 × 10−5 s−1。24日20时(图9(b))，两个正涡度区均东移南下，分别移动至我国内蒙古西北部与蒙古国交界处，以及东北地区，且贝湖西侧的负涡度区范围也进一步扩大，因此在内蒙古中部以及中西部地区形成了两处强涡度梯度带，呈西北东南向分布。到25日20时(图9(c))，正涡度区进一步东移南下至我国内蒙古中部以及华北等地区，且中心值仍超过1.5 × 10−5 s−1，同时负涡度区也南下至我国华中以及东南沿海地区。随后至26日08时(图9(d))，位于内蒙古中部以及华北地区的负涡度区范围有所增大，其中心数值低于−0.9 × 10−5 s−1，同时正涡度区也进一步覆盖至我国华北以及山东半岛地区，
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 9. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 500 hPa vorticity (Unit: 10−5 s−1)
图9. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。500 hPa涡度(单位：10−5 s−1)
因此在内蒙古中部以及华北北部地区的强涡度梯度带的梯度也有所增大。综上所述，在500 hPa上，正涡度中心与高度场上的低值中心位置配合较好，槽线也出现在涡度梯度的大值区，这种正负涡度的交替移动有利于空中槽的持续东移南下。
5.2. 850 hPa水汽条件分析
通过对850 hPa上水汽通量以及水汽通量散度的分析发现(图10)，在此次天气过程中有较强的水汽聚集过程，23日20时(图10(a))由孟加拉湾以及我国南海地区输送至华南、西南等地区大量暖湿气流，而水汽通量散度的辐合中心分别位于我国西南以及东南沿海地区，辐合中心强度超过−30 × 10−7 kg/m2·s，表明此时在上述地区的水汽含量较为充沛。至24日08时(图10(b))，随着冷空气的不断发展，高低层气流交汇，而此时在日本南部地区也形成了水汽通量散度的辐合中心，其中心强度超过−50 × 10−7 kg/m2·s，且仍有大量水汽输送至我国西南以及华南地区，为降水的发生发展提供了有利条件。至25日20时(图10(c))，在我国南海以及台湾海峡地区形成了水汽通量散度的辐合中心，其中心强度超过−40 × 10−7 kg/m2·s，而通过对水汽通量的分析发现，此时转变为由西太平洋地区向我国输送水汽。至26日08时(图10(d))，大量水汽在我国西南以及华南地区聚集，为降水的持续提供了有利的水汽条件，且此时水汽通量散度的辐合
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 10. (a) 20:00 on 23 December; (b) 20:00 on 24 December; (c) 20:00 on 25 December; (d) 20:00 on 26 December. 850 hPa water vapor flux and wind field (Unit: 10−7 kg/m2·s)
图10. (a) 12月23日20时；(b) 12月24日20时；(c) 12月25日20时；(d) 12月26日20时。850 hPa水汽通量以及风场(单位：10−7 kg/m2·s)
中心在我国四川省南部以及云南省北部地区，中心强度超过−40 × 10−7 kg/m2·s，这也与前文分析的寒潮天气过程中降水区的分布特征一致，即在我国西南地区形成了降水大值区。由此可知，在此次寒潮天气过程中全国大范围地区出现降水，是由低层水汽的不断聚集，与高空干冷空气交汇所造成的。
6. 结论
1) 从最低气温可见，由于受到极地或寒带的寒冷空气向中、低纬度侵袭，本次寒潮过程较为极端。极大风速与最低温度的分布存在一定的差异，东三省南部降温程度大于东三省北部。
2) 此次寒潮天气过程大部分地区降温达10℃以上，其中在华北、华东以及华中等地区降温达到10℃~15℃，局部地区达到20℃以上。此外还出现了大范围的降水过程，且持续时间较长，其中在我国云南省东部、贵州省、广西省北部以及湖南省西部地区为降水大值区，其24小时降水量为10~50 mm。
3) 此次寒潮天气过程中，在200 hPa上，强西风急流区覆盖我国东北、华北、华东、华中以及华南地区，高空动量下传作用较为显著。本次寒潮的天气形势为横槽转竖型，我国黑龙江省北部、内蒙古东北部地区以及贝湖东侧一线为横槽，随后横槽不断发展，进入我国境内，随着横槽逐渐转竖，引导冷空气东移南下。在低层850 hPa上基本表现为“两槽一脊”型，槽线不断东移南下，引导冷空气也逐渐东移南下，并与南支槽带来的大量暖湿气流交汇，共同作用下造成此次全国大范围地区出现降水过程。造成此次全国范围的寒潮天气过程的地面系统，主要是冷高压的南压，推动锋面系统东移南下，影响我国东北、华北、华中至华南地区，冷锋过境还造成全国大范围地区气温急剧下降。
4) 对温度平流进行分析发现，在此次寒潮天气过程中，冷暖平流相互作用促进了冷暖气团的交汇，为降温以及降水过程提供了有利条件。在500 hPa上，正涡度中心与高度场上的低值中心相对应，这种正负涡度的交替移动有利于空中槽的持续东移南下。通过对850 hPa上的水汽通量以及水汽通量散度的分析可知，此次大范围的降水过程，是由低层水汽的不断聚集与高空干冷空气交汇所造成的。