2016年11月下旬一次强寒潮天气过程诊断分析

Diagnostic Analysis of a Strong Cold Wave in the Late November of 2016

摘要: 本文利用实况观测资料及再分析资料，对发生在2016年11月20日~25日天气过程的全国性寒潮天气过程，从气候背景以及部分物理量场进行了诊断分析，结果表明此次寒潮天气过程是属于横槽转竖型，槽后冷空气迅速东移南下以及西太副高异常北抬，是这次寒潮天气过程的直接影响系统；通过对温度平流和假相当位温的分析，发现本次寒潮天气过程的剧烈降温是由于强冷平流促使西北路冷空气迅速东移南下造成的，而对K指数以及垂直速度的分析表明，由于西太副高的异常北抬输送了大量的暖湿气流并与冷空气交汇，使得大气层结不稳定在华北、西南、华南等地区形成了大范围的降水过程。

Abstract: Based on the actual observation data and reanalysis data, this paper makes a diagnostic analysis of the national cold wave weather process from November 20 to 25, 2016 from the climate background and some physical quantity fields. The results show that the cold wave weather process belongs to the horizontal trough to vertical type, and the cold air behind the trough moves eastward and southward rapidly and the western Pacific subtropical high moves northward abnormally, which is the direct influence system of this cold wave weather process. Through the analysis of temperature advection and pseudo-equivalent potential temperature, it is found that the severe cooling of this cold wave weather process is caused by the strong cold advection, which promotes the rapid eastward and southward movement of the cold air in the northwest road. The analysis of K index and vertical velocity shows that due to the abnormal northward lifting of the Western Pacific subtropical high, a large amount of warm and humid air is transported and intersected with cold air, which makes the atmospheric stratification unstable and forms a large-scale precipitation pro-cess in North China, Southwest China, South China and other regions.

1. 引言

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动的过程，是指来自高纬度地区的寒冷空气，在特定的天气形势下迅速增强并向中低纬度地区移动，造成沿途区域剧烈降温、大风和雨雪天气。这种冷空气南侵达到一定标准的就称为寒潮。寒潮天气的主要特点是剧烈降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨凇或霜冻等天气过程。这种冷空气南侵过程达到一定强度标准的天气现象称为寒潮。中央气象台的寒潮标准规定 [1] ，以过程降温和温度负距平相结合来规定冷空气的强度。过程降温是指在冷空气影响过程的始末，日平均气温的最高值与最低值之差；温度负距平是指冷空气影响过程中最低日平均气温与该日所在旬的多年旬平均气温之差。一般将日平均温度的过程总降温高于10℃和温度负距平的绝对值高于5℃的冷空气称为寒潮，将过程总降温大于7℃和温度负距平的绝对值大于3℃称为强冷空气。根据寒潮影响区域的大小，分别定义全国性寒潮和区域性寒潮。寒潮出现的时间，开始时间最早为9月下旬，结束时间最晚是第二年5月。春季的3月和秋天10~11月是寒潮和强冷空气活动最频繁的季节，也是寒潮和强冷空气对生产以及百姓生活可能造成危害最重的时期。

1.1. 研究意义及现状

寒潮爆发时，冷空气所经之处，会相继出现降温、大风、雨雪或冰冻天气，受影响的范围广。大雪、冰冻、雨凇等使交通堵塞，电信中断；沿海地区大风可造成风暴潮及海上翻船事故；强降温对农作物、瓜果及热带作物的冻害影响最为严重；寒潮天气也是影响民航飞行安全的重要天气现象之一，寒潮大风、降水、跑道结冰等天气现象危及飞机起降安全。因此，寒潮对工农业生产和百姓日常生活的影响都很大，是一种灾害性天气过程 [2] 。

但同时寒潮对人类也有一定的益处，研究分析表明，寒潮过程实际上也是高低纬度地区能量交换的过程，冷空气南下的同时，高空低纬度地区的热量向高纬度地区传递，使得低纬度地区降温而高纬度地区增温，从而减小低纬度地区和高纬度地区的温差，在全球热量平衡过程中起着非常重要的作用。当寒潮南侵时，通常会带来大范围的降水，这也有助于缓解冬季的旱情，同时寒潮所带来的大范围降温也有利于小麦灭虫越冬、盐业制卤等。因此，做好寒潮天气预报，服务于国防和经济生产部门以便采取积极措施预防其危害、利用其有利因素有着相当重要的意义。

气象工作者对寒潮天气过程及其伴随的雨(雪)天气过程作了大量的研究，分析了它们发生、发展的物理机制，总结了一些在遇到寒潮天气过程时需要注意的预报着眼点，在天气预报中具有一定的指导意义 [3] 。

近年来对于寒潮天气过程的分析研究，国内外已近有了很大的成果。粱比骐 [4] 归纳了寒潮结构的三个显著特点：寒潮冷空气源地十分深厚；在高空上，冷空气往往表现为一个强低压槽并伴随强锋区的南压；与强风区对应的是，地面有一条寒潮冷锋区。李岩瑛等 [5] 利用武威市的5个测站(民勤、凉州区、永昌、古浪、乌鞘岭)近50年的寒潮天气资料，分析了寒潮天气的气候特征及其出现的高空环流背景，运用了天气学方法建立了该市分月寒潮天气的预报工具。谷秀杰等 [6] 对2006年4月11~12日的寒潮天气过程进行了分析研究，结果表明：该次寒潮天气过程的重要影响系统是高空500 hPa上的横槽转竖；850 hPa上的冷平流是此次强降温的主要原因。而本文所关注的此次2016年11月20~25日的寒潮天气过程正是横槽转竖型的寒潮天气过程。进入新世纪以来，计算机技术发展迅速，因此诊断方法和数值模拟也被应用于寒潮天气过程的研究，许爱华 [7] 利用NCEP 1˚ × 1˚的6小时分析资料和常规气象观测观测等资料，对寒潮天气过程进行了天气动力学的诊断分析，着重分了析寒潮与南方强降雪的关系。杨民等 [8] 对1999年4月21~26日出现在我国西北地区的一次区域性强寒潮过程进行了分析，从天气事实、天气成因及动力诊断等方面进行了分析探讨，结果表明，环流经、纬向型的调整是寒潮酝酿和爆发的直接原因。

1.2. 研究内容及方法

本文研究采用的资料为以下2套：

1) 地面观测站点资料为气象信息综合处理系统(Meteorological Information Combine Analysis and Process System, MICAPS)系统中得到，时间分辨率为逐3小时；

2) 环流形势和物理量诊断数据由美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)提供，时间分辨率为逐6小时，空间分辨率为2.5˚ × 2.5˚。

采用以上2套资料对2016年11月20~25日寒潮天气过程进行天气学原理和天气动力学诊断分析和总结，以期进一步提高对寒潮的科学认识，也为以后寒潮天气的预报提供参考依据。

如无特别说明，本文所提到的时间均为北京时。

2. 过程分析

2.1. 实况回顾

2016年11月20至25日在我国出现了一次全国性大范围的寒潮天气过程，由图1可知此次寒潮天气过程降温幅度普遍超过10℃，其中，华北、华东以及华中等地区降温幅度达到10℃~15℃，局部地区超过20℃。在强冷空气的控制下，20日08时，内蒙古金河、新疆吐尔洪县以及黑龙江老卡林场的最低温度接近−40℃ (图略)，均远低于预报值，此次寒潮的强度可见一斑。

图2显示，此次过程期间(20~25日)，我国南方大部分地区普遍产生明显的降水过程，而且在京津冀、陕西河南分别形成了两个降雪中心，本次雨雪分界线更是到达了江苏–安徽–湖北–湖南等地区，而在华南等区域降雨量超过50 mm，广西、海南的有些地方甚至达到了大暴雨量级，而11月份全国降水量气候态仅为18.8 mm (国家气候中心)，由此可以看出本次寒潮过程造成的降水范围广、强度大与往年同期相比明显偏多。

Figure 1. The actual cooling situation from 20^th to 25^th, November, 2016 (unit: ˚C)

图1. 2016年11月20日至25日降温实况(单位：℃)

Figure 2. Precipitation distribution from 20^th to 25^th, November, 2016 (Unit: mm)

图2. 2016年11月20日至25日降水分布(单位：mm)

2.2. 寒潮天气过程分析

2.2.1. 500 hPa环流形势分析

寒潮是否爆发与冷空气的源地和聚集程度有着密切的联系。由图3可知20日冷空气在我国新疆地区堆积；20~22日，高压脊移至乌拉尔山东侧，西脊前横槽后偏北急流风带也随之东移并出现南压趋势，这为横槽转竖提供了有利的动力条件。而横槽西段的涡度明显大于东段，这说明横槽西段加深得比东段要快，这也为横槽转竖提供了有利的条件，槽前正涡度平流使横槽前东南区域产生负变高，而横槽后部是暖平流正变高，正负变高大致呈西北–东南走向，横槽逐渐转竖；24~25日横槽转竖后逐渐东移南下并与西太平洋副高相配合，由图3可以看出500 hPa的588线已经抬至我国华南地区，由此可知西太副高的北抬输送了大量暖湿气流，造成了我国大范围的降水过程。

Figure 3. Geopotential height field (isoline, unit: dagpm) and temperature field (color filling, unit: ˚C) at 500 hPa at 08:00, (a) 20^th (b) 22^nd (c) 24^th (d) 25^th on November, 2016

图3. 2016年11月(a) 20日08时 (b) 22日08时 (c) 24日08时 (d) 25日08时500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)和温度场(填色，单位：℃)

2.2.2. 地面形势分析

由图4(a)可以看出20日08时在新疆以及内蒙古北部地区等压线十分密集，表面此时梯度风较大，冷锋还未移入我国境内；而到了22日08时~24日08时，随着横槽转竖，冷锋迅速侵入我国，以及西太副高的异常北抬输送了大量的暖湿气流，因此造成了华北地区大规模的降雪(图4(b)、图4(c))；由图4(d)可知，到了25日08时冷锋逐渐移至东南、华南地区，造成了上述地区大范围的降雨过程。

3. 物理量场诊断分析

3.1. 温度平流

根据“Z”坐标系中的热力学方程

$\frac{\partial T}{\partial t}=-V\cdot {\nabla }_{h}T-\omega \left({\gamma }_d-\gamma \right)+\frac{1}{c_p}\frac{\text{d}Q}{\text{d}t}$ (1)

可知，影响一地的温度高低除了非绝热加热项外，还有温度平流项和垂直运动项，其中 $\frac{\partial T}{\partial t}$ 表征气

温的局地变化；

$-V\cdot {\nabla }_{h}T$ 是表征气块在温度水平分布不均匀的区域内保持原有的温度做水平运动时而对局地温度变化的影响程度，称为温度平流变化，当风由冷区吹向暖区时，平流项是负值，表明有冷平流，使局地温度降低；若风由暖区吹向冷区时，平流项是正值，表明有暖平流，使局地温度升高，因此温度变化的大小还取决于温度平流的强度；

$-\omega \left({\gamma }_d-\gamma \right)$ 表示对流项，是指垂直运动对气温局地变化的影响成都，主要通过垂直运动的方向、强度和大气的稳定度来实现的，当大气层结稳定即 ${\gamma }_d-\gamma >0$ (未饱和空气)或 ${\gamma }_s>\gamma$ (饱和空气)时，如有上升运动( $\omega >0$ )当地气温就将下降，反之如有下沉运动( $\omega <0$ )，当地气温就将上升；

$\frac{1}{c_p}\frac{\text{d}Q}{\text{d}t}$ 表示非绝热作用项，气温的非绝热变化是空气与外界热量交换的结果，在低层大气中表现比

较明显。运动着的气团因为受到不同下垫面的影响，并通过辐射、乱流以及蒸发凝结等作用使其温度发生变化。由此可知气温的非绝热变化主要表现在气温的日变化和气团的变性上。在冬季寒潮爆发南下时，非绝热作用以及垂直方向上的温度变化与温度平流相比影响可忽略不计，由此可知温度平流是影响大尺度系统的局地温度变化的主要原因之一 [9] 。

Figure 4. Sea level pressure field (isoline) and surface wind field (barb) at 08:00, (a) 20^th (b) 22^nd (c) 24^th (d) 25^th on November, 2016

图4. 2016年11月(a) 20日08时(b) 22日08时(c) 24日08时(d) 25日08时海平面气压场(等值线)和地面风场(风羽)

图5是以低层850 hPa为例分析的此次强寒潮天气过程中温度平流的时空演变过程。由21日08时图5(a))可知由于欧洲地区低槽发展引起的乌拉尔山高压脊的发展，槽前的暖平流自高压脊后部进入了高压脊北部，进而使得高压脊向东北方向发展，但此时并无明显的冷暖平流；从23日08时~24日20时(图5(b)、图5(c))开始，此时暖平流进入横槽内，冷平流移至横槽前部，而槽后出现暖平流，与此同时横槽逐渐转竖；24日14时开始，有横槽转竖，一股强冷空气开始由西北至东南向开始侵入我国并迅速东移南下，24日20时在新疆西北部以及华中地区分别形成两个极值中心，中心数值小于−100 × 10⁻⁶ K∙s⁻¹，表面冷平流较强，这与前文的分析相一致，由此可知此次影响全国的冷空气是由南北两股冷空气相叠加而增强的；24日20时北部冷空气扩散南压，南部冷空气东移，自内蒙古中部至华中地区形成了一个强冷平流带，并有冷空气自西北向东南持续扩散南下；到25日08时强冷空气逐渐影响全国。

综合分析可知：强冷平流是造成此次强寒潮的主要原因之一。强冷平流一方面与暖平流共同作用促进了蒙古气旋的发展，另一方面也使横槽转竖、冷锋东移南压，造成此次寒潮天气过程的东移南压。

Figure 5. Temperature advection (unit: 10⁻⁶ K/s) and wind field (barb) at 850 hPa at 08:00, (a) 21^st (b) 23^rd (c) 24^th (d) 25^th on November, 2016

图5. 2016年11月(a) 21日08时(b) 23日08时(c) 24日20时(d) 25日08时850 hPa温度平流(单位：10⁻⁶ K/s)和风场(风羽)

3.2. 假相当位温

通常在绝热情况下，气块的温度不但随气压的变化而变化，而且还受水汽凝结和蒸发的影响，因此引入一个描述空气冷暖程度的物理量——假相当位温 ${\theta }_{se}$ [10] 。假相当位温( ${\theta }_{se}$ )是指：气温经湿绝热过程，将所含的水汽全部凝结放出，再沿干绝热过程到达1000 hPa时所具有的温度，其计算公式是：

${\theta }_{se}=T{\left(\frac{1000}{p-e}\right)}^{\frac{R_d}{c_{pd}}}\exp \left(\frac{Lr}{c_{pd}{T}_c}\right)$ (2)

其中 ${\theta }_{se}$ 是温度、气压、水汽含量的函数，是表征稳压湿综合的物理量，假相当位温不但考虑了气压对气块温度的影响，并且还把凝结潜热对气块的增温作用，也做了最大限度的考虑，所以假相当位温在干、湿绝热过程中都具有相当的保守性。由T-lnp图可知，在同一气压条件下， ${\theta }_{se}$ 越大，表示空气越暖湿， ${\theta }_{se}$ 越小，表示空气越干冷。

本文所采用的是2016年11月20日08时~25日08时的NCEP再分析资料，计算出近地层850 hPa高度上的假相当位温(图6)。由图6可知，从21日08时(图6(a))开始，冷空气由新疆进入我国内地，其锋面到达内蒙与新疆的交界处，假相当位温低值中心位于西部利亚中部地区，最低值为262 K，假相当位温大值区位于冷锋的前部，主要集中在河西一带。23日08时(图6(b)、图6(c))，强冷空气进一步东移南压，同时由于非绝热加热的影响，以及西太副高的北抬向华南地区输送了大量的暖湿气流并与冷空气交汇，使冷空气进一步加强，华中华南地区的假相当位温由330 K降至300 K左右，变化幅度大，说明此次冷空气很强，这也是造成本次强寒潮的重要原因之一。到25日08时(图6(d))，全国大部地区的假相当位温均在300 K以下，降温的幅度最高达到30 K，强烈的降温也是此次强寒潮天气过程的特点之一。

Figure 6. Pseudo equivalent potential temperature (unit: K) at 850 hPa at 08:00, (a) 21^st (b) 23^rd (c) 24^th (d) 25^th on November, 2016

图6. 2016年11月(a) 21日08时(b) 23日08时(c) 24日08时(d) 25日08时850 hPa假相当位温(单位：K)

3.3. K指数

K指数是表征大气稳定度的经验指标：

$K=t_{850}-t_{500}+t_{d850}-{\left(t-t_d\right)}_{700}$ (3)

其中t表示温度，t_d表示露点温度，下标为等压面数值。K指数反映的是大气层结的稳定情况，K指数越大，潜能越大，表明大气层结越不稳定；K指数越小，潜能越小，表明大区层结越稳定 [11] 。根据统计得出：K < 20，无雷雨；20 < K < 25，有孤立的雷雨；25 < K < 30，有零星的雷雨；30 < K < 35，有成片的雷雨。

由图7可知，从20日20时(图7(a))开始K指数大于25的区域主要集中在我国新疆西南部、东南以及华南地区，表明这些地区的潜能较大，大气层结较不稳定，且伴有对流性降水天气过程；从21日(图7(b))开始冷空气逐渐东移南下，K指数大于25的范围逐渐减小，主要集中在华南地区，天气较为稳定；但到24日20时(图7(d))，由于西太副高的异常北抬为华南地区输送了大量的暖湿气流，而此时冷空气也已经侵袭至该地区，冷暖空气进一步交汇，使得大气层结较不稳定，因此，此时K指数大于25的范围扩大至西南地区。综合分析，本次寒潮天气过程使冷空气东移南下，而西太副高的异常北抬输送暖湿气流，使得冷暖空气交汇在华南西南地区形成了大规模的降水。

Figure 7. K index at 20:00, (a) 20^th (b) 21^st (c) 23^rd (d) 24^th on November, 2016

图7. 2016年11月(a) 20日20时(b) 21日20时(c) 23日20时(d) 24日20时K指数分布

3.4. 垂直速度

垂直速度是指速度在铅直方向的分量，在大气中小尺度的大气运动较为明显 [12] ，可以表征大气层结的稳定度。分析21日02时~25日02时850 hPa上的垂直速度(图8)，发现21日02时(图8(a))，在山东半岛、西南地区850 hPa为上升区，最大上升中心强度为−0.15和−0.1 Pa∙s⁻¹，根据前面的分析，此时大气层结不稳定上升运动有利于气温的升高，使得该地区的气温持续升高，有利于气旋的发展；在其西北部为一略向北倾斜的下沉运动区，下沉运动有利于高空急流的动量下传，使对流层中低层风力加大，促使上升运动区不断南压；22日02时(图8(b))上升运动区扩展至我国西南地区，上升运动中心强度加强至−0.35 Pa∙s⁻¹，西南地区开始出现降水并逐步增大扩散；23日02时~25日02时(图8(c)、图8(d))上升运动区进一步扩大至西南、华南以及东南地区，此时上述区域气温下降明显，而且由于动量下传作用也造成了大风天气，而降水又进一步加剧了近地面层的下沉运动。

垂直速度的分析表明，此次由山东半岛地区开始的垂直上升运动的发展变化与这次寒潮天气的剧烈降温过程以及降水有很好的对应关系。

Figure 8. Vertical velocity distribution (unit: Pa/s) at 850 hPa at 02:00, (a) 21^st (b) 22^nd (c) 23^rd (d) 25^th on November, 2016

图8. 2016年11月(a) 21日02时(b) 22日02时(c) 23日02时(d) 25日02时850 hPa垂直速度分布(单位：Pa/s)

4. 总结与讨论

寒潮是冬半年主要的灾害性天气之一，与之相伴的往往是大风、强降温、降水、沙尘暴等天气过程。本文对2016年11月20日~25日全国性的寒潮天气过程的分析得出以下结论：

1) 此次寒潮天气过程是出现在高度脊强烈发展并缓慢东移、北半球中高纬环流形势由纬向型向经向型转换过程中。西脊前部强偏北风带南移、横槽涡度西部大于东部、横槽前东南方的负变高和横槽后部的暖平流正变高等促使横槽转竖；南极涡与转竖低槽合并后，低槽明显向南加深，冷空气势力显著加强并开始向南爆发；自西脊西北部入侵小槽压迫高脊向东南方向移动并逐渐崩溃，脊前偏北气流逆转为西北气流，引导冷空气大举向南爆发，造成了此次寒潮天气过程。

2) 此次寒潮天气过程普遍降温超过10℃，其中，华北平原，华东，华中地区降温更是达到10℃~15℃，局部地区有20℃左右；华北地区出现了5~6级的偏北大风；京津冀、陕西河南等华北地区出现了大范围的降雪过程；而华南、东南沿海地区出现了中到大雨，局部地区出现了中到暴雨的大规模的降水过程；500 hPa上，本次寒潮的天气过程为横槽转竖型，前期在新疆西北部至乌拉尔山有一横槽，随后横槽压至我国河套地区，槽前等高线疏散，冷平流及气旋式曲率的疏散等高线结构的正涡度平流使横槽东南方向产生负变高，横槽后部又是暖平流正变高，这预示着横槽即将转竖，而后阻塞高压崩溃，横槽迅速转竖，冷空气大举东移南下，形成了本次寒潮天气过程；同时此次寒潮天气过程伴随着西太副高的异常被抬，输送了大量的暖湿气流与北来的冷空气交汇，使得西南、华南地区出现了大范围的降水。

3) 分析温度平流以及假相当位温的演变可以发现，此次寒潮天气过程的降温是由于横槽转竖促使西北路冷空气迅速东移南下造成的，而假相当位温的大值区与强降温中心有这较好的对应关系。强冷平流与暖平流共同作用使低槽、冷锋东移南下，造成了此次寒潮天气过程；对850 hPa的K指数分析表明，大气层结不稳定状态对动量下传较为有利，不稳定层结的条件与上升气流相结合，以及西太副高的北抬输送了大量的暖湿气流，造成了大范围的对流性天气过程，大气层结的不稳定加之西太副高的异常北抬输送了大量的暖湿气流，造成了我国西南华南地区的大范围降水；对850 hPa上的垂直速度的分析表明，垂直速度的由弱到强的变化与这次寒潮天气过程的剧烈降温有着很好的对应关系，并与此次大风有着密切的联系，垂直速度由弱变强并扩展至我国西南、华南地区与这次寒潮天气过程的降温有着很好的对应关系。

本文对于寒潮天气过程的分析还比较宽泛，没有深究过程变化背后的本质影响因子，有待于日后的进一步深入的研究与讨论；从寒潮的定义以及以上的天气分析、气候诊断分析，还是数值模拟，大多针对寒潮的降温现象，有时寒潮还伴有强降水过程，对寒潮过程中强降水成因的研究还不多，这一工作有待于进一步展开。