1. 引言
寒潮是山西省冬季最主要的灾害性天气之一，除了造成剧烈降温外，还伴有大风、雨雪等灾害性天气，给社会经济、农作物生长、交通安全和人民生命财产造成严重影响。近些年来有很多学者对我国的寒潮天气过程进行了较为全面的分析 [1] [2] [3] [4] [5] ，但由于气候及地理条件复杂且差异较大，各地的寒潮环流形势也不尽相同。每年11月到次年5月之间是临汾市寒潮多发时节，但是能达到超强寒潮的过程较少，针对本次超强寒潮天气过程进行诊断分析，可以为今后超强寒潮过程的预报预警和服务工作提供参考。
2. 寒潮天气概况
2021年11月5~8日，临汾市出现了一次超强寒潮天气，范围广，强度强，其特点有：1) 冷空气强：5~7日全市出现了超强寒潮天气过程，全市48 h最低气温降温幅度平均达14℃，11县市达到超强寒潮标准，最强乡宁48 h降温幅度达16.4℃。8日早晨汾西、乡宁、霍州共3个县市突破建站以来11月上旬同期极值。2) 过程中伴随强降雪，主要雨雪时段集中在6日08时~7日08时，日降水量在4.7~16.9 mm (尧都区)之间，呈现中部大、东西山少，尧都区、乡宁、蒲县纯雪量在10 mm以上(暴雪)。降水过程中伴有雨雪转换，7日08时全市积雪深度为1~13 cm。3) 随着冷空气南下，6日全市出现4~5级、局地6级大风，最大瞬时风速为蒲县18.7 m/s (8级)。7日全市出现4~6级、短时6~8级西北风，最大风速出现在蒲县20.9 m/s (9级)。
3. 环流形势演变特征
图1为500 hPa环流形势场，2021年11月3日08时500 hPa上欧亚中高纬度呈两槽一脊型，在乌拉尔山西部有阻塞高压建立并加强，脊前偏北气流引导极地冷空气向南在西伯利亚地区堆积。5日08时，在贝加尔湖地区有冷涡发展，冷涡中心达516 dagpm，配合有冷中心，冷中心强度为−43℃。贝加尔湖低涡西部伴随着横槽稳定维持，临汾处于南部横槽前偏西气流。
6日08时，横槽东移南压位于新疆东部，临汾受槽前西南气流控制。由于温度槽落后于高度槽，槽前正热成风涡度平流使得高空槽在东移的过程中逐渐加深。低层700 hPa切变线位于河套地区中部，850 hPa切变线超前于700 hPa切变线位于山西西部，同时850 hPa上等温线密集，风向与等温线相垂直，冷平流强。临汾受低层切变线影响，白天出现了降水。到了20时，随着500 hPa短波槽东移，700 hPa和850 hPa切变线也随着东移，临汾市位于700 hPa和850 hPa切变线之间，动力抬升作用增强，且偏南风较08时明显增大，700 hPa风速由6 m/s增大到12 m/s，夜间降水有了明显的增强。降水落区与700 hPa切变线和850 hPa切变线有很好的对应关系。200 hPa上，6日20时临汾位于高空分流区，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。
7日08时，横槽候补由东北风转为偏北风，横槽转竖，同时在河套地区北部发展为冷涡，冷涡中心
Figure 1. 500 hPa Height Field and Temperature Field at 08:00 on the 3rd (a)、08:00 on the 6th (b)、08:00 on the 7th (c)、08:00 on the 8th (d) in November 2021
图1. 2021年11月3日08时(a)、6日08时(b)、7日08时(c)、8日08时(d) 500 hPa高度场和温度场
达548 dagpm，配合有冷中心，冷中心强度为−35℃。临汾此时位于冷涡底前部西南气流控制当中。低层受西北气流控制，水汽条件消失，雨雪天气过程结束。随着环流经向度进一步加大，7日白天风力加大。8日08时，随着高空槽过境，临汾受冷涡底后部西北气流控制。
海平面气压场上，6日08时冷高压位于贝加尔湖西南部，中心强度达到1052.5 hPa，锋面已压至山西北中部地区，地面寒潮冷锋位于850 hPa冷槽前部，高低空系统属于后倾形势。此时临汾市正处于冷锋前，冷锋过境造成临汾市出现了大风、雨雪天气。由于850 hPa锋生作用，在地面冷锋后有锋生作用，使得冷锋得到加强。云图上可以发现此次降水为典型的锋面云系，降水大值区位于亮度最大处后部锋生的地方。由于冷空气强度强，造成温度急剧下降，降水由雨很快转为雪。6日20时，冷高压中心南压加强，高压中心位于甘肃西北部，中心强度达1055 hPa，从冷高压的移动路径可以看出冷空气的移动路径为西北—东南向。寒潮爆发过程中，随着高空冷槽的加深，地面冷锋后的引导气流经向度也加大，利于寒潮冷锋的南下。7日08时，冷高压分裂成两个中心，分别位于在蒙古国和青海西部，强度分别为1052.5 hPa和1055 hPa，临汾仍然处于位于锋后等压线高梯度区。7日20时，锋区东移，等压线梯度减小，风力减弱。8日早晨，临汾气温达到最低。
4. 暴雪成因分析
4.1. 动力条件
此次暴雪过程主要发生在500 hPa槽前西南气流、700 hPa和850 hPa切变线之间、地面锋面附近，见图2。200 hPa位于高空分流区的辐散气流中，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。降水主要分为两个时间段：其中6日白天降水较弱，夜间降水较强。强降水主要发生在850 hPa和700 hPa切变线之间。从尧都区散度和垂直速度随时间演变(图略)可知，6日白天到夜间，700 hPa以下为强辐合，高层为辐散。6日夜间上升运动的伸展高度明显增高，垂直速度达−1.2 Pa/s。沿111.5˚E作6日20时垂直速度的剖面(图4)，发现临汾市此时处于地面锋线后，锋面坡度较缓。临汾市850 hPa以下为下沉运动区，850~200 hPa之间为一致的上升运动区。暖湿气流在850 hPa冷空气垫上爬升造成本次强降水。
Figure 2. System configuration at 08:00 (a) and 20:00 (b) on November 6, 2021
图2. 2021年11月6日08时(a)、20时(b)系统配置
此次暴雪过程主要发生在500 hPa槽前西南气流、700 hPa和850 hPa切变线之间、地面锋面附近。200 hPa位于高空分流区的辐散气流中，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。降水主要分为两个时间段：其中6日白天降水较弱，夜间降水较强。强降水主要发生在850 hPa和700 hPa切变线之间。从尧都区散度和垂直速度随时间演变(图略)可知，6日白天到夜间，700 hPa以下为强辐合，高层为辐散。6日夜间上升运动的伸展高度明显增高，垂直速度达−1.2 Pa/s。沿111.5˚E作6日20时垂直速度的剖面(图3)，
Figure 3. Vertical velocity profile along 111.5˚E at 20:00 on November 6, 2021 (Unit: Pa/s)
图3. 2021年11月6日20时沿111.5˚E垂直速度剖面(单位：Pa/s)
发现临汾市此时处于地面锋线后，锋面坡度较缓。临汾市850 hPa以下为下沉运动区，850~200 hPa之间为一致的上升运动区。暖湿气流在850 hPa冷空气垫上爬升造成本次强降水。
4.2. 水汽条件
此次暴雪过程有充足的水汽供应，从6日20时，沿111.5˚E比湿随高度的剖面(图4)可知，中低层水汽达到4 g/kg，并且在中低层存在向北爬升湿舌，说明暖湿空气在锋面上逐步爬升。从尧都区相对湿度的变化可以发现，6日白天700 hPa以下均为饱和湿区，夜间饱和湿区的高度显著增大，扩展到200 hpa的高度上，水汽条件比白天更好。
Figure 4. Specific humidity profile along 111.5˚E at 20:00 on November 6, 2021 (Unit: g/kg)
图4. 2021年11月6日20时沿111.5˚E比湿剖面(单位：g/kg)
从700 hPa水汽通量散度分布可知，随着系统东移，在中低层存在强的水汽辐合带自西向东移动逐步加强，6日20时临汾市水汽通量散度达−6 × 10−8 g∙hPa−1∙cm−2∙s−1，相应夜间降水较强。
4.3. 相态分析
降水过程中伴随有雨雪转换。全市雨雪转换时间为14时西山转雪，21时全市转雪，次日07时降水结束。
从太原站6日08时、20时tlogp图可以看出，降水时段内，整层水汽饱和。08时低层925 hPa东北回流冷垫特征明显，暖湿空气在低层冷垫上爬升。中低层650 hPa附近存在逆温层，湿层相对比较深厚，但由于850 hPa温度高于0℃，且近地面层温度接近10℃，此时没有出现降雪。到了20时，在700 hPa层存在锋面，850 hPa受冷空气影响，为西北风，700 hPa以上为一致的西南风，且风速较08时增大，湿层更加深厚，锋面抬升，使得临汾市降水强度加大。受冷平流作用，整层温度基本都下降到0℃以下，临汾市基本转为雪。
雨雪性质决定于近地层的温度，这就需要关注冷暖空气的活动，而山西雨雪转换的预报指标为850 hPa温度在−4℃左右，近地层温度在0℃左右。本次过程来看(图5)，6日08时850 hPa大于−4℃，还是
Figure 5. Vertical temperature profile along 36˚N at 14:00 (a) and 20:00 (b) on November 6, 2021 (Unit: ˚C)
图5. 2021年11月6日14时(a)和20时(b)沿36˚N温度垂直剖面(单位：℃)
以雨为主；14时西部山区850 hPa温度在−4℃以下，中东部地区850 hPa温度大于0℃，此时西部山区开始出现降雪；到20时，临汾市850 hPa温度基本在−4℃以下，因此全市降水性质为雪。
对于近地层的温度，统计本次过程中出现降雪时临汾市各个站点的气温，结果发现：西山出现降雪时气温均在0℃以下，平川降雪时平均气温为2℃，东山降雪时平均气温为0.3℃。临汾市平川和山区的雨雪相态阈值并不一致。
5. 寒潮大风成因分析
本次寒潮大风是由500 hPa横槽转竖引导冷空气东移南下，地面冷锋过境引起的。
从蒲县站的温度平流随时间的变化(图6)中可以看到，4~5日临汾处于冷锋前暖区，受弱的暖平流控制，最低温度偏高，5日平川最低温度在11℃左右，山区在7℃~9℃左右，较4日最低气温偏高5℃~7℃。可见寒潮过程前期临汾市处于明显的升温环境中，为后期的寒潮降温和降温强度提供了温度基础。6日08时，700 hPa以下转为冷平流控制，冷平流中心位于850 hPa，表明低层已有冷空气入侵。7日08时近地层到对流层中部均为冷平流控制，可见冷空气逐渐变得深厚，强度也大大增强，为连续两日寒潮天气提供了冷空气条件。
Figure 6. Time dependent variation of temperature advection in Puxian
图6. 蒲县温度平流随时间的变化
从卫星云图分析，前期受高空系统影响，临汾市云量较多不利于辐射降温。7日夜间随着系统过境，天气转晴同时，风力较小，无明显的下沉增温和湍流增温，辐射降温明显。
6日08时随着地面冷锋过境，临汾市位于冷锋后气压梯度大值区，等压线密集，基础风力大。6日08时锋后正变压中心值达+7.7 hPa，变压差在7.2 hPa左右，变压梯度大有利于风力加大。7日08时500 hPa横槽转竖，高低空为一致的西北气流，冷平流较强，下沉运动强。另外，从7日白天，冷平流中心位于600 hPa附近，具有上冷下暖分布特征，这种配置有利于不稳定层结的形成，可促使冷暖空气的上下对流，再加上白天近地层不稳定性加大，湍流加强，利于动量下传，形成地面大风。因此6~7日最大风力出现在7日白天。
6. 寒潮大风成因分析
1) 此次寒潮过程环流形势为横槽转竖型，横槽下甩引导强冷空气向南迅猛爆发，伴随着强的冷高压中心和寒潮冷锋；
2) 700 hPa和850 Pa切变线、地面锋线是造成雨雪天气产生的重要系统，暖湿气流沿冷垫爬升是降雪产生的动力机制，高空分流区加强了上升作用。700 hPa水汽达到4 g/kg，过程中伴有水汽通量辐合区，水汽供应充足。降水相态决定于温度层结的垂直分布，850 hPa温度在−4℃以下，山区气温在0℃以下，平川气温在2℃以下，降水相态由雨转为雪。
3) 寒潮爆发前，临汾市处于明显的升温环境中。爆发期，因受强冷平流的长时间影响，出现显著的持续性降温。横槽转竖配合冷锋后气压梯度大值区，变压梯度大，冷平流较强，加上动量下传，形成地面大风。
基金项目
山西省气象局青年基金项目SXKQNTQ20217169。