1. 引言
新疆地处欧亚大陆腹地，地形以“三山夹两盆”为主，特殊的地理环境使其成为我国春季强冷空气活动最频繁的区域之一，强冷空气过程常伴随大风、风切变、降温、低能见度及雨雪等复合天气，不仅对农业生产、生态环境造成显著影响，更直接威胁区域机场的运行安全[1] [2]。因此，深入解析新疆区域机场强冷空气过程的环流特征，是提升航空气象预报预警能力、保障机场运行安全的关键前提。
强冷空气的活动本质是大尺度环流系统调整的结果，国内外学者已针对中纬度冷空气过程开展了大量研究。在环流形势方面，欧亚地区500 hPa“两槽一脊”型是引导冷空气南下的典型环流配置，其中乌拉尔山高压脊的发展与西西伯利亚低槽的加深，是冷空气堆积与爆发的核心环流条件[3]，冷空气在西西伯利亚上空堆积增强，乌拉尔山高压脊强烈发展并缓慢东移南压，导致西伯利亚低涡不断分裂，分成南北两支，将在蒙新高地发展成切断低涡，低涡槽后偏北气流引导冷空气向南爆发，造成北疆地区的强寒潮天气[4]。高空急流作为强冷空气过程的重要动力因子，其结构与演变对天气系统的发展具有显著调制作用，200 hPa高低空急流的耦合可增强垂直上升运动，进而促进降水与大风的发展[5]，极地环流系统对中纬度冷空气的影响同样不可忽视。北极极涡作为北半球冷空气的“源地”，其形态与强度变化直接决定了冷空气的输送路径：当极涡呈现多中心分裂结构时，经向环流增强，北极冷空气更易向南侵袭[6]，气候变暖以来，冬季AO对新疆冬季平均气温的影响呈非对称型，冬季AO正异常与新疆冬季平均气温正距平的关系一一对应；冬季AO负异常时，新疆冬季平均气温距平的正负取决于东北半球极涡的强弱和中纬度70˚E以东区域的位势高度距平[7]。
综上，现有研究已明确大尺度环流、高空急流、极地系统对强冷空气的影响，但针对新疆区域机场这一特殊场景，不同层次环流的协同作用特征、环流与机场强天气要素的对应关系仍有待深入。本文以2024年3月新疆区域机场强冷空气过程为案例，系统分析其高–中–低层及极地环流特征，旨在揭示新疆区域机场强冷空气过程的环流驱动机制，为提升航空气象精细化预报能力提供理论支撑。
2. 天气实况分析
2024年3月13~16日，受乌拉尔山南下强冷空气影响，北疆大部、天山山区等地出现小到中量雨转雨夹雪或雪；北疆大部、喀什–和田–于田一线出现5~6级偏西风，库尔勒–若羌–且末一线出现5~6级东北风，盆地部分机场出现扬沙、沙暴、强沙暴或浓浮尘等天气；气温方面，北疆大部、东疆地区降温幅度达8℃~22℃，南疆大部降温4℃~7℃。全疆除吐鲁番和阿拉尔机场外，其他机场均不同程度受到该天气系统影响。
本次天气过程期间，各机场降水形态以雨、雨夹雪、雪为主，部分机场伴随冻雾、轻雾等天气(表1)。其中，喀纳斯机场最低能见度仅150 m，若羌机场最低能见度300 m，且末机场最低能见度700 m；博乐机场累计降水量最大，达10.1 mm (13日小雨6.4 mm、14日小雨0.8 mm、14日夜间至15日凌晨雨夹雪转雪2.9 mm)，积雪深度达8 cm；那拉提机场累计积雪深度7 cm (14日积雪2 cm、15日新增5 cm)。大风方面，北疆大部以偏西风为主，南疆西部及喀什–和田–于田一线偏西风显著，库尔勒–若羌–且末一线以东北风为主。伊宁机场最大阵风达19 m/s，那拉提机场最大阵风19 m/s，若羌机场最大风速13 m/s，莎车、喀什机场最大阵风15 m/s。部分机场出现持续性大风天气，如库尔勒机场13日13时~14日03时、13日晚至16日晚持续东北风5~13 m/s。降温幅度呈现北强南弱的特征。喀纳斯机场降温幅度最大，达22℃；阿勒泰机场降温18℃，伊宁、塔城机场降温14℃；南疆各机场降温幅度相对较小，普遍在4℃~7℃之间，喀什、莎车、和田等机场降温均为4℃。
Table 1. Weather record during the weather process
表1. 天气过程期间天气实况记录
机场 |
天气现象 |
最大风速/阵风风速(m/s) |
最低能见度(m) |
降温幅度(℃) |
伊宁 |
-RA, SN, -SN, BR |
11/19 |
900 |
14 |
那拉提 |
-RA, -SN, BR |
14/19 |
1400 |
8 |
塔城 |
-RA, -SN, BR |
09 |
1200 |
14 |
博乐 |
-RA, -SNRA, -SN, BR |
- |
2000 |
4 |
喀纳斯 |
-SHRA, FZFG, BR |
10 |
150 |
22 |
阿勒泰 |
-SN |
08 |
≥10,000 |
18 |
富蕴 |
-SN, FZFG |
09 |
600 |
9 |
喀什 |
- |
09/15 |
≥10,000 |
4 |
莎车 |
SA |
09/15 |
1800 |
4 |
库尔勒 |
- |
13 |
≥10,000 |
10 |
和田 |
DU, SA |
09 |
2400 |
4 |
若羌 |
DU, SA |
13 |
300 |
7 |
库车 |
SA |
10 |
4000 |
6 |
哈密 |
DU |
10 |
5000 |
9 |
于田 |
DU, SA |
10 |
1200 |
4 |
且末 |
DU, SA |
07 |
700 |
4 |
图木舒克 |
DU, SA |
06/13 |
2000 |
7 |
注：-RA为小雨，SN为雪，-SN为小雪，BR为轻雾，-SHRA为阵雨，FZFG为冻雾，DU为浮尘，SA为扬沙。
3. 环流形势
3.1. 高层环流
高空100 hPa环流形势呈4波型，亚洲环流较平直，长波槽在西西伯利亚地区发展并加深，分为南北两支，新疆地区处于南支槽前，为水汽输送和上升运动提供了有利的大尺度环流背景(图1(a))，此次天气过程200 hPa风场南北支急流结合的影响，一支源自新地岛沿北欧脊前南下的西北急流，另一支来自中亚地区的偏西急流；南下的西北急流东移，使得新疆中部上空的急流显著增强(图1(b))，其中在高空500 hPa伊犁河谷–天山山区–北疆沿天山一带的风速最强，急流的耦合作用为天气过程的发展提供了强劲的动力条件。欧亚范围内高空500 hPa环流形势经历了纬向环流向径向环流的调整，呈现两槽一脊型。新地岛的冷空气南下，欧洲脊衰退，里咸海脊持续发展，西西伯利亚低槽的东移加强是环流形势演变的核心特征(图1(c))。14日起，欧亚环流形势出现显著变化，欧洲脊发展，新地岛低槽伴随冷空气南下，在欧洲脊前较强的西北气流作用下，北方低槽南下至乌拉尔山地区，并与南支锋区上的低槽结合，使其逐步增强。15日后，欧洲脊衰退，正变高南下叠加在里咸海脊上，致使西西伯利亚槽后的冷平流向南移动，有利于低槽在东移过程中加强加深，槽前西南风区进一步增强，西侧国境线上西南风速达30 m/s以上。
(a) (b)
(c)
Figure 1. High-level circulation situation at 08:00 on March 13. (a) 100 hPa, (b) 200 hPa, (c) 500 hPa
图1. 3月13日08:00高层环流形势。(a) 100 hPa、(b) 200 hPa、(c) 500 hPa
3.2. 中低层环流
高空700 hPa上(图2(a))，14日西南风速增强至16~25 m/s，中亚地区西南风速的增大促使大量水汽向北输送，巴湖至北疆地区的温度露点差 < 4℃的站点数量明显增多，表明该区域湿度条件充沛。低槽携带着冷空气在伊犁河谷和南疆西部不断增强，引发北疆西部和南疆西部地区的大风天气，同时造成伊犁河谷至北疆沿天山一带、天山山区的大降水，以及全疆大部的降温过程，850 hPa形势与700 hPa相似(图2(b))。地面环流形势分析表明(图2(c))，此次冷空气源于西方路径。地面冷高压中心由欧洲地区南下至里咸海，再向东移动，13日高压中心强度为1030 hPa，在推动冷锋东移的过程中迅速增强，导致北疆西部风速加大，出现小雨天气。14~15日，随着冷锋压境，北疆偏西部分地区降水相态由雨转变为雪，高压中心强度增至1035 hPa，高压中心经塔城地区进入北疆，同时受气压梯度大的影响，北疆大部和南疆西部出现5~6级左右的西北阵风，北疆部分地区在冷锋前后的气压差达20 hPa，温差达15℃。
(a) (b)
(c)
Figure 2. Mid-low level circulation situation at 08:00 on March 13. (a) 700 hPa, (b) 850 hPa, (c) Sea level pressure field
图2. 3月13日08:00中低层环流形势。(a) 700 hPa、(b) 850 hPa、(c) 海平面气压场
3.3. 极地冷空气
本次过程中极涡的“多中心结构”，高度场呈现多个闭合低压中心，说明此时北极极涡并非单一的“绕极环流”(图3)，而是分裂为多个低涡中心(如格陵兰岛附近、欧亚大陆北部、太平洋北部均有低压中心)。西伯利亚北部与北极中心的位势高度差较大，说明高空经向环流较强。极涡温度场特征表现为，结合200 hPa的高度层(平流层底部)，温度场的分布与高度场高度耦合，冷中心对应低压中心，温度最低的区域，符合“冷性低压”的热力–动力匹配关系——平流层底部的冷空气堆积，对应位势高度降低。温度等值线与高度场等值线基本平行，且在高纬度(北极圈附近)出现密集的温度梯度带，反映了平流层底部的极锋区(冷暖空气交汇带)，这也是高空急流(200 hPa急流)的潜在位置。3月是北极冬末向春季过渡的阶段，此时平流层环流正经历“平流层变暖”的过程(冬季极涡的冷性结构逐渐被破坏)，图中的特征恰好体现了这一阶段的典型形态，冬季北极极涡通常是单一的绕极冷性低压，而图中极涡分裂为多中心，说明平流层变暖过程已开始影响极涡结构——平流层的暖空气入侵北极，导致极涡分裂、经向环流增强。
Figure 3. Distribution of polar vortex at 08:00 on March 13
图3. 3月13日08:00极涡分布
4. 结论
1) 高低层环流协同驱动天气过程发展高层环流中，100 hPa南支槽前为新疆提供了水汽与上升运动的大尺度背景，200 hPa南北支急流的耦合增强了新疆中部的动力条件；500 hPa经向环流调整形成的两槽一脊型，通过欧洲脊、里咸海脊与西西伯利亚低槽的演变，引导新地岛冷空气南下并与南支低槽结合，为强天气提供了环流基础。中低层700 hPa西南急流的水汽输送与地面冷高压的东移增强，进一步触发了北疆的降水、全疆的大风与降温，各层次环流的协同作用是此次天气过程的核心驱动机制。
2) 极地环流异常为冷空气活动提供背景北极200 hPa平流层底部的极涡呈现多中心分裂结构，结合冬末平流层变暖过程，极涡的经向环流增强，促进了北极冷空气向中纬度的输送；极涡冷中心与低压中心的热力–动力匹配，以及高纬度密集的温度梯度带，不仅反映了平流层的环流特征，也通过垂直耦合作用为中纬度冷空气南下提供了极地背景条件，是此次新疆强天气过程的重要环流前兆信号。
3) 天气过程的区域特征与环流关联明确此次天气过程中，北疆降水相态的转变(雨转雪)、大风风向的区域差异(北疆偏西风、南疆东北风)，以及降温的北强南弱特征，均与环流的空间分布直接相关，北疆处于500 hPa强锋区与地面冷高压底部等压线密集区，导致降水强度大、降温幅度高；南疆受环流配置影响，风力与降温相对较弱，环流的区域差异直接决定了强天气的空间分布特征。