潘启学,赵 杰,高红梅

(贵州省黔南自治州气象局，贵州 都匀 558000)

1 引言

寒潮[1-2]指大规模强冷空气自高纬南下给所经地区带来的强烈降温和大风等天气，在水汽条件适宜时，会伴随雨、雪、冻雨等天气。寒潮带来的气温陡降、气压剧变以及连续低温等可能对人的生理、心理产生影响[3]，对牲畜、农作物造成冻害，伴随的降雪、冻雨可致道路结冰，危及交通安全。在全球气候变暖的大背景下，全国各地寒潮活动出现减弱趋势，冬春发生全国性寒潮灾害的频次在减少的情况下[4-6]，寒潮仍是云贵高原东部冬半年常见的灾害性天气之一。2017年2月21—24日黔南出现寒潮，除了气温剧降外，还伴有冰雹、雷电、雨夹雪、暴雨等多种灾害性天气。为加强对寒潮天气的认识或提高预报能力提供有用的参考，本文利用常规资料和NCEP/NCAR 再分析资料对该次和2016年3月9—11日两次寒潮天气过程的天气形势、要素场、数值预报产品进行对比分析。

2 寒潮天气概况

2016年3月9—11日寒潮过程(以下简称“16.3”寒潮)黔南州大部分地区日平均气温降幅达16 ℃以上，州中北部地区最低气温降至-0.6～3.6 ℃，瓮安、都匀低于0 ℃，中北部出现雨夹雪，福泉降小雪(积雪深度0.4 cm)，福泉黄丝和贵定沿山出现5 mm的冰雹，都匀和龙里出现3 mm小冰雹，都匀有微量电线结冰。2017年2月21—24日寒潮过程(以下简称“17.2”寒潮)黔南州中北部日平均气温降幅在14.2～17 ℃之间，大部地区最低气温降至-0.3～2.5 ℃，瓮安低于0 ℃。其中21日08时—22日08时有8个雨量站出现暴雨，76个雨量站大雨，暴雨出现在都匀、独山和三都，最大雨量为三都县羊福67.6 mm；2月22日贵定、龙里出现5 mm的冰雹，2月23—25日州中北部地区有雨夹雪天气。

3 天气形势分析

3.1 高空形势

有利的500 hPa高空低槽引导形势以及与之相伴的强冷中心对寒潮过程强弱程度有着重要影响。“16.3”寒潮，3月5—8日有高压脊在乌拉尔山地区向东发展，在西西北利亚中部形成阻高，在贝加尔湖到西西北利亚南部地区形成横槽，在50°N以南的冷中心为-44 ℃，9—10日(图1a)横槽由横转竖，在我国东北部到西南地区东部形成大槽。而“17.2”寒潮，2月15—21日在乌拉尔山和贝加尔湖之间存在两槽一脊的形势向东移动，“西槽”维持着阶梯槽的结构。低涡中心在50°N以南，冷中心达-40 ℃，22日(图1b)已越过青藏高原的阶梯槽到达我国东北到贵州一线。两次过程500 hPa上均存在有利的形势引导地面冷空气南下影响黔南州，但是高空冷中心的强度、引导形势的不同，使得地面冷空气影响黔南州的强度与路径不同。

图1 2016年3月10日08时(a)，2017年2月22日08时(b)形势分析图Fig.1 Situation analysis.a:08∶00 CST, March 10,2016 and b:08∶00 CST, February 22,2017

3.2 地面冷空气

地面蒙古高压和高空形势关系密切，其高压中心气压高低对寒潮过程强弱程度有着很大影响。“16.3”寒潮，3月7—8日，地面蒙古冷高压中心达到1 060 hPa，冷锋到长江一线，西南热低压在贵州省西南部，低压中心达到1 002.5 hPa。3月8日—3月9日08时，强冷空气从铜仁开始全面影响贵州。

“17.2”寒潮， 2月21日蒙古冷高压中心为1 042.5 hPa，黔南州热低压达到1 005 hPa，冷空气开始影响到贵州省东部边缘，此时北路冷空气越过秦岭到达四川南部—重庆一带，2月22日08时强冷空气从正北路径影响,黔南州气温剧降。

两次过程均有强冷空气影响贵州，但是两次过程冷空气强度及路径不同。“16.3”过程以东北路径影响贵州，冷高压中心强度较强，造成的降温幅度也更明显。“17.2”过程以偏北路径影响贵州，冷高压中心强度较弱，造成的降温幅度相对较小。这与500 hPa形势相对应。

3.3 低层切变和低空急流

在700 hPa和850 hPa上，两次寒潮均存在低空急流和长江横切变，为寒潮过程提供有利的水汽条件和动力条件。“16.3”寒潮，700 hPa低空急流在贵州到苏北一线，风速为16 m/s，850 hPa在贵州北部到浙江存在横切变。“17.2”寒潮，700 hPa低空急流由贵州直抵华北平原，风速22～24 m/s，850 hPa在贵州北部到江苏北部存在横切变。

4 物理量分析

4.1 能量条件分析

4.1.1 对流有效位能 “16.3”寒潮在3月8日20时(图2a)CAPE值达到最大，中心位于州北部，3月8日夜间黔南州北部地区出现雷雨。3月9日福泉、贵定和3月10日都匀、龙里，在CAPE值降低后才出现冰雹，冰雹并不在CAPE高值时出现。“17.2”寒潮在2月21日14时(图2b)CAPE值达到最大，黔南州于夜间出现强对流天气，贵定、龙里出现冰雹，独山、三都等地出现暴雨，强天气和高CAPE值相对应。

图2 “16.3”寒潮(a)和“17.2”寒潮(b)对流有效位能分布(J/kg)Fig.2 “16.3” Cold Wave (a) and “17.2” Cold Wave (b) CAPE Distribution (J/kg)

4.1.2 K指数 K指数在过程发生前达到最大，随着冷空气的影响而减弱(图略)。“16.3”寒潮，K指数在3月8日午后开始增大，在20时大值区位于州中部以北地区，与夜间雷雨天气相对应；“17.2”寒潮，K指数在2月21日上午达到最大，下午北部受冷空气影响，K指数降低，当天傍晚到夜间我州出现雷雨天气。

图3 “16.3”寒潮850 hPa水汽通量(g·cm-1·hPa-1·s-1)与水汽通量散度分布(107g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Water vapor flux (g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence(107g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa in the “16.3” cold wave

图4 “17.2”寒潮850 hPa水汽通量(g·cm-1·hPa-1·s-1)与水汽通量散度分布(107g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.4 Water vapor flux (g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (107g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa in the “17.2” cold wave

4.2 水汽条件

水汽通量表明，“16.3”寒潮，3月9日02时(图3)从北部湾到黔南州北部存在明显的水汽通道，全州存在水汽辐合。 同样“17.2”寒潮(图4)，贵州南部存在明显的水汽输送，贵州中南地部处于水汽辐合区，大值区位于贵州东南部，这与2月21日夜间三都、独山等地出现暴雨相对应。

对比得出，“17.2”寒潮的水汽通量与水汽通量散度的绝对值均比“16.3”寒潮大，同时 “17.2”寒潮的水汽输送与辐合均比较明显，对应的降水量级更大，同时降水所带来的潜热释放对过程降温将带来一定的影响。

4.3 动力条件

两次寒潮黔南均处在垂直速度上升区，并随冷空气的影响南移。在“16.3”寒潮， 3月8日黔南不处于上升中心区，州北部较接近上升中心区(图5)，这与当夜黔南州北部出现的较强降水相对应。同样，在“17.2”寒潮， 2月21日黔南州处于较强上升运动中心区，夜间上升中心向南移动，与州东南部出现的强降水相对应。

图5 700 hPa垂直速度分布(a：2016年3月8日20时；b：2017年2月21日20时)(Pa/s) Fig.5 700 hPa Vertical Velocity Distribution (a: 20∶00, March 8, 2016; b: 20∶00, February 21, 2017) (Pa/s)

4.4 特殊层高度和垂直风切变分析

冰雹的发生与适宜的0 ℃、-20 ℃、-30 ℃层高度有关[7-8]，并与垂直风切变的大小关系密切。研究表明[8]，贵州春季有利于降冰雹的0 ℃、-20 ℃高度在3 800 m左右、6 800 m左右。由表1得知，该两次寒潮过程在冷锋影响时0 ℃层高度在3 632～4 500 m之间，-20 ℃层高度在6 732～7 320 m之间，符合降雹的高度条件，其中 “17.2”寒潮的0 ℃、-20 ℃层高度对降冰雹更加有利。700 hPa到地面的垂直风切变，08时和20时相比较，“17.2”寒潮维持大值，“16.3”寒潮，上游地区由大变小，下游维持大值。

表1 “16.3”和“17.2”寒潮中高空站的特殊层高度(m)及垂直风切变(s-1)Tab.1 Height of Special Layers (m) and Vertical Wind Shear (s-1) of High-altitude Stations During the Cold Waves of “16.3” and “17.2”

4.5 降水相态分析

降水相态与整层的温度分布有关，贵阳探空资料时间剖面图表明，“16.3”寒潮(图6a)，3月8日受冷空气影响后，低层气温逐渐下降，到了10日08时整层气温基本降低到0 ℃以下(地面气温为1 ℃)，这与黔南州北部出现雨夹雪或小雪、个别站有冻雨、积雪相对应。“17.2”寒潮(图6b)在2月24日08时整层气温降低到0 ℃及以下，对应23—24日出现雨夹雪天气。

图6 “16.3”寒潮(a)和“17.2”寒潮(b)贵阳探空资料时间剖面图Fig.6 “16.3” Cold Wave (a) and “17.2” Cold Wave (b) Guiyang time cross-section

5 数值预报与实况对比分析

环流形势上(图略)，EC粗网格对两次寒潮过程形势场、冷空影响时间的预报与实况基本一致，尤其在“17.2”寒潮，700 hPa的西南急流预报较好，预报的持续时间与实况一致。数值预报两次寒潮冷空气达到黔南州北部时间均在午后，根据10 m风场预报来判断，两次寒潮预报冷空气达到黔南的时间偏早1～2 h，与实况非常接近。

降水相态(图略)上，“16.3”过程中，EC预报3月10日夜间850 hPa上0 ℃线达到黔南北部，700 hPa上-4 ℃线在福泉一带，到11日白天700 hPa上-4 ℃线北抬移出黔南，这与实况10夜间福泉降小雪相对应。“17.2”过程中，700 hPa上-4 ℃线基本没有进入黔南境内。这与实况在州北部仅出现雨夹雪，无纯雪的出现相对应。

降水量级(图7)上，“16.3”过程中，EC细网格预报南部有中到大雨，最大达到50 mm以上，而实况是在州北部地区局地有大雨，预报量级比实况大；而在“17.2”过程中，EC细网格预报降水与实况基本吻合，对2月22日的暴雨过程在落区及量级上有很好的体现。

6 小结

①两次寒潮过程强度和北方低槽伴有-40 ℃以下的冷中心、地面蒙古冷高压海平面气压高于1 042 hPa有着密切的对应关系。“16.3”过程冷中心偏低4 ℃，地面蒙古高压中心海平面气压偏高17 hPa，造成黔南最低气温更低、低于0 ℃的站点更多、气温降幅更大。这亦是“16.3”春季寒潮强度比“17.2”冬季寒潮还强的直接原因。

②两次寒潮出现雷雨的时候对应CAPE处在大值期间，而出现冰雹的时间和区域与CAPE大值并不是对应关系。水汽通量散度辐合区和垂直速度上升区及降水中心分布相对应，而“17.2”寒潮的水汽通量散度负值更小，对应的降水更大。

③适合的0 ℃层、-20 ℃层高度和大垂直风切变是降冰雹的有利条件与当地出现的冰雹有指示意义。两次寒潮过程的降雪天气均出现在冷空气影响1～2 d后，此时受冷空气影响，整层气温下降到0 ℃以下。

④数值预报对这两次寒潮过程具有较好的预报能力，对天气形势、冷空气影响时间及降水相态的预报与实况接近。但在降水量级的预报上“17.2”过程存在一定的偏差。

图7 2016年3月8日08时24 h降水预报(a)和实况(b)，2017年2月21日08时24 h降水预报(c)和实况(d)Fig.7 2016030808.024 Precipitation Forecast(a) and Scene，(b)2017022108.024 Precipitation Forecast(c) and Scene(d)

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