河西走廊东部2016年5月三次寒潮天气对比分析

杨梅

（1甘肃省武威市气象局，甘肃  武威  733000）

摘要: 利用1986-2015年河西走廊东部逐日气温、高低空观测资料、区域自动站雨量，对河西走廊东部寒潮天气的时空分布以及2016年5月的三次寒潮天气进行对比分析。河西走廊东部寒潮由北向南减少，中部最少;出现次数的总趋势下降，但年代际发生频次差异较大并呈增多趋势，2-5月出现频次达51%，最早开始时间均在9月。2016年5月的这三次寒潮天气的强弱与极涡偏心于东亚的早、东亚大槽强度有关；前期均强烈升温，有冷空气在西伯利亚及贝加尔湖堆积并向河西走廊侵袭，河西走廊上空均由强盛的冷平流控制，地面冷高压均进入关键区并达到寒潮强度; 这三次过程的中高纬环流形势不一样，500hPa横槽南压造成的降温比小槽东移更强烈。但由于寒潮发生的环流背景、影响系统及冷空气的强度、移动路径，潮前回暖程度，高低空冷暖平流的空间配置不同，因此这三次过程的降温幅度，造成的影响范围、强度和受灾情况有较大的差异。

关键词:河西走廊东部;寒潮;极涡异常;地面冷高压;冷平流 

Comparative analysis of three cold wave weather in East of Hexi Corridor in May 2016

Yang Mei

(Wuwei Meteorological Bureau of Gansu Province, Wuwei Gansu 733000)

Abstract: Based on daily temperature observations,high and low altitude observation data and egional automatic station rainfall in East of Hexi Corridor during 1986-2015,the temporal and spatial distribution of cold wave weather and three regional processes in May 2016 were compared and analyzed. Analysis shows that the regional distribution from north to south, central to a minimum; The overall trend in frequency of occurrence is declining, but the intergenerational frequency is increasing, monthly change is clear, with the frequency was 51% in the 2-5 months and the earliest start time on September in the eastern of Hexi Corridor. The strength of the three regional cold wave is related to the polar vortex eccentric and east Asia deep trough; All are on the basis of increasing temperature in the early, Strong cold air has piled up in Siberia and Lake Baikal, So Hexi Corridor controlled by the strong cold advection, the surface cold high pressure into the key area and cold wave strength; Three process in high latitude circulation are different, the temperature drop caused by the 500 hPa horizontal trough south pressure is more intense than small trough eastward. However the cold wave occurred circulation background, the influence system and cold air's strength, development and traverse route, before the tide recovery, the space configuration of the high-low cold and warm advection is different. So the three process of cooling rate and the impact of the scope, intensity and disaster situation are also significantly different.

Key words: East Hexi Corridor; Cold Wave weather; Polar vortex abnormality; Surface cold high pressure; Cold advection

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引　言

强冷空气（或寒潮）是我国冬春季的灾害性天气之一，剧烈降温的同时伴有大风、降水和冻害等灾害性天气，对社会经济发展和人民生命财产造成严重损失^[1-2]。根据中国气象局最新业务规范并结合实际情况，寒潮天气的天气学标准：当平均气温降温幅度24h≥10℃或48h≥12℃，且当日最低气温≤5℃；或当日最低气温降温幅度24h≥8℃或48h≥10℃或72h≥12℃，且日最低气温≤4℃的冷空气，为一个寒潮日。钱维宏^[1]、毛炜峄等学者^[3-7]对全国或地方性寒潮时空变化特征统计分析，总结出影响中国大陆的冷空气源地、路径和环流形势，并得到一些预报指标，但由于气候及地理条件差异较大，各地的寒潮过程也不尽相同。寒潮多发生在过渡季节的春秋两季(约占寒潮总数的80%以上)，且70%以上的寒潮伴有沙暴、降水、霜冻、冻雨等天气^[2]，对农牧业、工业、交通等影响较大。王锡稳等^[8-16]对我国错综复杂的寒潮天气环流形势以及天气动力学诊断和数值模拟做了一些研究。近十几年来， 随着全球气温明显升高，尤其冬季增温显著，很多分析结果表明，20世纪50年代以来中国各类寒潮的发生频次呈减少趋势，且强度有所减弱^[1]。河西走廊地处甘肃省西部，远离海洋，深居欧亚大陆腹地，水热条件分布不均，是典型的干旱与极干旱地区，寒潮是河西走廊的最严重的灾害性天气，具有经济损失大、受灾范围广、防范难度大的特点。河西走廊东部寒潮天气主要出现在3-5月，占全年寒潮天气的47～55%，因此，非常有必要对2016年5月在同一季节出现的三次典型寒潮天气的环流背景、影响系统、冷空气活动等进行对比分析，揭示河西走廊东部寒潮天气的形成机制，不但可以为寒潮的准确预报提供可靠的科学依据，进而不断提高寒潮的预报服务水平。

1 资料与方法 

    利用河西走廊东部1986-2015年凉州区、民勤、古浪、乌鞘岭、永昌五站的逐日平均气温和最低气温、高低空观测资料、区域自动站雨量，分别以日最低气温、日平均气温任意一种达到标准作为寒潮定的指标，运用天气学、动力学和统计学相结合的方法，分析了寒潮的时空分布特征，年、月际变化规律，初、终日的分布和其他相关气温分布状况以及同一季节的三次寒潮天气的大气环流背景、影响系统、冷空气活动等的差异对比方面。

2 气候特征

2.1 空间分布

河西走廊东部寒潮天气基本呈现北多中部少。1986-2015年间河西走廊东部的寒潮天气大部在100次左右，北部民勤由于地处沙漠地区晴天最低气温降幅比较大以及容易受到东北向冷空气入侵的影响，寒潮出现最多117次；由于凉州属于盆地地形, 冷空气不容易入侵，寒潮出现最少78次；乌鞘岭属于高海拔山区，冷空气对日最低气温的影响较小，寒潮出现88次。这种分布不仅与地理条件（纬度、海拔高度、地貌等）还和冷空气的路径有直接关系。

图1  河西走廊东部寒潮空间分布图

Fig.1  The cold wave spatial distribution in East of Hexi Corridor from 1986 to 2015 

2.2 月季分布

寒潮天气多出现在秋冬和冬春交替时段。从表1可以看出4月寒潮出现次数及站次最多，共44次89个站点出现，占总次数的16%；10月寒潮出现次数次之，出现36次，占13%；6月寒潮出现次数最少，仅4次，占1%；12、2、3、5月寒潮出现次数均在30次以上，年平均出现0.09-0.12次/ａ，其中3月的寒潮出现站次为62，为寒潮出现站点次之的月份。9、11、1月年平均出现分别为0.05、0.10、0.09次/ａ。

表1　河西走廊东部各月寒潮过程出现次数及站次

Table 1  The number of times of the cold wave in East of Hexi Corridor

2.3 初、终日期

河西走廊东部寒潮最早开始时间均在九月，平均开始日为9月10-11日，平均结束日为5月30日。南部山区出现略早，结束迟，最早开始日为9月1日（1997年），最晚结束日为6月7日（1998年）；中部凉州出现略迟，结束较早，最早开始日为9月20日（2009年），最晚结束日为5月24日（1998年）；北部的民勤、永昌北部最早开始日为9月9日（2006年），最晚结束日为5月24日（1998年）。河西走廊东部最晚结束日均在1998年出现，20年代以后结束日均提前一个月。

2.4 年际变化趋势

1986-2015年河西走廊东部寒潮天气过程共出现275次，年均9.2次/a，但年际差异较大，最多的年份2012年出现16次，最少的年份1994年和2007年只有5次，年际变化最大的是2012年到2015年，由近30a中的最多年份迅速变到了次少年份，这与大气环流的调整有明显关系。由寒潮历年总次数变化曲线(图2)可以看出，1980年代（1986年到1990年）平均每年为9.8次，1990年代（1991年到2000年）平均每年为9.4 次，21世纪初（2001年到2010年）平均每年最少只有8.2次，2011年到2015年平均每年最多达到10.2次。寒潮的年际变化呈上升趋势。但从1980年代中期开始到21世纪初，寒潮出现次数总的趋势是下降的，这与全国寒潮变化趋势是相一致的。

图2  河西走廊东部历年寒潮发生次数变化

Fig.2  The annual variation of cold wave frequency in East of Hexi Corridor from 1986 to 2015

3 天气实况对比

    2016年4月30日-5月2日河西走廊东部出现寒潮。受新疆东移冷空气影响，5月1日河西走廊东部出现大风，其中民勤县出现霾；大风过后出现大范围的雨雪，伴随雨雪天气气温急剧下降，于1日出现寒潮、强降温天气。其中24小时最低气温凉州下降13.4℃、民勤11.5℃、古浪10.3℃、永昌11.4℃，时日平均气温凉州24小下降11.2℃、民勤11.8℃、永昌11.6℃。5月2日清晨天气转晴，除凉州区外出现霜冻，地面最低温度在-0.3～-1.5℃。这次寒潮没有造成严重的灾害。

5月10-12日河西走廊东南部出现寒潮。前期受高原对流云系影响，8-9日河西走廊东部出现阵性降水，10日天气转晴气温徒增，11日大部出现大风，大风天气过后古浪、乌鞘岭12日又出现降水，伴随大风降水天气气温急剧下降，于12日出现寒潮、强降温天气。其24小时日平均气温下降不明显，48小时古浪下降12.3℃、乌鞘岭12.9℃。伴随着寒潮降温天气的结束，5月12日清晨河西走廊东南部出现霜冻，地面最低温度在-0.6～-2.8℃，最低气温降幅在7.7～9.6℃之间。后期多云伴有区域性大风降水，于15日清晨河西走廊东部除民勤县外出现霜冻，地面最低温度在-0.2～-6.5℃。霜冻导致农作物不同程度受损，此次灾害造成农作物、特色林果受灾面积44543.34公顷，农作物绝收532.64公顷，直接经济损失1.3亿元。

表2  2016年5月河西走廊东部三次寒潮过程实况对比

Table2  Comparison of three cold wave weather in East of Hexi Corridor in May 2016

5月19-21日河西走廊东部古浪县出现寒潮，48小时日平均气温下降13.1℃。前期受西南气流影响，19日下午河西走廊东部出现大风，20-22日出现降水；伴随大风降水气温急剧下降，古浪21日出现寒潮、强降温。其中24小时日平均气温下降10.8℃，48小时日平均气温下降13.1℃，最低气温降幅8.3℃。伴随着降水天气的结束，23日清晨河西走廊东部的南部出现霜冻天气，地面最低温度在0～-1.3℃。这次寒潮强降温造成古浪县、天祝县部分乡镇农作物不同程度遭受冻害，农作物受灾面积1653.96公顷，成灾面积808.48公顷，直接经济损 290.76万元。虽然比历史上最强寒潮天气过程降温幅度弱，但是1个月连续出现三次寒潮实为罕见，所以对这三次寒潮的成因进行分析。

4 2016年5月环流特征

4.1 极涡和中高纬环流

    北半球500 hPa月平均高度场(图3左)和距平场(图3右)发现，5月北半球极涡呈偏心型分布，极涡主体位于贝加尔湖北部附近，中心强度达524 gpm，相比历史同期存在明显的负距平，距平中心值约为-8 gpm，表明极涡较常年同期偏强。北半球中高纬500 hPa平均位势高度场呈4波型分布特征，长波槽分别位于北美西部、格陵兰岛东部、里海西部和贝加尔湖北部。里海西部槽造成我国新疆北部和西北地区东部气温偏低和降水偏多。此外，我国中高纬大部地区受贝加尔湖北部槽（距平在-8 gpm左右）影响，冷空气活动频繁。高度场上，欧亚中高纬环流较平直，东亚槽偏强，说明本月冷空气的影响较频繁。由距平场可知，欧亚大陆呈现显著的负-正-负-正分布，同时正值中心是极地连在一起的，这种配置对西北路冷空气的南下十分有利，西北路冷空气是河西走廊寒潮爆发的重要因子。

图3  2016年5月北半球500 hPa月平均位势高度（左）及距平（右）（10 gpm）

Fig.3  Average potential height (left) and anomaly (right) of 500 hPa in the northern hemisphere in May (10 gpm)

 4.2 欧亚环流演变

图4　2016年4月下旬(a)、5月上旬(b)和5月中旬(c)的500 hPa平均位势高度

Fig. 4  The average potential height of 500 hPa in late April, early May and mid-May

500 hPa平均位势高度场，2016年4月下旬欧亚大陆中高纬环流形势为两槽一脊，喀拉海至里海为广阔的脊区，乌拉尔山附近形成阻塞高压形势，脊前至贝加尔湖为横槽，冷空气沿着槽底西北气流南下，到达甘肃中部。而5月上旬欧亚大陆中高纬环流为两脊一槽形势，东半球极涡强，位置偏南，中心位于70°N以南的贝加尔湖以北地区，我国中纬度环流呈西高东低形势，极涡底部不断有短波槽分裂携带冷空气东移南下影响我国北方地区，并造成多次降温天气过程，西风槽位于亚洲大陆北侧,有一个冷低压中心，位于新地道以东的，弱的高压脊在巴尔喀什湖。5月中旬欧亚大陆中高纬呈现两槽两脊形势，相比上旬两脊位置有所东移，东半球极涡减弱北收东移，欧洲槽控制，我国中纬地区在平均场上表现为平直环流，实际多较深短波槽活动，造成我国北方发生降温天气，西风槽位于亚洲大陆东侧，冷低压中心较上旬偏东，高压脊在乌拉尔山。5月下旬欧亚大陆中高纬呈现一槽一脊的形势，槽脊位势高度均弱于前两旬，极涡进一步北收减弱。

4.3 东亚大槽的分析

图5　2007-2016年东亚大槽5月的位置变化趋势

Fig.5  The trend of the location of the east Asian trough in May from 2007 to 2016

高空强劲的偏北气流是河西走廊寒潮爆发的必要条件。从2007-2016年东亚大槽5月的位置变化趋势图看出，2007年开始东亚大槽的位置呈向东偏移趋势, 表明亚洲地区逐渐受纬向环流控制；且从2015年5月东亚大槽位置在150°E左右，表明亚洲已经在位于东亚大槽的控制之下；2016年初东亚大槽开始向东移动，5月东亚大槽整体位置偏东，基本位于170°E左右，整个亚洲都位于槽后一致的西北气流的控制，而西北气流有助于引导极地冷空气进入，引发寒潮天气的发生，表明河西走廊5月这三次区域寒潮天气高空均为强劲的西北气流。

5 寒潮降温成因分析

5.1 前期气温偏暖

河西走廊东部日平均气温（凉州、民勤、古浪、乌鞘岭和永昌五站平均）从4月27日起气温比历年同期偏高，持续日数为4天，29-30日尤为显著，30日日平均气温比历年同期偏高4～6℃；1日开始日平均气温比历年同期偏低4-6℃；2日日平均气温5.9℃达最低，比历年同期偏低4.7℃。5月7日开始气温又比历年同期偏高，持续日数为5天，10日尤为显著，日平均气温比历年同期偏高5～7℃；12日开始日平均气温比历年同期偏低4～6℃，五站日平均气温达6.7℃，比历年同期偏低4.7℃。下旬从5月16日气温比历年同期开始偏高，持续日数为4天，18-19日尤为显著，19日日平均气温比历年同期偏高3～6℃；20日开始日平均气温比历年同期偏低，22日尤为显著偏低8～10℃，五站日平均气温达4.5℃，比历年同期偏低9.3℃。在前期气温明显偏高的情况下，冷空气来袭时造成的降温幅度会很大，更容易达到寒潮标准。2016年5月这三次区域性寒潮出现前河西走廊东部日平均气温比历年同期分别偏高4.2、5.8、4.4℃。

图6  武威市2016年4月26日-5月24日日平均气温变化趋势

Fig.6  The daily average temperature change variation in Wuwei from April 26 to May 24 in 2017

5.2 寒潮爆发的高空环流

4月28日500 hPa高空欧亚大陆中高纬为两槽两脊型，乌拉尔山附近形成阻塞高压形势，脊前为横槽，欧亚范围内维持-36℃冷中心，槽底有明显的西北气流引导冷空气进入甘肃，700 hPa温度槽落后于高度槽（图7a）；随着横槽逐渐转向南压，5月1日08时横槽转竖与巴湖短波槽合并，欧亚范围内维持-36℃冷中心的宽广西风槽，新疆及甘肃位于西风槽后的西北气流控制，冷中心为-27℃，700 hPa等高线与等温线垂直，温度槽也明显落后于高度槽，有利于系统的加深发展，不断引导冷空气南下。5月1日河西走廊东部出现大风、降水、强降温及寒潮。2日清晨河西走廊东部为西北气流控制，天气转晴，除凉州区外均出现霜冻。

5月11日08时500 hP