根河市一次寒潮降温天气过程形成原因分析

王富宇

根河市气象局，内蒙古根河 022350

根河市位于内蒙古自治区呼伦贝尔市北部，大兴安岭北段西坡，是中国纬度最高的城市之一，属于寒温带湿润型森林气候，兼具大陆季风性气候特征，寒冷湿润，冬长夏短，春秋相连，无霜期平均90 d，年平均气温-5.3℃，1月平均气温接近-30℃，县级气象台记录极端最低气温为-51.5℃，结冻期210 d以上，7月平均气温18～20℃，也曾出现高于35℃的高温天气。境内遍布永冻层，个别地段30 cm以下即永冻层[1]。根河市常年被冷空气频繁侵扰，寒潮出现次数多，1951—2019年间根河站出现的“极寒”日数达到950 d，素有“中国冷极”之称。2021年初全国多地区遭遇寒潮，规模大且降温幅度大，根河市也出现偏低气温，对此次寒潮降温天气进行研究[2]。

利用欧洲中期天气预报中心的0.25°×0.25°网格点逐6 h再分析资料，NASA全球降水观测计划0.1°×0.1°网格点24 h总降水资料，根据天气诊断分析方法，就根河市2021年1月6—8日的寒潮天气过程进行分析。寒潮的标准根据《冷空气等级》国家标准（GB/T 20484—2017）来判定，即某地日最低气温24 h内降温幅度超过8℃，或48 h内降温幅度超过10℃。或72 h内降温幅度超过12℃，且本地日最低气温降至4℃以下。

2021年1月6—8日，受大范围寒潮的影响，此时根河市的平均气温较常年同期偏低，且为2013年来的同期最低。本次寒潮影响我国绝大部分地区，影响范围广、强度大、风寒效应明显。2021年1月上旬的寒潮过程降温8℃以上的面积达到250万 km2，降幅12℃以上面积有40万 km2。1月6日，根河市最低气温再创新低，达到-46.2℃，低温使空气中水汽凝华出现极端冰雾天气，当地能见度不足30 m。这是复杂的气候背景所致的，入冬以来，欧亚中高纬始终被西高东低的经向型环流所制，东亚冬季风较为强势，2020年12月一直维持这样的状态，这是入冬以来本地气温偏低的直接原因。在赤道中东太平洋地区，海水异常，温度较低，这说明赤道中东太平洋保持在拉尼娜状态，结合赤道太平洋海洋大气环流实况、国内外气候动力模式，验证了赤道中东太平洋冷水状态一直维持了整个冬季，并且形成了中等强度的拉尼娜事件，在拉尼娜年的冬季，欧亚中高纬大气环流经向度较大，我国的冷空气活动比常年更加频繁，且强度偏大，所以气温较常年同期偏低。因此，导致目前我国中东部大部气温偏低的最直接原因是“西高东低”的经向型环流和偏强的东亚冬季风，拉尼娜和秋季北极海冰偏少为2020年冬季风偏强提供了重要的背景条件。本次寒潮过程中冷空气是从俄罗斯北冰洋沿岸逐渐南下移至中国境内的，扩散程度一般，移动路径为西北—东南走向[3]。

3.1 500 hPa形势分析

由图1可知，2021年1月4日18:00，欧亚大陆中纬度至高纬度为明显的“一脊一槽”形势，乌拉尔山附近，水平气压场上等压线向气压偏低方向突出，出现了高压脊并伴有辐散和下沉运动，并且乌拉尔山附近的高压脊和极地高压发展相联通，势力深入北极地区，这导致极地涡旋加速分裂并南下，与原来在南部的2个冷性低涡合并，横槽开始南压且进入蒙古高原，贝加尔湖刚好处于横槽槽后地区，出现了1个-52℃的冷中心，此次冷空气强度比2020年年底12月底寒潮更强，合并后的冷性低涡迅速成为东亚地区的极涡中心。在低纬度地区，副热带高压的位置较正常往北移，广东沿海地区均受到影响，且此次副高北抬幅度要甚于2020年12月底寒潮南下前的位置。

图1 2021年1月4日18:00（a）、6日00:00（b）、7日18:00（c）、8日12:00（d）500 hPa形势场

2021年1月5日24:00，欧亚高纬度地区的环流形势基本仍保持在“一脊一槽”的形态，但“一脊一槽”的整体位置相较之前偏东，与极地高压相联通的高压脊已经发展成为阻塞高压形势，导致绕极环流继续南下至45°N，我国开始受到影响，但此时的绕极环流冷中心依然还未达到-52℃。横槽已经发展至我国内蒙古自治区，但没有转竖，寒潮冷空气侵入我国，根河市受到影响，本地盛行气流为偏北气流，西北气流。低纬度一带，副热带高压南退至我国南海中部。1月7日18:00，绕极环流开始减弱并且逐渐退出中国，横槽开始旋转南下进入中国，西风带中长波槽强烈发展所形成的具有闭合环流和冷中心的深厚低压系统出现在巴尔喀什湖附近，根河市仍然盛行西北偏北气流。1月8日12:00，横槽转竖，槽线在朝鲜半岛一带，槽后形成了-40℃的冷中心。此时,我国东北平原至华北平原一带出现了第2道横槽，绕极涡旋向东北移动，中心移动至了55°N太平洋西北部边缘海附近。亚洲大陆的环流形势切换为“二槽两脊”的形势，乌拉尔山附近有高压脊的生成。中国东北部、朝鲜半岛、日本列岛、俄罗斯远东地区和中国华北地区盛行偏北气流，长江以南盛行西北气流，副热带高压的位置较之前变化不大。1月9日06:00，第2道横槽转竖开始南下，槽线则处于朝鲜弹道地区，在中国和蒙古国交界处出现了第3道横槽，亚洲大陆仍保持“3槽两脊”的形势，但较之前的槽线和脊线位置却呈现了东向移动且减弱的趋势，整体逐渐趋于平直，这表明此次寒潮将要结束。由于本次寒潮过程中出现较多次横槽转竖的事件，所以寒潮持续时间较长[4]。

3.2 850 hPa形势分析

1月5日06:00，冷锋显示的位置在蒙古国中部地区，锋区后侧盛行偏北气流，此时风向和等温线的夹角较大，较冷空气向较暖空气方向输送活动强烈。但是,观察我国华北和东北地区的盛行风向和冷暖平流性质可以发现，在燕山以南地区盛行东北和西北气流，性质为冷平流，说明在此次寒潮出现前已经有部分较弱冷空气开始影响我国部分地区，而且寒潮锋区后出现了超过-36℃的冷中心。1月6日00:00冷锋锋区南下至燕山山脉一带，锋区后侧冷平流强度较1月5日有所增强，锋前冷平流则没有显著变化，-36℃冷中心开始进入中国。

1月7日12:00，锋区在湖南省江西省和两广地区交界处一带。长江以北地区盛行西北气流，长江以南地区则盛行东北气流。锋区后侧风力较大，风速高达9～15 m/s。在锋区前侧的华南一带，风向则由东北变为东南，受暖平流影响较大。1月8日12:00，冷锋锋区则深入南海北部海域，中部和东部海域则均变为冷平流，长江以北和江浙一带则以西北气流为主，其他地区以东北气流为主。0℃南下至华南中部地区，-12℃线则南下影响到东至江浙西至湖北一带，风向和等温线的夹角较大，风速高达9～21 m/s，与2020年12月底的寒潮大致一样。1月9日12:00，本次寒潮温度锋区逐渐疏散，我国中东部地区和长江以北地区盛行西北气流，华南地区北部以东北气流为主，风力强度明显不如之前。华南南部地区，盛行气流则由东北气流变为东南气流。

3.3 地面形势分析

1月5日12:00气压场（图2a）和1月5日00:00变压场（图2b）上，此次寒潮冷锋均在中国和蒙古国交界处，青藏高压由低压控制，我国其他地区则明显受冷高压影响。蒙古高原以偏西风为主，北至蒙古高原南侧边缘，南至南岭地区的地带以偏北风为主，华南地区以偏东风为主。1月7日，寒潮冷锋南下且扩散至广东沿海一带，青藏高原仍被低压控制，中国其他地区均被冷高压控制。从蒙古高原至长江中下游一带，中东部地区受高压脊影响较大，盛行偏北风和东北风。寒潮地面冷性反气旋则在蒙古西部地区，中心地区的气压值＞1 070hPa，这与2020年12月底的寒潮天气过程强度相差不大。1月8日12:00寒潮冷锋南下至我国南海地区，1 028 hPa等压线南下至广东沿海一带，高压中心的强度开始逐渐变弱。1月9日蒙古高原一带又出现了低压，本次寒潮逐渐退化成高压脊，高压脊线西起新疆东至长江口。我国长江以北地区盛行西北风，长江以南地区盛行偏北风。本次寒潮冷锋逐渐褪去，寒潮的影响过程趋于结束。

图2 2021年1月5日12:00气压场（a）、00:00变压场（b）

2020年12月28—31日根河市也出现了一次寒潮降温天气过程，这2次寒潮天气过程临近，可比之处较多，通过对比2次寒潮过程可以更好地了解寒潮天气的特征。

（1）2次寒潮天气的对流层中层，在寒潮发展过程中都有横槽转竖的表现，环流形势也经过相同的变换，均从“两槽一脊”切换为“一槽一脊”，最后变为“两槽一脊”。亚洲地区依次出现了“长波—超长波—长波”，高压脊也都是不断北伸的，导致脊北部暖空气与母体脱离，出现高压环流的暖空气堆，阻碍着上游波动向下游传递，阻塞高压和极地高压连通，乌拉尔山位于高压脊西侧出现切断低压的态势。同时，绕极涡旋中心始终保持在中国东北平原至鄂霍茨克海西部一带，并持续稳定在60°N以南。高压脊东移至西伯利亚后，寒潮开始强势入侵我国。在寒潮入侵前，副热带高压发生北跳，588 dagpm线北支发展至我国广东沿海地区。950 hPa低空，2次寒潮过程的冷平流较为强劲，风速高达17～21 m/s，西北气流影响范围最大，势力范围南侧边缘甚至达到福建和浙江交界处一带，0℃线南下至华南地区中部，-12℃线则南下至长江中下游一带，冷锋锋区最南到达南海北部一带。地面场上，2次寒潮的冷锋都南压至南海中部一带，冷锋行进速度较快，48 h左右便从蒙古高原行进至南海地区，沿途出现了大风降温天气。

（2）两者存在较多不同之处。500 hPa副热带高压南退形势不同，12月底的寒潮副热带高压南退至南海中部，1月初寒潮则南退至太平洋上。路径也不同，12月底寒潮在南下过程中副热带高压北上后再行南退，位置在20°N附近，而1月初寒潮则一直南退，在23°N附近。12月底寒潮进入中国时没有冷涡活动，冷中心在-48℃以上，出现3 d的横槽转竖情形；
1月初寒潮进入中国前已经有小股冷空气活动，有2次紧挨着发生的横槽转竖的情形，且横槽转竖的过程则持续了6 d，冷中心超过了-52℃。说明1月初寒潮冷源强度大，寒潮过程中冷空气在西伯利亚地区的堆积时间远长于前一次寒潮。12月底为西北路寒潮，寒潮源地是在新地岛以西地区，1月初寒潮发生为东路寒潮，源地则位于东西伯利亚的极地。在850 hPa上，2次寒潮的冷中心强度也不同，12月底的寒潮强度为-32℃，在南下过程中锋区前侧暖平流较为强烈，降水范围略大；
而本次寒潮天气的强度达到-36℃，在冷锋来临前出现了强降温天气，锋面在大部分地区是弱冷平流，只有在临近华南地区时才出现了弱暖平流。12月底的寒潮天气导致地面降温幅度显著，大于本次寒潮，12月底后的寒潮出现了显著的锋前增温情况，锋面两侧分别为暖气团和冷气团，在江淮地区出现了持续的降水天气过程，1月初的寒潮天气过程锋面两侧分别为冷气团和变性冷气团，寒潮降温带来长时间的降水，华南南部出现了降雨。第一次寒潮出现期间，1 040 hPa等压线南下至江汉平原，本次寒潮的1 040 hPa等压线只南下至河套平原。

本次寒潮出现的大气环流特征为“两槽一脊”，并且伴有横槽转竖的情况，这导致北方冷空气快速南下扩散。绕极环流较往常偏难南，并且在乌拉尔山附近出现了阻塞高压，这为寒潮深入中国内陆提供了有利条件。寒潮冷性反气旋中心气压≥1 075 hPa，寒潮冷锋南部边缘深入南海中部，锋后冷平流发展势头强劲，500 hPa高空绕极环流影响中国，850 hPa锋前存在明显冷平流，前期气温较低。因为寒潮天气过程难以预测，不同天气过程会具有差异性，但也具有相同特征，因此可通过探讨2次相邻近的寒潮天气发展过程，分析其异同，加深对本次寒潮天气的理解，为日后提高寒潮天气预报准确率提供参考。