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庚子冷冬:寒潮寒潮

已有 851 次阅读 2021-2-7 21:34 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

    这个庚子年冬季令人印象最深的就是寒潮(Cold wave)。频繁的寒潮爆发令人叫苦不迭。寒潮,俗称寒流,表示大规模强冷空气入侵事件并伴随强烈降温的天气活动。按照行业标准,寒潮分为三个等级,即寒潮,强寒潮和特强寒潮。 三类寒潮72小时降温要依次超过12℃、14℃、16℃,日最低气温要依次低于4℃、2℃、0℃。对于寒潮过程不同的降温速率及平均风力还可以发布不同级别的寒潮预警, 如蓝色预警、黄色预警、橙色预警及红色预警等,提醒公众或用户做好应对准备。这个庚子年冬季已经发布了四次寒潮预警,其中对2020年底的强寒潮发布了橙色预警,其余三次均为蓝色预警。但对于多个东部沿海省份,2021年上旬的寒潮达到了强寒潮的标准,多地出现了持续大风天气及破记录的低温,可以发布橙色寒潮预警。原因是在500百帕等压面上,移入华北、东北上空的冷空气竟然达到-52℃,接近于北极上空的大气的温度。

    寒潮天气具有区域化特征。中央气象台发布的是全国大范围寒潮预报或寒潮预警信号。全国性寒潮在某些省份可以达到强寒潮,甚至特强寒潮标准,在另外一些省份或许只能达到一般寒潮或达不到寒潮标准。因此,各个省份可以根据具体情况发布或不发布寒潮预警。例如,中央气象台只发布了2021年2月7日前后有一次较强冷空气降温预报,但2月6日吉林省气象台却发布了寒潮蓝色预警信号。

   寒潮天气的影响范围及其天气特点与入侵冷空气的路径和有关。根据入侵我国冷空气的方向(来向),可分为西方路径、西北路径、北方路径及东北路径(超极地路径)等(见图1),其中西北路径冷空最多,超极地路径的冷空气最少。西方路径的冷空气主体从新疆入境,其天气特点是寒潮过程比较慢,降水较多,风速不大,降温不剧烈;西北或北方路径冷空气寒潮属于大风降温型,降水稀少,天气剧烈;对于东北方向移来的冷空气,寒潮天气过程较长,最显著特征是可能出现“冰凌天气”, 导致室外道路、电线及建筑物等结冰现象。严重的冰凌天气往往会造成公路交通瘫痪或通讯中断等灾害,经济财产损失巨大。

    “冰凌天气”与冷暖空气在垂直方向上出现类似“三明治”分层的特殊结构有关。一方面,当中纬度西风带上高压脊移入我国变形后向东北方向伸展,高压脊前东北气流引导东北方向高纬度干冷空气入侵我国,契入西南地区对流层低层;另一方面绕过青藏高原南侧的西南暖湿气流越过云贵高原置于冷空气之上滑行爬升形成降雨,雨滴在下降途中经过低层冷空气层冷却变成过冷雨滴,落地后便造成地面的“冰凌天气”。2008年2月我国严重雨雪冰冻天气就是一例。

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      图1 冷空气路径示意图;背景为2021年1月1日至1月10日全国气温异常分布(取自NMC网站).

   

  在今冬四次全国性寒潮天气过程中,2020年12月至2021年上旬的三次寒潮的冷空气均属于西北或北方路径,尽管降温剧烈、寒风凛冽,但降水很少,南方出现较重旱情(见图2),华南的部分地区竟有70多天未下雨,打破了当地记录。而2021年中旬的寒潮冷空气属于西方路径,北方出现了降雪,首都北京也喜迎新年初雪。

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图2 2021年2月5日国家气候中心(NCC)监测的全国气象干旱分布.

 

   寒潮的冷空气路径与中高纬度大气环流结构有关。前三次西北路径的冷空气都与乌拉尔山阻塞高压的建立有关。乌山阻高的出现,形成了中高纬度环流 “西高-东低”形势场,增强了高压脊东侧(西西伯利亚)的北风,引导极地或高纬度冷空气南下、堆积、爆发,造成东亚一次次寒潮天气过程。前三次寒潮过程的冷空气均来源于北冰洋沿岸的新地岛或喀拉海。在第四次寒潮过程中乌拉尔山阻塞高压并未建立,中纬度环流比较平直,冷空气来自中亚西风带上东传的波动,给北方带来了降雪天气(图3)。冷空气到来前华北等地也出现了今冬久违的中度或重度雾霾天气。

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              图3 2021年1月中旬末乌鲁木齐暴雪,某些地方雪深接近40厘米.


   按照天气学教科书,东亚寒潮爆发有三种典型形式,即横槽转竖型,阻塞高压崩溃型和不稳定小槽发展型。今冬四次寒潮过程几乎都对不上号,前三次寒潮均属于伴随横槽中分裂出的小槽冷空气扩散南下型;末次寒潮是中亚北部一个减弱的冷低涡沿西风带东移,汇入西西伯利亚南部的横槽冷空气堆后一起从新疆侵入我国,形成降雪降温天气。因此,将教科书与实际天气过程结合,有助于理解东亚寒潮天气过程的形成机理。

   目前北极涛动(AO)仍处于负位相,持续时间超过了2个月。根据美国气候预测中心(CPC)的集合预报,二月下旬AO可能转换成正位相,即纬向型环流将趋于增强。目前中纬度西风环流形势已经在调整,去年12月掉向亚洲一侧的极地涡旋分裂体已经东移(见图4),影响我国的冷空气活动呈减弱趋势,北方升温迅速。同时,青藏高原南侧绕流环流上的低槽开始活跃,西南水汽输送增强,我国南方降雨会逐渐增加,旱情可望缓解。这些环流趋势的变化会带来一段好天气,人们得以在春天的阳光中送别庚子鼠年的蹉跎岁月,沐浴着春风,迎接辛丑牛年新年的到来。

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     图4 20212708100百帕等压面图;蓝实线为等位势高度线;红虚线为等温线(取自NMC网站).

  

2021年2月7日


推荐读物

朱乾根等. 天气学原理和方法. 气象出版社,2007




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