青海省寒潮天气过程中的气温变化影响因素分析

赵娟 谢启玉

摘要 利用常规气象观测资料，分析了2011年3月13—14日青海省一次大范围的寒潮天气过程的成因，并在此基础上根据局地温度方程，定量分析了过程中影响温度变化的主要因子和各自的贡献，结论如下：（1）此次过程是青海省一次典型的横槽转竖型寒潮天气，并且自西向东爆发。过程前期形成典型的寒潮中期倒大“Ω”流型。上游有强冷平流输送，500 hPa冷中心-44℃，700 hPa冷中心-28℃。青海上空西北风风速26 m/s，300 hPa高空西风急流入口区的横向非地转正次级环流也利于地面降温。（2）地面蒙古冷高压中心1 060 hPa，影响青海的冷高压达1 050 hPa。过程中青海西部的24 h最大正变压18 hPa，24 h负变温最大为-18℃，最低气温平均下降10～13℃，格尔木站下降幅度最大，达到16℃。东部的24 h最大正变压18 hPa，24 h时负变温最大-11℃，最低气温平均下降6～8℃，河南站下降幅度最大，达到16℃。同时东部和西部的地面风速在13日、14日白天都增大，并以偏西风为主。（3）此次过程中的温度变化主要由温度平流项和对流变化项决定，且这2项对青海西部的降温贡献大于青海东部。冷气团的个别变化项对降温也有一定贡献，对东部和西部的贡献基本相等。非绝热项对西部起增温作用，对东部的温度变化没有作用。（4）由强冷空气引起的寒潮天气过程中，温度平流变化和对流变化对降温起主导作用，过程前期应关注温度平流变化的影响，过程结束时应关注对流变化。个别变化项的影响程度依赖于冷空气强度和冷气团变性程度。非绝热项的影响决定于大气中发生相态变化的水汽含量，对温度变化有约束效应。

寒潮天气是冬半年（一般指11月至翌年4月）大规模强冷空气在冷空气源地堆积然后南下爆发入侵造成剧烈降温的一种灾害性天气[1-3]，也是秋冬季和初春时节影响青海的主要灾害性天气之一。受寒潮侵袭的地方，天气发生剧烈变化，常常风向突变、风速增大、气压突升、温度骤降[5]。寒潮天气除了带来剧烈降温以外，还常伴有霜冻、大风、暴雪、冻雨等天气，在晚秋和早春常造成冻害，往往引发风灾、雪灾和冻灾等多种严重气象灾害[3]，给交通运输、农业生产和人民生产生活造成极大损失。国内学者在寒潮天气过程[6-8]以及气候学特征[9-11]等方面进行了很多研究，如寒潮的划分标准[12-13]、移动路径[14-15]、冷空气源地[15]、多个寒潮过程对比分析[16-18]以及数值预报对寒潮预报能力的检验[19]等方面取得了诸多成果。

青海地处青藏高原，地势复杂，寒潮天气的标准为：24 h或48 h日最低气温下降8～10℃及以上，且日最低气温下降到4℃以下[4]。寒潮天气过程中，不同区域影响温度变化的因子不同，因此，非常有必要对青海大范围的寒潮天气进行深入分析，探究不同地区引起温度变化的主要因子，进一步总结青海寒潮天气客观的预报指标，为今后寒潮天气的预报预警和决策服务提供科学依据。

1寒潮天气实况

受蒙古强冷空气影响，2011年3月13—15日青海省出现了一次大范围的寒潮天气，表现出以下特点：①前期升温明显。受暖低压影响，11—13日青海大部分地区的气温呈缓慢升高趋势，12—13日48 h累积升温10℃以上，最高升温12℃，为此次寒潮天气提供了足够的降温空间。由于基础温度偏高，从而导致了大范围的降温;②冷空气势力强。13日08：00南疆的强冷空气开始侵入青海，并东移南压，寒潮天气自西向东爆发，影响青海48 h，全省最低气温普遍下降8～10℃以上，其中大柴旦、小灶火、玛沁和河南4站的最低气温24 h下降16℃（图1），河南站15日最低气温降至-26℃;③受强冷空气影响，寒潮过程中出现了大风、沙尘暴、扬沙和弱降水天气。全省23个测站出现大风天气，西部的五道梁站出现瞬时风速达28 m/s（11级）的西北风，5个测站出现沙尘暴，8个测站出现扬沙，茫崖站出现强沙尘暴，能见度800 m，东部和南部的部分站点出现了弱降水。较低的气温及大风和沙尘暴天气对设施农业生产和道路交通造成了一定的不利影響。

2影响系统分析

这是青海省一次典型的横槽转竖型寒潮天气（图2）。从3月9日开始，500 hPa乌拉尔山高压脊和鄂霍次克海高压向极区伸展，此后，亚洲极涡加强并南压，形成典型的寒潮中期环流形势倒大“Ω”流型。随着上游强锋区东移发展，12日脊前超过20 m/s的西北风引导强冷空气南下在蒙古横槽堆积酝酿，强冷平流持续输送，横槽加深发展，并南压至新疆北部，蒙古冷中心达到-44℃，700 hPa冷中心-28℃。13日20：00冷中心为-38℃的新疆横槽开始转竖，700 hPa冷中心-21℃，环流经向度加大，青海上空槽后西北风26 m/s，风向与等温线夹角近乎垂直，温度梯度大（500 hPa -12℃/6纬度，700 hPa -13℃/6纬度），等温线密集，锋区强，说明上游有强冷平流持续输送到青海。强西风引导强冷空气堆南下，侵入青海西部，寒潮爆发。14日08：00横槽完全转竖，新疆冷槽东移至青海中部，500 hPa冷中心仍维持在-38℃，700 hPa冷中心-22℃，强冷空气继续东南移动，影响青海东部，东部寒潮爆发。过程中300 hPa高空西风急流位于青海上空，急流轴最大风速38 m/s。急流入口区动力锋生，产生的横向非地转正次级环流加大了地面的气压梯度，导致地面风速增大，冷平流输送加强，从而使地面气温下降。

12日08：00地面上巴尔喀什湖北部1 047.5 hPa的冷高压发展，随着巴湖横槽发展东移，13日05：00蒙古冷高压中心达到1 060 hPa（图3a）。20：00横槽开始转竖，强冷高压分裂东移南下，冷高压前沿的地面冷锋随高空西北风（引导气流）东南向移动，到13日西北路冷空气进入南疆盆地，不断堆积后越过阿尔金山进入青海西部;另一部分沿河西走廊南下的北路冷空气由偏东风引导倒灌进入青海东部，14日11：00青海北部冷高压中心达到1 050 hPa，14日夜间青海东部受1 047.5 hPa的冷高压影响。此次过程中500 hPa横槽深厚，地面蒙古冷高压强大，西北路冷空气移速快于西路冷空气，因此，此次寒潮天气自西向东暴发。

3温度变化影响因子分析

针对此次寒潮过程，该文定量分析影響局地温度变化的各因子的作用，以期在以后的寒潮过程中更精准地把握不同温度影响因子的不同作用。

一般来说，局地温度变化由4个因子决定，方程如下：

3.1气团的个别变化

3.3温度的对流变化

700 hPa温度变化既受其下部垂直运动的影响，也受其上部垂直运动的影响。因此，分析温度对流变化的影响，需要计算上下两个层次温度垂直运动对该地区温度局地变化的影响。

根据格尔木站13日20：00和14日08：00的探空温度曲线计算垂直温度递减率，再利用2个时次垂直速度计算温度对流变化，则：

13日20：00格尔木站附近地面至700 hPa温度对流变化为-5.9×10-5℃·Pa-1，14日08：00温度对流变化为3.4×10-4℃·Pa-1;13日20：00 700 hPa至500 hPa温度对流变化为-1.4×10-3℃·Pa-1，14日08：00温度对流变化为4.9×10-4℃·Pa-1。

根据西宁站14日20：00和15日08：00的探空温度曲线计算垂直温度递减率，再利用2个时次垂直速度计算温度对流变化，则：

14日20：00西宁站附近地面至700 hPa温度对流变化为7.1×10-4℃·Pa-1，15日08：00温度对流变化为1.1×10-4℃·Pa-1;14日20：00 700 hPa至500 hPa温度对流变化为1.4×10-4℃·Pa-1，15日08：00温度对流变化为4.8×10-4℃·Pa-1。

综合上、下两层对流变化项的结果，13日20：00和14日08：00格尔木站附近对流变化项-ω分别为-1.34×10-3℃·Pa-1和1.5×10-4℃·Pa-1。14日20：00和15日08：00西宁站附近700 hPa对流变化项-ω分别为0.69×10-4℃·Pa-1和4.69×10-4℃·Pa-1。

3.4非绝热因子

3.5各影响因子对最低温度变化的影响分析

通过上述分析来定量判定13—15日寒潮过程中影响青海西部和东部地区温度变化的主要因子以及各自的贡献。由于各影响因子的时段及持续间不同，如个别变化项和非绝热项在整个时间段内均有影响，但平流变化项和对流变化项是时间的函数，且呈现一定非线性变化（在计算其贡献率时，为了便于积分，二者均采用线性变化）。因此，需要根据不同因子采用不同的积分区间，来定量估计各因子在此期对局地温度变化的贡献，结果如表1所示。

从表1可以看出，此次青海省寒潮天气过程中最低温度下降主要是由温度平流项和垂直运动引起的对流变化项决定。这2项对青海西部的降温贡献大于青海东部，特别是14日前半夜温度的对流变化引起的降温达到25℃，因为前半夜青海西部为上升气流，垂直温度梯度大，地面热量被迅速带入中高层大气。后半夜地面降温后，中低层基本为弱下沉气流，下沉绝热增温对降温有一定抵消。同时，这与西部的盆地地形有关。冷气团的个别变化项对降温也有一定贡献，对东部和西部的降温贡献基本相等。由于此次冷空气势力强，冷气团在移动过程中变性慢，此项对东部和西部的降温都是正贡献。非绝热加热项对青海西部起到增温作用，对降温是负贡献。青海东部由于过程中湿度条件差，此项对其温度变化没有作用。

综上可知，在此次强冷空气引起的寒潮天气过程中，温度平流变化项和对流变化项对近地层的温度变化起了主导作用。寒潮过程前期应重点关注温度平流变化的影响，过程结束时应重点关注温度对流变化。个别变化项的影响程度依赖于冷空气强度和冷气团变性程度。非绝热项的影响较其他项小，且过程结束时，潜热释放对降温有一定的抵消，但抵消程度取决于当时大气中发生相态变化的水汽含量。

4结论与讨论

在分析2011年3月14—15日青海省寒潮天气过程成因的基础上，根据局地温度方程，定量分析了过程中影响温度变化的主要因子和各自的贡献，结论如下：

（1）此次过程是青海省一次典型的横槽转竖型寒潮天气。过程前期形成典型的寒潮中期倒大“Ω”流型。上游有强冷平流输送，13日500 hPa冷中心达到-44℃，700 hPa冷中心-28℃，青海上空西北风风速达26 m/s，300 hPa高空西风急流最大风速38 m/s。急流入口区的横向非地转正次级环流也使得地面气温下降。

（2）影响青海的冷空气强度达1 050 hPa，青海西部的寒潮出现在14日凌晨，东部出现在15日凌晨。强冷空气首先进入西部的柴达木盆地，24 h正变压最大18 hPa，最大24 h负变温为-18℃，最低气温平均下降10～13℃，格尔木站下降幅度最大，达到16℃。青海东部24 h最大正变压18 hPa，24 h最大负变温为-11℃，最低气温平均下降6～8℃，河南站降温最强，为16℃。同时东部和西部的地面风速在13日和14日白天增大，并以偏西风为主。

（3）此次大范围寒潮天气过程中的温度变化主要是由温度平流项和对流变化项决定，且这2项对青海西部的降温贡献大于青海东部。冷气团的个别变化项对降温也有一定贡献，对东部和西部的贡献基本相等。非绝热加热项对青海西部起到增温作用，而对青海东部的温度变化没有作用。

（4）由强冷空气引起的寒潮天气过程中，温度平流变化和对流变化在降温中起主导作用，在寒潮过程前期应关注温度平流变化的影响，过程结束时应关注温度的对流变化。个别变化项的影响依赖于冷空气强度和冷气团变性程度。非绝热项的影响取决于大气中发生相态变化的水汽含量，此项对温度变化有约束效应。

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责任编辑：李杨