¹山西省临汾市气象局，山西 临汾

²山西省侯马市气象局，山西 侯马

收稿日期：2023年4月27日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日

摘要

利用常规气象观测资料和ERA5再分析资料，对2021年11月5~8日临汾市超强寒潮的环流形势进行了诊断分析，并对雨雪、大风天气的成因进行了分析。结果表明：此次寒潮过程环流形势为横槽转竖型，伴随着强的冷高压中心和寒潮冷锋。850 hPa存在强盛的冷平流，锋生作用有利于冷锋加强。同时地面变压梯度大，造成大风天气。暴雪主要发生在700 hPa和850 hPa切变线之间。

关键词

寒潮，成因，温度平流

Diagnosis Analysis of a Super Cold Wave Weather Process in Linfenin November 2021

Ruirui Fan¹, Xiaoying Guo¹, Xingxing Wang², Yue Sun¹

¹Linfen Meteorological Bureau of Shanxi Province, Linfen Shanxi

²Houma Meteorological Bureau of Shanxi Province, Houma Shanxi

Received: Apr. 27^th, 2023; accepted: May 24^th, 2023; published: May 31^st, 2023

ABSTRACT

By using conventional meteorological observation data and ERA5 reanalysis data, the authors analyzed the cause of the super cold wave weather in Linfen during November 5~8 of 2021. The results show that: the circulation pattern of this cold wave process is Transversal Trough Changed to the Vertical, accompanied by a strong cold high center and a cold front. There is a strong cold advection at 850 hPa, and frontogenesis is conducive to strengthening the cold front. And large surface variable pressure gradient causes gale weather. The blizzard mainly occurred between 700 hPa and 850 hPa shear lines.

Keywords:Cold Wave Weather, Causes, Temperature Advection

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

寒潮是山西省冬季最主要的灾害性天气之一，除了造成剧烈降温外，还伴有大风、雨雪等灾害性天气，给社会经济、农作物生长、交通安全和人民生命财产造成严重影响。近些年来有很多学者对我国的寒潮天气过程进行了较为全面的分析 [1] [2] [3] [4] [5] ，但由于气候及地理条件复杂且差异较大，各地的寒潮环流形势也不尽相同。每年11月到次年5月之间是临汾市寒潮多发时节，但是能达到超强寒潮的过程较少，针对本次超强寒潮天气过程进行诊断分析，可以为今后超强寒潮过程的预报预警和服务工作提供参考。

2. 寒潮天气概况

2021年11月5~8日，临汾市出现了一次超强寒潮天气，范围广，强度强，其特点有：1) 冷空气强：5~7日全市出现了超强寒潮天气过程，全市48 h最低气温降温幅度平均达14℃，11县市达到超强寒潮标准，最强乡宁48 h降温幅度达16.4℃。8日早晨汾西、乡宁、霍州共3个县市突破建站以来11月上旬同期极值。2) 过程中伴随强降雪，主要雨雪时段集中在6日08时~7日08时，日降水量在4.7~16.9 mm (尧都区)之间，呈现中部大、东西山少，尧都区、乡宁、蒲县纯雪量在10 mm以上(暴雪)。降水过程中伴有雨雪转换，7日08时全市积雪深度为1~13 cm。3) 随着冷空气南下，6日全市出现4~5级、局地6级大风，最大瞬时风速为蒲县18.7 m/s (8级)。7日全市出现4~6级、短时6~8级西北风，最大风速出现在蒲县20.9 m/s (9级)。

3. 环流形势演变特征

图1为500 hPa环流形势场，2021年11月3日08时500 hPa上欧亚中高纬度呈两槽一脊型，在乌拉尔山西部有阻塞高压建立并加强，脊前偏北气流引导极地冷空气向南在西伯利亚地区堆积。5日08时，在贝加尔湖地区有冷涡发展，冷涡中心达516 dagpm，配合有冷中心，冷中心强度为−43℃。贝加尔湖低涡西部伴随着横槽稳定维持，临汾处于南部横槽前偏西气流。

6日08时，横槽东移南压位于新疆东部，临汾受槽前西南气流控制。由于温度槽落后于高度槽，槽前正热成风涡度平流使得高空槽在东移的过程中逐渐加深。低层700 hPa切变线位于河套地区中部，850 hPa切变线超前于700 hPa切变线位于山西西部，同时850 hPa上等温线密集，风向与等温线相垂直，冷平流强。临汾受低层切变线影响，白天出现了降水。到了20时，随着500 hPa短波槽东移，700 hPa和850 hPa切变线也随着东移，临汾市位于700 hPa和850 hPa切变线之间，动力抬升作用增强，且偏南风较08时明显增大，700 hPa风速由6 m/s增大到12 m/s，夜间降水有了明显的增强。降水落区与700 hPa切变线和850 hPa切变线有很好的对应关系。200 hPa上，6日20时临汾位于高空分流区，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。

7日08时，横槽候补由东北风转为偏北风，横槽转竖，同时在河套地区北部发展为冷涡，冷涡中心

图1. 2021年11月3日08时(a)、6日08时(b)、7日08时(c)、8日08时(d) 500 hPa高度场和温度场

达548 dagpm，配合有冷中心，冷中心强度为−35℃。临汾此时位于冷涡底前部西南气流控制当中。低层受西北气流控制，水汽条件消失，雨雪天气过程结束。随着环流经向度进一步加大，7日白天风力加大。8日08时，随着高空槽过境，临汾受冷涡底后部西北气流控制。

海平面气压场上，6日08时冷高压位于贝加尔湖西南部，中心强度达到1052.5 hPa，锋面已压至山西北中部地区，地面寒潮冷锋位于850 hPa冷槽前部，高低空系统属于后倾形势。此时临汾市正处于冷锋前，冷锋过境造成临汾市出现了大风、雨雪天气。由于850 hPa锋生作用，在地面冷锋后有锋生作用，使得冷锋得到加强。云图上可以发现此次降水为典型的锋面云系，降水大值区位于亮度最大处后部锋生的地方。由于冷空气强度强，造成温度急剧下降，降水由雨很快转为雪。6日20时，冷高压中心南压加强，高压中心位于甘肃西北部，中心强度达1055 hPa，从冷高压的移动路径可以看出冷空气的移动路径为西北—东南向。寒潮爆发过程中，随着高空冷槽的加深，地面冷锋后的引导气流经向度也加大，利于寒潮冷锋的南下。7日08时，冷高压分裂成两个中心，分别位于在蒙古国和青海西部，强度分别为1052.5 hPa和1055 hPa，临汾仍然处于位于锋后等压线高梯度区。7日20时，锋区东移，等压线梯度减小，风力减弱。8日早晨，临汾气温达到最低。

4. 暴雪成因分析

4.1. 动力条件

此次暴雪过程主要发生在500 hPa槽前西南气流、700 hPa和850 hPa切变线之间、地面锋面附近，见图2。200 hPa位于高空分流区的辐散气流中，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。降水主要分为两个时间段：其中6日白天降水较弱，夜间降水较强。强降水主要发生在850 hPa和700 hPa切变线之间。从尧都区散度和垂直速度随时间演变(图略)可知，6日白天到夜间，700 hPa以下为强辐合，高层为辐散。6日夜间上升运动的伸展高度明显增高，垂直速度达−1.2 Pa/s。沿111.5˚E作6日20时垂直速度的剖面(图4)，发现临汾市此时处于地面锋线后，锋面坡度较缓。临汾市850 hPa以下为下沉运动区，850~200 hPa之间为一致的上升运动区。暖湿气流在850 hPa冷空气垫上爬升造成本次强降水。

图2. 2021年11月6日08时(a)、20时(b)系统配置

此次暴雪过程主要发生在500 hPa槽前西南气流、700 hPa和850 hPa切变线之间、地面锋面附近。200 hPa位于高空分流区的辐散气流中，产生高空辐散，抽吸作用有利于上升运动加强。降水主要分为两个时间段：其中6日白天降水较弱，夜间降水较强。强降水主要发生在850 hPa和700 hPa切变线之间。从尧都区散度和垂直速度随时间演变(图略)可知，6日白天到夜间，700 hPa以下为强辐合，高层为辐散。6日夜间上升运动的伸展高度明显增高，垂直速度达−1.2 Pa/s。沿111.5˚E作6日20时垂直速度的剖面(图3)，

图3. 2021年11月6日20时沿111.5˚E垂直速度剖面(单位：Pa/s)

发现临汾市此时处于地面锋线后，锋面坡度较缓。临汾市850 hPa以下为下沉运动区，850~200 hPa之间为一致的上升运动区。暖湿气流在850 hPa冷空气垫上爬升造成本次强降水。

4.2. 水汽条件

此次暴雪过程有充足的水汽供应，从6日20时，沿111.5˚E比湿随高度的剖面(图4)可知，中低层水汽达到4 g/kg，并且在中低层存在向北爬升湿舌，说明暖湿空气在锋面上逐步爬升。从尧都区相对湿度的变化可以发现，6日白天700 hPa以下均为饱和湿区，夜间饱和湿区的高度显著增大，扩展到200 hpa的高度上，水汽条件比白天更好。

图4. 2021年11月6日20时沿111.5˚E比湿剖面(单位：g/kg)

从700 hPa水汽通量散度分布可知，随着系统东移，在中低层存在强的水汽辐合带自西向东移动逐步加强，6日20时临汾市水汽通量散度达−6 × 10⁻⁸ g∙hPa⁻¹∙cm⁻²∙s⁻¹，相应夜间降水较强。

4.3. 相态分析

降水过程中伴随有雨雪转换。全市雨雪转换时间为14时西山转雪，21时全市转雪，次日07时降水结束。

从太原站6日08时、20时tlogp图可以看出，降水时段内，整层水汽饱和。08时低层925 hPa东北回流冷垫特征明显，暖湿空气在低层冷垫上爬升。中低层650 hPa附近存在逆温层，湿层相对比较深厚，但由于850 hPa温度高于0℃，且近地面层温度接近10℃，此时没有出现降雪。到了20时，在700 hPa层存在锋面，850 hPa受冷空气影响，为西北风，700 hPa以上为一致的西南风，且风速较08时增大，湿层更加深厚，锋面抬升，使得临汾市降水强度加大。受冷平流作用，整层温度基本都下降到0℃以下，临汾市基本转为雪。

雨雪性质决定于近地层的温度，这就需要关注冷暖空气的活动，而山西雨雪转换的预报指标为850 hPa温度在−4℃左右，近地层温度在0℃左右。本次过程来看(图5)，6日08时850 hPa大于−4℃，还是

图5. 2021年11月6日14时(a)和20时(b)沿36˚N温度垂直剖面(单位：℃)

以雨为主；14时西部山区850 hPa温度在−4℃以下，中东部地区850 hPa温度大于0℃，此时西部山区开始出现降雪；到20时，临汾市850 hPa温度基本在−4℃以下，因此全市降水性质为雪。

对于近地层的温度，统计本次过程中出现降雪时临汾市各个站点的气温，结果发现：西山出现降雪时气温均在0℃以下，平川降雪时平均气温为2℃，东山降雪时平均气温为0.3℃。临汾市平川和山区的雨雪相态阈值并不一致。

5. 寒潮大风成因分析

本次寒潮大风是由500 hPa横槽转竖引导冷空气东移南下，地面冷锋过境引起的。

从蒲县站的温度平流随时间的变化(图6)中可以看到，4~5日临汾处于冷锋前暖区，受弱的暖平流控制，最低温度偏高，5日平川最低温度在11℃左右，山区在7℃~9℃左右，较4日最低气温偏高5℃~7℃。可见寒潮过程前期临汾市处于明显的升温环境中，为后期的寒潮降温和降温强度提供了温度基础。6日08时，700 hPa以下转为冷平流控制，冷平流中心位于850 hPa，表明低层已有冷空气入侵。7日08时近地层到对流层中部均为冷平流控制，可见冷空气逐渐变得深厚，强度也大大增强，为连续两日寒潮天气提供了冷空气条件。

图6. 蒲县温度平流随时间的变化

从卫星云图分析，前期受高空系统影响，临汾市云量较多不利于辐射降温。7日夜间随着系统过境，天气转晴同时，风力较小，无明显的下沉增温和湍流增温，辐射降温明显。

6日08时随着地面冷锋过境，临汾市位于冷锋后气压梯度大值区，等压线密集，基础风力大。6日08时锋后正变压中心值达+7.7 hPa，变压差在7.2 hPa左右，变压梯度大有利于风力加大。7日08时500 hPa横槽转竖，高低空为一致的西北气流，冷平流较强，下沉运动强。另外，从7日白天，冷平流中心位于600 hPa附近，具有上冷下暖分布特征，这种配置有利于不稳定层结的形成，可促使冷暖空气的上下对流，再加上白天近地层不稳定性加大，湍流加强，利于动量下传，形成地面大风。因此6~7日最大风力出现在7日白天。

6. 寒潮大风成因分析

1) 此次寒潮过程环流形势为横槽转竖型，横槽下甩引导强冷空气向南迅猛爆发，伴随着强的冷高压中心和寒潮冷锋；

2) 700 hPa和850 Pa切变线、地面锋线是造成雨雪天气产生的重要系统，暖湿气流沿冷垫爬升是降雪产生的动力机制，高空分流区加强了上升作用。700 hPa水汽达到4 g/kg，过程中伴有水汽通量辐合区，水汽供应充足。降水相态决定于温度层结的垂直分布，850 hPa温度在−4℃以下，山区气温在0℃以下，平川气温在2℃以下，降水相态由雨转为雪。

3) 寒潮爆发前，临汾市处于明显的升温环境中。爆发期，因受强冷平流的长时间影响，出现显著的持续性降温。横槽转竖配合冷锋后气压梯度大值区，变压梯度大，冷平流较强，加上动量下传，形成地面大风。

基金项目

山西省气象局青年基金项目SXKQNTQ20217169。

文章引用

樊瑞瑞,郭小莹,王星星,孙 悦. 2021年11月临汾市一次超强寒潮天气过程分析
Diagnosis Analysis of a Super Cold Wave Weather Process in Linfenin November 2021[J]. 气候变化研究快报, 2023, 12(03): 589-597. https://doi.org/10.12677/CCRL.2023.123061

参考文献