一次强降温过程的降温降雨分布及成因分析

一次强降温过程的降温降雨分布及成因分析邓承之1江玉华1周通2

1．重庆气象台，401147；2.重庆黔江区气象局，409000摘要：2011年3月13日〜15日，冷空气入侵重庆地区引起了一次区域性强降温天气。过程显著降温区域位于重庆中西部地区，而大降水区域位于重庆中东部地区。分析表明，这种降温降雨分布特征的形成，主要是由于冷空气侵入四川盆地的路径结合地形引起的。高空横槽转竖引导槽后冷空气向南爆发，冷空气南下至河套地区后，在地形的作用下，分西北和东北两条路径侵入四川盆地，其中西北路径为主要路径，由西北路径进入盆地的冷空气，结合重庆的特殊地形，引起了盆地内重庆中西部地区的显著降温；两条路径中的冷空气在川东地区相遇后有弱锢囚锋生成，锢囚锋出现的时间与位置与大降水出现的时间与落区基本一致，诊断分析显示，锢囚锋所在区域对应着较强上升运动区和水汽辐合的大值区。锢囚锋可能是重庆中东部地区大降水产生的主要原因。关键词：强降温西北路径锢囚锋引言寒潮是我国冬半年严重的灾害性天气之一，其突出的天气特点是剧烈降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨凇和霜冻天气，对工农业生产和交通运输等有巨大影响。近年来，许多学者对我国的寒潮天气做了统计、诊断及数值模拟研究，得出了很多有意义的结论［1-12］。多年统计结果显示，我国大部地区寒潮活动频次呈明显下降趋势。寒潮频次的下降与气候变暖、西伯利亚高压及冬季风强度的减弱等有密切关系［1-7］。寒潮个例分析表明，横槽转竖是引导寒潮冷空气向南爆发的主要天气形势之一，冷空气入侵导致大范围的降温，而冷暖气流的交汇形成了大范围的雨雪天气过程［8-12］。数值模拟的结果则显示，地形的动力作用对寒潮天气系统的生成及发展、寒潮南下的路径等均有重要的影响［13-14］。重庆地区由于地处四川盆地东缘，地形复杂，冬半年最低气温较同纬度偏高，除个别高海拔地区外，极少出现国家气象局规定的标准寒潮天气。因此，重庆市气象局将冬季12〜2月72小时日平均气温连续下降6°C以上，以及春季3〜4月、秋季10〜11月72小时日平均气温连续下降8C以上的降温天气过程称为强降温天气。强降温天气是重庆地区冬半年主要的灾害性天气之一，其性质与寒潮类似，主要的天气现象为剧烈降温和大风天气，春资助项目：重庆市气象局青年基金项目QNJJ-201202作者简介：邓承之，男，1983年出生，工程师，主要从事天气预报工作，Email:95640680@季还会伴有雷电、冰雹和冻害等天气现象。目前，对于重庆地区强降温天气的分析仍相对较少。2011年3月13〜15日，受冷空气影响，重庆地区出现了一次区域性强降温天气，各地48小时日平均气温普遍下降6°C以上，其中，位于四川盆地内的渝中及渝西大部地区降温达到8〜12C，呈现“西强东弱”的特征（图1）；并伴有降雨出现，渝中及渝东北地区，以万州、忠县等地为中心，过程雨量超过25mm，呈现“东强西弱”的特征（图2）。由于降温降雨明显，且高海拔地区伴有降雪，在社会公众间产生了较大的影响。图1 2011年3月13-15日平均气温下降幅度分布（单位：C）3231.53130.53231.53130.53029.52928.5105.5106106.5107107.5108108.5109109.5110图22011年3月13-15日过程降雨分布（单位：mm）本文采用常规观测、自动站及NCEP1°X1° 6小时再分析资料，对重庆此次强降温过程作了天气形势与诊断分析，着重分析重庆降温、降雨的分布及成因。气温距平经验表明，平均气温为正距平，在冷空气影响时，有利于降温幅度的增大；一定的气温正距平，对降温达到强降温标准有必要性。此次强降温开始前，重庆地区9〜11日，维持阴雨天气，12〜13日，转为多云天气，气温逐步回升，但由于低层湿度较大、升温日数较短，13日各区县平均气温约14〜17°C左右，与3月中旬多年旬平均气温相比，除东南部偏高4°C以上，其余地区均在2C或2C以内（如图3）。对比图3与图1可以看出，这种气温距平的分布与降温分布并不匹配。重庆中西部与东北部气温距平值接近，均在1〜2C左右，但过程的实际降温幅度，中西部却显著超过东北部；而气温距平最大的东南部，降温幅度却仅与东北部相当。形成这种降温分布的原因，与冷空气的南下路径、强度及盆地的特殊地形有关，下文将作具体分析。3231.53130.53029.52928.5105.5106106.5107107.5108108.5109109.5110图3 2011年3月13日平均气温与多年3月中旬平均气温的距平（单位：C）环流及主要影响系统分析环流形势这次强降温过程主要是由横槽转竖，引导槽后积聚的冷空气向南爆发形成的，如图4。过程开始前的2〜3天，欧亚中高纬为两槽两脊的经向环流型：两低槽分别位于贝湖以西和鄂霍茨克海地区，两高脊分别位于乌拉尔山和大兴安岭附近。贝湖西部低槽后部有明显的冷空气积聚。西太平洋副高呈带状分布在南海-中南半岛上空；高原及高原东部盛行纬向气流，多波动槽东移。12日08时，贝湖西部低槽，呈东北-西南走向，位于贝湖-新疆北部上空，槽后盛行东北气流，乌拉尔山脊后部盛行西南气流，槽、脊后部的温度场均落后于高度场，有显著的冷、暖平流输入，槽、脊均处于发展加强之中；重庆地区处于短波脊的影响下，天空云量较少，地面显著增温（图4a）。13日08时，乌山高脊进一步向北发展，贝湖低槽显著南压，低槽北段南压更为明显，呈现为东西向的横槽形态，槽后脊前仍维持东北气流，但冷平流明显减弱，温度槽与高度槽接近重合；重庆地区短波脊东移，受高原短波槽的影响，天空云量逐渐增加，致使增温速度较慢，因而，冷空气影响前，地面气温正距平值不高，（图4b）。14日08时，北方槽脊再次东移南压，横槽西段到达河套北部上空，槽后由东北气流转为西北气流，标志着横槽即将转竖（图4c）。14日20时，横槽转为东北-西南走向，槽后冷空气主体迅速南压，影响包括重庆在内的我国南方大部地区（图略）。至15日08时，低槽南段移至长江沿线一带，槽后西北气流已控制四川北部地区，标志着重庆地区的降温降雨天气行将结束（图4d）。图4500hPa高度场（a：3月12日08时；b：13日08时；c：14日08时；d：15日08时；单位：位势十米）冷空气的积聚、爆发和结束3月11〜12日，乌拉尔山脊和贝湖低槽在后部暖、冷平流的作用下均处于发展中，槽后脊前的偏北风引导西西伯利亚冷空气在巴湖北部积聚，并缓慢东移，至12日20时，冷高压中心位于巴湖东北部一带，中心气压约1060hPa，地面锋位于新疆中部、内蒙西部地区，（如图5a），新疆北部850hPa温度等值线密集，气温梯度达到约12°C/5纬度（图略）。13〜15日，乌山脊和前部低槽逐渐东移南压，脊前冷空气沿着青藏高原边缘，经新疆东部、河西走廊南下，入侵四川盆地，给川渝地区带来显著的降温降雨天气。13日20时，冷高中心位于新疆东北部，中心气压仍接近1060hPa,地面冷锋逐步翻越秦岭-大巴山脉，到达盆地北部（如图5b）。之后，锋面继续南压，影响川渝各地，至15日08时，地面冷锋南压至华南沿海地区，等压线密集带移出重庆，重庆地区转受冷高压控制，降温降雨结束，天气转好。通过以上分析，依据冷空气入侵四川盆地的路径分类，此次降温降雨过程主要为西北路径冷空气入侵盆地带来的强降温天气，前期气温与同期多年旬平均气温相比为弱正距平，但冷空气势力较强，是一次较为典型的强降温天气过程。□PRMSLmfil/iOOihPd)ITC:I2212WW2OHb PRMSLmsl/lOOihPo)„TCl2Zl^UflR2O'□PRMSLmfil/iOOihPd)ITC:I2212WW2OHb PRMSLmsl/lOOihPo)„TCl2Zl^UflR2O'1图5海平面气压场（a：3月12日20时；b：13日20时；单位：hPa）降温分布成因图6给出了3月13日20时至15日08时850hPa上的温度平流分布，可以看出，13日20时，在700hPa、850hPa切变线后部偏北风控制的华北、河套地区，出现了东北-西南走向的带状冷平流区，其中，陕西中部地区出现了超辻60X10FC/S的强冷平流中心（图6a）。14日08时，切变线及冷空气进一步南下，冷平流区域扩展至长江沿线及以南地区，出现了两个冷平流中心，分别位于四川盆地北部和河南东北部，冷平流中心强度均达到-35X10-5C/S，盆地大部地区气温开始迅速下降（图6b）。14日20时，随着横槽转竖，冷平流中心向长江沿线地区移动，盆地北部的冷平流中心维持并向南扩散，贵州北部出现另一个冷平流中心，强度略弱，达至到-20X10-5C/S；湖北地区维持较强的冷平流，北部亦出现一冷平流中心，强度达到-25X10-5C/S（图6c）。之后，强冷平流区域迅速移至贵州、湖南南部地区，川渝地区冷平流显著减弱，同时，15日开始，500hPa低槽迅速过境，川渝地区天气转好，辐射增温增强，气温开始回升，冷空气影响结束（图6d）。匸Cb fljnriPa吐厲门2匸Cb fljnriPa吐厲门2巧k.. l.tcOOZ14MAR2011a 醋ntiPn比0啟-[2巧k..;,.L.TC 1C fiJtlhPg L.TC12Z14FJAR2011d JSSCihPo*旳啟j2巧—L.TC00Z15MAR^11图6850hPa温度平流（a：3月13日20时；b：3月14日08时；c：3月14日20时；d：3月15日08时；单位：10-C5/S）由过程中冷平流中心出现的位置和移动可以看出，冷空气影响重庆及周边地区时，主要由两个路径南下，一条是由河西走廊进入四川盆地，由盆地南部移上云贵高原；另一条是由河套或华北地区进入两湖盆地，由湖南南部进入华南地区。此次冷空气过程中，重庆东南部始终未出现强冷平流，这与此次冷空气路径及重庆地区特殊地形有关。重庆东南部为武陵山系所在地，由于地形的原因，在受冷空气影响时，冷空气较易取东北路径，即由两湖盆地回流进入，而不易受西北路径冷空气影响。此次冷空气由西北路径首先入侵四川盆地，再由盆地南部南下，而冷空气进入两湖盆地时间较晚，南下的却比较快，因而导致重庆东南部地区受冷空气入侵较弱，致使东南部地区虽然前期气温正距平较明显，但降温幅度并不大。综合以上分析可见，此次强降温过程中，冷空气南下速度快，降温时间短，主要降温时段为3月14日。由于冷空气为西北路径，盆地内的重庆中西部地区降温最显著，而东部山区受影响略弱，尤其是重庆东南部地区，受西北路径冷空气的影响最弱，虽然前期有较明显的气温正距平，但并未带来匹配的降温幅度，因而导致降温分布出现“西强东弱”的特征。降雨分布成因5.1锢囚锋作用如前所述，此次冷空气影响形成的降雨，以渝中及渝东北地区最显著，万州、忠县等地，24h雨量均超过25mm,呈现“东强西弱”的特征（如图2）。分析降雨分布形成的原因，与过程中出现的川东锢囚锋有密切的联系。由图7可以看出，由于盆地北部、东部山脉的存在，过程中，冷空气首先进入四川盆地并南下，稍晚进入两湖盆地的冷空气由两条山系之间的谷地逐渐向西回流进入四川盆地，两股冷空气在盆地东部相遇，产生弱的锢囚，如图7所示。14日20时沿30°N纬向气温的经度-高度剖面图（图8）上，也可以看出锢囚锋形成时，气温垂直分布呈现出的Q形态。过程中主要的降雨时段为14日12时以后，与锢囚锋形成的时间大致相近；降雨的中心也主要位于重庆中东部地区，即形成锢囚锋位置的附近。可见，冷空气侵袭川渝地区时，锢囚锋的形成对大降雨的出现和落区有着重要的影响和指示意义。

图73月14日20时重庆附近地面冷锋及锢囚锋位置TMPprsUTC:12Z14MAR2011(lat=30N)图8 3月14日20时30°N上气温经度-高度剖面图(单位：。C)动力学条件分析5.2.1位温场特征从14日20时沿30°N纬向位温的经度-高度剖面图上，可以看出，位温随着高度增加而逐渐增大，在700hPa以下，自西向东存在两个倾斜的等位温线相对密集带，对应于两条锋面：第一条向西倾斜，剖面图上地面锋线位于108°E〜109°E附近；第二条向东倾斜,

强度相对较弱，剖面图上地面锋线也位于109°E〜110。E附近，两条锋面之间为位温的相对大值区。而从14日20时850hPa的气温场分布也可以发现，四川盆地与两湖地区分别对应两个温度槽区，在两个温度槽区之间的重庆中东部地区为温度脊控制（图略）。这可以在一定程度上说明，在这次冷空气过程中，冷空气从两个方向侵入重庆地区，一是自西北向东南，沿着青藏高原东侧南下，进入四川盆地；一是沿秦岭-大巴山北麓进入两湖地区，再由两湖地区自东向西回流进入四川盆地。两路冷空气在重庆中东部地区相遇，形成了弱的锢囚，如图9所示。the,pQumion；lcjt=.3Q)UTC：J2ZJ4MAR2011■JDG—.ID3[1Q4EICKEI0GE1Q7EME1Q9E11QEll[ID3[1Q4EICKEI0GE1Q7EME1Q9E11QEll[1I2E113E l>14[图9 3月14日20时30°N上位温经度-高度剖面图（单位：K）散度场及垂直速度场特征经过对13〜14日逐6小时的散度场及垂直速度场分析发现，降水主要出现于850hPa辐合区、700hPa辐散区北侧、辐合中心以南的区域之中，这一区域上升运动较强，也为川东锢囚锋的所在区域。13日，重庆850hPa上空位于切变线后部，为弱偏北风控制的辐散区，锋面对应的切变辐合区位于四川北部、河套南部地区，强度超过-9X10-5S-1,此时，冷空气对重庆的影响尚不明显，850hPa等温线的密集区位于陕甘地区南部，重庆尚没有显著的降水产生；14日，随着冷锋的南压，锋后偏北风迅速增强，辐合区域向重庆西部、东北部及两湖地区移动，14日14时，700hPa上，重庆东北部、西部以及两湖盆地均为辐合区控制，辐合中心位于四川东北部，强度-9X10-5S-!，但重庆中部地区仍有辐散区维持，

显著的降水区对应于700hPa辐散区北侧、辐合中心以南的区域。同一时次，850hPa上，重庆中东部地区均为辐合区控制，强度-5X10-5S-1，显著的降水区对应于辐合大值区中。如图10所示，14日20时，四川盆地的辐合场伸展至600hPa附近，两湖地区的辐合场也达到700hPa附近，只是在重庆中东部、即108°E〜110°E区域中，800hPa以下为明显的辐合区，以上则转为辐散区，这样的散度场分布有利于这一地区的中低层出现较显著的上升运动。如图11所示，14日20时沿30°N纬向垂直速度的经度-高度剖面图上，重庆中东部108°E〜110°E区域有较强的上升运动出现，强度-1.8Pa・s-1，与过程中的显著降水区较为一致。可见，锢囚锋附近对应的辐合辐散场及其产生的较强上升运动是大降水产生的重要动力条件。Div(lat=30je-5)UTC:12Z14MAR2011图10 3月14日20时30°N上散度经度-高度剖面图（单位：10-5S-1）WELprs.poumion(lat=30)UTC；12Z14MAR2011图11 3月14日20时30°N上垂直速度经度-高度剖面图（单位：Pa・s-1水汽条件分析由850hPa水汽通量及水汽通量散度14日08时〜15日02时的演变（如图12）可以看出，重庆地区的水汽通量主要来自东北方向和偏东方向。其中，重庆西部上空的水汽通量来自东北方向，且因锋后风速较大，水汽通量值也较大，如图12c所示，14日20时，盆地内最大水汽通量值达到20g•s-1•hPa-1•cm-1以上；而重庆东部地区的水汽通量来自偏东方向，因回流的风速较小，水汽通量值也较小，在10g•s-1•hPa-1・cm-1以下，如图12a〜12d所示。两者之间水汽通量辐合的大值区域位于重庆中东部地区，是重庆中东部地区产生显著降水的重要原因之一（如图12b〜12c）。由此可见，来自东北和偏东方向的水汽和动力的辐合是重庆中东部地区产生较大降水的重要条件。qv&qvdrv14：OO(UTC) qv^cqvdtv1+tOfl(urC)1D10qv*qvdrv14：12(UTC)qv&qvdrv14：OO(UTC) qv^cqvdtv1+tOfl(urC)1D10qv*qvdrv14：12(UTC)ioqv&qvdP1+:18(UfC)'20■a图12850hPa水汽通量(矢量，单位：g・s-i*hPa-i・cm-i)及水汽通量散度(阴影，单位：10-7g・s-i*hPa-i・cm-2)(a：3月14日08时；b：3月14日14时；c：3月14日20时；d：3月15日02时)结论2011年3月13日〜15日，冷空气入侵重庆地区引起的强降温天气是由横槽转竖引导槽后冷空气向南爆发产生的，前期气温不高，但冷空气势力较强，是四川盆地一次较为典型的强降温天气。冷空气南下速度较快，降温时间短，主要降温时间为3月14日。过程的显著降温区域位于盆地内重庆中西部地区，呈现“西强东弱”的特征；而主要降雨区域位于盆地向山区过渡的重庆中东部地区，呈现“东强西弱”的特征。降温的分布特征主要由冷空气入侵四川盆地的路径，结合地形导致的。冷空气沿青藏高原边缘，经新疆东部、河西走廊南下，相对重庆及四川盆地的位置，其主要路径为西北路径，此类路径的冷空气对重庆中西部地区降温影响更大，对东部山区影响较小，结合盆地内一定的气温正距平，重庆中西部地区降温较显著，东北部地区较弱，东南部受到的影响最小。降雨的分布特征主要由冷空气入侵四川盆地的过程中，分为两支不同路径的冷空气先后共同影响，进而产生锢囚锋导致的。此次冷空气南下至河套地区后，冷空气的主支沿青藏高原东麓，翻越四川盆地北部山脉进入盆地并南下，次支沿着盆地北部山脉东移进入两湖盆地，而后再由盆地北部大巴山系与东部武陵山系之间的谷地向西回流进入四川盆地，两条路径的冷空气在川东地区相遇，并产生弱的锢囚，锢囚锋出现的时间与位置与大降水出现的时间与落区基本一致。诊断分析显示，大降水出现的前后，重庆中东部地区存在东西两条冷锋，第一条向西倾斜，强度相对较强；第二条向东倾斜，强度相对较弱，两条冷锋相交于重庆中东部地区，即有锢囚锋出现；锢囚锋所在区域对应着较强的辐合、上升运动区及水汽辐合的大值区，为大降水的产生提供了重要的动力和水汽条件。因此，锢囚锋可能是此次过程中重庆中东部地区大降水产生的主要原因。参考文献刘传凤.我国寒潮气候评价J].气象，1990,16(12)：40-43王遵娅,丁一汇.近53年中国寒潮的变化特征及其可能原因.大气科学，2006，30(6)：1068-1076康志明，金荣花,鲍媛媛.1951-2006年期间我国寒潮活动特征分析[J].高原气象，2010,29(2):420-428阮蔚琳,马志强,章志芹.近44年无锡寒潮天气变化特征分析.暴雨灾害，2007，26(2)：139-143季致建,李邦宪,何丽萍.浙江省54年寒潮气候概况及时空分布特征分析.浙江气象，2007，29(3)：9-13林爱兰,吴尚森.近40多年广东省的寒潮活动.热带气象学报，1998，14(4)：337-343段莉,湖涛,徐祥德.华北地区春季大范围强寒潮过程能量场及热源场的滤波分析.气象，1991，17(1)：3-8许爱华，乔林，詹丰兴等.2005年3月一次寒潮天气过程的诊断分析[J].气象，2006，32(3)：49-55樊明，冯军，尚学军.“2001.4.9”寒潮天气形成过程分析[J].气象，2002，28(3)：54-57王丽，韦惠红,金琪等.湖北省一次罕见寒潮天气过程气温陡降分析[J].气象，2006，32(9)：71-76刘丽.低纬高原冬季寒潮天气个例分析[J].气象，2001，27(8)：53-55周国兵，隆宵，刘毅.重庆市“5・29”暴雨天气过程诊断分析与数值模拟.气象科技，2006，34(1)：29-34惠小英，罗四维.地形对两次寒潮过程影响的数值模拟研究[J].高原气象，1993，12(3)：283-293住明正，高良诚•西藏高原附近寒潮的数值模式研究[J].气象科技，1986，(4)：27-37Analysisofoncestrongcoolingweather'scoolingandprecipitationdistributioncharacteristicsanditsformationDengChengzhi1JiangYuhua1ZhouTong21.ChongqingMeteorologicalOffice，401147；2.QianjiangDistrict，ChongqingMeteorologicalBureauAbstract:Theinvasionofcoldaircausedaregionalstrongcoolingweatherin

ChongqinginMarchl3〜15,2011.Thecoolingweather'ssignificantcoolingregionslocatedinwestandcenterChongqing,whileitsheavyprecipitationlocatedineastandcenterChongqing.Ana