青海东部一次极端寒潮、暴雪天气成因分析

青海东部一次极端寒潮、暴雪天气成因分析

郑志红 王志远 雷生国 谭丽娜

（青海省海东市气象局，青海平安 810600）

摘要：为进一步做好极端天气预报，为青海省气象防灾减灾工作提供决策支撑，本文依据天气学原理和天气动力学诊断分析方法，基于地面、高空等常规观测资料，通过对2018年11月2-5日发生在青海东部的寒潮、暴雪天气过程，从大尺度环流特征、地面主要影响系统、温度平流、形成暴雪的水汽条件等方面进行了分析, 厘清此次极端寒潮、暴雪发生原因，结果表明：此次寒潮过程属于“横槽”型；寒潮冷空气的路径为西北路，青海湖锢囚锋是形成东部暴雪的主要原因；中低层冷平流优先于高层冷平流迅速进入青海东部，700hPa、500hPa、300hPa三股气流在青海东部交汇，有利于辐合上升运动产生(高低空急流的耦合)；低层辐合，高层辐散和强的上升运动为大到暴雪提供了动力条件；通过此次极端寒潮、暴雪天气成因分析，可为正确预报寒潮天气、判断降水强度及落区提供参考。

关键词：寒潮；暴雪；冷平流；冷锋；水汽；青海东部

Analysis on a Extreme Cold Wave and Snowstorm in Eastern Qinghai Province

Zheng Zhihong, Wang Zhiyuan, Lei Shengguo, Tan Lina

(Haidong Meteorological Observatory, Qinghai Province, Ping'an 810600)

Abstract: To better forecast the extreme weather and support the meteorological disaster prevention and mitigation in Qinhai Province, a cold wave and snowstorm weather event in Qinghai Province from November 2 to 5, 2018 is analyzed detailedly, based on surface and upper-air observations as well as the synoptic analysis method. The large-scale circulations, main impacting systems at the surface, temperature advections and water vapor conditions are investigated to find out the causes of this extreme weather event. The results show that the cold wave process belongs to the type of “zonal trough”. The cold air comes from the northwest, and the snowstorm is mainly resulted from the occluded front over Qinghai Lake. Cold advections at middle and low levels move more rapidly than that at the upper level, entering the eastern part of Qinghai, where the three air flows at 700 hPa, 500 hPa and 300 hPa converge. It is therefore conducive to the convergence and ascending motion over there. The convergence at the low level and the pergence at the upper level, as well as the strong upward motion, tend to provide dynamic conditions for the heavy snow and the snowstorm. Overall, the analyses of this extreme event could provide some references to forecast the cold wave weather, the rainfall intensity and the rainfall area.

Keywords: cold wave, cold advection, cold front, water vapor, Eastern Qinghai

基金项目：中国气象局气候变化专项“青藏高原东北部气候变化基础数据集研制”(CCSF201853)。

作者简介：郑志红，女，1984年出生，青海贵德人，工程师，主要从事灾害性天气预报技术和短期天气预测技术研究。

引言

寒潮是我国冬半年主要的灾害性天气之一^[1-2]。由寒潮引发的大风、霜冻、雪灾等对农业、交通、电力以及人们的生活带来巨大的影响 ^[3-5] 。 国内许多学者 对寒潮发生的影响系统演变^[6-8]、冷空气移动路径^[9-11]及气候学特征^[12-14]等做了大量的研究工作，并得到一些研究成果。进入21世纪，对寒潮的关注和研究不断深入，赵玉广^[15]、陈玉莲^[16]、？^[17]分别针对河北、宁夏、甘肃的寒潮天气特点，归纳寒潮天气的环流形势、成因、冷空气活动路径及寒潮预报概念模型和预报着眼点。王江山等^[18]对青海寒潮天气的成因、类型、影响系统、环流形势进行了系统的研究，得到了一系列利于寒潮天气预报的结论。

青海东部地处青藏高原东北部，由于其特殊的地理位置，所形成的寒潮、强降温天气与我国其他地区相比有其特殊之处^[19-20]。据统计，青海东部的寒潮主要集中在10月、4～5月，隆冬季节的1月和12月，11月最少^[21]。这次寒潮天气过程发生在2018年11月2～5日，属于一次罕见的秋季寒潮，过程中伴有大到暴雪天气，多地出现极端暴雪，东部互助、共和等5站降雪量接近历史极值。本文对这次秋季典型寒潮暴雪天气过程的环流形势演变、主要影响系统、降温和暴雪等原因等进行诊断分析，归纳出青海秋季寒潮暴雪的预报思路及着眼点，为今后进一步提高青海寒潮、暴雪天气的预报预警和防御能力和气象服务提供科学依据。

1 资料与方法

1.1研究区概况

青海东部地处青藏高原东北部，平均海拔在1800～3500m之间，

1.2资料选取

气象资料：选用2018年11月2日08:00至5日20:00（北京时，下同）青海东部14个气象站逐小时气温和降水量观测资料，资料取自青海省气象信息中心；

环流资料：Micaps高空和地面常规资料、国家卫星气象中心下发的FY-2E资料。

1.3计算方法

应用天气学原理和天气动力学诊断分析方法。

寒潮标准根据青海省地方标准《气象灾害标准》（DB63/T 372 -2018）^[22]，即：48小时内日最低气温降幅达6℃或以上。

2 寒潮天气过程概述

受强冷空气影响，2018年11月2-5日青海东部出现了大范围的寒潮天气过程（全省共计15站轻度寒潮、6站中度寒潮）。此次寒潮天气的特点是：（1）前期升温明显，过程前10月30日-11月1日受高压脊控制，全省气温回升明显，1日东部农业区最高气温超过20℃。（2）冷空气强盛，2日开始强冷空气在新疆北部，之后经河西走廊东部，在青海东部黄河河谷、湟水河谷形成倒灌，于3日进入青海东部地区，出现寒潮天气，日最低气温下降；（3）过程中伴有大到暴雪天气，其中西宁、互助等4站达暴雪标准。由于过程降雪量较大，东部农业区、祁连山地区出现 5cm 以上的积雪。低温、降雪天气过程对设施农业生产和道路交通造成一定不利影响。

32 大尺度环流背景及地面主要影响系统分析

分析2018年11月2-5日500hPa的环流形势（图1），可以看出此次寒潮爆发的大尺度环流形势是“横槽转竖型”，环流型的调整是此次大到暴雪产生的关键，主要影响系统为贝加尔湖-巴尔喀什湖横槽转竖，冷空气扩散南下，并沿西北路径影响青海，地面冷锋在青海湖附近形成了锢囚锋。

32.1冷空气的堆积与爆发

此次大范围的寒潮、暴雪天气过程在时间尺度上分为两个阶段，第一阶段2-3日08时，第二阶段3日夜间-5日白天。

第一阶段：过程前期2日08时（图1a），欧亚中高纬为两脊一槽型（L型，东部脊较弱）。西西伯利亚地区有暖脊发展并缓慢东移，贝加尔湖-巴尔喀什湖一线为东西向的横槽，在70～130°E范围是宽广冷温槽，-40℃冷中心位于贝加尔湖北部，横槽南段在高原北侧形成明显的东北至西南向高空锋区。3日08时，当中西伯利亚附近高压脊加强时，脊前西北气流引导强冷空气南下，促使横槽转竖分裂为南北向的阶梯槽，槽底冷空气东移南下，高空锋区随之南压，青海东部受强的锋区影响（图1b）。

第 二阶段: 3日夜间-5日，环流形势调整为两槽一脊型。3日20时500hPa高空图上，东北冷涡已建立，高脊位于贝湖以北，中西伯利亚至巴湖一带为宽广的低压槽区。乌山脊前NW气流不断引导西西伯利亚地区冷空气补充南下，使得冷空气在南疆至蒙古堆积。高空锋区南压至甘肃河西和青海北部地区。3-4日青海东部受强的冷平流影响，造成剧烈的降温。

（黑色实线，单位：10gpm），温度（红色虚线，单位：K），500hPa急流

图1 2018年11月2日08时（a）、3日08时（b）500hPa高空场

Fig.1 500 hPa height field on at 500 hPa at 08:00 on (a) November 2 and (b) November3, 2018

32.2高低空环流配置

暴雪过程前3日08时高空图上（图2），在青海东部700hPa为SE风，500hPa南支槽前有强盛SW气流发展，300hPa青海范围为平直W风，高、中、低空三股气流在青海东部由低到高形成了螺旋结构,实现中低层水汽的输送，高层冷空气南下。随着高空急流轴的东移，处于地面锋的低空急流的上方，这种高低空急流相交的分布是一种启动对流和位势不稳定的典型形势，高空急流次级环流的上升支正好位与地面锋面垂直环流的上升支上下重合，在地面锋前缘形成一深厚的上升运动空气层，导致在青海东部地区的辐合抬升作用加强。冷暖气流在青海东部交汇，造成青海大范围的降雪天气。

图2 11月3日08时高、中、低空急流轴示意图

Fig.2 Upper- and low-level systems at 08:00 on November 3

3.3地面冷高压及冷锋

寒潮过程中，在地面天气图上，冷空气爆发往往表现为一个强大的冷高压在大陆上产生、加强和移动的过程^[6]。从地面冷高压分析（图略），过程前期（2日20时）冷空气在贝加尔湖至巴尔喀什湖堆积，3日08时冷高压加强并东移，其中心值达1050hPa，冷空气通过西北路径影响我省海北、西宁及海东北部地区。3日20时，冷高压进一步东移，并不断分裂下滑冷空气并与前沿冷空气汇合形成更强的冷空气。4日20时青海东部地区地面冷高压中心值达1030hPa，此时造成了青海东部强烈的降温，4日白天的降温幅度比3日更大。较强的地面冷高压是形成本次寒潮天气的主要影响因子之一。

一般情况下冷锋不太容易到达高原内部，但当高原上或者高原西北侧有高空槽引起高原上一次寒潮过程时，冷锋可进入高原，但冷锋的强度在翻越高原后有一定的减弱。11月1日20时地面天气图上（图3），地面冷锋开始进入新疆西北部，冷高压主体位于东欧平原，中心值1047.5百帕；冷空气在巴尔喀什湖到西萨彦岭堆积，巴湖附件出现了1042.5百帕冷高压中心值，2日20时，冷空气翻越天山分两路进入南疆盆地和河西走廊，其后地面冷高压移至蒙古高原，中心强度达到1045.0百帕；到3日08时，蒙古冷高压中心值达到1050百帕，进入南疆的西路冷空气翻越阿尔金山，冷锋进入柴达木盆地，东路冷空气到达河西走廊东部，在青海东部黄河河谷、湟水河谷形成倒灌；3日夜间，东、西两路冷空气在青海湖附近交汇，形成青海湖锢囚，造成了青海东部区域性的大到暴雪；4-5日，青海东部到甘肃河西走廊，地面冷锋后部，祁连山东段达坂山一线持续气压梯度的存在，加强了地形的辐合作用，造成青海东部的降雪天气持续。

图3 11月2-3日地面冷锋示意图

Fig.3 Sketch plots of surface cold front from November 2 to 3

43 成因分析

43.1 强降温成因分析

在此次寒潮天气过程中，强的冷平流是气温骤降的主要原因。寒潮天气爆发前（1日20时），500hp形势场上，里海以北60⁰ N～70⁰N区域内为南北向的冷平流控制，而咸海-巴湖以北至新西伯利亚一带为强盛的暖平流区。贝湖附近有一个-2.4k/m•10^-4的冷中心，说明冷空气强盛，此时在巴尔喀什湖东侧至北疆一带也为东西向的冷平流控制，中心强度为-2.6

图4 2018年11月1日20时（a）、2日20时（b）500hpa温度平流场

Fig.4 Temperature advections at 500 hPa at 20:00 on (a) November 1 and (b) November 2, 2018

k/m•10^-4。新疆、蒙古、河西走廊至青海东部一带为暖平流区。2日20时，位于里海以北的冷平流区东移到咸海以北-新西伯利亚，但强度有所减弱。贝湖的强冷平流区主体向东北方向移动到东西伯利亚一带，并在巴尔喀什湖东西两侧分裂成两个冷平流中心，此时，强冷空气在北疆堆积，冷平流中心值达-2.6*10^-4k/m•但是青海除海西西部外，主体处在河套的暖平流区。伴随着横槽转竖，3日08时，冷平流区进一步东移南压，青海处在强的冷平流控制之下，3日全省气温迅速下降，4日白天，地面寒潮冷锋过境后冷平流区东移，势力减弱。从500hpa温度平流分布来看（图4a，图4b）强冷空翻越天山通过西北路经影响青海东部地区，强度为-2.6k/m•10^-4。随后冷平流随着冷锋继续东移南压，其范围进一步增大。

沿102^ºE做温度平流的垂直剖面图，可以看出，3日08时中低层冷平流主体位于300hPa以下（图5a），36

^º N以北的区域，冷平流中心位于700hPa以下,中心强度达-0.7*10^-4k/m。从槽线位置看，中高层槽线位于100⁰E附近，槽后＞20 m/s偏北急流，且跨越15个经度，急流将带槽后冷平流不断输送至南疆至河西走廊西部地区；而500hPa以下已有冷空气入侵青海东部。3日20时，中低层的冷平流快速南压至36⁰N附近，高层至中层冷平流打通，但冷平流强度较弱。4日08时300hPa以下整层大气为强冷空气控制（图5b）。

102°E温度平流沿纬度-高度的剖面图，温度平流（阴影和黑线，单位：k/ m•10^-4，暖平流>0实线，冷平流<0虚线）。

图5 2018年11月3日08时（a）、4日08时（b）500hpa温度平流垂直剖面图

Fig.6 Vertical sections of temperature advections at 500 hPa at 08:00 on (a) November 3 and (b) November 4, 2018

此次寒潮天气过程的主要特征是：中低层冷平流优先于高层冷平流迅速进入青海东部，高空偏北急流加速了冷平流的输送。由于青海东部地处青藏高原东部，地形特殊，受山地的阻挡作用，有利于冷空气在山地前部堆积降温，从而导致处于河湟谷地的低洼区，受冷空气下沉作用降温明显。

43.2强降雪成因

从降雪实况可知（图略），11月3-5日青海东部出现极端大到暴雪天气过程，暴雪范围广（9站出现大雪，4站暴雪），多地出现极端暴雪， 4日互助、共和等5站接近历史极值，湟中积雪深度达 11cm，为 1994 年以来的最大值； 互助最大积雪深度为 10cm，为 2000 年以来的最大值。

此次暴雪天气中， 700hPa低层由高原东部从云贵高原-四川盆地-甘肃南-青海东部低空急流水汽输送带为降水提供了主要的水汽输送。500hPa高空系统自带水汽充足，露点温度差（T-Td≤2℃）达到饱和，湿层深厚，为暴雪提供有利的水汽条件。降雪过程前一天20:00

青海东部地区700hPa从15℃的暖温度中心下降至6℃，且冷锋前形成≥6m/s的西南暖湿气流，与锋后的冷空气相交汇。3日8:00形成T-T_d≤2℃的湿区，而此时门源站的温度为-2℃，5：00-8:00出现雨夹雪转雪。

秋季的大到暴雪过程和南部系统的活动情况密切相关，西南水汽的输送及其与北部系统辐合区域可能是大降水发生的区域，对于水汽条件的分析比动力条件更重要。

暴雪区上空的水汽辐合经历了从低层发展，东移过程中水汽辐合层抬升、强度加强，暴雪区低层水汽辐合区东移过程强度加强，辐合层抬升。3日14时700hPa水汽通量散度场上（图略6），在青海中东部有一水汽通量的辐合带，海南、果洛、黄南，海东等地区处在强的水汽辐合中，至20时最强水汽辐合层位于700-500hPa（最强可达-3.5×（10^-7·g·（cm2 ·hPa·s^-1））（图略）。最强降雪出现前水汽输送和辐合最强，当水汽输送和辐合层降低、强度减弱，最强降水开始。

500hhPa水汽通量：蓝色实线；水汽通量矢量：箭头；水汽通量散度：红色阴影。

图 6 2018年11月3日14时 500hPa 水汽通量散度（单位：）

Fig.6 The vertical section of water vapor flux pergence at 500 hPa at 14:00 on November 3, 2018

从动力条件分析，暴雪过程前2日20时青海省东部从低空到高空均为上升运动，最强上升运动在36 ⁰N附近的500hPa上空，中心值达-10×10^-3 hPa·s-1。涡度垂直剖面图上，在青海东部中低空为正涡度区，而500hPa以上为负涡度。涡度垂直剖面图上反应，低空为正涡度，中高空负涡度，从而形成低空辐合高空辐散的垂直上升运动。

对流层中低层的_se场表明，过程当日08时，青海东部有_se的冷舌向南伸展，表明降雪前有冷空气逐渐南压，随着冷空气的堆积，在青海东部降雪区形成_se的能量锋区，中心值在西藏东部达56℃。随着降水的发生，不稳定能量开始释放，等_se的线的密集带逐渐南压，且变得稀疏。

54. 红外云图特征

从云图演变分析可知，降雪云系有暖低云演变为冷高云，因西南气流较强，使得云系往东北方向移动，并且较冷云团形成大致平行排列的带状云系，特别是水汽云图上青海东北部的水汽增大明显。3日夜间红外云图与水汽图的云顶梁文均维持在-53℃～-62℃之间，可见冷云发展非常旺盛。从10分钟间隔的固态降水与云图叠加可以看到，降雪均发生在云顶亮温中心附近及亮温梯度的边缘。而3日夜间降雪较大的大通、互助、乐都、化隆等地主要是由弱对流性冷云降雪的“列车效应”所产生的。至3日08时青海东北部地区以阴天为主，并伴有少量降雪，最大降水出现在了海东市互助县，降雪量5.1mm，次大值区为海北州门源县，降雪量4.4mm，云系的移动轨迹为向东北方向移动，从4日15时、18时、5日1时（图略）青海上空的云系演变看， 降水云系在东移过程中可能是受500hPa引导气流影响，东移过程中得到了加强，云带变密加宽，但云系的移动轨迹仍为北推路径，大量暖湿空气向北涌入青海东部与冷空气结次合，造成了青海东部区域性的大到暴雪。

6.结论

1）本次寒潮属于横槽型。此次大范围的寒潮天气主要由500hPa上贝加尔湖附近的冷涡引导冷空气南下影响我省。

2）强的地面冷高压是形成本次寒潮天气的主要影响因子之一。

3）影响青海寒潮冷空气的路径为西北路，青海湖锢囚锋是形成东部暴雪的主要原因。

4）此次寒潮天气过程的主要特征是：中低层冷平流优先于高层冷平流迅速进入青海东部，高空偏北急流加速了冷平流的输送。

5）环流型的调整是此次大到暴雪产生的关键，低层SE风，中层SW风，中高层W风，三股气流在青海东部交汇，有利于于辐合上升运动产生。

6）秋季的大到暴雪过程和南支槽活动情况密切相关，西南水汽的输送及其与北部系统辐合区域可能是大降水发生的区域，对于水汽条件的分析比动力条件更重要。

7）降雪由冷锋云系造成，其演变特征可为判断降水强度及落区提供参考。

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基金项目：中国气象局气候变化专项“青藏高原东北部气候变化基础数据集研制”(CCSF201853)。

作者简介：郑志红，女，1984年出生，青海贵德人，工程师，主要从事灾害性天气预报技术和短期天气预测技术研究。