07第六章 寒潮天气

本课名称：中国天气教材：“天气学原理与方法”（第三版）朱乾根等编著。主要讲解中国天气特征及其预报方法。其中：第六章寒潮天气过程；第七章大型降水天气过程；第八章对流性天气过程；第九章低纬度和高原环流系统；第十章东亚季风环流。总学时：34（包括考试2学时），周学时2，从第1周到17周。第六章寒潮天气过程§6.1概述一、引言（寒潮天气概念）问题寒潮天气主要特点和中央气象台规定的寒潮天气标准是什么？寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程。主要特点是剧烈降温和大风,有时还伴有雨、雪、雨凇或霜冻和沙尘暴。它能导致河港封冻、交通中断、牲畜和早春晚秋作物受冻，但它也有利于小麦灭虫越冬。因此，作好寒潮天气预报，服务于国防、经济生产部门以便采取积极措施预防其危害、利用其有利因素具有相当重要意义。由于我国幅员广大，气候条件差异很大，气象服务对象又很不同，各地常根据当地的具体情况定出寒潮强度的等级和发布寒潮警报的标准。中央气象台规定的寒潮天气标准，是以过程降温与温度负距平相结合来划定冷空气活动强度.过程降温是指冷空气影响过程的始末，日平均气温的最高值与最低值之差。而温度负距平是指冷空气影响过程中最低日平均气温与该日所在旬的多年旬平均气温之差。具体规定如书图6.1及表6.1示。全国范围内取30个代表站分为5个区（见图6.1）,一个区内有3/5的站有冷空气活动（见表6.1），则定为该区有冷空气活动。当一次冷空气影响2-5个区并达到相同等级,并且其中包括华北和长江2个区,称为全国类；只影响北方2或3个区，称为北方类；只影响南方2个区的称谓南方类。从1951-1980年资料统计，平均每年有各类寒潮4.5次，其中全国类2.1次，北方类1.1次，南方类1.3次；各类强冷空气有6.3次，其中全国类3.8次，北方类2.1次，南方类0.4次。一年中出现各类寒潮最多可达9次，如果加上强冷空气最多共有17次。而出现寒潮最少的一年只有2次，加上强冷空气活动也只有6次。寒潮出现的时间，最早开始于9月下旬，结束最晚是第2年5月。春季的3月和秋天10-11月是寒潮和强冷空气活动最频繁的季节，也是寒潮和强冷空气对生产活动可能造成危害最重的时期。可见每年12月，1-2月虽然是天气最冷季节，但不是寒潮天气高发时期。二、冷空气的源地和路径影响我国的冷空气的源地：1）在新地岛以西的洋面上，冷空气经巴伦支海，东欧地区进入我国。它出现的次数最多，达到寒潮强度的也最多。2）在新地岛以东的洋面上，冷空气大多经客拉海、太梅尔半岛、西伯利亚进入我国。它出现次数虽少，但是气温低，可达寒潮强度。3）在冰岛以南的洋面上，冷空气经东欧南部或地中海、黑海、里海进入我国，它出现的次数较多，但是温度不很低,一般达不到寒潮强度，但如果与其他源地的冷空气汇合后也可以达到寒潮强度。根据1970-1973年资料统计结果，可看出，其中95％的冷空气都要经过西伯利亚中部（70-90°E，43-65°N）地区并在那里积累加强。这个地区被称为寒潮预报关键区（图6.2阴影区）。冷空气从关键区进入我国有四条路径：1）西北路（中路），经蒙古到达我国河套附近南下，直达长江中下游及江南地区。沿这条路径下来的冷空气，在长江以北地区所产生的寒潮天气以偏北大风和降温为主，到江南以后，则因南支锋区波动活跃，可发展伴有雨雪天气。2）东路，经蒙古到达我国东北和华北北部，在冷空气主力继续东移的同时，低空的冷空气折向西南，经渤海移到华北，再从黄河下游向南到达两湖盆地。沿这条路径下来的冷空气，常使渤海、黄河、黄河下游及长江下游出现东北大风，华北、华东出现回流，气温较低，并有连阴雨雪天气。3）西路，冷空气经新疆、青海、西藏高原东南下，对我国西北、西南及江南各地区影响较大，但降温幅度不大，不过当南支锋区波动与北支锋区波动同位相而叠加时，也可造成明显的降温。4）东路加西路，两股冷空气常在黄土高原东侧，黄河、长江之间汇合，造成大范围的雨雪天气，及大风和明显降温天气。§6.2寒潮天气系统一极涡问题何谓极涡？首先复习：两个等压面之间的厚度与其间的平均温度有何关系？将静力学平衡公式（1.47）式移项后对高度求积分得：（1.95）式中下标1为较高一层的值，下标0为较低一层的值，为两层间的平均温度。为两个等压面之间的厚度。（1.95）式表明：两个等压面之间的厚度h与其间的平均温度成正比,gzp10101010ppppzzdppgRTdpg1dz1001ppnTgRzzh温度较低的地区上下等压面之间的厚度较小,它说明了温度场与气压场之间存在着结构上的关系,这种关系通常是：较冷(暖)的空气所在的地区地面是较高（低）的气压,而其高空是较低（高）的气压，并形成了一种力管环流，即冷空气有下沉趋势,而暖空气有上升趋势。请记住这是一个很重要的概念。这是大气中温压场结构的基本关系，以及它与垂直环流的关系。请注意温压场这种关系也体现出大气压力是大气柱重量的物理含义。气空冷气空暖低压低压高压高压z01p0p极涡在温度场上看，它是极地地区大范围的寒冷气团。在气压场上看，地面图上表现为冷高压；700和500百帕高空图上表现为冷低压，流场为一个绕极区的气旋式涡旋，故称为极涡。极涡代表了大范围寒冷气团的象征。极涡的移动也就是极地寒冷气团的移动，极涡中心偏向于极地那个方向，寒冷的气团就偏向于那个方向。所以极涡是寒潮天气过程的重要成员之一。图6.3是100百帕极涡中心出现频数分布图，由图可见出现频数最多的地区是以极地为中心向亚洲北部新地岛以东的喀拉海、太梅尔半岛和中西伯利亚伸展，另一端则伸向北美洲的加拿大东部。极涡在某一地区稳定持续天数平均超过5天，在亚洲地区更为稳定，最长达35天。极涡的移动路径主要有三种类型：1）经向性运动，极涡中心从一个半球经极地移到另一半球。其中由西半球经极地向西北利亚移动的极涡主要集中在前冬。而向相反方向移动则大多发生在后冬；2）纬向性移动，大多发生在欧亚大陆的高纬度地区。3）转游性运动，主要在极区的亚洲部分和喀拉海-新地岛一带，转游的方向大部分是向西的，过一段时间后又转回原来的出现地附近。极涡中心分布特点，按100百帕的环流可分为四种类型：1）北半球只有一个极涡中心，位于80°N以北的极点附近，称为绕极型；2）偏心型，北半球也只有一个极涡中心，但位于80°N以南。北半球呈不对称的单波型，欧亚大陆高纬度为一个椭圆型冷涡；3）偶极型，极涡分裂为两个中心，中心分别位于亚洲北部和加拿大，整个北半球高纬度环流呈典型双波绕极。4）多极型，北半球有三个或三个以上极涡中心，整个半球形成三波绕极分布，波槽的位置与冬季平均大槽的位置接近（在亚洲东岸、北美东部和欧洲东部）。亚洲高纬度上空维持一个强大的极涡，对我国的寒潮天气过程有很好的指示意义。根据1962-1971年的历史天气图资料，分析发现所有中等以上强度的大范围持续低温的冷空气，都是出现在北半球对流层中上部，极涡发生一次断裂分为两个中心，即形成偶极型环流。亚洲一侧的极涡中心南压到西伯利亚北部，冷空气从西伯利亚源源南下，造成我国寒潮和大范围持续低温天气。二极地高压问题何谓极地高压？极地高压的定义是：1）500百帕图上有完整的反气旋环流，能分析出不少于一根闭合等高线；2）有相当范围的单独的暖中心与反气旋高压相结合；3）暖性高压主体在70°N以北；4）这个暖高压维持在3天以上。天气实践分析表明，导致极涡分裂呈偶极型，常常是由中、高纬度的阻塞高压（暖高压）进入极地并维持所致，而当极地高压向南衰退与西风带上发展的长波脊叠加时，会导致长波脊前的西伯利亚上空偏北风加强，引导冷空气南下，我国将有寒潮天气过程爆发。三寒潮地面高压问题何谓寒潮地面高压？与寒潮冷空气相结合地面高压常称为寒潮地面高压，这个高压的路径可当作冷空气的路径。所以它是预报寒潮天气的主要着眼系统之一。三寒潮冷锋问题何谓寒潮冷锋？在寒潮地面高压的前沿都有一条强度较强的冷锋，称为寒潮冷锋。冷锋随高度向冷空气一侧倾斜，在高空等压面上对应有很强的锋区。冷锋的移动方向与寒潮地面高压的路径有密切关系，与引导冷空气移动的高空气流（称为引导气流）方向有关，也与地形有关。§6.3寒潮天气过程寒潮是一种大型天气过程，在其整个生命史中，包括强冷空气酝酿阶段，寒潮爆发阶段，寒潮结束阶段。在天气形势上表现为：以两个大洋高压脊向极地发展，极涡分裂，极地的冷空气向亚洲的高纬度移动为开始，继而冷空气堆积，而后长波槽脊不稳定东移引导强冷空气南下，而以东亚大槽重建为结束。生命期约2-3周时间。§6.4寒潮天气过程的成因分析寒潮的冷空气堆增强原因有两个，1）冬季气团在冰雪覆盖的北冰洋、西伯利亚，由于辐射原因使空气强烈冷却；2）诊断分析表明：寒潮的冷空气堆中存在上升运动，使空气绝热膨胀冷却而增强了冷空气强度。造成上升运动的原因常常是高空槽后偏北风急流中心左侧强的气旋性切变涡度以及正涡度平流所引起的。§6.5寒潮的预报问题寒潮预报包括那些内容？包括：1）强冷空气堆积预报，强冷空气在西伯利亚、蒙古堆积是寒潮爆发的必要条件，如冷空气不够冷，即使有冷空气南下也不易达到寒潮的强度；2）寒潮爆发的预报；3）寒潮强度和路径的预报；4）寒潮天气的预报。问题2如何判断有强冷空气堆积？一般根据各层天气图上冷中心（或冷舌）及地面上冷高压的配置情况，可以判断有无强冷空气堆积。例如在西伯利亚或蒙古500百帕上有一中心强度为-48℃的冷中心，相应位置上700百帕的冷中心为-36℃，地面图上又有一个强冷高压与其配合，这就说明已有强冷空气堆积了。一寒潮的冷空气堆积成为强冷空气的预报预报可以从以下四个方面着手：1)在亚洲北部和喀拉海-新地岛一带，出现的与冷舌相配合的小槽是否属于不稳定小槽。若小槽将获较大发展，而且槽后的高压脊也将在乌拉尔山附近有较大发展，则脊前偏北气流加强，引导北冰洋或其沿海冷空气在西伯利亚堆积。在高空冷中心扩大或变冷并向南扩展时，则与其对应的地面冷高压也会加强。2)冷空气在东移过程中有无来自不同方向的新冷空气补充或合并加强。3)高空的极涡是否分裂南下到亚洲北部。如两个高压脊伸向极地，使极涡分裂南下，就会伴随着强冷空气向南堆积。4)冷舌中，有无产生绝热上升冷却的环流条件，若有正涡度平流，有利上升产生绝热冷却，冷空气增强。二寒潮爆发的形势预报当具备了强冷空气堆积必要条件以后，并不一定立即形成大范围强冷空气南下的寒潮天气，冷空气往往表现为在西伯利亚和蒙古附近打转转，或只是分裂为小股冷空气南下，与强冷空气相对应的流场多表现为分裂的极涡，或冷涡.据统计,天气形势上有70％～80％多表现为倒“Ω”流型，如图6.8所示，预报寒潮何时爆发的关键问题是,看环流的变化是否有利于在冷空气上空产生较强的偏北气流,引导大范围强冷空气南下的天气形势.这种有利的天气形势形成过程有很多种。如图6.9和图6.10所示，是上游乌拉尔山（60°E）附近，有不稳定的短波脊在移动过程中获得发展变为长波脊，使横槽转向，经向环流加强，引导冷空气南下。三寒潮的强度和路径的预报寒潮爆发南下时是具有不同的强度和不同的路径，其影响的地区也不同。所以它是寒潮预报的重要内容。㈠寒潮强度的含义常从以下三个方面来说明寒潮的强度：⒈地面图上冷高压的强度。它包括冷高压的中心数值高低、范围大小及等压线密集的程度，但以高压中心数值高低为主。⒉高空图上冷中心的数值；高空锋区强度；冷空气范围和冷平流强度。⒊地面图上冷锋强度。这包括冷锋后降温程度；冷锋后变压中心强度；锋面附近其它气象要素和天气现象也可以间接说明寒潮强度，如锋