隆冬季节四次低温天气成因对比分析

李树岭 ，赵 玲 ，孟莹莹 ， 庞 博 ,付 雯

（1.哈尔滨市气象台，黑龙江 哈尔滨 150028；2.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030;3.黑龙江省气象服务中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

以往关于低温与环流形势关系的研究，多从月、季时间尺度进行研究[1-3]，而从中短期预报时效进行低温预报方法的研究较少， 且多以乌拉尔山阻塞高压、冷空气路径、冷平流和地面冷高压对地面低温的影响研究为主[4-6]。 不过也有个别研究发现风力小有利于夜间辐射降温， 以及大气稳定度或逆温对地面气温变化有重要影响[6-8]。 2020年年末至2021年1月中旬， 中国中东部地区接连受低温或寒潮天气影响， 不断有最低气温突破当地有记录以来气温极低值的报告，给人民生活、农业生产带来不利影响，黑龙江省多地气温也刷新了2020年入冬以来的最低值记录， 其中 2020年12月26日到 2021年1月2日“跨年”低温对黑龙江省影响相对较重。

本文利用实况观测资料和物理量诊断资料，对黑龙江省此次低温天气以及2001年1月上旬到中旬初、2013年1月上旬、2018年1月下旬低温时段的天气形势和影响系统等进行对比分析， 总结出一些低温天气的中短期预报思路和预报依据， 供预报员在日常业务中参考应用。

2 四次低温天气实况

在本次研究中， 选取2001年1月上旬到中旬初低温时段为个例1， 选取2013年1月上旬低温时段为个例2，选取2018年1月下旬低温时段为个例3，选取 2020年12月26日到 2021年1月2日低温时段为个例4，其中在这四个低温个例中多数站点的日最低气温分别在 2001年1月11日、2013年1月8日、2018年1月23日以及 2020年12月28日的早晨达到最低。

在四个低温天气个例中， 从低温的强度和低温的范围以及低温持续时间看， 前三个个例的低温明显强于第四个。 前三个个例持续时间长、强度强，范围大，其中个例3 最强，个例1 第二强，个例2 第三强。

个例3 最强。极端最低气温≤-40 ℃的站点分布在大兴安岭、黑河、伊春、齐齐哈尔北部、绥化北部、哈尔滨北部、 佳木斯东部， 其中呼中最低气温-47.7℃、漠河-45.2 ℃、嘉荫-44.9 ℃、庆安-43.4 ℃、乌伊岭-43.1 ℃、五大连池-42.5 ℃、讷河-41.1 ℃、抚远-41 ℃，绥棱-41 ℃，加格达奇-40.2 ℃、延寿-40.1 ℃，均为这四个个例中当地气温的最低值， 抚远等个别站点接近或突破有记录以来的极低值记录。

个例1 第二强。极端最低气温≤-40 ℃的站点分布在大兴安岭、黑河、伊春、齐齐哈尔北部、绥化、哈尔滨北部，其中呼中-44.4 ℃，嫩江-43.9 ℃（突破历史极低值记录），伊春、拜泉、通河-42 ℃左右。

个例2 第三强。极端最低气温≤-40 ℃的站点主要分布在大兴安岭、黑河、伊春三个地区，且最低气温高于第二个个例和第三个个例。

个例4 最弱。极端最低气温≤-40 ℃的站点仅分布在大兴安岭北部。 部分站点虽然达到2020年入冬以来的最低值，但是没有站点突破历史极低值记录。

3 中低层天气形势和冷空气强度对比分析

3.1 500 hPa 天气形势和冷空气强度

在500 hPa 高度场上（图1），四个低温天气个例中低温较强时，黑龙江省上空的冷空气强度不同，等高线与等温线交角小。 亚洲中高纬都是西高东低的环流形势，但是位相略有差异。在个例1和个例3、个例4 中，伸向极地或较高纬度的高压脊偏西，位于乌拉尔山地区，个例2 中的高压脊位于中亚地区。

图1 亚洲中高纬500 hPa 位势高度/dagpm（实线）、温度/℃（虚线）和风场（风向杆）（a）2001年1月11日 08时 （b）2013年1月8日 08时 （c）2018年1月23日 08时 （b）2020年12月28日 08时

个例 1 在 2001年1月11日 500 hPa，主体冷空气位于黑龙江省及其以北的俄罗斯区域， 全省500 hPa 气温低于-44 ℃，其中中西部低于-46 ℃，-49 ℃冷中心位于大兴安岭地区东部， 在高度场上则对应是一个闭合等高线为496 dagpm 的冷涡，中心强度＜492 dagpm。

个例 2 在 2013年1月8日 500 hPa， 主体冷空气位于鄂霍茨克海上，与东亚大槽相伴，中心强度低于-44 ℃，黑龙江省位于槽后，冷空气最强处位于黑龙江省北部仅为-40 ℃左右，弱于其它三个个例。

个例 3 在 2018年1月23日 500 hPa，主体冷空气从西伯利亚向东南移入黑龙江省，强度强，持续时间长； -49 ℃冷中心位于大兴安岭地区东部，相应的有范围较大的闭合等高线为496 dagpm 的冷涡位于黑龙江省北部及其以北的俄罗斯区域， 中心强度＜492 dagpm 。 冷涡和冷中心的强度、位置与个例1 接近，但是范围比个例1 明显偏大。

个例 4 在 2020年12月28日 500 hPa，-44 ℃冷空气中心位于贝加尔湖到黑龙江省北部以及鄂霍茨克海，鄂霍茨克海上有＜496 dagpm 的冷涡与之配合，其横槽向西经过黑龙江省伸至贝加尔湖以西， 伴随着乌拉尔山高压脊东移、 横槽转竖， 冷空气向南爆发。

低温强度排前2 位的个例1 与个例3，500 hPa冷空气中心强度接近，且均位于黑龙江省北部。 对应在黑龙江省都有较强的冷涡控制， 并有冷中心与冷涡几乎重合， 表明冷涡与冷空气几乎发展到了最强阶段。个例3 低于-48 ℃的冷中心的范围明显大于个例1，冷空气总体强于个例1。 冷空气强度的这种差别与地面最低气温的差别表现一致。个例2和个例4在环流形势场上明显与个例1和个例3 不同， 冷涡位于鄂霍次克海上， 黑龙江省上空不是冷涡而是高空槽，冷空气强度也较弱，尤其是个例2 的中层冷空气强度最弱。 冷空气的这些特征可以解释个例3 是低温强度最强的原因，也可以解释个例1、个例3 的低温强度强于个例2和个例4，但是不能解释个例2的低温强度为什么明显强于个例4。

分析四个低温天气过程亚洲中高纬500 hPa 平均高度场和距平场（图略）特征，发现均为西高东低和北高南低环流形势，即具有北极涛动（AO）的负位相特征。 这个分析结果与文献[1-3]对北极涛动和乌拉尔山阻塞高压与北方地区气温变化的关系的研究结果一致。 乌拉尔山和极地暖空气势力异常偏强，正高度距平中心强度≥15 dagpm，而西伯利亚地区南部冷空气势力异常偏强， 负高度距平中心强度≤-10 dagpm。

3.2 850 hPa 天气形势和冷空气强度对比分析

在850 hPa（图2），四个低温天气个例中低温最强时有两个共同点， 一个是黑龙江省都位于高空槽或高空冷涡后部的西北气流里， 另一个是黑龙江省上空都有冷中心。 冷中心落后于高空槽，等高线与等温线有一定的交角，以冷平流为主。 黑龙江省西北部等温线稀疏，冷平流较弱甚至有弱暖平流或冷平流。每个个例的冷空气强度以及在东部和南部的等温线稀疏程度和冷平流强度不同。

个例 1 在 2001年1月11日 850 hPa，黑龙江省在低于-32 ℃的冷空气控制中，中部大部地区冷空气强度低于-34 ℃，中心强度为-37 ℃，冷空气较强。 等温线稀疏，风力8-10 m·s-1。东部地区冷平流明显，中西部地区温度平流较弱。

个例 2 在 2013年1月8日 850 hPa，黑龙江省在低于-20 ℃的冷空气控制中，冷空气强度较弱，中北部地区低于-28 ℃，仅在大兴安岭南部、黑河北部较小的范围内低于-30 ℃。 等温线稀疏，风力 6-8 m·s-1，温度平流较弱。

个例 3 在 2018年1月23日 850 hPa，冷中心在黑龙江省北侧的俄罗斯境内， 中心强度接近-39 ℃。黑龙江省大部在低于-30 ℃的冷空气控制中，其中大兴安岭地区冷空气强度-34 ℃左右。东南部地区等温线相对密集，冷平流明显；西部和北部地区等温线稀疏，风力多为4-6 m·s-1，有弱冷平流。

个例 4 在 2020年12月28日 850 hPa， 黑龙江省北部地区低于-28 ℃，其中大兴安岭地区上空有低于-32-（-30） ℃的冷中心，等温线稀疏，有弱暖平流或零平流。 黑龙江省中南部地区位于冷锋锋区中，温度为-28-（-20） ℃， 等温线在四个个例中最为密集。风力在四个个例中最大（12 m·s-1左右）。个例4 在黑龙江省中南部地区的冷平流在四个个例中强度最强、范围最大。 12月29日，冷空气进一步东移南下，全省850 hPa 温度低于-28 ℃，虽然冷空气和冷平流较强，但是由于西北风风力较大，热量湍流交换强，地面降温幅度较小。

综上所述， 黑龙江省低层冷空气强度个例3 最强，个例1 次之，均强于个例2和个例4，可以解释个例1和个例3 的低温比个例2和个例4 强。 但是，个例2 与个例4、个例1 与个例3 的低层冷空气强度与低温程度并不完全对应。

3.3 海平面气压场与低温程度的关系

四次低温天气过程中最低气温较低时对应的海平面气压场（图3）也有共同特点，即黑龙江省除大兴安岭地区外均位于冷高压前部的偏北气流中， 等压线稀疏，风力小，湍流弱，有利于夜间晴空辐射降温，形成近地面或低层较强的逆温， 从而形成较强的低温天气。 可以认为，海平面气压场上这种冷高压前部较稀疏的等压线分布特征是有利于形成低温天气。

综合分析发现冷高压强度以及黑龙江省海平面气压值的高低与最低气温值大小没有呈反比等对应关系。 例如，个例3 与个例4 的冷高压位置接近，其中心强度均较强， 尤其是个例4 无论是冷高压中心强度还是黑龙江省的海平面气压值在四个个例中均最强或最大， 但是个例4 的低温程度在四个个例中却最弱。

4 中低层风力对低温强度的影响

个例2 与个例4 的低层冷空气强度与低温程度以及个例1 与个例3 的低层冷空气强度与低温程度不完全对应，进一步分析认为，这种现象与中低层风速大小即热量的湍流交换强度有一定关系。

四个个例中各层风向以偏西风或偏北风为主，近地面风速均较小， 但是低温程度最轻的个例4 中低层风速明显大于其它三个个例（表1-2）。个例4 在400-700 hPa 的风速明显大于个例2， 冷锋锋区和冷平流强，湍流热量交换强，低层辐射降温和逆温相对较弱，所以，虽然个例4 在黑龙江省北部中低层冷空气强度强于个例2， 但是地面最低气温高于个例2。另外，个例3 影响黑龙江省的冷空气强度接近个例1，实际个例3 的低温明显强于个例1，其原因也可以用中低层风速的差异解释， 例如个例3 中低层风速小于个例1，相应的，个例3 的低温程度总体强于个例1。

表1 四个个例低温较强时哈尔滨各层风速/m·s-1

可见， 中低层风速大小尤其是中层风速对低温程度的影响至关重要， 以后在制作温度预报或研发温度客观预报方法时除关注中低层环流形势和冷空气强度外，也要重视分析风力对气温预报的影响。

表2 四个个例低温较强时嫩江各层风速/m·s-1

5 小结与思考

（1）本文分析得到一些有利于黑龙江省隆冬季节出现低温的天气形势、 影响系统及部分相关的气象要素特征， 可为今后准确预报低温天气增加预报依据。 但是分析中使用的低温天气个例较少，所得结果有待于今后通过分析更多的低温天气个例进行检验、补充和完善。

（2）亚洲中高纬500 hPa 高度场西高东低、北高南低环流形势有利于黑龙江省出现低温天气。 黑龙江省上空受冷涡影响比受高空槽影响时低温强度易更强。

（3）黑龙江省低温易达到最强时的天气形势特点为： 中层冷涡与冷空气接近重合且位于黑龙江省附近时； 低层黑龙江省位于冷涡后或高空槽后的西北气流里，冷中心落后于冷涡或高空槽，且黑龙江省处于冷空气中心区域； 海平面气压场上黑龙江省位于冷高压前部等压线较稀疏区域。

（4）当中低层冷空气强度接近时，中低层风速越小，低温强度越强。 今后在研发温度客观预报方法或制作极端最低气温预报时， 除考虑中低层天气形势和冷空气强度外， 还需考虑风向风速对气温变化的影响。

（5）建议今后研究并建立黑龙江省隆冬季节低温天气事件综合强度分等级评估规范， 并建立客观的低温天气分级统计方法以及相应的历史数据库，为在日常业务工作中做好低温天气过程监测、 预报和灾害风险评估等气象服务工作提供科学依据。