【经典】寒潮天气过程 国家气象中心授课材料.ppt

2012年3月21日,寒潮天气过程,杨贵名,天气发生发展的分析思路冷、暖空气及其交汇冷干、暖湿（系统、气团）及其交汇风云雨雪天气学原理动力学机制冷、暖气团及其交汇,一、概述二、寒潮天气系统三、寒潮天气过程四、寒潮天气过程的成因分析五、寒潮的预报,一、概述1 引言2 冷空气的源地和路径,一、概述1 引言寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程。寒潮天气的主要特点是剧烈降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨淞或霜冻。寒潮能导致河港封冻、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、盐业制卤等。,中央气象台的寒潮标准规定，以过程降温与温度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。,全国范围内取30个代表站分为5个区（图6.1），一个区内有3/5的站有冷空气活动，则定为该区有冷空气活动。当一次冷空气影响25个区并达到相同等级，并且其中包括华北和长江2个区的，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个区的称为南方类。,从19511980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，结束最晚是第二年5月。春季的3月和秋天1011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。,2 冷空气的源地和路径源地：新地岛以西洋面上（次数最多、达寒潮的最多）；新地岛以东洋面上（次数虽少，但气温低、可达寒潮强度）；冰岛以南的洋面上（次数较多，一般达不到寒潮，但与其他源地冷空气汇合后可达寒潮）；,寒潮关键区和路径：关键区：95%的冷空气都要经过西伯利亚中部（7090E,4365N）。冷空气从关键区入侵我国有4条路径。（1）西北路（中路）：长江以北以偏北大风和降温为主；到江南后，因南支波动活跃可能有雨雪天气。（2）东路：渤海、黄海、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：影响西北、西南、江南。（4）东路加西路：大范围雨雪大风和明显降温。,二、寒潮天气系统1 极涡2 极地高压3 寒潮地面高压4 寒潮冷锋,冷空气从那里来？冷空气最终可追溯到北冰洋及其附近地区大规模极寒冷的空气团，其表现为：地面图上：很浅薄的冷高压；冬季这个浅薄的高压与西伯利亚和加拿大的冷高压连成一个统一的系统。700hPa上：已经为低压。500hPa上：为绕极区的气旋式涡旋，即极涡。,1 极涡极涡中心（图6.3）出现频数最多且最集中的地区是以极地为中心向亚洲北部新地岛以东的喀拉海、泰米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。西半球的频数比东半球多。极涡活动平均持续天数超过5天，以北美大西洋和亚洲区活动最频繁且稳定，尤其在亚洲地区更为稳定，最长的活动过程达35天。,极涡频数中心,极涡移动路径：（1）经向性运动：从一个半球经极地移到另一个半球。由西半球经极地向西伯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）纬向性运动：大多发生在欧亚大陆的高纬地区，西半球也有但移到格陵兰高原附近立即终止。（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（一般在2周以上）活动后，又转回原来的出现地附近。,极涡类型（按100hPa环流分为4类）：（1）绕极型：一个极涡中心位于80N以北；10月占绝对优势，频率为50%；（2）偏心型：一个极涡中心位于80N以南，不对称单波型；西伯利亚东部到阿拉斯加为暖脊，欧亚大陆高纬为一个椭圆型冷涡；,（3）偶极型：极涡中心分为2个，位于亚洲北部和加拿大；北半球高纬环流呈双波绕极；1112月，偶极型频率占4050%；12月，偶极型频率接近60%；平均持续最长，可达11.8天；（4）多极型：三波绕极分布，波槽位置与冬季平均大槽的位置接近。,亚洲高纬上空稳定维持一个强大的极涡时，对我国的寒潮天气过程有很好的指示意义。中央气象局科学研究所普查了19621971年的历史天气图，发现所有中等以上强度的大范围持续低温都是出现在北半球对流层中、上部极涡发生一次断裂分为2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大范围持续低温。如果欧亚大陆极涡是2个极涡中心，且靠近我国的较强，伴随我国大范围持续低温是强的；,若2个极涡中心强度相当接近，我国的持续低温是中等偏强；反之，若亚洲极涡中心是较弱者或极涡分裂为3个中心，则持续低温偏弱。,我国冷空气的强弱，与极涡离我国的距离远近、强度强弱有关。极涡为何会分裂？,2 极地高压导致极涡分裂呈偶极型，常常是由中、高纬度的阻塞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，我国将有寒潮天气爆发。极地高压可导致极涡分裂；低涡可导致高压分裂。如台风在远海穿越副高北行；或梅雨期台风登陆使梅雨结束。,极地高压定义：（1）500hPa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位势高度场配合；（3）暖性高压主体在70N以北；（4）高压维持在3天以上。,极地高压是深厚暖性高压，由于极地高压形成，使极圈的温度场变成南冷北暖。极地高压是中高纬度的阻塞高压进入极地而形成，所以它建立的过程与中、高纬阻塞形势的建立过程很类似。主要在两个大洋的中高纬度地区有明显的温度脊落后于高度脊的斜压结构，特别是较低纬度温度脊向北的极区发展，导致高度场的脊经向发展（图6.4a、b）；或是由于高纬地区经向环流发展，脊后的长波槽也同时向东南加深而切断形成一个闭合的冷低压，低压前部偏东气流增强，使脊向西北方向伸展，导致极地高压形成（图6.5a、b）。,图6.4a 经向发展型模式,暖平流区,图6.5a 低涡切断型模式,极地高压的衰退（图6.6）主要集中在新地岛、北欧沿岸和泰米尔半岛地区，以经新地岛向南衰退的次数最多。,3 寒潮地面高压以往，普遍把寒潮过程中冷锋后地面高压称为冷高压，把高压路径当做冷空气路径，近期研究表明寒潮地面高压多数属于热力不对称系统，高压前部有强冷平流；后部则为暖平流，中心区温度平流趋近于零，它是热力和动力共同作用形成。但也有少数过程高压始终为冷性。,4 寒潮冷锋在寒潮地面高压的前缘都有一条强度较强的冷锋作为寒潮的前锋，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，锋区结构上宽下窄，在300hPa及以下各等压面上均有明显的冷槽和锋区。,冷锋的移动方向：与寒潮地面高压的路径有密切关系；与锋前的气压系统和地形也有关；与引导冷空气南下寒潮冷锋后的垂直于锋的高空气流分量有关。这种气流常称为引导气流，引导气流的经向度又取决于与冷空气活动有关的高空槽（常称为引导槽）和该槽后的脊。引导槽后的脊也发展，引导槽加深，锋后气流经向度加大，有利于寒潮冷锋南下。台风、西南涡等的运动，都与引导气流有关，或靠引导气流运动。,三、寒潮天气过程1 寒潮中期天气过程2 两个大洋中暖脊在中期天气过程中的作用3 寒潮的短中期天气过程,1 寒潮中期天气过程寒潮是大范围的强冷空气在一定环流形势下向南爆发的现象，是一种大型天气过程。在其整个生命史中，往往与半球范围的超长波、长波活动有密切关系。它又在这些不同尺度系统的相互作用中，表现出阶段性的特点，构成了寒潮的中期天气过程。,根据20世纪80年代我国的研究认为，寒潮中期过程有3大类：倒流型类：是主要的一类；全国性寒潮7080%属于此类；极涡偏心类：大型槽脊东移类。寒潮：倒流型；两个大洋高压脊夹一低涡。暴雨：流型；两个冷低槽夹一暖高压脊。多么有意思的现象！,倒流型的演变特点可分为3个阶段：（1）初始阶段：2个大洋北部有脊向极地发展，作为整个过程的开始。阿拉斯加暖脊已存在大西洋暖脊向西欧、极地发展，阿拉斯加暖脊也向西欧、极地发展（有时2个脊在极地打通）极涡分裂为二，分别移到东、西半球（或极涡偏于东半球）。从东半球天气形势看，两个大洋的脊挟持一个大极涡，形成倒“”流型。,（2）酝酿阶段：大倒流型向亚洲地区收缩，乌拉尔山和鄂霍次克海建立暖性高压脊，亚洲极涡加强并南压，形成了东亚地区的倒流型。极涡底部有一支强西风，伴随着一支强锋区，锋区上常有长波发展或横槽缓慢南压，形成了强冷空气酝酿形势。,（3）爆发阶段：中纬度长波急速发展，或横槽转竖，或横槽南压，引导冷空气侵袭我国。最后东亚大槽加深并重建，过程结束。,在寒潮爆发过程中，当有南支槽配合时，寒潮冷锋在长江流域或以南锋生，将会造成严重的天气过程和持续低温阴雨天气。,整个寒潮中期天气过程，由两个大洋暖高压脊发展寒潮爆发东亚大槽重建，一般为期23周。这恰恰是我们预报的难点，如何能预报出1520天的过程呢？,以上所述是全国性寒潮中倒流型的典型模式，畸变的情况也常见。如东半球极涡位置、强度不是固定不变的，挟持极涡的暖高压脊也不一定非在乌拉尔山和鄂霍次克海地区不可，有时可能是欧洲暖脊，甚至是西伯利亚脊和北太平洋中部暖脊。极涡有时也可能有23个低压中心，酿成寒潮的只是其中之一。演变情况也很复杂，常有极涡更替，但从整体来看是很相似的。“演变复杂，整体相似。”很有哲学味道，可是预报起来很难啊。,极涡偏心类型，初始阶段表现为大洋北部暖脊已发展，极涡已偏心于东半球。酝酿阶段则表现为两个大洋暖脊再次强烈发展，并迅速向东亚收缩，乌拉尔山的暖脊已移到西西伯利亚上空，亚洲极涡强度较强。爆发阶段则表现为西西伯利亚上空暖脊发展东移，脊前偏北气流加强引导强冷空气向南大举爆发。,2 两个大洋中暖脊在中期天气过程中的作用东亚倒流型的建立主要是乌拉尔山和鄂霍次克海两个地区有高压脊向极区发展，并在北冰洋形成反气旋打通而形成。预报员常把乌拉尔山的高压脊作为预报寒潮和强冷空气的关键系统。它的发展过程可分为以下三种类型：,（1）补充型（图6.9）：大西洋暖脊在高纬东伸，与其配合有正变高东移，使乌拉尔山地区的浅脊加强发展。,（2）叠加型：由较低纬度黑海地区有高压脊发展东移，与乌拉尔山弱脊叠加而成。,（3）结合型：由阿拉斯加暖脊切断出极地高压，沿西伯利亚北部、北冰洋向西移到泰米尔半岛并南下，与原在乌拉尔山的弱脊合并而称为强大的乌拉尔山高压脊（图6.10）。,同理，鄂霍次克海高压脊的发展，追溯其源都同阿拉斯加的高压脊有关，可以分为阿拉斯加高压脊西退到鄂霍次克海发展而成和由阿拉斯加脊分裂出闭合高压（极地高压），极地高压西移到东西伯利亚、鄂霍次克海与该地区的弱脊合并，而形成强大的鄂霍次克海的高压脊。,综上所述，寒潮中期预报的关键系统应是两个大洋上的暖性高压脊。,3 寒潮的短中期天气过程早在20世纪50年代初，就对寒潮类型进行了研究，通过各型寒潮的基本特征介绍，可以加深对寒潮天气过程中环流演变特征和短期影响系统活动规律的认识。,（1）小槽发展型（脊前不稳定小槽东移发展型）,小槽能否发展，是不是不稳定，从高度场上分析并不十分明显，但是在温度场上却较明显，表现为一个从极地伸向北欧的冷舌，且冷舌落后于高度槽1/4波长，如图6.11中位于新地岛西南方的小槽，该槽线上有冷平流，等高线也稍有疏散，即槽线上有正涡度平流，有利于小槽发展。在这个小槽两边的小脊也是暖舌落后于脊，脊线附近的等高线也呈疏散，脊线上有暖平流和负涡度平流，也有利于脊发展，从而使小槽后的偏北风加大，在冷舌落后于小槽的条件下，偏北风加大意味着冷平流加强，将更促进小槽发展。,小槽发展向南加深，小脊向北发展加强，它们边发展边随着基本气流向东移动。21日20时高压脊已到达乌拉尔山以东地区，小槽也发展为位于巴尔喀什湖的较大的槽（图6.12）。这里的基本气流是指长波、超长波基本气流，我们可进一步理解引导气流的含意。,必须指出，这时于65N、120E附近有一片暖平流区向西移动，有与乌拉尔山以东地区的高压后部暖平流叠加的趋势。,1963年12月22日20时500hPa图上（图6.13）东移发展的小槽越过萨彦岭处于下坡地形的贝加尔湖地区，小槽后的脊在东移过程中与东部迎面移来的暖平流正变高叠加后发展很强。脊前的西北气流加强，冷平流也大大加强。脊前的地面冷高压中心增强到1052hPa，冷高压前沿的冷锋移到中蒙边境至新疆一线（图6.14）。,应当指出图6.11、6.12中停留在日本海的东亚大槽逐渐减弱并于22日20时明显减弱且向东移去。根据上下游效应原理看来，小槽将要发展成大槽。25日20时小槽已发展为大槽并移到我国东部，地面冷锋大部分已移到海上，东亚大槽完成了一次更替，寒潮对我国的影响也告结束。,对比图6.11和图6.12，从小槽发展过程可以看出，实质是通过不稳定的小槽小脊的发展，把从大西洋到东西伯利亚的大倒流型，演变为东亚倒流型的过程，这个过程约56天。从预报角度看，当大流型出现之后，要注意分析小脊小槽的温压场结构是否能获得发展，有时小脊的发展比小槽更显著，所以也有预报员把这种演变过程称为里海中亚长脊脊前不稳定小槽发展。该类寒潮的强冷空气取西北东南路径侵袭我国。,（2）低槽东移（西来槽）型欧亚大陆基本气流为纬向气流，在纬向的基本气流中槽、脊自西向东移动稍有发展，脊槽的振幅较大，冷空气源地在欧洲（图6.15）（-40的冷中心），它长途跋涉来我国由于气团变性冷空气强度较弱，有时难以达到寒潮强度，但是在以下三种情况下亦可能达到寒潮程度。,低槽东移过程中，有新鲜冷空气合并，使冷空气加强，如图6.16。,低槽东移到乌拉尔山以东时，从黑海到里海有暖平流（图6.17），高压脊发展，脊前西北气流加强，促使新鲜冷空气南下，与原槽中的冷空气合并。,此型寒潮发生，大多与地面气旋的发展有关，蒙古气旋、东北低压强烈发展又向东北移去，有利冷空气主力向偏北移去。黄河气旋及江淮气旋发展将导致冷空气南下而爆发寒潮。,（3）横槽型东亚倒流型建立时，极涡向西伸出一个东西走向槽，槽前后是偏北风（340-20）与偏西风（300-250）的切变。如图6.20所示，极涡中的冷中心为-44，温度平流不明显。冷空气向南爆发的过程主要有以下三种不同情况：,横槽转竖横槽转竖，冷空气一泻千里，快者一天横扫全国，非常迅速猛烈。预报关键是横槽何时转竖？横槽转竖前常有以下几点特征：,温压场结构方面：如果横槽的温压场配置使槽线或槽后有冷平流或无平流，则横槽稳定。,如果冷舌或冷中心超前于横槽（注意有时可能在500hPa上表现不明显，而在700hPa或850hPa上更清楚些），负变高也移到槽前，横槽后面转为暖平流并有明显正变高，变高梯度指向东南或南，则横槽转竖或南压。图6.21,风场转变方面：如横槽后面的东北风逆转为北风或西北风，横槽将转竖，偏西北风越大对横槽转竖或南压越有利。,阻塞高压是否崩溃或不连续后退方面：崩溃、不连续后退，则横槽均转竖或南压。长波调整方面：上下游长波调整，可使横槽转竖或南压。,低层变形场作用当东亚出现倒流型后，极涡被乌拉尔山高压脊和鄂霍次克海暖高所挟持并缓慢南压到贝加尔湖地区，极涡的南边锋区位于45N附近，且比较平直，在平直的西风带中不断有小波动东传（图6.25）小波动快速东传时引导小股冷空气南下，使锋区南压，造成持续时间比较长的持续降温，但每日降温幅度小，与横槽转竖型截然不同。,但是，如果北支槽与南支槽或高原槽同位相叠加，低空变形场有锋生，也会使冷空气加速向南爆发，形成寒潮。变形场利于锋生的流场；等温线与膨胀轴交角小于45时对锋生更有利。寒潮预报中，对低空变形场的新生要足够重视。但应指出，若虽有低层变形场锋生，但冷空气厚度薄，则由于南下容易变性，不易造成南方寒潮天气。这次过程能造成大范围冰凌天气，与南支长波槽（大槽）密切相关。,概括地说，这类寒潮天气过程的特点：中纬度锋区中低槽一个个东移并引导小股冷空气南下，而且由东西两路汇合锋生，冷空气加速南下。,横槽旋转南下一般，横槽旋转南下，仅影响北方地区；一旦有南支槽或高原槽接应，才能造成全国性寒潮。亚洲北部旋转南下的低槽与高原槽叠加寒潮爆发。,（4）各类寒潮天气过程的特点比较各类寒潮天气过程的共同点：寒潮过程的实质：强冷空气向南侵袭我国的过程。冷空气集聚是寒潮爆发的必要条件。,冷空气在高空图上的表现为一个冷中心：500hPa：-40或更低；700hPa：-36或更低；1011月、35月为-28-32。地面图：隆冬季节，蒙古高压中心在1060hPa以上。温度剧降、气压急升、偏北大风。,各类寒潮天气过程的不同点：冷空气源地不同（欧亚大陆北部寒冷海洋、欧亚大陆）、路径不同（西北路径、北方路径、西方路径、东北路径）、冷高压南下形式不同（完整冷高压东移、冷高压分裂南下、冷高压补充南下、冷空气扩散南下）、促使寒潮爆发的流场不同。,促使寒潮爆发的不同流场：小槽发展型：乌拉尔山高压脊发展；横槽转竖型：阻塞高压崩溃；低槽东移型：暖脊东移发展；,上述三类都与北半球长波调整，东亚大槽破坏重建联系在一起。,变形场锋生型和低槽旋转型：一个个小槽快速东移使锋区缓慢南压，旋转的低槽与南支槽同位相叠加。,四、寒潮天气过程的成因分析1 寒潮天气过程的能量研究2 寒潮的冷空气堆增强原因分析,寒潮的中期过程，是以两个大洋脊的发展为开始，以东亚大槽重建为结束。,1 寒潮天气过程的能量研究Saltzman波数域能量方程，近似地写成如下形式：,n=1,2,为波数。K：动能；“o”指纬向平均；P：位能；C：有效位能向动能的转换率（斜压转换）；D：摩擦耗散；G：非绝热制造率；M(n)：n波动能向平均动能的转换率；F(n)：n波对平均动能的净边界通量；L(n)：为其他波向n波的动能输送率，又称为波与波相互作用；S(n)：为其他波向n波的有效位能输送率，也属于波与波相互作用；R(n)：为n波有效位能向平均有效位能的转换率；BFP(n)：为n波对平均有效位能的净边界通量。,根据上述方程，利用1000,700,500,200和100hPa 5层资料进行斜压能量诊断分析（简称斜压分析），也有仅在500hPa上进行正压能量学诊断分析（简称正压分析）。根据斜压和正压分析，对寒潮过程各阶段能量变化概括有以下特征：,（1）开始阶段：两个大洋脊发展，据实例分析，大多对应2波动能增长，有部分是3波动能增长。人们把某阶段中动能最强或是将发展为最强的分波定义为特征波，根据此定义，寒潮开始阶段的特征波是2波或3波。2波在此阶段中动能的增长主要是靠斜压过程，洋面上非绝热加热也起一定作用。两个大洋的脊向极区发展，导致极涡分裂为二，并逐步向中纬度移动。相当于波能向北输送，根据Eliassen-Palm研究，当纬向平均为西风时，在水平方向上向北传播的定常超长波（即两个大洋的脊），将伴随着西风动量向南（向相反的方向）输送，常伴随着感热向北输送。,由于极涡向南移，使中纬度平均有效位能P(o)急剧上升，还由于西风动量向南输送，使中纬度的平均动能也迅速增长。概括地说，随着两大洋脊向极区发展，大倒形势建立，既使中纬度平均动能增强，又使中纬度的平均有效位能增长，中纬度锋区加强，西风增强。也就是说，中纬度地区大气中已经积聚了大量的平均动能和平均有效位能（如图6.35），为寒潮爆发提供了能量条件。,（2）酝酿阶段：从大倒流型调整收缩为东亚倒流型，即在乌拉尔山地区和鄂霍次克海两处建脊，极涡向亚洲东部南部移动并加强。对应的特征波为3波或4波，两个大洋的脊通过波与波的相互作用把能量输给3波或4波，纬度平均有效位能和动能都有先降后回升现象（图6.35），但始终在较高水平上变化。,（3）爆发阶段：中纬度的平均有效位能和动能大量输送给寒潮爆发的3波（或4波）如图6.36所示，造成平均有效位能大幅度下降，平均动能也下降，能量通过斜压过程和波与波相互作用输送给3波，从而使东亚大槽重建，形成三槽（北半球）冬季的稳定形势。3波（或4波）与冬季平均大槽的位置接近。,2 寒潮的冷空气堆增强原因分析冬季气团在冰雪覆盖的北冰洋、西伯利亚，由于雪面的辐射特性使低层空气强烈冷却，但是这种作用在短期内对500hPa等压面上温度变化影响并不很大，通过动力学诊断分析表明，500hPa冷中心在南移过程中不断增强是由于寒潮的冷空气堆中存在上升运动，使空气绝热膨胀冷却引起，寒潮的冷空气堆的下沉运动主要出现在离开高空低压中心的锋区附近，而在冷堆中心往往存在上升运动。,上升运动所伴随的绝热冷却，使500hPa的冷中心加强，造成上升运动的原因常常是槽后偏北风急流中心左侧强的气旋性切变涡度以相应的正涡度平流所引起。因此，在寒潮分析和预报时，应特别注意300hPa槽后偏北急流中急流中心（或称急流核）的存在及其活动对冷空气堆强度变化的作用。,五、寒潮的预报寒潮预报应包括：寒潮的强冷空气堆积预报；寒潮的爆发预报；寒潮的路径与强度预报和寒潮天气预报等四个问题。1 寒潮的强冷空气堆积预报2 寒潮爆发的预报3 寒潮的强度和路径预报4 寒潮天气,1 寒潮的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。堆积的特征：500hPa：冷中心-48；700hPa：冷中心-36；地面：强冷高压。,有时，冷空气堆开始不明显，如何预报？可从下述四个方面着手：（1）与冷舌相配合的小槽是否属于不稳定小槽。（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。当100hPa极涡分裂为两个且较强的一个中心在亚洲北部时，如500hPa或300hPa图上也有一次极涡切断过程，则我国将出现持久的低温天气。（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，辐散有利上升产生绝热冷却，冷舌增强。,2 寒潮爆发的预报实际中遇到的每一次寒潮天气过程不可能与上述三大类完全相同，切勿生搬硬套。从三大类不同的寒潮天气过程可以概括地说明，寒潮爆发时有两种不同环流系统。一种是不稳定的短波槽脊在移动过程中获得发展，变为长波、经向环流加强，引导冷空气南下。另一种是中高纬度上空已经有稳定的准静止长波系统，由于上游有赶槽侵入稳定的长波系统内，使准静止长波遭受破坏，或与南支槽叠加使经向度加大，促使冷空气南下。,（1）槽脊的发展预报,地球涡度平流和相对涡度平流对槽脊发展的影响。,位势倾向方程指出：南北走向的槽脊，地球涡度平流仅有使槽（脊）向西移动的作用；而对东西走向的横槽（脊），槽（脊）前后南北向气流符号相同，对槽脊的移动无明显作用；而在槽（脊）线上为偏北气流时，有正的地球涡度平流使槽加深（脊减弱）；反之，在槽（脊）线上为偏南气流时槽将减弱（脊加强）。对于短波而言相对涡度平流比地球涡度平流大得多，所以相对涡度平流对短波的发生、发展作用也比地球涡度平流大得多。,在准地转假设条件下，相对涡度平流用下式表示：,冷、暖平流随高度变化对槽、脊发展的影响。,在对流层自由大气中，一般来说温度平流总是随高度减弱的，因此对于对流层中上层的等压面来说，在其下层若有暖平流时，等压面将升高；若有冷平流时，等压面将降低。其定性作用不难理解。因若在某等压面以下有暖平流，将使气柱厚度增大，如此时地面没有补偿的气压降低，则此等压面必须升高。反之，若在某等压面以下有冷平流时，将使气柱厚度减小，如此时地面没有补偿的气压升高，则此等压面必须降低。,位势倾向方程指出：暖平流随高度减弱时，等压面高度将升高，冷平流随高度减弱，等压面高度将下降，在500hPa等压面上的低槽中，若下层有冷平流，冷平流随高度减弱，有利低槽加深；反之，若冷平流随高度增强，则有利低槽减弱。在高压脊中，若下层有暖平流，而且暖平流随高度减弱，则有利高压脊发展，反之，若高压脊中有冷平流随高度减弱，或暖平流随高度增强，都使高压脊减弱。,从低槽与其他系统的关系来研究低槽的发展，可从以下几个方面着手：低槽发展与否，与槽后的高压脊发展密切相关，低槽发展与否，跟南、北两支波动是否同位相叠加有关。影响低槽发展的上下游效应：如东亚大槽的减弱、东移，更替。再如，两个低涡打转。,（2）脊的崩溃预报当寒潮冷空气堆积不甚明显时，作寒潮预报应着重考虑有无不稳定槽、脊的发展。槽脊发展后就会引起寒冷空气堆积和加强并向南侵袭。但当寒冷空气在北方堆积得已很明显，而相应的环流形势是稳定长波系统（即大槽、大脊或阻塞系统）时，则预报寒潮的着眼点主要应放在长波槽的移动及长波脊的破坏与东移上。,当乌拉尔山的长波脊受上游“赶槽”东移影响，使得长波脊后部的暖平流区东移并由冷平流区代替，也就是说，乌拉尔山的长波脊前及其下游的槽后出现暖平流，而乌拉尔山长波脊的后部转为冷平流，于是乌拉尔山长波脊减弱东移。它的下游长波槽也东移，我国广大地区将处于脊前西北气流的控制之下，原来堆积在槽后脊前的寒冷空气就会随着长波槽的东移，或南压或向南爆发。“赶槽”的实际作用是，间接地赶着堆积的冷空气向东走。,（3）预报寒潮爆发的其他经验高低空配合：多数寒潮爆发与北半球长波调整相联系，所以寒潮爆发预报主要应抓500hPa等压面图上环流形势的预报。但是，有时仅仅着眼于500hPa环流形势预报也会使预报失败或预报时效过短。例如（850hPa）,在贝加尔湖的锢囚气旋填塞之后，如果在蒙古有气旋发生发展，但不久又趋于减弱，而如在东海或日本海又有气旋强烈发展起来，那么这就称为寒潮迅速南侵的预兆。,东北低压或江淮气旋的发展有利于冷空气加强南下。但要注意低压发展的地理位置和它的发展阶段。只有在东北境内发展的低压才能促使冷空气南下。但是，东北低压若过分发展、或路径偏于黑龙江北部，则东北低压的发展还可能引导冷空气主力向东，反而不利于它的南侵。如果气旋在蒙古已充分发展，移入东北地区将变为衰老气旋，这对冷空气南下也不起引导作用。,西北地区及长江流域一带，如果地面有倒槽强烈发展，往往是冷空气侵入这些地方的前兆。江南地区出现大幅度的气温正距平回暖效应，是南方寒潮形成前兆。,700hPa图上有西南低涡东移，并引起了江淮气旋发生且有所发展时，北方也将有冷空气南侵，而且能影响长江以南地区，这常是春季寒潮的征兆。例子：2007年3月16日，全国寒潮天气。之前2月28日新疆列车翻车；3月4日东北特大暴雪。,2007030108寒潮过程气压场,2007年2月28日2时零5分，乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车行至南疆线珍珠泉至红山渠间42公里300米处，因大风造成机车后919节车厢脱轨。,2007030408寒潮过程气压场,2007年3月4日，东北地区特大暴雪。,（4）超长波与东亚寒潮根据中央气象台统计60N纬圈的超长波活动与东亚寒潮有如下关系：较强的2波持续发展有利于冷空气集聚，在2波由准静止转为移动的过程常有寒潮发生；大型环流2波振幅衰减即能量输出，3波或4波获得显著发展时，寒潮爆发（图6.37）。,（6）长波脊前偏北急流带与寒潮爆发长波脊前偏北急流的位置和它南伸到什么程度，就大致可以确定冷源及所在地点和强度，偏北急流还与地面高压中心强度与移动路径密切相关，当冷高压中心进入偏北急流带中，它的中心强度会迅速增强并南移；有时，冷高中心虽处在偏西急流带中，只要急流带发生顺转为偏北急流带时，地面高压中心强度也会增强。新疆（北方）：偏北急流强度为10个经距内至少4条等高线（即位势梯度为120位势米/10经距以上），偏北急流的长度在12个纬距以上。脊若偏西偏北，则偏北风急流的长度必须在20个纬距左右。,如果说北方的寒潮与500hPa高度上长波脊前的偏北急流密切相关，那么南方的寒潮与低层偏北风强风带的建立与南下，导致冷锋迅速增强（锋生）的关系更为密切。南方寒潮冷锋通常都有一个“先弱后强”的发展过程，因此，追溯其冷空气的源地并无多大意义，主要应着眼于冷锋南下过程中锋生条件，低层（850hPa）偏北强风带的建立与南下，是冷锋锋生的主要条件。,2010021208V850,南方寒潮过程。,（7）锋生与南方寒潮据南方寒潮研究得知，江南或岭南区域性寒潮的环流特征纬向型约占一半，尤其是春季纬向环流更占优势。纬向环流条件下，冷空气活动在我国北方地区未达到寒潮程度，但它在南下过程中有一个明显加强过程。三种形式：或是冷锋在南下过程中逐渐增强，称为“南下锋生”，占锋生次数的67%；或是两条冷锋接踵南下，最后在江南地区合并加强，称为“补充南下”；或是北方冷空气以扩散的形式南下，促使长江中下游原有锋面锋生，称为“江南锋生”，出现次数最少，仅占10%。,尽管南方寒潮冷锋形成有上述三种不同形式，但其共同点都是在低层（850hPa或700hPa）要建立一个北风的强风带，寒潮前的回暖也是相当重要的作用，强北风带的建立主要有以下两种形式：（1）850hPa上强北风出现：850hPa图上我国北方的高压脊南伸或一个正变高从我国西北向东南移，强北风带出现在脊前正变高区的前方，或在我国东部有倒槽或低压发展，建立“西高东低”天气形势。,（2）500hPa图上，中亚或新疆有高压脊发展，与它们相联系在2540N地区有小槽发展，槽前的下层等压面上有低压发展，槽后偏北气流引导低层高压南下，使40N以南地区低层（850hPa或700hPa）构成“西高东低”形势。强北风带就出现于850hPa等压面图上正、负变高区之间。,应当指出，新疆暖脊的脊前若形成一支西北急流，常常引导冷空气从110E以东地区南下，造成35N以南广大地区的回流天气，是南方阴雨、大雪的有利形势，尤其当有南支槽配合，一方面南支槽槽前偏南气流输送暖湿空气，使锋前地区回暖，有利于加大降温幅度，另一方面，南支槽造成降水，有利于锋后低温维持，有利冷锋锋区增强。,总之，江南锋生或南下锋生过程，都应着眼于低层辐合流场的建立和锋区两侧温度的非平流变化和平流变化。,20100208-13北方强冷空气、南方寒潮过程冷锋、冷高演变图,2010021208V850,3 寒潮的强度和路径预报寒潮预报的重要内容：强度、（南下路径）影响地区。,（1）寒潮强度的含义，从三个方面说明寒潮强度。地面图上：冷高压的强度，冷高压中心数值、范围、等压线密集程度，以中心数值为主。高空图上：冷中心数值，高空锋区强度，冷区范围和冷平流强度。地面图上冷锋强度（温度水平梯度大小）；冷锋后降温程度；冷锋后变压中心强度；锋面附近其他气象要素和天气现象也可以间接说明寒潮强度，如锋后偏北风愈强，一般意味寒潮愈强。,（2）寒潮路径的含义寒潮路径，一般是以地面图上冷高压中心、高空图上冷中心（如改为厚度中心，则更好些）、地面图上冷锋、冷锋后24h正变压、负变温的移动路径等来表示。日常工作中，经常使用的是地面冷高压，24h正变压和高空24h负变温这三项中心的移动路径。,所以，寒潮强度与路径的预报，实质上是地面图上寒潮冷高压的强度与移动预报；高空图上引导寒潮南下的槽的强度与移动预报；寒潮冷锋的强度与移动的预报。,（3）寒潮冷高压强度与移动预报作冷高压强度与移动的动态图把连续几天天气图上寒潮冷高压中心的位置点在一张天气图上，并标上日期与强度，按时间顺序把各冷高压中心用线联起来，即为动态图。根据动态图，用外推法可大致确定未来冷高压中心的强度与位置。应用外推时，必须周密分析情况，多方考虑，防止盲目外推。,例子,2012030620冷锋、850低涡切变、500槽和低涡预报动态图,南方持续低温阴雨、9-11日中等强度冷空气过程。,应用引导气流规则冷高压移动方向与地面高压中心上空500hPa或700hPa气流方向较为一致，移动速度与该高度上的风速也成一定的比例。一般而言，地面系统中心移速为500hPa地转风速的0.50.7倍；为700hPa地转风速的0.81.0倍，在风速小时系数较大，而在风速大时系数较小。还必须考虑地形的影响。速度、方向、分裂，引导气流规则，浅薄系统较好，深厚系统较差。,变压的应用1）从两个不同方向移来的地面正变压中心合并时，冷高压将显著增强。此外，地面24h正变压常常向着24h前的负变压中心移动，所以现在的负变压中心，往往会变成未来冷空气主力将侵袭的地方。2）据中央气象台的统计，当24h变压正负中心之差达到4050hPa时，则可能有达到寒潮强度的冷空气活动。,涡度平流与热成风涡度平流的应用在地面冷高压上空，若500hPa上有负涡度平流，并有负热成风涡度平流出现，则这种形势有利于冷高压发展。当寒潮冷空气处于堆积阶段时，若地面和高空温压场配置是地面冷高压处于高空槽后脊前，同时高空暖舌又落后于高空高压脊，而地面冷高压也处于暖舌和冷舌之间，则高压容易发展。而当冷高压南下变性，温压场结构趋向对称时，则地面高压上空的涡度平流和热成风涡度平流均为零，这时，高压强度变化与否，就取决于热力因子、地面摩擦和地形影响。,2010041120-500Z、V、T,2010041420-500Z、V、T,非绝热因素冷气团南下时非绝热作用使它变性增暖，地面减压，故将使冷高压减弱。冬季，当地面冷高压从大陆移到暖洋面时，强度迅速减弱。相反，夏季冷高压从较暖大陆移到冷海时高压加强。,4 寒潮天气寒潮天气复杂多端，在不同季节和不同地区的寒潮天气也不尽相同。冬季：大风、降温最突出，（沙尘暴）、降水、霜冻、冻雨等，视地区和天气形势而定；春秋季：大风、降温、（春季）沙尘暴，终霜、初霜、霜冻，对农业威胁很大；春季寒潮给北方带来沙尘暴，长江流域以南常伴有雨雪，有时有雷暴、冰雹。,寒潮天气预报的着眼点：（1）寒潮的强度一般，寒潮强度越大，则风越大，降温越猛。经验：伊尔库茨克与北京气压差=5hPa，报一级风；乌兰巴托与北京气压差=4hPa，报一级风；呼和浩特与北京气压差=2hPa，报一级风；即，当呼和浩特的气压比北京高12hPa时，就可预报北京将出现6级偏北大风。,（2）冷空气的路径及其对本地天气的影响从西来的：难达寒潮强度；从西北来的：侵入华北的寒潮，主要取这条路径；从北来的：这条路径，降温也较厉害；,从东北来的：当冷空气主力自东北平原经渤海入河北东部、山东西部，使这一带发生偏东大风。若在850hPa，700hPa图上渤海、黄海、华北东部均吹偏东风，而冷空气又较深厚时，冷空气还可能越过太行山以影响陕西，并带来降水天气。这是华北冬季主要的降雪天气形势之一，常称为华北的回流天气。,（3）寒潮大风预报寒潮天气过程所伴随的天气主要是降水、大风和降温，大风的破坏作用居首位，其次是降温。大风：平均风速达到6级（10.813.8m/s）。,大风预报的物理基础1）风与气压场的关系在中高纬度，风场与气压场基本上符合地转风、梯度风原理。冷平流最强处，风力最大；寒潮高压加强、气压梯度加大，风力也加大；寒潮冷锋前若有气旋、低压发展，则风力大的多；,2）摩擦作用对风的影响陆地：因摩擦，风向与等压线交角可达3045，风速只有地转风的一半；海面：风向与等压线交角只有15，实际风接近地转风，约为地转风的2/3；经验：同样气压梯度下，海面上风力比陆地大24级，江面和湖面比陆地大12级；,3）温度层结对风的影响摩擦层厚度：约1500m左右。在摩擦层中，风随高度减小，风向随高度顺转，风速随高度增加，基本按艾克曼螺线规律变化。高层动量大。层结稳定，垂直交换弱，空气的动量下传小；层结不稳定，垂直交换强，空气的动量下传大，地面风速加大。,5）热力环流对风的影响沿海地区、山与谷、高原与平原毗邻地区，常有地方性热力环流。盆地或山区。,6）地形对风的影响地形的狭管作用：由于狭管效应，会出现峡谷风或穿堂风。台湾海峡比其他海区大12级；冷锋从西路东移到西安，锋后强西北风因受秦岭阻挡改向顺渭水河谷流去，而转为西南大风。,冷空气翻山下坡：冷空气翻山下坡是干绝热下沉，也就是说冷空气是沿等熵面下沉，当等熵面的坡度大于地形坡度时，有利下坡大风的形成，如果等熵面坡度小于地形坡度，（即大气层结很稳定），高速的下滑冷空气沿等熵面下滑可能不及地，地面上形成不了大风。下坡大风的成因是由下滑冷空气位能转化动能。,冷锋后偏北大风的预报冷锋后偏北大风预报，从形势预报入手主要着眼于冷空气活动路径的高空和地面形势分型，结合冷空气活动强度表征的动力和热力学预报指标。也有的