2023 年5 月巴州北部平原極端低溫天氣成因及可預報性分析

周雪英，張云惠，仇會民，楊 柳，劉長墉

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒841000；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

春季災害性天氣種類多、冷空氣活動頻繁，易造成寒潮或低溫凍害發生，但南疆盆地春季冷空氣活動高頻時段集中在4 月[1]，進入5 月，南疆盆地氣溫迅速升高、降水增多，冷空氣活動常造成大風、沙塵暴、局地冰雹和暴雨等多種災害性天氣[2-6]，但云、風、沙等天氣現象和城市熱島效應均有效制約最低氣溫的下降，因此5 月南疆盆地很少發生寒潮和低溫霜凍天氣。近年來全球氣候變暖加劇，西北干旱區新疆氣候呈現“暖濕化”特征，氣溫上升的趨勢顯著，極端氣候事件的頻次和強度劇烈變化[7]，5 月寒潮和持續低溫天氣時有發生，發生后低溫強度和范圍增強，致使霜凍天氣加劇發展，且霜凍災害造成的損失極其嚴重[8-9]。春霜凍又稱為晚霜凍，指在農作物生長季節里，地面和植物表面溫度短時間下降到引起農作物遭受傷害或者死亡的低溫，它與最低氣溫有著密切的關系，南疆盆地晚春低溫凍害發生后，喜溫作物和果蔬等農林作物正處于幼苗生長和開花坐果階段，抗凍能力弱，往往造成嚴重災害[10-11]。目前關于低溫霜凍研究多集中在霜凍氣候變化特征的分析[12-14]，近年來新疆暖濕化加劇，對南疆盆地5 月的天氣研究多集中在春季降水的影響系統、發生背景、水汽、動力、熱力機制和預報經驗指標等[15-18]，而低溫霜凍天氣主要受環流背景異常、影響系統持續時間、冷空氣入侵強度及路徑、地面冷鋒過境、霜凍線移動速度以及地形等綜合條件的影響[19]。目前對南疆極端低溫雨雪天氣成因研究個例分析較少，2023 年5 月2—7 日巴州北部平原發生了一次大范圍、高影響的罕見極端低溫雨雪天氣，此次天氣發生在春末，持續時間長、影響范圍廣，致使巴州地區棉花、林果等喜溫作物遭受嚴重凍害，損失慘重。那么，在增暖背景下，如何做好春季異常極端低溫過程中最低氣溫和雨轉雪天氣的精準預報，是今后預報預警服務的關鍵。本文利用常規觀測、FNL、NCEP 再分析等資料，對此次極端低溫雨雪天氣的異常環流背景、冷空氣特點、溫度平流和鋒區結構特征以及可預報性進行診斷，以期提高春季低溫霜凍天氣的預報預警準確率，為防災減災提供參考和依據。

1 低溫天氣影響及極端性

1.1 天氣概況及災情

2023 年5 月2—7 日巴州北部平原遭遇極端低溫雨雪霜凍天氣。2—5 日先后出現大風、沙塵暴、暴雨、局地冰雹，6 日，尉犁、庫爾勒、焉耆盆地出現同期最晚的罕見雨轉雪；7 日，清晨平原各地普遍遭遇低溫霜凍，和碩、和靜、庫爾勒、輪臺最低氣溫打破歷史同期極值。此次天氣正值巴州各類喜溫農作物出苗及幼苗生長關鍵期，致使巴州北部平原棉花、加工辣椒和番茄等農作物受災面積達96 305.6 hm2，經濟損失3.38 億元，給當地工農業生產和人民群眾生活造成嚴重影響和危害。

1.2 低溫天氣的極端性特征

2023 年5 月上旬巴州平均氣溫僅為10.3 ℃，歷年平均氣溫為16.9 ℃，較歷年偏低6.6 ℃，突破歷史同期極值；巴州平原各地最低氣溫也異常偏低，其中和碩、和靜、庫爾勒、輪臺4 站極端最低氣溫分別為-1.8、-0.9、0.5、0.7 ℃，均破歷史同期極值。5 月6日巴州北部平原出現雨轉雪也具有極端性，巴州平原歷年降雪最晚出現在4 月，5 月除尉犁縣1982 年5 月11 日出現過降雪，其余地區均無降雪天氣發生。

根據巴州278 個地面氣象觀測站和86 個鄉鎮資料分析，2023 年5 月上旬最低氣溫≤0 ℃和≤2 ℃逐日分布和受低溫霜凍影響農業鄉鎮占比變化見圖1。5 月3 日巴州個別農業鄉鎮出現輕霜凍，日最低氣溫≤2 ℃的有1 站次；4—5 日有54 站次日最低氣溫≤0 ℃，3%～8%的農業鄉鎮出現霜凍，有82 站次日最低氣溫≤2 ℃，21%～28%的農業鄉鎮出現輕霜凍；6—7 日有158 站次日最低氣溫≤0 ℃，28%～69%的農業鄉鎮出現霜凍，有243 站次日最低氣溫≤2 ℃，基本全部農業鄉鎮出現輕霜凍；8—9 日仍有80 站次日最低氣溫≤2 ℃，13%～42%的農業鄉鎮出現輕霜凍。此次極端低溫天氣致使巴州各農業鄉鎮普遍出現輕霜，超過69%的農業鄉鎮出現嚴重霜凍，此次極端低溫霜凍天氣持續時間長，造成災害重，影響范圍廣。

圖1 1961—2023 年5 月上旬巴州最低氣溫≤0 ℃和≤2 ℃自動站數量及霜凍影響鄉鎮占比逐日變化

2 極端低溫成因

2.1 極渦與中亞低渦活動異常

2023 年5 月2—7 日100 hPa 高度及距平場上，北半球極渦呈持續偏心型，中心位于80°N 的鄂霍茨克海附近，同時極渦向西伸至新地島西南側，新地島附近是冷空氣活動中我國達到寒潮次數最多的源地[20]。500 hPa 歐亞范圍中高緯呈“兩脊兩槽”的經向環流，即歐洲為低槽活動區，烏拉爾山—西西伯利亞為經向度較大的阻塞高壓脊，對應16 dagpm 的正距平，新疆為深厚的中亞低渦，對應14 dagpm 的負距平，正負距平“西北高、東南低”的配置，有利于中亞低渦南下，下游蒙古為淺高壓脊。由于烏拉爾山高壓脊穩定維持，中亞低渦攜帶冷空氣分兩段影響巴州北部，2—4 日烏拉爾山高壓脊向北發展，脊前北風帶引導冷空氣南下（圖2a），巴州北部受中亞低渦南壓影響，出現大風沙塵暴、暴雨、局地冰雹；5—7日烏拉爾山阻塞高壓并向東北伸展（圖2b），引導冷空氣不斷在西西伯利亞堆積，中亞低渦西退至北疆西部翻山進入天山南坡，在東移北抬過程中造成巴州北部極端低溫雨雪天氣。中亞低渦影響新疆的強度及移動路徑統計分析表明[21-22]，中亞低渦東移過程中，均減弱成槽影響新疆，但本次中亞低渦進入新疆后長時間維持，比較少見。

圖2 2023 年5 月2—4 日（a）和5—7 日（b）500 hPa 高度及其距平

2.2 中亞低渦影響新疆時間長、冷中心強

由新疆逐日500 hPa 高度和溫度場的時間剖面（圖3）可知，2023 年5 月2—7 日，烏拉爾山阻塞高壓長時間維持，新疆受穩定深厚的中亞低渦影響（圖3a、3c）。2—4 日，東歐至烏拉爾山高壓脊不斷向北發展，中亞低渦中心位于西西伯利亞55°N 附近，中心值為532 dagpm，并伴有-36 ℃的冷中心，槽底南伸至40°N 以南，巴州北部位于中亞低渦底部，受低渦556 dagpm 等高線及-26 ℃等溫線南壓影響，巴州北部出現大風、沙塵暴、局地暴雨、大范圍強對流天氣，5 月4 日，平原北部日最低氣溫開始下降，有47 站次≤0 ℃，3%的農業鄉鎮出現霜凍，58 站次日最低氣溫≤2 ℃，21%的農業鄉鎮出現輕霜凍。5—7日，歐洲高壓脊緩慢向東南衰退，中亞低渦在北疆西退南壓，然后自西天山翻山進入天山南坡，配合有-32 °C 的冷中心，6 日08 時，-30 °C 的冷舌南伸至40°N 附近（圖3b、3d），造成巴州北部庫爾勒、尉犁、焉耆盆地罕見雨轉雪天氣，7 日08 時，巴州158站次日最低氣溫≤0 ℃，69%的農業鄉鎮出現霜凍，243 站次日最低氣溫≤2 ℃，基本全部農業鄉鎮出現輕霜凍。

圖3 2023 年5 月2—7 日沿41°N 500 hPa 高度（a，單位：dagpm，陰影區：位勢高度≥544 dagpm，下同）和溫度（b，單位：℃，陰影區：溫度≤-18 ℃，下同）的時間—經向剖面及沿86°E 500 hPa 高度（c）和溫度（d）的時間—緯向剖面

2.3 溫度變化和鋒生

2.3.1 高空溫度與冷暖平流

春季發生罕見極端低溫雨轉雪天氣與高空溫度快速下降密切相關，在水平氣流方向上氣溫分布不均勻時，空氣水平運動將引起氣溫的局地變化，暖平流使局地氣溫上升，冷平流使局地氣溫下降，因而氣溫變化的程度決定于溫度平流的強度[20]。

從2023 年5 月2—7 日巴州北部平原區域平均溫度和溫度平流隨時間的高度剖面（圖4a）可知，過程前期2—4 日0 ℃線高空位置較高，在750 hPa 以上，3 日≥0.6×10-5K/s 的暖平流中心位于650～600 hPa；過程中后期5—7 日0 ℃線高空位置逐步降低，≥0.4×10-5K/s 的暖平流中心明顯下降，位于700 hPa 以下，6 日0 ℃線降至850 hPa 附近，在800hPa出現0.6×10-5K/s 的暖平流中心，巴州北部出現雨轉雪天氣。2—6 日600 hPa 以上長時間維持＜-0.5×10-5K/s 的冷平流，冷平流最強中心在400 hPa 附近，達-4.8×10-5K/s，出現在5 日夜間（圖4a）。低層為大范圍弱的冷平流包裹著分散的暖平流，說明局地熱力不均，有利于冷暖交匯和局地對流發展。

圖4 2023 年5 月2—7 日（40°～42.5°N，84°～90°E）巴州北部平原區域高度—時間剖面（a），500 hPa（b）和850 hPa（c）平均溫度（黑色實線，單位：℃）及溫度平流（彩色陰影區，單位：10-5 K/s）

從500 hPa 水平方向過程平均溫度與溫度平流分布（圖4b）可知，中亞低渦冷中心平均強度為-30 ℃，位于北疆偏西偏北一帶，巴州北部平原受-24 ℃等溫線控制，巴州北部溫度平流在-0.5～2.4×10-5K/s，-4.8×10-5K/s 的強冷平流中心位于巴州東部的東疆地區，即東灌的冷空氣對此次降溫起到重要作用。從850 hPa 水平方向上過程平均溫度與溫度平流分布（圖4c）可知，巴州北部平原受6 ℃等溫線控制，850 hPa 溫度平流為±0.2×10-5K/s 冷暖平流之間，在庫爾勒地區西南部弱冷平流中包裹著0.8×10-5K/s 的暖平流，有利于降水天氣的發生。

2.3.2 鋒生與雨雪影響

在2023 年5 月2—7 日新疆維持長歷時的低渦活動過程中，巴州北部平原出現兩次明顯降水時段，都伴隨巴州北部平原鋒生過程。過程前期受中亞低渦南伸影響，3 日01 時—4 日09 時，巴州北部庫爾勒市、博湖縣及和碩縣出現中到大雨，博湖縣出現暴雨。

由3 日02 時500 hPa 假相當位溫和鋒生函數分布（圖5a）可知，巴州北部山區為明顯的西風鋒區，鋒區不斷南壓，北部山區鋒生中心達3×10-7K/（m·s）；巴州北部暴雨天氣與低層鋒生關系更密切，且與暴雨落區對應[23]，從3 日14 時850 hPa 假相當位溫和鋒生函數分布（圖5c）可知，3 日在輪臺北部——巴音布魯克山區一帶開始鋒生，鋒生中心強度為1.8×10-7K（/m·s），隨后鋒生區向東南移動造成博湖暴雨。

圖5 3 日02 時（a）、6 日02 時500 hPa（b）及3 日14 時（c）、6 日08 時（d）850 hPa 鋒生函數（彩色陰影區，單位：10-7 K/m·s）和假相當位溫（紅色等值線，單位：K）

5—7 日中亞低渦先南壓后東移北抬，5 日12時—6 日14 時巴州北部尉犁縣、庫爾勒市、焉耆盆地出現小雨轉雪，其中6 日07 時轉雪，6 日11 時由雪轉雨，降雪中心在尉犁縣，6 日02 時500 hPa 巴州北部存在明顯的西南風鋒區（圖5b），鋒生中心強度為2.5×10-7K（/m·s），6 日08 時850 hPa 在庫爾勒偏東至焉耆盆地出現不足6 h 的短暫鋒生（圖5d），鋒生中心強度為1.2×10-7K（/m·s），低層鋒生與巴州北部平原降水關系密切。3 日夜間和6 日上午巴州北部平原出現降水有利于降溫，6 日出現罕見雨轉雪，7 日清晨天氣轉晴后，平流和輻射降溫進一步加劇最低氣溫的下降幅度。

2.4 地面冷空氣補充

由2—4 日海平面氣壓場（圖6）可知，冷高壓中心位于巴爾喀什湖西北部，中心值達1 030 hPa，1 015 hPa 等壓線位于巴州北部，較歷年同期偏高1 hPa。5—7 日冷高壓中心位于西伯利亞地區，中心值達102 5 hPa，1 020 hPa 等壓線位于巴州北部，較歷年同期偏高5～7 hPa。過程前期冷空氣沿西北路徑南下進入新疆，造成北疆偏西偏北地區降溫，過程中后期，冷空氣得到東北路徑的補充，受兩路冷空氣共同影響，巴州北部出現大范圍極端低溫雨雪天氣。

圖6 2023 年5 月2—7 日海平面氣壓場沿41°N 剖面（a）和沿86°E 剖面（b）

從海平面氣壓場緯向—時間剖面（圖6a）可知，2—4 日位于巴州西側的冷高壓中心逐日增強，4 日冷高壓中心強度為1 022.5 hPa，5 日達1 027.5 hPa，6 日增強至1 034 hPa，位于80°E 附近，冷空氣勢力較歷年同期明顯偏強。

從經向剖面（圖6b）可知，4—5 日1 022.5 hPa的冷高壓南壓至42°N 以北，6 日1 022.5 hPa 的冷高壓南壓至39°N 到達巴州北部平原，南疆西部翻山冷空氣與南疆盆地東灌冷空氣于6 日08 時在巴州北部匯合，使6 日08—11 時巴州北部高空、地面溫度快速下降，出現罕見雨轉雪天氣。

3 可預報性分析

3.1 中亞低渦強度、穩定性及預報偏差分析

中亞低渦影響巴州北部的天氣，往往空報率較高，中亞低渦位置偏南有利于南疆盆地出現降水或降溫天氣[21—22]。對比中亞低渦中心位置及移動路徑實況與ECMWF（以下簡稱“EC”）模式不同起報時間預報，結果表明2—7 日中亞低渦不同起報時間逐12 h 移動路徑變化一致，表現為3 日中亞低槽西退南壓、4 日低槽加深東移至新疆切渦、5 日中亞低渦在新疆西退南壓、6 日低渦在天山南坡東移北抬影響巴州北部，但低渦中心強度和移動路徑在預報細節上存在差異，導致對巴州北部的影響有不確定性。

從EC 96 h 預報的路徑變化可知，中亞低渦中心強度較實況偏弱，位置偏北偏東，對巴州北部影響相對較弱；3 日起報低渦中心位置明顯調整西退南壓至新疆偏西的伊犁河谷一帶，同時低渦冷中心降至-30 ℃，對巴州北部可能產生明顯影響。由于天山山脈阻擋作用，后續的移動路徑是否翻越西天山進入南疆盆地，這對巴州北部平原低溫雨雪預報很關鍵。72 h 內預報的中亞低渦中心位置和強度與實況基本一致，且5 日預報的冷中心強度強于實況。與實況出現偏差的關鍵預報在6 日08 時，中亞低渦外圍-28 ℃等溫線東移南壓的位置，6 日實況-28 ℃等溫線明顯偏南，3—5 日EC 模式預報整體沿巴州北部山區一帶東移北抬，并未預報出-28 ℃等溫線南壓至40°N 巴州北部平原附近。6 日08 時實況中亞低渦南壓和冷空氣西翻位置都更偏南一些。

整體來看，EC 模式對于中亞低渦中心強度、位置預報較好，提前96 h 穩定性略差，提前72 h 內中亞低渦預報連續性、一致性較好，對于巴州北部預報偏差主要體現在低渦外圍-28 ℃等溫線和地面冷高壓關鍵特征線南壓的位置。

3.2 巴州北部極端最低氣溫可預報性

對比分析5 月7 日各種模式不同起報時間對巴州北部國家站24 h 最低氣溫預報的平均誤差（圖7a）可知，EC 模式預報偏差最小，誤差為0.7～1.5 ℃，基本接近實況；CMA—GFS 和NCEP 預報偏差為3.5～8.4 ℃，誤差較大，預報整體高于實況較多。分析各種模式不同時效預報誤差可知，CMA—GFS 模式最低氣溫誤差隨著預報時效臨近，誤差逐步減??；NCEP模式誤差呈波動式增加；EC 模式整體對極端最低溫度預報穩定、準確，可提前72 h 準確預報出最低氣溫，且誤差控制在1 ℃以內，具有業務參考價值。

圖7 2023 年5 月7 日巴州北部國家站各模式日最低氣溫不同起報時間平均誤差（a）和5 月6 日庫爾勒城區日降水量各模式及智能網格不同時效預報誤差（b）

由5 月7 日08 和20 時不同時效預報的最低氣溫（表1）可知，從2 日開始起報至6 日，平均誤差EC 模式＜1 ℃，NCEP 模式誤差最大，為5.8～6.5 ℃，CMA—GFS 模式居中，為4.1 ～4.9 ℃。NCEP 和CMA—GFS 模式20 時起報誤差均＜08 時起報，EC模式則相反，08 時起報誤差略＜20 時起報。

表1 巴州北部5 月7 日各種模式不同起報時間極端低溫平均誤差變化 ℃

3.3 庫爾勒罕見雨轉雪的可預報性

從6 日庫爾勒城區罕見雨轉雪降水實況對應的不同預報時效多模式日降水量誤差分析可知，6 日庫爾勒城區24 h 降水量為6.2 mm，降水相態復雜，包括雨、雨夾雪和雪3 種相態，且固態雨夾雪降水量為5.1 mm。不同提前量的模式降水預報中，NCEP、EC 模式為負偏差，說明降水量預報偏??；智能網格不同預報產品也是一致的負偏差，且庫爾勒城區降水漏報；72 h 內CMA—GFS 數值模式與其他模式一致表現為明顯偏差，但是提前48 h 開始CMA—GFS模式明顯調強，庫爾勒降水為2 mm 左右的正偏差，與實況接近，對于庫爾勒降水預報具有很強的指導價值。但是CMA—GFS 模式對庫爾勒降水預報空報率較高，尤其預報小量級降水時，多種模式降水預報一致偏小。

庫爾勒城區降水相態預報是此次天氣的難點，一般情況下春季巴州北部平原降溫過程中發生降水時，當850 hPa 溫度在0 ℃附近、地面溫度在2 ℃以上、降水量級預報較小時，結合云、城市熱島效應等條件，溫度一般會有弱的上升，就不會考慮雨轉雪天氣，當出現雨轉雪后，致使氣溫下降的更明顯。因此，對于庫爾勒城區降水智能網格預報及數值模式確定性預報整體預報偏小，對于雨雪相態轉換的模式預報評估，需要更多精細資料深入分析，這也是今后工作開展的重點方向。

4 結論

本文利用多種資料，對2023 年5 月2—7 日巴州北部極端低溫雨雪天氣成因和可預報性進行分析，主要結論如下：

（1）極端低溫雨雪天氣發生在北半球極渦異?；顒映势男?，烏拉爾山阻塞高壓向東北發展，深厚中亞低渦配合-36 °C 的冷中心在新疆長時間維持，中亞低渦自北疆西部翻山進入南疆，-30 ℃冷舌伸至巴州北部的有利天氣背景下。5 月影響新疆的中亞低渦多為淺薄型低渦，深厚型中亞低渦在7 月出現最多[24-26]，此次深厚中亞低渦在新疆持續時間及強度出現在5 月實屬罕見，低渦深厚與淺薄、持續時間的長短對巴州北部平原天氣演變影響差異巨大。

（2）西北路徑冷高壓東移南壓強度較歷年同期偏強，冷高壓平均中心值達1025 hPa，南疆盆地西翻冷空氣與東北路徑東灌冷空氣在巴州北部匯合增強，造成巴州北部極端雨雪降溫。巴州北部高層強冷平流，低層為弱的冷平流包裹暖平流，冷暖交匯致使局地鋒生。巴州北部平原兩次明顯降水時段，與低層鋒生和暖平流關系密切，降水落區位于低層暖平流中心和850 hPa 鋒生區域，降水天氣有利于氣溫下降。巴州平原北部發生雨轉雪時，850 hPa 溫度降至0 ℃左右，地面氣溫驟降至2 ℃左右，雨轉雪天氣進一步加劇平原最低氣溫的降幅。

（3）72 h 內EC 模式形勢預報較準確預報出中亞低渦中心位置、強度與移動路徑，但對低渦外圍關鍵等溫線南壓位置、低槽移動方向等細節預報有差異，致使對巴州北部雨雪降溫預報存在不確定性，尤其中亞低渦外圍-28 ℃等溫線東移南壓的位置對巴州北部平原雨雪降溫天氣起決定作用。

（4）NCEP、EC、CMA—GFS 數值模式對溫度和降水預報的可參考性，各模式表現不一。EC 模式最低氣溫預報基本接近實況，NCEP、CMA—GFS 模式對極端低溫預報偏差大，基本無參考價值；NCEP、EC 模式對庫爾勒單站降水預報為負偏差，預報偏小，CMA—GFS 模式為正偏差，預報偏大。對于日最低氣溫的預報，一般情況更多是參考20 時起報，本次檢驗表明08 時起報的溫度也需要關注并檢驗，綜合考慮有利于提高預報準確率。