2022 年4 月云南罕見寒潮天氣成因及預報偏差分析

連 鈺，楊素雨**，馬文倩，趙寧坤，張秀年，晏紅明

[1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.中國氣象局橫斷山區（低緯高原）災害性天氣研究中心，云南 昆明 650034；3.云南省氣候中心，云南 昆明 650034]

寒潮作為一種大規模強冷空氣活動過程，主要帶來劇烈降溫和大風，并伴有雨、雪、雨凇或霜凍[1].云南地處低緯高原，其特殊的地理位置和地形導致侵襲云南的寒潮次數偏少、強度偏弱[2].但云南相對溫和的冬季氣候也使其對寒潮和低溫天氣的抵抗能力較差[3-4]，寒潮是云南省冬春季嚴重的災害性天氣之一，給人民生產生活和生命財產帶來嚴重的影響[3,5].

云南的寒潮多發生在12 月到次年的2 月[6-7]，期間寒潮發生頻次占總頻次的84%[4,8].其中，2008 年1—2 月，包括云南省在內的中國南方大部分地區發生了嚴重的低溫雨雪冰凍災害，云南直接經濟損失90.9 億元，創下了云南省氣象災害損失的新紀錄[5].統計表明，云南寒潮頻次總體呈現東多西少的特征[9].寒潮發生時，中高緯度500 hPa 高度場上相比氣候態表現為負距平，副熱帶高壓偏弱[9].張騰飛等[10]、張瑾文等[11]發現中高緯度的大氣環流形勢與云南寒潮的發生有著密切的關聯.在低緯高原的地形影響下，南下的強冷空氣在影響云南的同時，與昆明準靜止鋒也產生了一定的相互作用.陶云等[12]分析了寒潮與昆明準靜止鋒的氣候關聯性，結果表明寒潮的強度和頻次與昆明準靜止鋒的發生頻次和鋒面位置均有著顯著的相關性.

相較于冬季寒潮，云南省春季寒潮發生的次數相對較少[13-14]，特別寒潮很少發生在4 月.也正因為如此，發生在4 月的寒潮造成的雨雪冰凍等災害防御難度更大.2022 年3 月31 日—4 月2 日，云南省出現了歷史同期罕見的寒潮天氣過程[15]，其中，6 個州（市）的7 個縣分別出現雪災、低溫冷害、凍害、暴雨洪澇和嚴重的地質災害，經濟損失上億元.因此，對于此類寒潮天氣過程的深入分析研究，有助于總結春季寒潮天氣過程的成因，為更好地開展寒潮預報、減少經濟損失、保護人民生命財產安全有著重要的現實意義.本文主要針對此次寒潮過程的環流形勢和強降溫的成因進行分析，對此次寒潮過程的歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）模式預報進行了檢驗，可為今后同類寒潮過程的預報預警提供科學依據.

1 資料與方法

本文使用2022 年3 月31 日—4 月3 日云南省125 個國家站地面最低氣溫、最高氣溫、日平均氣溫、積雪深度和3 300 個區域站降水觀測資料、云南省5 個高空站觀測資料以及葵花8 號衛星資料；數值模式資料使用ECMWF 細網格高空0.25°×0.25°（https://www.ecmwf.int/en/forecasts）和地面0.125°×0.125°逐3 h（0～72 h）和逐6 h（72～240 h）環流場、地面2 m 溫度數據；逐日北極濤動指數(Arctic Oscillation index，后文簡稱AO 指數)由美國國家氣候預測中心（Climate Prediction Center,CPC）提供（https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao_index.html）；此外，還使用NCEP FNL 1°× 1°逐6 h 全球再分析數據（https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/）.

本文運用天氣學分析方法，對此次寒潮發生前后的環流背景進行了對比分析；運用動力-熱力診斷方法對局地氣溫的變化特征進行定量分析；對ECMWF 數值模式的環流形勢和最低溫度預報效果進行檢驗，其中ECMWF 細網格模式的最低溫度選取逐日2 m 溫度的最低值.

2 寒潮天氣概況

2022 年3 月31 日—4 月2 日，受高空槽、南支槽、切變線和冷鋒的共同影響，云南省出現了歷史同期罕見的寒潮天氣，造成大范圍的劇烈降溫，為2022 年春季最強寒潮.在此期間，全省大部地區最低氣溫普遍下降4～8 ℃，其中滇東、滇中、滇南北部和滇西北南部最低氣溫下降8～14 ℃[圖1(a)].滇東、滇中東部、滇西北日最低氣溫下降至4 ℃以下，滇西北高海拔地區最低氣溫降至0 ℃以下[圖1(b)].根據中國氣象局寒潮等級[16]，全省僅有6 個站點達到國家寒潮標準.由于云南特殊的地理位置和地形條件，在天氣預報業務中根據《云南省天氣預報員手冊》[17]定義的云南不同地區的寒潮標準，如：滇中地區日平均氣溫24 h 下降6 ℃以上或者48 h 下降8 ℃以上或者72 h 下降10 ℃以上，且日最低氣溫≤5 ℃；或日平均氣溫≤4 ℃，或有降雪天氣現象.全省共有28 個站點達到云南寒潮標準，主要分布在滇東、滇中東部和滇西北地區.同時，滇西北的德欽和香格里拉分別有16 cm 和19 cm的積雪深度，達暴雪量級，滇東北、滇東天氣現象出現小雪或雨夾雪，但無積雪，滇西南及滇西北出現大到暴雨局地大暴雨天氣[圖1(c)、(d)].

圖1 2022 年3 月30 日—4 月2 日云南寒潮過程實況Fig.1 The observation of the cold wave process in Yunnan from March 30th to April 2nd

3 成因分析

3.1 環流形勢和主要天氣系統發展演變前人研究表明，北極濤動（Arctic Oscillation，AO）指數處于負位相時，往往伴隨著西伯利亞高壓和東亞冬季風偏強，冷空氣更容易侵入東亞地區造成寒潮天氣的發生[18-21].2022 年3 月22 日，AO 指數位相由正轉負，同期對流層中層烏拉爾山地區高壓脊發展增強，形成了有利于來自極地的冷空氣向東亞中低緯地區傳播的環流形勢[22].3 月22 日—4 月2 日，在寒潮發生前和發生中，AO 指數均處于負位向.AO 指數負位向通常對應著偏弱的極渦，同樣有利于北極冷空氣向中低緯地區傳播[23-24].詳見圖2.

圖2 2022 年3 月16 日—4 月7 日AO 指數Fig.2 The Arctic Oscillation (AO) index from March 16th to April 7th,2022

500 hPa 上，此次寒潮過程前，3 月29 日08 時（圖3），亞洲中高緯地區為兩槽一脊的Ω 流型，烏拉爾山至貝加爾湖為寬廣的高壓脊區，其南北振幅達35 個緯距，脊前偏北氣流中心風速32 m·s-1，東側低壓槽位于中國東北地區，貝加爾湖南部有-40 ℃的冷溫槽與低槽配合，溫度場落后于高度場，未來低壓槽將發展增強.3 月30 日20 時，高壓脊在東移的過程中向東北—西南方向發展，貝加爾湖南部有一橫槽的形成，冷空氣在蒙古附近堆積.高壓脊東側的低壓槽在東移的過程中與高原上快速東移的短波槽合并，東亞大槽位于華北地區.同時，低緯度93°E 附近有南支槽形成.3 月31 日08 時，橫槽轉豎后東移與東亞大槽疊加，引導低層冷空氣南下，同時低緯度南支槽東移至95°E，槽底伸至20°N 附近.副高位于110°E 以東、25°N 以南地區，云南受南支槽前和副高外圍西南氣流影響，有利于水汽輸送.北脊南槽的形勢有利于冷暖空氣在云南交匯，引發寒潮雨雪天氣.

圖3 2022 年3 月29 日08 時500 hPa 環流形勢場Fig.3 The 500 hPa atmospheric circulation at 08:00 March 29th,2022

3 月30 日20 時，700 hPa 環流場，青?！陆疄槔涓邏嚎刂?，四川盆地南部有低渦切變存在，位勢高度場呈北高南低的態勢，有助于低渦切變向南移動影響云南；3 月31 日08 時，切變線南壓至曲靖北部，風場與等溫線有較大交角，冷平流較強，0 ℃等溫線位于昭通南部；4 月1 日08 時，切變線快速南壓西推至大理西部—楚雄南部—玉溪中部—紅河北部一線；4 月2 日08 時，切變后部風速較大，達8～10 m·s-1，切變線進一步西推至滇西南邊緣，0 ℃線南壓至紅河中部—玉溪西部—楚雄南部—大理中部一線[圖4(a)].

圖4 2022 年4 月2 日08 時環流場和3 月31 日—4 月2 日天氣系統演變Fig.4 The circulation pattern at 08:00 April 2ndand the temporal evolution of the system from March 31st to April 2nd,2022

從海平面氣壓場看出[圖4(b)]，3 月31 日08 時，位于貝加爾湖的冷高壓中心向南移動到蒙古地區，冷空氣擴散南下，冷空氣從東北路徑進入云南省，鋒面位于曲靖西部—曲靖南部一線，鋒后出現1～6 ℃的降溫；3 月31 日20 時，高壓中心進一步南壓至內蒙古，冷空氣加強南下，鋒面到達楚雄東部—玉溪中部—紅河西部一線；4 月1 日08 時，位于新疆北部的冷高壓東移發展增強至1 055 hPa，冷高壓南下補充，鋒面進一步西推南壓，鋒區等壓線梯度加大，鋒后有較強的正變壓；4 月1 日20 時，在云南省東部有1 032.5 hPa 的高壓中心（較歷史同期異常偏高12.5 hPa 以上），鋒面進一步向西移動；4 月2 日08 時，鋒面再向西推進至德宏—臨滄西部—普洱西部—西雙版納西部邊緣地區.

3.2 強降溫天氣成因一級簡化的熱力學能量方程為：

式中：W為垂直速度（單位：m·s-1）；γd和 γ 為干絕熱溫度遞減率和實際溫度遞減率（單位：K·m-1）；Cp為定壓比熱[單位：1004J·（kg·K）-1]；表示由非絕熱加熱造成的單位質量的加熱率（單位表示溫度的局地變化；-V·?T為溫度平流項；-W(γd-γ)為垂直運動項為非絕熱加熱項.

利用NCEP FNL 資料對溫度平流項進行診斷分析，從圖1(a)中可以看出，此次寒潮過程降溫幅度最大值出現在25°N 附近，因此我們沿25°N 作垂直剖面，定量分析寒潮過程中局地溫度變化的各項貢獻.

3.2.1 溫度平流項 寒潮過程開始前，3 月31 日08 時[圖5(a)]，近地面106°E 附近有弱的冷平流，冷空氣南下到達貴州南部.3 月31 日14 時[圖5(b)]，104°～106°E 之間，近地層為冷平流控制，最強中心位于海拔2.4 km 左右，達-1.5×10-4℃·s-1，冷空氣南下開始影響滇東地區.4 月1 日08 時[圖5(c)]，冷空氣在向西移動的過程中變得深厚，強度維持，為滇中和滇東地區寒潮天氣的出現提供了條件.4 月2 日02 時[圖5(d)]，冷空氣在繼續向西推進的過程中強度增強，向西擴展到98°E 附近，中心位于101°～104°E 之間，海拔2.8 km，強度為-2×10-4℃·s-1.因此，寒潮過程發生時，溫度平流項使地面氣溫下降.

圖5 2022 年3 月31 日—4 月2 日溫度平流沿25°N 的經向剖面（單位：10-4 ℃·s-1 ）Fig.5 The cross section through 25°N of the temperature flux term from March 31st to April 2nd,2022 (unit: 10-4 ℃·s-1)

3.2.2 垂直運動項 從垂直運動項的垂直剖面圖并結合垂直速度圖和地面形勢圖可以看出，3 月31 日08 時[圖6(a)]，鋒面位于104°E，鋒后海拔4 km 以下表現為強的降溫效應，由于鋒后為上升運動區，垂直上升運動造成絕熱膨脹冷卻，加劇了此區域的降溫.4 月1 日20 時[圖6(b)]，隨著鋒面的西推，強垂直上升運動區向西移動并擴展至98°～104°E，從海拔3 km 至6 km 表現為降溫效應，中心最大值達-4.5×10-4℃·s-1，劇烈的垂直運動，加強了局地溫度的下降.4 月2 日20 時[圖6(d)]，整層轉為下沉運動，對局地溫度的貢獻轉為升溫作用.

圖6 2022 年3 月31 日—4 月2 日垂直運動項沿25°N 的經向剖面（單位：10-4 ℃·s-1 ）Fig.6 The cross section along 25° N of the vertical motion term from March 31st to April 2nd,2022 (unit: 10-4 ℃·s-1)

3.2.3 非絕熱項 非絕熱項比較復雜，包含了輻射、感熱輸送、潛熱釋放等作用.因此，非絕熱項的值通過計算方程其他3 項的值間接獲得.3 月31日02 時[圖7(a)]，除在104°～110°E 的近地層非絕熱項為增溫作用外，其余均表現為降溫作用.結合衛星云圖并考慮夜間輻射作用影響，云南大部晴朗無云，冷鋒南下至云南東部邊緣（104°E 附近），鋒后有云層的遮擋，地面長波輻射減弱，局地降溫減弱.3 月31 日14 時[圖7(b)]，在近地層表現為降溫作用，而海拔2～5 km 非絕熱項主要表現為增溫效應.4 月1 日20 時[圖7(c)]，在98°～104°E 區域內，地面至海拔3 km 表現為降溫，海拔3～6 km 的增溫區與上升運動區對應較好，升溫考慮由上升氣流熱傳導所致.4 月2 日20 時[圖7(d)]，主要表現為降溫作用，結合衛星云圖，考慮冷空氣西推后減弱，鋒后云層變薄甚至轉為晴空區，夜間地面長波輻射增強，地表降溫增強.

作為滇中地區對冷空氣的反映具有代表性的站點，昆明強降溫主要發生在3 月31 日—4 月1 日，利用NCEP FNL 資料，選取離昆明站最近的格點（103°E，25°N），最接近地面的高度層，定量計算3個因子對局地溫度變化的貢獻.由表1 對比8 個時次可以看出，在寒潮影響昆明之前，昆明局地溫度在3 月31 日02 時出現負變溫，主要受非絕熱項的影響，由夜間地面長波輻射導致.3 月31 日08 時，局地溫度變化表現為增溫，也主要是由非絕熱項導致，考慮昆明地區有霧，對地面長波輻射降溫產生了一定的抑制作用.3 月31 日14 時—4 月1 日08 時，昆明局地氣溫均為負變溫，溫度平流項對昆明局地氣溫的變化貢獻最大(除4 月1 日02 時外).在4 月1 日02 時，非絕熱項對局地溫度的貢獻大于溫度平流的貢獻.垂直運動項僅在3 月31 日14時為降溫作用，對局地溫度變化為正貢獻，其余時次均表現為增溫作用.4 月1 日14 時，昆明局地氣溫的變化轉為升溫，此時仍有弱的冷平流，但非絕熱項的增溫作用比溫度平流項作用強.4 月1 日20 時，昆明局地氣溫為弱的負變溫，此時冷平流的作用已明顯減弱，主要是非絕熱項的貢獻，仍由夜間地面長波輻射導致.

表1 昆明局地氣溫變化及各項貢獻（單位：10-4 ℃·s-1）Tab.1 The local variation of temperature in Kunming and the relative contributions of the terms (unit: 10-4 ℃·s-1)

4 ECMWF 模式預報檢驗

4.1 環流形勢預報檢驗通過對比ECMWF 模式不同起報時間預報4 月1 日08 時500 hPa 環流場（圖略），3 月27 日20 時預報和28 日20 時預報3月31 日—4 月2 日南支槽逐漸向東移動，而29 日20 時預報南支槽的位置31 日為穩定少動，從4 月1 日起開始逐漸向東移動，與實況一致.在風速預報方面，27 日20 時預報南支槽前滇西、滇西南的風速較實況偏大，其他地區與實況接近或略偏小.28 日20 時預報南支槽前風速較實況偏大的區域減小.29 日20 時預報南支槽前云南的風速與實況接近.由此可以看出，ECMWF 模式對南支槽位置和南支槽前風速的預報，隨著時效的臨近，與實況更為接近.

對比ECMWF 模式不同起報時間預報4 月1 日08 時700 hPa 環流場，3 月27 日20 時預報[圖8(a)]，700 hPa 切變線南下到達麗江東部—楚雄北部—昆明北部—曲靖中部一帶，切變后部的風速為4～6 m·s-1，切變前部的偏南風為4～10 m·s-1.實況切變線位于大理中部—楚雄南部—玉溪中部一帶，預報的切變線移速偏慢，切變線后部的風速偏小2～4 m·s-1，前部風速偏大2～6 m·s-1.28 日20 時預報[圖8(b)]，切變線位置較前一個預報時次無明顯變化，但切變線后部的風速較實況偏小4 m·s-1，切變線前部偏南風與實況接近.29 日20 時預報[圖8(c)]，切變線位置無明顯變化，切變后部局部風速偏大2 m·s-1，切變線前部滇西北風速偏小2 m·s-1.隨著預報時效的臨近，700 hPa 切變線的位置無明顯調整，但切變線兩側風速的預報與實況更接近.

圖8 ECMWF 模式不同時間起報2022 年4 月1 日08 時云南700 hPa 預報風場與實況風場（單位：m·s-1）Fig.8 The 700 hPa wind (unit: m·s-1) field over Yunnan at 08:00 April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

對比ECMWF 模式不同起報時間預報4 月1日08 時海平面氣壓場，3 月27 日20 時預報[圖9(a)]，1 030 hPa 等壓線位于昭通中部，較實況偏弱2.5 hPa，預報1 020 hPa 位于麗江東部—楚雄中部—玉溪中部—紅河西部，較實況偏東.3 月28 日20 時預報[圖9(b)]，1 032.5 hPa 等壓線位于昭通東部，強度與實況一致，但位置偏東偏北，說明預報影響云南的冷高壓強度與實況一致，但位置偏東，預報1 020 hPa 位于楚雄南部—玉溪中部—紅河南部，實況位于玉溪西部—紅河西部，預報鋒面的位置略偏東，預報鋒面西推的速度略偏慢.3 月29 日20時預報[圖9(c)]，1 032.5 hPa 等壓線的位置較上一個預報時次偏西，與實況更接近，預報1 020 hPa 線的位置與上一個時次的預報接近，略向西調整.由此可以看出，隨著預報時效的臨近，ECMWF 模式對海平面氣壓場的預報向更接近于實況方向調整.

圖9 ECMWF 模式不同時間起報2022 年4 月1 日08 時預報云南海平面氣壓場和實況海平面氣壓場Fig.9 The sea level pressure field over Yunnan Province at 0800 April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

4.2 最低氣溫預報檢驗根據國家寒潮等級[17]，最低氣溫是預報寒潮的基本要素，我們對ECMWF模式的最低氣溫預報效果進行檢驗.2022 年4 月1日最低氣溫實況[圖10(a)]，滇東北南部、滇東、滇中東部、滇西北最低氣溫降至4 ℃以下.ECMWF模式3 月27 日20 時預報4 月1 日最低氣溫[圖10(b)]，最低氣溫≤4 ℃的區域較實況偏小，預報滇西北最低氣溫強度較實況偏強；3 月28 日20時預報[圖10(c)]，最低氣溫≤4 ℃的區域在滇東地區范圍增大，但在滇西北范圍縮小，且在滇東和滇西北均預報出≤0 ℃的區域，強度較實況偏強；3 月29 日20 時預報[圖10(d)]，滇西北最低氣溫≤4 ℃的范圍有所擴大，較實況偏大，滇東最低氣溫≤4 ℃的范圍較實況偏小.預報滇東≤0 ℃的區域減弱消失，與實況更接近，但預報滇西北≤0 ℃進一步增強，與實況偏差更大.

圖10 2022 年4 月1 日云南省最低氣溫實況及ECMWF 模式不同時間起報預報圖Fig.10 The daily minimum temperature (unit: ℃) on April 1st,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

4 月2 日最低氣溫實況[圖11(a)]，滇東和滇西北最低氣溫≤4 ℃的范圍向南擴大，且在滇西北北部出現了≤0 ℃的區域.ECMWF 模式3 月27日20 時預報4 月2 日最低氣溫[圖11(b)]，滇東北、滇東、滇中東部、滇西北最低氣溫≤4 ℃的區域較實況略偏大，且預報滇西北和滇東最低氣溫≤0 ℃的區域較實況偏大；3 月28 日20 時預報[圖11(c)]出現≤4 ℃的區域進一步擴大，預報出現≤0 ℃的區域也進一步增大，較實況明顯偏大；3 月29 日20 時預報[圖11(d)]出現≤4 ℃的區域較上一個預報時次縮小，與實況更接近，預報出現≤0 ℃的區域也較上一時次略縮小.綜上，ECMWF 模式預報出了本次寒潮的降溫過程.ECMWF 模式預報最低氣溫，隨著預報時效的臨近，最低氣溫的范圍向更接近實況的趨勢調整，但對于降溫強度的預報相對較差.

圖11 2022 年4 月2 日云南省最低氣溫實況及ECMWF 模式不同時間起報預報圖Fig.11 The daily minimum temperature in Yunnan Province on April 2nd,2022 in observation and different forecast products of ECMWF model

5 結論

（1）此次寒潮過程發生在AO 負位相期間，西西伯利亞高壓偏強，中高緯環流形成兩槽一脊環流形勢.東亞大槽后部強勁的偏北風引導低層冷空氣南下，南支槽東移向云南省輸送暖濕空氣，700 hPa切變線和地面冷鋒的南侵，共同造成了此次寒潮雨雪天氣過程的發生.

（2）此次寒潮過程中，近地層強冷平流引起顯著的局地降溫.冷鋒后部較強的垂直上升運動引起的絕熱膨脹冷卻作用，加劇了局地氣溫的下降.

（3）通過定量分析發現，導致昆明局地氣溫變化的各項因子中，昆明的降溫主要受溫度平流的影響，其次是非絕熱作用的影響.

ECMWF 模式在中、短期時效內，均穩定地預報了此次寒潮過程，但對降溫的范圍、強度的預報有偏差；隨著預報時效的臨近，ECMWF 模式預報各層環流形勢場、降溫范圍均向與實況接近的方向調整，但可能由于ECMWF 數值預報系統對云南復雜地形等中小尺度動力、熱力因素缺乏準確的把握，使降溫強度的預報與實況存在偏差.