引言

寒潮是宁夏主要灾害性天气之一。根据中国气象局最新业务规范并结合实际情况，宁夏寒潮标准定义为：24h或48h日平均气温下降10℃或12℃及以上，且最低气温在5℃以下并伴有大风、降水或沙尘暴^[1]。宁夏寒潮多发生在过渡季节的春秋两季（约占寒潮总数的80%以上），且70%以上的寒潮伴有沙暴、降水、霜冻、冻雨等天气^[2]，对农牧业、工业、交通等影响较大。

近十几年来，随着全球气温明显升高，尤其是冬季增温显著^[3]，很多分析结果表明^[4-9]，20世纪50年代以来中国各类寒潮的发生频次呈减少趋势，且强度有所减弱。但这些研究大都针对国内不同地区，其结论具有明显的区域性。国内不少学者在大量中国典型寒潮过程分析的基础上，总结出影响中国大陆的冷空气源地、路径和环流形势，并得到一些预报指标，但包括宁夏气象工作者在内所作的个例分析大都是针对春季^[2,9-15]，冬季的很少。对宁夏来说，全区性的寒潮过程较少，平均一个冬半年（9个月）约一次，且以4月居多（约占寒潮总数的31%），12月最少（仅占寒潮总数的7%），历史上12月出现的寒潮仅有3次，而2008年12月2—4日和20—21日（简称“12.2”过程和“12.20”过程）连续两次在12月发生的寒潮天气为近30年来（最近的一次12月寒潮出现在1976年）宁夏首次出现。因此，在全球气候大背景发生变化的情况下，有必要对这两次在同一季节出现的典型寒潮过程的环流背景、影响系统、冷空气活动等进行对比分析，以进一步揭示宁夏寒潮的天气成因和形成机制，有助于提高宁夏寒潮天气的预报能力。

1 主要天气事实对比分析

12.2过程前期，宁夏受蒙古热低压控制，地面升温迅速，寒潮前3天平均气温较常年同期偏高4~8℃。12月1—5日入冬以来最强冷空气从西伯利亚自西北向东南席卷了几乎整个中国，直至5日，残余冷空气还影响南方大部地区气温继续下降，宁夏也出现了全区性寒潮。2—4日48h日平均气温普降11.3℃左右，有7站降温幅度超过12℃，最大瞬时风力超过7级的有6站；伴随大风降温，大部地区还出现了微到小雪；5日清晨宁夏大部地区最低气温普遍达－12℃至－18℃，其中盐池达－21.6℃。此次寒潮过程造成直接经济损失约361.88万元。这次冷空气活动主要有4个特点：范围大、平均风力强、降温明显、雨雪不强且分布不均。

12.20过程前期，宁夏受河套倒槽控制，地面升温明显，寒潮前3天平均气温较历史同期偏高3~5℃。20日来自贝加尔湖的强冷空气从内蒙古中西部经河套地区进入我国，直达长江中下游及江南地区，宁夏也出现了全区性寒潮。20—21日24h日平均气温普降10.9℃左右，有4站降温幅度超过12℃，最大瞬时风力超过7级的有9站，其中盐池还出现了扬沙；21日清晨宁夏大部地区出现了入冬以来的最低气温，普遍在－16℃至－20℃，其中麻黄山达－23.8℃。此次寒潮过程造成个别市区温棚中的部分作物受损，没有出现明显灾害损失。此次冷空气具有影响时间短、降温幅度大、瞬时风力强、局地降雪强等特点。

通过表 1的主要天气指标对比可以得出：两次寒潮过程均是在前期强烈升温的基础上有较强冷空气向南侵袭造成剧烈降温和大风，12.2过程降温持续时间更长、影响范围更广，而12.20过程降温更迅猛、剧烈，但对宁夏的影响却要小于12.2过程。

2 环流形势对比分析

统计分析结果表明，宁夏寒潮的主要天气学特征表现为：在关键区内地面冷高压强度强、高空锋区强、地面冷锋前后压温梯度大^[2,16]。宁夏寒潮天气影响系统的关键区为40°~55°N、90°~110°E，同时，由于各季节气候因素及下垫面温度的不同，强冷空气中心和地面冷高压强度各月也不尽相同，12月寒潮天气冷高压强度指标为1065hPa^[16]。

2.1 500hPa环流背景及演变特征

据宁夏寒潮预报的经验可知：影响宁夏寒潮的环流背景主要有两种^[1]，其一为高指数，即西风强盛，从能量角度分析是位能积聚时期；另一种是低指数型，即环流经向度加大，是位能释放转变为动能的时期。从图 1两次过程的亚洲地区500hPa西风环流指数（简称“西风指数”）变化可以得知：两次寒潮过程均属于典型的低指数型，过程前期（11月29日和12日16日），西风环流指数均呈下降趋势，环流经向度逐渐加大，寒潮爆发日（3日和20日）西风指数达到最低值，即乌拉尔山高压脊发展到最强阶段。500hPa环流形势演变与西风指数变化相一致。

2008年11月底，乌拉尔山西侧冷空气东移到贝加尔湖附近，与东西伯利亚海来的冷空气在泰米尔半岛北侧合并加强形成一宽广的低压槽区，冷涡中心强度为－46℃，位置在105°E附近，随着冷空气的不断补充，引导冷空气南侵的低槽在旋转中南压，12月1日为NW—SE走向的倒槽，倒槽东侧泰米尔半岛地区有暖平流加压向西移动，倒槽西侧又有负变高向东移动，乌拉尔山脊向东北方向伸展，脊前正变高及偏北气流都大大加强，引导冷空气向南移动；2日（图 2a），24h内冷槽南压了约10个纬距，变成横槽形式，这时天山北部有西北风与偏西风的弱切变浅槽东移到旋转低槽的南部，使其前部等高线出现明显的疏散结构，槽前正涡度平流和负变高加大，低槽加速旋转南下，与弱切变合并，槽后经向环流度加强，冷空气大举南下，锋区加强。从这次过程的综合动态图 3a可以看出：3—5日低槽从蒙古中部东移南下直至入海，极锋急流轴上风速水平切变加强，700hPa上温度梯度由14℃/10纬距增加到20℃/5纬距，宁夏处在强西北气流里。

12.2过程结束后，冷空气主体移到东海岸后一部分继续东移入海，另一部分与东亚大槽合并，由于接近东西伯利亚海冷空气源地，因此冷空气在鄂霍次克海附近聚集加强，17日，已发展成中心为－50℃的寒冷气团，这时亚洲中高纬环流形势呈“一脊一槽”型，高压脊位于乌拉尔山西侧，低槽（冷涡）位于东海岸，同时孟加拉湾有高压脊向北发展，19日（图 2b），冷涡中心在旋转过程中分裂为两个，东边的冷涡东移北缩，移至日本海附近，西边的冷涡旋转南压至贝加尔湖附近后，自泰米尔半岛向西移动的暖平流与乌拉尔山高压脊后部向东发展的暖平流以及孟加拉湾高压脊向北发展的暖平流加压区叠加于乌拉尔山脊附近，环流经向度加大，乌拉尔山脊东移发展，低槽在南压过程中东移速度加快，槽前冷平流也将加速南移。从综合动态图 3b也可看出：20—21日，低槽从贝加尔湖移至110°E以东，冷涡强度增强到－52℃，冷空气自贝加尔湖直冲向河套及华北一带，锋区也迅速南压。

上述分析表明：两次过程中高纬环流背景场及促使强冷空气爆发的流场相似，亚洲中高纬环流形势均表现为“一脊一槽”型，高压脊位于乌拉尔山西侧，低槽（冷涡）位于东海岸，动力机制均为高空旋转低压槽与强锋区，促使寒潮爆发的流场均为“低槽旋转型”；不同的是12.2过程冷涡中心偏西，中低纬气流相对较平直，有弱的高原槽东移，旋转的低槽与高原槽同位向叠加，引起我国上空经向环流加强，引导北方强冷空气深入南方，造成全国性寒潮；而12.20过程低涡位置偏东，有两个低涡相对作反时针旋转，由于孟加拉湾到新疆北部都为反气旋环流控制，没有南支槽或高原槽的配合，因此南下的冷空气主要影响长江以北地区。

2.2 影响系统的生成、发展和移动路径

2008年12月1日，当冷空气沿乌拉尔山脊南下加深时，冷空气在西西伯利亚堆积并形成地面冷高压，中心强度为1049.4hPa，随着冷空气不断补充加强并向东南移动，地面冷锋移至巴尔喀什湖附近；2日（图 4a）当西风槽移过天山时，高原东侧SW气流加强，暖平流向东北方发展，14时，高原东部到内蒙中部有热低压发展，低压内最大ΔP₃达－4.5hPa，西北地区东部普遍升温，暖平流减压有利于寒潮冷锋加速南下，而且锋面附近温度梯度也会加大^[17-20]，20时前后冷锋移过宁夏，此时银川与酒泉气压差13hPa，温差16℃。从此次过程的综合动态图 3a看出：3—5日，冷锋过后，冷空气加速南下，此时冷高压中心强度已达到1066.8hPa，其母体一直滞留在西伯利亚南部堆积区，有不断分裂的小股冷空气继续东移南下，并有明显的副冷锋相伴；南下的冷空气与高原暖湿气流交绥，出现大范围的大风降水天气，气温则持续下降；5日冷高压变性减弱，虽然最低气温降至最低值，但最高气温已开始回升。

2008年12月18—19日，当冷空气南下到贝加尔湖附近时不断堆积加强，冷高压中心在贝加尔湖西北侧，强度为1052.4hPa，西北地区东部到蒙古中部有地面倒槽发展，河套地区普遍升温；20日（图 4b），冷锋进入倒槽后，猛烈加强，南下速度加快，24h就自贝加尔湖移至黄淮流域向东南方向旋转并大约南压15个纬度，而且斜压性大大加强，冷高压中心南压了约10个纬度，冷锋的特征更为清楚；冷锋14时前后影响宁夏，银川与乌兰巴托气压差26hPa，温差25℃。这次过程综合动态图 3b也反映：冷锋过后，冷高压主体南压，中心强度增强至1065.4hPa，气温骤降，21日清晨，最大ΔP₂₄在磴口达＋22hPa，宁夏最低气温24h平均下降了10℃，创下了入冬以来的最低值；22日，冷高压减弱，分裂出高压单体南下影响我国江南、华南和西南等地，西北地区东部为负变压区控制，气温都开始回升。

表 2也可以反映：两次过程前期，地面均有热低压或倒槽发展，地面升温明显，冷空气爆发后，地面冷高压均进入关键区并达到寒潮强度；不同的是，12.2过程冷空气在西西伯利亚堆积，影响路径为西北—东南向，冷高压中心最强为1067hPa，冷高压以分裂南下方式影响，平均风力较大、伴有降水、气温持续下降；12.20过程，冷空气在贝加尔湖附近堆积，以超极地（北方）路径影响我国，由于路径更偏中部一些，因此对新疆和东北地区的影响不大，冷高压中心最强为1065 hPa，冷高压主体南压到河套北部后才分裂出高压单体南下，较12.2过程冷空气主体更偏南，因此气温骤降、瞬时风力强、降水不明显，但降温快升温也快，冷空气爆发24h后冷空气就减弱东移，气温开始回升。

3 单站气象要素对比分析

银川是宁夏首府城市，也是宁夏气象观测资料最全、最详细的两个国家基准站之一。因此，以银川站为例，对两次过程前后各气象要素的实况及变化进行详细的分析(见图 5)。

12.2过程前24h12月1日，宁夏还处在蒙古热低压控制，地面强烈升温，日平均气温较历史同期偏高8.4℃；2日白天气温依然较高，最高气温较前一日偏高2.5℃，20时冷锋过境，锋区缓慢南压，风速增大、气压值升高、气温持续下降；3日2时到4日2时是气温、气压、风速变化最明显时段，24h内降温10℃、气压升高15.5hPa、风速从6m·s^－1增加到16.6m·s^－1；4日午后开始，风速逐渐减小，气压值缓慢上升，到5日2时升至最高值909.6hPa，之后缓慢下降，而气温也在5日清晨达到最低值；从5日白天开始，随着冷空气东移减弱，气压值减小，气温开始回升。

12.20过程前3天12月17—19日，宁夏在地面倒槽里，气温持续较高，日平均气温较常年同期偏高4℃左右；20日上午升温强烈，6小时增温9.2℃，14时冷锋过境，冷空气主体迅速南压，6h气压值升高9.2hPa、气温下降11.1℃、风速从8.3m·s^－1增加到11.8m·s^－1；20夜间开始，风速逐渐减小，气压值缓慢增加，到21日8时增到最大值914.2hPa，之后缓慢下降，气温于21日降至最低值；22日冷空气主体减弱东移，气温迅速回升。

从图 5看出：两次过程发生前后，气温、气压、风速的变化都很明显，但由于影响两次过程的冷空气强度、路径、方式、时间等不同，在变化程度上，12.20过程更剧烈。

4 强降温形成的原因

某地温度的变化可用热流量方程来表示：

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial T}}{{\partial t}} =-\mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla T-w({\gamma _d}-\gamma ) + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{{\gamma _d}}}{{\rho g}}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial t}} + \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla p} \right) + \frac{1}{{{c_p}}}\frac{{{\rm{d}}Q}}{{{\rm{d}}t}} \end{array} $

上式中，右端第3项为变压和气压平流引起的温度变化，局地变化很小，在实际预报中可以不考虑。第2项为垂直运动对局地气温变化的影响，由于近地层w可近似为0^[12-13]，因此某地温度变化主要决定于温度平流—V·▽T和非绝热因子$\frac{1}{{{c_p}}}\frac{{{\rm{d}}Q}}{{{\rm{d}}t}}$的作用。温度平流应考虑平流冷暖性质和强度。非绝热因子考虑辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响，气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团变性。这两次寒潮过程，由于有大范围的锋面云系，太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化较小，因而气温下降主要是强冷平流所引起的，故只讨论850hPa上冷平流的演变情况。

2日14时850hPa温度平流图上（图 6a），在500hPa旋转低槽的前部，从巴湖到贝加尔湖包括我国新疆北部和甘肃及内蒙古西部的广大地区出现了东北一西南向的带状冷平流区，有两个中心分别位于天山附近和贝加尔湖东侧，中心值为－22×10^－5℃·s^－1和－19×10^－5℃·s^－1，表明冷空气较强，而宁夏处在华北低压后部的暖平流里；20时前后，随着地面寒潮冷锋过境，宁夏自北向南逐渐为冷平流所控制；到3日20时（图 6b），500hPa主槽过境后，带状冷平流区东移南压覆盖了长江以北的大部地区并转为南北向，中心移至华北北部并加强为－28×10^－5℃·s^－1，宁夏上空的冷平流也达到极值－18×10^－5℃s·^－1，24h温度平流降幅在12×10^－5℃s·^－1以上；4日20时，冷平流继续东移南下控制了我国中东部地区，强冷平流中心也东移至黄海，冷平流对宁夏的影响基本结束。

20日08时（图 6c），贝加尔湖冷槽的前（南）部，对应蒙古国到我国内蒙古至新疆大部出现了东西向的带状冷平流区，中心位于乌兰巴托附近，中心值为－20×10^－5℃·s^－1，宁夏处在高原东部到河套的热倒槽暖平流区；14时前后，地面寒潮冷锋过境后，冷平流区随之迅速旋转南压，覆盖了高原东部和华北北部，中心南压至中蒙边境，中心值继续增强至－44×10^—5℃·s^－1，宁夏上空的温度平流迅速下降至－24×10^－5℃·s^－1；20时（图 6d），500hPa主槽过境后，冷平流区继续以反时针旋转为南北向，中心移至呼和浩特附近，中心值再度加强达－50×10^－5℃·s^－1，宁夏上空的温度平流继续下降至－40×10^－5℃·s^－1，6小时降幅达16×10^－5℃·s^－1；21日02时，冷平流的区域继续向南扩张至江淮流域，中心也继续南下到洛阳附近，中心值达最强－60×10^－5℃·s^－1，宁夏上空的强冷平流从北部移到东南部，强度依然维持；冷平流在中国陆地的控制范围持续到22日白天，对宁夏的影响则在21日夜间趋于减弱结束。

由此可见，这两次大范围寒潮天气均是由强盛的冷平流造成的，宁夏上空均是在地面寒潮冷锋过境后自北向南由暖平流转转为冷平流控制，随着500hPa高空主槽的过境，冷平流强度增强，降温加速；不同的是：12.20过程冷平流强度更强，中心位置更偏近宁夏，所以宁夏上空的温度平流最强时较12.2过程偏（冷）强22×10^－5℃·s^－1，而且12.20过程在高空槽过境后温度平流在短时间内骤降，下降的幅度也较12.2过程更猛烈；虽然12.2过程冷平流强度不及12.20过程，但冷平流控制中国大陆的时间更长，影响范围更广。

5 宁夏冬季寒潮天气预报着眼点

从500hPa高空锋区、850hPa冷平流中心强度、地面冷高压的强度及其前沿的气压梯度可以初步判断出冷空气的强度，地面冷高压进入关键区是判断冷空气能否影响宁夏的必要条件之一，而高空环流形势的演变则进一步揭示了冷空气移动路径及具体的影响时间。这两次寒潮过程，数值预报产品对高度场、地面气压场及850hPa温度场的形势演变预报都较为准确，但是量值的预报都相对偏小。2008年12月1日及19日有冷空气沿乌拉尔山高压脊南下加强，分别形成强度为1038hPa和1047hPa的地面冷高压（实况为1049hPa和1052 hPa），且地面气压梯度大、高空锋区和850hPa冷平流强，说明冷空气势力较强；2日及20日，冷高压强度继续加强为1055hPa和1058hPa（实况为1067hPa和1065hPa），并东移到宁夏寒潮天气影响关键区，表明寒潮天气的发生条件已具备；再根据500hPa形势预报场，3—5日，旋转低槽与西风槽合并加强，引导冷空气南下，说明冷空气影响时间就在3—5日；20日夜间到22日，地面冷锋移过宁夏后，冷空气主体南下，说明冷空气影响时间就在20日夜间到22日；同时关注850hPa温度场预报，2—3日气温下降10~12℃，且3—4日气温持续偏低，5日有所回升；20—21日气温下降8~10℃，22日气温明显回升。因此，根据这两次过程的预报经验，在今后冬季寒潮预报中应主要着眼于以下几个方面：

(1) 寒潮前气温回升是宁夏寒潮预报的一个重要指标。多个寒潮个例的统计分析表明^[1-2,14-15]：如果前期是在较冷（日平均气温较历史同期偏低或连续3天地面24h变温为负）的条件下，即使有较强冷空气入侵，降温幅度也不易达到寒潮超标；但回暖的幅度因影响系统的不同而异。

(2) 强冷空气在西西伯利亚或贝加尔湖附近堆积是宁夏寒潮爆发的必要条件，而地面冷高压的强度及其前沿的气压梯度是冷空气强度的主要判据，而且通过高空锋区及850hPa冷平流强度指标可以进一步判定冷空气的强度。

(3) 地面冷高压必须进入关键区。当冷空气强度达到寒潮预报指标，但未进入关键区时，冷空气对宁夏的影响较小，不易出现寒潮天气；有时进入关键区的冷高压强度虽未达到寒潮预报指标（相差5~10hPa），但寒潮前气温回升、高空锋区强、气压梯度密集，冷空气南下，宁夏也有可能爆发寒潮。

(4) 过程影响时间须依据促使寒潮爆发的流场，对于“低槽旋转型”的关键是预报高空冷槽和地面冷锋何时过境；过程降温幅度则主要依据冷空气影响路径和冷高压影响形式来确定，冷空气以西北路径进入、冷高压大多分裂南下，影响时间超过48h，气温持续下降，平均风力较大，而从正北方下来的冷空气，冷高压大多主体南压，气温骤降，瞬时风力较强，且降温快升温也快，影响时间一般在24h。

(5) 西风指数、单站气象要素及数值预报产品中的其它各要素预报等预报指标对进一步确定冷空气的强度变化、移动路径和影响时间有很重要的指导意义，但数值预报产品使用时应对其进行订正，如：气压值偏低5~10hPa，850hPa温度偏低2~4℃。