论文部分内容阅读
摘要 2016年5月2、15、23日甘肃中部金昌地区出现3次霜冻天气，其中以15日的霜冻强度最大，从天气实况、环流形势、前期气候背景、数值产品预报效果检验等方面进行了分析，找出了此类天气的预报着眼点。结果表明，前期气温异常偏高促使农作物生长发育期提前，抵抗低温冻害的能力减弱；乌拉尔山高压脊的发展为冷空气的南下及低槽冷空气的增强提供了有利条件；霜冻多发生在天空晴朗少云、风力较弱、温度显著下降的寒冷夜晚；强霜冻往往是由平流降温和辐射降温共同影响所致；欧洲中心和T639形势场及其细网格温度场预报对霜冻天气预报具有较好的指示性。
关键词 霜冻；成因分析；气候背景；预报着眼点
中图分类号 S16；P458文献标识码 A文章编号 0517-6611（2016）25-149-03
Three Frost Weather Analysis in Jinchang—The Central District of Gansu Province
SONG Wangchang， JIN Mingyu
（Jinchang Meteorological Bureau of Gansu Province， Jinchang， Gansu 737100）
Abstract Three frost weather occurred on 2， 15 and 23 May， 2016 in the central fistrict of Gansu Province—Jinchang， the frost weather on 15 May was the most powerful frost among them. This paper found a way to predict the frost by analyzing three frost weather from reality state， cause analysis， the climate background at early stage and numerical forecast products. The results showed that： The early temperatures on the high side to promote crop growth development period in advance， at the same time， the ability of resistance to low temperature freezing injury were weakened； The development of Ural mountain ridge provided favorable conditions for the cold air to move southward； Frost offen appear in the less cloud， weak wind， a significant reduction in the temperature of a cold night； Strong frost was often caused by advection cooling and radiation cooling or their mutual influence； EC and T639 situation field and its fine grid temperature field has a good indication on freezing weather forecast.
Key words Frost； Cause analysis； Climate background； Forecast index
霜冻是我国主要农业气象灾害之一，在我国北方地区比较常见，它指气温突然下降，地面最低温度骤降到0 ℃以下，使农作物受到冻害的现象。目前对霜冻天气的形成机制[1-2]、霜冻对农业的影响及预防措施[3-4]均已有系统研究，但准确预报霜冻出现时间、范围及其强度的技术方法仍在不断探讨中。在金昌，虽然霜冻天气出现概率小，但其发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大，因此是当地天气预报工作的重点和难点。笔者从霜冻发生前期气候背景、发生时高空形势、地面气象要素、卫星云图及数值预报产品效果检验等方面，对2016年5月2、15、23日甘肃中部金昌地区出现3次霜冻天气进行分析，找出霜冻活动的一般规律、特征及预报的着眼点，为准确预报、提高防灾减灾应对能力提供可靠依据。
1 天气实况及灾情
1.1 天气实况
受新疆冷空气影响，金昌地区2016年5月2、15、23日金昌出现3次霜冻天气，地面最低温度均降至
0 ℃以下（表1）。5月1日小雨，2日清晨出现霜冻；11～13
日天气多云、14日多云转晴，15日清晨出现霜冻；20～22日阴有
小雨，23日清晨出现霜冻。其中以15日霜冻最强，地面最低温度低于0 ℃的持续时间也最长（约5 h），日最低气温创1982年以来历史同期次极值，同时也是当地有气象记录以来出現时间最晚、最为严重的低温冷冻天气过程，致使全市农作物大面积受灾。
1.2 灾情
2016年5月甘肃省金昌地区共出现3次霜冻，分别在2、15、23日，以15日强度最大，造成的危害也最为严重。据统计，15日强霜冻致使全市1县1区12个乡镇134个村32 188户111 908人受灾，农作物受灾面积28 792.21 hm2，成灾面积16 376.8 hm2，绝收面积3 878.5 hm2，受影响农作物有玉米、油菜、葵花、洋芋、辣椒、大豆、小麦、大麦、胡麻、娃娃菜、葫芦、胡萝卜、苜蓿、西甜瓜、万寿菊、葡萄、南瓜等，直接经济损失约24 511.5万元；23日当地再次出现霜冻，永昌县新城子、红山窑等6个乡镇41个村723户2 524人受灾，农作物受灾面积1 801.3 hm2，成灾面积1 138.0 hm2，绝收面积217.4 hm2，此次灾害共造成直接经济损失1 405.2万元。 2 霜冻的分类及其影响条件
2.1 霜冻的分类
霜冻按其形成的原因可分为平流霜冻、辐射霜冻、平流-辐射霜冻3种；按季节划分又可分为秋季霜冻（早霜冻）、冬季霜冻和春季霜冻（晚霜冻）3种[4-6]。相关研究表明，新疆脊前高空冷平流降温、地面晴空辐射降温或2种降温的混合作用是引起河西走廊中、东部出现晚霜冻的主要原因[7-8]。2016年金昌地区出现的霜冻2次为平流-辐射霜冻，1次为平流霜冻，其中以5月15日出现的霜冻强度最大。
2.2 霜冻的影响条件
一般而言，天气条件、自然地理条件及下垫面的性质对霜冻天气有较大影响[6]。霜冻发生的一般天气特点是：温度显著下降的寒冷夜晚，天空晴朗少云，风力较弱，这样的天气特点使得地面有效辐射增大，地表冷却加快，地温下降显著，最易出现霜冻。不同的地形、地势条件对霜冻的发生有很大影响，如洼地、 盆地出现霜冻一般较重，在山坡不同方位，霜冻出现轻重也常有不同。金昌地势自西南向东北倾斜，地形以山地、平原为主，西南部为山脉，中部地势平坦，土地肥沃，是主要农作物种植区，东北部除宁远、双湾绿洲外，其余则为戈壁、沙丘、荒漠和半荒漠草原，这样的地理条件较有利于发生霜冻。下垫面的性质对霜冻也有一定影响，地表湿度、疏松度、植物密度、防风林、大区域的水面等均对霜冻的发生有不同程度的影响，如湿度小、疏松的地表，因其热容量、导热率小，致使白天蓄热少，夜间散热快，故较易发生霜冻[3，6]。
3 环流形势分析
3.1 500 hPa环流形势
4月下旬～5月上旬，欧亚中高纬度地区气流呈多波动纬向型，5月中旬前期，亚洲上空为1槽1脊型，即乌拉尔山脊、东亚宽槽，宽槽后部有一冷舌，乌拉尔山脊西侧有一暖舌，存在较大的正负24 h变高差，促使乌拉尔山高压脊和东亚宽槽不断发展，14日08：00温度梯度加大，锋区加强（图1a）；至14日20：00，宽槽东移加深并与南面高原槽重合，高空槽已东移至110°E 附近，槽后为一支强劲的偏北急流，有强冷平流，14日夜间至15日08：00（图1b），高压脊已控制甘肃西部、中部地区，天气转晴，加之风速较小，受平流-辐射降温的影响，出现强霜冻天气。5月中旬后期，欧亚中高纬度地区呈2槽1脊型，即乌拉尔山脊、欧洲槽和亚洲槽，但下旬前期，高压脊、高空槽不断减弱，至22日20：00，高空槽仍位于新疆东北部；23日08：00，金昌处于宽槽底部偏西北气流控制中，受前期阴雨天气及弱冷平流降温影响，仅部分乡镇出现了霜冻[7]。
3.2 地面要素
5月2和15日霜冻发生前后，海平面气压场经历了相似的变化过程，如13日08：00～14日20：00（图2），甘肃中部地区冷高压逐渐加强，中心值由1 010.0 hPa加强为1 022.5 hPa；冷高压前部有一强冷锋面，冷锋后中心24 h变温达-12 ℃，偏北风大，锋面前后最大温差为16 ℃，伴随着锋面过境，13日下午至夜间，河西地区出现大风天气，气温有所下降且长时间维持偏低；14日傍晚天气转晴，15日凌晨全市出现了强霜冻天气，此次霜冻主要是由冷平流和辐射降温共同影响所致，即冷平流导致前期剧烈降温，基础温度低，14日夜间金昌市处在冷高压之中或其后部，天气晴朗，几乎是静风或微风，辐射降温较强[9]。23日霜冻发生前后（21日08：00～23日08：00），海平面气压场一直维持在1 022.5 hPa左右，结合上面高空形势分析，此次霜冻主要由弱冷平流降温引起。
3.3 前期气候背景
2016年入春以来，金昌市3、4月平均气温较历史同期分别偏高1.6、1.9 ℃，降水量与历年同期比，3月偏多、4月偏少。分析2011～2015年3、4月逐旬温度（表2）可知，2016年3、4月各旬平均最高、最低气温均高于
近5年均值，尤其是4月上旬平均最高气温为18.3 ℃，高于历史均
值3.2 ℃，说明3和4月影响金昌的冷空气势力较弱，前期温度偏高促使2016年春农事活动普遍提前，农作物生长发育期也随之提前，抵抗低温冻害的能力则相应变差[2]。
4 卫星云图分析
从FY-2E卫星云图可以看出，14日00：30（图3a），金昌处在冷锋后部锋面云系控制之中，云系快速东移，至15日00：30（图3b），冷锋云系东移约15个经距，已移过河套地区，甘肃西、东部受地面冷高压控制，为晴空区，近地面辐射降温强烈。22日夜间，冷锋云系移速相对较慢，且后面不断有新的对流云团补充，致使近地面辐射降温较弱，故冷平流降温起主导作用。
5 数值产品预报效果检验及预报着眼点
5.1 ECMWF产品
欧洲中心数值预报产品对这3次霜冻天气预报比较准确，在一周的滚动形势预报中，准确预报出了5月2、15、23日低槽东移出境的大概时间，如一周的趋势预报，14日20：00新疆高压脊强烈发展并控制甘肃金昌地区，这与实况形势演变基本一致，体现了欧洲中心数值预报产品比较强的预报能力[10]。
5.2 T639预报产品
T639的500 hPa形势预报也比较准确地报出了这3次霜冻天气，其一周的滚动形势预报与欧洲中心产品一样，在低槽东移出境的时间预报上更加精细化；同时，其对温度的精细化预报能力也比较突出，通过这3次霜冻天气检验，T639细网格2 m温度场最低气温预报虽然与实况有所偏差，但对准确预报霜冻、做好气象服务还是具有较强的指示意义[10]。
5.3 预报着眼点
通过这3次霜冻天气分析，进一步明确了影响甘肃中部金昌地区的霜冻一般出现在较强冷空气活动之后，因此，判断冷空气的强度和其过后天气转晴的时间是准确预报霜冻的关键，应主要从以下几方面着眼考虑[11]：
①关注500 hPa槽、脊移动、发展和演变情况，判断未来是否有强冷空气影响该地区，致使该地区出现霜冻。
②当判断未来有影响该地的强冷空气出现时，应结合海平面气压场中冷高压的强度和中心位置来确定冷空气的强度。
③依据上游区域500 hPa高空槽（包括横槽 ）与温度槽的配置情况，同时结合槽后偏北大风的分布，确定高空冷平流的强度。
④冷高压与霜冻密切相关，当冷高压控制该地区时，天气转好，到夜晚风停云散后，地面辐射降温加剧，形成平流-辐射霜冻。因此，判定阴雨（阴天）什么时间结束、天气何时转晴，才能对霜冻出现的时间、强度进行成功的预报。
6 小结
（1）2016年5月金昌地区出现的3次霜冻，前2次（2、15日）为平流-辐射霜冻，均是因高压脊强烈发展，脊前强劲偏北急流引导强冷空气向南暴發，先造成强降温天气，继而因冷高压控制下天气转晴，辐射降温加剧，两者共同作用形成平流-辐射霜冻，这种霜冻造成的危害更大；后1次（23日）为平流霜冻，是由于平流降温引起，深厚的冷空气和强冷平流是造成温度急剧下降的主要原因。
（2）持续的阴雨（阴天）、低温天气为霜冻、冻害的发生提供了有利条件。金昌地区5月1日小雨、11～13日持续多云、20～22日阴有小雨，其中后2次过程霜冻、冻害天气同时发生。
44卷25期 宋旺昌等 甘肃中部金昌地区3次霜冻天气分析
（3）前期气候分析表明，前期气温异常偏高促使农作物生长发育期提前，抵抗低温冻害的能力减弱。
（4）霜冻多发生在天空晴朗少云、风力较弱、温度显著下降的寒冷夜晚。
（5）欧洲中心和T639形势场及其细网格温度场预报对霜冻天气预报具有较好的指示性。
参考文献
[1] 冯玉香，何维勋.霜冻的研究[M].北京：气象出版社，1996.
[2] 王锡稳，孙兰东，张新荣，等.甘肃春季一场罕见强霜冻、冻害天气的分析[J].干旱气象，2005，23（4）：7-11.
关键词 霜冻；成因分析；气候背景；预报着眼点
中图分类号 S16；P458文献标识码 A文章编号 0517-6611（2016）25-149-03
Three Frost Weather Analysis in Jinchang—The Central District of Gansu Province
SONG Wangchang， JIN Mingyu
（Jinchang Meteorological Bureau of Gansu Province， Jinchang， Gansu 737100）
Abstract Three frost weather occurred on 2， 15 and 23 May， 2016 in the central fistrict of Gansu Province—Jinchang， the frost weather on 15 May was the most powerful frost among them. This paper found a way to predict the frost by analyzing three frost weather from reality state， cause analysis， the climate background at early stage and numerical forecast products. The results showed that： The early temperatures on the high side to promote crop growth development period in advance， at the same time， the ability of resistance to low temperature freezing injury were weakened； The development of Ural mountain ridge provided favorable conditions for the cold air to move southward； Frost offen appear in the less cloud， weak wind， a significant reduction in the temperature of a cold night； Strong frost was often caused by advection cooling and radiation cooling or their mutual influence； EC and T639 situation field and its fine grid temperature field has a good indication on freezing weather forecast.
Key words Frost； Cause analysis； Climate background； Forecast index
霜冻是我国主要农业气象灾害之一，在我国北方地区比较常见，它指气温突然下降，地面最低温度骤降到0 ℃以下，使农作物受到冻害的现象。目前对霜冻天气的形成机制[1-2]、霜冻对农业的影响及预防措施[3-4]均已有系统研究，但准确预报霜冻出现时间、范围及其强度的技术方法仍在不断探讨中。在金昌，虽然霜冻天气出现概率小，但其发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大，因此是当地天气预报工作的重点和难点。笔者从霜冻发生前期气候背景、发生时高空形势、地面气象要素、卫星云图及数值预报产品效果检验等方面，对2016年5月2、15、23日甘肃中部金昌地区出现3次霜冻天气进行分析，找出霜冻活动的一般规律、特征及预报的着眼点，为准确预报、提高防灾减灾应对能力提供可靠依据。
1 天气实况及灾情
1.1 天气实况
受新疆冷空气影响，金昌地区2016年5月2、15、23日金昌出现3次霜冻天气，地面最低温度均降至
0 ℃以下（表1）。5月1日小雨，2日清晨出现霜冻；11～13
日天气多云、14日多云转晴，15日清晨出现霜冻；20～22日阴有
小雨，23日清晨出现霜冻。其中以15日霜冻最强，地面最低温度低于0 ℃的持续时间也最长（约5 h），日最低气温创1982年以来历史同期次极值，同时也是当地有气象记录以来出現时间最晚、最为严重的低温冷冻天气过程，致使全市农作物大面积受灾。
1.2 灾情
2016年5月甘肃省金昌地区共出现3次霜冻，分别在2、15、23日，以15日强度最大，造成的危害也最为严重。据统计，15日强霜冻致使全市1县1区12个乡镇134个村32 188户111 908人受灾，农作物受灾面积28 792.21 hm2，成灾面积16 376.8 hm2，绝收面积3 878.5 hm2，受影响农作物有玉米、油菜、葵花、洋芋、辣椒、大豆、小麦、大麦、胡麻、娃娃菜、葫芦、胡萝卜、苜蓿、西甜瓜、万寿菊、葡萄、南瓜等，直接经济损失约24 511.5万元；23日当地再次出现霜冻，永昌县新城子、红山窑等6个乡镇41个村723户2 524人受灾，农作物受灾面积1 801.3 hm2，成灾面积1 138.0 hm2，绝收面积217.4 hm2，此次灾害共造成直接经济损失1 405.2万元。 2 霜冻的分类及其影响条件
2.1 霜冻的分类
霜冻按其形成的原因可分为平流霜冻、辐射霜冻、平流-辐射霜冻3种；按季节划分又可分为秋季霜冻（早霜冻）、冬季霜冻和春季霜冻（晚霜冻）3种[4-6]。相关研究表明，新疆脊前高空冷平流降温、地面晴空辐射降温或2种降温的混合作用是引起河西走廊中、东部出现晚霜冻的主要原因[7-8]。2016年金昌地区出现的霜冻2次为平流-辐射霜冻，1次为平流霜冻，其中以5月15日出现的霜冻强度最大。
2.2 霜冻的影响条件
一般而言，天气条件、自然地理条件及下垫面的性质对霜冻天气有较大影响[6]。霜冻发生的一般天气特点是：温度显著下降的寒冷夜晚，天空晴朗少云，风力较弱，这样的天气特点使得地面有效辐射增大，地表冷却加快，地温下降显著，最易出现霜冻。不同的地形、地势条件对霜冻的发生有很大影响，如洼地、 盆地出现霜冻一般较重，在山坡不同方位，霜冻出现轻重也常有不同。金昌地势自西南向东北倾斜，地形以山地、平原为主，西南部为山脉，中部地势平坦，土地肥沃，是主要农作物种植区，东北部除宁远、双湾绿洲外，其余则为戈壁、沙丘、荒漠和半荒漠草原，这样的地理条件较有利于发生霜冻。下垫面的性质对霜冻也有一定影响，地表湿度、疏松度、植物密度、防风林、大区域的水面等均对霜冻的发生有不同程度的影响，如湿度小、疏松的地表，因其热容量、导热率小，致使白天蓄热少，夜间散热快，故较易发生霜冻[3，6]。
3 环流形势分析
3.1 500 hPa环流形势
4月下旬～5月上旬，欧亚中高纬度地区气流呈多波动纬向型，5月中旬前期，亚洲上空为1槽1脊型，即乌拉尔山脊、东亚宽槽，宽槽后部有一冷舌，乌拉尔山脊西侧有一暖舌，存在较大的正负24 h变高差，促使乌拉尔山高压脊和东亚宽槽不断发展，14日08：00温度梯度加大，锋区加强（图1a）；至14日20：00，宽槽东移加深并与南面高原槽重合，高空槽已东移至110°E 附近，槽后为一支强劲的偏北急流，有强冷平流，14日夜间至15日08：00（图1b），高压脊已控制甘肃西部、中部地区，天气转晴，加之风速较小，受平流-辐射降温的影响，出现强霜冻天气。5月中旬后期，欧亚中高纬度地区呈2槽1脊型，即乌拉尔山脊、欧洲槽和亚洲槽，但下旬前期，高压脊、高空槽不断减弱，至22日20：00，高空槽仍位于新疆东北部；23日08：00，金昌处于宽槽底部偏西北气流控制中，受前期阴雨天气及弱冷平流降温影响，仅部分乡镇出现了霜冻[7]。
3.2 地面要素
5月2和15日霜冻发生前后，海平面气压场经历了相似的变化过程，如13日08：00～14日20：00（图2），甘肃中部地区冷高压逐渐加强，中心值由1 010.0 hPa加强为1 022.5 hPa；冷高压前部有一强冷锋面，冷锋后中心24 h变温达-12 ℃，偏北风大，锋面前后最大温差为16 ℃，伴随着锋面过境，13日下午至夜间，河西地区出现大风天气，气温有所下降且长时间维持偏低；14日傍晚天气转晴，15日凌晨全市出现了强霜冻天气，此次霜冻主要是由冷平流和辐射降温共同影响所致，即冷平流导致前期剧烈降温，基础温度低，14日夜间金昌市处在冷高压之中或其后部，天气晴朗，几乎是静风或微风，辐射降温较强[9]。23日霜冻发生前后（21日08：00～23日08：00），海平面气压场一直维持在1 022.5 hPa左右，结合上面高空形势分析，此次霜冻主要由弱冷平流降温引起。
3.3 前期气候背景
2016年入春以来，金昌市3、4月平均气温较历史同期分别偏高1.6、1.9 ℃，降水量与历年同期比，3月偏多、4月偏少。分析2011～2015年3、4月逐旬温度（表2）可知，2016年3、4月各旬平均最高、最低气温均高于
近5年均值，尤其是4月上旬平均最高气温为18.3 ℃，高于历史均
值3.2 ℃，说明3和4月影响金昌的冷空气势力较弱，前期温度偏高促使2016年春农事活动普遍提前，农作物生长发育期也随之提前，抵抗低温冻害的能力则相应变差[2]。
4 卫星云图分析
从FY-2E卫星云图可以看出，14日00：30（图3a），金昌处在冷锋后部锋面云系控制之中，云系快速东移，至15日00：30（图3b），冷锋云系东移约15个经距，已移过河套地区，甘肃西、东部受地面冷高压控制，为晴空区，近地面辐射降温强烈。22日夜间，冷锋云系移速相对较慢，且后面不断有新的对流云团补充，致使近地面辐射降温较弱，故冷平流降温起主导作用。
5 数值产品预报效果检验及预报着眼点
5.1 ECMWF产品
欧洲中心数值预报产品对这3次霜冻天气预报比较准确，在一周的滚动形势预报中，准确预报出了5月2、15、23日低槽东移出境的大概时间，如一周的趋势预报，14日20：00新疆高压脊强烈发展并控制甘肃金昌地区，这与实况形势演变基本一致，体现了欧洲中心数值预报产品比较强的预报能力[10]。
5.2 T639预报产品
T639的500 hPa形势预报也比较准确地报出了这3次霜冻天气，其一周的滚动形势预报与欧洲中心产品一样，在低槽东移出境的时间预报上更加精细化；同时，其对温度的精细化预报能力也比较突出，通过这3次霜冻天气检验，T639细网格2 m温度场最低气温预报虽然与实况有所偏差，但对准确预报霜冻、做好气象服务还是具有较强的指示意义[10]。
5.3 预报着眼点
通过这3次霜冻天气分析，进一步明确了影响甘肃中部金昌地区的霜冻一般出现在较强冷空气活动之后，因此，判断冷空气的强度和其过后天气转晴的时间是准确预报霜冻的关键，应主要从以下几方面着眼考虑[11]：
①关注500 hPa槽、脊移动、发展和演变情况，判断未来是否有强冷空气影响该地区，致使该地区出现霜冻。
②当判断未来有影响该地的强冷空气出现时，应结合海平面气压场中冷高压的强度和中心位置来确定冷空气的强度。
③依据上游区域500 hPa高空槽（包括横槽 ）与温度槽的配置情况，同时结合槽后偏北大风的分布，确定高空冷平流的强度。
④冷高压与霜冻密切相关，当冷高压控制该地区时，天气转好，到夜晚风停云散后，地面辐射降温加剧，形成平流-辐射霜冻。因此，判定阴雨（阴天）什么时间结束、天气何时转晴，才能对霜冻出现的时间、强度进行成功的预报。
6 小结
（1）2016年5月金昌地区出现的3次霜冻，前2次（2、15日）为平流-辐射霜冻，均是因高压脊强烈发展，脊前强劲偏北急流引导强冷空气向南暴發，先造成强降温天气，继而因冷高压控制下天气转晴，辐射降温加剧，两者共同作用形成平流-辐射霜冻，这种霜冻造成的危害更大；后1次（23日）为平流霜冻，是由于平流降温引起，深厚的冷空气和强冷平流是造成温度急剧下降的主要原因。
（2）持续的阴雨（阴天）、低温天气为霜冻、冻害的发生提供了有利条件。金昌地区5月1日小雨、11～13日持续多云、20～22日阴有小雨，其中后2次过程霜冻、冻害天气同时发生。
44卷25期 宋旺昌等 甘肃中部金昌地区3次霜冻天气分析
（3）前期气候分析表明，前期气温异常偏高促使农作物生长发育期提前，抵抗低温冻害的能力减弱。
（4）霜冻多发生在天空晴朗少云、风力较弱、温度显著下降的寒冷夜晚。
（5）欧洲中心和T639形势场及其细网格温度场预报对霜冻天气预报具有较好的指示性。
参考文献
[1] 冯玉香，何维勋.霜冻的研究[M].北京：气象出版社，1996.
[2] 王锡稳，孙兰东，张新荣，等.甘肃春季一场罕见强霜冻、冻害天气的分析[J].干旱气象，2005，23（4）：7-11.