云南冬季强降温过程冷空气路径及大气环流差异

姚 愚，晏红明

(云南省气候中心，云南 昆明 650034)

冷空气过程是中国冬季的主要灾害性天气，根据《中华人民共和国国家标准：冷空气等级》（GB/T 20484—2017）[1]的规定，依据各测站日最低气温及其降温幅度，将冷空气过程划分为弱冷空气、较强冷空气、强冷空气和寒潮4 个等级，其中强冷空气和寒潮等级的冷空气过程，由于降温幅度大、持续时间长、波及范围广，对农牧业生产、交通运输、基建设施运维及医疗健康等有重大影响.气象工作者对冷空气过程的源地、形成机理和活动规律等进行了深入研究.陶诗言[2]把45°—65°N，70°—90°E 范围作为寒潮关键区，冷空气在此聚集加强后南下影响中国大陆.仇永炎等[3]等通过对寒潮天气的物理过程分析，形成寒潮天气的预报思路.郭其蕴[4]、武炳义等[5]、陈海山等[6]、梁苏洁等[7]以及其它一些研究[8-9]表明中高纬环流异常对入侵东亚的冷空气强度、路径、影响范围和持续时间等产生影响.近年来康志明等[10]、王遵娅等[11]、李峰等[12]、钱维宏等[13]的研究发现，在气候变暖的背景下，近50 年全国性的寒潮频次显著减少，但中国幅员辽阔，各地地理和气候条件差异很大，针对中国不同地域的研究表明，各地不同强度等级的冷空气活动频次变化趋势不尽相同，部分地区强冷空气和寒潮发生频次在增多[14-18].

云南地处青藏高原东南侧低纬度地区，境内地形复杂、海拔高差大，冬季影响云南的冷空气过程无论从路径、强度和环流形势等方面与中国其它地区差异较大，例如冷空气过程对云南日平均气温降幅较日最低气温降幅明显，降温标准也低于全国标准[19-23].以往研究[24]从引发冷空气过程的天气系统位置和移动上对冷空气路径进行分类，认为冷空气进入云南主要有3 条路径：第1 条为东北路径，冷空气主力翻过秦岭到达四川盆地或贵州后，由滇东北进入，占总数63%；第2 条为偏东路径，冷空气主力偏东进入华南一带，产生回流天气，由滇东南进入，占总数28%；第3 条为西北路径，冷空气由青藏高原东南部翻过横断山，由滇西北进入，占总数9%.冷空气过境必然会引起测站地面气象要素如气温、气压、风等的剧烈变化，冷空气等级国家标准就是根据气温降幅判定的，故本文选由地面测站日平均气温的变化确定冷空气入侵云南的路径，并研究当冷空气取不同路径入侵云南时，对云南不同区域地面气温降温幅度和影响范围的差异，以及不同路径冷空气所对应大气环流特征的差异，这些问题在以往研究中报道较少.对这些问题的深入研究，有助于提高对云南冷空气过程活动规律和成因的认识，为预报和防灾减灾提供切实可靠的科学依据和参考.

1 资料与方法

本文所用资料包括：①1961—2021 年云南125 个测站的日平均气温资料；② 1961—2021 年NCEP/NCAR 逐日再分析资料，所选要素包括500 hPa 位势高度场、700 hPa 的U风场和V风场，海平面气压场、200 hPa 的U风场，水平分辨率为2.5°×2.5°.

本文的冬季定义为12 月1 日—次年2 月28/29 日，多年气候平均值时段为1991—2020 年.本文所用方法主要是合成分析，显著性检验采用t分布的统计检验[25].

2 判定云南冬季强降温过程的冷空气活动路径

2.1 确定云南强降温过程以往研究发现[19-20]，云南冬季冷空气活动主要有气温骤降型和持续低温型两类，本文主要考虑气温骤降型冷空气过程.根据《中华人民共和国国家标准—冷空气等级》(GB/T 20484—2017)[1]中关于冷空气强度的划分标准，并结合《云南省天气预报员手册》[24]中寒潮标准的定义，按不同降温幅度标准，将冷空气对云南的影响等级分为一般冷空气、强冷空气和寒潮3 类，具体定义见表1.由于影响云南东北部地区的冷空气强度比云南其它地区偏强，因此针对云南东北部地区的降温幅度等级标准与其他地区不同，云南东北部地区指云南的昭通和曲靖两市所辖测站.

按照表1 标准，统计1961—2020 年云南冬季逐日平均气温降幅达到强冷空气或寒潮标准超过20 个站次的日期称为强降温日，若相邻2 d 降温幅度达到强冷空气和寒潮标准均超过20 个站次，则认为是同一次冷空气过程，只记录前1 d，这样共得到95 个云南冬季强降温日，分别对应95 次云南冬季强降温过程.

2.2 确定冷空气路径由于冷空气主要从云南的东部和北部入侵，将冷空气进入云南的可能区域划分东北、东南、北部和西北4 个区域[图1（a）].东北区域包括昭通、曲靖中北部的16 个测站，东南区域包括曲靖南部、文山的11 个测站，西北区域包括怒江中北部、迪庆、丽江中东部和大理北部的10 个测站，北部区域包括楚雄北部、昆明北部和丽江东南部的6 个测站.由于冷空气对云南东部和北部边缘地区的影响最早，可较强降温当日（本文用0 d 表示，下同）提早2 d 开始，因此首先考察上述区域超前强降温日2 d 至强降温0 d 共计3 d逐日的区域平均变温特征，表2 给出了4 个区域在95 次强降温过程期间逐日日平均气温24 h 变温平均值.

图1 判定强降温过程冷空气进入云南的4 个区域和4 种冷空气路径示意图Fig.1 Four regions of cold air entering Yunnan during the strong cooling process and sketch of four paths of cold air

表2 云南冬季95 次强降温过程期间各区域日平均气温24 h变温平均值Tab.2 Average value of daily average temperature variation in various regions during 95 strong winter cooling processes in Yunnan ℃

由表2 可知，东北区域和东南区域在超前强降温日2 d 至强降温0 d 持续出现负变温，而西北和偏北区域在超前强降温日2 d 仍为正变温.东北区域在超前强降温日1 d 时降温幅度最大，其余3 个区域均在强降温0 d 降温幅度最大.西北区域降温幅度较其他区域明显偏小，过程期间逐日变温的标准差也较其它区域偏小，表明西北区域在强降温过程期间气温变化不及其它区域剧烈.根据每次强降温过程中各区域逐日变温情况，按“降温幅度大或降温时间早”的原则，判断每次强降温过程冷空气进入云南的路径.

2.2.1 按降温幅度判断 首先按降温幅度判断强降温过程的冷空气路径.由于表2 中西北区域强降温过程期间降温幅度均小于-1.0 ℃，为剔除气温正常的日波动影响，对西北区域而言，若强降温过程期间某日降温幅度小于表2 中对应的日变温均值减去2 倍变温标准差，则认为该次强降温过程冷空气经过西北区域.对其它3 个区域，若某个区域过程期间日最大降温幅度超过其它2 个区域，且其它2 个区域过程期间逐日降温幅度均小于表2 中各自相应的变温，则认为该次强降温过程冷空气由该区域进入云南，也称为该路径的强降温过程，若冷空气经北部区域时称偏北路径.若东北区域和东南区域日最大降温幅度均超过北部区域，且北部区域过程期间逐日降温幅度均小于表2 中相应的变温，则认为该次强降温过程冷空气同时经过东北区域和东南区域，称为偏东路径的强降温过程.

2.2.2 按降温时间判断 若按降温幅度无法判断路径，则按降温出现时间的早晚判断.由于在日常天气预报业务中，对气温的预报值在实况值±2.0 ℃范围内为正常波动，因此本文以-3.0 ℃作为降温的判断标准.在超前强降温日2 d，若某区域降温幅度小于表2 中相应变温均值和-3.0 ℃的较小值，且其它区域不满足该条件，则认为该次强降温过程冷空气经过该区域，称为该路径的强降温过程，若冷空气经北部区域时称偏北路径.若东北区域和东南区域同时满足该条件，则认为该次强降温过程冷空气同时经过东北区域和东南区域，称为偏东路径的强降温过程.若超前强降温日2 d 降温数据无法判断冷空气路径，则逐次利用超前强降温日1 d 和强降温0 d 数据来判断.

2.3 逐次判定云南冬季强降温过程冷空气路径按以上判定规则，对95 次云南冬季强降温过程冷空气路径逐次进行判定，最后结果为东北路径19 次，东南路径13 次，偏东路径43 次，偏北路径20 次，以上4 种路径互不重合包含，分别占总站次的20.0%、13.7%、45.3%和21.0%.值得说明的是，偏北路径在文献[24]中虽并未提及，但张云瑾等的研究[26]明确指出影响云南的冷空气过程中存在偏北路径.此外西北路径也出现了9 次，但这9 次过程均与以上4 种路径之一重合（图略），没有一次云南强降温过程是冷空气仅经由西北区域单独造成的，且由表2 冷空气在西北区域造成的负变温最弱，故以下分析仅探讨东北、东南、偏东和偏北4种冷空气路径的特征.图1（b）给出影响云南强降温过程的4 种冷空气路径示意图.

Dochy等人和Gijbels等人都就问题导向式学习(PBL)有效性的元分析得出了研究结果。这些结果也显示了PBL在技能上的影响是积极的，而它在知识上的影响则是负面的。综合结果表明了问题导向式学习整体上具有负面影响。Gijbels等人在衡量问题导向式学习效果时建议认真考虑评估方式。

3 不同路径冷空气对云南气温变化的影响

计算1961—2020 年云南冬季4 种不同路径的95 次强降温过程在强降温0 d 及其前后各1 d的日平均气温24 h 降温幅度（前1 d 减去后1 d），以揭示不同路径冷空气对云南日平均气温影响差异.表3 给出了云南125 个测站在不同路径的冷空气影响下，不同变温幅度所包含的测站数，可以看出，东北路径冷空气降温幅度在4 种路径中最剧烈，强降温0 d 气温降幅在-6.0 ℃以上的测站有27 个，在4 种路径中最多；偏东路径和偏北路径在强降温0 d 不同幅度的降温站次大体相当；东南路径冷空气对云南降温影响最弱，强降温0 d 气温降幅在-4.0 ℃以上的测站只有27 个，其中气温降幅超过-6.0 ℃的测站只有1 个，在4 种路径中最少.

表3 云南冬季强降温过程不同路径冷空气对125 个测站日平均气温不同幅度变温所包含测站数Tab.3 Number of stations of different temperature-dropping scales of daily average temperature of 125 stations affected by cold air of various paths during strong winter cooling process in Yunnan

图2 给出了1961—2020 年冬季4 种不同冷空气路径的强降温过程期间，强降温0 d 及前后各1 d 共计3 d 的日平均气温24 h 变温合成的空间分布.图中0 d 代表强降温当日，-1 d 和+1 d 分别代表超前或滞后强降温当日1 d（下同）.由图2 可以看出，东北路径强降温过程在超前强降温日1 d 时云南中部和西部地区为弱变温，变温幅度在±2.0 ℃以内，东部地区为负变温，其中22 个测站降温在-2.0 ℃以上，降温中心在昭通南部和曲靖北部，鲁甸、会泽降温幅度最大达-4.9 ℃，表明冷空气由东北区域进入云南.强降温0 d，云南全省均为负变温，中部和东部地区降温幅度较大，全省51 个测站降温幅度超过-4.0 ℃，其中27 个测站降温超过-6.0 ℃，马龙降温幅度最大为-7.8 ℃，是4 种路径中降温幅度最大、范围最广的一类.滞后强降温日1 d 时，云南东部地区开始升温，西部和南部地区仍为负变温.

图2 云南冬季不同路径强降温过程期间日平均气温24 h 变温合成Fig.2 Synthesis of 24-hour variation of daily average temperature during winter cooling processes in Yunnan

东南路径强降温过程在超前强降温日1 d 时云南大部为负变温，东部地区降温幅度较大，有15个测站降温幅度超过-2.0 ℃，负变温的强度较东北路径小，但负变温范围在4 种路径中最大；强降温0 d 全省27 个测站降温超过-4.0 ℃，主要分布在昆明南部、玉溪东部和红河州北部，范围和强度在4种路径中最小，负变温中心在建水为-6.1 ℃，位置较东北路径偏南，反映了冷空气主要来自东南区域.滞后强降温日1 d 时昆明及以东地区转为正变温，西部地区仍为弱负变温.

偏东路径强降温过程在超前强降温日1 d 时云南中东部大部为负变温，东部地区有25 个测站降温幅度超过-2.0 ℃，降温范围较东北路径略大，有2 个降温中心：1 个位于昭通南部和曲靖北部，该中心位置与东北路径相同；另1 个中心位于曲靖南部和文山北部.强降温0 d 全省有38 个测站降温幅度超过-4.0 ℃，其中13 个测站降温幅度超过-6.0 ℃，分布在曲靖西部和文山中部，砚山降温幅最大为-7.1 ℃，反映出冷空气从东北区域和东南区域同时进入云南.滞后强降温日1 d 时昆明及以东地区转为正变温，云南西部和南部地区仍为弱负变温.

与其它3 种路径的强降温过程在超前强降温日1 d 时变温梯度呈东西向分布不同，偏北路径在超前强降温日1 d 时变温梯度呈南北向分布，这与张云瑾等[26]的研究结论一致，全省9 个测站降温幅度超过-2.0 ℃，在4 种路径中范围最小.强降温0 d 全省35 个测站降温幅度超过-4.0 ℃，分布在从昆明—楚雄的北部向南延伸至红河州北部，表明冷空气由北部区域进入云南，其中10 个测站降温幅度超过-6.0 ℃，呈贡降温幅度最大为-7.3 ℃.滞后强降温日1 d 时，云南中东部地区为正变温，西部和南部地区为负变温.

4 不同路径强降温过程的大气环流差异

4.1 500 hPa 位势高度场图3 给出了1961—2020 年冬季4 种路径的强降温过程在超前强降温日2 d 至滞后1 d 逐日500 hPa 位势高度场合成图.由图3 可以看出，云南强降温的发生均与东亚沿海岸地区的负高度异常以及加深的东亚槽密切联系，同时与欧亚中高纬度地区的波列变化密切相关，但异常波列正负高度距平中心的强度和位置有所差异.①东北路径在超前强降温日2 d 时欧亚中高纬度地区为“负-正-负-正”的高度距平异常波列，负高度距平中心分别位于北大西洋北部和贝加尔湖—印度地区，贝加尔湖—印度的低压槽为近于东北—西南向的横槽，正高度距平中心分别位于乌拉尔山脉附近和东亚沿海—西北太平洋，乌拉尔山正高度距平区的强度和范围在4 种路径中为最强最大，副高呈块状位于中南半岛南部至西太平洋，面积在4 种路径中最小；随后两天，欧亚大陆中高纬距平异常波列东移，贝加尔湖—印度的低压槽东移转竖近于南北向，槽底南压加深.秦剑等[19]研究发现转竖的横槽对云南的降温效果更加显著，这也与本文前述分析中指出的东北路径强降温过程对云南的降温幅度最剧烈结论一致.滞后强降温日1 d时，中高纬度距平异常波列继续东移，强度有所减弱，东亚槽东移至日本海附近，副高略有增强.②东南路径在超前强降温日2 d 时，欧亚中高纬度为“负-正-负”的异常波列，波列的结构形势不如东北路径时的显著，正高度距平中心位置并不在乌拉尔山地区，而是偏东至贝加尔湖以西地区的西西伯利亚平原，副高呈带状位于非洲东部至西太平洋地区；超前1 d 时，西西伯利亚平原的正高度距平异常区域向东扩展，并与鄂霍茨克海附近的正高度距平区相连，此时在东亚中高纬度地区从北向南出现了类似于“负-正-负”的经向波列.晏红明等[27]研究发现东亚中低纬度地区北高南低的高度场配置有利于冷空气的南压.在强降温0 d，副高减弱断裂，东亚槽发展至最强，但由于负距平区呈东西向分布，槽底形状较宽广，对云南降温影响最弱.③偏东路径时，从欧洲—西北太平洋地区为“负-正-负-正”的异常波列，负高度距平区分别位于巴伦支海和青藏高原—蒙古高原，正高度距平区分别位于西西伯利亚和西太平洋地区，欧亚大陆西北—东南向的波列结构特征比较显著.与东北路径比较，东亚横槽转竖特征不明显.另外值得关注的是，偏东路径时副高呈带状分布，强度和面积在4 种路径中最强最大.④当冷空气偏北路径影响云南时，欧亚中高纬度地区同样呈现出“负-正-负”的波列结构，类似于东北路径时中高纬度的异常波列，但正负高度距平中心的强度偏弱，东亚槽横转竖特征也不如东北路径明显，西太平洋地区为负高度距平，不利于副高加强.

综上，云南强降温过程的不同冷空气路径与欧亚中高纬异常波列以及相关的东亚槽、西太副高等天气系统变化发展密切联系，波列结构、分布形式和天气系统的强弱变化，导致了不同路径强降温过程对云南气温变化的影响差异.

4.2 海平面气压和700 hPa 距平风场冬季西伯利亚高压和700 hPa 偏北气流的位置和强度，决定了冷空气影响云南的时间和程度.图4 为1961—2020 年冬季云南4 种路径的强降温过程在超前强降温日2 d 至滞后1 d 逐日的海平面气压和700 hPa距平风合成图，填色图为海平面气压距平，绿色点状区域表示海平面气压距平通过95%信度检验；矢量箭头为风场距平，黑色方框为40°～60°N、70°～120°E 的范围，文献[28]采用该范围为西伯利亚高压的监测区域.由图4 可以看到4 种路径的强降温过程均与西伯利亚高压向南移动发展有关.在超前强降温日2 d 时，4 种路径均表现出贝加尔湖以西的西伯利亚地区有显著的海平面气压正距平区，对应较强的西伯利亚高压，同时700 hPa 上有较强的反气旋距平环流，东北路径对应的西伯利亚高压最强，700 hPa 上反气旋距平环流也最强，东南路径对应的西伯利亚高压和700 hPa 反气旋距平环流最弱，偏东路径和偏北路径介于二者之间.随后两天海平面气压正距平区向东南扩展，700 hPa 上在朝鲜半岛附近有气旋距平环流生成.在强降温0 d，中国华东至华南转为较强的海平面气压正距平，700 hPa 上朝鲜半岛的气旋距平环流发展到最盛，其西侧的偏北风距平也达到最强.值得注意的是，东北路径和偏东路径在日本附近海平面气压有较强负距平区发展，在强降温0 d 700 hPa 朝鲜半岛气旋环流强度较强，尤以东北路径气旋距平环流最强，其西侧700 hPa 上偏北风距平范围和强度也最强，导致东北路径冷空气对云南降温的影响最为剧烈.偏北路径和东南路径在日本附近的海平面气压负距平区较弱，对应的700 hPa 朝鲜半岛附近的气压距平环流及其西侧的偏北气流也相对较弱.

图4 云南不同路径强降温过程在超前强降温日2 d 至滞后1 d 逐日海平面气压距平及700 hPa 风场距平合成Fig.4 Synthesis of sea level pressure anomaly and 700 hPa wind anomaly during strong cooling process of various paths in Yunnan from 2 days ahead to 1 day behind strong cooling day

综上，云南冬季4 种路径强降温过程所对应的西伯利亚高压、日本附近低压强弱和700 hPa 风场配置各不相同，致使不同路径冷空气对云南气温降幅的影响存在差异.

4.3 200 hPa 纬向风距平场很多研究表明，对流层上层的西风急流变化与东亚冬季风和冷空气活动有密切联系.Yang 等[29]发现冬季西太平洋急流（30°～35°N，130°～160°E）增强时，东亚冬季风和冷空气活动加强，地面温度降低.况雪源等[30]发现热带西风急流与冬季风具有正相关关系，而高纬度的200 hPa 纬向风和冬季风具有负相关关系，即副热带急流越强、高纬度地区纬向风越小，冬季风越强.叶丹等[9]研究表明东亚副热带急流（East Asian Subtropical Westerly Jet Stream,EASJ）和东亚温带急流（(East Asian Polarfront Jet,EAPJ）强度的不同配置对影响中国冷空气源地、路径、强度和持续时间的作用不同.那么，云南冬季不同路径强降温过程的西风急流特征有何差异？图5 给出了云南冬季4 种路径强降温过程在超前强降温日2 d 至滞后1 d 逐日200 hPa 纬向风距平场合成图，可以看出，强降温过程期间，4 种路径东亚200 hPa 纬向风距平从高纬至低纬均呈“正-负-正-负”的距平分布，这与陶云等[22]的研究结论一致.大于30 m/s 的纬向风主要分布在20°～40°N 范围内.不同路径冷空气沿急流轴及其附近的正负距平区分布形态各不相同.4 种路径中，东北路径急流轴附近的正负距平区强度最强，在超前强降温日2 d 时青藏高原及以东有显著正距平区，其西北侧贝加尔湖至巴尔喀什湖间有显著负距平区，随着降温过程发展，急流中心和正负距平区东移减弱.东南路径时正距平区沿急流轴呈东西带状分布，其北侧为负距平区，但正负距平区中心强度较弱.偏东路径时，急流轴西侧青藏高原及以西为正距平区，急流轴东侧西太平洋为负距平区，整个过程期间维持西正东负的形势.偏北路径正距平区沿急流轴分布，其南北两侧为负距平区，随后正距平区分裂为2 块，西边1 块在印度北部，东边1 块在西太平洋上.

图5 云南不同路径强降温过程在超前强降温日2 d 至滞后1 d 逐日200 hPa 的纬向风场及距平场合成Fig.5 Synthesis of zonal wind anomaly field of 200 hPa during strong cooling process of different paths in Yunnan from 2 days ahead to 1 day behind strong cooling day

5 结论

（1）东北路径强降温过程对云南降温幅度影响最剧烈，影响空间范围最广；偏东路径出现频率最高，与偏北路径在降温幅度和影响范围上较为接近；东南路径降温幅度和影响范围最弱，出现频率最低.

（2）500 hPa 位势高度场上，东北路径欧亚大陆正高度距平异常区域的强度和面积最强最大，东亚横槽转竖特征最明显.偏东路径和偏北路径正高度距平异常区强度和面积弱于东北路径，东亚槽转竖特征也不明显.东南路径在东亚正负高度距平异常区呈南北向分布，东亚槽底部较宽广.东北路径副高呈块状面积最小，其它3 种路径副高则呈带状，偏东路径副高面积最大.

（3）超前强降温日2 d 时，东北路径对应的西伯利亚高压和700 hPa 反气旋距平环流强度最强，东南路径最弱，偏东路径和偏北路径介于二者之间.随后，东北路径和偏东路径在日本附近有较强海平面气压负距平区发展，700 hPa 上朝鲜半岛有较强气旋距平环流生成，其西侧较强的偏北气流引导冷空气进入云南；东南路径和偏北路径的上述环流特征均较弱.

（4）东亚200 hPa 纬向风距平上，大于30 m/s的纬向风主要分布在从20°～40°N 纬圈范围内.东北路径在急流轴附近正负距平区强度在4 种路径中最强.偏东路径沿急流轴距平呈西正东负的分布.东南路径正负距平区强度最弱，负距平区主要分布在急流轴北侧.偏北路径正距平区沿急流轴分布，负距平区分布在急流轴南北两侧.