1 引言
寒潮天气过程是一种大范围的强冷空气活动， 寒潮的出现往往会伴随着降温、大风， 甚至是雨、雪或者霜冻等天气现象的发生（张备等， 2014； 韦志刚等， 2019）。寒潮的本质是冷空气在源地不断堆积， 继而在有利的环流背景下向南爆发的天气过程（于波等， 2019， 康志明等， 2010）。目前寒潮的研究主要针对其预报进行， 包括冷空气的源地和移动路径（张培忠和陈光明， 1999； Ding， 1990）、冷空气的酝酿和爆发（童金等， 2019； 张林梅等， 2010； 王遵娅和丁一汇， 2006）以及数值模拟实验（李崇银和肖子牛， 1993）等。寒潮冷堆指寒潮的冷空气堆， 在500 hPa温度场上表现为明显的冷中心， 东亚寒潮过程中常常出现500 hPa寒潮冷堆在南下过程中温度降低的现象（陆光明等， 1983）， 对于寒潮冷堆增强的原因， 陶诗言（1959）认为与辐射冷却有关， 而Riehl and Jr（1953）， 陆光明等（1983）和赵其庚（1990）则研究认为绝热冷却起了重要作用。本文选取2018年1月上旬的一次寒潮过程进行研究， 分析寒潮过程中绝热冷却对寒潮冷堆增强的作用。
一个空气块的绝热冷却与其上升运动有关， 空气的上升运动会导致绝热膨胀引起局地的温度降低， 而许多研究表明空气的上升运动又往往与天气系统有关（张芳丽等， 2020； 何光碧等， 2019）。例如， 高空急流能引起横向次级环流， 在入口区存在正环流， 在出口区存在反环流， 这些正环流和反环流存在上升支（高守亭和陶诗言， 1991； 李长青和丁一汇， 1989）。而寒潮常与高空急流相联系（李艳等， 2018； 冉令坤等， 2005； 高守亭和丁一汇， 1992）， 因此寒潮冷堆的增强可能与高空急流次级环流的上升支有关（谢安等， 1992）。此外寒潮冷堆往往与冷涡和槽相对应（Meral， 2017）， 寒潮过程中系统的演变往往带来涡度的变化， 因此可以从位涡守恒角度考虑绝对涡度变化带来的空气柱拉长与收缩。Hoskins et al（1985）提出等熵位涡的意义和分析方法； 此后位涡理论在气旋、锋面等领域得到了广泛的应用（刘金卿和李子良， 2020； 裴坤宁等， 2019； Binder et al， 2016； Gwendal et al， 2016； Shellie and Matthew， 2016）。陶祖钰和郑永光（2012）认为等熵位涡能反应极地气团的活动情况， 适用于冬季中高纬度和极区的天气； 丁一汇和马晓青（2007）利用位涡研究了寒潮天气过程， 发现可以用位涡守恒的特性来追踪寒潮演变的重要特征； 田秀霞和寿绍文（2013）利用等熵位涡分析了两次强寒潮过程， 发现寒潮爆发时， 等熵面上高层高位涡向下和向南传播， 导致强冷空气在垂直方向向上拉伸， 正涡度增强； 谢瑞青等（2019）发现高位涡向南向下传输， 其后侧有强烈的下沉运动， 使得地面冷高压快速发展， 导致强寒潮天气的爆发。本文从高空急流以及位涡守恒角度分析寒潮冷堆上升运动的可能成因。
2 资料选取和方法介绍
利用ECMWF的0.75°×0.75°逐6 h再分析资料集对2016年2月14日的寒潮冷堆增强过程进行分析， 主要考虑热力学方程中上升运动导致的绝热冷却在此次寒潮过程中对500 hPa寒潮冷堆增强所起的作用， 并进一步从高空急流次级环流以及位涡守恒角度分析上升运动的成因。所用的p坐标系下热力学能量方程如下（吕美仲和彭永清， 1990）：
式中： T为温度； ； 为p坐标系垂直速度； 为位温； 为非绝热加热； 为定压比热容。方程中有下划线的项即： 垂直运动引起的绝热增温（冷却）项， 为本文的主要分析对象。由于大气一般是静力稳定的， 因此有 ， 垂直运动的方向决定了大气是冷却还是增温， 对于上升运动而言， ， ， 表明上升运动会引起空气的绝热冷却； 相反， 对于下沉运动而言， ， ， 表明下沉运动会引起空气的绝热增温。
等熵位涡在绝热无摩擦大气中是守恒的， 冬季， 大气环境较为稳定， 凝结潜热释放少， 等熵位的涡守恒性持续时间较长， 因此可以根据等熵位涡的守恒性来追踪冬季寒潮（丁一汇等， 2007）， 等熵位涡垂直分量 的表达式为
式中： g为重力加速度； 为等熵面相对涡度的垂直分量； 为牵连涡度； 为静力稳定度。分析时一般考虑315 K等熵面上的位涡分布， 对应中纬度地区的300~500 hPa高度， 静力稳定情况下寒潮冷中心一般对应低涡系统， 表现为正的相对涡度， 因此寒潮冷堆与高位涡对应。
在位涡守恒情况下， 考虑绝对涡度变化对空气柱的影响， 有
式中： 为相对涡度， 当槽加深时， 相对涡度增加； 为牵连涡度， 当冷堆南下时， 牵连涡度减少； h为空气柱厚度。随着寒潮冷空气向南运动， 牵连涡度减少， 而相对涡度有可能增加也有可能减少， 因此需要考虑绝对涡度 的变化， 若绝对涡度增加， 为保持位涡守恒， 对应有气柱抬升， 空气绝热冷却， 冷空气更加深厚； 若绝对涡度减少， 对应气柱高度降低， 空气绝热增温， 冷空气则变得浅薄。
文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS2016（2956）的世界地图制作， 底图无修改。
3 寒潮天气过程分析
3.1 寒潮冷堆增强过程简介
2016年2月11 -14日出现了一次寒潮天气过程， 值得注意的是， 14日06:00（世界时， 下同） -18:00寒潮冷堆存在一个明显的增强过程， 从500 hPa天气形势（图1）中可以看到， 14日06:00 60°N以北存在有大团的冷空气， 并有低压中心与之配合， 环流形势总体呈现经向型， 而在低压系统以南的槽区， 有部分冷空气向南延伸， 并出现低压中心与之配合， 随着这团冷空气向东南方向运动， 造成了此次寒潮天气过程。分析此次寒潮冷堆增强过程中冷堆的运动与强度， 可以发现寒潮冷堆位于128°E， 49°N附近， 冷堆500 hPa最低温度达到-44.8 ℃。而到了18:00， 寒潮冷堆向东南方向移动到132°E， 47°N附近， 冷堆中心落后于低压中心， 随着冷堆中心不断向东南方向运动， 冷堆强度有明显的增强， 冷堆500 hPa最低温度达到-48.0 ℃。
3.2 寒潮过程等熵位涡分析
分析寒潮冷堆增强期间315 K等熵面上位涡和风场分布（图2）， 高位涡中心对应气旋式环流， 低位涡中心对应反气旋式环流。在14日06:00［图2（a）］， 环流的径向分布明显， 110°E， 55°N表现为低位涡区域， 对应对流层高层的高压系统， 低位涡中心主要受偏北风影响， 将低位涡向南输送。而在120°E以东则为高位涡区域， 对应高空的冷空气和低压系统。128°E， 49°N位置存在有6 PVU的高位涡中心， 对应此次过程中寒潮冷堆所在， 该高位涡中心主要受西北气流影响， 将高位涡向东南方向输送， 位涡的输送方向与寒潮冷堆的移动方向一致。18:00［图2（b）］的低位涡区域主要分布在125°E以西的位置， 且与06:00相比， 低位涡中心存在明显南压。此时寒潮冷堆所在的132°E， 47°N仍然对应有6 PVU的高位涡中心， 且高位涡区域与06:00相比有明显的增大， 寒潮冷堆范围增大。此时寒潮冷堆高位涡区域主要受西北气流影响， 将位涡继续向东南方向输送， 寒潮冷堆也继续向东南方向移动。
沿着寒潮冷堆对应的高位涡中心做等熵面上的垂直剖面（图3）可以看到， 14日06:00 49°E附近有深厚的高位涡柱， 高层高位涡下传到对流层低层， 高位涡柱位于高空急流以北， 高位涡柱所在位置等位势高度面呈现上凸下凹的形状， 对应对流层低层的高压和对流层中、高层的低压系统。随着纬度的增加， 对流层等位势高度线上的温度总体呈逐渐降低的趋势， 且在寒潮冷堆位置所在的区域更有明显的降温， 对应的315 K高度上位涡强度维持有6 PVU的高位涡中心， 主要与800 dagpm等位势高度线相交， 而低层400 dagpm等位势高度线则主要与2 PVU的等位涡线相交。18:00， 寒潮冷堆高位涡柱南移到47°N附近， 表明寒潮高位涡柱的向南传播， 且此时寒潮冷堆仍旧位于高空急流以北， 其强度基本维持不变， 315 K高度仍存在有6 PVU强度的高位涡中心， 有400 dagpm等位势高度线与2 PVU等位涡线相交， 800 dagpm等位势高度线与6 PVU等位涡线相交。
图3 2016年2月14日等位势高度线（虚线, 单位： dagpm）、 急流（阴影, 单位： m·s-1, 风速大于40 m·s-1）、等熵位涡（实线, 单位： PVU）沿132°E的纬度-等熵面剖面Fig.3 The latitude-isentropic surface cross section of geopotential height (dashed line, unit： dagpm), jet stream (the shaded, unit： m·s-1, larger than 40 m·s-1), and isentropic potential vorticity (solid line, unit： PVU) along 132°E on 14 February 2016 |
总体来看， 位涡能较好地反映此次寒潮的演变过程， 315 K等熵面上寒潮维持有6 PVU的高位涡中心， 寒潮运动过程中保持位涡守恒， 随着寒潮冷堆的运动高位涡中心也有相应的移动。在垂直方向上， 寒潮冷堆区域高位涡下传到地面形成高位涡柱， 高位涡柱上的等位势高度面呈上凸下凹， 且400 dagpm高度主要与2 PVU的等位涡线相交， 800 dagpm高度主要与6 PVU的等位涡线相交， 随着寒潮的发展， 高位涡柱向东南方向移动， 移动过程中位涡保持守恒。
4 寒潮冷堆增强过程分析
分析绝热冷却在14日06:00 -18:00寒潮冷堆增强过程中所起的作用， 图4给出了500 hPa高度6 h负变温和计算得到的6 h绝热冷却分布。从图4中可以看出， 两者在降温的强度和位置都有较好的对应。考察500 hPa冷堆中心位置和加强情况， 06:00 -12:00以及12:00 -18:00绝热冷却对寒潮冷堆的增强都有明显影响， 绝热冷却作用对寒潮冷堆增强的贡献可以达到80%以上。由于绝热冷却与上升运动有关， 寒潮冷堆位置在向东南方向移动过程中存在有上升运动， 因此分析寒潮冷堆区域上升运动的成因。此次过程中寒潮冷堆附近存在高空急流， 考虑从高空急流次级环流角度分析上升运动的成因， 考察寒潮冷堆是否位于高空急流次级环流的上升支。同时前面的分析表明寒潮冷堆在增强过程中保持位涡守恒， 寒潮冷堆南下过程可能伴随有绝对涡度的变化， 因此也考虑绝对涡度变化对冷堆强度变化的影响。
4.1 高空急流次级环流
寒潮冷堆增强期间， 300 hPa高度上冷堆西侧和南侧都分别存在有高空急流， 图5（a）给出了14日12:00的300 hPa高空环流形势与500 hPa温度场的分布。从图5（a）中可以看到， 55°N以北的对流层高层存在冷低压系统， 该系统由极涡分裂而来， 寒潮冷堆位于49°N， 132°E附近的高空槽区， 在冷堆西部有一条近乎南北走向的高空急流， 强度相对较弱， 急流核风速达到40 m·s-1以上， 冷堆位于该急流出口区左侧； 此外， 在冷堆南侧还有一条东北-西南走向的高空急流， 该急流强度较强， 在120°E -140°E存在急流核， 急流核处风速可以达到60 m·s-1以上， 冷堆同样位于该高空急流出口区的左侧。从冷堆和两条高空急流的分布来看， 该冷堆可能受到两条高空急流的共同影响。
图5 2016年2月14日12：00 300 hPa高空急流（a, 阴影为急流风速, 单位： m·s-1, 等值线为位势高度, 单位： dagpm）和垂直剖面图[b, c, 阴影为垂直上升运动速度(单位： Pa·s-1), 等值线为等风速线(单位： m·s-1)]Fig.5 300 hPa upper jet (a, the shaded is wind speed, unit： m·s-1； isoline is geopotential height, unit： dagpm) and vertical section [b, c, the shaded is the vertical ascending velocity(unit： Pa·s-1), isoline is wind speed(unit： m·s-1)] at 12：00 on 14 February 2016 |
分析两支高空急流在寒潮冷堆增强过程中的作用可以发现， 受两支高空急流的共同影响， 两条急流之间的131°E -138°E范围为上升运动区域， 同时由于南侧的高空急流相对较强， 上升运动大值区域更加靠近南侧的高空急流。受高空急流出口区次级环流的影响， 在500~600 hPa的对流层中层存在上升运动的大值中心， 而低层强的上升运动则是由低层的辐合线引起的。寒潮冷堆位置处于两支高空急流的出口区左侧， 受两支高空急流的共同影响， 且处于急流出口区次级环流的上升支， 有上升运动， 使得空气在上升过程中绝热冷却， 导致寒潮冷堆增强。
4.2 绝对涡度
前面的分析表明寒潮冷堆增强期间保持位涡守恒， 因此从位涡守恒角度考虑绝对涡度变化对气柱抬升的影响， 从位涡守恒式（3） 可以知道， 随着绝对涡度的增加， 对应有气柱的拉升， 使得冷空气更加深厚， 寒潮冷堆增强。此次寒潮冷堆增强过程中， 存在冷空气的南下， 因此对应的牵连涡度减少， 而另一方面， 500 hPa寒潮低压中心对应的相对涡度则略有增强， 两者的贡献相反， 因此利用位涡守恒分析绝热冷却的影响， 需要对绝对涡度的变化进行整体的分析。
分析寒潮冷堆运动过程中绝对涡度的变化（图6）可以看到， 在寒潮冷堆增强期间14日06:00 500 hPa寒潮低压中心保持有30×10-5 s-1的绝对涡度大值中心， 且随着寒潮的移动发展， 18:00 500 hPa寒潮低压中心与之前相比更加偏南， 但绝对涡度变化不大， 中心处仍然保持有30×10-5 s-1的绝对涡度， 表明寒潮的低压中心在南下过程中增强的相对涡度与减少的牵连涡度相互抵消， 保持低压中心处绝对涡度不变。而对比温度场与绝对涡度的分布， 可以发现寒潮冷堆处于绝对涡度大值中心的西北侧， 冷堆区域的绝对涡度处于10×10-5~30×10-5 s-1之间， 随着寒潮的发展， 寒潮冷堆处的绝对涡度可能存在变化。因此对寒潮冷堆500 hPa温度最低位置的绝对涡度变化还需进行更深入的分析。
考察寒潮冷堆温度最低位置绝对涡度的变化， 沿着各个时刻冷堆温度最低处做温度和绝对涡度的垂直剖面图［图7（a）， （b）］可见， 14日06:00， 绝对涡度在600~300 hPa高度存在大值中心， 中心强度达到25×10-5 s-1以上， 而在寒潮冷堆位置， -40 ℃线对应绝的对涡度略小于20×10-5 s-1， 而-45 ℃线对应的绝对涡度略小于25×10-5 s-1， 500 hPa冷堆中心绝处对涡度约为25×10-5 s-1。到了18:00， 冷堆处等温线向下弯曲幅度更大， 冷堆强度有明显的增强， 同时该位置绝对涡度大值区域的强度和范围有明显的增加， 冷堆位置20×10-5 s-1等位涡线与 -35 ℃线对应， 25×10-5 s-1等位涡线与-40 ℃线对应， 而500 hPa冷堆中心处绝对涡度约为30×10-5 s-1， 冷堆温度最低处对应的绝对涡度有所增加。根据位涡守恒原理， 绝对涡度增加时， 为保持位涡守恒， 空气柱厚度增加， 空气柱的拉伸将使得寒潮冷堆处的冷空气更加深厚。
进一步从位势高度场的变化来验证前面分析的结果， 以两个时刻寒潮冷堆温度最低值位置为中心， 做厚度差值的纬向垂直剖面图（图8）可以看见， 寒潮冷堆温度最低区域空气柱厚度有明显的增加， 且500 hPa高度附近厚度增加最为明显， 12 h厚度增加了90 gpm以上。可见位涡守恒情况下， 绝对涡度的变化会引起空气柱厚度的变化， 绝对涡度增加， 空气柱厚度也增强， 使得寒潮冷堆的冷空气更加深厚。
图8 2016年2月14日06：00 -18：00冷堆温度最低处气柱厚度变化[单位： gpm·(12h)-1]横坐标为0的位置为寒潮冷堆温度最低位置 Fig.8 Thickness change of air column at the lowest temperature of clod dome from 06：00 to 18：00 on 14 February 2016.Unit： gpm·(12h)-1.The position with abscissa of 0 is located in the lowest temperature of clod dome |
总的来看， 14日06:00 -18:00寒潮冷堆的增强主要受高空急流次级环流的影响， 寒潮冷堆位于两支高空急流出口区左侧， 受两支高空急流次级环流的共同影响， 上升气流使得冷堆处空气绝热冷却， 冷堆增强。绝对涡度的变化对冷堆的增强也有一定作用， 虽然在寒潮低压中心位置相对涡度的增加与牵连涡度的减少相抵消， 使得最大绝对涡度保持不变， 但由于冷堆与绝对涡度最大值区域不完全重合， 随着冷堆的运动冷堆与低压中心相对位置发生变化， 特别是在冷堆温度最低处， 随着冷堆的运动绝对涡度有所增强， 在位涡守恒的条件下， 绝对涡度增加， 对应的空气柱厚度增加， 导致空气抬升绝热冷却， 冷堆的冷空气加强， 寒潮冷空气更加深厚。
5 结论
选取2016年2月14日寒潮冷堆增强过程， 从绝热冷却角度分析寒潮冷堆两次增强的原因， 并从高空急流次级环流以及位涡守恒角度分析了上升运动产生的原因。得到以下主要结论：
（1） 此次寒潮冷堆增强过程满足位涡守恒， 315 K等熵面上寒潮冷堆表现为6 PVU的高位涡中心， 且在寒潮过程中维持不变。垂直方向上， 寒潮冷堆区域高位涡下传到低层形成高位涡柱， 400 dagpm高度主要与2 PVU的等位涡线相交， 800 dagpm高度主要与6 PVU的等位涡线相交， 寒潮冷堆的运动对应高位涡柱的运动， 随着寒潮的发展， 高位涡柱向东南方向移动。
（2） 此次寒潮冷堆在向东南方向运动过程中存在明显增强， 冷堆所在位置对应有上升运动， 空气绝热冷却对冷堆增强有明显的影响。
（3） 冷堆绝热冷却增强过程的上升运动主要受高空急流的影响， 潮冷堆位于两支高空急流出口区左侧的上升气流中， 受两支高空急流的共同影响， 上升运动导致的绝热冷却使寒潮冷堆增强。
（4） 由于冷堆与低压中心相对位置发生变化， 冷堆中心温度最低处随着冷堆的运动绝对涡度有所增强， 绝对涡度增大导致空气柱变厚， 有空气的抬升冷却， 冷空气更为深厚， 寒潮冷堆加强。