Plateau Meteorology

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2025 , Vol. 44 >Issue 2: 521 - 534

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00038

Analysis of a High-Impact Cold Surge for Aviation over the Low Latitude Plateau

  • Yan CHEN , 1, 2 ,
  • Jia LIU 3, 2 ,
  • Li ZHU 4, 2 ,
  • Bin SHU 5 ,
  • Erxu ZHAO 6, 2 ,
  • Yunxia WAN 6, 2 ,
  • Dexian ZHAO 7 ,
  • Jing WANG 8 ,
  • Juzhang REN 1, 2
Expand
  • 1. Yunnan Institute of Meteorological Sciences，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 2. Research Centre for Disastrous Weather in Hengduan Mountains & Low-latitude Plateau，China Meteorological Administration，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 3. Meteorological Bureau of Honghe Prefecture，Mengzi 661199，Yunnan，China
  • 4. Yunnan Meteorological Observatory，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 5. Yunnan Technology Support Center for Atmospheric Detection，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 6. Yunnan Meteorological Service Center，Kunming 650034，Yunnan，China
  • 7. Yunnan Branch of China Civil Aviation Southwest Air Traffic Management Bureau，Kunming 650200，Yunnan，China
  • 8. Yunnan Airport Group Co. ，Ltd，Kunming 650200，Yunnan，China

Received date: 2023-10-02

  Revised date: 2024-03-15

  Online published: 2024-03-15

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

Abstract

On February 19-22， 2022， Yunnan province， located on the low latitude plateau， experienced a large-scale cooling， rainfall and snow weather process， leading to the cancellation， delay， and return of multiple flights at eight airports.Focusing on this high-impact weather， this paper employs rain gauge data， ERA5 reanalysis data， and wind profile radar data to investigate the circulation causes， features of the cold front activity， and their impacts on aviation.The results show that： （1） This low-temperature rain and snow weather was a large-scale cold surge process that happened under the joint influence of a cold front and the southern branch trough.Before February 21， mainly affected by the cold front， the temperature dropped sharply with mild precipitation.The primary impact on aviation was aircraft turbulence caused by strong wind shear and unstable stratification.Subsequently， with the westward of the southern branch trough， precipitation increased， and the adverse weathers， such as airport snow cover， low-level clouds， thunderstorms， and wind shear， imposed a significant impact on flights.（2） The main body of the cold front regime was located below 700 hPa.When the cold surge out broke， the cold air leading by low-level easterly winds rushed westward with a nose-shaped forehead.The strength and thickness of the low-level easterly winds correspond well with those of the cold air mass； the warm westerly wind in front of the front climbs along the front， forming a inversion layer over the cold air mass.（3） When the front strongly developed and moved westward， the high value belts of the frontogenesis function at 800 hPa could well indicate the position and intensity of the front lines.The convergence of easterly behind the front and warm westerly before the front caused a significant updraft over the frontogenesis area.Meanwhile， the Richardson numbers （Ri ） were small in the areas where the vertical temperature gradient was large below 650 hPa before the front and in the near-surface layer behind the front， suggesting the potential turbulence regions.（4） Wind profile radar data indicated that during the maintenance period of low-level easterly winds， the strengthening of westerly winds above 2 km had a certain indicative significance for precipitation.When the low-level easterly winds weakened and disappeared， the process ended.

Key words： low-latitude Plateau; high-impact weather on aviation; cold surge; cold front

Cite this article

Yan CHEN , Jia LIU , Li ZHU , Bin SHU , Erxu ZHAO , Yunxia WAN , Dexian ZHAO , Jing WANG , Juzhang REN . Analysis of a High-Impact Cold Surge for Aviation over the Low Latitude Plateau[J]. Plateau Meteorology, 2025 , 44(2) : 521 -534 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00038

1 引言

云南位于低纬高原地区， 拥有中国民航系统辐射南亚、 东南亚最便捷的空中通道。截至2022年底， 云南省共有15个民用机场， 机场密度每万平方公里0.39个， 为全国平均水平的2倍， 并已初步形成了以昆明长水国际机场为核心， 以丽江、 西双版纳干线机场和其他支线机场为支撑的机场网络体系。在旅客吞吐量方面， 云南年均增速超11%， 在西南地区位列第一， 昆明、 丽江、 版纳、 芒市和大理旅客吞吐量均在百万级以上， 是全国拥有百万级机场最多的省份（张志哲等， 2020）。然而， 云南地形复杂， 全省94%的面积为山地， 并可同时受中高纬度和低纬度环流系统的影响， 天气复杂多变， 飞机易出现颠簸及因气象原因导致的航班延误、 复飞和返航备降等情况（黄仪方等， 2011； 张序， 2019； 陈梅等， 2023）。有统计显示， 随着科技的不断进步， 飞机机械故障逐渐减少， 而由于天气原因造成的延误及飞行事故比例却相对增多（杨晶轶和何勇， 2018）， 因此有必要深入研究低纬高原地区航空高影响天气的变化规律及其对飞机飞行的影响， 为提升航空气象服务保障能力提供理论支撑。
过去人们已经认识到， 冷锋和高空急流是造成飞机颠簸的重要天气系统（赵树海， 1994； 刘海文等， 2023）， 其中锋生或锋面过境可形成低空湍流影响飞机起飞和着陆（Sharman and Lane， 2016）， 是预测湍流的最佳信号（Sharman et al， 2006）。张启凡（2021）分析澳洲15次强冷锋事件发现， 飞机颠簸点跟随冷锋锋区移动， 重度颠簸高发区位于垂直位温梯度大值区。近些年来， 一些学者指出， 冷锋和昆明准静止锋是我国低纬高原地区机场出现低空风切变和低能见度的主要影响系统（沈宏彬等， 2013； 张序， 2019； 张亚男和罗浩， 2023； 吴宝军等， 2023）。然而， 受复杂地形和经济发展水平的影响， 该区域气象观测站点的间距相对较大， 而粗网格的再分析资料可靠性较低（赵天保和符淙斌等， 2006； 成晓裕等， 2013）， 因此对低纬高原地区寒潮活动规律及其对航空影响的研究还不够深入， 对锋面生消及其移动状况的准确预报也一直是机场气象保障服务的一个难点。
在低纬高原特殊地形影响下， 冬半年南下冷空气与南支西风对峙交叠， 可形成对该区域天气气候具有重要影响的昆明准静止锋（宇如聪等， 2021； Cai et al， 2022）。当南下冷空气不断补充且强度增大时， 冷空气可翻越高原， 准静止锋则转变为冷锋影响云南中西部地区， 形成区域性或全省性寒潮天气。根据现有的标准（张万诚等， 2022）， 贵阳和昆明之间维持2天以上的锋面西进越过昆明， 但不过楚雄（101°E， 25°N）， 并且越过昆明的时间不超过1天的锋面为昆明准静止锋， 据此， 我们将越过楚雄的锋面判定为冷锋。冷锋寒潮过程可带来剧烈降温、 霜冻和大风天气， 若配合有利的水汽条件， 更可形成大范围的低温雨雪过程（梁红丽等， 2018； 杨超等， 2023）， 进而可导致机场出现低能见度、 跑道积雪， 以及飞机结冰和颠簸等现象， 影响航班的正常和效率。
2022年2月19 -22日， 在全国2月气温明显偏低的背景下（Zhao et al， 2023）， 云南出现了一次强冷锋寒潮过程， 全省有55%的区域达到寒潮天气标准， 为近10年第二强的区域性寒潮天气过程（黄玮等， 2023； 晏红明等， 2023）。此次过程导致云南出现大范围低温雨雪天气， 全省除西双版纳州外， 其余15个州（市）由于雪灾和低温冻害导致的直接经济损失达30.0亿元（黄玮等， 2023）。最近， 晏红明等（2023）用云南124个国家站和分辨率为2.5°×2.5°的NCEP/NCAR再分析资料， 分析了此次冷事件的极端性以及过程期间大尺度环流异常的演变特征。为进一步探究此次冷锋寒潮天气的环流成因、 锋面活动特征及其对飞机飞行的影响， 本文采用时空分辨率更高、 更适用于西南地区的ERA5再分析资料（刘佳等， 2023）、 云南省国家气象站和区域站逐时观测资料， 以及中国气象局横断山区（低纬高原）灾害性天气研究中心弥勒科学试验基地（以下简称弥勒基地）的风廓线雷达资料， 对该过程进行再分析。

2 资料来源和方法介绍

2.1　资料来源

本文所用资料为云南省125个国家气象站和2827个区域站的逐时气温和降水资料， 弥勒基地（103°28′19″E， 24°25′21″N）风廓线雷达观测数据， 以及分辨率为（0.25°×0.25°）的ERA5逐时再分析资料。其中， 风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用原理对大气风场等物理量进行探测的遥感设备， 可提供精细化的大气三维风场信息（张小雯等， 2017）。弥勒基地安装的风廓线雷达为L波段对流层风廓线雷达（WP6000-LT）， 最大探测高度为6000 m， 起始探测高度≤150 m， 观测间隔为6 min。本文使用的云南省地图审图号为GS（2016）1587， 底图无修改。

2.2　理查孙数

理查孙数Ri 是表征大气湍流和不稳定性的无量纲指数， 理论和实际观测结果表明， Ri 小值区易出现湍流和飞机颠簸， 是被广泛使用的飞机颠簸指数之一（沈强和沈文武， 2009； Sharman and Lane， 2016； Storer et al， 2019）。Ri 表达式如下所示：
R i = N 2 S v 2
式中： N 2 = g θ ∂ θ ∂ z； S v = ∂ V ∂ z = ∂ u ∂ z 2 + ∂ v ∂ z 2 1 2； θ为位温； g为重力加速度； z为垂直高度； V 为水平风矢量； u、 v分别表示纬向风速和经向风速。

2.3　锋生函数

低纬高原地区地形复杂， 海拔高差较大， 因此本文采用具有守恒性且被广泛使用的位温θ计算等压面上的锋生函数（段旭等， 2017； Reeder et al， 2021）， 计算公式如公示（2）所示（朱乾根等， 2007）：
F = d d t ∇ θ = 1 ∇ θ ∂ θ ∂ x 2 ∂ u ∂ x + ∂ θ ∂ y 2 ∂ v ∂ y + ∂ θ ∂ x ∂ θ ∂ y ∂ u ∂ x + ∂ v ∂ y - 1 ∇ θ ∂ θ ∂ p ∂ θ ∂ x ∂ ω ∂ x + ∂ θ ∂ y ∂ ω ∂ y + 1 ∇ θ ∂ θ ∂ x ∂ ∂ x d θ d t + ∂ θ ∂ y ∂ ∂ y d θ d t
式中： ω为垂直速度。当锋生函数F>0时， 表示锋生； 反之， 表示锋消。

3 过程概况

3.1　天气情况

2022年2月19 -22日受南下强冷空气影响， 昆明准静止锋加强转为冷锋， 冷锋西进南压， 于19日午后迅速推进至云南中部， 此后受东移南支槽的影响， 云南中东部及滇西北地区出现大范围雨雪天气过程， 云南中部及东部地区有69个站点达到寒潮天气标准（晏红明等， 2023）。由云南125个站平均气温和累计降水量的逐时变化［图1（a）］可见， 19日15:00（北京时， 下同）全省平均气温为16.58 ℃， 此后气温呈振荡式大幅下滑， 22日18:00最高气温跌至6.68 ℃， 到23日08:00平均气温仅为2.24 ℃。从全省平均降水量的变化来看， 21日前降水较弱， 125站累计最大降水出现在19日10:00， 为41.5 mm， 并且主要出现在云南东南部发生寒潮的站点［图1（b）， 图3（c）］； 21日午后至22日降水强度增大， 全省最大降水出现在22日03:00， 累积降水95.3 mm。查看69个寒潮站的平均气温变化情况［图1（b）］， 可见21日前降温迅猛， 此后持续低温， 平均气温由19日15:00的15.2 ℃降至22日08:00的1.8 ℃。总体来看， 此次寒潮过程具有21日前降温强降水偏弱和之后持续低温降水强的特点， 为方便讨论， 将21日前的过程称为第一阶段， 21日后称为第二阶段。
图1 2022年2月19日08:00至23日08:00云南（a）125个站和（b）其中69个寒潮站点累计逐时降水量和逐时平均气温变化

Fig.1 The accumulated hourly precipitation and average temperature of 125 stations （a） and the 69 stations hit by cold surge （b） in Yunnan province from 08:00 on February 19 to 08:00 on February 23， 2022

图2 云南省2022年2月19 -22日最低气温（a， 单位： ℃）及2022年2月19日08:00至22日08:00累积降水量（b， 单位： mm）分布

Fig.2 The distribution of the minimum temperature during February 19 to 22， 2022 （a， unit： ℃） and the accumulated precipitation from 08:00 on February 19 to 08:00 on February 22， 2022 （b， unit： mm）

图3 云南省2022年2月19日08:00至21日08:00（a， c）和2月21日08:00至22日08:00（b， d）降雪站点（a， b， × - 为降雪， ×·- 为雨夹雪）和累积降水量（c， d， 单位： mm）分布

粉色散点数字为云南125个国家站降水量

Fig.3 The distribution of snowfall stations （a， b， × - represents snowfall， ×·- sleet） and accumulative precipitation （c， d， unit： mm） in Yunnan province from 08:00 on February 19 to 08:00 on February 21， 2022 （a， c） and the period from 08:00 on February 21 to 08:00 on February 22， 2022 （b， d）.In Fig.3 （c） and （d）， the pink numbers show the accumulated precipitation amount at 125 stations

再看全省过程最低气温和累计降水的空间分布（图2）， 可见滇西北、 滇中及以东地区有40个站点最低气温低于0 ℃， 其中昭通南部、 曲靖、 昆明东部、 迪庆有18个站点最低气温低于-2 ℃［图2（a）］。过程期间云南大部降水明显， 2月19日08:00至22日08:00全省大部累积雨量超过10 mm， 滇东南、 滇西至滇中地区累积雨量超过25 mm。其中， 昭通、 曲靖、 昆明、 玉溪、 楚雄、 文山北部、 红河北部、 迪庆、 丽江南部、 大理东部出现降雪， 昭通南部、 曲靖、 昆明北部降中到大雪局部暴雪［图3（a）， （b）］。
进一步查看前后两个阶段降水的空间分布［图3（c）， （d）］， 可见21日08:00之前， 全省大部均有降水发生， 10 mm以上的降水主要出现在云南东南部和怒江州北部， 降雪则集中于滇东北和高海拔的滇西北局部地区； 21日08:00之后， 10 mm以上降水区域进一步扩大， 并且降水中心转移到了滇中及以西地区， 即德宏州、 保山市、 大理州至楚雄州北部一带， 同时降雪范围也明显扩大， 与地面最低气温小于0 ℃的区域基本一致。注意到， 两个阶段均受冷空气影响， 但由于第一阶段水汽输送主要来自副高外围暖湿的西南气流， 云南上空强水汽输送带位于滇东南一带， 第二阶段主要受南支槽影响， 强水汽输带从孟加拉湾北部直指云南中西部（图略）， 由此导致前后两个阶段的降水强度和范围出现了差异。

3.2　对机场和航班的影响

此次寒潮过程给当地的农业和交通均造成了较大影响。本文对云南15个民用机场的调查结果显示（表1）： 过程期间， 8个机场及多个航班受到明显影响。第一阶段， 昆明机场收到9份航空器颠簸报告， 1份低空风切变报告， 预除冰100架次； 第二阶段， 寒潮天气对机场和航班的影响明显增大， 主要表现为因跑道积雪、 低云、 航路雷雨等原因取消省内航班14架次、 返航2架次； 因降雪、 低云和顺风等原因导致昆明机场、 文山机场和普洱机场多个航班延误； 另有昆明机场收到航空器颠簸报告6份、 轻度积冰报告1份、 疑似雷击报告1份。
表1 2022年2月18 -22日因天气原因造成云南机场航班异常情况

Table 1 The impacts of adverse weather on aviation in Yunnan province from 18 to 22 February 2022

日期 延误 取消/备降 返航 颠簸/其他
18日 无 无 无 昆明机场收到2份航空器颠簸报告和1份低空风切变报告。
19日 无 无 无 昆明机场收到2份航空器中度颠簸报告， 预除冰100架次。
20日 无 无 无 昆明机场收到5份航空器颠簸报告。
21日 昆明机场多个航班因降雪天气起飞延误。 昭通机场因跑道积雪导致2个航班取消备降其他机场。 澜沧机场因低云影响导致1航班返航。 昆明机场收到2份颠簸报告、 1份轻度飞机积冰报告。
22日 文山机场因顺风、 低云延误航班2架次； 普洱机场因低云导致航班延误航班1架次。 因昆明机场降雪天气， 腾冲机场取消6个航班， 澜沧机场取消4个航班； 迪庆机场因降雪、 跑道结冰取消航班2架次。 芒市机场因航路雷雨天气导致1航班返航。 昆明机场收到4份颠簸报告和1份疑似雷击航空器报告。

4 过程环流特征

4.1　大尺度水平环流特征

寒潮天气是在有利的大尺度环流背景下产生的。从2022年2月18 -23日欧亚大气环流场（图4）可以看到， 造成此次寒潮过程的高空环流是云南较典型的“一槽一脊”型寒潮雨雪天气形势（许美玲等， 2011； 陶云等， 2018）。19日， 地面冷高压向东南方向扩展， 1020 hPa等压线逼近云南东部。21日， 高空冷涡并入东亚大槽， 此后缓慢东移， 相应地， 地面冷高压一边向东南方向移动一边变性减弱。在此期间， 中低纬地区有南支槽东移发展， 21日槽线移至90°E附近， 槽前西南气流向我国西南地区输送大量暖湿空气并有明显辐合（晏红明等， 2023）， 为此次过程降水提供了有利的水汽条件。700 hPa环流场上， 中高纬地区高度场有“北高南低”的特征， 在降水最强的22日， -1 ℃等温线略呈西北-东南向斜穿全省（图5）， 气温低于-1 ℃的地区与降雪区域对应较好（许美玲等， 2011）。
图4 2022年2月18 -23日环流形势

彩色区为海平面气压超过1020 hPa的区域， 黑色等值线为500 hPa位势高度（单位： dagpm）， 红色等值线为500 hPa温度场（单位： ℃）， 矢量为850 hPa风矢量（单位： m·s-1）， 棕色线段示意南支槽槽线

Fig.4 The daily atmospheric circulations from 18 to 23 February 2022.The color areas indicate the regions where sea level pressure exceeds 1020 hPa， black contours denote the geopotential height at 500 hPa （unit： dagpm）， red isolines represent temperature field at 500 hPa （unit： ℃）， vectors show wind fields at 850 hPa （unit： m·s-1）， and the thick brown curves show the trough lines of the southern branch trough

图5 2022年2月22日700 hPa环流场

黑色等值线为位势高度， 矢量为风场， 红色等值线为气温， 其中紫色等值线为-1 ℃等温线

Fig.5 The atmospheric circulation at 700 hPa on 22 February 2022.The black contours denote geopotential height， vectors indicate wind， and red isolines represent temperature with the purple curves showing the -1 ℃ isotherm

为分析过程期间大气环流的异常特征， 图6给出了2022年2月19 -22日平均环流场相对于1991 -2020年2月平均环流的距平分布。从气温的距平分布来看， 此次强冷空气过程影响范围很广， 东亚和中南半岛大部分区域的地面温度均为负距平， 其中云南中东部至华南一带温度距平低于-8 ℃的范围最大， 而贝加尔湖西北方的广大高纬度地区明显偏暖， 具有“暖北极-冷欧亚”气候变化模态的特征（Xie et al， 2020）。从位势高度距平来看， 我国东北地区至西北太平洋一带为明显的负距平， 中心负距平达-12 dagpm， 孟加拉湾北部也呈明显负距平， 而西太平洋、 阿拉伯海北部等区域呈正距平， 这说明过程期间东亚大槽偏强， 有利于引导高纬冷空气南下， 同时中低纬地区沿副热带急流传播的Rossby波导致阿拉伯半岛脊、 南支槽和西太平洋副高偏强， 有利于南支槽槽前西南气流向我国南方地区输送水汽进而形成明显降水（Li et al， 2017； 晏红明等， 2023）。
图6 2022年2月19 -22日环流距平形势分布

彩色区域为地面温度距平， 黑色等值线为500 hPa位势高度距平， 黑色矢量为700 hPa风矢量距平

Fig.6 The circulation anomalies of the process from 19 to 22 February 2022.The color areas show surface temperature anomalies， black contour lines represent the geopotential height anomalies at 500 hPa， and the vectors denote wind anomalies at 700 hPa

4.2　锋面活动分析

过去， 锋面位置一般采用主观方法进行分析， 但当影响系统较为复杂时， 不同科技人员得到的结果可能会存在差异， 并且对所得结果难以进行大批量及定量化的存储与分析， 因此近年来研究人员在客观识别锋面方面做了较多探索（段旭等， 2017； Zhao et al， 2019； 宇如聪等， 2021； Cai et al， 2022）。考虑到锋生函数是经严格推导得到的表征锋面生消的一个重要物理量， 并且从航空气象的角度来讲， 锋生函数与风切变及Ri 存在定量关系（Sharman and Lane， 2016）， 因此本文计算了近地层锋生函数的分布和变化情况。图7（a）~（d）所示即为利用逐时ERA5再分析资料计算得到的不同时次800 hPa的锋生函数分布， 可见2月18日20:00， 滇东北和云贵交界处等位温等线密集［图7（a）］， 冷空气一侧为东北风， 暖空气一侧为西南风， 等值线密集区西侧锋生函数值为正， 东侧为负， 表现为明显的锋生西进。19日08:00和20:00 ［图7（b）， （c）］， 滇东北地区位温降低， 位温密集带和锋生函数大值区快速向西南方向移动， 并呈现逆时针转动特征（宇如聪等， 2021）。此后， 锋面继续向西移动， 但强度减弱［图7（d）］。另外， 我们利用段旭等（2017）提出的锋面客观识别方法绘制了对应时刻的锋线位置， 不难看出， 在大多数情况下， 锋生函数大于5个单位（单位： ×10-9 K·m-1·s-1）的区域与锋线位置有很好的对应关系， 一些研究人员（Chen and Lin， 1999； 段旭等， 2017）在分析其他锋生过程时也注意到了这一特点。对照预报员主观分析的结果（图略）， 发现在2月21日前， 无论是锋生函数大值区还是客观识别的锋线均与主观分析结果十分接近， 但21日锋面减弱后之后， 前两种方法均不能识别出连续完整的锋面位置， 这说明客观方法难以判识弱锋面系统。
图7 2022年2月18日20:00（a）， 19日08:00（b）、 19日20:00（c）， 20日11:00（d） 800 hPa锋生函数（彩色区，单位：×10-9 K·m-1·s-1）、 位温（等值线，单位： K）、 水平风场（矢量，单位： m·s-1）和客观判识的锋线位置（黑色三角形所示，为切比雪夫5次拟合结果）

Fig.7 The distributions of the frontogenesis function （color areas， unit： ×10-9 K·m-1·s-1）， potential temperature （contour lines， unit： K）， horizontal wind field （vector， unit： m·s-1） at 800 hPa and the frontal lines obtained by the objective technique （shown as the lines of black triangles， which are the results from 5-time Chebyshev fitting） at 20:00 on February 18 （a）， 08:00 on February 19 （b）， 20:00 on February 19 （c） and 11:00 on February 20 （d）， 2022

为更清晰地查看锋面的连续移动情况， 图8给出了800 hPa锋生函数、 位温和水平风场沿24.5°N（云南中部且接近弥勒基地所在的纬度）的经度-时间剖面图。显然， 19日前， 104°E -107°E附近已有弱锋面活动， 19日后随着低位温偏东风的增强， 104°E附近的锋生函数突然增大， 并以每日2~3个经度的速率向西推进。注意到， 锋生区上空750 hPa上均对应着明显的上升运动， 从水平风场的分布可见， 这是锋后偏东风与锋前西南气流辐合形成的上升运动， 有可能导致重力波的产生和飞机颠簸（张启凡， 2021）。21日， 锋生函数大值区移动至100°附近， 而后减弱消失。然而， 从垂直速度变化来看， 锋生过程消失后， 云南以西有大尺度系统快速向东移动， 并且这种系统性的东移在750~500 hPa高度最为明显， 这可能是南支系统东移的反映。同时还可以看到， 在冷空气维持期间， 锋生函数正值的变化与其西侧暖性偏西风的强弱有很好的对应关系， 即锋面西侧暖气流增强可明显增大锋生函数。这意味着， 锋面两侧冷暖气团的强弱不仅会影响锋面的移动速度和位置（王曼等， 2021）， 对其强度的影响也很显著。
图8 过程期间800 hPa锋生函数（彩色区， 单位： ×10-9 K·m-1·s-1）、 位温（黑色等值线， 单位： K）、 水平风场（矢量， 单位： m·s-1， 图中仅显示纬向风速大于3 m·s-1的风矢量）和750 hPa垂直风场（绿色实线， 单位： Pa·s-1； 图中仅显示风速小于-0.5 Pa·s-1的等值线， 等值线间隔为0.2 Pa·s-1）沿24.5°N的经度-时间剖面

Fig.8 The Longitude-time section along 24.5°N of the frontogenesis function （color areas， unit： ×10-9 K·m-1·s-1）， potential temperature （black contour lines， unit： K）， horizontal wind field （vector， unit： m·s-1， only showing those with zonal wind greater than 3 m·s-1） at 800 hPa， and the vertical velocity at 750 hPa （green solid line， unit： Pa·s-1， only showing those less than -0.5 hPa·s-1 with a 0.2 Pa·s-1 contour interval） during the process

4.3　垂直环流特征

由于锋面呈准南北向， 为查看过程期间纬向垂直环流特征， 同时为便于与弥勒基地资料进行对比， 利用ERA5再分析资料绘制了沿24.5°N的温度场、 风场和Ri 的垂直剖面（图9）。根据沈强和沈文武（2009）的研究结果， 图9中只给出了对轻度及以上湍流有指示意义的Ri ≤5的等值线。由图9（a）可见， 2月18日20:00， 800 hPa以下104°E以东地区， 在偏东风引导下已有冷空气堆积入侵， 最低气温为4 ℃， 800~750 hPa之间为逆温层； 104°E以西的低空则为偏西风暖气团控制， 冷暖气流在104°E附近辐合上升后汇入上层西风带， 由此在锋后形成一个顺时针的垂直次级环流（段旭等， 2018）。从Ri 值的分布来看， 650 hPa以下， 锋区及暖空气一侧垂直温度梯度 ∂ T ∂ p较大的区域Ri 值明显偏小， 即不稳定度较大的区域内容易出现湍流和飞机颠簸。2月19日08:00 ［图9（b）］， 锋后偏东风加强西进， 冷气团前端出现鼻状凸起， 高原东部气温跌至0 ℃以下。此时， 除锋区和锋前暖气团一侧外， 锋后近地层亦出现了Ri 小值区。2月19日20:00至20日11:00 ［图9（c）， （d）］， 冷空气迅速加强西进， 等温线密集区由103°E附近向西移动了近2个经度。21日午后， 受气团变性及东移南支槽的影响， 锋后冷空气向东收缩， 冷暖气团之间的温度梯度减小， 对流层低层Ri 低值区变得零散， 而600 hPa以上有不稳定的Ri 低值区出现（图略）。总体来看， 此次过程的冷锋主体位于700 hPa以下， 属于较浅薄的系统， 冷锋增强西进时， 锋区上空、 锋前垂直温度梯度较大的区域以及锋后近地面层Ri 数值偏小， 是潜在的湍流和飞机颠簸区。
图9 2022年2月18日20:00（a）， 19日08:00（b）、 19日20:00（c）， 20日11:00 （d）气温（彩虹色等值线， 单位： ℃）、 风场（矢量， 单位： m·s-1， 垂直速度ω放大了10倍）和Ri （红色粗等值线， 图中Ri ≤5， 等值线间隔为1）沿24.5°N的经度-高度垂直剖面

灰色阴影区为示意地形

Fig.9 The longitude-height sections of the temperature （contours in rainbow colors， unit： ℃）， wind field （vector， unit： m·s-1， the vertical speed has been amplified by 10 times） and Ri （thick red isolines， the contour interal is 1） fields along 24.5°N at 20:00 on February 18 （a）， 08:00 on February 19 （b）， 20:00 on February 19 （c） and 11:00 on February 20 （d） 2022.The gray shaded areas indicate terrain

进一步分析ERA5资料中弥勒基地附近（103.5°N， 24.5°E）气温和风场的逐时变化［图10（a）］， 可见过程开始前对流层低层为暖气团控制， 2月19日凌晨近地层气温开始下降， 此后冷空气层逐渐增厚， 而上层暖空气在冷空气的挤压下变薄。20日凌晨冷空气扩展到700 hPa附近， 低层气温跌破-4 ℃。当日午后低空冷空气逐渐减弱， 750~650 hPa高度形成明显的逆温层。22日低空有冷空气补充， 逆温层减弱。对比纬向风的变化， 不难发现700 hPa以下冷空气的强弱与偏东风的强度呈明显的正相关关系， 即偏东风强则冷空气强。上述分析表明， 低层冷空气入侵， 一方面可在前期导致暖空气抬升形成逆温， 而随着冷空气层增强增厚， 逆温层变薄减弱。由图10（b）所示的垂直速度变化来看， 过程期间低空冷空气团内表现为弱下沉气流， 与降水［图10（c）］密切相关的强上升运动主要出现在低空冷气团之上。根据ω方程， 中高空强上升运动的产生可能与南支槽槽前的正涡度平流有关， 但受水汽输送等条件的限制， 有上升运动的时段未必有降水发生。
图10 2022年2月19日00:00至23日00:00弥勒基地附近（103.5°N， 24.5°E）上空气温（a~b， 彩色区， 单位： ℃）和纬向风速（a， 等值线， 单位： m·s-1）、 垂直速度（b， 等值线， 单位： Pa·s-1）的高度-时间剖面以及弥勒逐时降水量（c）

Fig.10 The height-time sections of temperature （a~b， color area， unit： ℃） and zonal wind speed （a， contour line， unit： m·s-1）， and vertical velocity （b， contour line， unit： Pa·s-1） near Mile station （103.5°N， 24.5°E）， and the hourly precipitation at Mile station （c） from 00:00 on 19 to 00:00 on 23 February， 2022

对照过程期间弥勒基地风廓线雷达探测到的水平风随时间的变化（图11）， 可以清晰地看到， 2月19日08:00， 弥勒0.5 km以下已出现偏东风， 风速小于4 m·s-1。接下来， 偏东风略有增强且逐渐向上扩展， 20日上午偏东风上界接近1.7 km。此后， 1.0 km以下一直维持有偏东风， 但厚度有起伏。22日19:00低层系统性的偏东风减弱消失， 过程结束。总体来看， 风廓线雷达观测到的低层偏东风强弱和厚度变化与ERA5资料分析结果接近。偏东风之上以偏西风为主， 偏西风强弱变化明显， 风场的这种垂直变化及其量级大小与ERA5资料显示的情况基本一致， 反映了大气的强斜压性。注意到， 弥勒基地出现降水前1~2 h， 中高空偏西风基本都增强现象， 但偏西风增强后不一定出现明显降水。中高空偏西风的增强可能与东亚中高空冷性气旋环流南压（陈艳等， 2015）或南支槽东移有关。
图11 2022年2月19日08:00至21日09:00（a）和21日10:00至23日07:00（b）弥勒基地风廓线雷达水平风观测结果

横坐标上蓝色阴影区示意降水时段

Fig.11 The horizontal wind observation of the wind profile radar at Mile station （a） from 08:00 on February 19 to 09: 00 on February 21 （a） and the period from 10:00 on February 21 to 07:00 on February 23， 2022.The blue boxes on the horizontal axis indicate the precipitation spans

5 结论

冷锋寒潮及其导致的低温雨雪天气对航班正常和效率具有重要影响。2022年2月19 -22日， 云南出现了近十年来第二强的寒潮过程， 对社会经济的影响很大。为深入认识此次过程的环流成因、 锋面活动特征及其对航空的可能影响， 文本综合利用地面站点观测资料， ERA5再分析资料， 以及风廓线雷达资料对该过程进行了初步探讨， 主要结论如下：
（1） 此次寒潮天气是在欧亚大尺度环流异常背景下， 昆明准静止锋转冷锋以及南支槽的共同作用下形成的冷事件， 具有降温幅度大、 雨雪范围广的特点。21日前， 主要受西进冷锋及其后部强冷空气的影响， 云南降温明显， 但降水偏弱， 对航空的影响主要是风切变和大气不稳定引起的飞机颠簸。此后随着南支槽东移， 降水增大， 机场积雪、 低云、 雷雨、 风切变等天气对航班影响明显。其中， 降雪主要出现在地面最低气温小于0 ℃和700 hPa气温低于-1 ℃的区域， 即冷锋锋后以及滇西北的高海拔地区。
（2） 冷锋主体位于700 hPa以下， 是一个较浅薄的系统， 锋面两侧冷暖气团的强弱对锋面强度变化影响明显。当寒潮爆发时， 锋后冷空气在低层偏东风引导下向西推进， 冷空气前端有鼻状凸起， 偏东风的强度和厚度与冷气团的强度和厚度有较好的对应关系。低层冷空气入侵导致暖空被迫气抬升， 与此同时， 锋前温暖的西南风与锋后偏东气流辐合上升， 此后沿锋面爬升并汇入上层西风带， 由此在冷气团之上形成明显的逆温层， 而在锋后出现顺时针的垂直次级环流。
（3） 当冷锋强烈发展西进时， 800 hPa锋生函数大值区可较好反映锋面的位置及强度， 但当锋面减弱后， 客观方法难以确定连续完整的锋面位置。
（4） 在冷锋迅速西进的第一阶段， 锋前650 hPa以下垂直温度梯度较大的区域以及锋后的近地面层Ri 值偏小， 易出现湍流和飞机颠簸。在冷锋减弱、 南支槽影响增强的第二阶段， 降水增强， 而低空Ri 小值区范围缩小且较为分散。
（5） 风廓线雷达资料显示， 低层偏东风维持期间， 2 km以上西风增强对降水具有一定的指示性意义， 当低层系统性的偏东风减弱消失， 过程结束。
综合研究结果， 图12给出了此次寒潮雨雪过程中前后两个阶段的环流示意图。
图12 寒潮过程第一阶段（a）和第二阶段（b）低空环流示意图

蓝色和橙色虚线分别示意冷、 暖气团； 黑色箭头示意气流； 波纹示意Ri 小值区

Fig.12 Schematic diagrams of the low-level circulations in the first （a） and the second （b） stages.The areas enclosed by blue and orange dashed curves represent cold and warm air masses respectively； black arrows indicate airflow； waves show the areas where Ri numbers are small

需要注意的是， 本文为基于观测的个例分析， 图12总结的环流特征及相关结论是否适用于其他寒潮过程还有待用更多实测资料和数值模拟加以验证。其次， 受篇幅限制， 本文主要聚焦分析寒潮期间低空环流的变化特征， 缺乏对高空环流异常及其可能影响的分析。另外， 2 km以上西风增强与降水的关系存在不确定性， 需要用更多的个例做深入的研究。

感谢云南机场集团有限责任公司和中国民用航空西南地区空中交通管理局云南分局提供航班异常资料， 云南省气候中心晏红明研究员提供寒潮站点信息。

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