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干旱区地理 >

2024 , Vol. 47 >Issue 7: 1175 - 1186

DOI: https://doi.org/10.12118/j.issn.1000-6060.2023.575

气候与水文

2023年春末阿克苏东部两次极端低温过程对比分析

  • 彭江良 , 1 ,
  • 卢英 1 ,
  • 王勇 , 2 ,
  • 李悦 2
展开
  • 1.新疆库车市气象局，新疆 库车 842000
  • 2.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆 乌鲁木齐 830000
王勇（1968-），男，本科，正高级工程师，主要从事气象卫星及遥感应用研究. E-mail:

彭江良（1972-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事中短期天气预报和服务. E-mail:

收稿日期: 2023-10-16

  修回日期: 2023-11-30

  网络出版日期: 2026-03-11

基金资助

中国气象局复盘总结专项(FPZJ2024-154)

新疆气象局引导性项目(YD2022010)

新疆维吾尔自治区重点研发任务专项(2022B03027-1)

新疆维吾尔自治区重点研发任务专项(2022B01012-1)

阿克苏地区气象局科研课题(AKS202201)

收起

Comparative analysis of two extreme low temperature processes in eastern Aksu in late spring of 2023

  • Jiangliang PENG , 1 ,
  • Ying LU 1 ,
  • Yong WANG , 2 ,
  • Yue LI 2
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  • 1. Kuqa Meteorological Bureau, Kuqa 842000, Xinjiang, China
  • 2. Xinjiang Ecological Meteorology and Satellite Remote Sensing Center, Urumqi 830000, Xinjiang, China

Received date: 2023-10-16

  Revised date: 2023-11-30

  Online published: 2026-03-11

Fold

摘要

2023年4月23日和5月6日阿克苏地区东部出现极端低温霜冻天气（简称“4.23”过程和“5.6”过程），尤其“5.6”过程库车市出现历史最晚终霜。基于常规观测、L波段探空、NCEP/NCAR 1°×1°逐6 h再分析等资料，利用天气动力学方法对比分析2次极端低温过程环流背景，高低空配置、冷空气及冷平流强度、锋生作用等，探讨极端低温霜冻成因。结果表明：（1） 两者有共性也有差异，共性表现在2次过程500 hPa阿克苏地区东部均受低槽（低涡）后部西北气流携带冷空气影响，且温度梯度大，锋区增强；均有深厚冷平流自阿克苏西部沿高层偏北气流向阿克苏地区东部低层下传；低温时段贴地层均有逆温和明显锋生，锋生与冷空气进入南疆盆地的路径及低温持续时间对应，且高层能量锋区较强，中低层锋区在增强过程中有斜压不稳定发展；均在霜冻出现前6 h冷平流强度增至最大，冷平流与8 ℃以上降温区域对应较好，且850 hPa温度降至3~4 ℃，对低温霜冻预报有一定指示性。（2） 不同点在于“4.23”过程冷空气为西北路径，西翻和东灌冷空气共同影响阿克苏地区，贴地层逆温明显偏强，为辐射+平流降温；“5.6”过程冷空气为偏北路径，较强冷高压翻越天山进入南疆盆地，同时有东灌冷空气补充，影响范围大、逆温弱但整层降温明显，以辐射降温为主。（3） “5.6”过程低涡在新疆维持时间长，其冷空气及锋区强度、假相当位温梯度及影响时间均较“4.23”过程更强，灾害更重。

关键词： 春末; 极端低温; 对比分析; 阿克苏地区东部

本文引用格式

彭江良 , 卢英 , 王勇 , 李悦 . 2023年春末阿克苏东部两次极端低温过程对比分析[J]. 干旱区地理, 2024 , 47(7) : 1175 -1186 . DOI: 10.12118/j.issn.1000-6060.2023.575

Abstract

Extreme low-temperature frosts occurred in eastern Aksu Prefecture, Xinjiang, China on April 23 and May 6, 2023 (“4.23” process and “5.6” process for short, respectively). Particularly, the latest frost in history appeared in Kuqa City during the “5.6” process. In this study, based on conventional observation data, L-band sounding data, and 6-h reanalysis data of NCEP/NCAR 1°×1°, we contrastively analyze the circulation background, circulation configurations of high and low altitudes, cold air intensity, cold advection intensity, and frontogenesis during two extreme low-temperature processes using weather dynamics. Moreover, the causes of extreme low-temperature frosts are discussed. We realized both common characteristics and differences between the two processes. (1) The common characteristics are as follows: The temperature of eastern Aksu at 500 hPa is affected by northwest flow with cold air at the back of the low trough (low vortex), with a great temperature gradient and strong frontal zone during the two processes. Deep cold advection flows from the upper level of western Aksu to the lower level of eastern Aksu along the northern flow. Temperature inversion and obvious frontogenesis occur in the near-surface layer during the low-temperature period. Frontogenesis corresponds to the path of cold air entering the southern Xinjiang basin and the low-temperature duration. In addition, the upper-level energy frontal zone is stronger, and the mid-low-level energy frontal zone gradually strengthens with baroclinic instability. The cold advection intensity increases to a maximum of 6 h before frost. The cold advection can significantly decrease the temperature of the Aksu area from above 8 ℃ to 3-4 ℃ at 850 hPa, indicating strong frost. (2) The differences are as follows: The cold air invades the Aksu Prefecture from the northwest path in the “4.23” process. The air temperature in the Aksu Prefecture is affected by both “Xifan (flowing over the mountains from west)” and “Dongguan (injecting from east)” cold air. The temperature inversion in the near-surface layer is enhanced by radiation and advection cooling. However, the cold air passes over Tianshan Mountains with a strongly cold high pressure and then invades the southern Xinjiang basin from the northern path in the “5.6” process, accompanied by “Dongguan” cold air. The influence range is large, and the temperature inversion is weak. However, the temperature of the entire layer is significantly reduced, mainly via radiation cooling. (3) The low vortex of the “5.6” process lasts for a long time in Xinjiang. The cold air and frontal zone intensity, potential pseudo-equivalent temperature gradient, and influence time are stronger than those of the “4.23” process, resulting in a more severe disaster.

Key words： late spring; extreme low temperature; comparative analysis; eastern Aksu

霜冻是由于强冷空气活动致使土壤或植物表面温度降至0 ℃及以下而造成作物受害的现象，春季强降温、低温霜冻出现愈迟，对农业的危害就愈严重[1]，农作物重播、复播经济损失大，因此低温霜冻预报是春季气象服务的重点和难点。很多学者针对春季强降温、低温霜冻天气，从气候背景、环流特征、诊断、统计分析及对农业影响等方面进行诸多研究，取得一些成果。艾雅雯等[2-3]对中国春季极端低温事件的分析表明，极端低温频次呈2~4 a振荡周期，过去半个多世纪强度随频次呈显著下降趋势，但近10 a中国东部频次和强度却有所增加，东北地区的频次与北极涛动存在显著负相关。陶云等[4]分析云南极端霜冻气候事件的气候特征及环流背景发现，高空冷平流与底层冷高压控制下，夜间晴空辐射冷却降温，是云南极端霜冻事件发生的主要原因之一。彭九慧等[5]在环流形势分析的基础上，分县区建立了预报模型并进行检验。张海龙等[6]通过分析气候变暖与晚春极端低温对山西树木的叠加危害，认为全球变暖大背景下、冬春气温大幅升高必然导致树木物候大大提早，相应会增加晚春极端低温对树木的危害程度。随着气候变暖，初霜期延迟而终霜期提前、无霜期延长对农业生产有利[7⇓⇓⇓⇓⇓-13]。
新疆春季冷空气活动频繁，尤其北疆强降温、低温霜冻天气多发，张家宝等[14]从导致强降温、低温霜冻发生的强冷空气源地、路径、季节分布等方面对强降温预报思路进行细致分析和归纳。张祖莲[15]等对北疆春季气温和霜冻网格精细化预报进行订正及检验，设计了3种基于平均滤波的温度智能网格预报订正算法，明显提高了北疆气温和霜冻预报准确率及稳定性。张林梅等[16]分析阿勒泰地区一次强寒潮天气过程表明，强冷平流是气温骤降的主要原因，其次是非绝热因子通过天气现象、下垫面性质对气温造成不同程度的下降。牟欢等[17]对新疆2014年“4·23”强寒潮降温特征分析指出，850 hPa 强冷平流是造成气温剧烈下降的主要原因，冷平流的影响区域及中心与降温区域及中心有较好的对应关系，锋生函数可以清楚地分析出冷空气的时空变化。而南疆由于三面环山向东开口的地形，冷空气翻山进入盆地后，虽然降温没有北疆剧烈，但持续降温也会造成低温霜冻天气。满苏尔·沙比提[18]分析南疆近60 a来寒潮气候特征及其对农业生产影响认为，南疆冬季低温冻害呈显著增多趋势，对农业生产不利。陈丛敏等[19]分析指出巴旦杏花期低温与巴旦杏晚霜冻气象指标密切。
因春末南疆低温霜冻天气发生较少，对其形成机理及预报指标研究欠缺，而2023年4月23日和5月6日阿克苏地区东部出现2次极端低温霜冻天气（简称“4.23”过程和“5.6”过程），致使库车市终霜期突破历史最晚记录。为此，本文对这2次极端低温霜冻的成因和差异进行对比分析，以期提高春季南疆极端低温霜冻预报准确率，为防灾减灾决策提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

阿克苏地区地处南疆中西部，天山山脉中、西段南麓，地势西北高东南低，是我国优质的棉花种植基地及瓜果之乡。西部和北部分别有帕米尔高原和天山山脉屏障，又包含沙漠、平原、山地等多种地形分布，造就其生态系统和气候特征较为复杂，境内海拔最高在西北部托木尔峰7435.3 m，最低在东南部的塔里木河两岸945~1020 m，阿克苏地区东部库车站海拔高度为1081.3 m。气候资料显示阿克苏地区春季冷空气活动主要集中在3—4月，进入5月升温迅速、降水增多，寒潮和低温霜冻天气很少。

1.2 研究方法

本文基于常规气象观测、L波段探空、FY4卫星云图、NCEP/NCAR 1°×1°逐6 h再分析等资料，利用天气学原理、天气动力学等方法，对比分析2次低温过程极端性、环流背景、高低空配置、冷空气及冷平流强度等，诊断分析假相当位温、锋生函数及时空分布特点，探讨2次极端低温过程成因。

2 结果与分析

2.1 天气实况

“4.23”过程：2023年4月22日20:00（北京时，下同）至23日20:00，阿克苏地区东北部温宿、库车、沙雅、新和、拜城5县（市）浅山区及平原最低气温降幅达8.1~10.3 ℃（图1a），出现寒潮（按照寒潮国家标准：24 h内日最低气温下降幅度≥8 ℃，或48 h下降幅度≥10 ℃，且过程日最低气温≤4 ℃），库车、沙雅、新和的部分乡镇测站达强寒潮（24 h内日最低气温下降幅度≥10 ℃），降温幅度最大区域出现在沙雅县；23日07:00—09:00库车市平原西南部区域3个乡镇最低气温降至-0.9~-0.3 ℃（图1a），浅山区盐水沟附近降至-1.7~0 ℃，0 ℃以下低温持续3 h，出现霜冻。
图1 2次极端低温霜冻当日阿克苏地区日最低气温和降温幅度≥8 ℃分布

Fig. 1 Distributions of the lowest temperature and temperature drop range equal≥8 ℃ in Aksu Prefecture on frosty days during two extreme low temperature frosts

“5.6”过程：2023年5月5日20:00至6日20:00，阿克苏地区东部的库车、新和、拜城3县（市）浅山区及平原降温幅度8.2~10.5 ℃（图1b），出现寒潮，库车、新和个别乡镇达强寒潮，降温幅度最大区域出现在库车市；6日库车市浅山区最低气温降至-3.9~-3.0 ℃，平原区域10个乡镇测站最低气温降至-2.7~-0.1 ℃（6日05:00—09:00最低气温<0 ℃，持续5 h），库车市终霜期破历史最晚记录。
2次寒潮、低温霜冻天气，均发生在春季中、后期农业生产关键期，前期均出现大风、降雨、持续降温，天气转晴后气温降至最低，尤其“5.6”过程阿克苏地区东部库车市大部乡镇最低气温降至0 ℃以下，低温冷害及霜冻造成农作物大面积重播，经济损失惨重。

2.2 极端性强

1951—2023年库车市终霜期年际变化（图2a）可以看出，以0.9 d·(10a)-1变率延后，平均终霜期为3月21日，终霜期出现在3月、4月、5月，分别为62次（占比84.9%）、10次（占比13.6%）、1次（占比1.5%），其中1996年以来有5次终霜偏晚20 d或以上。1951—2023年库车市4月下旬和5月上旬的极端最低气温分别以0.29 ℃·(10a)-1和0.35 ℃·(10a)-1变率缓慢下降（图2b）。2023年4月23日和5月6日霜冻分别较历年偏晚33 d和46 d，尤其是2023年5月6日库车市终霜比北疆37站区域平均最晚终霜日（1984年5月5日[20]）偏晚1 d，最低气温和终霜期均破历史同期极值。
图2 1951—2023年库车市终霜期和4月下旬、5月上旬极端最低气温年际变化

Fig. 2 Interannual variations of last frost date and extreme lowest temperature in late April and early May in Kuqa City during 1951—2023

2次极端低温霜冻天气实况相同点：均出现在春季中、后期且降温幅度接近，均达寒潮，造成农作物冻害；2023年4月23日和5月6日库车站最低气温分别为1.0 ℃、-1.0 ℃，极端最低气温分别居4月下旬和5月上旬历史第3位、第1位，属小概率极端低温事件。不同点：“5.6过程”霜冻持续时间长、温度低，为历史最晚终霜，库车市霜冻覆盖乡镇更多，灾害损失更严重。

2.3 环流形势特征

2.3.1 高低空环流配置

“4.23”过程：4月23日08:00，200 hPa（图3a）中亚地区为长波脊，长波槽进入新疆，阿克苏地区东部受低槽后部西北气流控制。500 hPa（图3c）欧亚范围环流经向度有所增大，随着中亚地区高压脊发展东移，低槽进入新疆中部，槽底南伸至38°N附近，阿克苏地区东部受低槽后部较强西北气流影响，并配合有-24 ℃温度槽，表明冷空气较强。22日08:00在700 hPa（图略）阿克苏地区东部库车市为8.0 m·s-1西南风，温度为-3.0 ℃，850 hPa为6.0 m·s-1偏西风，温度为7.0 ℃，地面观测及卫星云图显示有云系覆盖，气温略有下降；而霜冻当日23日08:00（图3e）700 hPa阿克苏地区东部转为18.0 m·s-1西北风，温度降至-4.6 ℃，850 hPa转为7.0 m·s-1偏北风，温度降至4.0 ℃。
图3 2次极端低温过程高、低空环流配置

Fig. 3 Circulation configurations of high and low altitudes of two extreme low temperature processes

“5.6”过程：5月6日08:00，200 hPa（图3b）西西伯利亚为宽广的高压脊，低涡进入北疆并维持，阿克苏地区东部受低涡后部西北急流控制。500 hPa（图3d）欧亚范围环流经向度较大，两槽一脊呈“Ω”型，即西西伯利亚为阻塞高压，新疆大部受冷低涡影响，闭合等高线增至3条，低涡中心值维持556 hPa，并配合有-28 ℃冷中心，阿克苏地区东部位于低涡后部，西北风16~18 m·s-1，等温线较密集、温度梯度达2 ℃·(100km)-1，较5月5日08:00增加0.5 ℃·(100km)-1，说明锋区在加强。5日08:00在700 hPa（图略）阿克苏地区东部库车市附近有2~5 m·s-1的偏北风和偏南风的辐合，呈东—西向沿山分布，该辐合线以南阿克苏相对湿度大值区为90%~100%，地面观测及卫星云图显示有云系覆盖，温度为-8.0 ℃，850 hPa为4.0 m·s-1偏北风，温度为8.0 ℃；6日08:00的700 hPa（图3f）阿克苏地区东部转为15 m·s-1西北风，温度降至-10.0 ℃，850 hPa为7.0 m·s-1偏北风，温度降至3.0 ℃。
综上所述，2次过程500 hPa阿克苏地区东部均受低槽（低涡）后部西北气流影响，其携带较强冷空气进入南疆，且温度梯度加大，锋区增强。霜冻发生当日08:00阿克苏地区东部700~850 hPa为西北（偏北）风，850 hPa温度降至3~4 ℃，可作为低温霜冻预报参考指标。但“5.6”过程低涡在新疆维持时间更长、低涡携带冷空气及锋区强度较“4.23”过程更强，这也是“5.6”过程突破历史最晚终霜记录原因之一。

2.3.2 地面冷高压强度及移动路径

“4.23”过程：从4月14—23日逐日08:00地面冷高压强度及移动路径演变（图4a）可以看出，冷空气自巴伦支海南部一路东南下，为西北路径，在咸海附近快速东移进入北疆，冷高压中心强度为1035 hPa，19日08:00天山南北压差达22.5 hPa，部分冷空气翻越西天山进入阿克苏地区，19日库车市大部乡镇出现小到中雨，伴有8~9级偏北阵风；20日08:00冷高压继续东移至北疆东北部，中心强度1035 hPa维持至23日08:00，冷空气从新疆东部地势较低处东灌进入南疆，西翻与东灌冷空气造成阿克苏地区东部库车市低温霜冻天气。
图4 2次极端低温过程冷高移动路径和霜冻当日08:00海平面气压场

Fig. 4 Moving paths of cold high pressure two extreme low temperature processes and pressure field of sea level at 08:00 on a frosty day

“5.6”过程：从5月1—7日逐日08:00地面冷高压强度及移动路径演变（图4b）可以看出，冷空气自新地岛附近一路南下，为偏北路径，4—5日在巴尔喀什湖北部快速东移进入北疆，冷高压中心强度为1035 hPa，南疆盆地低压中心为1012.5 hPa，天山南北压差达22.5 hPa，受冷空气翻越天山影响，5月5日库车市出现8级偏北大风和阵雨天气；6日08:00北疆冷高压继续南压翻越天山进入南疆盆地，另一股冷空气在蒙古国西部堆积，高压中心达1037.5 hPa、东灌进入南疆盆地，翻山与东灌冷空气在阿克苏地区东部汇合增强，24 h升压20 hPa，且库车市附近出现1027.5 hPa冷高中心，也说明冷空气强度强，致使“5.6”低温霜冻更强。

2.4 温度及温度平流变化特点

2.4.1 850 hPa规定层次和距地面2 m温度变化

库车站地面海拔高度为1081.3 m，850 hPa规定层次平均海拔高度为1500 m（简称850 hPa层），距测站地面2 m（海拔高度为1083.3 m，简称2 m），霜冻前、后逐日08:00在850 hPa层和距测站地面2 m温度变化如表1所示。
表1 逐日08:00 850 hPa层和距测站地面2 m温度变化

Tab. 1 Daily temperature changes of 850 hPa layer and 2 m from the ground of the station at 08:00 /℃

位置 “4.23”过程 “5.6”过程
4月21日 4月22日 4月23日 5月4日 5月5日 5月6日
850 hPa层（海拔高度1500 m） 9.1 10.7 8.0 4.7 6.0 -0.8
距测站地面2 m（海拔高度1083.3 m） 9.6 8.6 1.5 6.5 8.7 -0.6
“4.23”过程：4月22日08:00—23日08:00库车站850 hPa层与距测站地面2 m之间存在逆温，且逆温强度在23日达最大，即22日08:00逆温2.1 ℃，23日08:00的850 hPa层温度为8.0 ℃，而距测站地面2 m温度为1.5 ℃，逆温增强至6.5 ℃。
“5.6”过程：5月5日08:00—6日08:00库车站850 hPa层温度由6.0 ℃降至-0.8 ℃，而距测站地面2 m温度由8.7 ℃降至-0.6 ℃，降温期间虽然没有逆温，但是距测站地面2 m降温幅度较“4.23”过程偏大2.2 ℃。
进一步分析4月23日08:00和5月6日08:00库车站距地面2 m至600 m的L波段探空秒数据垂直温度廓线（图5）可知，2次过程850 hPa海拔高度分别为1505 m、1535 m，那么，距地面420~450 m高度处接近850 hPa层。2次过程均在距地面50 m以下有逆温，但逆温强度“4.23”过程为7.6 ℃，“5.6”过程为3.0 ℃，温度-对数压力（T-lnP）温度层结一致，即“4.23”过程近地层逆温明显增强。
图5 2次极端低温霜冻当日08:00地面至600 m库车探空站L波段温度廓线

Fig. 5 L-band temperature profiles from ground to Kuqa station with a distance of 600 m at 08:00 on the frosty days during two extreme low temperature frosts

结合近地层风场分析表明，4月23日08:00 850 hPa为西北风，库车近地层为偏东风，表明冷空气已东灌，由于阿克苏地区东部库车市地形为西北高、东南低，资料分析表明冬春季翻山与东灌冷空气共同作用有利于逆温的形成，也说明在辐射降温的同时，平流降温对最低气温下降起到关键作用。而5月6日08:00受低涡后部冷空气影响，库车近地层至850 hPa为一致的偏北风，整层降温明显。
上述分析表明，春季阿克苏地区东部低温霜冻天气，在分析850 hPa温度下降幅度的同时，还要考虑贴地层逆温的强弱，才能较好把握最低气温的预报。

2.4.2 温度平流的水平变化

根据热流量方程[21]可知，某一地区的温度变化是由温度平流、非绝热作用、垂直运动、气压变化等共同作用的结果。由于气压变化和近地层垂直运动对局地气温变化的影响很小可以略去[17,21]，那么大尺度系统中的温度局地变化是由温度平流、非绝热作用造成的。气温的非绝热变化主要表现为气温日变化和气团变性，非绝热因子主要考虑辐射、水汽蒸发、凝结等和下垫面等对气温的影响。在本次寒潮强降温过程中[17]，在新疆上空有大面积云系覆盖，天空状况相似，太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化不明显，在研究短期无凝结过程的天气时，非绝热作用很小可略去，大尺度系统局地降温主要还是由冷平流引起的，而温度平流（-V· ∇ T）的计算由风场（V）和温度梯度场（ ∇ T）2项矢量点乘得到[21]，本节主要讨论700 hPa冷平流变化情况。
“4.23”过程：阿克苏及附近区域冷平流强度在4月22日20:00（图略）至23日02:00增至最大，4月23日02:00（图6a）700h Pa阿克苏西部至南疆西部有-10×10-5 ℃·s-1以上冷平流，冷平流区呈东北—西南向分布，与冷空气部分翻越西天山和东灌进入南疆盆地一致。
图6 2次极端低温过程700 hPa温度平流

Fig. 6 Temperature advections of two extreme low temperature processes at 700 hPa

“5.6”过程：2023年5月6日02:00（图6b）700 hPa阿克苏地区西北部有-30×10-5~-20×10-5 ℃·s-1冷平流区，最大中心在巴尔喀什湖，受低涡后部的较强西北气流影响将冷平流输送至阿克苏地区东部，库车有-10×10-5 ℃·s-1冷平流中心，造成极端低温霜冻发生，也与前述低涡后部西北气流携带冷空气相对应。
2次过程均在霜冻出现前6 h冷平流强度增至最大，分别在库车站东部和东南部有冷、暖平流交汇区，-10×10-5 ℃·s-1以上强度的冷平流区与8 ℃以上降温区域对应较好，且冷平流中心强度变化与地面强降温区一致，对强降温预报有一定指示性。

2.4.3 温度平流的垂直变化

冷空气的强弱与降温层次成正比，冷空气越厚，降温越大。库车站纬度为41.724°N，因此沿42°N作经度-高度垂直剖面，分析2次过程1000~200 hPa最强时次温度平流场垂直分布情况。
“4.23”过程：2023年4月23日02:00（图7a），300~200 hPa有-30×10-5~-20×10-5 ℃·s-1冷平流自阿克苏地区西部（76°~80°E）沿偏北（西北）气流下传至东部850 hPa，800~600 hPa库车市（82°~84°E）冷平流中心强度最大达-20×10-5~-10×10-5 ℃·s-1，低层850 hPa冷平流强度增至最大时出现低温、霜冻。
图7 2次极端低温过程温度平流和风场沿42°N纬向剖面

Fig. 7 Sections of temperature advection and wind field of two extreme low temperature processes along 42°N latitudinal direction

“5.6”过程：6日02:00（图7b），300~200 hPa阿克苏西部冷平流中心强度为-40×10-5~-30×10-5 ℃·s-1，高层冷平流沿偏北气流自阿克苏地区西部下传至东部，850 hPa库车市附近冷平流中心为-30×10-5~-20×10-5 ℃·s-1，结合气温实况6日02:00已开始下降，08:00前后多数测站气温已降至最低，冷平流较“4.23”过程强且持续时间较长也是5月6日出现极端低温霜冻的原因之一。

2.5 形成机制分析

2.5.1 假相当位温分析

沿42°N做等假相当位温场经度-高度垂直剖面，分析霜冻发生前、后不同时次等假相当位温场垂直分布情况。
“4.23”过程：22日20:00（图8a）阿克苏地区上空等假相当位温线密集区在300~200 hPa，差值达22 K，即高层能量锋区较强，中低层锋区较弱；4月23日08:00（图8b）300~200 hPa能量锋区移至阿克苏地区东部，但中低层阿克苏地区等假相当位温线梯度加大，西、东差值增至14 K，并呈东北—西南向倾斜，说明在能量锋区加强同时，也促进了斜压不稳定发展，有利于阿克苏地区东部产生强降温。
图8 2次极端低温过程假相当位温沿42°N纬向剖面

Fig. 8 Sections of potential pseudo-equivalent temperature of two extreme low temperature processes along 42°N latitudinal direction

“5.6”过程：5日20:00（图8c）阿克苏地区上空等假相当位温线密集区在400~200 hPa，差值达40 K，能量锋区更强，中低层锋区较强，西、东差值增至16 K，也呈东北—西南向倾斜；6日08:00（图8d）阿克苏地区东部上空400~200 hPa等假相当位温线仍维持强锋区，中低层阿克苏地区等假相当位温线梯度、倾斜程度与“4.23”过程很相似。
综上分析，2次过程低温时段均在高层能量锋区较强，中低层锋区在增强过程中，有斜压不稳定发展。但“5.6”过程较“4.23”过程整层锋区偏强、假相当位温梯度更大，锋区影响时间更长，这也是降温幅度和低温霜冻影响区域更大的原因之一。

2.5.2 锋生作用

锋生函数可以从定量角度来分析具体天气现象、气象要素变化[21]，以F表示锋生函数，F>0表示锋生，F<0则表示锋消，锋生函数中各项分别为空气水平运动、垂直运动和非绝热加热对锋生的作用。
一般用假相当位温作为气象参数来计算锋生函数，假相当位温是一个考虑了气压、温度、湿度的综合性物理量，对于干绝热、湿绝热过程同一气块假相当位温值都是保守的， ∇ θ s e表示假相当位温（θse）的水平梯度绝对值。本文计算了2次强降温发生前的地面锋生函数（图9）。
图9 2次极端低温过程地面风场和锋生函数

Fig. 9 Ground wind fields and frontogenesis functions of two extreme low temperature processes

“4.23”过程：22日20:00（图9a），锋生区在阿克苏地区和东疆，中心值均为1.0×10-5 K·s-1·m-1；23日02:00（图9b）东疆锋生中心减弱至0.5×10-5 K·s-1·m-1，而阿克苏中西部锋生面积增大，呈东西带状分布，中心值增至1.5×10-5 K·s-1·m-1，与前述受西翻和东灌冷空气影响，冷空气进入南疆造成阿克苏地区东部强降温一致。
“5.6”过程：5月5日20:00（图9c）南北疆偏西地区均有弱的锋生区，中心值为0.5×10-5 K·s-1·m-1；6日02:00（图9d）阿克苏地区锋生面积增大，中心强度增至1.0×10-5 K·s-1·m-1，而库车市附近中心值为0.5×10-5 K·s-1·m-1，锋生区维持至6日08:00（图略），这与500 hPa所处低涡后部位置一致，说明阿克苏受冷涡后部偏北气流影响，锋生作用加强且维持时间较长，导致极端低温霜冻发生。

3 结论

（1） 2次过程500 hPa阿克苏地区东部均受低槽（低涡）后部西北气流影响，西北或偏北气流携带较强冷空气进入南疆，且温度梯度加大，锋区增强。霜冻发生当日08:00 850~700 hPa阿克苏地区东部均为西北（偏北）气流，冷平流增强，有利于辐射降温，850 hPa温度降至3~4 ℃，可作为低温霜冻预报参考指标。但“5.6”过程低涡在新疆维持时间更长、低涡携带冷空气及锋区强度较“4.23”更强，这也是“5.6”过程低温霜冻强度破历史记录的原因之一。
（2） 冷空气强度相当但路径不同：地面冷高压进入北疆中心强度均为1035 hPa，“4.23”过程冷空气源地在东欧北部，为西北路径，受西翻和东灌冷空气共同影响，贴地层逆温增强，辐射+平流共同作用造成降温。“5.6”过程冷空气源地在新地岛附近，为偏北路径，较强冷高压翻越天山进入南疆盆地，同时有东灌冷空气的补充，整层降温明显，以辐射降温为主。因此，贴地层逆温强弱也是低温预报的关键因素之一。
（3） 2次过程均在霜冻出现前6 h冷平流强度增至最大，-10×10-5 ℃·s-1以上强度冷平流区域与8 ℃以上降温区域对应较好，对强降温预报有一定指示性；较强冷平流自阿克苏西部高层沿偏北气流向阿克苏地区东部下传至低层。但“5.6”过程较“4.23”过程冷平流影响时间更长，其低层阿克苏地区东部冷平流强度增至最大偏早6 h、霜冻出现时段偏早2 h，致使降温强度和霜冻区域更大，灾害也更重。
（4） 2次过程低温时段均有明显锋生，且高层能量锋区较强，中低层锋区在增强过程中，有斜压不稳定发展。但“5.6”过程较“4.23”过程整层锋区偏强、假相当位温梯度更大，锋生影响时间更长，这也是“5.6”过程出现极端低温霜冻的原因之一。

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