1 资料和方法
1.1 资料来源
本研究基于2009—2023年春季（3月25日至5月31日）宁夏回族自治区中卫市140个气象站点（含4个国家站和136个区域站）的高密度观测网络数据，结合ECMWF ERA5再分析资料，采用日最低气温≤0作为霜冻判定标准。依据《宁夏回族自治区气象灾害预警信号及防御指南（修订）》（宁气规发〔2025〕1号）规范，并综合考虑主要农作物（冬小麦、水稻、胡麻）和经济林果（苹果、葡萄、桃、李、杏）的关键物候期特征，确定研究时段。
1.2 研究方法
基于高密度观测网络数据和ECMWF ERA5再分析资料，参考《宁夏天气预报手册》[10]对霜冻天气的环流形势进行分型；并统计分析具体采样点1、2、3的霜冻日8：00及前一日14：00的海平面气压、温湿风场、云量等关键气象要素，量化关键气象因子阈值，最终建立适用于中卫市春季霜冻的预报指标体系。
2 结果与分析
2.1 春季霜冻的环流背景
基于2009—2023年研究区气象站点高密度观测网络数据和ECMWF ERA5再分析资料发现，该地区春季共发生30次典型霜冻过程，其环流形势可分为槽脊东移型、横槽转竖型和纬向型。其中，槽脊东移型共出现6次，占比20%，分别出现在2011年4月28日，2014年4月25日、5月4日，2016年5月15日，2018年4月14日，2021年4月17日；横槽转竖型共出现15次，占比50%；分别为2009年4月1日，2010年4月12日，2011年3月28日，2012年4月3日，2014年4月10日，2016年4月3日，2017年3月26日、4月1日，2018年4月7日，2019年4月1日，2020年3月27日、4月12日，2022年5月1日，2023年4月7日、29日；纬向型共出现9次，占比30%，分别为2010年4月2日，2012年4月12日，2013年4月5日，2016年3月8日，2017年4月21日，2020年4月2日，2021年3月7日，2022年3月7日、4月2日。
综合表明，研究区春季霜冻以横槽转竖型为主，西西伯利亚高压脊与贝加尔湖横槽的冷空气持续堆积，配合贺兰山地形抬升及黄河河谷冷湖效应，形成强冷平流与动力下沉的协同作用，导致显著降温；纬向型较少，是因为平直西风环流下冷空气分股南下强度较弱，且六盘山地形抬升云系削弱辐射冷却；槽脊东移型最少，可能是深槽东移路径偏东，研究区仅受边缘影响，降温有限[2]。3类环流型均通过地面冷高压控制实现热力与动力耦合，但受环流动力与地形耦合作用的影响，降温幅度和持续时间差异显著。
2.2 春季霜冻关键影响因子特征
2.2.1 霜冻日8：00地面气象要素特征
（1）气压场特征：呈现显著纬度梯度特征（816.9～887.1 hPa），自北向南递减，南北气压差达70 hPa，反映冷高压南侵过程中的气压场空间差异。（2）湿度特征：相对湿度普遍偏低（46.1%～50.2%），反映干冷气团主导。（3）云量特征：总云量均值4～5成，但晴天占比突出（采样点1、2、3分别为24.0%、31.3%、29.2%），表明辐射降温显著。（4）风场特征：风速普遍较弱（2.1～2.4 m/s），79.2%的时段风速≤3 m/s，96.9%的时段风速≤5 m/s；风向以北风为主（39.6%～76.0%），静风频率2.1%～9.4%，表明冷平流输送路径。综合表明，霜冻日具有“高压控制、低湿少云、风弱多北风”的典型辐射—平流混合型特征。
2.2.2 霜冻前一日14：00地面气象要素特征
（1）气压场特征：气压均值在812.9～881.5 hPa（极端低值805.1～869.9 hPa），呈现随纬度升高而增大的空间分布。（2）温度场特征：气温均值11.3～16.0 ℃（极端高温25.1～29.2 ℃），日最低气温均值2.9～5.3 ℃，与纬度呈正相关。（3）湿度场特征：相对湿度均值25.4%～32.9%（极端高值82%～93%），随纬度升高而递减。（4）风场特征：平均风速4.2～5.1 m/s（最大风速8.5～14.1 m/s）；北风主导（占南北风向的69%～82.8%）。
综合表明，当前一日14:00出现高压（≥881.5 hPa）、低湿（≤33%）、强风（≥4 m/s）且北风持续时，配合低温背景（日最低气温≤5.3 ℃），会提升次日霜冻发生概率。此配置反映冷高压前缘干冷气团强势侵入，是辐射—平流混合型霜冻的典型预警信号。
2.3 春季霜冻预报关键指标
2.3.1 高空环流条件
环流背景分析表明，当500 hPa河套东部至华北存在冷槽，等温线密集、冷平流显著，且研究区处于西北气流控制下时，可为霜冻形成提供有利的高空动力背景。
2.3.2 地面气象要素阈值
春季霜冻关键影响因子特征分析表明，当霜冻前一日14：00的地面气象要素满足表1，且风向以北风为主时，易发生霜冻天气。采样点1：气压≥852.7 hPa，气温≤14.1 ℃，相对湿度≤27.8%，风速≥5.1 m/s。采样点2：气压≥881.5 hPa，气温≤16.0 ℃，相对湿度≤25.4%，风速≥4.2 m/s。采样点3：气压≥812.9 hPa，气温≤11.3 ℃，相对湿度≤32.9%，风速≥4.4 m/s。此外，最低气温阈值，采样点1≤3.2 ℃、采样点2≤5.3 ℃、采样点3≤2.9 ℃。
表1 霜冻前一日14：00气象要素参数阈值 |
| 参数 | 采样点1 | 采样点2 | 采样点3 | 物理意义 |
|---|---|---|---|---|
| 海平面气压/hPa | ≥852.7 | ≥881.5 | ≥812.9 | 冷高压强度指标 |
| 气温/℃ | ≤14.1 | ≤16.0 | ≤11.3 | 冷空气渗透程度 |
| 相对湿度/% | ≤27.8 | ≤25.4 | ≤32.9 | 晴空辐射潜力 |
| 风速/（m/s） | ≥5.1 | ≥4.2 | ≥4.4 | 冷平流输送强度 |
2.3.3 天气系统配置
强冷空气或寒潮过境后，次日8：00需满足：高压控制（气压持续偏高）、低湿（相对湿度≤50%）、晴空/少云（辐射冷却增强）、静风或弱北风（抑制湍流热交换）。以上条件显著提升霜冻发生概率。
综上所述，“高空冷平流+地面强高压+干冷北风”是研究区春季霜冻典型模型，适用于春季辐射—平流混合型霜冻的短期预报预警业务。
3 结论
本研究基于2009—2023年研究区多源气象观测数据及ERA5再分析资料，分析了春季霜冻天气的高空环流形势和地面气象要素特征，建立了区域霜冻预报指标体系。结果表明，（1）研究区春季霜冻多由强降温或寒潮天气引发，高空环流形势可分为横槽转竖型（50%）、纬向型（30%）、槽脊东移型（20%）3类。（2）霜冻前一日14：00的地面参数可作为重要预报预警指标，即气压越高、相对湿度越低、北风且风速越大、日最低气温及14：00气温越低，次日霜冻出现可能性越大。（3）当研究区气候要素同时满足高空场槽后西北气流控制，地面场强冷高压中心强度≥多年均值（寒潮或强冷空气影响），局地环境呈现高压区、低湿（少云/晴天）、静风或弱北风条件时，霜冻发生概率显著提升。
综合表明，横槽转竖型环流通过持续冷平流输送叠加地面辐射冷却，构成霜冻高发机制；而地面参数阈值（气压、湿度、风速等）可为霜冻短期预报预警提供量化依据，显著提升区域霜冻预报的准确性与时效性，为农业防灾减灾决策提供参考。