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  暴雨灾害   2018, Vol. 37 Issue (5): 410-420.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2018.05.003

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2018.05.003

资助项目

贵州省重大业务专项(黔气科合ZD[2016]01号);国家自然科学基金项目(41565001)

第一作者

甘文强, 主要从事天气预报及服务工作。E-mail:qxjgkz@sina.com

通信作者

杜小玲, 主要从事天气预报及冻雨、暴雨等极端天气研究。E-mail:13985141480@163.com

文章历史

收稿日期:2018-02-11
定稿日期:2018-05-15
2018年1月底至2月初贵州低温雨雪天气成因初探
甘文强 1, 蓝伟 2, 杜小玲 1, 朱文达 1, 齐大鹏 1, 唐磊 1, 胡亚文 3    
1. 贵州省气象台, 贵阳 550002;
2. 贵州省气象局, 贵阳 550002;
3. 贵州省盘州市气象局, 盘州 553537
摘要:2018年1月24日夜间至2月5日贵州出现低温雨雪天气。通过分析其特点,将该过程分为三个阶段,即中东部冻雨主导期、中西部弱雨雪期和中西部降雪发展期。本文利用常规观测资料和美国国家环境预报中心(NCEP)FNL 1°×1°再分析资料,对这一阶段的低温雨雪天气成因开展了分析,并基于观测要素统计结果构建上述三个阶段的探空模型。结果表明:(1)在三个阶段,亚洲中高纬度表现出不同的环流形势,分别出现了乌山阻塞形势、横槽转竖、两槽一脊形势;(2)4次强冷空气影响及静止锋西推是贵州自东向西出现低温雨雪天气的重要原因;(3)前期暖层与高湿区、后期冷区与高湿区的温湿特征造成不同相态降水,29日前有效降水促进了结冰较快增长;(4)三个阶段探空模型显示,不同相态降水均是静止锋后冷气团一侧锋面降水造成的结果,温度层结、湿层高度、逆温梯度、云顶温度、逆温底温度与地面温度对不同降水相态的形成具有重要影响。
关键词低温    降雪    冻雨    静止锋    降水相态    探空模型    贵州    
Tentative analysis on the cause of a low-temperature, freezing rain and snow event in Guizhou between the end of January and the beginning of February in 2018
GAN Wenqiang1, LAN Wei2, DU Xiaoling1, ZHU Wenda1, QI Dapeng1, TANG Lei1, HU Yawen3    
1. Guizhou Meteorological Observatory, Guiyang 550002;
2. Guizhou Meteorological Bureau, Guiyang 550002;
3. Panzhou Meteorological station of Guizhou Province, Panzhou 553537
Abstract: A low-temperature, freezing rain and snow event occurred in Guizhou from the nocturnal of 21 January to 5 February in 2018. This event can be divided into three stages, namely, freezing rain-predominated period in central and eastern Guizhou, light rain and snow period in central and western Guizhou, and snowfall-developing period in central and western Guizhou. Using datasets of conventional observations and NCEP FNL reanalysis grid data with 1°×1° resolution, we have conducted a causality analysis on the low-temperature, freezing rain and snow during the three stages of this event, and established three sounding models for freezing rain, weak rain and snow, and snow based on statistics of the observations. The main results are as follow. (1) In the three stages, there are different circulation patterns in the middle-high latitudes, i.e., emerging the Ural blocking high, the meridianal revising of the zonal trough and the two troughs and one ridge pattern, respectively. (2) The influence of four strong cold air processes and the westward movement of the stationary front are the important reasons that low-temperature, freezing rain and snow weather happened from east to west of Guizhou. (3) The precipitation phase is in coherence with the different temperature and humidity characteristics of being warm and humid before and cold and humid after this event, and the efficient precipitation promotes the rapid growth of ice before 29 January 2018. (4) Sounding models in the three stages show that all the different phased precipitation is caused by frontal precipitation occurred in the side of the cold air mass behind the stationary front. Many factors, such as temperature stratification, the height of the wet layer, the inversion gradient, the temperature of the cloud top, the temperature at the inversion bottom and the ground temperature, have important influence on the formation of different precipitation phases.
Key words: low-temperature    snow    freezing rain    stationary front    precipitation phase    sounding model    Guizhou    
引言

低温雨雪冰冻天气是我国低纬度高原地区冬季多发灾害性天气,往往给各行各业及人民群众工作生活造成严重影响。自2008年初我国南方发生低温雨雪冰冻灾害后,气象科学家及广大科技工作者愈加关注对这类灾害性天气的研究。在环流背景方面,已有的研究指出,欧亚大陆大气环流异常、中高纬度稳定的阻塞环流背景对冻雨天气维持十分有利[1-6]。陶诗言等[1]认为,2008年初南方异常冰雪灾害最突出的特点是江淮流域的降水具有夏季梅雨锋强降水的性质,即所谓“东行夏令”。赵思雄等[2]、孙建华等[3]的研究表明,中高纬度大气环流异常,“Ω”型阻塞形势稳定维持长达20余天是不多见的。丁一汇等[4]研究指出,乌拉尔山阻塞高压与中亚低槽形成的偶极子不但使冷空气从西路径入侵我国,且导致上游强西风气流明显分支,使得南支西风系统显著加强;欧亚地区大范围气流分成两支,分别从高纬度和低纬度绕过青藏高原向东流去,最后在长江流域汇合是造成2008年初冰冻雪灾的一个重要大气环流条件。王东海等[5]研究认为,阻塞上游50°N区域有极强的负涡度平流持续输送到阻塞区,使濒临崩溃的阻塞形势得以重新加强,从而使得阻塞形势长时间稳定维持。逆温层也是2008年我国南方大范围冻雨发生的一个必要条件[4]。杨贵名等[6]分析表明,当暖层较强、冷层也较强的上下层温度层结配置时,冻雨最明显、最强,这对预报典型冻雨天气非常重要。曾明剑等[7]的分析也表明,逆温区大于0 ℃的强度、厚度和高度不能太厚太低,也不能太薄太高;若其太厚太低,降水会以雨的类型降落至地面,若其太薄太高,则会以雪或冰粒的类型出现。上述研究不仅强调了中高纬度阻塞环流形势是大范围低温天气产生的重要背景,还强调了逆温层是南方大范围冻雨形成和长时间维持的必要天气条件之一。此外,准静止锋被认为是导致2008年初我国南方地区低温雨雪冰冻天气的重要影响系统。华南静止锋加强在对流层各层的水平锋生函数场上表现得很清楚,这种锋生区域的分布和锋生上升运动与夏季梅雨锋暴雨相似[1];尽管这条天气尺度的静止锋与夏季江淮梅雨锋相似,但其动力结构和热力结构不同,斜压性比梅雨锋更强[2-3]。由此钱维宏等[8]认为,2008年初江南持续冻雨天气是准静止锋活跃的结果,用相当位温梯度表示的湿大气锋生可有效描述准静止锋的活动及其与降水的关系。陶祖钰等[9]则利用探空和剖面资料揭示了2008年初华南准静止锋的坡度很小,仅为1/500,其结构具有东亚冬季气候锋的基本特征。

在贵州冻雨研究方面,杜小玲先后利用贵州48 a观测资料,揭示了贵州冻雨以27°N为频发地带的分布特征[10],同时还利用12次阻塞型强冻雨过程分析或归纳了乌拉尔山阻塞型和贝加尔湖阻塞型冻雨的天气学特征和概念模型[11];针对2011年1月贵州再次发生的仅次于2008年初的低温雨雪冰冻天气,揭示了强冻雨、冰粒及降雪天气的温度场、锋区结构、大气运动状况等存在差异[12];还分析了静止锋维持背景下2008年初低温雨雪冰冻和2009年初春低温阴雨对流两类天气的静止锋锋区结构的差异[13]。2018年1月底至2月初,贵州又出现持续10余天的低温雨雪灾害天气,其产生背景与2008年初、2011年初的低温雨雪天气有何异同?此次持续10余天的过程具有哪些特点,其温湿场结构如何?探空模型是怎样的?本文针对这些问题作了初步研究。

本文所用资料为NCEP\NCAR FNL 1°×1°格点分析资料、MICAPS高空观测资料(12 h间隔)和地面观测资料(3 h间隔)。另外,雨凇、降雪(含雨夹雪、小雪或冰粒)、电线结冰直径、积雪深度等数据均从地面观测资料中读取。

1 2018年初贵州低温雨雪天气的特点

2018年1月24日夜间开始至2月5日,贵州出现10多天低温雨雪天气(图 1ab)。经对相关观测资料的统计,可将本次低温雨雪天气过程分为下述三个阶段。

图 1 贵州省2018年1月24日—2月8日雨凇站次、降雪站次、0 ℃以下气温站次和最大电线结冰直径(单位: mm)日变化(a)与最大降水量(单位: mm)、最大降雪深度(单位: cm)和积雪站次日变化(b),以及1月27日08时— 28日08时(c)和2月4日08时—5日08时(d)的雨凇与降雪分布 Fig. 1 The diurnal changes of (a) freezing rain, snow and temperature blow 0 ℃ frequency and the maximum wire ice-coating diameter (unit: mm), and (b) the maximum precipitation (unit: mm), maximum snow depth (unit: cm) and snow cover frequency in Guizhou from January 24 to February 8 in1998, and the distribution of freezing rain and snow over Guizhou from (c) 08:00 BT 27 to 08:00 BT 28 January, and (d) 08:00 BT 4 to 08:00 BT 5 February 2018.

第一阶段(24日夜间至28日凌晨),以冻雨占主导的中东部雨雪增长期(以下简称冻雨主导期)。1月24日受强冷空气影响,贵州省东部和北部出现寒潮天气,25日08时贵州东部有6个县市最低气温降至0 ℃以下,4个县市出现雨凇,最大结冰直径为29 mm (含26.8 mm导线直径,下同)。25日强冷空气向贵州中西部推进,东部雨雪范围迅速扩大。26日08时有53个县市气温降至0 ℃以下,34县市出现雨凇,最大电线结冰直径增至36 mm,另有25个县市出现降雪。26—27日强冷空气进入贵州西部,低温雨雪范围继续扩大,28日08时(图 1c)低温雨雪达到最强,有73个县市气温降至0 ℃以下,59个县市出现雨凇,22个县市出现降雪,最大电线结冰直径达到41 mm。另从24 h最大降水量、积雪站次及最大积雪深度看,除26日08时观测到15 mm的24 h最大降水量外,其余24 h最大降水量为2~6 mm,积雪站次仅为5~9站,最大积雪深度仅1 cm。表明这一阶段降水相态复杂,雨雪混合,以冻雨为主,结冰增长较快。

第二阶段(28日白天至30日),雨雪区西移,冻雨减少,中西部弱降雪维持(以下简称弱雨雪期)。29日08时0 ℃以下低温虽然几乎遍及全省,但雨雪天气减少,此时雨凇减少至38个县市,西部有24个县市出现降雪。30日雨雪继续减少,到31日08时雨凇减至12个县市,西部仍有25个县市出现降雪。此阶段各地24 h最大降水量为2~4 mm,尽管先后有20~25个县市出现降雪,但积雪站次仅2~7站,最大积雪深度仅1 cm,基本是微量降雪到小雪。该阶段冻雨减少,降雪维持但强度很弱,具有弱降雪的特点。

第三阶段(31日以及2月1日夜间至5日凌晨),中西部降雪发展(以下简称降雪期)。31日08时至2月1日08时贵州西部有40个县市出现弱降雪,雨凇已减少到1个县。经2月1日白天间歇后,2月1日夜间到2日白天降雪天气再次发生,2日08时观测到73个县市气温降至0 ℃以下,包括贵阳在内的49个县市出现降雪,且有13个县市出现积雪,最大积雪深度达2 cm。3日仅限于西部的降雪维持。4日到5日凌晨降雪范围扩大,5日08时(图 1d)观测显示52个县市出现降雪(贵阳再次出现降雪),22个县市出现积雪,但最大积雪深度仅4 cm。此阶段24 h最大降水量为4 mm,积雪站次出现两次峰值,分别为2日08时和5日08时,但最大积雪深度最大仅3 cm,相当于最强达到中雪程度。表明这一阶段贵州中西部降雪频繁,普遍为小雪,1日夜间到2日上午以及4日出现两次中雪。

综上分析可知,自2018年1月24日夜间开始至2月5日,贵州出现较长时间低温雨雪天气,该过程持续时间较长,降水相态复杂,先后经历了三个阶段:第一阶段(24日夜间至28日凌晨),降水相态复杂,雨雪混合,以冻雨为主,结冰增长较快;第二个阶段(28日白天至30日),雨雪区西移,冻雨迅速减少,弱降雪维持;第三阶段(31日以及2月1日夜间至5日凌晨),中西部降雪发展,并出现两场中雪。

2 不同阶段的环流特征及其对低温雨雪天气的影响

无论是2008年初南方持续大范围低温雨雪冰冻天气,还是2011年1月贵州低温雨雪天气,其发生都与亚洲中高纬度持续稳定的阻塞环流形势密切相关。此次过程是否与2008年初、2011年初的低温雨雪天气的背景一样呢?对此,下文根据上述三个阶段分别进行讨论。

2.1 第一阶段

早在2018年1月20—23日500 hPa亚欧中高纬度已建立阻塞形势,乌拉尔山(以下简称乌山)附近为稳定的阻塞高压(以下简称阻高),高压中心为552 dagpm,亚洲中高纬度为宽广低压,极涡中心位于雅库茨克到鄂霍茨克海一带,中心值降至500 dagpm以下。24日08时至28日08时(图 2a),阻高中心位于乌山南侧,中心平均值达到560 dagpm,阻高不断向俄罗斯北部隆起,形成东北—西南向高压脊。其右前侧在新疆北部的阿勒泰地区形成532 dagpm的切断低涡,低涡与-40 ℃冷中心配合。同时东亚极涡强大且偏南,516 dagpm区域覆盖我国东北地区至鄂霍茨克海广大地区,极涡主体进入鄂霍茨克海,而在我国东北地区不断有新生低涡并入主体极涡。在这种西高东低的阻塞形势下,从贝加尔湖至北疆形成了东北—西南向横槽,有利冷空气不断南下影响贵州。中低纬地区,24日南支槽到达80°E附近,随后逐渐东移。24— 27日,贵州为逐渐东移的南支槽前西南气流影响,具有一定的水汽输送条件,有利降水发展。另外,850 hPa存在一条自30°N附近向贵州南部南压的切变线(图 2b),该切变线于24日进入贵州北部,28日08时向南进入华南北部,向西达到云贵交界处。此期间切变线南侧维持明显的西南气流,为这一阶段降水提供了有利条件。

图 2 2018年1月24日08时—28日08时500 hPa平均高度场(黑色实线,单位: dagpm)和温度场(红色等值线,单位: ℃)叠加图(a)以及850 hPa平均风矢量场(b,彩色阴影为高度大于3 500 m的青藏高原地形) Fig. 2 (a) Superposition of mean geopotential height (black solid lines, unit: dagpm) and temperature (red contours, unit: ℃) at 500 hPa and (b) the mean wind vector at 850 hPa from 08:00 BT 24 to 08:00 BT 28 January 2018. Color-filled areas mark the terrain more than 3 500 m in Tibetan Plateau.
2.2 第二阶段

2018年1月28—29日东亚极涡逆转,横槽转竖,引导地面强冷空气南下。30日前稳定在乌拉尔山南侧的阻塞高压和北疆的低涡均逐渐减弱,尤其是北疆的低涡转变为低槽并沿河西走廊东移,使得冷空气翻越秦岭后经四川进入贵州。低纬度地区,28—30日南支槽向东移出贵州,贵州由前期的西南气流转为偏西气流。同时,印度至孟加拉湾位势高度增加,副热带高压建立,表明这一阶段大气环流调整为西高东低型(图 3a)。

图 3图 2,但为2018年1月28日14时—31日02时 Fig. 3 Same as Fig. 2, but for duration from 14:00 BT 28 to 02:00 BT 31 January 2018.

与此同时,850 hPa切变线进入华南(图 3b),贵州受切变线北侧一致的东北气流影响,不利于产生有效降水。而在云南东部则存在南北向弱的风场辐合,考虑到实际的海拔高度,云贵之间850hPa的切变线基本可用来判断地面锋区。因而此阶段由于锋区进入云南东部,贵州受锋面影响的区域出现在其中西部地区,加上其辐合弱,也是贵州中西部雨雪弱的原因。

2.3 第三阶段

1月31日至2月5日08时(图 4a),500 hPa亚欧中高纬度两槽一脊环流形势加强。极地高纬度极涡南掉,取代了第二阶段的极涡,俄罗斯远东至我国东北地区形成一新的516 dagpm的低涡。从贝加尔湖东移出来的低槽迅速加深,使得东亚大槽强大且偏西偏南,槽底达到30°N附近,有利强冷空气直达华南。中低纬地区,从印缅地区到我国新疆以北地区均为高压脊控制。贵州处于脊前西北气流控制,但在西北气流上仍有短波槽频繁东移。850 hPa (图略),切变线主体到达华南沿海,其西段已到达云南中部一带,维持南北向弱辐合,即云贵之间低层风场与第二个阶段相似。但为何1日夜间到2日上午以及4日至5日凌晨贵州中西部降雪会加强?分析这两个时段700 hPa风场(图 4b)发现,从四川到重庆有一条切变线南压进入贵州,同时从川西北至贵州西部存在一个明显的冷舌(即温度槽),使得贵州处于-12~0 ℃的冷区。显然,在中层转为西偏北气流的背景下,该切变线不仅是降雪的主要动力条件,也是促进切变线北侧冷平流加强南压的动力因子,从而满足了降雪的温度条件。

图 4 2018年1月31日08时—2月5日08时500 hPa平均高度场(黑色实线,单位: dagpm)和温度场(红色等值线,单位: ℃)叠加图(a),以及2月1日20时—4日20时700 hPa平均风矢量场(箭头,单位: m·s-1)和温度场(红色等值线,单位: ℃)叠加图(b,彩色阴影为高度大于3 500 m的青藏高原地形) Fig. 4 (a) Superposition of mean geopotential height (black solid lines, unit: dagpm) and temperature (red contours, unit: ℃) at 500 hPa from 08:00 BT on 31 January to 08:00 BT on 5 February in 2018, and (b) the mean wind vector at 700 hPa from 20:00 BT 1 to 20:00 BT 4 February 2018. Color-filled areas mark the terrain more than 3 500 m in Tibetan Plateau.

另外,图 5a也显示了乌山阻高的逐日变化,即阻高在1月下旬维持到28日,直到28—29日横槽转竖,阻高才出现崩溃。而东亚极涡表现出持续强劲的特点,25日前极涡中心偏西(图 5b),位于110°—140°E之间。27—31日极涡强盛,中心逐渐东移。2月1—5日,极涡强度减弱,但随东亚大槽建立而加深,并在110°—140°E之间维持,造成2月初强冷空气加强。与2008年1月10日—2月2日长达20余天中高纬度西风带上始终维持很明显的Ω型阻塞环流以及2011年1月2—8日和15—24日亚洲中高纬度出现的两次阻塞形势相比,此次过程阻塞高压的存在时间明显偏短。

图 5 2018年1月23日—2月5日500 hPa高纬地区(45°—65°N)平均位势高度(黑色实线,单位: dagpm)的时间-经度(a. 50°—90°E;b. 90°—150°E)剖面图(图a中,阴影区平均位势高度大于等于548 dagpm,持续3 d以上闭合高压中心代表阻塞高压;图b中,阴影区平均位势高度小于等于520 dagpm,闭合低压中心代表东亚极涡) Fig. 5 Longitude-time cross section of mean geopotential height (black solid lines, unit: dagpm) at 500 hPa between 45°N and 65°N from January 23 to February 5 in 2018 (a. 50°-90°E, b. 90°-150°E). In (a), shaded areas show where mean geopotential height is greater than or equal to 548 dagpm, and closed high pressure center of lasting 3 days or more represents blocking high. In (b), shaded areas show where mean geopotential height is lower than or equal to 548 dagpm, and closed low pressure center represents East Asian polar vortex.
2.4 三阶段环流特征小结

上述分析表明,第一阶段亚洲中高纬度呈现阻塞环流形势,阻高稳定维持在乌山南侧,低纬度南支槽活跃,雨雪天气发展;第二阶段横槽转竖,锋区进入云南东部,辐合减弱,中西部雨雪减弱;第三阶段两槽一脊形势建立,东亚大槽加深,高原上多短波槽东移,加上700 hPa切变线南压进入贵州,造成贵州中西部降雪发展。可见,三个阶段表现出不同的环流背景,共同造成了此次低温雨雪天气。另经比较发现,此次低温雨雪天气的环流背景与2008年初和2011年初的差异很大,一是此次过程阻塞高压和南支槽主要出现在第一阶段,二是其维持时间相对较短。

3 四次强冷空气活动与静止锋西推对贵州低温雨雪天气的影响

上述环流背景造成此次低温雨雪灾害程度不及2008年初和2011年初,但该过程同样有多次强冷空气影响,与此相关的是地面锋面系统的变化以及后期静止锋的维持影响。以往研究表明[10],贵州强冻雨不仅与中高纬阻高环流有关,还与地面锋区密切相关,滇黔准静止锋是造成贵州低温雨雪的重要影响系统。2018年初贵州持续10余天低温雨雪天气与4次强冷空气活动的影响和静止锋逐渐西推密不可分。图 6给出24°—30°N之间海平面气压的时间变化,由图 6可分析冷空气对贵州区域(103.36°—109.32°E、24.38°— 29.14°N)的影响。另外,利用海平面气压中1 015— 1 025 hPa等压线梯度可判断地面锋区的大致位置。

图 6 2018年1月24日—2月4日24°—30°N平均海平面气压(单位: hPa)的时间-经度剖面图 (阴影区海平面气压大于等于1 015 hPa) Fig. 6 Longitude-time cross section of averaged sea level pressure (unit: hPa) between 24°N and 30°N from January 24 to February 4 in 2018. Shaded area shows where sea level pressure is4 greater than or equal to 1 015 hPa.

从冷空气中心值变化看(图 6),4次强冷空气分别出现在1月25—26日、28—29日、31日以及2月1日夜间—5日,且依次相接,显示强冷空气影响的不间断性和持续性。从锋区位置看,存在4次西伸过程。第一次明显的西伸出现在25—26日,锋区从110°E附近向西迅速推进到105°E以西,是冷锋影响阶段。而27日锋区在105°E附近摆动,表明冷锋在贵州西部转为静止锋,且略有东退,这一阶段对应贵州低温雨雪从东部向中西部扩大。第二次西伸出现在28—29日,受强度达1030 hPa的冷空气补充影响,锋区从105°E附近向西推进到102°E附近,即锋区从贵州西部进入云南东部,属于静止锋西伸阶段。30日锋区略有东退,在103°E附近摆动。从锋区第二次西伸到维持阶段,低温雨雪天气转至贵州西部到云南东部。第三次西伸出现在31日,受强度为1032.5 hPa的强冷空气补充影响,静止锋向西接近100°—102°E,在2月1日白天静止锋短暂东退后,2月1日夜间—4日静止锋出现第四次西伸,锋区维持在100°—102°E之间。在静止锋第三次和第四次西伸过程中,低温雨雪天气集中在贵州中西部和云南中东部。

上述分析表明,持续低温雨雪天气与4次强冷空气的影响和静止锋西伸密不可分,2月初冷空气强度大于1月底的冷空气强度,使得静止锋从贵州西部移向云南东部。由于锋区位置自东向西的变化,从而影响了低温雨雪区域的变化。

4 “前暖湿后冷湿”的温湿差异对降水相态的影响

大气的温度结构,对确定地面观测到的降水类型非常重要[14-18]。观测显示,贵州出现的低温雨雪天气几乎都发生在有锋面逆温存在的背景下,但不同降水相态的温度场、湿度场的垂直结构存在差异[12]图 7a给出1月24日—2月5日期间贵州省上空(103°—110°E)沿27°N的温度场和相对湿度场变化。从中看到:温度场上,25—27日近地面气温在0 ℃以下,700—800 hPa温度在0 ℃以上,700 hPa以上温度在0 ℃以下,此阶段温度呈现“冷-暖-冷”的垂直结构。28日是温度场的分界线,28日开始至2月5日,整层温度几乎都在0 ℃以下(1月31日—2月1日白天除外,下同),表现出冷性结构。湿度场上,表现为前低后高趋势。24—27日相对湿度为60%以上的高湿区(阴影区)出现在700 hPa附近,28—30日高湿区向上伸展到达600 hPa附近,2月1—5日高湿区伸展高度接近500 hPa,且-10 ℃线向下进入到高湿区。综合分析表明,24—27日低温雨雪区以中低云为主,并具有暖云特征;自28日开始到2月5日,中低云逐步向上伸展,从而具有冷云特征。

图 7 2018年1月24日—2月5日贵州上空(103°—110°E)沿27°N的不同物理量[a.温度(等值线,单位: ℃)和相对湿度(阴影,单位: %);b.水汽通量散度(等值线,单位: 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)和云水(阴影区,单位: 10-3kg·kg-1)]的时间-高度剖面图,以及1月27日20时(c)和2月4日20时(d)沿27°N的温度(等值线,单位: ℃)和相对湿度(蓝色阴影,单位: %)纬向剖面图(灰色覆盖区为地形高度) Fig. 7 Height-time cross section of (a) temperature (contours, unit: ℃) and relative humidity (shaded, unit: %) and (b) water vapor flux divergence (contours line, unit: 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1) and cloud water (shaded, unit: 10-3kg·kg-1) along 27°N over Guizhou region (103°-110°E) from January 24 to February 5 in 2018. Zonal cross section (gray shaded denotes terrain) of temperature (contours, unit: ℃) and relative humidity (blue shaded, unit: %) along 27°N at (c) 20:00 BT 27 January and (d) 20:00 BT 4 February 2018.

为进一步了解此次过程不同相态时温湿分布结构,本文选取1月27日夜间(冻雨最多)、2月4日20时(降雪最多)沿27°N分别作温湿纬向剖面图(图 7cd)。27日20时高湿区向西到达105°E附近,95%以上的近饱和区覆盖了106°E以东区域,并多与0~5 ℃的暖区匹配,而高湿区的上下界则是0 ℃以下的冷区(图 7b),因而覆盖贵州中东部地区的中低云在“冷-暖-冷”结构中存在明显的暖云特征。由于高湿区冷云接地,反映出降水较明显。而在2月4日20时(图 7c),高湿区主要存在于700—500 hPa之间,显然云系向上抬升。此时,湿区向西越过了102°E,与-10 ℃左右的冷区匹配的有降雪的冷湿区主要影响103°—108°E之间区域,表明此时主要的降雪出现在贵州中西部至云南东部。显然,不同的温湿特征导致了不同的降水相态。

除合适的温度条件外,还需要合适的水汽条件,低温雨雪天气才能出现。从贵州上空水汽通量散度及云水含量变化图上可见(图 7b),29日前贵州低层存在较明显的水汽辐合,并在中低层形成有效云水,是中低层能成云致雨的关键,有利的降水条件是结冰增长的重要原因。29—31日低层辐合转为弱的辐散,但中层仍有弱的辐合和少量的云水,反映这一阶段雨雪减小强度减弱。1日夜间到2日从低层到中层均有弱的辐合,同时云水出现一个峰值。4日基本处于无辐合辐散区,但600 hPa层附近也出现一较小的云水峰值,这基本反映了这两个时段出现的降雪。

上述分析表明,温度场具有“前暖后冷”的特点,湿度场29日前高湿区集中在700 hPa以下,29—31日达到600 hPa附近,2月1日夜间到5日凌晨接近500 hPa高度。进而说明1月28日前贵州中低层具有暖湿结构,有“暖云”降水特征,而中东部地区在有利的温度条件下,“暖云”降水形成冻雨,促进地面结冰增长;28日后具有“冷云”降水特征,“冷云”造成中西部降雪,由于水汽辐合减弱,从而形成弱降雪。

5 不同降水相态在T-Lnp图上的差异

为了揭示此次低温雨雪过程不同降水相态在T-Lnp图上的差异,分别统计了上述三个阶段相应的探空资料。以3个探空站即贵阳(57816)、威宁(56691)与怀化(57749)分别反映贵州中部、西部及东部的大气层结温湿状况,统计时段分别为25日08时—28日08时(第一阶段)、28日20时—30日20时(第二阶段)和31日08时—2月5日08时(第三阶段),第一阶段统计怀化、贵阳及威宁站两个时次的资料,第二阶段和第三均统计贵阳和威宁站资料。需要说明是,第一阶段之所以统计威宁站资料,是因为25—26日锋区第一次明显西伸时该站25日20时—26日11时受冷空气短暂影响,26日05时和08时观测到雨凇;28—29日锋区第二次西伸时,28日02—08时威宁站同样观测到雨凇,因而统计了26日08时及28日08时威宁站资料;在第三个阶段中2月1日白天全省基本无雨雪,故未统计该站1日08时的资料。表 13中统计了云顶气温\露点和气压、逆温顶气温\露点和气压、逆温底气温\露点与气压、地面气温\露点与气压。云顶高度在T-Lnp图上为温度露点差(TTd)小于等于4 ℃的相对湿度高湿区所在高度。考虑到下文还需借助T-Lnp图来绘制探空模型,因而未将气压换算成高度。根据上述三个阶段,对不同降水相态在T-Lnp图上的差异统计分析如下。

表 1 2018年1月25日08时—28日08时各探空站特征参数统计值 Table 1 Statistical parameters at different sounding stations from 08:00 BT 25 to 08:00 BT 28 January 2018.

表 2 2018年1月28日20时—30日20时各探空站特征参数统计值 Table 2 Statistical parameters at different sounding stations from 20:00 BT 28 to 20:00 BT 30 January 2018.

表 3 2018年1月31日—2月5日不同时次各探空站特征参数统计值 Table 3 Statistical parameters at different sounding stations from 08:00 BT to 20:00 BT 31 January, 20:00 BT 1 to 08:00 BT 5 February 2018.
5.1 第一阶段探空特征

表 1给出此阶段各探空站特征参数统计结果。从中可见,平均云顶高度、气温和露点分别为656.3 hPa、-3.4 ℃、-5.4 ℃,平均逆温顶高度、气温和露点分别为756.1 hPa、4.3 ℃、3.1 ℃,平均逆温底高度、气温和露点分别为840.7 hPa、-6.6 ℃、-7.6 ℃,平均地面气温、露点和气压分别为-2.3 ℃、-2.5 ℃和918.3 hPa。分析表明,在以冻雨占主导的雨雪增长期,云顶高度及逆温底的高度均偏低,两者温度处于-7~-3℃之间,是过冷水适宜的环境温度。逆温梯度明显,最大16 ℃、平均超过10 ℃。逆温顶部具有明显的暖层,暖层平均温度可达5 ℃左右,暖层厚度最大150 hPa、暖层占比80%,暖层厚度超过100 hPa占比47%。显然,暖层对冻雨产生具有重要作用,但在少数情况下没有暖层同样形成了冻雨。

5.2 第二阶段探空特征

表 2给出第二阶段贵阳和威宁两个探空站特征参数统计结果。从中看到,此时平均云顶高度、气温和露点分别为662.4 hPa、-5.6 ℃、-7.3 ℃,平均逆温顶高度、气温和露点分别为694.7 hPa、-3.2 ℃、-4.8 ℃,平均逆温底高度、气温和露点分别为751.0 hPa、-8.1 ℃、-9.3℃,平均地面气温露点和气压分别为-3.7 ℃、-5.1℃、828.2 hPa。可见,此阶段云顶高度及逆温底距地面的平均高度与第一阶段的接近但均偏低。而逆温梯度平均约5 ℃,明显低于第一阶段的逆温梯度。值得注意的是,此阶段逆温虽存在,但并未出现暖层,使得温度层结具有冷性结构的特点,同时逆温底气温更低,大多为-11~-7℃,可能是过冷水与冰相粒子共存的环境温度。

5.3 第三阶段探空特征

表 3给出第三阶段贵阳和威宁两个探空站特征参数统计结果。从中看到,此时平均云顶高度、气温和露点分别为563.5 hPa、-10.4 ℃、-10.9 ℃,平均逆温顶高度、气温和露点分别为657.2 hPa、-5.4 ℃、-6.7 ℃,平均逆温底高度、气温和露点分别为719.7 hPa、-10.8 ℃、-12.8 ℃,平均地面气温、露点和气压分别为-3.7 ℃、-6.2 ℃、844.1 hPa。显然,这一阶段云顶高度最高,接近550 hPa。逆温底距地面最高,最高达到288 hPa,平均超过120 hPa。与第二阶段一样,虽存在逆温,但并无暖层,温度层结具有冷性结构。云顶和逆温底气温均降至-10 ℃以下,是产生降雪的关键温度条件。

5.4 基于观测要素统计的不同降水相态的探空模型

根据上述三个阶段的统计结果,制作了三个阶段的探空模型(图 8)。图 8T-Lnp图为背景,将表 13中统计的各参数的平均值分别绘制在图中,形成如下探空模型,分别对应冻雨(图 8a)、弱雨雪(图 8b)和降雪(图 8c)三类天气。

图 8 基于观测要素统计的三类降水相态(a.冻雨;b.弱雨雪;c.降雪)的探空模型(黑色实线为温度线,蓝色实线为露点线) Fig. 8 The sounding models of (a) freezing rain, (b) weak rain and snow and (c) snow based on statistics to observations. Black solid lines denote temperature lines, and blue solid lines denote dew-point lines

图 8中可见,不同降水相态占主导时,探空图既有相同也有不同之处。相同之处在于,中低层均有逆温存在,属于锋面逆温,不同相态的降水均是静止锋锋后冷气团一侧锋面降水的结果。不同的是:1)从温度层结看,冻雨时存在明显暖层,具有“冷-暖-冷”层结特点,暖层对冻雨产生具有重要作用,但在少数情况下没有暖层同样可以形成冻雨,而弱雨雪和降雪时未观测到暖层,冷性结构特点明显;2)从逆温梯度看,冻雨时逆温梯度最大,弱雨雪和降雪时逆温减小;3)从湿层伸展高度看,冻雨及弱雨雪时,湿层伸展高度低于650 hPa,降雪时湿层伸展高度高于600 hPa,与2011年初的雨雪高度位于500 hPa附近相比[12],无论是弱雨雪还是降雪的高度均偏低;4)从云顶或逆温底温度看,冻雨时两者温度介于-7~-3 ℃之间,弱雨雪时逆温底的温度达-11~-7 ℃,降雪时两者温度均(或之一)低于-10 ℃;5)从地面气温看,三种相态平均地面气温均低于0 ℃。

6 结论

2018年1月底至2月初,贵州出现持续10余天的低温雨雪灾害天气。该过程持续时间较长、降水相态复杂。本文按照雨雪特点将其分为三个阶段,对各阶段雨雪成因开展了诊断分析和探空参数资料统计,主要结论如下:

(1) 不同于2008年初和2011年初亚洲中高纬度持续长时间的阻塞环流,该过程阻塞高压和南支槽维持时间较短,但东亚极涡强度大且偏南、持续时间长。第一阶段亚洲中高纬度是阻塞环流形势,阻高稳定维持在乌山南侧,低纬度南支槽活跃,锋区活跃西伸,雨雪天气发展;第二阶段横槽转竖,锋区进入云南东部,水汽辐合减弱,雨雪减弱;第三阶段两槽一脊形势建立,东亚大槽加深,高原上多短波槽东移,加上700 hPa切变线南压进入贵州,造成中西部降雪发展。

(2) 4次强冷空气活动影响及锋区西推,是贵州自东向西出现低温雨雪天气的重要原因。

(3)“前暖湿后冷湿”的温湿结构造成此次低温雨雪天气中不同的降水相态,同时29日前低层有较明显的水汽辐合,并形成一定量的云水,进而产生降水,而有效降水是促进结冰增长的重要原因。

(4) 基于探空站观测要素分析结果,构建了具有不同雨雪特征三个阶段的探空模型。其相同之处是,不同相态降水均是静止锋锋后冷气团一侧锋面降水的结果。不同点是:1)冻雨在多数情况下具有“冷-暖-冷”温度层结特征,逆温梯度最大,湿层伸展高度低,云顶或逆温底温度适宜过冷水存在;2)弱雨雪时,温度层结具有冷性结构特点,逆温梯度较小,湿层伸展高度低,逆温底温度可能适宜过冷水与冰相粒子共存;3)降雪时,温度层结具有明显的冷性结构特点,逆温梯度较小,湿层伸展高度较高,云顶或逆温底温度均(或之一)低于-10 ℃,适宜冰晶形成。

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