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  暴雨灾害   2020, Vol. 39 Issue (5): 487-495.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2020.05.007

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2020.05.007

资助项目

中国气象局预报员专项(CMAYBY2020-085);湖南省气象局预报员专项(XQKJ19C010);湖南省气象局重点项目(XQKJ17A004);湖南省科技厅重点领域研发计划项目(2019SK2161)

第一作者

刘红武, 主要从事灾害性天气预报研究工作。E-mail:45877780@qq.com.

通信作者

唐林, 主要从事云雾物理与人工影响天气研究工作。E-mail:14209490@qq.com.

文章历史

收稿日期:2019-12-10
定稿日期:2020-07-26
2018年12月湖南极端低温暴雪环流特征及成因分析
刘红武1,2 , 李振3 , 唐林4 , 唐杰1 , 苏涛1 , 姚蓉1     
1. 湖南省气象台, 长沙 410118;
2. 湖南省气象防灾减灾重点实验室, 长沙 410006;
3. 湖南省气象局, 长沙 410118;
4. 湖南省人工影响天气领导小组办公室, 长沙 410118
摘要:应用多源资料对2018年12月发生在湖南省一次极端低温暴雪天气过程及环流异常特征进行了分析。结果表明:此次天气过程中,暴雪与低温均达到极端事件,湖南11县市最低气温突破历史同期极值,益阳南县的积雪深度创历史记录;中高纬度乌山阻塞高压和低纬度南支槽异常偏强,西伯利亚冷空气堆异常强盛,地面中心气压达1 070 hPa,副高较常年偏强偏北,副热带锋区强盛,南北温度梯度达18℃以上,是造成此次过程的大尺度环流背景场;锋生函数在降雪加强初期指示作用明显;700 hPa西南低空急流加强、湿层发展至400 hPa以上、高低空急流耦合及700 hPa低槽过境为降雪加强提供了有利的水汽和动力条件;东北-西南向云带中镶嵌有-20℃~-40℃中尺度云团持续经过湖南是造成极端暴雪的直接原因,雷达回波径向速度场存在明显的“牛眼”特征,2.4 km以上有深厚的西南急流建立,且维持了近14 h,是强降雪持续的主要原因。
关键词极端暴雪    低温    环流异常    锋生函数    水汽条件    中尺度特征    
Circulation characteristics and causes of extreme low temperature and blizzard in Hunan in December 2018
LIU Hongwu1,2 , LI Zhen3 , TANG Lin4 , TANG Jie1 , SU Tao1 , YAO Rong1     
1. Meteorological Observatory of Hunan Provincial, Changsha 410118;
2. Meteorological Disaster Prevention and Reduction Key Laboratory of Hunan Province, Changsha 410006;
3. Hunan Meteorological Bureau, Changsha 410118;
4. Leading Group Office of Weather Modification in Hunan Province, Changsha 410118
Abstract: Using multi-source data, an extreme snowstorm event and its circulation anomaly in Hunan Province on December in 2018 were analyzed. The results show that the snowstorm was a rare extreme weather event. The depth of snow cover in Nanxian, Yiyang and the lowest temperature in Linli, Changde, all set their records. The blocking high pressure in Ural Mountains and the south branch trough in the low latitudes are abnormally strong as well. With the surface center pressure of 1 070 hPa, the Siberian cold airmass is unusually powerful. The Western Pacific subtropical high is stronger, and positioned to the north and slightly westward than in normal year. At the same time, the subtropical front is strong, and the temperature gradient from north to south is above 18 ℃. These are the background field of the large-scale circulation that caused this event. In the early stage of snow enhancement, the function of frontogenesis has an obvious indicating effect. Favorable water vapor and convergence conditions for the intensification of snowfall are provided due to the intensification of 700 hPa southwest jet, the development of wet layer to more than 400 hPa, the coupling of high and low level jet and the passage of low trough at 700 hPa. The northeast-southwest cloud belt is inlaid with meso- β-scale cloud clusters of -20~-40 ℃, the continuous passage of which through Hunan is the direct cause of the extreme blizzard. The obvious "bull's eye" characteristic has shown in radial velocity field of radar echo. Established and maintained for nearly 14 hours, the deep southwest jet over 2.4 km becomes one of the main reasons for the persistence of heavy snowfall.
Key words: extreme blizzard    low temperature    circulation anomaly    frontal function    vapor condition    mesoscale features    
引言

雨雪冰冻是中国中部地区常见的一种灾害性天气现象,往往造成严重的灾害损失,对人们生产生活影响极大(林良勋等,2009孙艳辉等,2017陈红专等,2012)。对降雪特别是雨雪相态转换等形成机理及预报一直是气象学者研究的主要内容,国内外学者从多方面开展了暴雪成因研究。Perry等(2007)应用美国国家海洋和大气管理局NOAA开发的拉格朗日轨迹模式HYSPLIT追踪暴雪过程的水汽来源;Kawashima等(2005)应用多普勒天气雷达细致地分析了降雪云带的发生发展;Bosart(1981)认为欧美的暴雪多与温带气旋的发生、发展有关。国内学者在暴雪形成机理方面也做了不少研究工作(胡顺起等,2017田秀霞等,2016姚晨等,2018刘晶等,2018李灿等,2009)。另外,索渺清等(2014)探讨南支槽与孟加拉湾风暴结合对高原东南部强烈天气的影响过程,认为上游冷空气沿南支西风到达孟加拉湾,促使南支槽加深和维持有利于引导孟加拉湾风暴北上;苗爱民等(2011)认为特大暴雪、大暴雪云系的生成、发展及移动与700 hPa切变线和低空急流的生成、发展、移动及存亡息息相关;顾佳佳等(2015)总结了2014年河南暴雪过程的三维空间结构特征;张小玲等(2000)从散度和散度变率、涡度和涡度变率等方面开展了暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断研究;李津等(2017)对华北地区的一次大暴雪过程进行了诊断分析,通过计算锋生函数、能量收支、水汽输送等物理量探讨暴雪形成的原因。

湖南地处亚热带季风气候区,三面环山,开口向东北的马蹄形特殊地形,使得湖南在冬季易受冷空气影响,从而发生低温雨雪冰冻灾害性天气,但出现暴雪尤其是大范围暴雪,在湖南比较罕见。姚蓉等(2012, 2014)针对湖南雨雪天气也做了一些研究,认为乌拉尔山前部南下的冷空气与来自孟加拉湾及南海的暖湿气流在湖南长时间交汇产生锋生强迫,在静止锋区上界形成强辐合上升运动,是湖南大范围暴雪天气持续的主要原因。2018年12月27日—2019年1月2日,湖南经历了一次历史上罕见的暴雪、低温天气过程,具有影响范围广、过程持续时间长、降雪强度大,气温异常低、社会影响大等特点,多站积雪和最低气温突破历史极值,达到极端事件标准。对当地交通、电力、通信、农业、林业和居民生活等带来重大影响。本文将试图从大尺度环流异常及其动力机制、中尺度系统特征、水汽输送等方面揭示此次罕见极端暴雪天气的成因,以期今后对湖南此类暴雪天气过程预报提供参考。

1 资料和方法

本文所用资料包括:1951—2018年逐年12月的地面和高空常规观测资料及NCEP/NCAR逐6 h再分析资料(水平分辨率为1°×1°)、2018年12月27日—2019年1月2日湖南省区域自动站资料、湖南常德多普勒天气雷达资料和FY-2G卫星云图资料等。通过气候统计和合成方法,结合天气学诊断方法,从实况观测资料、环流气候异常、暴雪形成的动力、热力和水汽条件等关键因子揭示此次极端区域暴雪的特点及其成因。文中所用时间均为北京时。

2 过程概况

2018年12月27日晚至2019年1月2日白天,湖南全省出现了一次大范围持续性低温雨雪冰冻天气过程,其中29日夜间至30日白天出现了区域性极端暴雪,有70县市出现了大雪以上量级降雪,55县市出现了暴雪(图 1a),最大降雪量为24.5 mm (益阳沅江);有80县市出现积雪,其中41县市积雪深度在10 cm以上(图 1b),最大积雪深度20 cm (益阳南县),突破历史极值。过程期间全省平均气温为0.5 ℃,较常年同期偏低4 ℃,各县市最低气温均在0 ℃以下(-8.3~-0.6 ℃),有81县市最低气温在-2 ℃以下,极端最低气温达-8.3 ℃ (12月31日,临澧),创历史最低值,常德、张家界、湘西州、怀化北部等11县市突破历史同期极值(图 1c),达到极端事件标准(DB43/T 838—2013)(廖玉芳等,2013)。此外,整个过程有62县市先后出现了冰冻(图 1d),其中15县市出现中等冰冻,最长持续天数为6 d (郴州),最大电线积冰厚度为10 mm (汝城,12月31日)。

图 1 2018年12月29日20时—30日20时湖南降水量分布(a, 单位: mm)、积雪站点与积雪深度(b, 单位: mm)、最低气温分布(c, 单位:℃, )及积冰站点与最大厚度(d, 单位: mm) (表示积雪站点,表示该站破极值,表示积冰站点) Fig. 1 (a) Distribution of precipitation from 20:00 BT 29 to 20:00 BT 30 December in 2018(unit: mm), (b) snowpack station and snowpack depth (unit: cm), (c) distribution of minimum temperature (unit: ℃) and (d) ice deposit station and maximum thickness (unit: mm) in Hunan province. (indicates snowpacks station, indicates that station has broken the extreme value, indicates ice deposit station)

从天气实况演变可知,12月27日湘西北山区开始出现雨夹雪或小雪,28日至29日白天降雪区域扩大至湘西、湘北;29日夜间至30日降雪加强南移,雨雪分界线南压至湖南南部的邵阳、衡阳一带,出现了成片的暴雪天气;30日夜间至31日除湘东南仍有雨夹雪和冻雨外,其他地区受弱脊控制雪停转阴天,31日早晨全省气温降至最低,平均最低气温为-3 ℃;2019年1月1日至2日受高空短波槽东移影响,降雪再次发展,但量级为小到中雪。

对比近10 a的天气实况发现,近10 a来共发生了4次大范围暴雪、低温和冰冻天气,根据过程积雪深度统计,从全省范围来看,本次过程降雪强度和范围要强于2008年和2018年1月24—31日的持续性低温雨雪冰冻过程,不及2011年1月17—25日过程。根据最大电线积冰厚度统计,其冰冻范围要比2011年1月17—25日的大。分析1951年以来的12月积雪情况,发现有11次区域性暴雪天气过程,根据影响区域与强最主要的特点是暴雪与低温均达到极端事件标准,在度划分,2018年年底的暴雪天气位列第四。本次过程历史上实属罕见。

3 大尺度环流背景及异常分析 3.1 欧亚大陆环流形势异常

此次低温雨雪过程开始前,在贝加尔湖上空有一强盛的冷性低涡,其中心强度达到488 dagpm,且持续稳定在50°N以北4 d之久,对应冷中心温度为-42 ℃,29日20时开始,受乌拉尔高压脊东移影响,贝湖冷涡向东南发展,且其前部锋区持续加强;同时,平直而强盛的西风锋区上有分裂短波槽东移。将2018年12月27日—2019年1月2日的500 hPa平均高度场与气候同期分阶段进行对比分析(图 2)可见,此次过程副高在纬向分布上大于常年同期,588 dagpm线北界推至20°N以北,明显高于气候同期的15°N,说明此次过程副热带高压(以下简称副高)位置偏北十分明显。副高的这种稳定异常极为有效地阻止了冷空气的向南推进,造成了湖南南部地区温度梯度很大,从而形成了南北温差较大的温度分布,是此次过程湘中以北纯雪而湘南冻雨的关键因素。此外,由图 2a可见,在雨雪发生的前半阶段,中高纬度欧亚地区的乌拉尔山高压脊异常偏高,与之相对应的在50°N以北区域均为强正距平区,最大正距平达20 dagpm以上,说明冷空气活动频繁,西伯利亚冷空气堆异常强盛;同时,从中国东北地区到日本为高度负距平带,使得影响我国的冷空气主体偏东偏北,不利于冷空气整体性向南爆发,致使冷锋锋面长时间在南岭附近停留,有利于雨雪天气持续维持。在雨雪过程后半段,即12月31日—1月2日,乌山高压脊东移南落,大气环流在中高纬发生一次波动调整,540 dagpm线于30日晚自55°N迅速南移至45°N附近(图 2b),表明31日开始我国东北地区至日本海一带高度距平由负转正,同时随中纬度南支槽逐渐东移,30°N以南的南支锋区高度场距平也由负转正,孟加拉湾区域的水汽东输比28—29日明显减弱,到1月2日20时,阻塞高压进一步东移至俄罗斯远东地区,冷高压东移入海,降雪过程结束。

图 2 2018年12月27日—30日(a)和2018年12月31日—2019年1月2日(b) 500 hPa平均场(等值线)及距平(色斑) (单位: dagpm) Fig. 2 The 500 hPa mean height field (contour) and anomaly (shadow) from (a) 27 to 30 December 2018 and (b) 31 December in 2018 to 2 January in 2019 (unit: dagpm).
3.2 阻塞高压异常

为分析此次过程中阻塞高压的强盛程度和异常特征,应用Tibaldi等(1990)提出的阻塞指数计算方法,计算了2018年12月27日—2019年1月2日期间的平均阻塞指数并与气候同期进行对比。由图 3a可知,此次过程的大气环流存在一次阻塞事件(GHGS>0),发生在105°E附近;同时此次过程曲线的变化幅度远大于气候同期,说明此次过程的经向扰动很大,槽脊发展明显。阻塞指数的时间—经度剖面(图 3b)进一步显示了此次过程中阻高事件的发生发展。黑色阴影区的500 hPa高度梯度GHGN > -10,说明该区域不满足阻塞条件,其他区域中大于0的部分表示同时满足GHGS > 0和GHGN < -10,可诊断为一次阻塞过程。阻塞指数的分布表明此次阻塞事件于29日白天形成,随后阻高不断加强东移,至1日晚上结束。以上分析表明,当25日55°N附近位势高度增大时,阻塞高压随之加强,是28—30日最强雨雪冰冻天气发生的前兆,具有较好的指示意义。

图 3 2018年12月27日—2019年1月2日的平均阻塞指数(GHGS) (a, 单位: gpm.(deg lat)-1)随经度变化与气候同期阻高强度的对比、阻塞指数(GHGS) (b, 单位: gpm.(deg lat)-1, 黑色阴影区表示高度梯度GHGN > -10)时间-纬向剖面图 Fig. 3 (a) Comparison of mean blocking index from 27 December 2018 to 2 January 2019 with longitudinal variation and climate synchronization blocking intensity(unit: gpm.(deg lat)-1), and (b) blocking index time-latitude profile(unit: gpm.(deg lat)-1, the black shaded area indicates GHGN > - 10).
3.3 南支槽及高原槽特征及异常

由2018年12月25日—2019年1月2日85°—95°E平均500 hPa位势高度经向—时间演变(图 4)可看出,在过程发生前即12月26日前中高纬度表现为平直西风环流,500 hPa上无明显槽脊活动;26日,乌拉尔山高压脊迅速发展,从中亚到西亚的低槽区宽广且稳定,该系统使得来自西伯利亚的冷气流在到达中国新疆地区后,由于大地形阻挡而出现气流分岔,往南的气流沿青藏高原南麓继续向东南方向移动,到达孟加拉湾后使得南支槽强烈发展,这种变化在逐时次的高度场中尤为清楚(图略),28日20时的高度场上,564 dagpm线南落至30°N以南,南支槽的加深发展持续至30日,最强时10个纬距之间约有4~5条4 dagpm间隔的等值线,同时副高加强西伸,两个天气系统的同时增强,使南支槽前的水汽输送明显增大,我国江南整层湿度层结增厚;此外,29日晚青藏高原东部低槽受高压脊前偏北气流影响,明显增强并向东移动,并与南支低槽同位相叠加,强烈的高空动力强迫作用使得湖南上空的位势不稳定增强,迫使该区域水汽辐合上升运动增强,这对应为此次过程的最强降雪时段。当高空槽东移后,中纬度高空环流仍较为平直,31日夜间南支锋区上分裂短波槽,使得湖南中北部的雨雪再度发展,至1月2日,高空槽东移,高空环流为弱脊控制,雨雪过程结束。

图 4 2018年12月25日—2019年1月2日85°—95°E平均500 hPa位势高度(单位:dagpm)经向-时间演变图 Fig. 4 The longitude-time cross section of the average geopotential height (unit: dagpm) on 500 hPa between 85°E to 95°E from 25 December 2018 to 2 January 2019.

与常年同期相比(图略),气候上南支槽受较为平直的气流控制,仅叠加弱的波动;2018年12月27日— 2019年1月2日80°—100°E整个区域都位于槽区内,槽线处于88°E附近,表明此次过程的南支槽存在较为明显异常。

3.4 地面冷高压异常

冷空气活动过程中地面冷高压的强度和位置往往能表示冷空气的强度和移动,同时期平均海平面气压的对比表征了此次过程冷高压异常(图 5)。气候同期的地面图上表现为1 035 hPa的高压中心(图 5a)位于贝加尔湖西侧,湖南气压在1 025 hPa左右,整个东亚大陆受高压控制,但相对较弱;此次过程平均冷高压中心同样位于贝加尔湖西侧,但中心强度达到1 055 hPa以上(图 5b),29日达1 070 hPa,等值线密集,整个大陆都处在强盛冷高压的控制之下,1 035 hPa线南压至湘南地区,说明此次冷空气十分强盛,导致持续的低温,为此次雨雪冰冻过程创造了良好的温度和动力条件。

图 5 2018年12月27日—2019年1月2日平均海平面气压场(阴影, 单位:hPa)(a, 气候平均;b, 本次过程)及区域平均温度廓线对比图(c, 单位:℃) Fig. 5 The mean sea level pressure (shadow, unit: hPa) field from 27 December 2018 to 2 January 2019 (a: climate average, b: this event), and (c) comparison of regional average temperature profiles (unit:℃).

为对比本次过程与气候同期气温变化差异,将湖南沿27.5°N划分为南(109°—114°E,25°—27.5°N)、北(109°—114°E,27.5°—30°N)两个区域。南北区的温度廓线对比(图 5c)可以看出气候同期湖南区域800 hPa以下温度基本大于0 ℃,南区温度高于北区1~2 ℃,温度随高度增加而减小,未见明显逆温;对于本次过程,600 hPa以上的温度与常年基本一致,表现为南区温度高于北区3~4 ℃,低层温度差异较大,相差8 ℃左右,750 hPa高度处存在显著逆温,北区整层温度低于-2 ℃,上下一致的低温层,造成湘北的降水表现为纯雪相态,南区廓线在750 hPa逆温区附近存在温度高于0℃的融化层,厚度大约1.2 km,同时低层存在低温冻结层,近地面温度也小于0℃,这种特殊的温度层结,造成该区域出现了冻雨天气。

4 极端暴雪形成的有利条件 4.1 锋生函数及其作用

锋生函数表征冷暖空气聚集的程度。根据水平锋生函数公式计算低层锋生函数发现,850 hPa的锋生函数表现更明显(图 6),在湖南降雪加强之前,位于湖南上游的锋生函数开始加强,其中心最大超过20×10-10K·m-1·s-1(图 6a),说明冷暖气流在此交汇剧烈,湖南西部降雪已经开始发展,结合天气形势分析,引起此时锋生函数加强的主要原因是西南暖湿气流加强。30日02时(北京时,下同)(图 6b),锋生带南北位置变化不大,中心强度开始减弱,但12×10-10 K·m-1·s-1等值线东扩到了湖南境内,此时湖南的西部与中北部降雪加强明显,正处于最强时段内。30日08时(图 6c),850hPa锋生函数减弱明显,但此时降雪仍然是处于最强时段,故锋生函数在降雪加强之初有很好的指示意义,但锋生函数减弱也不意味着降雪减弱,要结合当时的其他条件进行分析。

图 6 2018年12月29日20时(a)、30日02时(b)、30日08时(c) 850 hPa水平锋生函数(阴影, 单位:10-10K·m-1·s-1) Fig. 6 The frontogenetical function (unit: 10-10K·m-1·s-1) at 850 hPa at (a) 20:00 BT 29, (b) 02:00 BT 30 and (c) 08:00 BT 30 Dcember in 2018.

若以T20表示109°—114°E、19°—21°N范围内平均温度,T30表示109°—114°E、29°—31°N范围内平均温度,那么T20- T30就代表锋区强度。从湖南区域平均的锋区强度图上(图 7)可见,整个雨雪过程期间,对应的平均锋区强度有三次极大值,从近地面至600 hPa整层温差大于10 ℃,尤其在28—29日105°—120°E平均南北温差最大超过了18 ℃,强锋区从27日开始加强,对应湖南出现降雪的时间段。强锋区基本位于850 hPa以下,且与湖南最强降雪出现的时间一致,锋区的强烈发展使得我国副热带地区长时间维持低温天气,也使得冷暖气团在长江中下游流域长期处于交汇状态,形成雨雪长时间停滞在湖南的特点。同时,研究表征锋区的另一指标即假相当位温沿113°E的垂直剖面图(图略)可以看出,在假相当位温等值线密集区往往对应着雨雪发展的最为强盛的阶段,即28日、29日夜间—30日、1月1日,在上述三个阶段中,假相当位温密集区均位于700 hPa以下,锋区两侧的暖气团和冷气团都较强,锋面坡度小,锋面降水带宽,暖气流沿冷锋面不断爬升。所以此次极端暴雪天气是极地大陆冷气团与热带洋面暖气团强烈交汇所致。

图 7 2018年12月25日—2019年1月1日平均锋区强度高度-时间演变图(阴影, 单位:℃) Fig. 7 The height-time section of the average intensity of the frontal zone (shadow, unit: ℃) during 25 Dcember in 2018 to 1 January in 2019.
4.2 水汽条件

图 8a为12月26—31日低温雨雪冰冻天气过程(108°—115°E,25°—30°N)的比湿平均图,从图中可以看出,低层水汽条件较好,整个过程低层的比湿都超过4 g·kg-1。在垂直伸展方面,比湿在28日开始垂直向上发展,到29—30日已达400 hPa以上,湿层发展较为深厚,天气形势图显示700 hPa西南急流达24 m·s-1,对应4.5 g·kg-1的比湿中心,比湿垂直分布变化与降雪量的变化是对应的,此时降雪量达最大;到31日区域平均的比湿减小,降雪逐渐转停。

图 8 2019年12月26日08时—2019年1月1日08时区域平均(108°—115°E,25°—30°N)的比湿垂直变化(a, 阴影, 单位:g·kg-1)、2019年12月28日08时—12月31日08时700 hPa水汽通量散度(b, 阴影, 单位: 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)和水汽通量(c, 阴影, 单位:g·cm-1·hPa-1· s-1)沿113°E的时间剖面图(红色实线表示湖南南北界线) Fig. 8 (a) The vertical section of regional average(108-115°E, 25-30°N) specific humidity (unit: g·kg-1) from 08:00 BT 26 December in 2019 to 08:00 BT 1 January in 2019, (b) 700 hPa vapor flux divergence(unit: kg·m-2·hPa-1·s-1) and (c) vapor flux (unit: kg·m-2·hPa-1·s-1) along the 113°E profile map (The red line indicates the north-south boundary of Hunan province).

为了分析过程期间湖南水汽条件的南北差异和输送情况,沿113°E作700 hPa水汽通量散度(图 8b)和水汽通量的剖面图(图 8c),水汽通量散度显示出了此次雨雪过程,特别是在前期,中低层水汽的汇合区主要集中在27°N以北的湘北地区,29日下午到30日上午最强,中心强度超过12 ×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1,这与环流场上湘北的风场辐合区相对应。低层水汽通量在过程前期相对较小,大值区也是位于湘北,为前期湘中以北的降水提供了水汽,随着冷空气南下和西南急流的加强,水汽通量明显增加,中心值超过10 g·cm-1·hPa-1·s-1,而且大值区呈带状分布,表现西南急流水汽输送作用,影响着降水的增强和雨雪带的南压。

4.3 高低空急流耦合

图 9为2018年12月29日20时高低空急流配置和垂直速度,从图中可看出,300 hPa西风急流带相当狭长,50 m·s-1以上的急流区覆盖湘西北地区,湖南处于东侧高空急流入口区的右侧,高空急流的辐散区有利于高空强抽吸作用的加强,同时湘西、湘北地区处在850 hPa低空急流附近及其北侧,高低空急流耦合处有多个垂直风速大值区,说明此次过程中高低空急流以中尺度扰动的形式向暴雪区提供充足的水汽和动力条件以及有利的温度层结。

图 9 2018年12月29日20时高低空急流配置和垂直速度(单位:m·s-1) (黑色等值线表示300 hPa全风速;红色等值线表示700 hPa全风速;填色表示600 hPa垂直速度) Fig. 9 The high and low level jet configuration and vertical velocity at 20:00 BT 29 December in 2018(unit: m·s-1) (Black isoline indicates 300 hPa full wind speed, red isoline indicates 700 hPa full wind speed, and color filling indicates 600 hPa vertical speed).
5 降雪加强的中尺度系统 5.1 中尺度云图特征分析

基于FY-2G的IR1红外云图资料,根据主要降雪时段的时间演变过程分为三个阶段,即29日13时— 18时为酝酿发展阶段,29日18时—30日08时为成熟阶段、30日08时—22时为减弱阶段。

2018年12月29日13时(图略),在云南东部与贵州西部交界附近开始出现最低TBB为-25 ℃左右块状云团,构成湖南降雪的始发源地;而更低层次云一直延伸到中南半岛,表明水汽来自中南半岛以南的洋面上,同时在青藏高原东侧的四川中部有扰动云系东移南压减弱,并与南支槽云系连接在一起,相互影响,是云团发生发展的一个重要原因;而700 hPa急流是云带发展与维持的另一个重要原因,云带主要位于急流轴左侧。18时(图 10a),新生多个TBB小于-20 ℃的小块状云,最小值约为-30 ℃,组成较大面积的块状云,随着云团自西南往东北方向移动,开始逐步影响湘西北地区,造成当地降雪。

图 10 2018年12月29日18时(a)、30日00时(b)、30日08时(c)、30日22时(d) FY-2G亮温TBB(单位: ℃) Fig. 10 TBB of FY-2G satellites at (a) 18:00 BT 29, (b) 00:00 BT 30, (c) 08:00 BT 30 and (d) 22:00 BT 30 Dcember in 2018(unit: ℃).

30日00时(图 10b),从云南-贵州-湖南-湖北-安徽形成一条宽约500 km,长约2 300 km云带,云带内嵌有多个TBB小于-30 ℃块状β中尺度云团,呈东北西南向的一个契形状分布,云顶TBB最低处位于湖南湖北交界处的湖北东部境内,表明暖湿空气沿着低层冷垫爬升,湖南湖北为上升气流最强区域。到08时(图 10c),云带北侧梯度增大、结构紧密,边界清晰,表明有槽后干冷空气入侵明显,有利于云带的维持。从00时到08时,云带整体略有东移南压,但主体基本稳定维持在湖南境内,穿过湘西、湘中及以北地区,其中不断有TBB小于-30 ℃的块状云自西南往东北方向移动,最低TBB值位于湘北,约为-42 ℃,分别出现在03:30和08:00,造成湖南湘西、湘中以北20个县站出现暴雪。从03时至08时逐小时观测的6 h降雪量分析,在东北西南向区域的湘北、湘西南均有站点出现暴雪,最大出现在通道12.6 mm (05时),其次为沅江12.3 mm (07时)。

从30日08—22时,湖南境内的降雪云带结构逐步变为松散,随着缓慢东移南压,云带变宽,云带中中尺度云团往东北方向移动过程中,云顶亮温相对低值区主体逐渐移出湖南,先后进入湖北、安徽、江苏省境内,由于持续时间长仍给湖南中部带来了大雪天气。22时(图 10d)云带北侧南压到湘东南区域,云带继续减弱,湘东南为小雪天气,其他地区降雪基本停止。从22时到31日04时,云带逐步南压移出湖南,云带主体部分也移动到上海北部的洋面上,降雪过程基本结束。

由上分析可知,造成湖南暴雪过程主要是在成熟阶段由东北—西南向云带中镶嵌有-20~-40 ℃不同的β中尺度云团持续经过所造成的。

5.2 降雪加强的雷达回波特征

本次过程湘中及以北降雪最为明显,因而选择湖南北部的常德雷达来分析此次降雪过程的回波特征。此次降雪可分为两个阶段,其中27日14时—28日14时常德有弱降水发生,该阶段发生了“雨—雨夹雪-雪”转换;28日午后至29日下午,是本次过程的间歇期;29日夜间降水再次发展,湘中及以北出现成片暴雪,本文将着重分析降雪加强的雷达回波特征。

图 11a所示,12月29日19:40径向速度图上表现出“底层较强的东北风、中层强西南急流”特征,到了夜间(22:23,图 11b),以上特征继续维持,但底层的东北风加强,出现了小“牛眼”特征,同时20 km以内的零速度线由弱“s”型变为直线,说明暖平流减弱,冷垫增强,有利于暖湿气流的爬升。

图 11 2018年12月29日19:40 (a)、22:23 (b)常德雷达1.5达仰角径向速度和19:40 (c)、22:23 (d)VWP图 Fig. 11 Radial velocity from Changde radar at 1.5°elevation at (a) 19:40, (b) 22:23 and VWP diagram at (c) 19:40 and (d) 22:23 BT 29 December in 2018.

结合垂直风廓线产品(The product of vertical wind profile,简称VWP)进行强降雪前后对比分析,强降雪前期(19:40,图 11c),2 km以下为东北风、2—4 km为西南风,4 km以上则转为偏西风;强降雪发生时(22:23,图 11d),2.4—3.7 km的西南风加强,由12~16 m·s-1增强到了20 m·s-1以上,甚至达到了24 m·s-1,底层东北风由4~6 m·s-1增强到了6~12 m·s-1;不仅如此,4.5~6 km风向由偏西风转为强盛的西南风(≥24 m·s-1)。因此,2.4 km以上深厚西南急流的建立、增强和维持(持续了近14 h),源源不断的暖湿空气输送使得湘中及以北地区出现了区域性、持续性的暴雪天气。

6 结论

通过对2018年12月发生在湖南的一次极端低温、暴雪天气过程分析,从观测事实、环流特征及成因方面得到以下结论:

(1) 此次大范围暴雪低温天气过程是自1951年以来同期十分罕见的一次极端强天气过程。过程平均气温较常年同期偏低4 ℃左右,极端最低气温达-8.3 ℃,最强积雪深度为20 cm,均突破所在站点历史极值。

(2) 中高纬度乌山阻塞高压异常偏强,且与贝湖冷涡长时间维持,西伯利亚冷空气堆强盛,地面中心气压达1 070 hPa,副高较常年偏强、偏北,异常稳定极为有效的阻止了冷空气的向南推进。大尺度环流系统的异常为本次极端暴雪低温天气提供了有利的背景场。

(3) 副热带锋区强盛,南北温度梯度达18 ℃以上,为暴雪发生提供了较好的动力条件;

(4) 700 hPa西南急流加强、湿层发展至400 hPa及700 hPa低槽过境为降雪加强提供了有利的水汽和辐合上升条件。

(5) 东北-西南向云带中的β中尺度云团持续经过是造成此次湖南暴雪加强与持续的直接原因;雷达径向速度场存在明显的“牛眼”特征,2.4 km以上有深厚的西南急流建立,且维持了近14 h,是强降雪持续加强的主要原因。

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