特大暴風(fēng)雪動(dòng)力結(jié)構(gòu)的雷達(dá)探測研究

張晰瑩，石慕真，徐玥，唐凱

(黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱150030)

0 引言

暴雪是黑龍江冬季常見的災(zāi)害性天氣，2007年3月4—5日的特大暴風(fēng)雪是歷史上罕見的，強(qiáng)度達(dá)到50 a一遇。暴風(fēng)雪是大量的雪被強(qiáng)風(fēng)卷著隨風(fēng)運(yùn)行，并且不能判定當(dāng)時(shí)是否有降雪，水平能見度小于1 km，發(fā)生時(shí)寒風(fēng)凜冽，道路掩埋，形成災(zāi)害(大氣科學(xué)辭典編寫組，1994)。國內(nèi)對暴雪天氣的研究多集中于大尺度的分析，近年來側(cè)重于中尺度數(shù)值模擬以及降雪機(jī)制分析(張小玲和程麟生，2000;劉寧微，2006;楊柳等，2006;楊成芳等，2007;張勇等，2008)。由于條件限制，在沒有布設(shè)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)以前，冬季溫度很低，雷達(dá)很難長時(shí)間監(jiān)測，對特大暴風(fēng)雪的監(jiān)測是空白的。近年隨著新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的投入，大氣監(jiān)測和遙感技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，大大提高了監(jiān)測局地強(qiáng)天氣系統(tǒng)活動(dòng)的能力(郭虎等，2008)，同時(shí)也捕捉到了罕見的暴風(fēng)雪過程，對暴風(fēng)雪結(jié)構(gòu)特征有了更直觀的認(rèn)識，中尺度研究也得到更大的發(fā)展。

2006年冬季受全球氣候的影響，黑龍江省是暖冬。但是2007年1—3月連續(xù)出現(xiàn)了3次罕見的暴風(fēng)雪天氣，尤其是3月4—6日出現(xiàn)了50 a一遇的特大暴風(fēng)雪，黑龍江省39個(gè)站出現(xiàn)暴雪，降雪量最大的東寧縣達(dá)到50 mm，東部地區(qū)平均積雪在40 cm，最大積雪深度達(dá)1 m。暴風(fēng)雪導(dǎo)致部分地區(qū)交通受阻，鐵路、公路停運(yùn)，通訊、電力設(shè)施受損嚴(yán)重，中小學(xué)放假、農(nóng)業(yè)大棚受損、房屋倒塌，給災(zāi)區(qū)人民群眾的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重影響。

本文利用多種觀測數(shù)據(jù)，對此次特大暴風(fēng)雪的大、中尺度、物理量進(jìn)行了分析，揭示了此次暴雪風(fēng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征，闡述了部分要素在暴風(fēng)雪發(fā)生、發(fā)展、結(jié)束的各階段的變化及重要作用，對認(rèn)識暴風(fēng)雪的中尺度特征、預(yù)報(bào)將有重要意義。

1 大氣環(huán)流背景場特征

2007年3月2日，中高緯環(huán)流呈兩槽兩脊型，烏拉爾山和中國東北地區(qū)的西側(cè)為高壓脊，貝加爾湖和鄂霍次克海為低槽。烏拉爾山高壓脊引導(dǎo)極地強(qiáng)冷空氣沿脊前西北氣流下滑分裂為兩股冷空氣，一股自貝加爾湖向東移動(dòng)影響中國東北地區(qū)，另一股直接向中國西南入侵，在西南地區(qū)形成低渦并迅速向東北方向移動(dòng)。北部強(qiáng)冷空氣南壓，渦前暖空氣北抬，兩個(gè)系統(tǒng)之間等溫線密集，形成一個(gè)東北—西南走向的鋒區(qū)。

3日20時(shí)，江淮氣旋形成，并加強(qiáng)向東北方向移動(dòng)，經(jīng)過渤海灣移向黑龍江省。中國北方地區(qū)處于江淮倒槽的北部，大部分地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)雨雪天氣。北部高壓和江淮氣旋間等高線密集，產(chǎn)生大風(fēng)天氣。在500 hPa天氣圖上中國東北地區(qū)上空存在兩支急流耦合作用(胡中明和周偉燦，2005)，風(fēng)速可達(dá)30 m/s，北部脊前西北氣流隨系統(tǒng)東移，中國東部地區(qū)在強(qiáng)勁的偏北風(fēng)急流冷空氣控制下，高空急流的右側(cè)是反氣旋渦旋區(qū)，高空反氣旋性渦度明顯加大，有利于上升運(yùn)動(dòng)及動(dòng)量的傳輸，易產(chǎn)生大風(fēng)天氣;南支急流在低渦前部呈西南向，延伸到黑龍江省東部地區(qū)，為北方東部地區(qū)的降水天氣輸送了充沛的熱量和水汽，并在黑龍江省東南部地區(qū)有明顯的風(fēng)速輻合。隨著江淮氣旋北上，降雪區(qū)域向北擴(kuò)展，3月6日黑龍江省中東部地區(qū)普降大雪、暴雪。此次降雪過程冷空氣勢力強(qiáng)大，配合南來的經(jīng)過渤海灣的氣旋，暖濕空氣充沛，所以在兩者交匯之處產(chǎn)生了較大降雪。

此次過程冷空氣勢力強(qiáng)大，南下位置更偏南，導(dǎo)致700 hPa上西南地區(qū)形成低渦，對應(yīng)地面有江淮氣旋，形勢與夏季暴雨過程很相似。一般過程冷空氣只到達(dá)蒙古，對應(yīng)地面有蒙古氣旋。暖濕特性的偏南氣流和冷性的東北氣流構(gòu)成的中尺度輻合切變線和強(qiáng)烈的水汽輻合等也是造成暴雪的關(guān)鍵原因。

2 物理量場分析

2.1 水汽條件

水汽是強(qiáng)降水必備的條件之一。通過分析700 hPa的水汽通量場發(fā)現(xiàn)，4日08時(shí)在中國東部沿海有一條呈南北走向的水汽通道，通道頂位于黑龍江省以南，水汽通量中心位于山東以東、低空急流前部，為遼寧省的降雪提供了充足的水汽。4日20時(shí)，水汽通道向北發(fā)展，擴(kuò)展到黑龍江省東部，水汽通量大值區(qū)位于低空急流前部、冷鋒前、暖鋒后，與衛(wèi)星云圖水汽圖一致。低空急流將暖濕空氣向北輸送。同時(shí)，850 hPa水汽通量散度場上表現(xiàn)為強(qiáng)的水汽輻合，最大水汽通量散度為－20.8×10－5s－1，輻合中心與水汽通量中心一致，持續(xù)不斷的水汽供應(yīng)使得降水時(shí)間長、降水量大。

2.2 垂直運(yùn)動(dòng)

2.2.1 渦度平流

渦度平流隨高度的變化可以間接反映大氣的垂直運(yùn)動(dòng)狀況。在4日20時(shí)的渦度平流場上(圖1)，東北地區(qū)東部底層850 hPa為負(fù)渦度平流，高層500 hPa為正渦度平流，有利于低值系統(tǒng)的加深、發(fā)展，產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 散度

從散度的意義來看，低層輻合、高層輻散有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。高低層散度差越大，越有利于降雪的發(fā)展和維持(梁鈺和蘇愛芳，2004)。這次暴風(fēng)雪存在著明顯的低層輻合、高層輻散的分布特征。4日08時(shí)，500 hPa散度中心位于山東省，最大值為30×10－5s－1，遼寧東南部為20×10－5s－1，黑龍江東部的散度值為(0～10)×10－5s－1，850 hPa散度場最大值為－60×10－5s－1，仍位于山東地區(qū)，黑龍江東部為(－10～0)×10－5s－1，高低空散度差值為(0～90)×10－5s－1，黑龍江省東部暴雪區(qū)的差值較小，為(0～20)×10－5s－1。4日20時(shí)低空輻合區(qū)減弱北上，高層輻散有所加強(qiáng)，黑龍江省東南部地區(qū)高低空散度差值為(0～30)×10－5s－1。此時(shí)，雖然散度場有所減弱但是增大的高低空散度差值，使得上升氣流增強(qiáng)，為暴風(fēng)雪的發(fā)展提供了動(dòng)力條件，造成降水區(qū)暖濕氣流持續(xù)強(qiáng)烈上升，水汽凝結(jié)，降雪強(qiáng)度增大。

圖1 3月4日20時(shí)500 hPa(a)和850 hPa(b)渦度平流場(單位:s－2)Fig.1 Vorticity advection at(a)500 hPa and(b)850 hPa at 20:00 BST 4 March(units:s－2)

2.2.3 垂直速度

從垂直速度場與系統(tǒng)的配置上可以看到，上升運(yùn)動(dòng)中心與地面低壓中心吻合，且路徑一致。從地面到高空為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，且上升運(yùn)動(dòng)的最大值位于急流左前方。黑龍江省東部地區(qū)的最大上升速度出現(xiàn)在4日20時(shí)，500 hPa最大垂直速度為－100×10－2hPa·s－1，此次暴雪的上升運(yùn)動(dòng)較深厚，比以往的強(qiáng)降雪上升高度高，可達(dá)夏季的弱上升運(yùn)動(dòng)(趙世發(fā)等，2002;李志南和李廷福，2000)，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)的分布區(qū)與冷暖鋒位置一致(圖2)。

2.3 不穩(wěn)定能量

偏南低空急流源源不斷地把水汽輸送到中高緯地區(qū)的同時(shí)，也帶來了大量的熱量，暴風(fēng)雪區(qū)具有不穩(wěn)定能量。由假相當(dāng)位溫分布(圖3)可知，從3日20時(shí)開始，30～40°N之間700 hPa假相當(dāng)位溫為8～28℃，沿緯向分布。貝加爾湖附近有低能區(qū)東移南下，同時(shí)渤海有高能舌向東北伸展，在兩者的共同作用下，4日20時(shí)在120～130°E、40～50°N區(qū)域高能舌北側(cè)形成能量鋒區(qū)。能量鋒區(qū)與地面暖鋒平行，高能舌與地面冷鋒平行，暴風(fēng)雪區(qū)位于能量鋒區(qū)內(nèi)。

圖2 3月4日20時(shí)500 hPa垂直速度(棕色箭頭代表低空急流;單位:hPa·s－1)Fig.2 500 hPa vertical velocity at 20:00 BST 4 March(Brown arrow represents low-level jet stream;units:hPa·s－1)

圖3 3月3日20時(shí)(a)和4日20時(shí)(b)700 hPa假相當(dāng)位溫(單位:K)Fig.3 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature at(a)20:00 BST 3 and(b)20:00 BST 4 March(units:K)

3 在衛(wèi)星云圖上急流和水汽的分析

3.1 急流云系分析

由3月4日20時(shí)700 hPa天氣形勢和紅外云圖(圖4)可以清晰地分辨出與地面鋒區(qū)相一致的冷鋒云系，在冷鋒云系后部有低空急流存在。偏南風(fēng)的低空急流位于在110～130°E、30～40°N之間，700 hPa最大風(fēng)速達(dá)到30 m/s。低空急流與冷鋒垂直，在冷鋒云系后部形成整齊清晰的邊界。500 hPa天氣形勢圖上，冷鋒后部同樣存在急流，最大風(fēng)速達(dá)到34 m/s，冷鋒前部的暖濕云系對東北暴風(fēng)雪產(chǎn)生了重要作用。在暖濕云團(tuán)中不斷有云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)，從3月4日9時(shí)開始，黑龍江東南部云系的云頂不斷增高，云區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，在云系北上過程中逐漸減弱，同時(shí)后部仍有繼續(xù)發(fā)展的云系北上，產(chǎn)生持續(xù)不斷的降水。

圖4 3月4日20時(shí)700 hPa高度場和紅外云圖(棕色箭頭表示700 hPa急流)Fig.4 Geopotential height at 700 hPa and infrared cloud image at 20:00 BST 4 March(Brown arrow represents jet stream at 700 hPa)

3.2 水汽圖像分析

偏南高、低空急流不僅為暴風(fēng)雪提供了充足的水汽，對暴風(fēng)雪的發(fā)生有重要作用。由3月4日20時(shí)500 hPa天氣形勢和水汽圖像(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，在急流前端有暗黑色的干區(qū)，干區(qū)沿氣流向前有凸起的整齊光滑的邊界，為“干涌邊界”?！案捎窟吔纭钡男纬?，表示有高空的干冷空氣不斷侵入到暖濕氣團(tuán)中，這種冷暖氣團(tuán)的交匯不斷地釋放出能量，產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，急流前部有水汽與能量的堆積，是暖濕氣團(tuán)內(nèi)不斷有云系發(fā)展的重要原因。同時(shí)，“干涌邊界”與地面冷鋒位置一致，表現(xiàn)為高低空匹配的冷空氣入侵，能量大，垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生持續(xù)不斷的強(qiáng)降水。

圖5 3月4日20時(shí)500 hPa高度場和水汽圖像(棕色箭頭表示500 hPa急流)Fig.5 Geopotential height at 500 hPa and water vapour image at 20:00 BST 4 March(Brown arrow represents jet stream at 500 hPa)

4 雷達(dá)回波動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析

利用雷達(dá)的徑向速度，可以分析雷達(dá)上空大尺度風(fēng)向、風(fēng)速隨高度的變化情況以及速度不連續(xù)面等特征(俞小鼎等，2006)。在線性風(fēng)假定條件下，通過對單多普勒雷達(dá)風(fēng)場的反演，可以得到不同高度上的水平風(fēng)向和風(fēng)速。中國學(xué)者對多普勒雷達(dá)徑向速度和風(fēng)場反演進(jìn)行了諸多研究(戴鐵丕等，1993)，利用雷達(dá)的徑向速度及反演產(chǎn)品特征對認(rèn)識暴風(fēng)雪的發(fā)生、發(fā)展、維持、減弱的動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征有重要意義。

4.1 暖鋒降雪回波特征

3月4日1 0時(shí)前，回波面積大，為層狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度在10 dBZ以下。徑向速度在低層為東北風(fēng)，風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)且風(fēng)速增大，中層呈西南風(fēng)，零等速度線呈“S”型，有明顯的暖平流;回波西南向，出現(xiàn)速度模糊，風(fēng)速較大，且速度在不斷加強(qiáng)。降雪回波高度為4 km，強(qiáng)中心高度為2 km(圖略)。

4.2 暖鋒后部冷鋒前部降雪回波特征

4日10時(shí)后，從西南向開始有17 dBZ左右的回波，回波移動(dòng)較快(100 km/h)，由于回波移動(dòng)快，且處于暖鋒云后部和冷鋒云前部，降雪量不大(1 mm左右)。西南方向徑向速度超過35 m/s，中空西南急流更加明顯。降雪回波高度為5 km，強(qiáng)中心高度為3 km。降雪回波強(qiáng)度增強(qiáng)。

VAD圖像中(圖略)，從低層到高層，風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，3.0 km以下風(fēng)速為8 m/s左右，5.2 km風(fēng)速增加到28 m/s，風(fēng)速逐漸增大，有暖平流。且中層附近風(fēng)速切變大，有利于動(dòng)量向下輸送。

4.3 冷鋒云系降雪回波特征

過去的觀測表明，層狀云連續(xù)性降水的回波強(qiáng)度一般為20 dBZ左右，通常不會超過30 dBZ(張培昌等，2001)。4日17時(shí)左右，測站西南方向回波強(qiáng)度加強(qiáng)(圖6)，為16～22 dBZ，回波結(jié)構(gòu)開始變得緊密，強(qiáng)回波移動(dòng)較慢、少動(dòng)。分析徑向速度可發(fā)現(xiàn)，低空南部強(qiáng)速度中心加強(qiáng)，低空“牛眼”狀回波逐漸明顯，說明低空急流移近、加強(qiáng)，有利于水汽、熱量輸送。回波頂高度為6 km左右，強(qiáng)回波中心為5 km左右，回波頂平整。

5日01時(shí)，強(qiáng)回波依然維持少動(dòng)，低層西南風(fēng)逐漸增大，近地面徑向速度可達(dá)16 m/s，可見在暴風(fēng)雪的發(fā)生主要是由冷鋒云系引起的。

5日01時(shí)以后，雷達(dá)徑向速度圖(圖7)表明，近地面東北風(fēng)范圍擴(kuò)大、加強(qiáng)，并緩慢轉(zhuǎn)向偏北風(fēng)，西南急流轉(zhuǎn)為偏南方向急流，且高度略有升高。中層風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流?；夭◤?qiáng)度增大，可達(dá)27 dBZ，強(qiáng)回波向偏東方向移動(dòng)，移動(dòng)速度為20 km/h。強(qiáng)回波高度和回波頂高都接近4 km。

02時(shí)的VAD圖(圖8)表明，近地面開始轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，風(fēng)速為12～18 m/s。在1.8～2.7 km高度為南風(fēng)急流(風(fēng)速為20 m/s)，2.7～5.5 km高度為西南風(fēng)(風(fēng)速為18 m/s)，5.5～6.1 km高度為西南風(fēng)(風(fēng)速為20～24 m/s)，近地層風(fēng)速切變增大，中層以上風(fēng)切變很小，西南風(fēng)急流高度上升。

4.4 冷鋒后部降雪回波

圖7 3月5日04:13的1.5°仰角雷達(dá)徑向速度Fig.7 1.5°elevation radial velocity at 04:13 BST 5 March

圖8 3月5日02時(shí)牡丹江雷達(dá)VAD產(chǎn)品Fig.8 The VAD from Mudanjiang CINRAD-CC radar at 02:00 BST 5 March

5日07時(shí)，強(qiáng)回波中心面積減小，強(qiáng)度減弱，為20 dBZ以下，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)中心開始呈現(xiàn)零星塊狀分布。從低層到中層都由偏北風(fēng)控制，徑向速度圖中只觀測到冷平流(圖9)。

圖6 3月4日17時(shí)牡丹江雷達(dá)1.5°仰角雷達(dá)反射率因子(a)和徑向速度(b)Fig.6 1.5°elevation(a)radar reflectivity factor and(b)radial velocity at 17:00 BST 4 March

圖9 3月5日08:24的1.5°仰角雷達(dá)徑向速度Fig.9 1.5°elevation radial velocity at 08:24 BST 5 March

圖10 3月5日06時(shí)牡丹江雷達(dá)VAD產(chǎn)品Fig.1 0The VAD from Mudanjiang CINRAD-CC radar at 06:00 BST 5 March

高空系統(tǒng)移近后，回波頂高逐漸降低，回波頂高度在4 km左右，強(qiáng)回波高度為2 km。VAD風(fēng)廓線圖(圖10)中的大風(fēng)區(qū)高度與02時(shí)相比明顯增高，東北風(fēng)從近地面層逐漸延伸到中高層(約2.4 km)，風(fēng)速為12 m/s左右，西南急流高度為8 km。低空西南急流有利于降雪，當(dāng)西南急流升高時(shí)，降雪開始減弱。對應(yīng)3月5日08時(shí)700 hPa的天氣圖，也未見西南急流。

4.5 反射率因子、徑向速度及VAD速度動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性

反射率因子和回波頂高度在冷鋒控制時(shí)最大，說明暴風(fēng)雪的強(qiáng)降雪期主要發(fā)生在冷鋒時(shí)段(表1)。

主要降雪期間強(qiáng)回波面積大，維持少動(dòng)。從雷達(dá)徑向速度圖中可見，冷鋒降水云系前面西南急流逐漸加強(qiáng)，暖平流強(qiáng)，風(fēng)切變低層弱、中層較大。冷鋒云系降水開始后，近地層逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，高低空風(fēng)向切變從地面逐漸抬高，地面暖平流逐漸減弱，中層冷平流逐漸加強(qiáng)。冷鋒云系后偏北風(fēng)從地面到中層2.4 km左右，西南急流軸被抬高，可達(dá)7.6 km，中高層有風(fēng)速切變，暖平流消失，中層有冷平流。中低層由偏北風(fēng)控制以及冷平流占主導(dǎo)時(shí)，降雪開始減弱。降雪回波減弱，回波頂、強(qiáng)中心高度降低，而西南急流高度增加。偏南氣流和冷性的東北氣流構(gòu)成的中尺度輻合切變線和西南急流是維持此次暴風(fēng)雪的有利動(dòng)力和熱力條件。

5 結(jié)論

1)此次暴雪過程是由南下的極地冷空氣與北上江淮氣旋兩者共同作用產(chǎn)生的，暴風(fēng)雪區(qū)位于冷暖空氣的交匯處。渦度平流、散度、垂直速度、不穩(wěn)定能量等物理量場都顯示出此次天氣過程具有明顯的上升運(yùn)動(dòng)。中高層的風(fēng)切變利于動(dòng)量的傳導(dǎo)，超強(qiáng)鋒區(qū)和高低空急流的耦合作用以及衛(wèi)星云圖中“干涌邊界”都為此次暴雪提供了動(dòng)力條件，有利于為持續(xù)降水產(chǎn)生持續(xù)的垂直運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生大風(fēng)天氣。

2)此次暴風(fēng)雪的水汽通道在黑龍江省東部地區(qū)，水汽通量大值區(qū)位于低空急流前部、暖鋒后，與水汽圖像一致。低空急流將暖濕空氣向北輸送，當(dāng)?shù)涂占绷魈Ц吆?，降雪開始減弱。

3)此次降雪過程的冷空氣強(qiáng)度大、南下位置偏南，與夏季暴雨過程類似，因此產(chǎn)生了罕見的暴風(fēng)雪天氣。

4)雷達(dá)徑向速度及VAD速度分析表明，主要降雪時(shí)段發(fā)生在西南急流逐漸加強(qiáng)的過程中，當(dāng)西南急流被抬高到高層，中低層由偏北風(fēng)控制，冷平流占主導(dǎo)時(shí)，降雪開始減弱。

表1 2007年3月4—5日暴風(fēng)雪過程中反射率因子和徑向速度、VAD速度的比較Table 1Comparisons of radar reflectivity factor，radial velocity and VAD velocity in the process of snowstorm on 4—5 March 2007

5)這次特大暴風(fēng)雪過程的主要雷達(dá)回波特征為:大于15 dBZ的反射率因子的回波面積較大，結(jié)構(gòu)緊密;回波頂平整，回波頂達(dá)6 km左右;冷暖平流明顯;徑向速度大;出現(xiàn)“牛眼”狀回波和速度模糊等現(xiàn)象。據(jù)此，可為暴風(fēng)雪的臨近預(yù)報(bào)提供依據(jù)。通過此次天氣過程的中尺度結(jié)構(gòu)分析可知，偏南氣流和冷性東北氣流構(gòu)成的中尺度輻合切變線以及西南急流的位置變化對暴風(fēng)雪發(fā)生、發(fā)展、維持和減弱的預(yù)報(bào)也有明顯的指示意義。

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