2008年江蘇持續(xù)性降雪中的水汽和動(dòng)力抬升機(jī)制分析*

張備，尹東屏，嚴(yán)雯蓮，孫燕

(江蘇省氣象臺(tái)，江蘇南京210008)

0 引言

2008年1 月江蘇出現(xiàn)了歷史罕見的持續(xù)性降雪過程，其持續(xù)時(shí)間、積雪深度及影響程度都是有記錄以來之最。全省除徐州、連云港外均出現(xiàn)不同程度的災(zāi)情。共有23人死亡，百余人受傷，受災(zāi)人口近30萬(wàn)人，緊急轉(zhuǎn)移近千人，倒塌房屋1 000多間，直接經(jīng)濟(jì)損失近3個(gè)億。2008年冬季大范圍的雨雪冰凍災(zāi)害許多專家在氣候特征、形成機(jī)理和防災(zāi)減災(zāi)等方面做了很多有益的分析［1－5］。以往研究表明，低空急流對(duì)強(qiáng)降水的產(chǎn)生有很好的指示意義，暴雨中急流的脈動(dòng)早在1950年代就已提出［6］。林永輝、廖清海等［7］認(rèn)為非熱成風(fēng)的分布對(duì)垂直環(huán)流和低空急流的形成發(fā)展具有非常重要的作用，宮德吉、李彰?。?］分析了冬季產(chǎn)生東亞低空急流的大型環(huán)流形勢(shì)特征及低空急流與內(nèi)蒙古大(暴)雪的關(guān)系，結(jié)果表明低空急流的強(qiáng)度可作為降雪量和暴雪落區(qū)的短期預(yù)報(bào)。江蘇地處長(zhǎng)江中下游，屬亞熱帶氣候帶，冬季暴雪發(fā)生時(shí)，850 hPa以下往往是偏北風(fēng)，而700 hPa以上為西南氣流，在這樣的形勢(shì)配置下，到底哪一層的水汽輸送和風(fēng)速擾動(dòng)對(duì)暴雪造成影響，在這樣的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)中熱力條件和動(dòng)力條件有什么特征，這方面的研究比較少見。文中分析了2008年的持續(xù)性雨雪過程，得到了一些具有預(yù)報(bào)意義的結(jié)論。

降雪量采用江蘇省自動(dòng)觀測(cè)站的降水資料，分析區(qū)域選擇31°～32°N、118°～120°E，計(jì)算用每日4次的NECEP 1°×1°分析資料。

1 實(shí)況與天氣形勢(shì)

1.1 降雪實(shí)況

1月26－28 日，江蘇淮河以南出現(xiàn)大范圍暴雪天氣，截止29日06時(shí)，淮河以南地區(qū)累計(jì)雪量10～60 mm(圖1)。最大積雪深度:南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州、南通、泰州、揚(yáng)州各市所屬站點(diǎn)18市(圖2)、縣(區(qū))達(dá)到或超過30 mm，最大在南京溧水縣(40 mm)，累積雪深在20～29 mm的有12個(gè)市、縣(區(qū))。與1961年以來歷史記錄對(duì)比，有22個(gè)市、縣(區(qū))超過歷史極值，且超歷史極值站點(diǎn)都位于沿江蘇南地區(qū)。

1.2 天氣形勢(shì)

2008年江蘇的持續(xù)性降雪與大氣環(huán)流的異常有關(guān)。王東海等［9］指出:烏拉爾山阻塞高壓的發(fā)展、維持并加強(qiáng)的形勢(shì)有利于冷空氣從西伯利亞方向入侵中國(guó)，而南支低壓系統(tǒng)異?；钴S，導(dǎo)致西南方向暖濕氣流源源不斷地輸送水汽，與之配合的又有副熱帶高壓穩(wěn)定維持在偏北的位置，使冷暖空氣總是在長(zhǎng)江中下游及其以南鄰近地區(qū)交匯，導(dǎo)致這些地區(qū)出現(xiàn)了一次又一次的強(qiáng)雨雪過程。

圖1 江蘇省總降雪

圖2 江蘇省各站最大積雪深度

天氣形勢(shì)分析表明，1月25－28日地面蒙古冷高壓維持在巴爾喀什湖和貝加爾湖之間，中心氣壓值為1 065～1 075 hPa，期間不斷有弱的小高壓分裂南下，江蘇一直處于高壓底部的東北氣流中;500 hPa中高緯度為寬廣的低壓帶，不斷有小槽東移輸送弱冷空氣南下，孟加拉灣低槽前的西南氣流與南海北上的暖濕氣流在華南匯合，形成了一支強(qiáng)盛的西南急流向北輸送;1月19－25日，700 hPa暖濕氣流輸送帶穩(wěn)定維持在江南和華南，并隨著弱冷空氣的南下在30°N附近擺動(dòng)。25日08時(shí)暖濕氣流北抬，30°N以南出現(xiàn)了大范圍的降水;25－28日850 hPa上，江蘇的南部一直維持東北風(fēng)，因此低層受冷濕氣流控制，有利于降雪。暴雪產(chǎn)生時(shí)，暖濕氣流異常強(qiáng)盛，同時(shí)河套地區(qū)有弱冷空氣南下，冷暖空氣對(duì)峙在長(zhǎng)江中下游地區(qū)。再加上降雪前期地面不斷有冷高壓南下，全省氣溫持續(xù)偏低，因此有利于持續(xù)性降雪的產(chǎn)生。

2 持續(xù)降雪雪量和西南風(fēng)波動(dòng)

2.1 各層風(fēng)速擾動(dòng)對(duì)降雪量的影響

將沿江和蘇南地區(qū)各市縣的降雪量進(jìn)行平均，圖3是6 h平均降雪量時(shí)間動(dòng)態(tài)圖，圖中顯示降雪量呈波動(dòng)形態(tài)，分以下幾個(gè)階段:①1月26日02時(shí)－08時(shí)，降雪量增大，平均降雪量為4.9 mm;②26日20時(shí)－27日08時(shí)12 h平均降雪增大到最大，為8.4 mm;③27日08－14時(shí)6 h，降雪減小到1.5 mm，27日14－20時(shí)降雪量持續(xù)增大，從1.5 mm增大到8.3 mm;④28日02時(shí)－28日20時(shí)6 h降雪量只有0.5 mm，20時(shí)－29日02時(shí)之間雪量增加到3 mm，隨后減弱，整個(gè)降雪過程結(jié)束。從平均降雪量的分布上可以看到呈波動(dòng)態(tài)勢(shì)。降雪量的分布有明顯的日變化，夜間增大、白天減小。

圖3 2008年1月24－29日沿江和蘇南6 h平均降雪量時(shí)間分布圖

壽紹文等［10］指出，與擾動(dòng)相聯(lián)系的低空急流就是一般常說的低空急流。其中心高度在850～700 hPa附近。奧銀煥等［11］對(duì)低空急流進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為急流的形成往往與夜間邊界層內(nèi)熱力關(guān)系密切，夜間邊界層降溫會(huì)導(dǎo)致夜間邊界層風(fēng)速突然增大。對(duì)應(yīng)各層全風(fēng)速的變化(圖4)，降雪從25日02時(shí)后開始，風(fēng)速為下小上大的垂直分布，降雪期間風(fēng)速呈明顯的波動(dòng)狀。暴雪出現(xiàn)的初期，600 hPa以下的風(fēng)速逐漸增大，850－700 hPa的風(fēng)速呈增大的態(tài)勢(shì)，600 hPa以上的風(fēng)速逐漸減小，300 hPa以上的風(fēng)速波動(dòng)不明顯。而且低空急流有明顯的日變化。26日02時(shí)低空急流增大，此時(shí)500 hPa風(fēng)速出現(xiàn)反位相波動(dòng)，降雪量隨低空急流風(fēng)速的增大而增大，27日14時(shí)隨著對(duì)流層低層風(fēng)速的減小降雪量開始減小;27日20時(shí)近地面到300 hPa風(fēng)速出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，降雪量在27日14時(shí)－28日08時(shí)達(dá)到最大。高空急流軸降雪初期在250 hPa附近，并且逐漸增大，在降雪量最大期間，200 hPa最大風(fēng)速曾達(dá)到85 m/s，但是高空急流的變化對(duì)降雪量的變化沒有指示意義。雖然降雪量和整層大氣的波動(dòng)有關(guān)，分析表明，700 hPa風(fēng)速和降雪量的對(duì)應(yīng)關(guān)系比較好，降雪量最大的27日20時(shí)－28日02時(shí)700 hPa風(fēng)速維持在25 m/s。

圖4 2008年1月24－29日31～32°N，118～122°E全風(fēng)速時(shí)間分布圖

2.2 U分量對(duì)降雪量的影響

U分量波動(dòng)(圖略)和全風(fēng)速基本一致，降雪產(chǎn)生的初期，有比較明顯的波谷，28日以前波谷與降雪量分布的波峰相對(duì)應(yīng)，也就是降雪增大在西風(fēng)增大時(shí)。29日02時(shí)低層西風(fēng)風(fēng)速減小，強(qiáng)降雪結(jié)束。

2.3 V分量和溫度平流對(duì)降雪量的影響

在降雪過程中，冷空氣和暖濕氣流的交綏使大氣的斜壓性增強(qiáng)，加速了上升運(yùn)動(dòng)，降水也隨之增強(qiáng)。V分量和冷暖平流分析可以看到(圖5)，降雪前期，25日14時(shí)前，南風(fēng)增大，900～200 hPa都為南風(fēng)控制，風(fēng)速呈下小上大的分布，北風(fēng)自下而上向上發(fā)展，最高到達(dá)600 hPa。降雪初始階段低層有負(fù)的溫度平流侵入，對(duì)照降雪量實(shí)況得到，冷空氣南下，從低層楔入，造成暖濕氣流抬升，降雪量開始增大。隨著北風(fēng)隨高度的抬高，降雪量減小。分析北風(fēng)擾動(dòng)和溫度平流的動(dòng)態(tài)得到，26日20時(shí)400 hPa以上出現(xiàn)了北風(fēng)擾動(dòng)和冷平流，也就是當(dāng)偏北風(fēng)和冷平流控制了對(duì)流層整層，降雪減弱。27日14時(shí)起，南風(fēng)再度增大，900 hPa以上都轉(zhuǎn)為南風(fēng)，南風(fēng)的最大值在300～400 hPa之間，為40 m/s，說明暖濕氣流非常強(qiáng)盛，降雪量27日14時(shí)－28日02時(shí)達(dá)到最大。分析溫度平流的垂直分布得到，強(qiáng)降雪發(fā)生在南風(fēng)輸送的暖平流增強(qiáng)的過程中，850 hPa以上有深厚的暖平流，28日02時(shí)－08時(shí)500 hPa以下轉(zhuǎn)為北風(fēng)，700 hPa以下的北風(fēng)分量為5 m/s，降雪開始減弱。29日14時(shí)冷平流從地面一直到控制了對(duì)流層中低層，降雪停止。因此V分量波動(dòng)和冷暖平流可以很好地解釋降雪量加大和停止的原因。

圖5 31°～32°N、118°～122°E垂直分布

以上分析表明:降雪的發(fā)展與風(fēng)速的振幅有關(guān)，當(dāng)對(duì)流層中低層風(fēng)速增大時(shí)，降雪發(fā)展，風(fēng)速減小時(shí)，降雪減弱。西風(fēng)增大時(shí)，降雪發(fā)展，西風(fēng)減小時(shí)，降雪開始減弱。但是西風(fēng)波動(dòng)的振幅與降雪量的大小無(wú)關(guān)。同時(shí)降雪量的增大與700 hPa急流風(fēng)速的日變化有關(guān)，總體呈現(xiàn)出夜大日小的時(shí)間分布特征。30日02時(shí)西風(fēng)再次增大時(shí)并沒有出現(xiàn)降雪天氣，從而得到強(qiáng)降雪的出現(xiàn)雖然與西風(fēng)波動(dòng)有關(guān)，但是西風(fēng)波動(dòng)不是降雪主要原因。分析表明，降雪明顯增大有兩個(gè)方面的因素，①當(dāng)冷空氣從低層侵入，冷平流侵入到由暖空氣控制的區(qū)域時(shí);②南風(fēng)擾動(dòng)增大，暖平流進(jìn)入到冷空氣控制的區(qū)域中。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致冷暖空氣交綏，因此暴雪的產(chǎn)生與南北風(fēng)波動(dòng)有關(guān)。當(dāng)北風(fēng)擾動(dòng)控制了整個(gè)對(duì)流層中低層時(shí)，降雪結(jié)束。值得注意的是，在北風(fēng)擾動(dòng)中，大降雪時(shí)段和300 hPa附近的南、北風(fēng)增大有關(guān)，強(qiáng)降雪時(shí)300 hPa分別有正的或負(fù)的V分量，而且中心值與降雪量的大小對(duì)應(yīng)得比較好，說明高層輻散量的大小對(duì)強(qiáng)降雪起到了一定的作用。

2.4 持續(xù)降雪過程中的水汽通量和水汽通量散度

將25－29日700～500 hPa和925～850 hPa的的水汽通量平均后得到圖6，水汽主要來自于700～500 hPa西南急流攜帶的孟加拉灣水汽、副熱帶高壓外圍西南氣流輸送的南海水汽，這兩支西南氣流構(gòu)成了一支寬廣的水汽輸送帶，江蘇的沿江和蘇南地區(qū)恰好位于水汽通量的北緣，也就是西南急流的左側(cè)。從低層925～850 hPa的水汽通量平均場(chǎng)可以看到，來自孟加拉灣和南海的水汽并沒有影響到江蘇，低層影響江蘇的是偏東氣流輸送的黃海南部的水汽，而且輸送量非常很小，因此在2008年1月下旬江蘇持續(xù)性降雪的水汽主要來自于中高層西南風(fēng)輸送的孟加拉灣和南海的水汽。

圖6 25－29日平均水汽通量(m·s－1·kg·kg－1)

分析暴雪過程中的水汽通量散度得到，850 hPa的水汽來自于黃海南部，而且非常弱，計(jì)算出來的水汽通量散度沒有明顯的特征。700 hPa的水汽通量散度輻合對(duì)暴雪的產(chǎn)生有指示意義，發(fā)生暴雪的區(qū)域中，700 hPa有明顯的水汽通量散度的輻合區(qū)，降雪減弱時(shí)水汽通量散度的輻合也東移減弱。27日20時(shí)－28日08時(shí)降雪量達(dá)到最大時(shí)，水汽通量散度的輻合也最大的。圖7a是27日08時(shí)強(qiáng)降雪發(fā)生前的700 hPa水汽通量散度圖，此時(shí)江蘇的沿江和蘇南地區(qū)位于水汽通量輻散區(qū)，中心值為0.05·10－8s－1，隨著西南暖濕氣流的北抬，14時(shí)江蘇的沿江和蘇南地區(qū)已在水汽通量輻合區(qū)(圖略)，圖中可以看到水汽通量散度有兩個(gè)中心，一個(gè)在浙南，還有一個(gè)在四川，此時(shí)江蘇南部已經(jīng)出現(xiàn)6 h 4 mm的平均降雪量。27日14時(shí)至28日02時(shí)有兩個(gè)0.2·10－8s－1的水汽通量散度的輻合中心從江蘇南部通過(圖7b)，在這一階段，降雪量達(dá)到最大。在28日08時(shí)前，江蘇的沿江蘇南地區(qū)一直處于水汽通量的輻合區(qū)，28日14時(shí)雖然700 hPa仍有切變線，但是江蘇已處于水汽通量散度的輻散區(qū)，因此降雪結(jié)束。

圖7 水汽通量散度(單位:10－8s－1)

分析500 hPa的水汽通量散度，降雪過程中降雪區(qū)水汽通量散度在降雪發(fā)生時(shí)都處在輻合區(qū)，27日14時(shí)在江蘇的暴雪區(qū)有一個(gè)0.1·10－8s－1的水汽通量散度輻合區(qū)，而且是整個(gè)降雪時(shí)段最大值。當(dāng)降雪結(jié)束時(shí)，降雪區(qū)處于水汽通量散度的輻散區(qū)。持續(xù)性降雪的水汽通量散度與降雨有明顯的區(qū)別，降雪發(fā)生在較高層次(700～500 hPa)的一支穩(wěn)定而持續(xù)輸送的西南氣流水汽帶中。與降雨一樣，水汽通量散度的變化與降雪量有直接的關(guān)系，當(dāng)水汽通量散度輻合產(chǎn)生時(shí)，降雪發(fā)生，處于水汽通量散度的輻散場(chǎng)時(shí)降雪結(jié)束，而且水汽通量輻合增大的同時(shí)降雪量增大。

3 持續(xù)降雪過程中的動(dòng)力特征—渦度和垂直速度

根據(jù)垂直渦度隨時(shí)間的變化，在整個(gè)降雪過程中，850～500 hPa為正渦度區(qū)(圖8a)，渦度的中心值位于700 hPa，28日14時(shí)降雪趨于結(jié)束時(shí)，正渦度值并沒有發(fā)生變化。29日08時(shí)850 hPa以上仍然維持一個(gè)正的渦度區(qū)，并且渦度值達(dá)到最大，實(shí)況表明此時(shí)降雪已經(jīng)完全結(jié)束，因此渦度的垂直分布對(duì)降雪的發(fā)生和發(fā)展的指示意義并不好。

圖8 31～32°N、118～122°E平均的時(shí)間－高度剖面圖

垂直速度分析表明(圖8b)，暴雪產(chǎn)生時(shí)，大于2×10－2m/s的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)在700 hPa以上，降雪時(shí)與正的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相配合，降雪量最大時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)的底部降低到850 hPa，高度抬升到200 hPa，中心值增大，最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)在400～500 hPa之間，為10×10－2m/s，28日14時(shí)降雪減小，此時(shí)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)也出現(xiàn)了突變，在400 hPa以下為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，29日02時(shí)上升運(yùn)動(dòng)又一次增強(qiáng)，降雪量也隨之增大。29日08時(shí)整層處于下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，降雪結(jié)束。

垂直速度的大小和垂直分布與暴雪有較好的關(guān)系，暴雪出現(xiàn)時(shí)大氣整層為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，中心值位于300～500，當(dāng)上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)高度降低時(shí)，降雪量增大，當(dāng)大氣的整層為下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，降雪結(jié)束。

4 結(jié)論

(1)暴雪量與低空急流的日變化相對(duì)應(yīng)，存在著明顯的日變化，夜間增大，白天減小，江蘇降雪過程中，西南暖濕氣流主要來自于700～500 hPa，850 hPa以下，為偏北風(fēng)，風(fēng)速呈下小上大的分布。

(2)對(duì)U、V風(fēng)分量的分析得到，東、西風(fēng)的垂直分布和全風(fēng)速的分布基本一致，風(fēng)速的正負(fù)向振幅與降雪的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，負(fù)向振幅降雪增大，但是振幅大小與降雪量無(wú)關(guān)。南、北風(fēng)的變化和冷暖平流的變化基本上是一致的，當(dāng)北風(fēng)增大時(shí)，有明顯的冷平流，南風(fēng)增大時(shí)有暖平流。降雪發(fā)生在兩種情況中，低層北風(fēng)侵入到暖區(qū)和南風(fēng)攜帶的暖濕氣流向冷平流區(qū)輸送的過程中。

(3)降雪過程中，850 hPa的東風(fēng)氣流對(duì)黃海東部的水汽輸送非常弱，降雪區(qū)850 hPa以下沒有水汽通量散度輻合，西南暖濕氣流的輸送主要集中在700～500 hPa，降雪量的大小和這兩層的水汽通量散度的輻合值有關(guān)，暴雪最大時(shí)，700 hPa為0.2·10－8s－1，500 hPa為0.1·10－8s－1，也是水汽通量散度輻合值最大的時(shí)段。

(4)降雪過程中，渦度的變化對(duì)降雪的發(fā)生和發(fā)展沒有指示意義。上升運(yùn)動(dòng)中心值的高度和大小與降雪量成正相關(guān)，暴雪出現(xiàn)時(shí)，700 hPa以上為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，降雪量隨著上升運(yùn)動(dòng)的增大而增大，中心值位于400～500 hPa。

［1］高安寧，陳見，李艷蘭，等.2008年廣西罕見凝凍災(zāi)害評(píng)估及思考［J］．災(zāi)害學(xué)，2008，23(2):83－86．

［2］郭建平.低溫雨雪冰凍災(zāi)害給農(nóng)業(yè)氣象工作的啟示［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(2):75－77．

［3］周慧，朱國(guó)強(qiáng)，禹偉，等.湖南2008年極端冰凍特大災(zāi)害成因分析及影響評(píng)估，2009，24(1):80－85．

［4］白媛，張建松，王靜愛.基于災(zāi)害系統(tǒng)的中國(guó)南北方雪災(zāi)對(duì)比研究［J］．災(zāi)害學(xué)，2011，26(1)，:14－19．

［5］尹東屏，孫燕.南京近50年冬季低溫冰凍積雪事件的氣候特征［J］．災(zāi)害學(xué)，2011，26(2):35－38．

［6］陶詩(shī)言.中國(guó)之暴雨［M］．北京:科學(xué)出版社，1980:225．

［7］林永輝，廖清海，王鵬云.低空急流型形成發(fā)展的一種可能機(jī)制—重力波的慣性不穩(wěn)定［J］．氣象學(xué)報(bào)，2003，61(3):374－378．

［8］宮德吉，李彰俊.低空急流與內(nèi)蒙古大(暴)雪［J］．氣象，2001，27(12):3－7．

［9］王東海，柳崇健，劉英，等.2008年1月中國(guó)南方低溫雨雪冰凍天氣特征及其天氣動(dòng)力學(xué)成因的初步分析［J］．氣象學(xué)報(bào)，2008，66(3)，405－422．

［10］壽紹文.中尺度大氣動(dòng)力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2009:385．

［11］奧銀煥，呂世華，陳玉春．河西地區(qū)不同下墊面邊界層特征分析［J］．高原氣象，2004，23(1):91－95.