2011年3月云南一次寒潮天氣過程分析

閔 穎, 李華宏, 朱 莉, 普貴明

(云南省氣象臺,云南昆明650034)

寒潮是云南省最常見的災(zāi)害性天氣之一,其帶來的劇烈降溫、大風(fēng)、雨雪天氣給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力輸送、通訊和交通安全帶來極為不利的影響。20世紀(jì)50年代中期一些研究者就開始利用影響中國大陸的冷空氣源地、路徑和環(huán)流特征對寒潮進(jìn)行分類,不少學(xué)者對中國的寒潮天氣過程進(jìn)行了全面分析,并取得了諸多成果[1-5]。然而中國幅員遼闊,氣候及地理條件復(fù)雜且差異較大,寒潮過程也不盡相同。針對云南的寒潮天氣,張騰飛等[6-12]已做了詳盡的分析,但是3～4月是云南小春作物的低溫敏感關(guān)鍵時期,春季的寒潮天氣過程會對小春和經(jīng)濟(jì)作物造成嚴(yán)重的影響,因此對春季寒潮天氣的深入分析有很大的必要性。文中利用NECP 1°×1°的6h再分析資料、常規(guī)觀測資料和TBB黑體亮溫資料對2011年3月15日～18日發(fā)生在云南省的一次寒潮天氣過程的形成機(jī)制進(jìn)行深入研究,以期進(jìn)一步認(rèn)識云南春季強(qiáng)降雪天氣的物理機(jī)制。

1 天氣概況

受強(qiáng)冷空氣影響,2011年3月15～18日,云南省出現(xiàn)大范圍寒潮天氣。此次寒潮天氣的特點:(1)15日冷空氣從東北路徑進(jìn)入云南,滇中及以東大部分地區(qū)24h日平均氣溫普遍下降6℃～15℃,昆明的降溫幅度達(dá)到9.1℃(圖1a),且強(qiáng)降溫區(qū)域的日最低溫度也普遍≤5℃(圖1b),另外昆明站在15日20時出現(xiàn)降雪天氣,所以此次寒潮達(dá)到了全省性寒潮的標(biāo)準(zhǔn);(2)從旬平均溫度距平場上看(圖1c),除滇西北、滇西部分地區(qū)為正距平外,其余大部分地區(qū)的溫度都低于歷史同期溫度,其中偏低最大的區(qū)域出現(xiàn)在文山、紅河一帶;(3)此次降溫過程伴有雨雪天氣(圖1d),全省15日～18日過程降水主要出現(xiàn)在在滇南一帶,幾乎都超過25mm,最大的降水出現(xiàn)在河口,達(dá)95mm,而過程降雪主要出現(xiàn)在滇中及以東地區(qū),降雪區(qū)域甚至南擴(kuò)到滇東南,西進(jìn)至安寧、通海一帶。

圖1 天氣實況(陰影:降水分布(單位:mm);天氣符號:降雪區(qū)域)

2 環(huán)流形勢分析

2.1 高空環(huán)流形勢

2011年3月13日20:00(北京時,下同),在500hPa高度上(圖2a),貝巴之間為一東北-西南向的阻塞高壓,阻高東部強(qiáng)的東北氣流引導(dǎo)北冰洋的冷空氣南下,但由于西部暖高壓脊的阻擋,冷空氣南下至新疆東部便堆積起來,冷中心為-36℃,由冷中心向西南方向延伸出一東北-西南走向的橫槽,槽后偏北風(fēng)與槽前偏西風(fēng)形成風(fēng)向切變,在冷中心南部形成東西向的高空鋒區(qū),在其附近有一等溫線密集區(qū),標(biāo)志著冷空氣已堆積。青藏高原有波動槽存在,在低緯度地區(qū)88°E附近存在較強(qiáng)的南支槽,云南由前期的西北氣流轉(zhuǎn)為槽前的西西南氣流控制,過程期間,由于阿拉伯海附近的高壓與副熱帶高壓形成對峙的形勢,所以南支槽穩(wěn)定少變。14日20:00,橫槽東移至內(nèi)蒙古地區(qū),高原上的波動槽也東移至四川中部-云南西北部-青藏高原南側(cè)一帶。15日08:00橫槽轉(zhuǎn)豎,與高原波動槽幾乎連成一體,槽后為強(qiáng)勁的西北氣流。15日20:00～17日20:00,高原波動槽逐步東移南壓,17日20:00低槽位于昭通-昆明-騰沖附近,18日08:00云南轉(zhuǎn)為一脊區(qū)控制,低槽也東移出云南地區(qū),寒潮天氣結(jié)束。

圖2 高空形勢分布(實線:高度場(單位:dagpm);虛線:溫度場(單位:℃);風(fēng)向桿)

700hPa高度上,14日08:00新疆地區(qū)的316dagpm高壓加強(qiáng)且向東南方向移動,前沿進(jìn)入青海一帶,格爾木的高度值上升到318dagpm,形成北高南低的形勢,有利于四川中部的切變線南壓影響云南地區(qū),切變線14日20:00進(jìn)入云南東北部,15日08:00切變線位于曲靖南部-麗江,0℃等溫線也明顯南壓至曲靖北部-云南西北部地區(qū),15日20:00(圖2b)切變線繼續(xù)向南壓進(jìn),位于廣西北部-昆明-麗江一帶,0℃等溫線也呈緯向分布,位于云南中部一帶,昆明降溫到-3℃,此時也是昆明出現(xiàn)降雪的時刻,16日08:00切變線南移出云南。

850hPa高度上,12日08:00位于巴湖以北中心高度為156dagpm的冷高壓于12日20:00東南移動進(jìn)入新疆以北地區(qū),中心強(qiáng)度加強(qiáng)為162dagpm,之后冷高壓一直向東南方向移動,強(qiáng)度也繼續(xù)加強(qiáng),至14日20:00冷高壓中心強(qiáng)度加強(qiáng)為167dagpm,其前沿東北氣流經(jīng)陜甘進(jìn)入四川東部,15日20:00(圖2c)冷高壓中心位于甘肅中部,前沿東北氣流進(jìn)入廣西北部,百色站轉(zhuǎn)為東北氣流控制,且風(fēng)速達(dá)到16m·s-1,云南地區(qū)出現(xiàn)明顯降溫。高壓前強(qiáng)勁的東北氣流有利于冷空氣加強(qiáng)并西移。17日20:00高壓移到海上。

2.2 地面環(huán)流形勢

地面圖上西西伯利亞的冷高壓逐漸向東南方向擴(kuò)展,14日14:00(圖3a)冷高壓1035hPa等壓線位于四川省北部邊緣,14日17:00冷高壓1020hPa等壓線壓至云南東北部邊緣地區(qū),此后1020hPa等壓線繼續(xù)向南向西挺進(jìn),氣壓梯度繼續(xù)加大,等壓線由西北-東南向逐步轉(zhuǎn)為南北向,1020hPa等壓線西進(jìn)到哀牢山一線,14日20:00～15日11:00云南全省都為正變壓區(qū)(圖3b),15日14:00除云南西北部外,云南大部地區(qū)都出現(xiàn)明顯的負(fù)變溫,昆明24小時的變溫達(dá)到-18.6℃(圖3c)。

圖3 地面形勢分布

3 物理量分析

3.1 水汽條件

3.1.1 水汽通量及其輸送方向

圖4給出了2011年3月15日08:00 500hPa(圖4a)和700hPa(圖4b)水汽通量和水平風(fēng)場分布。在圖4(a)上,云南中部以南地區(qū)處于東北-西南向的水汽通量大值帶內(nèi),水汽通量自北向南增加,云南西南部的水汽通量達(dá)10g·cm-1·hPa-1·s-1,在87°E附近存在南支槽,緬甸到云南為西西南氣流控制,表明南支槽前有源源不斷的西西南暖濕氣流向云南輸送;此外,副熱帶高壓外圍有一支西南氣流從孟加拉灣東部經(jīng)中南半島向云南南部地區(qū)輸送。兩支氣流在云南南部一帶匯合,也是這一帶地區(qū)水汽通量較大的原因。從而可以看出500hPa上水汽來自孟加拉灣洋面。

圖4(b)上,云南地區(qū)的水汽通量大值帶略呈東-西向分布,云南中部的水汽通量達(dá)4g·cm-1·hPa-1·s-1,向南北兩側(cè)遞減,在印度半島東部-孟加拉灣西部地區(qū)為一高壓脊區(qū),水汽主要來自副熱帶高壓外圍從孟加拉灣東部經(jīng)中南半島向云南中部地區(qū)輸送的西西南氣流,而云南南部一線為副熱帶高壓外圍控制。

從上下兩層水汽通量分布來看,此次過程的水汽主要是來自500hPa。

圖4 3月15日08:00水汽通量分布(單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水平風(fēng)場分布

3.1.2 水汽通量散度

圖5是700hPa沿25°N水汽通量散度的經(jīng)向-時間演變圖。從圖中的變化可以看出,隨時間的變化,自東向西出現(xiàn)了一條水汽輻合帶,云南中部及以東地區(qū)大約在14日20:00之后出現(xiàn)水汽輻合,15日08:00時水汽輻合達(dá)到最強(qiáng),越往云南中部輻合越強(qiáng)。其中,昆明附近(102°E～103°E)的水汽通量散度為-3g·hPa-1·cm-2·s-1,大約12h后昆明開始降雪。16日08:00以后云南地區(qū)的水汽輻合輻散不明顯。

3.2 動力條件

圖6是沿25°N所作的過程前、中和后的垂直速度的垂直剖面圖。14日08:00(圖6a)在過程之前約24h 104°E～106°E附近整層都為上升運動區(qū),但700hPa上升運動較弱,強(qiáng)度僅為-4×10-3hPa·s-1左右。15日 08:00(圖6b)過程開始時上升運動范圍向西擴(kuò)大,且105°E附近在600hPa上空的垂直速度增大到-18hPa·s-1,云南中部一帶的上升運動中心位于700～500hPa之間,中心達(dá)-4×10-3hPa·s-1左右,云南中部及以東的上升運動反映了切變線西南移的影響,表明具備了較強(qiáng)的動力抬升條件。18日08:00(圖6c)云南中部及以東地區(qū)在500hP以下都轉(zhuǎn)為下沉氣流,是高層低槽影響過后槽后西北氣流控制穩(wěn)定大氣的反映,意味著寒潮天氣的結(jié)束。

過程開始前垂直速度的增加、大氣上升運動的加強(qiáng)會促使水汽凝結(jié),產(chǎn)生雨雪天氣;過程發(fā)生時,上升運動的區(qū)域擴(kuò)大,但強(qiáng)的上升氣流存在于中低層,隨著上升氣流轉(zhuǎn)為下沉氣流,寒潮天氣結(jié)束。因此強(qiáng)烈的上升運動為雨雪天氣提供了較好的動力條件。

圖6 沿25°N垂直速度的垂直剖面(單位:10-3hPa·s-1)

3.3 熱力條件

圖7是500hPa冷平流分布圖。13日08:00(圖7a),與東亞大槽相對應(yīng)在烏拉爾山一帶出現(xiàn)了準(zhǔn)東西向的帶狀冷平流區(qū),有兩個中心分別位于90°E和 80°E,中心值為-70×10-5℃·S-1和-30×10-5℃·S-1,表明冷空氣勢力非常強(qiáng),且開始在烏拉爾山一帶堆積。15日08:00(圖7b),伴隨著低槽的轉(zhuǎn)豎并向東南移動,帶狀冷平流區(qū)變?yōu)闁|北-西南向,強(qiáng)冷平流中心移至渤海灣附近,極值為-50×10-5℃·S-1,同時可以看出,在巴爾喀什湖附近有新的低槽東移,帶來另一股冷空氣。17日08:00(圖7c),東側(cè)低槽的北段東移入海,南段與南支槽合并后滯留于滇緬之間,在湖南至云南一帶維持小范圍的冷平流區(qū),與此同時,中蒙邊境附近有一-100×10-5℃·S-1的冷平流中心,表明第二股冷空氣主力從新疆北部入侵后一路東移,路徑偏北。18日08:00(圖7d),滇緬間的低槽減弱,以經(jīng)向環(huán)流為主,云南一帶的冷平流區(qū)消失,表明冷空氣強(qiáng)度在云南一帶明顯減弱,寒潮過程趨于結(jié)束。由此可見,云南這次寒潮天氣是強(qiáng)盛的冷平流所造成的。致使云南大部地區(qū)15日14:00的24小時變溫(圖3c)達(dá)到了-10℃以上,其中云南中部及以東地區(qū)的降溫幅度更是達(dá)到了-20℃以上,顯示出冷空氣的強(qiáng)大勢力。

圖7 500hPa冷平流分布圖(單位:10-5℃·S-1)

4 降雪的環(huán)境條件分析

雪主要產(chǎn)生于溫度在0℃以下的云中,其形成過程與雨相似。因此圖8給出了700hPa水汽通量、垂直速度、等溫度線和降雪天氣的配置,以期能夠找出降雪的環(huán)境條件。

15日08:00 (圖8a),降雪主要出現(xiàn)在昭通和曲靖地區(qū),位于0℃等溫線和更低溫度的一側(cè);對應(yīng)水汽的輻合區(qū),曲靖輻合強(qiáng)于昭通;降雪區(qū)域上方對應(yīng)于上升運動區(qū),但是基本位于上升區(qū)的邊緣,上升速度在-1hPa·s-1左右。

15日20:00 (圖8b),降雪區(qū)域南壓至文山,西進(jìn)到昆明一帶,且同樣位于0℃等溫線和更低溫度的一側(cè);曲靖和文山一帶水汽輻散,云南中部一帶水汽輻合,但是輻合強(qiáng)度很小,水汽通量散度小于-1g·hPa-1·cm-2·s-1,降雪區(qū)域仍然處于弱的上升運動區(qū),而強(qiáng)水汽輻合和垂直上升運動區(qū)位于云南中部偏西一帶,但這些區(qū)域的溫度都在0℃以上,因此沒出現(xiàn)降雪天氣。

16日14:00 (圖8c),降雪區(qū)域位于文山、紅河、玉溪南部一帶,也同樣位于0℃等溫線和更低溫度的一側(cè);文山一帶水汽輻合,但水汽通量散度仍然小于-1g·hPa-1·cm-2·s-1,其余降雪區(qū)域水汽輻散;降雪區(qū)域上空仍然為弱的上升運動區(qū)。

比較后可以發(fā)現(xiàn),決定降水形態(tài)的關(guān)鍵因素是700hPa 0℃等溫線的分布,降雪區(qū)域趨向于更冷的一側(cè);而降雪只需發(fā)生在弱的垂直上升運動區(qū);在水汽的輻合和弱輻散區(qū)都可以產(chǎn)生降雪天氣。

圖8 天氣符號(代表降雪天氣)、700hPa水汽通量散度(陰影,單位:g·hPa-1·cm-2·s-1)、700hPa等溫度線(實線,單位:℃)和700hPa垂直速度(虛線,單位:10-3hPa·s-1)

5 衛(wèi)星云圖上的南支槽演變

圖9 相當(dāng)黑體溫度(單位:℃)

由上述高空分析發(fā)現(xiàn),南支槽是此次過程的主要影響系統(tǒng)之一,從衛(wèi)星云圖的分析可以清楚地揭示南支槽的演變,在東移影響云南省時是一個不斷加強(qiáng)的過程。

圖9是過程前后衛(wèi)星云圖的演變圖。3月14日11:00(圖9a)云南東北部邊緣地區(qū)是一條準(zhǔn)南北向的靜止鋒云系,從孟加拉灣中部沿中南半島至云南南部一帶有一條東北-西南向清晰的南支槽云系活動,此外,高原東南側(cè)對應(yīng)500hPa上的高原波動有一條低槽云系。14日19:00(圖9b)南支槽云系北抬,與云南東北部的靜止鋒云系在曲靖附近匯合,高原東南側(cè)的低槽云系緯向度加大,位于高原南側(cè)一帶,且從孟灣北部有帶狀云系向云南西北部延伸。14日23:00(圖略),結(jié)合后的南支槽云系和靜止鋒云系在云南中部一帶發(fā)展加強(qiáng)。15日18:00(圖9c),三條云系結(jié)合,從孟灣中部至江南一帶形成一條寬廣的準(zhǔn)東西向的帶狀云系。15日21:00(圖9d),云系開始在云南西部發(fā)展。16日03:00(圖9e),云南西部的云系發(fā)展最強(qiáng),部分地區(qū)的云頂亮溫達(dá)到-50℃以上,但由于沒有冷空氣配合,在云南西部沒有產(chǎn)生明顯的降水天氣。此后云系開始逐步向東南方向移動,18日08:00(圖9f),云系基本移出云南且強(qiáng)度有所減弱,云南的雨雪天氣也就逐漸減弱停止。

由此可見,南支槽云系在東移過程中不斷加強(qiáng),南支槽云系、靜止鋒云系以及高原東南側(cè)的低槽云系三者交匯產(chǎn)生此次低溫雨雪天氣過程,三者缺一不可。

6 結(jié)論

(1)500hPa高空冷槽、南支槽、700～850hPa低層切變、地面冷鋒是此次寒潮天氣過程的主要影響系統(tǒng)。

(2)冷空氣是從關(guān)鍵區(qū)(巴湖一帶)經(jīng)河套到陜甘的偏西路徑再折向沿東北回流路徑進(jìn)入云南省。

(3)水汽主要來自500hPa,源地位于孟加拉灣,主要是由于南支槽前與副熱帶高壓外圍西西南氣流的共同作用。

(4)強(qiáng)烈的上升運動為雨雪天氣提供了充分的動力條件。

(5)決定降水形態(tài)的關(guān)鍵是700hPa 0℃等溫線的分布情況。

(6)衛(wèi)星云圖比較清楚地揭示了南支槽云系東移發(fā)展、并與冷鋒云系和低槽云系交匯、減弱移出云南的整個過程,南支槽云系顯示出槽前的西南氣流攜帶大量的水汽向云南輸送,冷鋒云系和低槽云系合并后加深了槽的緯向度,使得槽后西北氣流的南北分量增加,有助于冷空氣的加強(qiáng),冷暖空氣在云南上空的交匯,造成了云南此次大范圍的雨雪天氣過程,三者缺一不可。

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