低緯高原2013年一次寒潮天氣過程不同相態(tài)降水診斷分析

鐘愛華，周 泓，黃慧君，徐安倫

(1.云南省大理州氣象局，云南大理 671000;2.云南省玉溪市氣象局，云南玉溪 653100;3.大理國家氣候觀象臺，云南大理 671003)

近年來，許多氣象工作者對低緯高原出現(xiàn)的強(qiáng)冷空氣天氣過程進(jìn)行了天氣動力學(xué)診斷分析和數(shù)值模擬。如郭榮芬等對低緯高原2次冬季南支槽強(qiáng)降水進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)一次屬于典型的“槽潮”天氣過程，一次則是無明顯強(qiáng)冷空氣配合但有西南急流長時間維持的天氣過程，并從2次過程的物理機(jī)制上進(jìn)行了探討;對云南一次罕見的“雷打雪”天氣過程進(jìn)行診斷分析指出，南支槽、冷空氣和西南低空急流是這次過程的天氣背景，并綜合運(yùn)用雷達(dá)資料分析了過程的中尺度特征［1－2］。張騰飛等將多普勒雷達(dá)資料同常規(guī)氣象資料、物理量和衛(wèi)星云圖資料結(jié)合起來對2004年2月7日滇中及以東一次大到暴雪天氣過程綜合分析［3］。不過這些工作較少涉及降水相態(tài)的研究。張備等從環(huán)流形勢、動力機(jī)制、溫濕特征等方面對2010年2月9～11日江蘇一次雨、雪、凍雨、冰雹等不同相態(tài)的寒潮過程進(jìn)行了分析［4］。王清川等對廊坊市初冬雨雪相變特征和一次春季強(qiáng)寒潮的降水相態(tài)變化進(jìn)行了分析，探討了降水多相態(tài)轉(zhuǎn)換的成因，給出了雨雪轉(zhuǎn)換的氣象指標(biāo)和多普勒天氣雷達(dá)特征［5－6］。段旭等對低緯高原地區(qū)冰雹與暴雨物理?xiàng)l件的差異進(jìn)行細(xì)致的研究，得到一些有意義的結(jié)論［7］。但不同季節(jié)環(huán)境場和物理量場會有很大差異，低緯高原冬季不同相態(tài)降水之間各物理量的變異特征值得深入研究。筆者利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP1.0°×1.0°逐6 h再分析資料，綜合分析2013年12月15～16日云南出現(xiàn)的強(qiáng)寒潮天氣過程，通過對不同相態(tài)降水物理量的細(xì)致分析，找出一些此類復(fù)雜天氣降水相態(tài)落區(qū)預(yù)報的經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)和預(yù)報著眼點(diǎn)。

1 環(huán)流形勢及天氣實(shí)況

2013年12月15～16日云南出現(xiàn)一次強(qiáng)寒潮天氣過程，降溫的同時伴有降雨、降雪、冰雹、雷暴等天氣(圖1)。這次云南特殊的天氣過程是由南支槽前高低空西南急流、切變線和地面冷鋒共同作用造成的。過程開始前，從500 hPa高空圖(圖2a1)看出，14日20:00歐亞中高緯地區(qū)為兩槽一脊形勢，脊區(qū)位于 60°～90°E、30°～55°N 的烏拉爾山地區(qū)，槽區(qū)一個位于歐洲東部、另一個位于鄂霍次克海附近;甘肅南部—四川西北部—青藏高原東南部到緬甸西部是一東北—西南向槽，新疆、青海和西藏大部為槽后脊前的西北氣流，溫度槽明顯落后于高度槽，在蒙古到我國西北地區(qū)有－32℃的冷中心，－20℃等溫線位于四川東南部。700 hPa(圖2b1)，南支槽區(qū)位于92°～94°E，云南大部受槽前西南急流影響，溫度槽落后于高度槽，滇東北等溫線密集，0℃等溫線壓在昆明以東曲靖以西;切變線位于四川東部，格爾木高度值為316 dagpm，云南探空站的高度值在307～310 dagpm，與格爾木之間有6～9 dagpm的位勢高差，有利于切變線南壓。氣壓場上，1 020 hPa等壓線壓至滇東北一線，而南支槽對應(yīng)的位置氣壓是1 010 hPa，表明南支槽非常深厚。15日08:00 500 hPa(圖2a2)，高空西風(fēng)槽北段東移至四川東部，南支槽區(qū)位置少動，云南被20 m/s以上的西南急流控制，西南風(fēng)的南風(fēng)分量較14日20:00增加，－20℃等溫線壓至麗江一線，溫度槽仍落后于高度槽，這樣的斜壓配置使得冷槽內(nèi)的大量冷空氣沿著高原東部西北氣流入侵四川、云南等地。700 hPa(圖2b2)，受高空西北氣流引導(dǎo)，切變線快速南壓，東段壓至云南文山、紅河一線，西段到達(dá)楚雄、大理一帶，切變線后部在四川東部仍有12 m/s以上的偏北大風(fēng);0℃等溫線明顯南移，位于滇東南－臨滄北部到德宏南部。氣壓場上，哀牢山沿線為1 018 hPa等壓線控制區(qū)，以東地區(qū)受1 020～1 032 hPa線控制，表明強(qiáng)冷空氣正在影響該區(qū)域。受南支槽、高低空西南急流和切變線共同影響，14日夜間到15日白天云南出現(xiàn)明顯雨雪天氣，全省共出現(xiàn)42站小雨、27站中雨、16站大雨、22站暴雨和2站大暴雨，暴雨出現(xiàn)在文山、紅河、普洱以及西雙版納，其中西雙版納的勐臘站出現(xiàn)148.0 mm的大暴雨，普洱的江城站出現(xiàn)104.6 mm的大暴雨;滇中以東地區(qū)由北向南依次出現(xiàn)降雪，滇西北和大理、楚雄地區(qū)也出現(xiàn)了大到暴雪。此外，哀牢山大地形對冷空氣有阻擋作用，受西南急流影響，哀牢山以西地區(qū)出現(xiàn)了降水、冰雹和雷暴天氣。

15日20:00 500 hPa形勢(圖2a3)與08:00相似，南支槽區(qū)略東移，槽前的西南急流軸隨之東移，滇西北西南氣流減弱，而滇中及以東的氣流卻明顯加大，西雙版納到玉溪一帶出現(xiàn)了40 m/s以上的超強(qiáng)西南急流;700 hPa(圖2b3)，切變線壓過昆明，切變后部的四川盆地東部到滇東北仍存在一支強(qiáng)勁的東北風(fēng)低空急流;地面圖上看冷空氣已經(jīng)抵達(dá)哀牢山一線，哀牢山以東以北的地區(qū)均出現(xiàn)大雪甚至暴雪。16日08:00 500 hPa南支槽繼續(xù)緩慢東移，700 hPa切變線和－4℃等溫線自東北向西南方向移至滇西南邊緣地區(qū)。15日夜間到16日白天云南全省出現(xiàn)72站小雨、10站中雨，中雨集中在臨滄和文山地區(qū)，哀牢山以東地區(qū)的降雪隨著切變線南壓，自北向南減弱結(jié)束。16日20:00南支槽迅速東移，云南大部地區(qū)轉(zhuǎn)為槽后西北氣流，低層轉(zhuǎn)為偏北到東北風(fēng)控制。16日夜間到17日早晨云南大部天空放晴，多個測站最低氣溫突出有氣象記錄以來歷史極端最低氣溫，出現(xiàn)了重霜凍天氣。

2 不同相態(tài)降水物理量分析

下面分別對暴雨、雷暴和降雪3種不同相態(tài)降水的物理量條件進(jìn)行分析。暴雨和降雪分別選2個代表站點(diǎn)分析，各站點(diǎn)海拔高度、天氣現(xiàn)象、地面氣溫及6 h降水量如表1所示。

表1 2013年12月14～16日不同相態(tài)降水站點(diǎn)天氣現(xiàn)象、地面氣溫及降水量

2.1 暴雨區(qū)物理量特征分析 選取滇南出現(xiàn)2個大暴雨的站點(diǎn)勐臘(21.48°N、101.57°E)和江城(22.57°N、101.85°E)2個站點(diǎn)作為暴雨區(qū)代表站。

2.1.1 水汽通量和水汽通量散度。12月15日02:00 700 hPa滇西南處于西南低空急流的出口區(qū)，從水汽通量和水汽通量散度的空間分布圖(圖3a)上，滇南是水汽通量的大值區(qū)，水汽在大值區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈輻合，強(qiáng)水汽輻合中心值達(dá)－9×10－7g/(cm2·hPa·s);15日20:00南支槽東移，槽前的西南急流軸隨之東移，低空急流軸位于18°～22°N一帶，滇南邊緣地區(qū)位于急流軸的出口區(qū)，水汽通量的大值區(qū)仍位于急流軸的出口區(qū)，水汽在滇南邊緣地區(qū)輻合，強(qiáng)水汽輻合中心值達(dá)－8×10－7g/(cm2·hPa·s)(圖3b)。從表1可以看出，勐臘和江城的強(qiáng)降水集中在14日20:00～15日20:00，江城24 h雨量為104.6 mm，勐臘為148.0 mm，正是西南低空急流為滇南強(qiáng)降水區(qū)源源不斷地輸送著來自孟加拉灣的水汽。南支槽前暖濕的西南低空急流為滇南大部地區(qū)的強(qiáng)降水天氣提供了充足的動力條件和水汽條件，暴雨落區(qū)與水汽輸送量大小和水汽通道位置關(guān)系密切。

2.1.2 K指數(shù)。K指數(shù)是描述大氣穩(wěn)定度的一個重要指標(biāo)，一般來說，K指數(shù)越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。從12月15日08:00 K指數(shù)分布圖(圖4)可以看出，整個滇中及滇西南地區(qū)的K指數(shù)＞25℃，西雙版納地區(qū)K指數(shù)為28～30℃，是不穩(wěn)定能量的密集區(qū)。700 hPa 08:00總溫度圖上，除滇東北和滇西北總溫度值在38℃以下，云南其他地區(qū)均屬于38～48℃的高能區(qū)。

2.1.3 散度、垂直速度。從散度、垂直速度的時間－高度剖面圖上，14日20:00～15日02:00勐臘(圖5a)700 hPa以下輻合，700 hPa以上輻散，有弱的上升運(yùn)動，強(qiáng)度在－2×10－3hPa/s;15日02:00～20:00 600 hPa以下輻合，輻合中心高度在850～600 hPa，600 hPa以上輻散，輻散中心高度在500～350 hPa，且低層輻合高層輻散程度加強(qiáng)，同時上升運(yùn)動越來越強(qiáng)烈，中心強(qiáng)度在15日20:00達(dá)到最大，為－34×10－3hPa/s;15日20:00后低層輻合高層輻散的程度逐漸減小，上升運(yùn)動顯著減弱，最大上升運(yùn)動中心強(qiáng)度僅維持在－10×10－3hPa/s。而江城(圖5b)14日20:00～15日20:00 500 hPa以下輻合，輻合中心高度在700～500 hPa，500 hPa以上輻散，輻散中心高度在400～300 hPa，并伴有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，強(qiáng)度在－40×10－3hPa/s;15日20:00整層轉(zhuǎn)為輻合，上升運(yùn)動明顯減弱，中心強(qiáng)度僅為－8×10－3hPa/s。分析表明勐臘和江城出現(xiàn)強(qiáng)降水期間(14日20:00～15日20:00)低層輻合高層輻散，并伴有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。

通過對暴雨區(qū)水汽、能量、穩(wěn)定度以及動力抬升條件的分析表明，滇南地區(qū)受南支槽前西南高低空急流影響，水汽和能量條件充足。急流軸在隨南支槽東移的過程中，為滇南強(qiáng)降水區(qū)源源不斷地輸送著來自孟加拉灣暖濕而不穩(wěn)定的水汽，為暴雨天氣的發(fā)生提供了充足的水汽、能量和不穩(wěn)定條件，而這些暖濕而不穩(wěn)定的水汽在急流軸出口區(qū)及出口區(qū)的左側(cè)輻合抬升，形成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，最終造成了滇南地區(qū)的暴雨局地大暴雨天氣。分析表明暴雨的落區(qū)與水汽輸送量大小、水汽通道位置關(guān)系密切，而水汽通道基本與低空急流的位置一致。

2.2 雷暴區(qū)物理量特征分析 從對流層低層700 hPa比濕圖(圖6a)可以明顯地看到，滇西與滇西南地區(qū)之間存在濕度鋒區(qū)，滇西是干區(qū)，滇西南是顯著濕區(qū)。而15日08:00南支槽槽前的西南低空急流軸位于18°～22°N一帶(圖2b2)，滇南邊緣地區(qū)位于急流軸的出口區(qū)，因此700 hPa濕度鋒區(qū)的位置與低空急流的位置基本一致。從15日08:00 500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫分布看出，滇西地區(qū)500 hPa和850 hPa的假相當(dāng)位溫之差為－4℃，氣層處于不穩(wěn)定狀態(tài);15日20:00 500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫分布圖(圖6b)上滇西和滇西南仍是不穩(wěn)定區(qū)域，特別是滇西500 hPa和850 hPa的假相當(dāng)位溫之差－6℃，此時氣層仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。15日20:00滇西地區(qū)K指數(shù)為31～35℃，是不穩(wěn)定能量的密集區(qū)。15日08:00沿101°E經(jīng)向垂直速度剖面圖(圖7)上濕度鋒區(qū)的兩側(cè)，23°N以南是強(qiáng)烈上升的暖濕氣流，23°～25°N是下沉的干冷氣流，形成了風(fēng)的垂直切變，誘發(fā)強(qiáng)對流天氣發(fā)生。因此，從濕度鋒區(qū)、能量、不穩(wěn)定條件和風(fēng)的垂直切變等條件分析表明，滇西地區(qū)處于濕度鋒區(qū)的北側(cè)是具有不穩(wěn)定能量和下沉氣流的干區(qū)，利于雷暴、冰雹等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。滇西大部分地區(qū)的雷暴和局部的冰雹天氣正是在這種有利的天氣形勢下形成的。

2.3 降雪區(qū)物理量特征分析 選取出現(xiàn)降雪的站點(diǎn)大理(25.7°N、100.18°E)和沾益(25.58°N、103.83°E)分析，大理和沾益分別是滇西、滇東的降雪站點(diǎn)。從表1可以看出，大理出現(xiàn)降雪時地面氣溫在0℃，沾益出現(xiàn)降雪時地面溫度在－2～2℃。

從大理風(fēng)場、氣溫和相對濕度的時間－高度剖面(圖8a)可以看出，大理14日20:00～15日02:00，650 hPa以上溫度變化不大，650 hPa以下到近地面層溫度降低，近地層為弱的西南風(fēng)，高層為西南急流，此階段大理未出現(xiàn)降水;15日08:00～20:00，近地層溫度呈正弦曲線變化，近地層風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，500 hPa漸漸由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，表明南支槽影響，15日白天大理出現(xiàn)陣雨天氣;15日20:00 550 hPa以上溫度變化不大，550 hPa到近地面氣溫逐步下降，表明有冷空氣從對流層中層逐漸擴(kuò)散到低層，0℃層高度從15日14:00的700 hPa降至20:00的750 hPa，15日20:00地面出現(xiàn)降雪，此時地面溫度為0℃。15日20:00～16日08:00－4℃層高度接近近地層，低層為偏東風(fēng)，500 hPa仍為偏南風(fēng)，大理維持降雪;16日08:00以后，大理上空對流層中層600～500 hPa由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，再轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，高層由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，表明從受南支槽槽前的西南氣流影響轉(zhuǎn)為受槽后西偏北氣流影響;16日08:00～14:00，近地層的溫度回升，0℃層高度接近750 hPa，16日14:00大理降雪停止，轉(zhuǎn)為陰天?？梢?，這次天氣過程中，0℃層高度是否接近750 hPa可作為大理站降雪的臨界值。

從圖8b可以看出，沾益14日20:00～15日02:00近地層為偏南風(fēng)影響，為陣雨天氣;15日08:00～16日08:00，600 hPa以上溫度變化不大，600 hPa到近地面氣溫逐步下降，表明有冷空氣從對流層中層逐漸擴(kuò)散到低層;0℃層高度從15日02:00的720 hPa降至15日08:00的770 hPa，15日08:00地面出現(xiàn)降雪，此時地面溫度是2℃，800 hPa的溫度正好在2℃左右;15日08:00～16日08:00近地層溫度從0℃降至－4℃，此階段魯?shù)閺慕敌⊙┺D(zhuǎn)為降中雪，再由降中雪轉(zhuǎn)為小雪。從圖6b還可以看出，17日08:00后，沾益上空為－8℃的冷性氣團(tuán)控制，高層風(fēng)場基本為西南風(fēng)急流，低層為偏北風(fēng)，700 hPa為接近12 m/s的偏北風(fēng)，越到近地面北風(fēng)風(fēng)速越小，表明降雪期間有北風(fēng)能量下傳。16日14:00沾益降雪停止，天空轉(zhuǎn)晴?？梢?，這次天氣過程中，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值，降雪期間低層有偏北風(fēng)能量下傳。

15日20:00大理和沾益站同時出現(xiàn)降雪，沿26°N水汽通量和水汽通量散度的垂直分布(圖9)可以清楚地看到600 hPa以下到近地面98°～102°E為水汽輻合區(qū)，輻合中心高度位于700 hPa附近，這個高度正好接近大理和沾益的對流層底部，水汽輻合中心強(qiáng)度在－2×10－7g/(cm2·hPa·s)。表明降雪期間，近地層具備降雪所需的水汽條件。同時，圖8中可以看出出現(xiàn)降雪時大理和沾益站上空整個氣層的相對濕度均達(dá)到90%以上。

從散度、垂直速度的時間－高度剖面圖上(圖5c、d)，15日08:00之前，大理高層輻合、低層輻散，低層有弱的上升運(yùn)動;15日08:00～14:00輻散層轉(zhuǎn)為高層輻散、低層輻合，整層出現(xiàn)弱的上升運(yùn)動，中心強(qiáng)度在－8×10－3hPa/s左右;15日20:00～16日08:00整層為明顯的上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心在由15日20:00的550 hPa漸漸升高至16日08:00的450 hPa，中心強(qiáng)度維持在 －16×10－3～ －20 ×10－3hPa/s，上升運(yùn)動最強(qiáng)出現(xiàn)在15日20:00(此時大理開始出現(xiàn)降雪)和16日08:00(此時降雪維持)。同時，配合強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，在70～500 hPa有低層輻合，550～250 hPa有高層輻散。16日14:00降雪結(jié)束，低層轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動。分析表明大理降雪期間(15日20:00～16日08:00)低層輻合高層輻散，并伴有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，因此大理站的雨雪量較大。過程期間沾益對流層上層(500～150 hPa)垂直方向上250～150 hPa輻散、500～400 hPa輻合，在350～300 hPa有上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心強(qiáng)度為 －6×10－3～ －10×10－3hPa/s;對流層下層(800～500 hPa)垂直方向上650～500 hPa輻散、800～600 hPa輻合;在15日08:00 700 hPa有上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心強(qiáng)度為－4×10－3hPa/s，其余時段近地層均為弱的下沉運(yùn)動。分析表明沾益降雪期間(15日08:00～16日08:00)對流層上層和中下層分別有低層輻合高層輻散，在雨雪量稍大的15日08:00整層均為上升運(yùn)動，但其他雨雪量為微量的時段，只有對流層上層有上升運(yùn)動，對流層中層則已轉(zhuǎn)為弱的下沉運(yùn)動，因此在對流層高層形成的雪花只有少量落到地面上。

因此，對于地處滇西北區(qū)的大理站而言，近地層風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)或東北風(fēng)可作為冷空氣影響該區(qū)域的開始，0℃層高度是否接近750 hPa可作為降雪的臨界值，對于地處滇東地區(qū)的沾益站而言，近地層風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng)或偏北風(fēng)可作為冷空氣影響該區(qū)域的開始，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值。此次過程中沾益降雪期間低層有偏北風(fēng)能量下傳。分析還表明，滇中以北地區(qū)雨雪量的大小除了受冷空氣強(qiáng)度和水汽輸送通道位置的影響外，還受動力抬升和地形等條件的影響。

3 結(jié)論與討論

(1)2013年12月15～16日云南寒潮天氣過程主要影響系統(tǒng)是南支槽前高低空西南急流、冷鋒切變。滇南地區(qū)出現(xiàn)了暴雨局地大暴雨，哀牢山以東以北區(qū)域出現(xiàn)了雨雪天氣，哀牢山以西的相對干區(qū)出現(xiàn)了明顯的雷暴局地冰雹天氣。

(2)滇南地區(qū)受南支槽前西南高低空急流影響，水汽和能量條件充足，暖濕而不穩(wěn)定的水汽在急流軸出口區(qū)及出口區(qū)的左側(cè)輻合抬升，形成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，造成了滇南地區(qū)的暴雨局地大暴雨天氣。滇西地區(qū)處于濕度鋒區(qū)的北側(cè)是具有不穩(wěn)定能量和下沉氣流的干區(qū)，這樣的天氣形勢造成滇西大部分地區(qū)的雷暴和局部冰雹天氣。對于地處滇西北區(qū)的大理站而言，近地層風(fēng)向是否轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)或東北風(fēng)可以作為冷空氣影響該區(qū)域的開始，0℃層高度是否接近750 hPa可作為降雪的臨界值;對于地處滇東地區(qū)的沾益站而言，近地層風(fēng)向是否轉(zhuǎn)為東北風(fēng)或偏北風(fēng)可以作為冷空氣影響該區(qū)域的開始，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值。

(3)此次過程，低空急流軸的位置與濕度鋒區(qū)和水汽輸送大值區(qū)基本一致，因此，預(yù)報云南冬季此類復(fù)雜天氣不同相態(tài)降水落區(qū)時除了重點(diǎn)分析天氣系統(tǒng)外，還要關(guān)注冷空氣的強(qiáng)度、水汽輸送量的大小、水汽輸送通道位置、濕度鋒區(qū)位置以及大地形的影響。

(4)雖然對這次過程的物理量特征進(jìn)行了分析，但沒有結(jié)合多普勒雷達(dá)資料對中尺度特征深入探討，且僅對單次過程分析是不夠的，以后將結(jié)合多普勒雷達(dá)資料在此類冬季雨、雪、冰雹多相態(tài)復(fù)雜天氣方面做更細(xì)致的工作，為此類天氣的預(yù)報工作積累更多經(jīng)驗(yàn)，找出一些降水相態(tài)預(yù)報的參考指標(biāo)和預(yù)報著眼點(diǎn)。

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