一次暴雪成因及相態(tài)演變分析

谷秀杰，邵宇翔， 王友賀，齊伊玲，馮麗莎

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2.河南省氣象臺，鄭州 450003)

暴雪是我國冬季常見的災(zāi)害性天氣之一，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，暴雪對城市生活、交通等造成的影響越來越大。同樣量級的降雪量和降雨量，前者對生產(chǎn)和生活的影響要嚴(yán)重許多，尤其自2008年初我國南方雨雪冰凍災(zāi)害事件以來，暴雪天氣的預(yù)報(bào)愈來愈受到社會的廣泛關(guān)注。對于暴雪天氣的研究前人已從諸多角度開展，并得出很多有意義的結(jié)論[1-7]。楊曉霞等[8]、周雪松等[9]和趙斌等[10]曾對不同的暴雪天氣過程進(jìn)行了對比分析，揭示了暴雪發(fā)生時(shí)幾種不同的影響系統(tǒng)和其各自物理機(jī)制；陳濤等[5]和朱愛民等[7]討論了鋒生次級環(huán)流在暴雪形成過程中的作用；而針對華北地區(qū)的暴雪天氣有研究[11-12]指出了低層偏東風(fēng)的貢獻(xiàn)。姚蓉等[13]分析了溫度對降水相態(tài)演變的影響，地面氣溫在1 ℃以上時(shí)出現(xiàn)降雨，而地面氣溫降至0 ℃后才開始出現(xiàn)雨夾雪天氣，可見當(dāng)中低空滿足一定固態(tài)降水條件，地面氣溫為0 ℃是南方雨雪轉(zhuǎn)換的重要條件之一。本文通過天氣學(xué)分析及物理量診斷方法，探討一次暴雪的發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，同時(shí)特別關(guān)注了2 m溫度及中低空溫度與降水相態(tài)演變之間的關(guān)系，以期為今后同類天氣事件的分析和預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 過程概況

2017年2月21日河南省自西向東出現(xiàn)了一次明顯的雨雪天氣過程，過程主要集中在21日白天到夜里。21日08時(shí)地面觀測顯示，河南省大部分站點(diǎn)出現(xiàn)了降水天氣，其中西部的三門峽、濟(jì)源兩地區(qū)為降雪，南陽地區(qū)的西南部和許昌地區(qū)及黃河以北為雨夾雪，其他地區(qū)為降雨(圖1a)。14時(shí)，信陽地區(qū)和商丘地區(qū)的南部仍為降雨，濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、鄭州、開封為雨夾雪，其他地區(qū)為降雪，降雪范圍覆蓋黃淮之間大部分地區(qū)(圖1b)。20時(shí)，除信陽地區(qū)外，其他大部分地區(qū)均為降雪，個(gè)別站點(diǎn)為雨夾雪，部分站點(diǎn)降雪已經(jīng)結(jié)束并出現(xiàn)輕霧天氣(圖1c)。本次降水過程范圍廣、移速快、雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，東南部的信陽地區(qū)從降水開始到結(jié)束均維持為雨，西部的三門峽、濟(jì)源兩地區(qū)始終為雪，其它地區(qū)由過程開始的降雨、雨夾雪或冰粒逐漸轉(zhuǎn)為降雪。東部的商丘、周口兩地區(qū)21日14時(shí)以后轉(zhuǎn)為降雪，14—20時(shí)6 h累計(jì)降雪量為10 mm以上，達(dá)到暴雪級別。截止21日20時(shí)積雪深度圖(圖略)顯示，淮河以北為1～3 cm，其中西部及西北部達(dá)4～11 cm。

圖1 2017-02-21河南省雨雪相態(tài)(a 08時(shí)，b 14時(shí),c 20時(shí))

2 影響系統(tǒng)分析

此次降水過程前500～700 hPa在100°E、28°N～42°N附近有一低槽，河南省為高壓脊控制，850～925 hPa為偏東風(fēng)。21日08時(shí)低槽東移到105°E附近，河南省轉(zhuǎn)受槽前脊后的西南氣流影響，850～925 hPa的偏東風(fēng)增加到12 m/s以上，達(dá)到急流強(qiáng)度，河南省西部位于急流出口區(qū)，存在明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合(圖2a)。同時(shí)700 hPa以下t-td均小于2 ℃，濕度明顯增強(qiáng)，此時(shí)，河南省大部均有降水出現(xiàn)。地面強(qiáng)冷空氣于20日20時(shí)南下，至21日08時(shí)1 032.5 hPa冷高壓中心位于渤海灣一帶(圖2b)；另外在貴州西南部有一1 007.5 hPa的低壓中心，鋒區(qū)位于30°N ～33°N之間。

隨后高空低槽繼續(xù)東移，21日下午，系統(tǒng)東移到河南省東部地區(qū)，在該地區(qū)上空出現(xiàn)氣旋性輻合并維持至20時(shí)。20時(shí)以后(圖2c)，高空槽前西南急流東移至湖北東部經(jīng)安徽到山東半島一帶，低層偏東風(fēng)急流逐漸東退到江蘇境內(nèi)，河南省降雪天氣逐漸結(jié)束。14時(shí)地面圖(圖2d)顯示，從江西到安徽一線有暖倒槽發(fā)展，河南省東部、東南部地區(qū)處在倒槽左側(cè)的偏東氣流里，在東移的高空系統(tǒng)影響下，河南省東部、東南部地區(qū)水汽及輻合上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)，降水隨之增強(qiáng)，河南省東部的商丘、周口兩地區(qū)14—20時(shí)6 h降雪量達(dá)暴雪級別，信陽地區(qū)達(dá)大雨級別。地面暖倒槽東移至浙江到江蘇境內(nèi),河南省降水基本結(jié)束。

圖2 2017-02-21高空中分析(a 08時(shí)，c 20時(shí))和海平面氣壓場(單位hPa)(b 08時(shí)， d 14時(shí))

3 水汽通量散度場特征

充足的水汽是產(chǎn)生降水的必要條件。從21日08時(shí)700 hPa水汽通量散度圖(圖3a)可知，由陜南經(jīng)河南西部、北部至河北省南部一帶均為水汽輻合區(qū)，與700 hPa強(qiáng)盛的西南急流相對應(yīng)。與此同時(shí)，隨著冷空氣的南下，邊界層頂(850 hPa，圖3b)水汽幅合區(qū)域位于黃河以南，河南省西部、西南部地區(qū)與700 hPa水汽幅合區(qū)相重疊，因此該區(qū)域降水較為明顯(與08時(shí)地面圖明顯降水區(qū)相對應(yīng))。其它地區(qū)由于整層水汽幅合配置較差，降水較弱或還沒開始。21日14時(shí)，隨著700 hPa低槽的逐漸東移，水汽輻合區(qū)隨之移到京廣線以東地區(qū)，其中東南部信陽地區(qū)為強(qiáng)水汽輻合中心(圖3c)。同時(shí)850 hPa水汽輻合區(qū)也東移到信陽以南的湖北到安徽南部一帶(圖3d)，較700 hPa輻合區(qū)偏南，河南省東部、東南部降水明顯增強(qiáng)，其西部地區(qū)整層均無水汽輻合，降水逐漸減弱并停止。

4 相態(tài)演變與溫度變化

4.1 相態(tài)演變與2 m溫度

降雪的持續(xù)時(shí)間受相態(tài)轉(zhuǎn)變影響較大，大氣的溫度是影響相態(tài)演變的關(guān)鍵因素。目前業(yè)務(wù)上仍然依據(jù)2 m溫度及高空溫度層結(jié)變化來預(yù)報(bào)雨雪相態(tài)。

為了探討雨雪相態(tài)演變與2 m溫度變化的關(guān)系，選取河南省從西北到東南出現(xiàn)不同降水相態(tài)的三個(gè)觀測站(三門峽、寶豐、固始)對其降水相態(tài)及其2 m溫度演變(圖4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由地面觀測可知，三門峽站始終為雪、寶豐站由雨夾雪轉(zhuǎn)雪、固始站始終為雨。從三門峽站的2 m溫度變化可知，21日08時(shí)溫度為-0.6 ℃，并持續(xù)下降，到12時(shí)溫度降至-2.6 ℃；寶豐站08時(shí)溫度為0.5 ℃，14時(shí)降至-0.7 ℃，此時(shí)降水相態(tài)由雨夾雪轉(zhuǎn)為雪；固始站21日00—20時(shí)溫度一直高于0.5 ℃，降水相態(tài)始終為雨。通過上述統(tǒng)計(jì)可知，當(dāng)2 m溫度高于0.5 ℃時(shí)為雨；低于-0.5 ℃時(shí)為雪；在-0.5 ℃～0.5 ℃之間時(shí)，降水相態(tài)較復(fù)雜，會出現(xiàn)不同的降水相態(tài)。

圖3 2017-02-21水汽通量散度場(單位為10-8g/(cm2·hPa ·s))(a 08時(shí)700 hPa；b 08時(shí)850 hPa；c 20時(shí)700 hPa；d 20時(shí)850 hPa)

圖4 2017-02-21T00—23不同降水相態(tài)站點(diǎn)逐時(shí)最低溫度

上述觀測站點(diǎn)的選擇大致為西北—東南向，對于整層大氣來說，一般是北冷南暖，緯向方向溫度差別大于經(jīng)向。為了進(jìn)一步分析不同緯度上各站降水相態(tài)與溫度的關(guān)系，選取大致在同一經(jīng)度(113°E)上由北向南的太原、鄭州、南陽、宜昌四個(gè)觀測站對比分析。從表1各站不同時(shí)次降水相態(tài)及其2 m溫度可知，當(dāng)2 m溫度大于1 ℃時(shí)為雨，小于-1 ℃時(shí)為雪，1 ℃時(shí)為雨夾雪，0 ℃時(shí)為雨或雪，-1 ℃時(shí)為雨夾雪或雪，由此可知，當(dāng)2 m溫度在-1.0～1.0 ℃之間時(shí)三種降水相態(tài)均可出現(xiàn)。

4.2 相態(tài)演變與高空溫度

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2 m溫度在-1.0～1.0 ℃之間時(shí)相態(tài)比較復(fù)雜，僅根據(jù)2 m溫度很難確定降水相態(tài)，因此過113°E作溫度及溫度平流垂直剖面圖(圖5)，分析整層大氣的溫度層結(jié)與相態(tài)演變關(guān)系。

表1 2017-02-21不同站點(diǎn)、不同時(shí)刻降水相態(tài)及其相應(yīng)的2 m溫度 ℃

由08時(shí)溫度剖面(圖5a)可知，太原站從地面到400 hPa高度的溫度均為低于-2 ℃的冷層，對應(yīng)相態(tài)為雪。鄭州站1 000 hPa附近溫度為0 ℃左右，南陽站為1 ℃左右，并且兩站在750 hPa附近均有大于0 ℃逆溫層存在。不同點(diǎn)是鄭州上空的逆溫及逆溫層的厚度均明顯弱于南陽站，鄭州站溫度在0～2 ℃之間，南陽站溫度在2～4 ℃之間，兩站近地層(1 000 hPa以下)溫度及2 m溫度均為1～2 ℃。此時(shí)，兩站降水相態(tài)不同(表1)，鄭州為雨夾雪、南陽為雨,這說明在近地層溫度和2 m溫度基本相同的情況下，降水相態(tài)與750 hPa附近的暖溫層強(qiáng)度有一定的關(guān)系，即：當(dāng)近地層溫度及2 m溫度在1～2 ℃時(shí)，并且750 hPa附近的溫度高于2 ℃時(shí)，降水相態(tài)為雨；若溫度低于2 ℃則為雨夾雪或雪。宜昌站氣溫從地面到675 hPa高度均高于1 ℃，并且在825 hPa附近有6～8 ℃強(qiáng)逆溫層，較厚的暖層使得空氣中的水汽以液態(tài)水的狀態(tài)存在。

圖5 2017-02-21沿113°E溫度(實(shí)線，單位為℃)和溫度平流(色斑，單位為10-5K/s)剖面圖(a 08時(shí),b 14時(shí),c 20時(shí))

14時(shí)(圖5b)，受低層強(qiáng)冷平流影響，中層的逆溫層明顯減弱，僅宜昌站上空溫度高于0 ℃，其它站上空均低于0 ℃。南陽站925 hPa附近存在25×10-5K/s冷平流，雖然2 m溫度為0 ℃，但降水相態(tài)為雪；而鄭州站2 m溫度為-1 ℃，其上空冷平流較弱，降水相態(tài)為雨夾雪。20時(shí)(圖5c)，太原、鄭州降雪結(jié)束。宜昌站2 m溫度已經(jīng)降至0 ℃(表1)，但750 hPa附近溫度仍然高于2 ℃，因此降水相態(tài)依然是雨。南陽站2 m溫度下降到-1 ℃(表1)，同時(shí)高空冷平流繼續(xù)維持，整層溫度均低于0 ℃，維持降水相態(tài)為雪。綜合上述相態(tài)演變與2 m溫度及高空溫度數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)2 m溫度大于1 ℃或700 hPa以下溫度均高于0 ℃時(shí)為雨；當(dāng)2 m溫度小于-1 ℃時(shí)或700 hPa以下溫度均低于0 ℃時(shí)為雪。當(dāng)2 m溫度在±1 ℃之間時(shí)，降水相態(tài)較復(fù)雜，要結(jié)合中低空的溫度來確定降水相態(tài)，即近地層溫度(1 000 hPa以下)在1～2 ℃時(shí)，并且750 hPa附近有高于2 ℃的暖溫層時(shí)，降水相態(tài)為雨；若低于2 ℃則為雨夾雪或雪。

5 結(jié)論與討論

(1)本次暴雪天氣產(chǎn)生在有利的環(huán)境場條件下，700 hPa西南急流及850～925 hPa的偏東急流為暴雪提供了充沛的水汽，東南部暖倒槽的發(fā)展為暴雪的產(chǎn)生提供了有利的動力抬升條件。降水落區(qū)與水汽通量散度輻合區(qū)相對應(yīng)，明顯降水區(qū)與700 hPa和850 hPa水汽輻合重疊區(qū)對應(yīng)較好。

(2)當(dāng)2 m溫度大于1 ℃或700 hPa以下溫度均高于0 ℃時(shí)，降水相態(tài)為雨。當(dāng)2 m溫度小于-1 ℃或700 hPa以下溫度均低于0 ℃時(shí)降水相態(tài)為雪。當(dāng)2 m溫度在-1.0～1.0 ℃之間時(shí)，近地層溫度(1 000 hPa以下)在1～2 ℃時(shí)，并且750 hPa附近有大于2 ℃的暖溫層時(shí)，降水相態(tài)為雨；若低于2 ℃則為雨夾雪或雪。

(3)相態(tài)的決定因素比較復(fù)雜，受云層范圍、云頂溫度、冰雪層厚度等因素的影響，涉及到云物理、環(huán)境大氣溫度等，單純依賴溫度這一個(gè)指標(biāo)還不夠科學(xué)，以后工作中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)云物理方面的診斷分析。