黔南冬末春初兩次寒潮過程對(duì)比分析*

潘啟學(xué),趙 杰,高紅梅

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

寒潮[1-2]指大規(guī)模強(qiáng)冷空氣自高緯南下給所經(jīng)地區(qū)帶來的強(qiáng)烈降溫和大風(fēng)等天氣，在水汽條件適宜時(shí)，會(huì)伴隨雨、雪、凍雨等天氣。寒潮帶來的氣溫陡降、氣壓劇變以及連續(xù)低溫等可能對(duì)人的生理、心理產(chǎn)生影響[3]，對(duì)牲畜、農(nóng)作物造成凍害，伴隨的降雪、凍雨可致道路結(jié)冰，危及交通安全。在全球氣候變暖的大背景下，全國各地寒潮活動(dòng)出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，冬春發(fā)生全國性寒潮災(zāi)害的頻次在減少的情況下[4-6]，寒潮仍是云貴高原東部冬半年常見的災(zāi)害性天氣之一。2017年2月21—24日黔南出現(xiàn)寒潮，除了氣溫劇降外，還伴有冰雹、雷電、雨夾雪、暴雨等多種災(zāi)害性天氣。為加強(qiáng)對(duì)寒潮天氣的認(rèn)識(shí)或提高預(yù)報(bào)能力提供有用的參考，本文利用常規(guī)資料和NCEP/NCAR 再分析資料對(duì)該次和2016年3月9—11日兩次寒潮天氣過程的天氣形勢(shì)、要素場(chǎng)、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析。

2 寒潮天氣概況

2016年3月9—11日寒潮過程(以下簡(jiǎn)稱“16.3”寒潮)黔南州大部分地區(qū)日平均氣溫降幅達(dá)16 ℃以上，州中北部地區(qū)最低氣溫降至-0.6～3.6 ℃，甕安、都勻低于0 ℃，中北部出現(xiàn)雨夾雪，福泉降小雪(積雪深度0.4 cm)，福泉黃絲和貴定沿山出現(xiàn)5 mm的冰雹，都勻和龍里出現(xiàn)3 mm小冰雹，都勻有微量電線結(jié)冰。2017年2月21—24日寒潮過程(以下簡(jiǎn)稱“17.2”寒潮)黔南州中北部日平均氣溫降幅在14.2～17 ℃之間，大部地區(qū)最低氣溫降至-0.3～2.5 ℃，甕安低于0 ℃。其中21日08時(shí)—22日08時(shí)有8個(gè)雨量站出現(xiàn)暴雨，76個(gè)雨量站大雨，暴雨出現(xiàn)在都勻、獨(dú)山和三都，最大雨量為三都縣羊福67.6 mm；2月22日貴定、龍里出現(xiàn)5 mm的冰雹，2月23—25日州中北部地區(qū)有雨夾雪天氣。

3 天氣形勢(shì)分析

3.1 高空形勢(shì)

有利的500 hPa高空低槽引導(dǎo)形勢(shì)以及與之相伴的強(qiáng)冷中心對(duì)寒潮過程強(qiáng)弱程度有著重要影響?！?6.3”寒潮，3月5—8日有高壓脊在烏拉爾山地區(qū)向東發(fā)展，在西西北利亞中部形成阻高，在貝加爾湖到西西北利亞南部地區(qū)形成橫槽，在50°N以南的冷中心為-44 ℃，9—10日(圖1a)橫槽由橫轉(zhuǎn)豎，在我國東北部到西南地區(qū)東部形成大槽。而“17.2”寒潮，2月15—21日在烏拉爾山和貝加爾湖之間存在兩槽一脊的形勢(shì)向東移動(dòng)，“西槽”維持著階梯槽的結(jié)構(gòu)。低渦中心在50°N以南，冷中心達(dá)-40 ℃，22日(圖1b)已越過青藏高原的階梯槽到達(dá)我國東北到貴州一線。兩次過程500 hPa上均存在有利的形勢(shì)引導(dǎo)地面冷空氣南下影響黔南州，但是高空冷中心的強(qiáng)度、引導(dǎo)形勢(shì)的不同，使得地面冷空氣影響黔南州的強(qiáng)度與路徑不同。

圖1 2016年3月10日08時(shí)(a)，2017年2月22日08時(shí)(b)形勢(shì)分析圖Fig.1 Situation analysis.a:08∶00 CST, March 10,2016 and b:08∶00 CST, February 22,2017

3.2 地面冷空氣

地面蒙古高壓和高空形勢(shì)關(guān)系密切，其高壓中心氣壓高低對(duì)寒潮過程強(qiáng)弱程度有著很大影響?！?6.3”寒潮，3月7—8日，地面蒙古冷高壓中心達(dá)到1 060 hPa，冷鋒到長(zhǎng)江一線，西南熱低壓在貴州省西南部，低壓中心達(dá)到1 002.5 hPa。3月8日—3月9日08時(shí)，強(qiáng)冷空氣從銅仁開始全面影響貴州。

“17.2”寒潮， 2月21日蒙古冷高壓中心為1 042.5 hPa，黔南州熱低壓達(dá)到1 005 hPa，冷空氣開始影響到貴州省東部邊緣，此時(shí)北路冷空氣越過秦嶺到達(dá)四川南部—重慶一帶，2月22日08時(shí)強(qiáng)冷空氣從正北路徑影響,黔南州氣溫劇降。

兩次過程均有強(qiáng)冷空氣影響貴州，但是兩次過程冷空氣強(qiáng)度及路徑不同?！?6.3”過程以東北路徑影響貴州，冷高壓中心強(qiáng)度較強(qiáng)，造成的降溫幅度也更明顯?！?7.2”過程以偏北路徑影響貴州，冷高壓中心強(qiáng)度較弱，造成的降溫幅度相對(duì)較小。這與500 hPa形勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

3.3 低層切變和低空急流

在700 hPa和850 hPa上，兩次寒潮均存在低空急流和長(zhǎng)江橫切變，為寒潮過程提供有利的水汽條件和動(dòng)力條件。“16.3”寒潮，700 hPa低空急流在貴州到蘇北一線，風(fēng)速為16 m/s，850 hPa在貴州北部到浙江存在橫切變?！?7.2”寒潮，700 hPa低空急流由貴州直抵華北平原，風(fēng)速22～24 m/s，850 hPa在貴州北部到江蘇北部存在橫切變。

4 物理量分析

4.1 能量條件分析

4.1.1 對(duì)流有效位能 “16.3”寒潮在3月8日20時(shí)(圖2a)CAPE值達(dá)到最大，中心位于州北部，3月8日夜間黔南州北部地區(qū)出現(xiàn)雷雨。3月9日福泉、貴定和3月10日都勻、龍里，在CAPE值降低后才出現(xiàn)冰雹，冰雹并不在CAPE高值時(shí)出現(xiàn)。“17.2”寒潮在2月21日14時(shí)(圖2b)CAPE值達(dá)到最大，黔南州于夜間出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，貴定、龍里出現(xiàn)冰雹，獨(dú)山、三都等地出現(xiàn)暴雨，強(qiáng)天氣和高CAPE值相對(duì)應(yīng)。

圖2 “16.3”寒潮(a)和“17.2”寒潮(b)對(duì)流有效位能分布(J/kg)Fig.2 “16.3” Cold Wave (a) and “17.2” Cold Wave (b) CAPE Distribution (J/kg)

4.1.2 K指數(shù) K指數(shù)在過程發(fā)生前達(dá)到最大，隨著冷空氣的影響而減弱(圖略)?！?6.3”寒潮，K指數(shù)在3月8日午后開始增大，在20時(shí)大值區(qū)位于州中部以北地區(qū)，與夜間雷雨天氣相對(duì)應(yīng)；“17.2”寒潮，K指數(shù)在2月21日上午達(dá)到最大，下午北部受冷空氣影響，K指數(shù)降低，當(dāng)天傍晚到夜間我州出現(xiàn)雷雨天氣。

圖3 “16.3”寒潮850 hPa水汽通量(g·cm-1·hPa-1·s-1)與水汽通量散度分布(107g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Water vapor flux (g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence(107g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa in the “16.3” cold wave

圖4 “17.2”寒潮850 hPa水汽通量(g·cm-1·hPa-1·s-1)與水汽通量散度分布(107g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.4 Water vapor flux (g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (107g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa in the “17.2” cold wave

4.2 水汽條件

水汽通量表明，“16.3”寒潮，3月9日02時(shí)(圖3)從北部灣到黔南州北部存在明顯的水汽通道，全州存在水汽輻合。 同樣“17.2”寒潮(圖4)，貴州南部存在明顯的水汽輸送，貴州中南地部處于水汽輻合區(qū)，大值區(qū)位于貴州東南部，這與2月21日夜間三都、獨(dú)山等地出現(xiàn)暴雨相對(duì)應(yīng)。

對(duì)比得出，“17.2”寒潮的水汽通量與水汽通量散度的絕對(duì)值均比“16.3”寒潮大，同時(shí) “17.2”寒潮的水汽輸送與輻合均比較明顯，對(duì)應(yīng)的降水量級(jí)更大，同時(shí)降水所帶來的潛熱釋放對(duì)過程降溫將帶來一定的影響。

4.3 動(dòng)力條件

兩次寒潮黔南均處在垂直速度上升區(qū)，并隨冷空氣的影響南移。在“16.3”寒潮， 3月8日黔南不處于上升中心區(qū)，州北部較接近上升中心區(qū)(圖5)，這與當(dāng)夜黔南州北部出現(xiàn)的較強(qiáng)降水相對(duì)應(yīng)。同樣，在“17.2”寒潮， 2月21日黔南州處于較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心區(qū)，夜間上升中心向南移動(dòng)，與州東南部出現(xiàn)的強(qiáng)降水相對(duì)應(yīng)。

圖5 700 hPa垂直速度分布(a：2016年3月8日20時(shí)；b：2017年2月21日20時(shí))(Pa/s) Fig.5 700 hPa Vertical Velocity Distribution (a: 20∶00, March 8, 2016; b: 20∶00, February 21, 2017) (Pa/s)

4.4 特殊層高度和垂直風(fēng)切變分析

冰雹的發(fā)生與適宜的0 ℃、-20 ℃、-30 ℃層高度有關(guān)[7-8]，并與垂直風(fēng)切變的大小關(guān)系密切。研究表明[8]，貴州春季有利于降冰雹的0 ℃、-20 ℃高度在3 800 m左右、6 800 m左右。由表1得知，該兩次寒潮過程在冷鋒影響時(shí)0 ℃層高度在3 632～4 500 m之間，-20 ℃層高度在6 732～7 320 m之間，符合降雹的高度條件，其中 “17.2”寒潮的0 ℃、-20 ℃層高度對(duì)降冰雹更加有利。700 hPa到地面的垂直風(fēng)切變，08時(shí)和20時(shí)相比較，“17.2”寒潮維持大值，“16.3”寒潮，上游地區(qū)由大變小，下游維持大值。

表1 “16.3”和“17.2”寒潮中高空站的特殊層高度(m)及垂直風(fēng)切變(s-1)Tab.1 Height of Special Layers (m) and Vertical Wind Shear (s-1) of High-altitude Stations During the Cold Waves of “16.3” and “17.2”

4.5 降水相態(tài)分析

降水相態(tài)與整層的溫度分布有關(guān)，貴陽探空資料時(shí)間剖面圖表明，“16.3”寒潮(圖6a)，3月8日受冷空氣影響后，低層氣溫逐漸下降，到了10日08時(shí)整層氣溫基本降低到0 ℃以下(地面氣溫為1 ℃)，這與黔南州北部出現(xiàn)雨夾雪或小雪、個(gè)別站有凍雨、積雪相對(duì)應(yīng)?！?7.2”寒潮(圖6b)在2月24日08時(shí)整層氣溫降低到0 ℃及以下，對(duì)應(yīng)23—24日出現(xiàn)雨夾雪天氣。

圖6 “16.3”寒潮(a)和“17.2”寒潮(b)貴陽探空資料時(shí)間剖面圖Fig.6 “16.3” Cold Wave (a) and “17.2” Cold Wave (b) Guiyang time cross-section

5 數(shù)值預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比分析

環(huán)流形勢(shì)上(圖略)，EC粗網(wǎng)格對(duì)兩次寒潮過程形勢(shì)場(chǎng)、冷空影響時(shí)間的預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致，尤其在“17.2”寒潮，700 hPa的西南急流預(yù)報(bào)較好，預(yù)報(bào)的持續(xù)時(shí)間與實(shí)況一致。數(shù)值預(yù)報(bào)兩次寒潮冷空氣達(dá)到黔南州北部時(shí)間均在午后，根據(jù)10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)來判斷，兩次寒潮預(yù)報(bào)冷空氣達(dá)到黔南的時(shí)間偏早1～2 h，與實(shí)況非常接近。

降水相態(tài)(圖略)上，“16.3”過程中，EC預(yù)報(bào)3月10日夜間850 hPa上0 ℃線達(dá)到黔南北部，700 hPa上-4 ℃線在福泉一帶，到11日白天700 hPa上-4 ℃線北抬移出黔南，這與實(shí)況10夜間福泉降小雪相對(duì)應(yīng)?！?7.2”過程中，700 hPa上-4 ℃線基本沒有進(jìn)入黔南境內(nèi)。這與實(shí)況在州北部?jī)H出現(xiàn)雨夾雪，無純雪的出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。

降水量級(jí)(圖7)上，“16.3”過程中，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)南部有中到大雨，最大達(dá)到50 mm以上，而實(shí)況是在州北部地區(qū)局地有大雨，預(yù)報(bào)量級(jí)比實(shí)況大；而在“17.2”過程中，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)降水與實(shí)況基本吻合，對(duì)2月22日的暴雨過程在落區(qū)及量級(jí)上有很好的體現(xiàn)。

6 小結(jié)

①兩次寒潮過程強(qiáng)度和北方低槽伴有-40 ℃以下的冷中心、地面蒙古冷高壓海平面氣壓高于1 042 hPa有著密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。“16.3”過程冷中心偏低4 ℃，地面蒙古高壓中心海平面氣壓偏高17 hPa，造成黔南最低氣溫更低、低于0 ℃的站點(diǎn)更多、氣溫降幅更大。這亦是“16.3”春季寒潮強(qiáng)度比“17.2”冬季寒潮還強(qiáng)的直接原因。

②兩次寒潮出現(xiàn)雷雨的時(shí)候?qū)?yīng)CAPE處在大值期間，而出現(xiàn)冰雹的時(shí)間和區(qū)域與CAPE大值并不是對(duì)應(yīng)關(guān)系。水汽通量散度輻合區(qū)和垂直速度上升區(qū)及降水中心分布相對(duì)應(yīng)，而“17.2”寒潮的水汽通量散度負(fù)值更小，對(duì)應(yīng)的降水更大。

③適合的0 ℃層、-20 ℃層高度和大垂直風(fēng)切變是降冰雹的有利條件與當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)的冰雹有指示意義。兩次寒潮過程的降雪天氣均出現(xiàn)在冷空氣影響1～2 d后，此時(shí)受冷空氣影響，整層氣溫下降到0 ℃以下。

④數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)這兩次寒潮過程具有較好的預(yù)報(bào)能力，對(duì)天氣形勢(shì)、冷空氣影響時(shí)間及降水相態(tài)的預(yù)報(bào)與實(shí)況接近。但在降水量級(jí)的預(yù)報(bào)上“17.2”過程存在一定的偏差。

圖7 2016年3月8日08時(shí)24 h降水預(yù)報(bào)(a)和實(shí)況(b)，2017年2月21日08時(shí)24 h降水預(yù)報(bào)(c)和實(shí)況(d)Fig.7 2016030808.024 Precipitation Forecast(a) and Scene，(b)2017022108.024 Precipitation Forecast(c) and Scene(d)

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