低緯高原一次冬季暴雨轉(zhuǎn)雪成因分析

金少華，鄒 陽(yáng)，周 泓，艾永智，李艷平

(1.云南省玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100；2.云南省昆明市氣象局，云南 昆明 650034)

1 引言

云南地處低緯高原，受印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)影響，形成了干濕季分明的季風(fēng)氣候，不同的災(zāi)害性天氣具有明顯的季節(jié)性，如暴雨主要出現(xiàn)在雨季(5—10月)，寒潮則發(fā)生在干季(11—次年4月)，因而在云南災(zāi)害性天氣研究中，暴雨研究主要集中在雨季，寒潮則集中在干季。云南的氣象工作者在雨季暴雨研究中應(yīng)用各種資料分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)合成、診斷等研究[1-4]，取得大量的研究成果，干季寒潮天氣則主要集中在寒潮、低溫霜凍和降雪研究[5-8]，近年來(lái)，冬季暴雨發(fā)生頻次和危害程度明顯上升，對(duì)冬季暴雨研究引起了氣象工作者的關(guān)注，尤紅等[9]應(yīng)用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論分析了2003年低緯高原冬季暴雨，并用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論解釋了暴雨的發(fā)生機(jī)制。許美玲等[10]用MM5中尺度非靜力模式對(duì)2003年冬季發(fā)生在云南的暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析后，指出低空急流和冷空氣是引發(fā)暴雨的重要因素。郭榮芬等[11]、王志云等[12]通過(guò)低緯高原冬季南支槽產(chǎn)生的暴雨分析后指出，南支槽前西南暖氣流與低層切變和冷鋒共同影響會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)降水，在無(wú)明顯冷空氣和切變影響時(shí)，中低層西南急流的長(zhǎng)時(shí)間維持仍然會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降水。這些研究都揭示了冬季南支槽前西南急流對(duì)暴雨的作用，而對(duì)發(fā)生暴雨后能否轉(zhuǎn)為降雪天氣則研究很少。2013年12月15—16日云南出現(xiàn)本年度范圍最廣、強(qiáng)度最大的暴雨天氣，滇西北至哀牢山以東出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪。本文應(yīng)用地面觀測(cè)資料、Micaps常規(guī)資料和NCEP1°×1°每6 h再分析資料，從環(huán)流、散度、垂直速度、水汽、高低空急流和能量等分析了這次暴雨成因，同時(shí)從低層溫度、溫度平流和鋒生函數(shù)對(duì)雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)變化進(jìn)行了分析，以期對(duì)云南冬季暴雨和雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)變化預(yù)報(bào)有一定幫助。

2 天氣實(shí)況

2013年12月14日20時(shí)—16日20時(shí)云南出現(xiàn)一次全省性暴雨天氣過(guò)程，14日20時(shí)—15日20時(shí)氣象觀測(cè)站共出現(xiàn)暴雨25站，大暴雨2站，是1950年以來(lái)云南最強(qiáng)的冬季暴雨過(guò)程，也是2013年云南全省影響范圍最廣、強(qiáng)度最大的暴雨天氣過(guò)程，勐臘縣24 h雨量達(dá)到148.1 mm，突破云南冬季有氣象記錄以來(lái)極值。區(qū)域自動(dòng)雨量站共出現(xiàn)暴雨503站(圖略)，大暴雨82站，最大降水出現(xiàn)在勐臘縣勐滿農(nóng)場(chǎng)，24 h雨量為173.8 mm，暴雨區(qū)主要集中在滇南。滇西北至哀牢山以東出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪天氣，全省氣象觀測(cè)站共出現(xiàn)降雪43站，其中哀牢山以東出現(xiàn)中雪，部分站點(diǎn)出現(xiàn)大到暴雪。17日雨雪天氣結(jié)束，受槽后冷平流影響，地面形成晴空輻射降溫，17—21日全省出現(xiàn)持續(xù)性重低溫霜凍(圖略)，其中有86站最低氣溫低于0 ℃，30站低于-4 ℃，重低溫霜凍主要出現(xiàn)在滇中及以北部地區(qū)。本次暴雨、降雪和重低溫霜凍共造成564.96萬(wàn)人受災(zāi)，大牲畜死亡2 903頭、死亡羊只4 573只，損壞房屋3 126間，農(nóng)作物受災(zāi)59.697萬(wàn)hm2、絕收49.86千hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失60.08億元。

3 主要影響系統(tǒng)和環(huán)流特征

在本次暴雨轉(zhuǎn)雪天氣影響系統(tǒng)形成之前，亞歐500 hPa中高緯度為兩槽一脊，隨著巴爾喀什湖至貝加爾湖之間的高壓脊緩慢東移，中高緯度環(huán)流調(diào)整為兩槽兩脊，與此同時(shí)，阿拉伯副熱帶高壓增強(qiáng)西伸和北抬，與烏拉爾山附近的高壓脊形成同位相，脊前西北氣流引導(dǎo)冷空氣快速南下，直達(dá)青藏高原中部。隨著冷空氣在高原不斷堆積，13日08時(shí)(圖1a)在高原中部形成低槽，14日08時(shí)加強(qiáng)東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，云南轉(zhuǎn)為槽前西南氣流，20時(shí)移到四川中部至孟加拉灣中部，處于槽前的云南出現(xiàn)>20 m·s-1西南急流區(qū)，云南開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降雨。15日08時(shí)至20時(shí)低槽移到四川東部至孟加拉灣中部，槽前西南急流維持，南段移速減緩。16日08時(shí)低槽移到云南中部，槽底仍然維持在孟加拉灣中部，20時(shí)移出云南，云南轉(zhuǎn)為槽后西北氣流。高層200 hPa高空?qǐng)D上，13日08時(shí)(圖1b)位于里海北部橫槽轉(zhuǎn)豎，并逐漸加強(qiáng)東南移，14日08時(shí)南段進(jìn)入青藏高原，20時(shí)南段深入到孟加拉灣，云南轉(zhuǎn)為槽前西南急流，16日08時(shí)移到云南西部，20時(shí)移到云南中部，17日08時(shí)移出云南。

低層700 hPa形勢(shì)圖上(圖略)，13日08時(shí)南疆出現(xiàn)312 dagpm冷高壓，14日08時(shí)冷高壓增強(qiáng)南移到青藏高原北部，高原東南部到孟加拉灣北部出現(xiàn)308 dagpm低壓環(huán)流，武都、巴塘至孟加拉灣北部形成切變線，切變與孟加拉灣北部低壓環(huán)流相連形成低壓切變，滇中及以南出現(xiàn)大于12 m·s-1西南急流區(qū)，20時(shí)冷高壓中心增強(qiáng)為316 dagpm，切變線南壓到達(dá)州、宜賓至麗江低壓西移至滇緬之間，與此同時(shí)，在蒙自和百色之間出現(xiàn)風(fēng)向切變，切變線前西南急流區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降雨。15日08時(shí)切變線從云南北部移到中部，切變線后為小于等于-6 ℃冷平流區(qū)，兩側(cè)溫差達(dá)到-4 ℃，切變線經(jīng)過(guò)地區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪，蒙自和百色之間的風(fēng)向切變?cè)诘釚|南發(fā)展成低壓環(huán)流，低壓環(huán)流附近正好是本次過(guò)程暴雨中心區(qū)。15日20時(shí)切變線移到滇南邊緣與滇東南低壓環(huán)流合并，暴雨天氣結(jié)束，在高空強(qiáng)冷平流作用下滇東南出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪天氣。16日20時(shí)切變線移出云南，雨雪天氣結(jié)束。

圖1 2013年12月13日08時(shí)500 hPa(a)和200 hPa(b)高度場(chǎng)與系統(tǒng)移動(dòng)疊加圖(高度場(chǎng)單位：dagpm)Fig.1 Stack of graphics on 500 hPa height field (a) ,200 hPa height field (b) and system moving of 08∶00 13th December 2013 (height field unit: dagpm)

南支槽屬于低緯地區(qū)活動(dòng)的低槽，孟加拉灣南支槽的生成主要為地中海南支槽東移、青藏高原西部大槽斷裂生成南支槽和上下游效應(yīng)在青藏高原南側(cè)形成南支波動(dòng)加強(qiáng)發(fā)展形成的南支槽。從以上分析可見(jiàn)，本次暴雨轉(zhuǎn)雪天氣的影響系統(tǒng)并不是傳統(tǒng)意義上的南支槽，而是中高層深厚的高空槽迅速加強(qiáng)東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，槽前不斷加強(qiáng)的西南急流將孟加拉灣暖濕氣流直接帶入低緯高原，在西南急流區(qū)出現(xiàn)暴雨，低層切變線南移時(shí)高空伴有強(qiáng)冷平流，導(dǎo)致滇西北至哀牢山以東出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪。

4 暴雨天氣物理環(huán)境條件

強(qiáng)降雨天氣開(kāi)始前，高原低槽加強(qiáng)東南移，南段深入到孟加拉灣北部，槽前西南氣流從孟加拉灣攜帶的暖濕氣流向西北輸送到云南南部，水汽通量中心位于孟加拉灣北部到泰國(guó)北部。沿水汽輸送方向出現(xiàn)高能舌區(qū)(圖略)，高能舌伸展高度達(dá)500 hPa,云南南部處于高能舌尖位置，來(lái)自孟加拉灣暖濕氣流輸送到云南南部并形成能量積集。分析強(qiáng)降雨(雪)區(qū)散度、垂直速度和水汽通量散度時(shí)間高度剖面發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)最大輻合中心出現(xiàn)在700 hPa附近(圖2a)，中心值為-16×10-5s-1，最大輻散中心則出現(xiàn)在350 hPa，中心值為20×10-5s-1,強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段內(nèi)輻合和輻散中心都有明顯抬升，水汽通量散度的輻合強(qiáng)弱及中心位置(圖2b)與散度輻合一致，中心強(qiáng)度達(dá)到-20×10-5s-1。中低層水汽在低層輻合、中高層輻散的耦合作用下，導(dǎo)致強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，垂直速度最大達(dá)42×10-2hPa·s-1(圖略)，對(duì)發(fā)生強(qiáng)降雨非常有利。

圖2 沿暴雨區(qū)(21°～23°N，100°～104°E)散度(單位：10-5s-1)(a)和水汽通量散度(b)時(shí)間高度剖面(黑實(shí)線為暴雨時(shí)段)Fig.2 Time- height section of divergence along heavy rain area ((21°～23°N，100°～104°E) from 08∶00 14th to 08∶00 16th (a, unit: 10-5s-1)and vapor flux divergence (b)(black solid line is heavy rain periods)

在本次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程中，由于中高層低槽加深東南移，使得輻散在槽前的中層開(kāi)始發(fā)展，由中層的輻散和低層輻合引起垂直運(yùn)動(dòng)，而垂直運(yùn)動(dòng)能引起水汽凝結(jié)、潛熱能釋放和增暖氣柱，使中層輻散加強(qiáng)并向高層擴(kuò)展。高層輻散發(fā)展使得垂直運(yùn)動(dòng)和低層輻合加強(qiáng)，而垂直運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)反過(guò)來(lái)進(jìn)一步引起潛熱能的釋放，于是形成一種正反饋機(jī)制。這種正反饋機(jī)制及相伴的低層輻合既促進(jìn)了氣旋性環(huán)流的形成，又促使低層向變壓風(fēng)的發(fā)展；低層變壓風(fēng)在科里奧利力的作用下促進(jìn)了西南低空急流的發(fā)展加強(qiáng)[13]，而低空急流加強(qiáng)后所輸送的水汽和它本身的動(dòng)力作用使得這種機(jī)制不斷得到維持和加強(qiáng)，從而有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生發(fā)展。

5 高低空急流演變和水汽特征

冬春季青藏高原南側(cè)高空通常維持西風(fēng)急流。14日08時(shí)以前，高原南側(cè)200 hPa一直維持強(qiáng)偏西急流。隨著中緯度西風(fēng)槽加強(qiáng)東南移，高原西北部的西北氣流引導(dǎo)冷平流南下，在高原中部至孟加拉灣北部形成低槽，在低槽兩側(cè)出現(xiàn)高空急流，云南由原來(lái)的偏西急流區(qū)轉(zhuǎn)為槽前西南急流區(qū)(圖3a)，風(fēng)速為45～70 m·s-1，云南北部出現(xiàn)4×10-5s-1輻散中心，急流核位于黃海南部，中心最大風(fēng)速為82 m·s-1，低層700 hPa云南西南邊緣開(kāi)始出現(xiàn)低空急流，南部邊緣出現(xiàn)弱輻合。14日20時(shí)(圖略)低槽加強(qiáng)東南移，槽底進(jìn)入到孟加拉灣，200 hPa急流核北抬到黃海中部，中心風(fēng)速維持82 m·s-1，云南位于強(qiáng)西南急流流入?yún)^(qū)，風(fēng)速增加到50～75 m·s-1，輻散中心加強(qiáng)為8×10-5s-1，低層700 hPa從孟加拉灣到云南南部出現(xiàn)較強(qiáng)的東北西南向低空急流區(qū)，位于高空西南急入流區(qū)右后側(cè)，滇南邊緣弱輻合區(qū)北抬到云南南部，輻合中心加強(qiáng)為-10×10-5s-1。15日08時(shí)(圖略)云南上空高空急流達(dá)到最強(qiáng)，高空輻散和低空輻合繼續(xù)增強(qiáng)，高空輻散中心達(dá)到10×10-5s-1，滇南低空輻合中心增強(qiáng)為-14×10-5s-1。15日20時(shí)(圖3b)云南上空高空急流開(kāi)始減弱，高空輻散區(qū)減弱東移到滇東南，輻散中心減弱為8×10-5s-1，低層輻合區(qū)減弱移出云南，強(qiáng)降雨過(guò)程結(jié)束。

圖3 14日08時(shí)(a)和15日20時(shí)(b)200hPa高空急流(實(shí)線，風(fēng)速≥30 m·s-1)、700 hPa低空急流(風(fēng)矢量，風(fēng)速≥12 m·s-1)和散度(虛線，單位：10-5s-1)水平分布(陰影為14日20時(shí)—15日20時(shí)≥25 mm降水區(qū))Fig.3 Upper level jet on 200hPa of 08∶00 14th(a) and 20∶00 15th (solid line ,wind speed ≥30 m·s-1),low level jet on 700 hPa (wind vector ,wind speed ≥12 m·s-1) and divergence horizontal distribution(dotted line,unit:10-5s-1)(shade area are precipitation≥25 mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th )

高低空急流的不同配置對(duì)強(qiáng)降雨有不同的影響。徐海明等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高空急流軸向西北—東南方向的傾斜可以形成其出口處右側(cè)的強(qiáng)輻散形勢(shì)，從而誘使低層低值系統(tǒng)、低空急流以及暴雨的發(fā)生發(fā)展。王小曼等[15]也指出，暴雨多出現(xiàn)在西北風(fēng)高空急流的右前方或西南風(fēng)高空急流的右后方。本次低緯高原冬季暴雨過(guò)程，低空西南急流一直維持在高空西南急流流入?yún)^(qū)右后側(cè)，高空急流的加強(qiáng)，必將引起其右后側(cè)輻散加強(qiáng)、高空輻散區(qū)下方垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)和低層渦度增大，使低層輻合增強(qiáng)、垂直上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加大，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，導(dǎo)致暴雨的產(chǎn)生。

分析暴雨發(fā)生前后水汽通量演變特征，暴雨發(fā)生前(圖4a)，水汽通量高值帶從孟加拉灣到云南南部，隨著高原低槽東南移到孟加拉灣，槽前西南氣流加大，水汽通量值迅速增大，700 hPa西南急流區(qū)出現(xiàn)9×10-6g·cm-1·hPa-1·s-1強(qiáng)水汽通量中心(圖4b)，表明從孟加拉灣有豐沛的水汽向暴雨區(qū)輸送。水汽通量?jī)H能反映水汽流向和水汽流量的大小，強(qiáng)烈的水汽輻合才是產(chǎn)生暴雨重要條件。分析暴雨區(qū)(21°～23°N，100°～104°E)(圖略)水汽通量散度的時(shí)間垂直剖圖，強(qiáng)降水開(kāi)始前6 h在750 hPa附近出現(xiàn)-16×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的輻合中心，14日20時(shí)輻合中心迅速減弱，20時(shí)后再度加強(qiáng)并抬升到700 hPa附近，15日02時(shí)輻合中心達(dá)到20×10-6g·cm-2·hPa-1，該輻合中心一直維持到15日08時(shí)，14時(shí)后水汽輻合減弱，強(qiáng)降水結(jié)束。

圖4 2013年12月14日08時(shí)(a)和14日20時(shí)(b)700 hPa水汽通量(單位：10-6g·cm-2·hPa-1)Fig.4 Water vapor flux on 700hPa of 08∶00 14th (a) and 20∶00 14th December 2013 (unit: 10-6g·cm-2·hPa-1)

6 能量分析

6.1 總能量溫度

能量場(chǎng)分析常用于從本質(zhì)上揭示暴雨的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律[16-17]。黃儀方等[18]將總能量分為壓能和濕焓兩部分，將位能與動(dòng)能之和稱為“壓能”，將顯熱能與潛熱能之和稱為“濕焓”，并應(yīng)用壓能和濕焓場(chǎng)進(jìn)行了暴雨落區(qū)的診斷分析。14日20時(shí)暴雨發(fā)生前700 hPa總能量溫度圖上(圖5a)，從孟加拉灣到滇西南邊緣低空急流區(qū)為總能量溫度密集帶的能量鋒區(qū)，梯度達(dá)到12 ℃/100 km，高能濕舌在能量鋒區(qū)右側(cè)，滇南能量溫度梯度較小。15日08時(shí)高能舌北抬，北部低能區(qū)南壓，造成滇南能量溫度梯度加大，暴雨開(kāi)始后總能量溫度梯度維持不變，能量鋒區(qū)向東北伸展(圖5b)。強(qiáng)降雨區(qū)出現(xiàn)在能量鋒區(qū)東北側(cè)，高能濕舌北側(cè)。從強(qiáng)降雨區(qū)上空總能量溫度時(shí)間高度剖面圖(圖略)還可看出，從14日08時(shí)中低層總能量溫度有明顯升高，高能舌區(qū)伸展到600 hPa附近，14時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，20時(shí)總能量溫度減小，高能舌區(qū)降低到650 hPa附近。15日02時(shí)隨著西南氣流加強(qiáng)，低層總能量溫度變化不大，中層再次加強(qiáng)，08時(shí)高能舌區(qū)伸展到500 hPa附近，14時(shí)后迅速減小，表明中低層高能舌區(qū)較深厚，能量條件較好，為15日降水加強(qiáng)提供了充足的能量。因此，冬季從孟加拉灣進(jìn)入云南的低空急流對(duì)能量的輸送和聚集起到了明顯的作用，對(duì)發(fā)生強(qiáng)降雨非常有利。

圖5 2013年12月14日20時(shí)(a)和15日08時(shí)(b)700 hPa總能量溫度(單位：K)(陰影為14日20時(shí)—15日20時(shí)≥25 mm降水區(qū))Fig.5 Isentropic temperature gradient on 700 hPa (a, 14∶00 14th; b, 20∶00 15th; unit: 10-6K·km-1; shade area are precipitation ≥25mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th)

6.2 定容等熵溫度梯度

圖6 700hPa等熵溫度梯度(單位：10-6K·km-1，陰影為14日20時(shí)—15日20時(shí)≥25 mm降水區(qū))(a)14日14時(shí)，(b)15日20時(shí)Fig.6 Isentropic temperature gradient on 700 hPa (unit: 10-6K·km-1, shade area are precipitation ≥25 mm from 20∶00 14th to 20∶00 15th )(a)14∶00 14th,(b)20∶00 15th

7 降水相態(tài)變化成因分析

7.1 低層溫度對(duì)降水相態(tài)變化的影響

由圖7可見(jiàn)，昆明和曲靖從15日08時(shí)開(kāi)始0 ℃層高度迅速下降，其中曲靖降到3 000 m以下，700 hPa溫度降到-1 ℃以下，開(kāi)始出現(xiàn)降雪。14時(shí)昆明、文山和大理0 ℃層高度都降到3 000 m以下，700 hPa溫度降到0 ℃以下，昆明和文山出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪，大理由于地面溫度較高，仍維持降雨，直到20時(shí)地面溫度降到0 ℃后轉(zhuǎn)為降雪并維持。從16日08時(shí)—17日08時(shí)，4個(gè)站點(diǎn)0 ℃層高度都低于2 200 m，700 hPa溫度低于-2 ℃。16日14時(shí)后降雪隨著水汽中斷而結(jié)束，天氣轉(zhuǎn)晴，0 ℃層高度再一次快速下降，除滇東南的文山20時(shí)后開(kāi)始上升外，其它3站都在降低，17日08時(shí)達(dá)到最低，滇中及以北出現(xiàn)重霜凍。

選取曲靖、昆明、文山和大理分別為滇東北、滇中、滇東南和滇西北代表站，分析雨轉(zhuǎn)雪相變過(guò)程中冷空氣的作用。從表1中可看出，降水相態(tài)自滇東北向滇西推，15日08時(shí)處于滇東北的曲靖地面溫度首先降到2 ℃，降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪；滇中的昆明和滇東南的文山地面溫度從11時(shí)的4 ℃和5 ℃降至14時(shí)的1 ℃，降水相態(tài)為雨轉(zhuǎn)雪；滇東北的大理在15日20時(shí)以前地面氣溫均在5 ℃以上，都出現(xiàn)降水，到20時(shí)地面溫度突降到0 ℃后開(kāi)始出現(xiàn)降雪。由此可見(jiàn)，雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)變化除0 ℃層高度降到3 000 m以下、700 hPa溫度低于0 ℃外，地面氣溫需低于2 ℃。

7.2 溫度平流和冷墊對(duì)降水相態(tài)的影響

冷空氣的強(qiáng)弱是決定云南冬季大范圍降雪的重要因素。本次冷空氣從高原東部進(jìn)入四川盆地，從涼山州東南部進(jìn)入滇東北，翻越烏蒙山后在冷平流作用快速東南移。圖8a給出了12月13日20時(shí)—17日20時(shí)昆明上空溫度平流時(shí)間垂直剖面圖，從圖中可看出13日20時(shí)—16日20時(shí)在500～300 hPa一直維持冷平流，冷平流區(qū)為強(qiáng)盛的西南氣流。700～600 hPa為弱暖平流，西南氣流較弱。冷平流區(qū)在14 日14時(shí)、15日02時(shí)和16日20時(shí)分別出現(xiàn)3次冷平流中心，其中15日20時(shí)中心強(qiáng)度達(dá)到-12×10-5℃·s-1，而在近地層750 hPa附近還出現(xiàn)弱冷平流，中心強(qiáng)度為-3×10-5℃·s-1，形成淺薄的“冷墊”。在風(fēng)場(chǎng)和濕度場(chǎng)上(圖8b)，15日02時(shí)以前從低層到高層都為西南氣流，相對(duì)濕度大值區(qū)在低層和中層，02時(shí)近地層轉(zhuǎn)為偏東氣流。15日14時(shí)—16日14時(shí)隨著地面冷空氣加強(qiáng)，偏東氣流抬升至700 hPa，西南暖濕氣流在“冷墊”上爬升，在600～850 hPa形成上濕下干分布特征。16日14時(shí)后中低層轉(zhuǎn)為偏北氣流，相對(duì)濕度變小降水結(jié)束。在本次雨轉(zhuǎn)雪天氣溫度平流分布中，“冷墊”形成時(shí)段正好是降雪天氣出現(xiàn)時(shí)間。

圖7 15日08時(shí)—17日14時(shí)4代表站0 ℃層高度(a，單位：m)和700 hPa溫度(b，單位：℃)時(shí)間演變Fig.7 Changing of the 0 ℃ level height of representative station (a, unit: m) and temperature on 700 hPa from 08∶00 15th to 14∶00 17th (b, unit: ℃)

站名15日08時(shí)11時(shí)14時(shí)17時(shí)20時(shí)23時(shí)16日02時(shí)05時(shí)08時(shí)11時(shí)14時(shí)曲靖雪(2)雪(2)雪(2)雪(2)雪(1)雪(1)(-1)雪(-1)雪(-2)雪(-1)(3)昆明雨(6)雨(4)雪(1)雪(1)雪(2)雪(1)雪(0)雪(0)雪(0)雪(1)雪(2)文山雨(8)(5)雪(1)雪(0)雪(1)(1)(3)(3)雪(2)(3)(4)大理雨(5)雨(8)雨(10)雨(5)雪(0)雪(0)雪(0)雪(0)雪(0)(3)(5)

注：降水相態(tài)為正點(diǎn)觀測(cè)時(shí)的現(xiàn)在天氣現(xiàn)象，括號(hào)內(nèi)為地面氣溫(單位：℃)。

圖8 昆明上空溫度平流(a，單位：10-5℃·s-1)，風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)和相對(duì)濕度(陰影，單位：%)(b)時(shí)間高度剖面Fig.8 Time-height section of temperature advection of Kunming(a，unit：10-5℃·s-1),wind field (unit: m·s-1) and relative humidity (shade area, unit:%)(b)

7.3 鋒生對(duì)降水相態(tài)的影響

這次降水過(guò)程空氣濕度較大，上升下沉運(yùn)動(dòng)可近似看成絕熱過(guò)程，而假相當(dāng)位溫是一個(gè)θse包含溫度、氣壓和濕度的物理量，在干絕熱、濕絕熱和假絕熱過(guò)程中都守恒，因此，選取θse計(jì)算鋒生函數(shù)，表達(dá)式為參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為非絕熱加熱項(xiàng)、水平輻散項(xiàng)、水平變形項(xiàng)和與垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傾斜項(xiàng)，正值為鋒生。通過(guò)鋒生函數(shù)和各項(xiàng)計(jì)算分析，雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)變化時(shí)，低層都有明顯鋒生，鋒生函數(shù)變化主要是F3項(xiàng)和F4項(xiàng)起作用。圖9為文山上空鋒生函數(shù)時(shí)間高度剖面，F(xiàn)3(圖9a)在600 hPa以下從15日08時(shí)—16日14時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)鋒生，15日08—14時(shí)，700hPa附近鋒生函數(shù)出現(xiàn)由負(fù)向正的變化，中心值從-120×10-10K·m-1·s-1變?yōu)?0×10-10K·m-1·s-1，出現(xiàn)鋒生的時(shí)間正好與文山出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪一致。600 hPa以上從15日14時(shí)—16日20時(shí)一直維持正值，最大正值中心出現(xiàn)在15日20時(shí)600 hPa附近，中心值為105×10-10K·m-1·s-1，由此可見(jiàn)，水平變形對(duì)鋒生的作用在中低層最明顯。F4(圖9b)在550 hPa附近出現(xiàn)不連續(xù)鋒生15日02時(shí)—16日02時(shí)經(jīng)歷了兩次正負(fù)值變化，15日02—08時(shí)，中心值從-105×10-10K·m-1·s-1轉(zhuǎn)變?yōu)?0×10-10K·m-1·s-1，F(xiàn)4在中高層出現(xiàn)鋒生的時(shí)間比低層早，隨時(shí)間從高到低有明顯的下傳。根據(jù)鋒生理論，充分發(fā)展的斜壓槽將其本身的熱量和動(dòng)量通量首先輸送到高空急流區(qū)，使高空急流加速，然后由適應(yīng)過(guò)程中的調(diào)整質(zhì)量環(huán)流引起中低層鋒生，本次天氣過(guò)程正是由于高原中部中高層生成和發(fā)展為深厚的東北西南向低槽的同時(shí)，出現(xiàn)較強(qiáng)高空急流區(qū)，從而引起中低層鋒生。圖9c為鋒生函數(shù)過(guò)文山站時(shí)間高度剖面，與F3+F4(圖9d)對(duì)比可見(jiàn)，低層鋒生函數(shù)和F2+F3正負(fù)值分布和中心位值的變化趨勢(shì)非常接近。15日02—08時(shí)600～400 hPa鋒生函數(shù)和F3+F4正負(fù)中心分布較一致，也與F4的變化相同，說(shuō)明F4對(duì)中層的鋒生作用更明顯。15日08—14時(shí)700 hPa附近鋒生函數(shù)出現(xiàn)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的變化，與F3的變化趨勢(shì)相同，表明F3對(duì)低層鋒生起主要作用。其它時(shí)效鋒生函數(shù)隨時(shí)間變化則是F3和F4共同作用結(jié)果。

圖9 2013年12月14日20時(shí)至17日02時(shí)昆明站鋒生函數(shù)時(shí)間高度剖面圖(單位：10-10K·m-1·s-1)(a)水平變形項(xiàng)F3，(b)垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)F4，(c)鋒生函數(shù)，(d)F3+F4Fig.9 Time- height section of frontogenetical function of Kunming from 20∶00 14th to 02∶00 17th December 2013(unit:10-10K·m-1·s-1;a, horizontal deformation item F3; b, vertical tilt item F4; c, frontogenetical function; d, sum of F3+F4)

8 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得到以下主要結(jié)論：

①南支槽屬于低緯地區(qū)活動(dòng)的低槽，孟加拉灣南支槽的生成主要為地中海南支槽東移、青藏高原西部大槽斷裂生成南支槽和上下游效應(yīng)在青藏高原南側(cè)形成南支波動(dòng)加強(qiáng)發(fā)展形成的南支槽。本次暴雨轉(zhuǎn)雪天氣的影響系統(tǒng)并不是傳統(tǒng)意義上的南支槽，而是中高層深厚的高空槽從高緯地區(qū)迅速加強(qiáng)東南移，槽底深入到孟加拉灣中部，槽前不斷加強(qiáng)的西南急流將孟加拉灣暖濕氣流輸送到低緯高原，在西南急流區(qū)出現(xiàn)暴雨，低層切變線南移的同時(shí)地面冷鋒加強(qiáng)西進(jìn)，導(dǎo)致了這次暴雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程。

②中低層來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流在云南南部形成能量積集區(qū)和強(qiáng)烈的水汽輻合區(qū)，在低層輻合、中高層輻散的耦合作用下，形成強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，為強(qiáng)降雨提供了動(dòng)力和水汽條件。

③定容等熵溫度梯度負(fù)的大值區(qū)為能量鋒區(qū)，是高能高濕最為集中的地區(qū)，本次強(qiáng)降水區(qū)與700 hPa等熵溫度梯度強(qiáng)負(fù)值出現(xiàn)的區(qū)域有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水發(fā)生在強(qiáng)負(fù)值出現(xiàn)后，對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)有一定指示作用。

④本次冷空氣從高原東部進(jìn)入四川盆地，從涼山州東南部進(jìn)入滇東北，翻越烏蒙山時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止鋒，在強(qiáng)冷平流作用下快速東南移。雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)變化過(guò)程中除0 ℃層高度降到3 000 m以下和700 hPa溫度低于0 ℃外，地面氣溫需低于2 ℃。

⑤雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)變化時(shí)，低層都有明顯鋒生，鋒生函數(shù)變化主要來(lái)自水平變形項(xiàng)和垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)。