畢節(jié)市兩次持續(xù)低溫雨雪天氣對比分析

姚 浪,吳 姍，周 庶，王 璇，譙 勛

(1.畢節(jié)市氣象局，貴州畢節(jié) 551700；2.七星關(guān)區(qū)氣象局，貴州畢節(jié) 551700)

畢節(jié)市位于貴州省西北部，境內(nèi)地勢西高東低(最大海拔高度差達(dá)2 443 m)，平均海拔高度為1 600 m，特殊的地形地貌和特定的氣候條件(云貴準(zhǔn)靜止鋒、多陰雨天氣、冬季冷空氣影響時氣溫常降至0 ℃以下)使得畢節(jié)成為貴州省冬季凍雨天氣發(fā)生最多的地區(qū)[1-2]。2008年年初和2011年年初畢節(jié)市出現(xiàn)兩次持續(xù)時間超過1個月的低溫雨雪天氣，給人民生活生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計。在2008年貴州省低溫雨雪研究中，諸多學(xué)者通過對500 hPa環(huán)流、冷渦、低層冷舌、靜止鋒位置的分析，探討低溫雨雪過程的成因[3-7]。2011年貴州省低溫雨雪研究中，杜小玲等通過研究極渦分布、鋒區(qū)輻合和暖、冷云特征分析天氣成因[8-9]。對貴州省低溫雨雪的相關(guān)研究已有許多，但畢節(jié)市地處貴州西北部，海拔高度較高，相比于貴州其他市州發(fā)生雨雪更頻繁，持續(xù)時間也更長，受云貴準(zhǔn)靜止鋒影響更嚴(yán)重，那么2008年、2011年畢節(jié)市出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣有何本質(zhì)上的差異？凝凍過程中降水相態(tài)的變化有何不同？對這些問題的研究，可以深入總結(jié)畢節(jié)市持續(xù)低溫雨雪天氣的特征，也可以更好地為今后開展低溫雨雪天氣預(yù)報和服務(wù)提供科學(xué)支撐。

1 資料和方法

所用資料為貴州省畢節(jié)市8個氣象觀測站2008年1月13日08時—2月14日08時、2010年12月30日08時—2011年1月31日08時地面實況觀測資料，貴陽、威寧站探空觀測資料，NCEP 2.5°×2.5°再分析資料。通過對兩次持續(xù)低溫雨雪天氣過程中的天氣現(xiàn)象進(jìn)行對比分析，總結(jié)兩次天氣過程中凍雨、雨夾雪、雪的發(fā)生特點，最后通過對天氣環(huán)流、輻合強度、溫度層結(jié)、靜止鋒區(qū)位置等分析，探索持續(xù)低溫雨雪天氣的異同點。

2 災(zāi)情及天氣特點

2.1 災(zāi)情

2008年1月13日—2月14日畢節(jié)市出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣，過程中大方縣凍雨日數(shù)高達(dá)33 d，全市平均凍雨日數(shù)27 d、平均降雪日數(shù)19 d。2010年12月30日—2011年1月31日，畢節(jié)市再次出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣，過程中凍雨日數(shù)最多的威寧縣為32 d，最少的赫章縣7 d，全市平均凍雨日數(shù)23.3 d、平均降雪日數(shù)18 d。這兩次持續(xù)低溫雨雪過程嚴(yán)重影響了畢節(jié)市境內(nèi)道路交通和生產(chǎn)生活，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 天氣特點

從凍雨觀測和降雪觀測的日變化來看，2008年雨雪天氣過程主要分為五個階段：第一階段是2008年1月13—21日，以凍雨為主(14—21日凍雨日均發(fā)生7站)，伴有零星雨夾雪；第二階段是1月22—29日，以凍雨和雨夾雪共存，日均凍雨發(fā)生7.4站，日均雨夾雪發(fā)生4.5站；第三階段是1月30日—2月2日，以降雪天氣為主，各縣區(qū)出現(xiàn)積雪；第四階段是2月3—6日，以凍雨和雨夾雪共存；第五階段是2月7—13日，以凍雨和降雪為主，日均凍雨5.4站、日均降雪6.6站，但此階段積雪不明顯。

2011年雨雪天氣過程主要分為四個階段：第一階段2010年12月30日—2011年1月5日，以凍雨為主，在1月1日凍雨站數(shù)增多至6站，后期維持在6站以上；第二階段1月6—20日，以凍雨和降雪為主，日均降雪6.7站(其中1月12日、16日天氣轉(zhuǎn)好未統(tǒng)計)，主要降雪過程發(fā)生在17—20日，全市出現(xiàn)積雪；第三階段是2011年1月21—26日，以凍雨為主；第四階段2011年1月27—31日，以凍雨和雨夾雪共存為主，日均雨夾雪5.8站。

兩次過程的第一階段均以凍雨為主，到過程中期出現(xiàn)強降雪，后期以凍雨和雨夾雪共存結(jié)束過程；但不同的是在2008年過程中凍雨天氣發(fā)生的頻次更高，且過程發(fā)生中無明顯升溫天氣，持續(xù)凝凍造成的災(zāi)害更為嚴(yán)重。

3 對比分析

3.1 500 hPa環(huán)流

2008年1月13日—2月14日500 hPa平均高度場(圖1a)上，咸海至里海一帶為高空槽區(qū)，在50°N～70°N之間有弱高壓脊，鄂霍次克海至日本海附近有高空冷渦維持。中低緯平均高度場為平直環(huán)流。分析該時段的平均經(jīng)向風(fēng)速，在青藏高原西北側(cè)有4～6 m/s的偏南氣流中心，中國區(qū)域內(nèi)南北風(fēng)分界線位于38°N附近，在黑龍江至日本海附近有強偏北氣流。

2010年12月30日至2011年1月31日，500 hPa平均高度場(圖1b)上50°N～70°N之間有深厚高壓脊，強度較2008年過程更強，鄂霍次克海至日本海一帶的高空冷渦發(fā)展也更為深厚，中心強度達(dá)515 dagpm。分析該時段的平均經(jīng)向風(fēng)速，偏北氣流強中心分布在巴爾喀什湖以北和中國東北地區(qū)以西，偏北氣流中心較2008年偏西、偏南，中國區(qū)域內(nèi)的南北風(fēng)分界線位于30°N附近，在青藏高原附近南風(fēng)較2008年明顯偏弱。

圖1 500 hPa平均高度場(實線，單位為gpm)及平均經(jīng)向風(fēng)速(虛線，單位為m/s)(a 2008-01-13—2008-02-14； b 2010-12-30—2011-01-31)

通過逐日500 hPa高度場(圖略)分析發(fā)現(xiàn)，2008年凝凍過程開始前，亞洲中高緯呈兩槽一脊型，隨著巴爾喀什湖以西的低渦發(fā)展并緩慢東移，高壓脊減弱消失，2008年1月16日—2月2日，中高緯上維持Ω型阻塞形勢，新疆地區(qū)以北以西受穩(wěn)定少動低渦持續(xù)影響，在1月27日—2月2日隨著中高緯Ω型阻塞形勢緩慢東移，結(jié)合孟加拉灣南支槽東移，形成畢節(jié)市一次明顯降雪過程。2月4—8日，新的Ω型阻塞形勢建立，低渦從新疆以東貝加爾湖以西經(jīng)內(nèi)蒙古、河北移動到渤海灣北部。

2011年過程開始前中高緯70°E～150°E之間有3個低渦分布，低渦中心值達(dá)512 dagpm，亞洲中高緯呈Ω型阻塞形勢，高壓脊位于烏拉爾山附近。2010年12月30日至2011年1月9日Ω型阻塞形勢維持且緩慢東移，位于新疆地區(qū)以北的低渦穩(wěn)定少動；2011年1月10—14日阻塞高壓崩潰后中國中西部偏北區(qū)域呈偏西北氣流控制，1月15—23日阻塞形勢再度形成，位于里海以北的低渦東移至新疆以北后再次形成新的阻塞形勢；1月24—30日Ω型阻塞形勢東移，31日東亞大槽入海。

3.2 低層輻合與水汽

在兩次過程中，畢節(jié)市在云貴準(zhǔn)靜止鋒影響下，云頂高度常在700～600 hPa之間，云層厚度薄。700 hPa上以西南氣流為主，風(fēng)速可達(dá)低空急流強度，為畢節(jié)市帶來暖濕空氣；850 hPa上畢節(jié)市多受偏北或偏東北回流冷空氣影響，為靜止鋒形成提供了冷空氣，在靜止鋒區(qū)附近畢節(jié)市低層以地形和鋒面抬升為主要輻合動力。通過對兩次過程中的比濕進(jìn)行時間序列(圖略)分析，發(fā)現(xiàn)畢節(jié)市在持續(xù)雨雪過程中不同降水相態(tài)下中低層絕對水汽含量相當(dāng)，即700 hPa比濕為2～6 g/kg，850 hPa比濕為2～4 g/kg。絕對水汽含量的區(qū)別主要體現(xiàn)在發(fā)生凍雨或降雪時500 hPa上的比濕差異，即發(fā)生凍雨時500 hPa比濕為0～2 g/kg，發(fā)生降雪時500 hPa比濕為1～3 g/kg。

3.3 準(zhǔn)靜止鋒區(qū)

貴州凍雨天氣的頻繁出現(xiàn)與云貴準(zhǔn)靜止鋒在貴州中西部擺動有密切關(guān)系。云南常處于靜止鋒前，以晴好天氣為主，日照豐富；在準(zhǔn)靜止鋒后的貴州常以陰雨天氣為主，伴隨冷空氣影響，近地層氣溫下降到0 ℃及以下，致使貴州出現(xiàn)凍雨天氣。

圖2分析了沿27°N上100°E～110°E海平面氣壓的時間演變，將1 015～1 017.5 hPa、1 027.5～1 030 hPa分別作為云貴準(zhǔn)靜止鋒的西界和東界，在兩次低溫陰雨雪凝凍天氣中準(zhǔn)靜止鋒區(qū)呈階段性東西擺動。靜止鋒區(qū)常在畢節(jié)市區(qū)域內(nèi)(103°E～107°E)維持，有冷空氣補充時靜止鋒加強，鋒面西進(jìn)至云南中部一線，冷空氣減弱后，鋒面東退至畢節(jié)市東部。在低層風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)后，鋒區(qū)逐漸減弱消散，完成一次云貴準(zhǔn)靜止鋒面的生成-加強-擺動-減弱-消亡過程；但由于北方冷空氣頻繁南下影響畢節(jié)市，造成靜止鋒東西擺動且在畢節(jié)市附近維持，形成持續(xù)低溫陰雨雪凝凍天氣過程。

2008年1月13—14日開始，云貴準(zhǔn)靜止鋒區(qū)迅速生成，16日靜止鋒達(dá)到強盛階段(畢節(jié)市東部海平面氣壓達(dá)到1 030 hPa以上)，21日靜止鋒逐漸減弱東退；在22、26日有新一輪冷空氣補充影響，減弱東退的靜止鋒面再次活躍，圖中陰影區(qū)再次西進(jìn)至畢節(jié)市中部；之后2月1日冷空氣繼續(xù)補充影響，靜止鋒面西進(jìn)到云南東部，畢節(jié)市處在鋒后低溫陰雨雪區(qū)；過程后期的2月5日、9日、13日冷空氣頻繁補充影響，鋒面維持活躍，鋒后多雨雪天氣。

對比2008年過程發(fā)現(xiàn)，2011年1月持續(xù)雨雪過程中冷空氣的影響強度更大，圖2b中陰影區(qū)域面積較2008年明顯增多，總體鋒區(qū)位置維持在102°E～108°E之間，冷空氣補充的頻率較2008年也更強。其中，在2011年1月6—20日出現(xiàn)6次地面靜止鋒西進(jìn)過程，頻繁的鋒面擺動使這個階段畢節(jié)市降雪天氣更為明顯；后期21—31日畢節(jié)市受持續(xù)冷空氣影響，鋒面大幅西進(jìn)至云南中部，畢節(jié)市受地面冷高壓影響，降雪天氣減弱。由此可見，地面靜止鋒面的頻繁擺動是畢節(jié)市降雪天氣的有利條件，當(dāng)冷空氣強度較大或靜止鋒減弱后畢節(jié)市常出現(xiàn)凍雨或雨夾雪天氣。

圖2 海平面氣壓沿27°N的時間-經(jīng)度演變(a 2008-01-13—2008-02-14；b 2010-12-30—2011-01-31；單位為hPa)

3.4 溫度垂直結(jié)構(gòu)

畢節(jié)市冬季持續(xù)低溫雨雪過程中，降水相態(tài)常在雨、凍雨、雨夾雪、雪之間頻繁轉(zhuǎn)換，大氣的溫度層結(jié)對地面降水相態(tài)有決定作用。圖3顯示2008年、2011年兩次過程中畢節(jié)區(qū)域溫度層結(jié)隨時間的演變，均呈現(xiàn)出過程前期700 hPa以上溫度高于0 ℃，中低層存在融化層，過程中后期700 hPa溫度下降到0 ℃以下，中低層融化層減弱或消失，這也導(dǎo)致兩次過程前期畢節(jié)市以凍雨天氣為主，中后期以凍雨、雨夾雪、雪天氣共存為主。分析圖3中-10 ℃線的演變可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度層結(jié)上的-10 ℃線位勢高度下降時，畢節(jié)市出現(xiàn)降雪天氣的頻次增多，兩次過程中-10 ℃線均呈現(xiàn)出升高-降低-升高的趨勢，這也與畢節(jié)市降雪天氣出現(xiàn)密切相關(guān)。

3.5 垂直速度

垂直速度的高度時間剖面可以反映出該區(qū)域上空大氣的水汽輻合程度，特別是冬季大氣上升運動的高度可以間接決定降水相態(tài)類型。圖4分析兩次過程中畢節(jié)區(qū)域內(nèi)平均垂直速度-時間的演變[10-11]。2008年過程中上升運動的高度主要集中在700 hPa附近，上升運動強度集中在-0.1～-0.15 Pa/s之間，且在650 hPa以上以下沉運動為主，這也表明2008年過程中畢節(jié)市主要以凍雨天氣影響為主。1月31日—2月1日，畢節(jié)上空上升運動高度伸展到200 hPa上下，中心強度-0.15～-0.25 Pa/s，此階段畢節(jié)出現(xiàn)大范圍降雪，8個地面測站累計積雪厚度迅速增加到24 cm。2011年凝凍過程中上升運動伸展高度明顯較2008年更高，上升運動高度為地面到650 hPa之間，特別是在2011年1月2日、9日至11日、16日至19日上升運動高度伸展到300 hPa上下，形成頻繁雨夾雪、降雪天氣，其中18日畢節(jié)8個地面測站累計積雪厚度迅速增加到34 cm。過程后期上升運動高度集中在750 hPa以下，上升運動強度減弱。

圖3 畢節(jié)區(qū)域平均溫度場的高度-時間剖面(a 2008-01-13—2008-02-14；b 2010-12-30—2011-01-31；單位為℃)

圖4 畢節(jié)區(qū)域平均垂直速度的高度-時間剖面(a 2008-01-13—2008-02-14；b 2010-12-30—2011-01-31;單位為Pa/s)

3.6 探空與降水相態(tài)

分析兩次過程中威寧站、貴陽站逐日探空(圖略)發(fā)現(xiàn)，畢節(jié)市出現(xiàn)凍雨時地面溫度常常低于0 ℃，濕層淺薄(地面至700 hPa上下)，鋒面逆溫層頂溫度>0 ℃或<0 ℃均可出現(xiàn)凍雨。出現(xiàn)雨夾雪時地面溫度常低于2 ℃，濕層較凍雨形勢更厚(高度可達(dá)700～600 hPa)，鋒面逆溫層頂溫度通常在0 ℃以下，無融化層；偶爾存在濕層高度伸展到600 hPa以上，但在中低層存在融化層。當(dāng)濕層伸展到600 hPa以上，且中低層無融化層時，天氣現(xiàn)象以降雪為主。

4 小結(jié)

通過對2008年年初、2011年年初畢節(jié)市持續(xù)低溫雨雪天氣對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)2008年過程中全市平均凍雨日數(shù)達(dá)27 d，且過程中無明顯升溫天氣，地面凝凍時間較2011年更為嚴(yán)重。2011年過程凍雨和降雪現(xiàn)象交替出現(xiàn)，且過程中有升溫天氣，對地面凝凍有緩解作用。

(2)對比分析兩次過程中500 hPa平均高度場，發(fā)現(xiàn)2011年高壓脊強度更強，且在鄂霍次克海至日本海附近的高空冷渦較2008年更為深厚。對比平均經(jīng)向風(fēng)場發(fā)現(xiàn)，2008年過程在青藏高原西北側(cè)南風(fēng)強度更強，2011年過程偏北氣流中心較2008年偏西、偏南，中國區(qū)域內(nèi)的南北風(fēng)分界線較2008年偏南。

(3)對比分析云貴準(zhǔn)靜止鋒面擺動，發(fā)現(xiàn)2011年冷空氣補充的頻率較2008年更頻繁，靜止鋒頻繁西進(jìn)東退為畢節(jié)市降雪天氣提供更多的低層水汽輻合和鋒面抬升動力。

(4)通過兩次過程垂直結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)2008年過程上升運動高度集中在700 hPa附近，而2011年過程中上升運動伸展高度較2008年更高，上升運動達(dá)600 hPa以上的持續(xù)時間更長，這使得2011年過程中降雪天氣更頻繁，而2008年凍雨天氣更多。