甘肅白銀市大到暴雪大氣環(huán)流特征分析

石光普,王銀花,蔡元成,程 華,南炳江

(1.白銀市氣象局,甘肅 白銀 730900; 2.甘肅省氣象局,甘肅 蘭州 730020;3.巴音郭楞蒙古自治州氣象局,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

白銀市地處青藏高原東北側(cè),位于甘肅省中部河西走廊東端,為騰格里沙漠南緣和祁連山余脈向黃土高原過(guò)渡地帶,下墊面植被覆蓋率低,土地沙化嚴(yán)重,屬溫帶干旱、半干旱大陸性氣候,降水在時(shí)間和空間上分布極不均勻,降水稀少、變率大,干旱頻發(fā)[1-5]。特殊的地理位置、地形地貌和大氣環(huán)流特征形成了該地干旱氣候特點(diǎn),如:白肇?zé)畹萚6]指出,由于受到青藏高原陡坡側(cè)向邊界的粘滯摩擦作用,在高原北側(cè)的700 hPa容易產(chǎn)生蘭州小高壓,形成了甘肅省中部地區(qū)異常干旱氣候;徐國(guó)昌等[7]認(rèn)為高原東北側(cè)由于氣流過(guò)山的繞流和輻散,加大了負(fù)渦度,使下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),對(duì)該區(qū)干旱氣候的形成起了重要作用。

國(guó)內(nèi)氣象學(xué)者對(duì)于西北地區(qū)強(qiáng)降雪與積雪的研究已取得了不少成果。如徐建芬等[8]對(duì)青藏高原切變線暴雪中尺度進(jìn)行了分析,并對(duì)其渦源進(jìn)行了研究,對(duì)高原切變線的結(jié)構(gòu)及降雪前后高層渦度變化的渦源進(jìn)行了分析和探討;李巖瑛等[9]對(duì)祁連山及周邊地區(qū)降雪氣候特征做了研究;王玉亮等[10]研究得出魯南地區(qū)產(chǎn)生暴雪天氣的4類影響系統(tǒng),分別為回流形勢(shì)、江淮氣旋、切變線和低槽冷鋒;馬振升[11]研究建立了河南省暴雪橫槽型和兩槽一脊型的天氣學(xué)模型;陶林科等[12]研究了寧夏中北部大到暴雪過(guò)程,發(fā)現(xiàn)具有明顯的中小尺度系統(tǒng)特征;丁永紅等[13]分析指出寧夏大到暴雪高發(fā)中心與地形特征關(guān)系密切,多發(fā)生在春季和秋季;楊霞等[14]研究了新疆暖區(qū)暴雪的形成機(jī)理及中小尺度特征。此外,研究[15-17]表明,冬春季降雪、積雪等下墊面因素對(duì)于抑制沙塵天氣的產(chǎn)生與發(fā)展有著非常重要的作用。

在全球變暖和氣候異常的背景下,極端天氣事件頻發(fā),強(qiáng)降雪天氣常與低溫凍害相伴隨,對(duì)農(nóng)業(yè)、林果業(yè)、牧業(yè)及交通運(yùn)輸、通訊、輸電線路安全等多方面造成了嚴(yán)重影響和損失,但強(qiáng)降雪對(duì)提高土壤含水量、增加農(nóng)田土壤墑情、凈化空氣、抑制病菌傳播十分有益。白銀市為河西干旱氣候向河?xùn)|半干旱氣候類型的過(guò)渡地帶,對(duì)于該地區(qū)強(qiáng)降雪天氣的成因尚未見(jiàn)到系統(tǒng)性的研究。因此,分析凝練出該區(qū)發(fā)生大到暴雪天氣的大氣環(huán)流特征,對(duì)提高預(yù)報(bào)預(yù)警能力、氣象防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境治理都具有十分重要的意義。

1 大到暴雪資料選取及時(shí)空分布特征

大到暴雪按24 h(北京時(shí),20時(shí)—次日20時(shí))降雪量≥7.5 mm標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)白銀市境內(nèi)4個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(見(jiàn)圖1)景泰站、白銀站、靖遠(yuǎn)站、會(huì)寧站,1961—2016年逐年11月到次年3月的日降雪觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行普查。

圖1 研究區(qū)白銀市位置示意圖Fig.1 Geographical location of the study area

1961—2016年,白銀市共計(jì)出現(xiàn)大到暴雪天氣過(guò)程35次,有43站次達(dá)到大到暴雪。白銀市大到暴雪最多出現(xiàn)在3月,占總數(shù)的53.5%;其次是11月,占總數(shù)的39.5%;2月只出現(xiàn)了3站次,占總數(shù)的7%;12月和1月,大到暴雪過(guò)程為零(見(jiàn)表1)。從白銀市大到暴雪出現(xiàn)的站次可以看出,南部會(huì)寧縣最多,占總數(shù)的55.8%;靖遠(yuǎn)縣、白銀市、景泰縣各占18.6%、11.6%、13.9%。

表1 白銀市大到暴雪發(fā)生次數(shù)季節(jié)分布

以上統(tǒng)計(jì)表明,白銀市大到暴雪多發(fā)生在初春和秋末,冬季出現(xiàn)頻次最低,其空間分布具有南多北少、自南向北減少的分布特征。

2 大到暴雪天氣形勢(shì)

采用NCEP/NCAR再分析資料(格點(diǎn)為2.5°×2.5°),對(duì)白銀市1961—2016年期間出現(xiàn)的35次大到暴雪天氣過(guò)程的地面和高、低空天氣形勢(shì)做診斷分析,得出大到暴雪天氣過(guò)程的影響系統(tǒng),歸類總結(jié)出4種形成大到暴雪天氣的主要環(huán)流形勢(shì)。其中橫槽型(或一脊一槽)和北脊南槽型各出現(xiàn)10次,各占總次數(shù)的28.6%;南北槽疊加型出現(xiàn)8次,占總次數(shù)的22.9%;高原槽型出現(xiàn)7次,占總次數(shù)的20%。

造成大到暴雪天氣的影響系統(tǒng)是復(fù)雜多變的,即使在同一類環(huán)流分型中,每次天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)也不盡一致,影響系統(tǒng)的強(qiáng)度、位置等也存在一定差異。因此研究在天氣學(xué)分型的統(tǒng)計(jì)歸類中,以主要影響系統(tǒng)為主,給出各類分型的高低空環(huán)流形勢(shì),以加深對(duì)各類環(huán)流分型的理解和認(rèn)識(shí),為該區(qū)大到暴雪天氣分析和預(yù)報(bào)預(yù)警提供借鑒。

2.1 橫槽型

以1970年3月12日典型過(guò)程為例,橫槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)見(jiàn)圖2。歐亞中高緯上空500 hPa為一脊一槽(見(jiàn)圖2(a)),烏拉爾山至西西伯利亞上空高壓脊發(fā)展維持,脊線呈東北—西南向。脊前貝湖到新疆北側(cè)為低槽區(qū),高壓脊前偏東氣流或東北氣流不斷引導(dǎo)冷空氣在槽底聚積,形成-48～-40 ℃左右的冷中心,高空鋒區(qū)南壓到新疆東部到內(nèi)蒙西部一線。同時(shí)高原上有短波槽東移到青海東部至隴中一帶,中低緯南支槽建立,槽前西南風(fēng)向高原東北部不斷輸送暖濕氣流,500 hPa上甘肅中部溫度露點(diǎn)差(T-Td)為2～3 ℃,濕度條件接近飽和。從海平面氣壓場(chǎng)分布特征可以看到,冷高壓位于新疆北部到蒙古國(guó)一帶,中心強(qiáng)度1 040～1 050 hPa左右,高原東北部有低壓倒槽發(fā)展,倒槽北側(cè)等壓線密集,形成西南暖濕氣流與北方干冷空氣的交匯,地面冷鋒自西北東移南下過(guò)境。

700 hPa(見(jiàn)圖2(b))在青海高原東部到甘肅南部有低渦切變,增強(qiáng)了該區(qū)的上升運(yùn)動(dòng),使水汽向隴中一帶上空輸送,隴中地區(qū)700 hPa溫度露點(diǎn)差(T-Td)為1～2 ℃的飽和區(qū),比濕達(dá)2～4 g/kg。同時(shí)700 hPa上對(duì)應(yīng)在橫槽底部有較強(qiáng)的冷平流,冷空氣不斷從新疆東北部沿河西走廊向甘肅中部擴(kuò)散,南下干冷空氣與高原槽前暖濕空氣交匯,形成了此類型強(qiáng)降雪天氣。

圖2 橫槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)Fig.2 The circulation situation of the transversal trough pattern of heavy snow

2.2 北脊南槽型

以1978年3月13日過(guò)程為例,北脊南槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)見(jiàn)圖3。東亞中高緯500 hPa上(見(jiàn)圖3(a)),在蒙古國(guó)西部到貝湖有高壓脊(北脊)發(fā)展,高壓脊前、后為高空冷渦或低槽?！氨奔埂焙髠?cè)槽底的冷空氣經(jīng)新疆、河西走廊入侵隴中地區(qū)。“北脊”前多為東北冷渦,冷渦后部偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下,經(jīng)河套向隴中地區(qū)侵入。同時(shí)中低緯南支槽活躍,高原上常有高原槽或高原切邊線東移(南槽),槽前西南氣流向隴中地區(qū)上空輸送暖濕空氣,南北氣流在高原東北部交匯形成此類型的強(qiáng)降雪天氣。地面高壓中心位置在貝湖附近,強(qiáng)度較橫槽型偏弱,中心值在1 030～1 045 hPa左右,高原東部常有低壓倒槽發(fā)展北抬,增強(qiáng)了該區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。

700 hPa可以看到(見(jiàn)圖3(b)),此類型強(qiáng)降雪天氣常在高原東部到隴中一帶有低渦或切邊線發(fā)展,其前為西南氣流向北輸送暖濕空氣,隴中地區(qū)700 hPa比濕≥2 g/kg,相對(duì)濕度>80%。對(duì)比北脊南槽型兩次典型過(guò)程以看到,暴雪產(chǎn)生的冷空氣主要有兩條路徑:一是西北路徑,自蒙古高壓脊后部,從新疆沿河西入侵本地的冷空氣;二是東北路徑,自蒙古高壓脊前,即東北冷渦或冷槽后部沿河套地區(qū)向本地入侵的冷空氣。中低層冷空氣入侵起到冷墊作用,加大了垂直風(fēng)切變,有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng),冷暖氣流在甘肅中部一帶交匯,形成了此類型強(qiáng)降雪天氣。

圖3 北脊南槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)Fig.3 The circulation situation of the north ridge and south trough pattern of heavy snow

2.3 南北槽疊加型

以1961年11月18日過(guò)程為例,南北槽疊加型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)見(jiàn)圖4。東亞中高緯500 hPa上(見(jiàn)圖4(a)),該類型強(qiáng)降雪天氣在新疆北部至貝加爾湖一帶常有西風(fēng)槽(北槽)發(fā)展東移南下,低槽底部冷空氣經(jīng)河西走廊南下到甘肅中部。同時(shí),中低緯南支槽建立,青藏高原中東部配合有高原槽發(fā)展東移(南槽),槽前為西南暖濕氣流向隴中上空輸送?？梢?jiàn),北支西風(fēng)槽和高原槽相疊加形成了此類型強(qiáng)降雪天氣。地面圖上青海東南部到河套一帶常有低壓倒槽發(fā)展,而新疆東北部至貝湖一帶為地面冷高壓,中心強(qiáng)度在1 050～1 060 hPa,地面冷鋒呈東北—西南向,冷鋒前后溫壓場(chǎng)梯度變化劇烈,冷暖空氣在蒙古到高原東北部一帶對(duì)峙,形成強(qiáng)降雪天氣。

圖4 南北槽疊加型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)Fig.4 The circulation situation of the north-south trough superposition pattern of heavy snow

700 hPa可以看到(見(jiàn)圖4(b)),此類型強(qiáng)降雪天氣在高原東部到甘肅中南部一帶常有低渦發(fā)展或切邊線生成,加強(qiáng)了暖濕氣流的輻合抬升,使得低渦或低槽前部西南氣流向隴中地區(qū)上空輸送暖濕空氣,形成比濕達(dá)3～5 g/kg的高濕區(qū)。冷空氣從新疆沿河西走廊入侵本地,與西南暖濕氣流交匯,形成了此類型強(qiáng)降雪天氣。

2.4 高原槽型

以1967年3月28日天氣過(guò)程為例,高原槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)見(jiàn)圖5。500 hPa此類型暴雪過(guò)程表現(xiàn)見(jiàn)圖5(a),南支槽建立并維持,在青藏高原東北部有高空槽強(qiáng)盛發(fā)展,槽前西南暖濕氣流向西北地區(qū)內(nèi)陸輸送水汽。而在中高緯則體現(xiàn)出高空鋒區(qū)偏北,貝湖以東到我國(guó)東北為偏西北氣流,從北方南下入侵到西北地區(qū)東部的冷空氣偏弱。500 hPa上高原東部到甘肅中南部濕度條件接近飽和,溫度露點(diǎn)差(T-Td)為2～3 ℃。地面圖上,高原東北部到隴東一帶常有低壓倒槽發(fā)展北抬,使得該地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

圖5 高原槽型大到暴雪天氣環(huán)流形勢(shì)Fig.5 The circulation situation of the plateau trough pattern of heavy snow

700 hPa(見(jiàn)圖5(b))在高原東部到隴東南有低渦切變強(qiáng)烈發(fā)展,增強(qiáng)了該區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)。低渦東南側(cè)有顯著的西南氣流向隴中一帶輸送暖濕氣流,700 hPa本地為溫度露點(diǎn)差(T-Td)≤1～2 ℃的飽和區(qū),比濕達(dá)3～5 g/kg,低渦后部有西北氣流下滑冷空氣在河西走廊東部形成切邊,產(chǎn)生強(qiáng)降雪天氣。

經(jīng)過(guò)對(duì)形成白銀市大到暴雪天氣歷史個(gè)例的環(huán)流特征分析歸納,得出4類分型:橫槽型(或一脊一槽)、北脊南槽型、南北槽疊加型和高原槽型(見(jiàn)表2)。產(chǎn)生大到暴雪的環(huán)流形勢(shì)雖然不同,但可以發(fā)現(xiàn)各類分型具有以下共同特征:(1)500 hPa中低緯都表現(xiàn)為南支槽維持、高原槽發(fā)展,起到暖濕氣流的輸送作用;(2)700 hPa高原東北部(四川北部-青海東部至甘肅中南部一帶)有低渦或切變發(fā)展,起到動(dòng)力抬升作用,加強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動(dòng);(3)地面圖上高原東北部有低壓倒槽發(fā)展,增強(qiáng)了該區(qū)大氣的不穩(wěn)定度,使得上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。各分型的不同點(diǎn)主要在于青藏高原以北天氣形勢(shì)的不同,即中高緯天氣系統(tǒng)的不同,如橫槽、西風(fēng)槽(脊)等,它們主要起到北方冷空氣的輸送作用。

3 結(jié)論

(1) 白銀市大到暴雪多發(fā)生在初春和秋末,冬季出現(xiàn)頻次最低,其空間分布具有南多北少、自南向北減少的分布特征。

(2) 白銀市形成大到暴雪天氣的環(huán)流形勢(shì)可歸納為4類:橫槽型、北脊南槽型、南北槽疊加型和高原槽型。

(3) 各類分型在中低緯都表現(xiàn)為南支槽維持、高原槽發(fā)展,起到暖濕氣流的輸送作用;在高原東北部有低渦或切變發(fā)展,起到動(dòng)力抬升作用,加強(qiáng)了大氣的上升運(yùn)動(dòng);同時(shí)各分型在高原東北部都有低壓倒槽發(fā)展,增強(qiáng)了該區(qū)大氣的不穩(wěn)定度,使得上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

(4) 各分型的不同點(diǎn)主要是中高緯地區(qū)天氣系統(tǒng)的不同,即高原以北東移的西風(fēng)槽(脊),它們主要起到冷空氣的輸送作用。因此,中高緯地區(qū)、高原上及中低緯地區(qū)三者天氣系統(tǒng)的配合是預(yù)報(bào)白銀市強(qiáng)降雪天氣的主要著眼點(diǎn)。

(5) 白銀市形成大到暴雪天氣的水汽主要來(lái)自于南支槽和高原槽的輸送,700 hPa比濕≥3 g/kg是產(chǎn)生大到暴雪的必要條件。