2020年初山東一次雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過程分析

宿秋蘭，鄭麗娜

(東營市氣象局，山東東營 257091)

冬季的降水相態(tài)類型的轉(zhuǎn)化問題，是最具挑戰(zhàn)的預(yù)報(bào)問題之一。一般來說，冬季的降水相態(tài)類型主要包括雨、雪、凍雨、雨夾雪及冰粒等。如果在此期間還夾雜著天氣現(xiàn)象霧的生消，那對氣象部門的天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)較大的考驗(yàn)。針對降雪，各地專家關(guān)注的比較多[1-3]，因?yàn)榻笛┩殡S著強(qiáng)降溫、積雪與道路結(jié)冰等。如2008年全國經(jīng)歷的低溫雨雪天氣過程，長江以南出現(xiàn)了雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)轉(zhuǎn)換，部分省份還出現(xiàn)了凍雨，而長江以北多以雪為主，這次過程造成全國23個(gè)省區(qū)公路交通中斷，全國43%的省級(jí)電網(wǎng)受影響，多地設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)林果受害，受災(zāi)人口達(dá)1億多人[4-5]。此次過程中相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)結(jié)果直接影響到應(yīng)急和決策工作的開展，因此降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制研究成為關(guān)注點(diǎn)之一。

目前針對降水相態(tài)的研究較多，包括雨雪轉(zhuǎn)換的指標(biāo)研究及檢驗(yàn)[6-7]、降水相態(tài)變化的過程研究[8]及降水相態(tài)變化過程的數(shù)值模擬[9]等。漆梁波等[10]對我國東部不同降水相態(tài)對應(yīng)的不同溫度和不同厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了一組中國東部地區(qū)冬季降水相態(tài)的識(shí)別判據(jù)。楊成芳等[11]研究了山東冬半年的降水相態(tài)，發(fā)現(xiàn)降水相態(tài)與影響系統(tǒng)有關(guān)，江淮氣旋與回流形勢產(chǎn)生的大雪以上的強(qiáng)降雪存在著雨雪轉(zhuǎn)換。鄭麗娜等[12]利用2000—2013年冬季回流形勢36次降水個(gè)例，探討了不同形勢下溫度、氣層厚度的垂直變化特征，獲得了不同降水相態(tài)下的溫度和冷層與暖層的厚度預(yù)報(bào)指標(biāo)。以上這些研究成果，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換提供了參考,但在全球變暖背景下極端天氣與氣候事件頻發(fā)，決策部門和民眾對災(zāi)害預(yù)警的種類及精度的關(guān)注度和要求越來越高。因此，本文以2020年初山東的一次雨轉(zhuǎn)暴雪的天氣過程為例，分析此類過程形成的機(jī)制，以期更好地為冬季復(fù)雜天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料

所用數(shù)據(jù)包括2020年1月常規(guī)天氣圖資料、地面降水資料、加密自動(dòng)站氣象資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格資料(分辨率0.25°×0.25°)，要素包括：高度、溫度、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度和散度等數(shù)據(jù)。

2 天氣概況

2020年1月5日08時(shí)，山東境內(nèi)開始出現(xiàn)降雨。20時(shí)，黃河以西的部分站點(diǎn)降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪。6日08時(shí)，除魯中以東仍有降雨外，其余地區(qū)降水停止。6日11時(shí)，降水再次從魯南開始，雨區(qū)逐漸北推。7日02時(shí)，魯西北地區(qū)首先出現(xiàn)降雪，之后，降雪區(qū)逐漸向東擴(kuò)展。7日14時(shí)，除魯南的個(gè)別站點(diǎn)降水相態(tài)為雨外，其余地區(qū)均為雪。8日14時(shí)全省降水過程結(jié)束。從此次過程的降水量(圖1)可以看出，1月5日08時(shí)—8日08時(shí)，魯中以南的大部地區(qū)累積降水量達(dá)30 mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東省有37站7日當(dāng)天的降水量突破1月歷史極值，達(dá)暴雪量級(jí)。

3 大尺度影響系統(tǒng)

3.1 前期降雨階段

2020年1月5—6日，山東的降水相態(tài)以雨為主。從圖2a可以看出，6日08時(shí)， 500 hPa圖上有南北兩支高空槽，南支槽位于青藏高原東部，槽前的西南氣流發(fā)展旺盛。北支槽位于華北北部，此槽東移攜帶弱冷空氣南下，為山東降水的產(chǎn)生提供了弱冷空氣條件。低層700 hPa形勢與500 hPa相似，在南支槽槽前形成一支強(qiáng)勁的西南氣流。850 hPa圖上，自四川伸向山東中部有一切變線，切變線東側(cè)有來自南海輸送至山東的低空急流。地面圖上，5日受倒槽影響，山東出現(xiàn)降水，6日08時(shí)(圖2b)，倒槽在東移的過程中發(fā)展成黃海氣旋，山東持續(xù)受氣旋外圍氣流影響，產(chǎn)生降水天氣。

圖1 2020-01-05T08—08T08山東省降水量(單位：mm)

實(shí)線為500 hPa等高線或地面等壓線；虛線為850 hPa低渦環(huán)流線；箭矢為700 hPa或850 hPa急流；弧形線為槽線；雙線為850 hPa切變線；填色區(qū)為降水區(qū)。圖2 2020-01-06T08高空天氣系統(tǒng)配置圖(a)與地面圖(b)

3.2 后期降雪階段

2020年1月7—8日，山東省的降水相態(tài)以雪為主。1月7日開始，山東自西向東先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪。7日08時(shí)500 hPa圖上(圖3a)，原來為山東降雨提供弱冷空氣條件的華北北部的高空槽已經(jīng)東移，而對山東降雪產(chǎn)生影響的的天氣系統(tǒng)是從青藏高原東移的高空槽。我國東部海上的高壓脊非常強(qiáng)大，影響高空槽東移減慢，經(jīng)向度加大，西南氣流發(fā)展旺盛。700 hPa槽前強(qiáng)盛的西南氣流向山東輸送水汽，低層850 hPa低渦位于安徽境內(nèi)，山東處于低渦北側(cè)偏東氣流中。地面圖上(圖3b)，蒙古冷高壓前沿的冷空氣已到達(dá)華北，地面盛行東北風(fēng)。這樣山東內(nèi)陸地區(qū)上空構(gòu)成了近地面層為冷墊、700～500 hPa暖濕空氣沿冷墊爬升的環(huán)流形勢。此時(shí)，新的黃海氣旋已經(jīng)生成，山東半島受氣旋外圍影響，水汽來源于氣旋外圍的偏東氣流。隨著近地層溫度的下降，降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪。7日20時(shí)，對流層中低層的低渦東移至海上，山東逐漸被低渦后部的偏北氣流控制。地面圖上，黃海氣旋向東北方向移動(dòng)，其東西半徑接近750 km，在其影響的范圍內(nèi)山東仍然有降雪。隨著蒙古冷高壓的逐漸南下，山東逐漸被冷空氣控制，對流層低層?xùn)|北風(fēng)代替西北風(fēng)，降水過程結(jié)束(圖略)。

實(shí)線為500 hPa等高線或地面等壓線；虛線為850 hPa低渦環(huán)流線；箭矢為700 hPa或850 hPa急流；弧形線為槽線；雙線為850 hPa切變線；填色區(qū)為雨區(qū)；填色中的短橫線區(qū)為雪區(qū)。圖3 2020-01-07T08高空天氣系統(tǒng)配置圖(a)和地面圖(b)

可以看出，這次5—8日的降水過程主要分為兩段，分別受不同的天氣系統(tǒng)影響。在前期的降雨階段，主要影響系統(tǒng)是中緯度高空槽、低層切變線、地面倒槽與黃海氣旋；后期的降雪過程是南支槽發(fā)展東移的高空槽、低渦與新生的黃海氣旋。同時(shí)，在這次降水過程中，山東內(nèi)陸與半島降雨轉(zhuǎn)為降雪的時(shí)間存在明顯差異，后期的降雪過程降水量明顯偏大，這些問題是關(guān)注的重點(diǎn)。

4 降水相態(tài)分析

4.1 地面觀測資料

這次過程魯南開始出現(xiàn)降雨，雨雪轉(zhuǎn)換則是先從魯西北開始，山東內(nèi)陸與山東半島的雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)間明顯不同。為了弄清楚山東內(nèi)陸與山東半島氣象要素的演變差異，選用濟(jì)南站與青島站作為山東內(nèi)陸與半島的代表站進(jìn)行分析。從地面三線圖(圖4，見第19頁)可以看出，兩站的氣壓從5日08時(shí)至8日14時(shí)均是先降后升。濟(jì)南站的最低氣壓出現(xiàn)在7日08時(shí)，其值為1 002.1 hPa，青島站出現(xiàn)在7日14時(shí)，其值為1 001.4 hPa，顯然青島站的氣壓值略低，這可能是青島站離氣旋中心較近的緣故。從溫度演變來看，濟(jì)南站的氣溫自5日08時(shí)的4 ℃逐漸下降，當(dāng)氣溫降至1 ℃以下時(shí)，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為降雪。而青島站5日08時(shí)至7日08時(shí)，氣溫不降反而略有上升，一直維持在4 ℃以上，降水相態(tài)為雨；7日14時(shí)，該站氣溫陡降至1 ℃以下，降水相態(tài)由降雨轉(zhuǎn)為降雪。從露點(diǎn)的演變來看，降水期間，相較青島站而言，濟(jì)南站的露點(diǎn)與溫度趨于重合。從6 h降水量(柱狀)圖來看，濟(jì)南站的降雨量小于降雪量，而青島站反之。這些地面要素場的諸多差異，主要緣于兩站所受的影響系統(tǒng)及所處的地理位置不同。

4.2 溫度指標(biāo)

在這次長達(dá)3 d的降水過程中，山東內(nèi)陸與半島均存在著降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變。從表1可以看出，1月5日20時(shí)，濟(jì)南站與青島站850 hPa的溫度僅差0.2 ℃，但是越靠近地面，兩站的溫度差異越大。1 000 hPa的溫度，青島站較濟(jì)南站高4.2 ℃，且該站0 ℃層的高度偏高，使高空降落的雪花在到達(dá)地面的過程中融化形成降雨；而濟(jì)南站由于0 ℃層高度偏低，加之1 000 hPa至地面的溫度在2 ℃以下，不足以使雪花融化，所以觀測到的是降雪。6日08—20時(shí)，是近地層溫度的升高階段，兩站的降水相態(tài)均為雨。不過，濟(jì)南站5日20時(shí)與6日20時(shí)近地層的溫度相差不大，只是6日20時(shí)0 ℃層高度略高。7日08時(shí)，濟(jì)南站由于氣溫驟降，降水相態(tài)為雪；而青島站，盡管溫度也在下降，但是其0 ℃層高度在850 hPa，近地層溫度偏高，降水相態(tài)仍為雨。7日20時(shí)，兩站的近地層溫度均降至0 ℃以下，降水相態(tài)均為雪?？梢姡貙訙囟扰c0 ℃層高度是判定降水相態(tài)的有效指標(biāo)。

表1 2020年1月5—7日濟(jì)南站與青島站近地層溫度與0 ℃層等壓面高度

4.3 厚度指標(biāo)

近地面的冷層厚度往往決定著該層溫度的變化。當(dāng)近地層為偏東風(fēng)或西北風(fēng)時(shí)，形成冷層，導(dǎo)致地面溫度迅速下降。從這次降水過程來看，1月5日20時(shí)，濟(jì)南站925 hPa至地面多為偏東風(fēng)，形成冷層，厚度約為1 km。此時(shí)青島站，近地層多為自海面吹來的東南風(fēng)，不利于降溫。6日20時(shí)，濟(jì)南站的近地面冷層加厚至2 km。青島站的冷層厚度約為1.2 km。7日08時(shí)，濟(jì)南站的冷層進(jìn)一步加厚，其高度到達(dá)800 hPa,厚度約2.1 km。青島站近地層的東北風(fēng)也自地面擴(kuò)展到830 hPa，厚度接近2 km。冷層的逐漸增厚引起近地層溫度驟降。7日20時(shí)，濟(jì)南站400 hPa至地面均變?yōu)槔鋵?，降水趨于結(jié)束。而青島站，700 hPa至地面為冷層，厚度約為3 km，但其上各層為偏西或西南風(fēng)。說明，該站上空還未完全被冷空氣控制，降水會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

5 物理量診斷

5.1 雨雪轉(zhuǎn)換的水汽條件

在冬季，產(chǎn)生10 mm以上的降雨和降雪，需要有充沛的水汽供應(yīng)。從700 hPa水汽通量與850 hPa水汽通量散度來看，6日08時(shí)(圖5a，見第19頁)，高空槽前的西南氣流形成了東北—西南向的水汽通道。水汽的來源有兩處，一是來自高空槽前，二是來自副熱帶高壓的外圍(圖2a)，山東省處于水汽的輻合區(qū)內(nèi)。7日08時(shí)，高空槽前的西南氣流發(fā)展的更加旺盛，水汽通道的經(jīng)向度加大，并在山東半島形成明顯的水汽輻合 (圖5b，見第19頁)。

5.2 雨雪轉(zhuǎn)變的動(dòng)力條件

要產(chǎn)生降水，僅有水汽條件是不夠的，還需要有適宜的動(dòng)力條件。圖6(見第19頁)給出了整個(gè)降水過程期間濟(jì)南站與青島站上空的垂直速度與散度。從圖6可以看到，在5—6日的降水過程中，濟(jì)南上空氣流輻合高度在800 hPa以下，最強(qiáng)的上升速度中心在700 hPa；而青島站上空氣流的輻合高度更低，僅為925 hPa，上升速度較濟(jì)南上空的略強(qiáng)。7日，當(dāng)濟(jì)南站轉(zhuǎn)為降雪階段時(shí)，850～1 000 hPa是輻散層，對應(yīng)著氣流層中的冷空氣，850 hPa以上的上升速度明顯加強(qiáng)，并在700 hPa與400 hPa各形成一個(gè)上升速度中心。青島站發(fā)生降雪時(shí)的形勢與濟(jì)南站不同，7日14時(shí)，青島站上空的上升運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到300 hPa以上，上升運(yùn)動(dòng)中心約在600 hPa附近，不穩(wěn)定層抬升至600 hPa。7日20時(shí)之后，隨著強(qiáng)冷空氣入侵，上升氣流迅速被下沉氣流代替，降水過程結(jié)束。

圖4 2020-01-05—08濟(jì)南站和青島站地面三線圖及6 h降水量(文見第17頁)

圖5 700 hPa水汽通量(陰影區(qū)，單位為g/(s·cm·hPa))與850 hPa水汽通量散度(等值線，單位為10-7g/(s·cm2·hPa))(a 2020-01-06T08，b 2020-01-07T08)(文見第18頁)

圖6 2020-01-05—08濟(jì)南站(a)與青島站(b)垂直速度(等值線，單位為10-2 hPa/s)及散度(填色區(qū)，單位為10-5 s-1)時(shí)間垂直剖面圖

6 結(jié)論

(1)此次過程分為兩段，5—6日主要是降雨過程，影響系統(tǒng)是華北北部的高空槽、切變線與地面倒槽、黃海氣旋；7—8日為降雪過程，影響系統(tǒng)是自青藏高原東部東移的高空槽、低渦與新生的黃海氣旋。

(2)降雨階段，山東處于高空槽前，水汽來源于高空槽前的西南氣流，水汽的輻合與上升速度偏弱，不穩(wěn)定層出現(xiàn)在對流層低層；降雪階段，山東內(nèi)陸地區(qū)近地面層形成冷墊，700～500 hPa槽前暖濕空氣沿冷墊爬升，不穩(wěn)定層較降雨時(shí)明顯抬升，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。山東半島在降雪階段受黃海氣旋外圍影響，水汽來源主要是氣旋外圍的偏東氣流。

(3)地面冷層厚度能引起該層溫度的變化：當(dāng)冷層厚度在2 km以下時(shí)，降水相態(tài)為雨；超過2 km時(shí)，降水相態(tài)為雪；當(dāng)冷層厚度達(dá)到5 km以上時(shí)，降水過程結(jié)束。

(4)近地面溫度與0 ℃層高度相結(jié)合對雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換有很好的指示作用。