丹江口市兩次不同相態(tài)降雪過程溫度層結(jié)對比分析

劉志勇，郭 莉，楊普平

(1.丹江口市氣象局,湖北丹江口 442700；2.商洛市氣象局，陜西商洛 726000)

近年來降雪天氣對交通運(yùn)輸、供電線路與設(shè)施農(nóng)業(yè)造成的影響越來越大，氣象工作者對冬季降雪特別是暴雪天氣研究得較多。趙桂香等[1]對華北大到暴雪過程的切變線進(jìn)行了動(dòng)力診斷分析，認(rèn)為暴雪過程與中尺度切變線的發(fā)展和東移直接關(guān)聯(lián)；彭力[2]對2018年1月2—4日陜西回流暴雪環(huán)流特征及成因進(jìn)行了診斷分析，表明暴雪區(qū)上空鋒區(qū)次級環(huán)流加速上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對降雪起到增幅作用，暴雪發(fā)生在云頂亮溫小于等于-50 ℃的強(qiáng)中心移過的區(qū)域；胡燕平等[3]對河南兩次不同季節(jié)暴雪過程進(jìn)行對比分析，認(rèn)為當(dāng)整層氣溫均在0 ℃以下，降水相態(tài)為純雪；當(dāng)中層出現(xiàn)暖層，有一個(gè)雨轉(zhuǎn)雪的過程；谷秀杰等[4]對河南省一次暴雪成因及其相態(tài)演變等進(jìn)行了分析，指出要結(jié)合中低空的溫度來確定降水相態(tài)；還有一些學(xué)者[5-9]從濕位渦特征、地面倒槽、衛(wèi)星云圖特征、數(shù)值模擬分析對暴雪天氣進(jìn)行了分析和比較。但是冬季降雪往往因?yàn)闇囟却怪狈植嫉牟煌?，存在雪、雨夾雪、冰粒、凍雨等多種相態(tài)，不同的降水相態(tài)對應(yīng)的降雪量級差別較大，造成的影響與危害程度也不同。董全[10]等對中國不同地區(qū)的不同降水相態(tài)與各層溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；楊成芳[11]等研究了山東冬半年降水相態(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。做好冬季不同類型的固態(tài)降水預(yù)報(bào)，對區(qū)分不同程度的災(zāi)害天氣，為農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、供電部門提供準(zhǔn)確的預(yù)警信息有著十分重要的意義；因此很有必要對不同相態(tài)的冬季降雪天氣進(jìn)行對比分析，以期進(jìn)一步歸納總結(jié)冬季不同相態(tài)的降雪預(yù)報(bào)判別依據(jù)，提高對不同相態(tài)的冬季降雪的區(qū)分能力。

2017年2月，湖北省丹江口市(110.80°～111.56°E,32.24～32.97°N)出現(xiàn)了兩次不同相態(tài)的降雪天氣，分別發(fā)生在6日21時(shí)—7日20時(shí)(北京時(shí)，下同，以下簡稱“02·07過程”)和20日21時(shí)—21日20時(shí)(以下簡稱“02·21過程”)。利用NCEP 1°×1°的6 h FNL資料、常規(guī)天氣資料、十堰多普勒雷達(dá)資料對此兩次天氣過程進(jìn)行對比分析，重點(diǎn)分析這兩次降雪天氣過程的大氣層結(jié)溫度分布差異與形成原因。

1 雪情

“02·07過程”，以純雪為主，總降雪量達(dá)7.7 mm，最大積雪深度1 cm，其中13時(shí)之前為零星小雪,強(qiáng)降雪時(shí)段出現(xiàn)在13—17時(shí)；“02·21過程”，降雪相態(tài)為冰粒、雨夾雪，總降雪量達(dá)到13.6 mm，最大積雪深度2 cm，主要降雪時(shí)段出現(xiàn)在07—13時(shí)，其中07時(shí)30分到12時(shí)以冰粒為主，其余時(shí)段為雨夾雪。

圖1 2017年丹江口市2月兩次降溫雪過程逐小時(shí)降雪量(單位為mm；灰色柱為7日11—20時(shí)，白色柱為21日05—20時(shí))

2 天氣形勢

兩次天氣過程中500 hPa天氣圖(圖略)上亞洲中高緯地區(qū)均呈“兩槽一脊”形勢，兩個(gè)低槽區(qū)分別位于烏拉爾山至里海一帶和鄂霍次克海附近，兩低槽之間為寬廣的高脊區(qū)，鄂霍次克海附近至貝加爾湖以東地區(qū)的橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)地面冷空氣沿華北平原南下影響丹江口，四川盆地有低槽東移。地面圖上影響兩次降雪過程的冷空氣路徑不同?！?2·07過程”為東路冷空氣影響，“02·21過程”首先是東路冷空氣南下影響，隨后有中路冷空氣補(bǔ)充影響；在兩次過程中北方冷高壓中心位于40°N以北，降雪均發(fā)生在冷鋒后。從兩次過程中低層風(fēng)場特征圖(圖略)上可以看出，700 hPa與850 hPa均存在明顯切變，700 hPa風(fēng)場上切變線位于四川東北部到陜西南部一帶，850 hPa切變線較700 hPa切變線偏南約3～4個(gè)緯距。兩次過程中700 hPa均出現(xiàn)了明顯的急流，丹江口市均位于急流左側(cè)，有利于降水天氣發(fā)生，但“02·21過程”急流較“02·07過程”急流位置偏北，急流中心最大風(fēng)速較大。

從以上分析可以看出，兩次降雪過程中均有強(qiáng)冷空氣影響，中低層均存在切變線與急流，不同的是“02·21過程”先后有兩次冷空氣影響，急流較“02·07過程”略偏北，急流中心最大風(fēng)速更大。

3 溫度層結(jié)條件

天氣背景分析表明，兩次降雪過程其本質(zhì)都是大尺度降水過程，均需要水汽的聚集和上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。一些研究表明：降水相態(tài)不同的根本原因在于溫度的垂直分布的差異，不同降水過程溫度垂直廓線的細(xì)微差別最終決定降水物類型[12-13]，漆梁波[14]對冬季降雪溫度層結(jié)按-10 ℃以下、-9～0 ℃、 0 ℃以上分為冰晶層、冷層、暖層，本文參照此方法對兩次天氣過程的溫度層結(jié)進(jìn)行分析。

“02·07過程”中，降雪發(fā)生前(7日08時(shí)，圖2a)(圖2見第25頁)950 hPa以下溫度為1～2 ℃，950～500 hPa溫度為-9～0 ℃，500 hPa以上溫度低于-10 ℃。逆溫層出現(xiàn)在800～700 hPa，厚度為100 hPa，逆溫層底為-4 ℃，層頂為-2 ℃。降雪發(fā)生時(shí)(14時(shí)，圖2b)溫度垂直結(jié)構(gòu)、逆溫層位置與08時(shí)類似。降雪結(jié)束時(shí)(20時(shí)，圖2c),逆溫層消失，400 hPa以下氣溫全部降至0 ℃以下。以上分析表明，當(dāng)降水物為純雪時(shí)，溫度的垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層。

降雪發(fā)生前(7日08時(shí),圖2a)，丹江口上空900～550 hPa為弱的暖平流控制，平均強(qiáng)度為0.8×10-5K/s,最強(qiáng)達(dá)到1.5×10-5K/s，900 hPa以下與550 hPa以上為冷平流控制。14時(shí)(圖2b)隨著中層冷空氣侵入，800 hPa以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，800～650 hPa為弱的暖平流控制，暖平流厚度變薄，強(qiáng)度減弱。20時(shí)(圖2c)降雪結(jié)束時(shí)，400 hPa以下為冷平流控制。由于暖平流強(qiáng)度較弱，厚度淺薄，持續(xù)時(shí)間較短，無法形成暖層，950～800 hPa溫度始終在0 ℃以下，近地層溫度在1 ℃左右，高層的冰晶在降落過程沒有融化，降落到地面為雪。

圖2 2017-02-07沿111°E溫度(等值線，單位為℃)、溫度平流(填色區(qū)，單位為10-5 K/s)、風(fēng)場(風(fēng)矢量場，單位為m/s)垂直分布(a 08時(shí)；b 14時(shí)；c 20時(shí))(文見第24頁)

“02·21過程”中，降水物為冰粒時(shí)，溫度垂直結(jié)構(gòu)有明顯的差別。冰粒發(fā)生前(21日02時(shí),圖3a)950 hPa以下溫度為1～2 ℃；950～800 hPa為冷層，其中最低溫度出現(xiàn)在900 hPa，達(dá)-4.5 ℃；800～650 hPa為暖層，溫度0～1.5 ℃；650～500 hPa為冷層,500 hPa以上為冰晶層。逆溫層出現(xiàn)在850～600 hPa，逆溫厚度250 hPa，逆溫層底溫度為-6 ℃，層頂為-2 ℃。逆溫層中出現(xiàn)了明顯的暖層，位于800～650 hPa，厚度約為150 hPa，溫度廓線3次穿越0 ℃線。冰粒發(fā)生時(shí)(21日08時(shí),圖3b)溫度層結(jié)與02時(shí)類似，溫度廓線2次穿越0 ℃線，只是暖層溫度略有下降，溫度為0～1 ℃。冰粒天氣結(jié)束時(shí)(14時(shí)，圖3c)暖層消失，550 hPa以下全部為冷層。以上分析表明：當(dāng)降水物為冰粒時(shí)，溫度廓線多次穿越0 ℃線，溫度的垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層—暖層—冷層。

冰粒天氣發(fā)生前(21日02時(shí)，圖3a)(圖3見第25頁)丹江口上空900 hPa以下為冷平流控制，850～400 hPa受較強(qiáng)偏南氣流控制，為暖平流區(qū)域，強(qiáng)中心出現(xiàn)在800 hPa，強(qiáng)度為5.4×10-5K/s。從溫度垂直分布圖可以看出，850～700 hPa溫度大于0 ℃，暖層開始形成且持續(xù)，厚度達(dá)到1 500 m。08時(shí)(圖3b)冰粒天氣發(fā)生，850 hPa以上始終為偏南氣流控制，暖平流厚度、暖層區(qū)域較之前沒有明顯變化，近地層始終在-3 ℃以下，形成凍結(jié)層；高層的冰晶在下降過程中先是在暖層區(qū)域內(nèi)融化成水滴，在進(jìn)入冷層后由于溫度低迅速凍結(jié)形成冰粒降落至地面。14時(shí)(圖3c)后暖平流控制區(qū)域變小，厚度變薄，800 hPa以下轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，暖層消失，冰粒天氣結(jié)束。

圖3 2017-02-21沿111°E溫度(等值線，單位為℃)、溫度平流(填色區(qū)，單位為10-5 K/s)、風(fēng)場(風(fēng)矢量場，單位為m/s)垂直分布(a 02時(shí)；b 08時(shí)；c 14時(shí))(文見第24頁)

以上分析表明：冰粒天氣發(fā)生前到發(fā)生時(shí)，850～400 hPa由于長時(shí)間受較強(qiáng)偏南暖濕氣流控制，出現(xiàn)了暖平流深厚、強(qiáng)度偏強(qiáng)且維持時(shí)間較長特點(diǎn)，在850～650 hPa形成暖層，從而出現(xiàn)了與降雪天氣不同的溫度層結(jié)。

4 雷達(dá)垂直風(fēng)廓線

利用VAD(多普勒雷達(dá)風(fēng)場反演)技術(shù)反演的水平風(fēng)垂直廓線也可以很好反映兩次降雪前后大氣風(fēng)場特征，圖4(見第26頁)是兩次降雪天氣過程中最強(qiáng)降雪時(shí)段的風(fēng)廓線圖?！?2·07過程”中，從09時(shí)開始1.2 km高度以下為偏東風(fēng)，1.5～2.1 km始終為偏北風(fēng)控制。12：43偏北風(fēng)擴(kuò)展到2.4 km，2.4 km以下風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，持續(xù)到降雪結(jié)束，2.4 km以上為西南氣流控制。13：50后偏北風(fēng)伸展到2.7 km，低層冷墊厚度達(dá)到最大，4.3～4.6 km西南風(fēng)速超過20 m/s。這種風(fēng)場結(jié)構(gòu)持續(xù)到19時(shí)，西南急流沿低層冷空氣墊爬升。此時(shí)地面持續(xù)4 h降雪，降雪量達(dá)5.1 mm。“02·21過程”中，06—13時(shí)2.7～7.3 km長時(shí)間受較強(qiáng)南風(fēng)到西南風(fēng)控制，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，暖平流深厚且持續(xù)時(shí)間較長，容易形成暖層且長時(shí)間持續(xù)。11：21后2.1 km轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)控制，暖平流減弱，暖層逐漸消失，轉(zhuǎn)為雨夾雪直至降水結(jié)束。

圖4 十堰多普勒雷達(dá)強(qiáng)降雪時(shí)段垂直風(fēng)廓線圖(圖中時(shí)間為世界時(shí)；a 2017-02-07，b 2017-02-21)(文見第24頁)

5 結(jié)論與討論

以丹江口市2017年2月兩次不同形態(tài)的降雪過程為例，利用NCEP 1°×1°的6小時(shí)FNL資料、地面天氣、十堰多普勒雷達(dá)資料，對兩次天氣過程進(jìn)行了分析，兩次過程都有較強(qiáng)冷空氣影響，中低空存在切變線與急流，溫度層結(jié)上均有逆溫層出現(xiàn)，但是兩次過程在溫度層結(jié)上仍有明顯的不同。

(1)雪相態(tài)為純雪時(shí)，溫度的垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層；降雪相態(tài)為冰粒時(shí)，溫度的垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層—暖層—冷層，逆溫層中出現(xiàn)了暖層結(jié)構(gòu)，溫度廓線數(shù)次穿過0 ℃溫度線。

(2)冰粒天氣發(fā)生時(shí)，850～400 hPa由于長時(shí)間受較強(qiáng)偏南暖濕氣流控制，出現(xiàn)了暖平流深厚、強(qiáng)度偏強(qiáng)且維持時(shí)間較長特點(diǎn)，在850～650 hPa形成暖層；純雪天氣則出現(xiàn)了暖平流淺薄、偏弱且持續(xù)時(shí)間較短的特點(diǎn)，未形成暖層。兩次過程中溫度平流的這種分布與850～400 hPa間偏南氣流強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。在實(shí)際預(yù)報(bào)服務(wù)中，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品偏南風(fēng)厚度、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間可進(jìn)行暖層判斷，再結(jié)合近地層溫度層結(jié)變化，對冬季降雪相態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。