懷化市一次大范圍暴雪天氣成因分析*

彭艷青，張 昆，王起喚，陳紅專

(湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000)

0 引言

暴雪和凍雨是湖南冬季的兩種主要災(zāi)害性天氣。過去已有學(xué)者[1-10]從不同角度對(duì)我國南方的雨雪冰凍天氣過程進(jìn)行了大量分析，其中姚蓉等[1]使用WRF模式對(duì)2011年1月17日至20日湖南一次大范圍暴雪過程的云微物理特征及降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)冰雪粒子大值中心及強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)降雪帶位置有較好的指示作用；陳紅專等[2]指出700 hPa西南急流的建立和加強(qiáng)為暴雪區(qū)帶來源源不斷的水汽供應(yīng)和不穩(wěn)定能量，持續(xù)而強(qiáng)盛的水汽輸送和水汽輻合對(duì)暴雪維持和加強(qiáng)至關(guān)重要，而高空急流和鋒面的耦合加強(qiáng)了湖南區(qū)域的上升運(yùn)動(dòng)，是暴雪天氣持續(xù)的主要原因；徐雙柱等[3]采取物理參數(shù)指標(biāo)結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)建立了湖北省大雪客觀預(yù)報(bào)方法，在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中運(yùn)行效果較好；姚蓉等[4]分析研究了湖南省降水相態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度層結(jié)閾值：當(dāng)850～700 hPa有明顯逆溫、700 hPa溫度高于0 ℃、850 hPa和925 hPa溫度低于-4 ℃、地面溫度低于0 ℃時(shí)，容易出現(xiàn)凍雨；當(dāng)?shù)孛鏈囟葹? ℃左右、地面以上層次溫度低于0 ℃時(shí)，容易出現(xiàn)降雪；唐群等[5]指出降水相態(tài)的變化與溫度層結(jié)特征及氣層厚度密切相關(guān)，有冷式逆溫和700 hPa與850 hPa高度差小于155 dagpm的氣層更有利于純雪的出現(xiàn)。但近些年針對(duì)南方地區(qū)雨雪冰凍過程多以研究降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制為主，對(duì)暴雪尤其是大范圍暴雪的成因研究相對(duì)較少。

懷化市位于湖南西部，由于其特殊的地理位置和地形條件，冬季北方的冷空氣在南下過程中逐漸變性，勢(shì)力也逐漸減弱，因此冬季出現(xiàn)暴雪天氣尤其是大范圍暴雪天氣的概率極小。2018年12月29日至30日，懷化市出現(xiàn)了一次全市性的暴雪天氣過程，這種大范圍的暴雪天氣過程在懷化地區(qū)較為罕見。因此對(duì)此次暴雪天氣過程的成因分析和經(jīng)驗(yàn)積累是非常有必要的。本文利用常規(guī)觀測資料及NCEP再分析資料著重對(duì)懷化地區(qū)的大范圍暴雪過程成因進(jìn)行分析，以期為降雪預(yù)報(bào)提供有益參考，提高對(duì)暴雪的預(yù)報(bào)能力。

1 過程實(shí)況

2018年12月29日至30日，受高空南支槽、中低層強(qiáng)盛的西南暖濕氣流以及地面冷空氣共同影響，懷化自北向南出現(xiàn)了一次全市性暴雪天氣過程。此次過程降雪強(qiáng)度大、積雪范圍廣、致災(zāi)性強(qiáng)。

在過程前期，27日白天起，受地面冷空氣不斷補(bǔ)充南下影響，氣溫逐漸下降，到27日晚上，北部的沅陵站氣溫降至2 ℃左右，并開始出現(xiàn)雨夾雪；至28日夜間，全市地面氣溫已降至0 ℃以下，48小時(shí)降溫幅度在5～7 ℃左右，沅陵站由雨夾雪轉(zhuǎn)為小雪天氣，其他縣市區(qū)由降雨轉(zhuǎn)為雨夾雪和凍雨天氣；29日白天，全市以小雪為主；29日夜間到30日白天，全市地面及以上各層溫度均降至0 ℃以下，伴隨著高空槽的東移和中低層西南急流的加強(qiáng)，全市自北向南出現(xiàn)暴雪；30日晚上，降雪基本停止。整個(gè)過程期間，降雪主要集中在29日晚上至30日白天，全市所有國家站降雪量都達(dá)到暴雪標(biāo)準(zhǔn)，最大積雪深度達(dá)16 cm，出現(xiàn)在溆浦站。

圖1 懷化市2018年12月29日20時(shí)至2018年12月30日20時(shí)積雪深度(單位：cm)Fig.1 The snow depth in Huaihua from 20∶00 BT 29 to 20∶00 BT 30 December 2018

2 層結(jié)條件分析

降水相態(tài)的變化與對(duì)流層中低層的溫度層結(jié)密切相關(guān)，從懷化探空站各層溫度的變化看(圖2(a))，過程開始前26日至27日，懷化站850 hPa和700 hPa溫度在0 ℃附近，500 hPa溫度不低于-10 ℃。27日20時(shí)后，各層溫度開始持續(xù)下降，尤其是850 hPa和500 hPa，29日兩層的溫度分別降至-9 ℃和-14 ℃，而700 hPa溫度在0 ℃附近振蕩，29日晚上至30日白天的暴雪時(shí)段，700 hPa溫度降至-3 ℃。同時(shí)段的地面溫度和氣壓場上(圖2(b))，受冷空氣影響，地面溫度呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，30日08時(shí)降至最低的-3.4 ℃，而地面氣壓持續(xù)上升，28日地面氣壓升至1030 hPa以上，達(dá)到懷化地區(qū)降雪的閾值標(biāo)準(zhǔn)，在暴雪時(shí)段，地面氣壓在1040 hPa以上。

圖2 懷化探空站高空溫度(a，單位：℃)，地面氣溫和氣壓(b，單位：hPa)的時(shí)間序列圖Fig.2 Sequence diagram of upper air temperature(a)，surface air temperature and surface pressure(b)at Huaihua Radiosonde Station

3 環(huán)流背景分析

分析暴雪過程前期及期間(2018年12月25日至31日)500 hPa平均位勢(shì)高度場(圖3)可知，亞歐大陸中高緯地區(qū)為明顯的“Ω”流型，烏拉爾山以東到貝加爾湖地區(qū)為東北—西南向的長波脊，亞洲東部為一橫槽，脊前的偏北氣流不斷引導(dǎo)冷空氣在貝加爾湖附近的橫槽內(nèi)聚集，匯成一股極寒冷的冷空氣，26日晚上起，橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣大舉南下；在中低緯地區(qū)，有南支槽東傳，南支槽前來自印度洋及孟加拉灣的暖濕氣流與北方冷空氣在長江流域不斷交匯。700 hPa上，過程開始前的25日，西南急流已經(jīng)建立，急流軸穩(wěn)定維持在貴州到湖南中部及江西北部一帶；到29日20時(shí)，急流有所加強(qiáng)，懷化站風(fēng)速達(dá)20 m·s-1，有利于水汽向懷化地區(qū)的輸送及輻合，使得降雪增強(qiáng)；30日08時(shí)，急流軸有所南壓，懷化地區(qū)急流減弱，降雪減弱。850 hPa及以下為偏北風(fēng)，形成冷墊，利于暖濕氣流沿冷墊輻合抬升，水汽在中高層積累和凝結(jié)從而觸發(fā)降雪；海平面氣壓場上(圖略)，25日20時(shí)，新西伯利亞由一中心為1060 hPa的冷高壓控制，冷鋒位于我國東北地區(qū)；到27日14時(shí)，冷高壓中心強(qiáng)度增至1077.5 hPa，懷化處在該強(qiáng)冷高壓底部，地面鋒區(qū)南壓至華南地區(qū)，之后穩(wěn)定少動(dòng)形成華南準(zhǔn)靜止鋒，在蒙古冷高壓前的黃淮一帶有明顯的副冷鋒。過程期間，冷高壓中心并未明顯南下，冷空氣以補(bǔ)充南下方式影響江南、華南等地，有利于華南準(zhǔn)靜止鋒的維持，使得靜止鋒后的懷化地區(qū)形成持續(xù)性低溫雨雪天氣。

圖3 2018年12月25日至31日平均500hPa位勢(shì)高度場(單位：dagpm)Fig.3 500hPa mean height field from 25 to 31 December 2018

4 物理量分析

4.1 水汽條件分析

西南急流的建立和加強(qiáng)為暴雪區(qū)帶來源源不斷的水汽供應(yīng)，過程開始前700 hPa低空急流已經(jīng)建立，急流軸在前期穩(wěn)定維持在27°N附近，29日西南低空急流進(jìn)一步加強(qiáng)，西南氣流風(fēng)速在16 m·s-1以上，懷化探空站29日20時(shí)700 hPa西南風(fēng)速達(dá)20 m·s-1，與暴雪的出現(xiàn)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)，30日08時(shí)，低空急流強(qiáng)度維持，但急流軸緩慢南移，暴雪也主要位于懷化南部，30日20時(shí)后低空急流明顯減弱，降雪過程結(jié)束。分析過程期間水汽通量沿110°E(懷化位于110°E，27°N附近)的時(shí)間經(jīng)向剖面可知(圖4(a))，過程期間700 hPa有較強(qiáng)的水汽通量輸送，尤其是29日至30日的強(qiáng)水汽通量中心影響范圍最大，水汽輸送強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，輸送中心值高達(dá)10 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，而且水汽通量加強(qiáng)和南移的變化趨勢(shì)與低空急流的變化一致，說明水汽通量輸送的加強(qiáng)與該期間西南急流加強(qiáng)密切相關(guān)。從區(qū)域(26°～29°N、109°～111°E)平均水汽通量的時(shí)間演變看(圖略)，過程期間懷化市維持較強(qiáng)的水汽通量輸送，且水汽的輸送中心主要位于700 hPa，尤其是29日開始，水汽通量明顯加強(qiáng)，強(qiáng)水汽輸送區(qū)向上發(fā)展，集中在700～500 hPa層，中心值超過9 g·cm-1·hPa-1·s-1，這一時(shí)段剛好對(duì)應(yīng)700 hPa西南急流的明顯加強(qiáng)，湖南區(qū)域出現(xiàn)20 m·s-1的西南急流。從平均水汽通量散度的時(shí)間演變(圖4(b))也可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)輻合中心位于800～700 hPa，在降雪最強(qiáng)的29日晚上，水汽輻合最明顯。

圖4 水汽通量(a，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)沿110°E的時(shí)間-經(jīng)向剖面圖，區(qū)域(109°～111°E，26°～29°N)平均的水汽通量散度(b，單位：10-7·g·cm-2·hPa-1·s-1)的時(shí)間-高度剖面圖Fig.4 The time-meridional section of water vapor flux(a)along110°E，and the time-altitude section of regional(109°～111°E，26°～29°N)average water vapor flux divergence(b)

4.2 動(dòng)力條件分析

4.2.1 500 hPa正渦度東傳有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展與維持

此次暴雪的發(fā)生與500 hPa南支槽穩(wěn)定維持和緩慢移動(dòng)密切相關(guān)。27日南支槽已建立，但位置偏西，我國南方地區(qū)500 hPa主要受平直西風(fēng)氣流影響；由于南支槽移動(dòng)緩慢，直到29日，南支槽才移到孟加拉灣東部，懷化市開始受槽前西南氣流控制；29日20時(shí)(圖5(a))，南支槽加深并緩慢東移；30日08時(shí)南支槽與北支槽合并，30日20時(shí)后北支槽東移，暴雪過程結(jié)束。從圖5(b)可看出，暴雪期間青藏高原有一次明顯的正渦度向東傳播至我國東部地區(qū)的過程，正渦度的東傳有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的維持和加強(qiáng)。可見南支槽維持、東移和加深導(dǎo)致大尺度強(qiáng)迫，有利于大范圍垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展與維持，是暴雪所需上升運(yùn)動(dòng)的主要來源之一。

圖5 12月29日20時(shí)500hPa高度場(a，單位：dagpm)以及區(qū)域(25°～30°N)平均的500 hPa渦度時(shí)間-緯向剖面圖(b，單位： 10-5 s-1)Fig.5 500hPa height field(a)at 20∶00 BT 29 December 2018，and time-zonal section of regional(25°～30°N)average500hPa vorticity(b)

4.2.2 準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定維持有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展

強(qiáng)冷空氣南下不但為此次暴雪過程提供了冷空氣條件，而且冷暖氣流輻合有利于鋒生，暖濕氣流沿鋒面抬升，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，因而水汽在中高層積累和凝結(jié)從而有利于降雪的發(fā)生。從圖6可看出，27日冷空氣已影響到懷化(黑色直線標(biāo)注區(qū)域)，冷鋒位于華南地區(qū)，之后穩(wěn)定少動(dòng)，形成準(zhǔn)靜止鋒并一直維持在華南地區(qū)；從垂直速度場可以看出，上升運(yùn)動(dòng)位于鋒面之上，沿鋒面向上傾斜，尤其是29日20時(shí)之后，垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng)，30日08時(shí)暴雪區(qū)上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)，導(dǎo)致懷化全市出現(xiàn)暴雪。

圖6 假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)和垂直速度(色斑，單位：Pa·s-1)沿110°E的垂直剖面圖，a：27日08時(shí)，b：30日08時(shí)Fig.6 Vertical section of pseudo-equivalent potentialtemperature (contour line)and vertical velocity(coloring)along 110°E(a：08∶00 BT 27 December 2018，b：08∶00 BT 30 December 2018)

4.2.3 高空急流促進(jìn)并加強(qiáng)了輻合上升運(yùn)動(dòng)

雨雪過程中，高空200 hPa急流附近的輻散區(qū)能給暴雪區(qū)提供較好的上升動(dòng)力條件。在暴雪前期，27日至28日，200 hPa急流核呈東西向，位置偏北，位于35°～40°N(圖略)，而到了29日，急流核入口端逐漸轉(zhuǎn)為東北—西南向，同時(shí)急流核也在增強(qiáng)，至29日20時(shí)(圖7(a))，急流核中心風(fēng)速值增至110 m·s-1，隨著急流入口端的南移，懷化地區(qū)正好位于高空急流入口處右側(cè)，此處的輻散和低層鋒面的強(qiáng)迫抬升作用，促進(jìn)并加強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng)，使得700 hPa充沛的水汽得到源源不斷的輻合上升，急流入口位置在此維持至30日20時(shí)(圖7(b))，恰好對(duì)應(yīng)了產(chǎn)生暴雪的集中時(shí)段。

圖7 200 hPa全風(fēng)速(色斑及等值線，單位：m·s-1，a：29日20時(shí)，b：30日20時(shí))Fig.7 200 hPa wind speed(a：20∶00 BT 29 December 2018，b：20∶00 BT 30 December 2018)

5 結(jié)論

總體來說，此次過程是由500 hPa南支槽、700 hPa西南急流、以及地面強(qiáng)冷空氣共同影響造成的，低層850 hPa及以下至地面的冷墊使得700 hPa充沛的水汽在中高層積累和凝結(jié)從而觸發(fā)此次暴雪過程。700 hPa西南低空急流的維持和加強(qiáng)為暴雪過程提供充沛的水汽條件；500 hPa南支槽維持、東移和加深導(dǎo)致的大尺度強(qiáng)迫，是暴雪所需上升運(yùn)動(dòng)的主要來源之一；強(qiáng)冷空氣南下不但為此次暴雪過程提供了冷墊條件，而且冷暖氣流輻合有利于鋒生，暖濕氣流沿鋒面抬升，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展；高空輻散的強(qiáng)迫抬升作用，促進(jìn)并加強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng)，使得700 hPa充沛的水汽得到源源不斷的輻合上升，對(duì)暴雪有增幅作用。

此次暴雪過程中懷化站850 hPa、700 hPa和500 hPa分別降至-9 ℃、-3 ℃和-14 ℃，地面氣壓升至1040 hPa以上，為今后暴雪預(yù)報(bào)提供了較好的參考指標(biāo)。