2022 年廣西兩次低溫雨雪冰凍過(guò)程分析

李生艷，梁嘉穎，覃皓，董雪晗，黃 晴，劉國(guó)忠

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022）

低溫雨雪冰凍天氣是華南地區(qū)冬季主要災(zāi)害天氣之一，廣西地處南疆，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的低溫雨雪冰凍天氣對(duì)農(nóng)林漁牧業(yè)、水利、電力、交通和民眾生活等造成嚴(yán)重影響［1-2］。近年來(lái)，在氣候變暖背景下，低溫雨雪冰凍天氣時(shí)有發(fā)生，2008、2011、2016 年冬季我國(guó)南方均發(fā)生較嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍天氣，其中2008 年過(guò)程強(qiáng)度、影響范圍、持續(xù)時(shí)間、造成災(zāi)害為歷史罕見(jiàn)。針對(duì)低溫雨雪冰凍過(guò)程，國(guó)內(nèi)學(xué)者從氣候環(huán)流背景、天氣動(dòng)力成因、大氣層結(jié)、環(huán)境場(chǎng)特征及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品性能等方面進(jìn)行大量研究［3-9］。預(yù)報(bào)一線(xiàn)工作者對(duì)廣西低溫雨雪冰凍天氣成因及預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行分析研究［10-14］。李向紅等［15］對(duì)影響廣西兩次低溫災(zāi)害及物理機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析。賴(lài)珍權(quán)等［16］對(duì)2016 年初廣西罕見(jiàn)的一次低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣的成因進(jìn)行診斷分析。目前針對(duì)發(fā)生在同一氣候背景下，廣西長(zhǎng)時(shí)間低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程物理機(jī)制分析的研究少見(jiàn)，有必要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

2022 年1 月28 日至2 月25 日，廣西出現(xiàn)大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水量歷史同期最多，降雪范圍大，是2009 年來(lái)最嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍過(guò)程。期間共出現(xiàn)5 次不同程度的低溫雨雪冰凍過(guò)程，其中1 月28 日—2 月5 日和2 月18—25 日為兩次較長(zhǎng)時(shí)間的低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程，過(guò)程期間出現(xiàn)多種災(zāi)害性天氣，包括強(qiáng)降溫及嚴(yán)重低溫、暴雨、雪、雨夾雪、凍雨、冰粒、冰凍、霜凍及偏北大風(fēng)等。持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣對(duì)全區(qū)農(nóng)林漁牧業(yè)造成嚴(yán)重影響，部分水陸交通管制，電力啟動(dòng)應(yīng)急處置，災(zāi)情嚴(yán)重，據(jù)廣西壯族自治區(qū)應(yīng)急管理廳統(tǒng)計(jì)，直接經(jīng)濟(jì)損失超3.8 億元。本研究應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料和NCEP／NCAR 再分析資料，對(duì)上述兩次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程進(jìn)行分析，探討廣西低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程的降溫機(jī)制及冬季暴雨產(chǎn)生機(jī)制，以期為今后的低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程預(yù)報(bào)提供有益的思路和方法。

1 資料與方法

（1）降雨量和氣溫資料來(lái)自國(guó)家地面氣象觀測(cè)站和廣西區(qū)域氣象觀測(cè)站資料，雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等天氣實(shí)況來(lái)自國(guó)家地面氣象觀測(cè)站，再補(bǔ)充廣西氣象部門(mén)及社會(huì)報(bào)告；利用上述資料對(duì)低溫雨雪冰凍實(shí)況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（2）利用高空、地面常規(guī)觀測(cè)及雷達(dá)資料，通過(guò)天氣診斷方法，分析低溫雨雪冰凍天氣成因。

（3）采用美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心（NCEP／NCAR）逐日再分析資料，分辨率2.5°×2.5°。利用溫度傾向方程對(duì)降溫機(jī)制進(jìn)行診斷:

式中，γd和γ 分別為干空氣和環(huán)境溫度遞減率，cp為定壓比熱容為溫度局地變化項(xiàng)，將后一日與當(dāng)日的溫度做差得到，表征當(dāng)日的溫度局地變化為溫度平流項(xiàng)，反映冷暖空氣水平運(yùn)動(dòng)引起的局地溫度變化；ω（γd-γ）為垂直輸送項(xiàng)，反映由垂直運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的絕熱膨脹冷卻或絕熱壓縮增溫為非絕熱加熱項(xiàng)，包含輻射、湍流交換、水汽相變等過(guò)程，由其他三項(xiàng)倒推得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫雨雪冰凍實(shí)況

1 月28 日—2 月5 日（過(guò)程1，下同），桂北、桂東出現(xiàn)80 站日雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等凝凍天氣（表1），其中30 日08 時(shí)—31 日08 時(shí)雨雪冰凍范圍最大。降雨主要出現(xiàn)在1 月27 日20 時(shí)—2 月3 日20 時(shí)（圖1a），最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在1 月30 日20 時(shí)—31日20 時(shí)（圖1b），桂中、桂南部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨。降溫主要出現(xiàn)在28—29 日，桂西、桂南降溫6～10 ℃，局部12 ℃以上，桂東北降溫2～6 ℃，過(guò)程最低氣溫出現(xiàn)在31 日凌晨，高寒山區(qū)為-6～0 ℃，桂北為1～4 ℃，桂南為5～9 ℃。

圖1 2022 年廣西兩次低溫雨雪冰凍過(guò)程降雨實(shí)況圖

表1 兩次過(guò)程逐日（08 時(shí)—08 時(shí)）凝凍天氣站數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 月18—25 日（過(guò)程2，下同），桂北、桂東出現(xiàn)154 站日雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等凝凍天氣（表1），其中22 日08 時(shí)—23 日08 時(shí)雨雪冰凍范圍最大。降雨主要出現(xiàn)在2 月17 日20 時(shí)—23 日20 時(shí)（圖1c），其中2 月18 日20 時(shí)—19 日20 時(shí)降雨最強(qiáng)（圖1d），桂中、桂南大部出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨。降溫主要出現(xiàn)在18—20 日，桂西、桂南降溫6～12 ℃，局部13 ℃以上，桂東北降溫4～6 ℃。過(guò)程最低氣溫出現(xiàn)在23 日凌晨，高寒山區(qū)-8～-1 ℃，桂北0～4 ℃，桂南4～7 ℃。過(guò)程2 雨雪范圍更廣、強(qiáng)度更強(qiáng)；降溫幅度更大，最低氣溫更低，集中降溫時(shí)段更長(zhǎng)。

2.2 雨雪冰凍及冬季暴雨成因分析

2.2.1 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

1 月27 日—2 月24 日500 hPa 平均高度與距平場(chǎng)上，亞洲中高緯西高東低，冷渦偏南，中高緯的經(jīng)向環(huán)流分布有利于冷空氣連續(xù)不斷補(bǔ)充南下影響華南地區(qū)；同時(shí)，孟加拉灣高度明顯偏低，有利于南支波動(dòng)活躍偏強(qiáng)，西南暖濕氣流持續(xù)向江南、華南輸送，有利廣西降水持續(xù)。850 hPa 南北風(fēng)均偏強(qiáng)，冷暖氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間在廣西交綏。地面冷高壓控制歐亞大陸，冷高中心明顯偏南偏強(qiáng)，準(zhǔn)靜止鋒位于華南沿海，有利于低空暖空氣沿鋒面爬升，形成持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。

在有利的環(huán)流背景下，過(guò)程1 廣西有3 次南支槽配合北支槽東移影響過(guò)程，其中1 月27—29 日為南支深槽緩慢東移（圖2a）；850 hPa 切變線(xiàn)先南移后北抬并再次南壓，伴有偏南急流加強(qiáng)；1 月29 日20 時(shí)850 hPa 鋒區(qū)最強(qiáng)達(dá)16 ℃·（10 緯距）-1，低空急流在31 日20 時(shí)最強(qiáng)達(dá)18 m·s-1，0 ℃線(xiàn)在桂北擺動(dòng)；地面有3 股冷空氣影響廣西（圖略），其中1 月27—29 日冷空氣最強(qiáng)，過(guò)程冷高壓中心4 日08 時(shí)最強(qiáng)達(dá)1 070 hPa，中心位于蒙古國(guó)西北部。

圖2 500 hPa 和850 hPa 天氣系統(tǒng)演變圖

過(guò)程2 廣西有2 次南支槽配合北支深槽東移影響過(guò)程，其中2 月17—19 日蒙古橫槽轉(zhuǎn)豎加深東移（圖2b）；850 hPa 切變線(xiàn)在廣西擺動(dòng)，偏南急流異常加強(qiáng)；2 月19 日08 時(shí)低空急流和鋒區(qū)最強(qiáng)，分別達(dá)14 m·s-1、20 ℃·（10 緯距）-1，0 ℃線(xiàn)在桂中、桂南擺動(dòng)；地面有2 股冷空氣影響廣西（圖略），冷高壓中心2 月18 日08 時(shí)最強(qiáng)達(dá)1 062.5 hPa，中心位于蒙古國(guó)西北部。

兩次過(guò)程相似點(diǎn)是:南支活躍、東移緩慢，急流軸穿過(guò)廣西；切變線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在廣西擺動(dòng)，鋒區(qū)強(qiáng)，切變線(xiàn)南側(cè)偏南急流強(qiáng)，低空急流最強(qiáng)時(shí)段對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段；蒙古冷高不斷分裂冷空氣南下影響廣西，冷高壓中心強(qiáng)。不同點(diǎn)是:過(guò)程1 南支槽深，北支偏北偏弱；低空急流在中后期顯著加強(qiáng)，0 ℃線(xiàn)位置偏北；冷空氣南移速度慢，冷高壓中心強(qiáng)，冷空氣主體偏北。過(guò)程2 南支槽移速偏慢，東亞槽偏強(qiáng)偏南；低空急流前期強(qiáng)，鋒區(qū)強(qiáng)，0 ℃線(xiàn)位置偏南；冷空氣南移速度快，冷空氣主體偏南。

兩次過(guò)程較強(qiáng)降水，高空急流起到重要作用。過(guò)程強(qiáng)降水時(shí)段200 hPa 風(fēng)場(chǎng)上高空西風(fēng)急流顯著增強(qiáng)，廣西處于高空急流南下側(cè)輻散區(qū)，有強(qiáng)的風(fēng)垂直切變和水平切變；高空西風(fēng)急流引起的對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定有利于中尺度上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。過(guò)程2 的風(fēng)水平切變更強(qiáng)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的降水更強(qiáng)，范圍更大。

2.2.2 環(huán)境條件

2.2.2.1 大氣層結(jié)特征

選取兩次過(guò)程桂林、梧州站探空曲線(xiàn)進(jìn)行分析，兩次過(guò)程均有厚的濕層，低層存在逆溫層，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有較強(qiáng)暖平流，桂林探空0.5～2 km 高度存在冷層。二者溫濕層結(jié)存在一些差異，1 月31 日08時(shí)，濕層伸展高度集中在中下層，桂林濕層伸展到6 600 m 高度，500 hPa 溫度達(dá)-14 ℃，冰晶層??；融化層位于2～3 km 高度，厚度約1 km，融化層也薄。2月19 日濕層深厚，桂林濕層伸展到對(duì)流層上層，冰晶含量多；融化層位于2～4 km 高度，厚度2 km，融化層較厚，桂北特殊的溫濕層結(jié)導(dǎo)致降水相態(tài)復(fù)雜。梧州700 hPa 以下的溫度均高于0 ℃，實(shí)況表現(xiàn)為強(qiáng)降雨。

2.2.2.2 水汽條件

兩次過(guò)程廣西濕層較深厚，為雨雪產(chǎn)生提供較好的水汽條件。過(guò)程15 g·kg-1比濕線(xiàn)伸展高度維持在700hPa 附近，低層比濕達(dá)到10 g·kg-1。過(guò)程2 在19—20 日強(qiáng)降雨時(shí)段，5 g·kg-1比濕線(xiàn)伸展到500 hPa 附近，低層桂南比濕達(dá)到13 g·kg-1。比濕變化與降水強(qiáng)度、范圍大小相對(duì)應(yīng)。從水汽通量來(lái)看，兩次過(guò)程水汽輸送來(lái)自于孟加拉灣和南海，過(guò)程2 低層水汽通量中心值始終超過(guò)18 g·cm-1·hPa-1·s-1，來(lái)自孟加拉灣和南海的充足水汽接力輸送，使其降雨強(qiáng)度更強(qiáng)，范圍更廣。

2.2.2.3 動(dòng)力條件

兩次過(guò)程假相當(dāng)位溫在低層存在明顯的等值線(xiàn)密集區(qū)，并隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，說(shuō)明有冷空氣不斷從北邊侵入，冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，地面鋒區(qū)位于21°N 附近，在近地面的鋒區(qū)坡度均明顯增大，有利于鋒區(qū)的加強(qiáng)和冰凍雨雪天氣的發(fā)生。鋒區(qū)之上，低層強(qiáng)暖濕氣流沿鋒面爬升，1 月31 日廣西上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)位于700 hPa，中心達(dá)-1.5 Pa·s-1；2 月19 日廣西上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)位于600 hPa，中心達(dá)-2.4 Pa·s-1，明顯上升運(yùn)動(dòng)區(qū)可伸展到300 hPa，整層上升運(yùn)動(dòng)且更強(qiáng)，這也是后者降雨更強(qiáng)原因之一。

2.2.3 雷達(dá)回波特征

分析兩次過(guò)程主要雨雪時(shí)段雷達(dá)回波可知，1月31 日，廣西有多條平行窄帶回波自西南向東北移動(dòng)，最強(qiáng)達(dá)40 dBZ，最大小時(shí)雨量16 mm，零度層亮帶不明顯。2 月18—20 日，較強(qiáng)回波在廣西維持時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)回波主要位于桂南、桂東。18 日多條平行窄帶回波自西南向東北移動(dòng)，19—20 日為層狀云積云混合降水回波，最強(qiáng)達(dá)50 dBZ，強(qiáng)回波高度在5 km以下，最大小時(shí)雨量32 mm，零度層亮帶特征明顯，零度層高度桂北約3 km，桂南約4.5km。表明冬季強(qiáng)降水發(fā)生在弱條件對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定層結(jié)條件下。過(guò)程2較厚的融化層更有利于暴雨產(chǎn)生。

2.3 降溫機(jī)制分析

由區(qū)域平均各項(xiàng)時(shí)間演變可以看到，過(guò)程1 降溫主要受冷平流和垂直輸送（上升絕熱冷卻，下同）的共同作用。其中，冷平流的影響集中在近地面層925 hPa 以下（圖3b），在850 hPa 以上仍為暖平流（圖3a），表明冷空氣厚度較為淺薄。垂直輸送項(xiàng)則表現(xiàn)為高度越高作用越明顯。整個(gè)過(guò)程非絕熱加熱項(xiàng)均起到增溫的作用，但不足以抵消溫度平流和垂直輸送帶來(lái)的冷卻。后期冷平流和垂直輸送的作用逐漸減弱，溫度回升。

圖3 區(qū)域平均（103～112°E，21～27°N）的各項(xiàng)時(shí)間序列（紫色、藍(lán)色、黃色和紅色線(xiàn)分別為溫度局地變化項(xiàng)、溫度平流項(xiàng)、垂直輸送項(xiàng)和非絕熱加熱項(xiàng)，單位：10－5 K·s－1）

過(guò)程2 降溫同樣是由冷平流和垂直輸送主導(dǎo)，而非絕熱加熱項(xiàng)仍然起到增溫作用。不同的是，此次過(guò)程冷平流的影響可以達(dá)到850 hPa，表明冷空氣更為深厚（圖3c）。垂直輸送項(xiàng)在降溫前期貢獻(xiàn)較大，后期逐漸由上升絕熱冷卻轉(zhuǎn)為下沉絕熱膨脹，促使溫度回升（圖3d）。值得注意的是，溫度平流項(xiàng)和非絕熱加熱項(xiàng)均在19 日達(dá)到極值，此時(shí)為廣西降水最強(qiáng)時(shí)段，達(dá)到暴雨量級(jí)，表明冷空氣活動(dòng)造成降水的作用顯著，伴有明顯的水汽潛熱釋放。

進(jìn)一步選取兩次過(guò)程具有典型特征的時(shí)段進(jìn)行分析，分別選取降溫最強(qiáng)的1 月28 日以及降水最強(qiáng)的2 月19 日。

1 月28 日，溫度局地變化項(xiàng)呈現(xiàn)廣西1 000～700 hPa 均為-7～-3 ℃的降溫。近地面層廣西受偏北風(fēng)控制，為一致的冷平流，而在850～700 hPa 則轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，帶來(lái)暖平流，冷空氣較為淺薄。垂直輸送項(xiàng)上，1 000～700 hPa 廣西均處于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升絕熱膨脹導(dǎo)致冷卻降溫。同時(shí)，隨著高度增高，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，降溫效應(yīng)更為顯著。此外，還可以看到強(qiáng)上升區(qū)位于桂西北，與當(dāng)天較強(qiáng)降水的落區(qū)相對(duì)應(yīng)。非絕熱加熱的作用桂西北強(qiáng)于桂東南，這也與桂西北降水較強(qiáng)密切相關(guān)，降水帶來(lái)更多的潛熱釋放，這一特征在850 hPa 以上的高度更為明顯。

2 月19 日，廣西1 000～700 hPa 為-7～-1 ℃的降溫，此時(shí)1 000～850 hPa 均為冷平流控制，700 hPa 才轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)帶來(lái)的暖平流，冷空氣較1 月的過(guò)程略深厚。冷暖空氣在桂南交匯，造成較強(qiáng)降水，強(qiáng)上升區(qū)位于冷墊之上（850 hPa 以上）桂南一帶，上升絕熱膨脹導(dǎo)致明顯的冷卻降溫。同時(shí)，桂南較強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)更多的潛熱釋放，降水落區(qū)與較強(qiáng)非絕熱加熱區(qū)在中層對(duì)應(yīng)更好，表明中層潛熱加熱作用占非絕熱加熱較大比重，這與水汽相變集中在中層有一定聯(lián)系。

3 結(jié)論和討論

通過(guò)對(duì)2022 年初廣西兩次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下:

（1）亞洲中高緯穩(wěn)定的西高東低異常經(jīng)向環(huán)流和活躍的南支波動(dòng)，使冷暖氣團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間在廣西交綏，造成廣西兩次較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。

（2）過(guò)程2 較比過(guò)程1 雨雪范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)，主要由于過(guò)程2 具有更好的動(dòng)力、水汽條件和冷空氣勢(shì)力偏強(qiáng)。兩次過(guò)程濕層均伸展到500 hPa 以上，存在冰晶層，2～4 km 高度有融化層，0.5～2 km 高度存在冷層，特殊的溫濕層結(jié)導(dǎo)致降水相態(tài)復(fù)雜；冬季強(qiáng)降水發(fā)生在弱條件對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定層結(jié)條件下。

（3）廣西雨雪冰凍及冬季暴雨的成因?yàn)?①500 hPa 北支槽和南支槽同時(shí)活躍，冷暖空氣對(duì)峙明顯，華南形成強(qiáng)鋒區(qū)；②低層切變線(xiàn)在廣西擺動(dòng)，切變線(xiàn)南側(cè)強(qiáng)偏南急流將南海北部和孟加拉灣水汽輸送到廣西上空，切變線(xiàn)南側(cè)、急流前端形成水汽輻合，產(chǎn)生雨雪冰凍天氣；③前期冷空氣影響，低空急流在冷墊上爬升，是高濕低能穩(wěn)定層結(jié)條件下以穩(wěn)定性降水為主的混合降水，局地對(duì)流較強(qiáng)；④200hPa 高空西風(fēng)急流引起的對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定有利于中尺度上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)；⑤強(qiáng)的動(dòng)力、水汽條件和冷空氣配合，產(chǎn)生冬季暴雨。

（4）兩次過(guò)程降溫主要受冷平流和垂直輸送（上升絕熱冷卻）的共同作用，非絕熱加熱項(xiàng)均起到增溫的作用。過(guò)程2 較過(guò)程1 冷平流更為深厚，中層潛熱加熱作用較明顯，與水汽相變有一定聯(lián)系。在業(yè)務(wù)中溫度預(yù)報(bào)既要考慮冷平流和上升絕熱冷卻的降溫作用，也要考慮水汽相變的潛熱加熱作用。

在“拉尼娜”事件氣候背景下，南方易出現(xiàn)嚴(yán)重低溫雨雪過(guò)程，這兩次過(guò)程與此前2008 年、2016 年廣西罕見(jiàn)低溫雨雪天氣相比，大氣環(huán)流、溫濕層結(jié)、降水相態(tài)和強(qiáng)度以及降溫程度均有一定差別，低溫雨雪冰凍形成物理過(guò)程及其預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究。