普洱市冬季低溫冷害天氣過(guò)程研究

王 飛,王曉君,姚自偉,高正南,何泉威

(1.云南省普洱市氣象臺(tái),云南 普洱 665000;2.云南省普洱市人工影響天氣中心,云南 普洱 665000)

0 引言

普洱市位于云南西南部,地處22°02′～24°50′N,99°09′～102°19′E,境內(nèi)群山起伏,山地面積占98.3%;北回歸線橫穿普洱市中部,受地形、海拔影響,垂直氣候特點(diǎn)明顯;影響云南的冷空氣只有強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)才有可能翻越哀牢山脈影響普洱地區(qū)。由于普洱市氣候常年偏暖,種植了面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值均居全國(guó)第一的咖啡等熱帶作物,因而普洱市對(duì)低溫冷害的防御能力顯著偏弱,例如1999年12月23—30日低溫冷害天氣造成普洱市經(jīng)濟(jì)損失達(dá)當(dāng)年GDP的16.29%。因此,開展普洱市低溫冷害天氣的研究,對(duì)于做好氣象防災(zāi)減災(zāi)工作具有十分重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

研究表明[1-2],發(fā)生在我國(guó)的寒潮天氣北方較多,其次是中國(guó)東部的江南地區(qū)。單就南方地區(qū)而言[3-9],冷空氣影響最頻繁的時(shí)段為12月—次年1月,一般沿西路、中路、東路及東路加西路4條路徑南下影響我國(guó)南方地區(qū),而影響地處低緯高原云南的冷空氣在強(qiáng)度和路徑等方面與我國(guó)東部和北部地區(qū)不同。研究發(fā)現(xiàn)[10-12],云南寒潮影響強(qiáng)度及頻次都較全國(guó)大部偏弱、偏少,南下影響云南的冷空氣主要有西北、東北和偏東3條路徑。當(dāng)前已有一些學(xué)者對(duì)云南的低溫冷害天氣進(jìn)行了研究[13-22],結(jié)果表明云南的寒潮天氣主要集中在東部和北部,西南部地區(qū)最少,因此很多有關(guān)低溫冷害天氣的研究也主要針對(duì)云南東部地區(qū)。這些研究對(duì)云南西南地區(qū)的低溫冷害天氣的預(yù)報(bào)有一定的指導(dǎo)意義,但針對(duì)性不夠強(qiáng),缺乏定量化的指標(biāo);同時(shí)云南西南地區(qū)低溫冷害天氣發(fā)生的規(guī)律、形成原因等尚不清晰。因此,有必要進(jìn)一步開展普洱市低溫冷害天氣形成原因的研究,加深對(duì)低溫冷害天氣背景的認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

所用資料為1999—2020年冬季(12月—次年2月)的常規(guī)高空觀測(cè)資料,175個(gè)地面氣溫觀測(cè)站資料,再分析資料(ECMWF提供的空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 h的再分析資料;NCEP/NCAR提供的空間分辨率為2.5°×2.5°,時(shí)間分辨率為1 d的再分析資料),氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)的災(zāi)情信息以及其他補(bǔ)充資料;氣候平均值定義為1981—2010年的平均值。

將達(dá)到以下任意2個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程定義為1次低溫冷害天氣過(guò)程:(1)普洱市受冷空氣影響,全市20%氣象觀測(cè)站出現(xiàn)日最低氣溫≤5 ℃;(2)普洱市任意縣(區(qū))高海拔地區(qū)出現(xiàn)降雪,或者霜凍;(3)低溫天氣造成全市60萬(wàn)元以上的直接經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)共挑選出10次低溫冷害天氣過(guò)程;根據(jù)過(guò)程相伴出現(xiàn)的不同天氣現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間對(duì)其分型;將每種類型的每次過(guò)程開始、最強(qiáng)、結(jié)束對(duì)應(yīng)時(shí)段進(jìn)行合成分析。

2 結(jié)果分析

2.1 普洱市低溫冷害天氣過(guò)程概述

1999—2020年冬季普洱市共出現(xiàn)10次低溫冷害天氣過(guò)程;其中1999年、2013年和2016年的低溫冷害影響最大,經(jīng)濟(jì)損失均超過(guò)50 000萬(wàn)元(表1)。

從1960—2020年冬季普洱市平均氣溫變化可知?dú)鉁啬甏H正距平時(shí)期的1995年(-0.3 ℃)、1996年(-0.01 ℃)、1999年(-0.1 ℃)和2013年(-0.1 ℃)普洱市冬季平均氣溫均偏低(圖1),表明普洱市低溫冷害天氣非常值得研究。

圖1 1960—2020年冬季普洱市10縣(區(qū))平均氣溫距平變化Fig.1 Average temperature anomalies of 10 counties(districts)in Pu'er City in winter from 1960 to 2020

2.2 低溫冷害天氣過(guò)程的分型分析

低溫冷害天氣均與冷空氣活動(dòng)有關(guān),其表現(xiàn)形式有一定的差異,大氣環(huán)流形勢(shì)的變化也有所不同。根據(jù)10次低溫冷害天氣過(guò)程相伴出現(xiàn)的不同天氣現(xiàn)象及其發(fā)展演變特征,將低溫冷害天氣分為3種類型:Ⅰ型以低溫雨雪天氣為主;Ⅱ型過(guò)程開始至最強(qiáng)階段以低溫雨雪天氣為主,最強(qiáng)至趨于結(jié)束階段出現(xiàn)霜凍災(zāi)害;Ⅲ型以低溫霜凍災(zāi)害為主。

2.2.1 Ⅰ型低溫冷害天氣過(guò)程分析 10次低溫冷害天氣過(guò)程中有2次屬于Ⅰ型,過(guò)程受南支槽和冷空氣共同影響,以低溫雨雪天氣為主,850 hPa上溫度低于8 ℃和4 ℃的區(qū)域分別控制普洱市2～3 d和1～2 d(表2)。

表2 Ⅰ型低溫冷害天氣過(guò)程影響系統(tǒng)、低溫變化以及天氣現(xiàn)象Tab.2 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅰ cold weather cases

圖2給出了Ⅰ型低溫冷害天氣高低層大氣環(huán)流分布。過(guò)程開始時(shí),500 hPa高空?qǐng)D上歐亞中高緯度為一槽一脊模態(tài),歐洲東部至亞洲為強(qiáng)盛的高壓脊區(qū),東亞大槽以橫槽呈現(xiàn),850 hPa上東北風(fēng)已開始影響云南地區(qū)并進(jìn)入普洱市東部;海平面氣壓場(chǎng)上云南地區(qū)形成東高西低、北高南低的形勢(shì),且東部為大范圍的正變壓,這有利于冷空氣進(jìn)入普洱地區(qū);此時(shí)850 hPa上8 ℃等溫線位于普洱地區(qū)東部(圖2a～2c)。過(guò)程最強(qiáng)階段,強(qiáng)盛的高壓脊區(qū)減弱位置偏西,東亞大槽轉(zhuǎn)豎入海,東亞地區(qū)形成階梯槽,850 hPa上東北風(fēng)加強(qiáng)影響普洱地區(qū)并延伸到中南半島北部,云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低、東高西低形勢(shì)更為明顯,且東部更為明顯的大范圍正變壓出現(xiàn)變壓中心,普洱地區(qū)處于正變壓區(qū),說(shuō)明冷空氣已大舉南下并有后續(xù)冷空氣的補(bǔ)充;同時(shí)孟加拉灣南支槽加深,將水汽輸送至云南;此時(shí)850 hPa上8 ℃等溫線控制云南大部地區(qū),普洱市位于0～4 ℃等溫線之間,較強(qiáng)的低溫雨雪天氣過(guò)程開始形成(圖2d～2f)。過(guò)程趨于結(jié)束階段,強(qiáng)盛的高壓脊區(qū)位于歐洲東部至亞洲西部,東亞階梯槽消散;普洱地區(qū)低空由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)控制,云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低、東高西低的形勢(shì)減弱,且包括普洱的大部地區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)變壓區(qū),南支槽加強(qiáng)且位置偏南;這說(shuō)明后期冷空氣補(bǔ)充減弱,來(lái)自熱帶地區(qū)的水汽輸送逐漸增強(qiáng)(圖2g～2i)。

值得關(guān)注的是,普洱地區(qū)上空850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng),同時(shí)溫度<8 ℃時(shí),全市現(xiàn)有氣溫監(jiān)測(cè)站中22%～86%的站點(diǎn)日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),表明當(dāng)對(duì)流層低層有持續(xù)東北風(fēng)、溫度<8 ℃時(shí),普洱市出現(xiàn)低溫冷害天氣的可能性較大。

圖3給出了普洱區(qū)域(22°～25°N,99°～102.5°E)Ⅰ型低溫冷害天氣過(guò)程相對(duì)濕度和垂直速度高度剖面,可看出850～600 hPa相對(duì)濕度較大且垂直變化較小,過(guò)程開始到最強(qiáng)階段整層大氣以上升運(yùn)動(dòng)為主,對(duì)低溫雨雪天氣的出現(xiàn)較為有利;過(guò)程趨于結(jié)束階段上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱,但濕度較大使得天空狀況較差,夜間輻射降溫不明顯,不利于霜凍的形成。

圖3 普洱區(qū)域Ⅰ型低溫冷害天氣過(guò)程相對(duì)濕度(單位:%)和垂直速度(單位:Pa·s-1)高度剖面合成圖Fig.3 Synthetic diagram of the relative humidity(unit:%) and vertical velocity (unit: Pa·s-1) height profile in Pu'er area during type I cold weather cases

基于以上分析,Ⅰ型低溫冷害天氣過(guò)程開始至最強(qiáng)階段受南支槽和冷空氣配合影響,抬升條件和水汽條件較好有利于低溫雨雪天氣的出現(xiàn);趨于結(jié)束階段冷空氣補(bǔ)充減弱,南支槽有所加強(qiáng)位置偏南,西南氣流水汽輸送使得天空狀況較差,夜間輻射降溫不明顯,不利于低溫霜凍天氣出現(xiàn)。

2.2.2 Ⅱ型低溫冷害天氣過(guò)程分析 4次Ⅱ型低溫冷害天氣過(guò)程同樣受南支槽和冷空氣共同影響,過(guò)程開始至最強(qiáng)階段出現(xiàn)低溫雨雪,最強(qiáng)至趨于結(jié)束階段出現(xiàn)霜凍,850 hPa溫度<8 ℃和<4 ℃的區(qū)域分別控制普洱市3～6 d和0～3 d(表3)。

表3 Ⅱ型低溫冷害天氣過(guò)程影響系統(tǒng)、低溫變化以及天氣現(xiàn)象Tab.3 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅱ cold weather cases

圖4給出了Ⅱ型低溫冷害天氣高低層大氣環(huán)流分布。過(guò)程開始時(shí),500 hPa高空?qǐng)D上歐亞中高緯度為兩槽一脊模態(tài),歐洲東部至亞洲為強(qiáng)盛的高壓脊區(qū),與Ⅰ型不同的是東亞大槽偏淺,云南地區(qū)受南支槽前西南氣流影響,850 hPa東北風(fēng)建立并影響云南東部;海平面氣壓場(chǎng)上云南地區(qū)北高南低的形勢(shì)較為明顯,北部為較明顯的正變壓,同樣有利于冷空氣進(jìn)入云南并進(jìn)一步影響普洱地區(qū);此時(shí)850 hPa上8 ℃等溫線位于普洱地區(qū)東部(圖4a～4c)。

過(guò)程最強(qiáng)階段,強(qiáng)盛的高壓脊區(qū)緩慢東移,東亞地區(qū)未出現(xiàn)階梯槽,云南地區(qū)處于南支槽后西北氣流中,850 hPa東北風(fēng)加強(qiáng)影響普洱地區(qū)并延伸到中南半島北部;云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低的形勢(shì)維持,中部以西以南包括普洱地區(qū)為較大范圍的正變壓,說(shuō)明此階段受冷空氣影響,且處于下沉區(qū);此時(shí)850 hPa上8 ℃等溫線控制普洱地區(qū),南支槽移速快,南支槽影響時(shí)段形成較強(qiáng)的低溫雨雪,南支槽過(guò)境后,夜間容易產(chǎn)生較強(qiáng)的晴空輻射,形成霜凍天氣(圖4d～4f)。

過(guò)程趨于結(jié)束階段,強(qiáng)盛的高壓脊區(qū)繼續(xù)緩慢東移,云南地區(qū)轉(zhuǎn)為較平直西風(fēng)控制,普洱地區(qū)850 hPa西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低的形勢(shì)減弱且包括普洱的大部地區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)變壓區(qū),說(shuō)明此時(shí)冷空氣和下沉氣流均明顯減弱,霜凍天氣減弱趨于結(jié)束(圖4j～4i)。

值得注意的是,普洱地區(qū)上空850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng),同時(shí)溫度<8 ℃時(shí),普洱市現(xiàn)有氣溫監(jiān)測(cè)站中76%～99%的站點(diǎn)日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),同樣表明當(dāng)對(duì)流層低層850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng)、溫度<8 ℃時(shí),普洱市出現(xiàn)低溫冷害天氣的可能性較大。

圖5給出了普洱區(qū)域(22～25°N,99～102.5°E)Ⅱ型低溫冷害天氣過(guò)程相對(duì)濕度和垂直速度高度剖面?？煽闯鲞^(guò)程開始到最強(qiáng)階段,850～700 hPa相對(duì)濕度較大且垂直變化較小,整層大氣以上升運(yùn)動(dòng)為主,對(duì)出現(xiàn)低溫雨雪天氣較為有利;過(guò)程最強(qiáng)階段到趨于結(jié)束階段相對(duì)濕度明顯下降,整層大氣由上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng),使得天空迅速轉(zhuǎn)晴,夜間輻射降溫明顯,非常利于霜凍的形成;過(guò)程結(jié)束時(shí),中高層轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng),且濕度增大。

基于以上分析,Ⅱ型低溫冷害天氣過(guò)程開始至最強(qiáng)階段受南支槽和冷空氣配合影響,抬升條件和水汽條件較好有利于低溫雨雪天氣的出現(xiàn);最強(qiáng)階段到趨于結(jié)束階段南支槽快速出境,受冷空氣和槽后下沉氣流影響,夜間輻射降溫明顯,利于霜凍天氣出現(xiàn)。

2.2.3 Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程分析 10次低溫冷害天氣過(guò)程中有4次過(guò)程屬于Ⅲ型,此類過(guò)程受冷空氣影響,無(wú)南支槽配合,以霜凍天氣為主,850 hPa溫度<8 ℃區(qū)域控制普洱市2～7 d,溫度<4 ℃區(qū)域控制普洱市0～3 d(表4)。

表4 Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程影響系統(tǒng)、低溫變化以及天氣現(xiàn)象Tab.4 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅲ cold weather cases

圖6給出了Ⅲ型低溫冷害天氣高低層大氣環(huán)流分布。過(guò)程開始時(shí),500 hPa高空?qǐng)D上歐亞中高緯度表現(xiàn)為兩槽一脊模態(tài),歐洲東部至亞洲西部為較強(qiáng)盛的高壓脊區(qū),云南地區(qū)為脊前西北氣流控制,850 hPa東北風(fēng)建立影響普洱地區(qū),并延伸到中南半島北部;云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低、東高西低的形勢(shì)較為明顯,且包括普洱的大部地區(qū)處于正變壓區(qū);此時(shí)850 hPa上8 ℃等溫線已控制普洱東部地區(qū)(圖6a～6c)。

圖6 同圖2,但為Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程高低層大氣環(huán)流分布Fig.6 Same as fig.2, but for the Distribution of atmospheric circulation in upper and lower layers of type Ⅲ cold weather cases

過(guò)程最強(qiáng)階段,高壓脊東移,云南地區(qū)仍處于脊前西北氣流中,普洱地區(qū)850 hPa東北風(fēng)持續(xù);云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低、東高西低的形勢(shì)維持,正變壓減弱范圍減小,說(shuō)明此時(shí)段冷空氣持續(xù)影響但脊前下沉氣流有所減弱;850 hPa上8 ℃等溫線仍控制普洱地區(qū)(圖6d～6f)。

過(guò)程趨于結(jié)束階段,整個(gè)中高緯度地區(qū)轉(zhuǎn)為較平直西風(fēng)氣流,對(duì)應(yīng)云南地區(qū)轉(zhuǎn)為平直西風(fēng)控制;普洱地區(qū)850 hPa東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),云南地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)上北高南低、東高西低的形勢(shì)減弱,且包括普洱的大部地區(qū)處于負(fù)變壓區(qū);850 hPa上氣溫升到8 ℃以上,霜凍天氣結(jié)束(圖6g～6i)。

與Ⅰ型和Ⅱ型一樣,普洱地區(qū)上空850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng)并且溫度<8 ℃時(shí),全市現(xiàn)有氣溫監(jiān)測(cè)站中20%～100%的站點(diǎn)日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),這一致表明當(dāng)對(duì)流層低層出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng)并且溫度<8 ℃時(shí),普洱市出現(xiàn)低溫冷害天氣的可能性較大。因此上述風(fēng)場(chǎng)特征和溫度閾值可以作為普洱市低溫冷害天氣出現(xiàn)的重要指標(biāo)。

圖7給出了普洱區(qū)域(22°～25°N,99°～102.5°E)Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程相對(duì)濕度和垂直速度高度剖面?？煽闯稣麄€(gè)過(guò)程相對(duì)濕度均較小,整層大氣以下沉運(yùn)動(dòng)為主,有利于晴空持續(xù)及較強(qiáng)的夜間晴空輻射,導(dǎo)致霜凍天氣過(guò)程出現(xiàn)。

圖7 同圖3,但為Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程相對(duì)濕度和垂直速度Fig.7 Same as fig.3, but for the relative humidity and vertical velocity of type Ⅲ cold weather cases

基于以上分析,Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程主要是由于冷空氣影響所致,無(wú)南支槽配合,較差的水汽條件加之脊前西北氣流下沉引起了較強(qiáng)的夜間晴空輻射,導(dǎo)致出現(xiàn)霜凍天氣過(guò)程。

綜上,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型低溫冷害天氣過(guò)程的高低層環(huán)流變化有明顯差異,其中最重要的是冷空氣和南支槽的配置及其變化。冷空氣影響是3類低溫冷害天氣過(guò)程的共同特征,但環(huán)流變化的表現(xiàn)形式卻有所不同:Ⅰ型過(guò)程歐亞中高緯度為一槽一脊模態(tài),高壓脊區(qū)強(qiáng)盛,東亞地區(qū)形成階梯槽,過(guò)程中不斷有冷空氣補(bǔ)充南下;Ⅱ型過(guò)程歐亞中高緯度為兩槽一脊模態(tài),高壓脊區(qū)強(qiáng)盛利于強(qiáng)冷空氣南下,東亞未形成階梯槽補(bǔ)充冷空氣,利于南支槽東移轉(zhuǎn)為西北氣流控制;Ⅲ型過(guò)程中高緯度表現(xiàn)為兩槽一脊模態(tài),高壓脊較強(qiáng)利于脊前西北氣流下沉影響。南支槽的配合與否是普洱市不同類型低溫冷害天氣產(chǎn)生的關(guān)鍵,Ⅰ型過(guò)程南支槽穩(wěn)定維持,槽前西南氣流水汽輸送加上穩(wěn)定南下冷空氣的配合影響,導(dǎo)致低溫雨雪天氣的形成;Ⅱ型過(guò)程南支槽為東移型,過(guò)程開始至最強(qiáng)階段南支槽配合冷空氣造成低溫雨雪天氣,過(guò)程最強(qiáng)至趨于結(jié)束階段南支槽東移,槽后較強(qiáng)的西北下沉氣流配合冷空氣影響,導(dǎo)致霜凍的出現(xiàn);Ⅲ型過(guò)程冷空氣影響,受脊前的西北氣流控制,天空轉(zhuǎn)晴,利于霜凍出現(xiàn)。此外,普洱市上空850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng)、溫度<8 ℃,可以作為低溫冷害,包括低溫雨雪或低溫霜凍產(chǎn)生的重要指標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)低溫冷害天氣過(guò)程相伴出現(xiàn)的不同天氣現(xiàn)象,普洱市的低溫冷害天氣過(guò)程可以分為3類:低溫雨雪型(Ⅰ型)、低溫雨雪和低溫霜凍型(Ⅱ型)、低溫霜凍型(Ⅲ型)。

(2)不同類型低溫冷害天氣過(guò)程對(duì)應(yīng)的高低層大氣環(huán)流配置不同。Ⅰ型發(fā)生時(shí)500 hPa上歐亞中高緯度表現(xiàn)為一槽一脊模態(tài),東亞大槽由橫轉(zhuǎn)豎形成階梯槽,伴有南支槽配合影響,環(huán)流穩(wěn)定;Ⅱ型出現(xiàn)時(shí)歐亞中低緯度500 hPa形勢(shì)表現(xiàn)為兩槽一脊模態(tài),東亞大槽偏淺,南支槽為快速東移型;Ⅲ型中高緯度500 hPa形勢(shì)表現(xiàn)為兩槽一脊模態(tài),高壓脊較強(qiáng)利于脊前西北氣流下沉,無(wú)南支槽配合。

(3)普洱市上空850 hPa出現(xiàn)持續(xù)東北風(fēng)、溫度<8 ℃,可以作為低溫冷害,包括低溫雨雪或低溫霜凍產(chǎn)生的重要指標(biāo)。