銅仁市暴雪天氣的環(huán)流配置及物理量特征分析

楊 群,李習(xí)瑾,胡 萍,張李娟,徐大紅

(貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300)

0 引言

暴雪是冬半年主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,對(duì)交通、電力和通訊造成很大的影響,尤其對(duì)交通運(yùn)輸影響大。對(duì)于暴雪的研究,多年來(lái)有許多成果,如周淑玲等[1]指出暴雪日水汽較非暴雪日充沛,垂直上升運(yùn)動(dòng)和低層散度輻合與強(qiáng)降雪相對(duì)應(yīng)。張俊蘭等[2]也分析得出較好的水汽、動(dòng)力條件是形成極端暴雪的重要成因,水汽在700 hPa以下輻合和聚集,形成中低層輻合、高層輻散的空間配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持,形成暴雪。黃曉璐等[3]分析內(nèi)蒙古一次暴雪天氣過(guò)程,指出在低層?xùn)|北急流形成的“冷墊”會(huì)迫使暖濕空氣沿冷墊抬升,干冷空氣向中低層暖濕氣流下方入侵,與中高層的西南急流形成深厚的鋒生區(qū)和鋒面次級(jí)環(huán)流,二者的正反饋?zhàn)饔脼楸┭┨峁┰龇饔?。暴雪區(qū)位于比濕、水汽通量和水汽通量散度輻合的大值區(qū)。劉紅武等[4]分析發(fā)現(xiàn)降雪加強(qiáng)時(shí)700 hPa有西南低空急流加強(qiáng),濕層發(fā)展至400 hPa以上,高低空急流耦合及700 hPa低槽過(guò)境。朱蕾等[5]也指出暴雪的發(fā)生需要整層大氣較大的比濕和水汽通量散度輸送以及強(qiáng)上升氣流和強(qiáng)輻合。針對(duì)暴雪發(fā)生的指標(biāo)也有學(xué)者進(jìn)行總結(jié),王健宮等[6]分析得出,強(qiáng)降雪時(shí)段850 hPa水汽通量散度值>4×10-5g·cm-2· hPa-1·s-1等指標(biāo)。徐雙柱等[7]歸納了湖北省大雪發(fā)生的溫度條件,并采取物理參數(shù)指標(biāo)建立大雪客觀預(yù)報(bào)方法。張俊蘭等[8]得出700 hPa以下低層上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)可作為烏魯木齊強(qiáng)降雪出現(xiàn)的預(yù)示指標(biāo)。周芳等[9]分析得出江西暴雪發(fā)生過(guò)程中,500 hPa相對(duì)濕度和溫度可以作為精細(xì)化預(yù)報(bào)降雪量、積雪深度的指標(biāo)。彭霞云等[10]提出預(yù)報(bào)不能機(jī)械地依賴(lài)溫度指標(biāo),而應(yīng)全面分析降雪形成的物理機(jī)制,當(dāng)降水量大時(shí),融化吸熱可以成為降溫的主要機(jī)制,預(yù)報(bào)中應(yīng)予以充分考慮。徐建國(guó)等[11]系統(tǒng)地總結(jié)了內(nèi)蒙古暴雪發(fā)生的影響系統(tǒng)和物理量特征,得出暴雪發(fā)生的環(huán)流背景和物理量指標(biāo)。羅菊英等[12]分析雨雪轉(zhuǎn)換天氣過(guò)程,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雪產(chǎn)生需要適宜的中層逆溫。王喜等[13]分析江蘇降雪時(shí)指出,暴雪及大雪出現(xiàn)時(shí)中低層具有明顯的逆溫層,且隨著降雪量級(jí)的增大,逆溫強(qiáng)度和逆溫層厚度明顯增強(qiáng)、增厚。

以上結(jié)果為暴雪的預(yù)報(bào)和研究提供了較好思路,為預(yù)報(bào)員提供了很多借鑒。貴州冬季暴雪發(fā)生概率很小,因此對(duì)于暴雪的研究不多,王芬等[14]、周文鈺等[15]對(duì)貴州發(fā)生的2次強(qiáng)降雪進(jìn)行分析,冉仙果等[16]、李習(xí)瑾等[17]對(duì)銅仁發(fā)生的暴雪個(gè)例進(jìn)行總結(jié),得出一些可供預(yù)報(bào)的參考結(jié)論。但沒(méi)有系統(tǒng)性地總結(jié)暴雪發(fā)生的環(huán)流背景和要素指標(biāo),不能準(zhǔn)確地把握暴雪強(qiáng)度和落區(qū)。因此有必要針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的暴雪過(guò)程進(jìn)行總結(jié)分析,找到暴雪發(fā)生的環(huán)流背景和預(yù)報(bào)要素指標(biāo),為暴雪預(yù)報(bào)提供參考。本文針對(duì)銅仁2004年至今出現(xiàn)的5次暴雪過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)和物理量要素特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,期望其結(jié)果有助于預(yù)報(bào)員建立完整的暴雪預(yù)報(bào)思路,提高暴雪的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 資料與方法

選用2005—2021年5場(chǎng)暴雪天氣過(guò)程,利用常規(guī)地面自動(dòng)站監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析降雪特征,氣象日常業(yè)務(wù)使用的MICAPS實(shí)況數(shù)據(jù)和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,采用統(tǒng)計(jì)及天氣學(xué)方法分析降雪發(fā)生的環(huán)流背景和物理量特征。

2 5次暴雪過(guò)程實(shí)況

表1為2005—2021年5場(chǎng)暴雪天氣過(guò)程概況(當(dāng)日20時(shí)—次日20時(shí)或當(dāng)日08時(shí)—次日08時(shí),北京時(shí),下同)。從表中可見(jiàn),最大降雪量為2011年1月19日萬(wàn)山鎮(zhèn)站18.8 mm、最大積雪深度為29 cm;其次為2021年12月26日萬(wàn)山鎮(zhèn)站最大降雪量為27.8 mm、積雪深度為17 cm。暴雪范圍最廣的為2021年12月26日,全市10個(gè)區(qū)縣有6個(gè)站達(dá)到暴雪。降雪持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為2011年1月18日20時(shí)—20日08時(shí)持續(xù)了36 h和2018年12月29日08時(shí)—31日08時(shí)持續(xù)了48 h。從5次暴雪過(guò)程出現(xiàn)頻率來(lái)看,松桃縣站出現(xiàn)4次,頻率為80%;江口縣站出現(xiàn)3次,頻率為60%;碧江區(qū)、萬(wàn)山鎮(zhèn)站出現(xiàn)5次,頻率為100%;沿河縣、石阡縣站出現(xiàn)1次,頻率為20%;玉屏縣站出現(xiàn)2次,頻率為40%,可見(jiàn)暴雪容易發(fā)生在銅仁市東部的松桃縣、碧江區(qū)、江口縣、萬(wàn)山鎮(zhèn)等站點(diǎn),西部發(fā)生頻率低,除了沿河縣、石阡縣站出現(xiàn)過(guò)1次外,其余的德江縣、思南縣、印江縣站均未出現(xiàn)暴雪。

表1 銅仁市5次暴雪過(guò)程概況Tab.1 The overviews of five blizzard process in Tongren City

3 影響系統(tǒng)

3.1 5次暴雪過(guò)程影響系統(tǒng)

分析2005—2021年銅仁市5次暴雪過(guò)程的影響系統(tǒng)(表2),發(fā)現(xiàn)500 hPa等壓面上中高緯為兩槽一脊,過(guò)程1、過(guò)程2、過(guò)程4、過(guò)程5的槽分別位于烏拉爾山和日本海—我國(guó)東北地區(qū)之間,我國(guó)東北低渦槽底延伸至四川東部,脊位于貝加爾湖西南部;過(guò)程3的槽分別位于黑海和我國(guó)東北地區(qū)—貝加爾湖附近,我國(guó)東北地區(qū)低渦槽底延伸至四川東部,脊位于巴湖北部,槽脊相對(duì)前4次過(guò)程略偏西。中低緯90～95°E地區(qū)孟加拉灣南支槽深厚,500 hPa等壓面上2005年和2009年568 hPa等高線進(jìn)入銅仁市;2011年564 hPa等高線進(jìn)入銅仁市;2018年570 hPa等高線進(jìn)入銅仁市;2021年574 hPa等高線進(jìn)入銅仁市。相比來(lái)看,2011年564 hPa等高線進(jìn)入銅仁市,500 hPa上環(huán)流經(jīng)向度大,利于引導(dǎo)北方冷空氣南下,導(dǎo)致降雪強(qiáng)度較大。海平面氣壓場(chǎng)上,貝加爾湖西部有冷空氣堆積,冷高壓中心強(qiáng)度為1060 hPa左右,冷空氣東移南下影響我國(guó)東部地區(qū)后經(jīng)湖南向西回流影響銅仁市,定義為東北路徑冷空氣影響,大于1030 hPa的等壓線線進(jìn)入銅仁市?？傮w表現(xiàn)為西南暖濕氣流在冷墊上爬升形成暴雪。

表2 銅仁市5次暴雪的環(huán)流影響系統(tǒng)Tab.2 The circulation background and affectinginducing systems of five blizzard process in Tongren City

分析統(tǒng)計(jì)銅仁市5次暴雪的環(huán)流影響系統(tǒng)(表2、表3)。700 hPa上,過(guò)程1～4四川東部有低渦切變線南壓影響銅仁市,廣西—貴州為西南風(fēng)急流,西南風(fēng)速為12～26 m·s-1,最大為2011年達(dá)到26 m·s-1。由表3可知在懷化站西南風(fēng)速增大或者四川東部切變線進(jìn)入貴州北部時(shí),銅仁市降雪站次增多,并形成暴雪。過(guò)程5四川東部低渦切變線沒(méi)有南壓影響銅仁市,但在850 hPa上形成了12～14 m·s-1的東北風(fēng)急流,而前4次過(guò)程?hào)|北風(fēng)僅6～8 m·s-1。過(guò)程5在東北風(fēng)急流增大時(shí),降雪站次增多,逐漸形成暴雪。

表3 銅仁市5次暴雪過(guò)程的影響系統(tǒng)強(qiáng)度和位置與降雪站次Tab.3 The affect system strength and location and snow standing time of five blizzard process in Tongren City

3.2 暴雪發(fā)生時(shí)的平均環(huán)流形勢(shì)及天氣學(xué)概念模型

分析5次暴雪發(fā)生時(shí)各層的平均環(huán)流形勢(shì),在500 hPa上(圖1a),中高緯為兩槽一脊形勢(shì),槽位于烏拉爾山與日本?！覈?guó)東北地區(qū),脊位于貝加爾湖西部。中低緯90～95°E孟加拉灣地區(qū)有南支槽形成,568 hPa等高線進(jìn)入銅仁市;700 hPa(圖1c)四川東部形成低渦切變線,云南—貴州有西南急流維持,平均最大風(fēng)速為14 m·s-1;850 hPa(圖1d)為東北風(fēng)影響銅仁市,切變線南壓至貴州南部;海平面氣壓場(chǎng)上(圖1b)貝加爾湖西部冷空氣南下后由東北路徑影響銅仁市,冷高壓中心≥1060 hPa,≥1030 hPa的等壓線進(jìn)入銅仁市。綜上所述,銅仁市暴雪發(fā)生的環(huán)流配置(圖1e)為:高空500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢(shì),我國(guó)東北地區(qū)槽底延伸至四川東部,孟加拉灣南支槽東移至95°E以東;700 hPa廣西—貴州西南急流建立,四川東部切變線形成,未來(lái)南壓影響銅仁市;850 hPa為東北氣流控制;海平面氣壓場(chǎng)上,貝加爾湖西部冷高壓中心達(dá)1060 hPa,1030 hPa線進(jìn)入銅仁市。

3.3 暴雪發(fā)生過(guò)程的溫度場(chǎng)特征

從5次暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)平均的溫度場(chǎng)垂直剖面圖(圖2)可以看出,暴雪發(fā)生時(shí)銅仁市平均氣溫總體呈現(xiàn)為低層950～850 hPa之間冷,最低為-8 ℃;中層800～650 hPa之間較冷,最低為-6 ℃;650 hPa以上逐漸降低,銅仁市上空整層低于0 ℃。從5次暴雪過(guò)程降雪前和降雪發(fā)生時(shí)的各層次溫度變化來(lái)看(表4),發(fā)生前500 hPa溫度為-15～-19 ℃,700 hPa為-2～-4 ℃,850 hPa為-2～-7 ℃,地面氣溫為1～-2 ℃;暴雪發(fā)生時(shí),500 hPa氣溫持續(xù)降低至-16～-21 ℃,700 hPa維持在-2～-4 ℃,850 hPa降低至-4～-8 ℃,地面氣溫為0.5～-4 ℃,可見(jiàn)暴雪發(fā)生時(shí)中高層氣溫有利于冰晶維持,地面氣溫持續(xù)降低,特別是過(guò)程3、4、5,地面氣溫相對(duì)更低,降雪時(shí)間持續(xù)更長(zhǎng)(表1)。

表4 5次暴雪過(guò)程溫度特征(單位: ℃)Tab.4 The temperature characteristics of five blizzard process(unit: ℃)

4 物理量特征及預(yù)報(bào)指標(biāo)

4.1 水汽通量散度和比濕場(chǎng)

沿暴雪區(qū)域109°E作水汽通量散度的垂直剖面圖(圖3a)可知,水汽通量散度輻合集中在中層850～600 hPa之間,低層1000～850 hPa和高層600～400 hPa為輻散,即為低層、高層水汽輻散,中層水汽輻合,最強(qiáng)輻合層在850～700 hPa之間,強(qiáng)度中心值為-18×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1。比濕場(chǎng)(圖3b)特征表現(xiàn)為低層和高層比濕值小,中間層濕度大,在800～650 hPa之間形成比濕大值中心,降雪區(qū)域最大比濕中心值為5 g·kg-1,與水汽輻合中心對(duì)應(yīng)。

圖3 5次暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)平均的水汽通量散度場(chǎng)(a,單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)和比濕場(chǎng)(b,單位: g·kg-1)垂直分布,陰影為地形,線框?yàn)榻笛﹨^(qū)域Fig.3 The average water vapor flux divergence(a, unit:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)and specific humidity(b, unit:g·kg-1) vertical section of five blizzard vertical sections, the shadows show the terrain, the wire frames as snowfall area

4.2 散度場(chǎng)

在暴雪發(fā)生時(shí),5次暴雪平均的垂直剖面散度場(chǎng)(圖4)總體表現(xiàn)跟水汽通量散度場(chǎng)表現(xiàn)一致,為近地層輻散、中層輻合、高層輻散的特征,輻合最強(qiáng)位于800～700 hPa之間中低層西南急流附近,輻散最強(qiáng)位于450～300 hPa之間。

圖4 5次暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)平均的散度場(chǎng)(虛線為輻合,實(shí)線為輻散,單位:s-1)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位: m·s-1)垂直分布(陰影為地形,線框?yàn)榻笛﹨^(qū)域)Fig.4 The average divergence field (dotted lines for convergence, solid line for divergence, unit:s-1)and wind field (wind-direction shaft, unit: m·s-1) vertical section of five blizzard vertical sections(the shadow shows the terrain, the wire frames as snowfall area)

4.3 垂直速度場(chǎng)

圖5是5次暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)沿109°E平均的垂直速度場(chǎng)的垂直剖面圖。從圖中可以看到,暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)整層為上升運(yùn)動(dòng)。在降雪區(qū)有2個(gè)強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)中心,分別位于900～800 hPa和500～350 hPa,平均最強(qiáng)中心分別為-30 hPa·s-1、-50 hPa·s-1。分析5場(chǎng)暴雪過(guò)程的垂直速度在暴雪發(fā)生前和發(fā)生時(shí)值的變化(圖略),發(fā)現(xiàn)暴雪發(fā)生時(shí)700 hPa和500 hPa層垂直上升速度值明顯增強(qiáng),700 hPa上升運(yùn)動(dòng)增大值≥10 hPa·s-1,500 hPa上升運(yùn)動(dòng)增大值≥12 hPa·s-1,這可以作為暴雪發(fā)生的參考指標(biāo)。

圖5 5次暴雪過(guò)程發(fā)生時(shí)平均的垂直速度場(chǎng)(虛線為上升,單位:hPa·s-1)垂直分布,陰影為地形,線框?yàn)榻笛﹨^(qū)域Fig.5 The average vertical velocity vertical section of five blizzard vertical sections (dotted line is rising,unit:hPa·s-1),the shadows for of the terrain,the wire frames as snowfall area

5 結(jié)論

本文分析了銅仁市5場(chǎng)暴雪天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)和物理量特征,得出以下結(jié)論:

(1)銅仁市的暴雪易發(fā)生在東部的松桃縣、碧江區(qū)、江口縣、萬(wàn)山鎮(zhèn)等站,西部沿河縣、石阡縣發(fā)生暴雪頻率相對(duì)低,而思南縣、德江縣、印江縣在2005—2021年間均未出現(xiàn)暴雪。

(2)暴雪高空表現(xiàn)為中高緯兩槽一脊形勢(shì),配合中低緯南支低槽東移,地面貝加爾湖西部冷高中心強(qiáng)度為1060 hPa,大于1030 hPa的等壓線進(jìn)入銅仁。暴雪落區(qū)出現(xiàn)在500 hPa槽前、700 hPa西南急流前部或切變線南側(cè)及850 hPa東北風(fēng)風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi),配合較強(qiáng)持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng),是產(chǎn)生暴雪天氣的有利大尺度環(huán)流形勢(shì)。當(dāng)700 hPa西南急流風(fēng)速越大,降雪強(qiáng)度越大。850 hPa東北風(fēng)速越大,暴雪范圍越廣。暴雪發(fā)生時(shí),500 hPa氣溫在-16～-21 ℃,700 hPa氣溫在-2～-4 ℃之間,850 hPa氣溫在-4～-8 ℃之間,近地面層在0.5～-4 ℃之間,地面氣溫越低降雪持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)散度場(chǎng)表現(xiàn)為近地層輻散,中低空輻合、高空輻散的特征。輻合最強(qiáng)位于800～700 hPa之間的西南急流附近、輻散最強(qiáng)位于450～300 hPa之間,當(dāng)輻合層次伸展更高時(shí),更利于暴雪天氣的持續(xù);在垂直速度場(chǎng)上表現(xiàn)為整層的上升氣流,最強(qiáng)上升區(qū)有2個(gè)強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)中心,900～800 hPa和500～350 hPa之間,平均最強(qiáng)中心為低層-30 hPa·s-1、高層-50 hPa·s-1,特別是500 hPa和700 hPa上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯增大時(shí),可作為強(qiáng)降雪發(fā)生的指示。

(4)比濕場(chǎng)表現(xiàn)為,低層和高層比濕值小,中間層比濕大,在800～650 hPa之間形成比濕大值中心,最大比濕中心值為5 g·kg-1,暴雪發(fā)生時(shí)500 hPa比濕為1.5 g·kg-1左右,700 hPa為4 g·kg-1左右,850 hPa為3.5～4 g·kg-1。500 hPa比濕值≥1.5 g·kg-1可作為暴雪發(fā)生的參考指標(biāo)。水汽通量散度場(chǎng)表現(xiàn)為,水汽輻合集中在中層850～600 hPa之間,低層1000～850 hPa和高層600～400 hPa為輻散,最強(qiáng)輻合層在850～700 hPa之間,強(qiáng)度中心值為-18×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1,850 hPa平均值為-3.6×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。