湘潭市兩次罕見大暴雪天氣過(guò)程分析

摘 要：【目的】分析湖南省湘潭市2021年12月24日至27日和次年2月21日至22日兩次罕見的特大暴雪過(guò)程?！痉椒ā坎捎贸Ｒ?guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分辨率達(dá)1°×1°的NECP再分析數(shù)據(jù)，以及地面GPS/MET遙感大氣水汽監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行診斷分析。【結(jié)果】?jī)纱螐?qiáng)降雪過(guò)程在大氣環(huán)流背景和動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和水汽輸送的條件方面具有相似之處?！?2.26”為對(duì)流性降雪，降雪時(shí)間短、強(qiáng)度大；“02.22”過(guò)程以穩(wěn)定性降雪為主。在湘潭地區(qū)，當(dāng)850 hPa以上溫度低于-4 ℃、925 hPa以下氣溫在-1 ℃以下、地面溫度接近0 ℃時(shí)，降水相態(tài)將由雨轉(zhuǎn)雪?！窘Y(jié)論】可為提高湘潭市暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：湘潭；暴雪；成因機(jī)理；維持機(jī)理

中圖分類號(hào)：P458.12" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）20-0108-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.021

Analysis of Two Rare Blizzard Processes in Xiangtan

Abstract：[Purposes] This paper aims to study two rare blizzards in Xiangtan City， Hunan Province， which occurred from December 24 to 27， 2021， and from February 21 to 22 of the following year." [Methods] The analysis is made by conventional monitoring data， NECP reanalysis data with a resolution of 1°×1°， and atmospheric water vapor monitoring data from ground GPS/MET remote sensing. [Findings]" The two blizzards share similarities in terms of atmospheric circulation background， dynamics， thermodynamics， and water vapor transport conditions. However， the \"12.26\" event was characterized by convective snowfall with a short duration and high intensity， while the \"02.22\" event was dominated by stable snowfall. In Xiangtan， when the temperature above 850 hPa is below -4 ℃， the temperature below 925 hPa is below -1℃， and the ground temperature is close to 0℃， the precipitation phase will change from rain to snow. [Conclusions] The research findings can provide a scientific basis for improving the accuracy of blizzard forecasts in Xiangtan City.

Keywords： Xiangtan City; blizzard; genetic mechanism; maintenance mechanism

0 引言

暴雪會(huì)對(duì)供電、交通運(yùn)輸和社會(huì)安全帶來(lái)嚴(yán)重的影響甚至?xí)＜叭嗣裆?cái)產(chǎn)安全。這類災(zāi)害性天氣一直是天氣學(xué)研究與服務(wù)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。對(duì)于雨雪冰凍過(guò)程，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，姚蓉等［1-2］研究認(rèn)為，使用WRF模式對(duì)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬，能較好地模擬降雪量級(jí)及強(qiáng)降雪的落區(qū)；姚晨等［3］利用雙偏振雷達(dá)識(shí)別降水粒子相態(tài)，對(duì)預(yù)報(bào)員開展降雪短臨預(yù)報(bào)具有一定意義；陳紅專等［4］分析出青藏高原有明顯的正渦度向東傳播，有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，是湖南暴雪維持的主要原因之一。這些研究為提高暴雪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率提供了應(yīng)用價(jià)值。

我國(guó)境內(nèi)的降雪現(xiàn)象來(lái)源復(fù)雜，可能是由氣旋活動(dòng)激發(fā)，也有可能是500 hPa高度的南支與北支槽的匯合，極地與副熱帶空氣的強(qiáng)烈對(duì)流引發(fā)氣旋，隨后北移所導(dǎo)致。這樣的天氣系統(tǒng)使得降雪成因多變且南北氣候差異明顯，增加了預(yù)報(bào)暴雪天氣和采取防御措施的難度。

由于動(dòng)力熱力條件等多重因素的影響，我國(guó)北方地區(qū)暴雪災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)其研究已相對(duì)系統(tǒng)和深入。南方地區(qū)雖然冬季多雨少雪，暴雪災(zāi)害發(fā)生頻次較低，但南方水汽相對(duì)充沛，在一定氣象環(huán)境的觸發(fā)下，同樣可能遭受劇烈的暴雪和冰凍災(zāi)害的侵襲，其造成的損失通常極為嚴(yán)重。與北方的暴雪相比，南方的暴雪更加苛刻地依賴特定的能量和氣溫條件，提升了研究和預(yù)測(cè)的復(fù)雜性。本研究采用常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料，湘鄉(xiāng)、婁底地基GPS/MET遙感大氣水汽監(jiān)測(cè)資料，以及1°×1°的NECP再分析資料，對(duì)湖南省湘潭市兩次罕見暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)提高暴雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有重要意義。

1 降雪天氣實(shí)況對(duì)比

2021年12月24日08時(shí)（北京時(shí)，下同）起，受地面強(qiáng)冷空氣影響，湘潭市出現(xiàn)明顯降溫、降水和風(fēng)力加大天氣過(guò)程，48 h內(nèi)平均氣溫降溫幅度達(dá)到9.6～9.8℃，最大風(fēng)速為9.9～11.5 m/s。25日夜間開始轉(zhuǎn)為雨夾雪或小雪天氣。26日白天湘潭市普降暴雪， 27日夜間轉(zhuǎn)為雨夾雪，強(qiáng)降雪持續(xù)超過(guò)24h。從積雪情況看，26日08時(shí)至27日08時(shí)，湘潭市、湘鄉(xiāng)市和韶山市最大積雪深度分別為12.0、13.0、12.0 cm，如圖1（a）所示。降雪量分別為16.2、17.1 、19.7 mm。26—27日平均氣溫持續(xù)在0 ℃以下，過(guò)程最低氣溫為湘潭-2.8 ℃，湘鄉(xiāng)-2.7 ℃，韶山-2.9 ℃，均出現(xiàn)在26日夜間（以下簡(jiǎn)稱“12.26”過(guò)程）。

2022年2月21日晚開始，受中低層切變和地面冷空氣共同影響，湘潭市出現(xiàn)了一次大暴雪，局部特大暴雪天氣過(guò)程。21日白天出現(xiàn)雨夾雪，22日02時(shí)左右開始轉(zhuǎn)為純雪，最強(qiáng)降雪時(shí)段出現(xiàn)在22日下午至晚上，23日白天高空槽過(guò)境，湘潭市天氣逐漸轉(zhuǎn)好。從積雪情況看， 2月21日08時(shí)至23日08時(shí)，湘潭市、湘鄉(xiāng)市和韶山市最大積雪深度分別為16、20、10 cm，如圖1（b）所示。累計(jì)降水（雪）量分別為42.1、39.8、37.9 mm，其中22日02時(shí)至23日02時(shí)降雪量分別為：湘潭市39.9 mm、湘鄉(xiāng)市36.7 mm、韶山市35.8 mm（以下簡(jiǎn)稱“02.22”過(guò)程）。

以上兩次天氣過(guò)程是湘潭市繼2008年以來(lái)出現(xiàn)的強(qiáng)度較強(qiáng)、積雪較深的降雪天氣過(guò)程，兩次過(guò)程共造成24 798人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失為6 092.64萬(wàn)元，受災(zāi)嚴(yán)重。

2 環(huán)流背景與影響系統(tǒng)分析

“12.26”過(guò)程的核心影響因素包括了500 hPa的橫槽轉(zhuǎn)豎、東北冷渦以及位于700 hPa的急流。如圖2（a）所示，過(guò)程開始前，12月23日20時(shí)，500 hPa高度場(chǎng)上東北地區(qū)有強(qiáng)大的冷渦，中心為504 dagpm，并伴有-48 ℃的冷中心，冷渦中心延伸出一橫槽經(jīng)過(guò)我國(guó)東北、內(nèi)蒙古北部和俄羅斯東南部地區(qū)，冷渦槽后西北氣流帶動(dòng)橫槽分股轉(zhuǎn)豎，使冷平流不斷南下影響我國(guó)。在長(zhǎng)江中下游地區(qū)南支槽活躍多波動(dòng)，為南部地區(qū)提供大量水汽。25日20時(shí)冷渦穩(wěn)定維持，橫槽基本轉(zhuǎn)豎，在冷平流的影響下，在925～700 hPa出現(xiàn)逆溫層并形成冷墊，有利于暖濕氣流抬升，與南支槽前的西南暖濕氣流不斷交匯，為降雪提供了充足水汽條件。

在“02.22”過(guò)程中，主要受到500 hPa氣壓層的西風(fēng)帶凹槽、700 hPa高空急流及切變線。如圖2（b）所示，2月22日08時(shí)，500 hPa的歐亞中高緯度區(qū)顯示出兩高壓脊與一低壓槽的格局，貝加爾湖以西地區(qū)出現(xiàn)阻塞性高氣壓，而東北部近海區(qū)域則有低渦存在，中心強(qiáng)度達(dá)513 dagpm，低壓中心氣溫低至-44℃。脊前渦后偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，低緯地區(qū)南支槽穩(wěn)定維持。700 hPa湘中以北處于急流出口區(qū)，長(zhǎng)沙站西南風(fēng)速達(dá)到18 m/s，大量水汽聚集在湘中一帶，850 hPa有一支強(qiáng)盛的偏北氣流控制，造成了強(qiáng)的動(dòng)力抬升作用，為強(qiáng)降雪提供了有利的背景條件。

觀察最接近湘潭的長(zhǎng)沙高空氣象觀測(cè)站的溫度對(duì)數(shù)壓力（T-lnp）圖，如圖3所示，可知上述的兩個(gè)天氣過(guò)程的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本類似。500 hPa高度以下都存在西南急流，近地面層則主要受東風(fēng)或東北風(fēng)的控制；在溫度層結(jié)上，兩次過(guò)程中低層溫度都低于0℃，850～700 hPa附近均有逆溫層存在。此外，濕度層在兩次過(guò)程中都較為深厚。不同點(diǎn)在于，如圖3（a）所示，從低層冷墊強(qiáng)度看，“02.22”過(guò)程中925～850 hPa溫度接近- 5℃，如圖3（b）所示，“12.26” 過(guò)程在925 hPa附近出現(xiàn)了淺薄逆溫層，925～850 hPa溫度在-3 ℃左右。由此可見，“02.22”過(guò)程中低層冷墊強(qiáng)度明顯強(qiáng)于“12.26”過(guò)程。

綜上所述，兩次過(guò)程環(huán)流背景相似，都發(fā)生在500 hPa冷渦后橫槽轉(zhuǎn)豎的形勢(shì)下，中低緯孟加拉灣南支槽維持，均有來(lái)自北方的冷空氣和來(lái)自南方的暖濕氣流。不同的是，冷暖平流位置和強(qiáng)度不同，導(dǎo)致降雪強(qiáng)度存在差異，“02.22”過(guò)程低層層結(jié)較好，冷墊效果好于“12.26”過(guò)程且低空急流強(qiáng)于“12.26”過(guò)程。

3 水汽條件對(duì)比分析

地基GPS/MET技術(shù)能持續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)大氣層的水汽含量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)短時(shí)臨近天氣預(yù)測(cè)提供了重要的參考價(jià)值。對(duì)選定時(shí)段內(nèi)的地基GPS/MET大氣水汽遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行探討。湘鄉(xiāng)、婁底地基GPS/MET代表站6 h間隔大氣可降水量如圖4所示， 湘潭、韶山、湘鄉(xiāng)3站逐6 h降水量變化如圖5所示。在兩次天氣過(guò)程中，可降水量（precipitable water，簡(jiǎn)稱PW）的波動(dòng)總體上與降雪量的變動(dòng)保持一致性，雪期前PW呈上升趨勢(shì)，而隨著PW數(shù)值的下降，降雪也相應(yīng)減弱直至停止。不同的是，“12.26”過(guò)程水汽條件最大值強(qiáng)于“02.22”過(guò)程。“12.26”過(guò)程降雪開始前的2021年12月26日02時(shí)湘鄉(xiāng)站PW為20.1 mm、婁底站為17.9 mm，至26日14時(shí)，湘鄉(xiāng)站與婁底站PW均為20 mm左右，對(duì)應(yīng)降雪增強(qiáng)時(shí)段?！?2.26”過(guò)程平均PW在18.4～19.7 mm，顯示在降雪過(guò)程中一直維持較好的水汽條件。在2022年2月22日02時(shí)，隨著暖濕氣流的增強(qiáng)，湘鄉(xiāng)和婁底兩地觀測(cè)站記錄的PW最高值都突破了22 mm。至22日08時(shí)，降雪強(qiáng)度開始上升，此時(shí)婁底和湘鄉(xiāng)的PW分別為21.7 mm和19.3 mm，均接近20 mm。而若以整個(gè)降水過(guò)程來(lái)看，兩個(gè)站點(diǎn)的平均PW在15.3～15.8 mm之間，這個(gè)數(shù)值低于“12.26”過(guò)程的平均值，但PW峰值大于“12.26”過(guò)程?？梢姟?2.26”過(guò)程水汽條件優(yōu)于“02.22”過(guò)程，但由于PW峰值小于“02.22”過(guò)程，所以降雪強(qiáng)度不如“02.22”過(guò)程。

4 動(dòng)力條件對(duì)比分析

利用相對(duì)濕度垂直分布能夠分析降雪過(guò)程中冷墊的厚度，并據(jù)此推測(cè)降雪形成的動(dòng)力學(xué)。在兩次過(guò)程最強(qiáng)降雪時(shí)刻沿28°N作不同層次垂直速度和相對(duì)濕度的緯向剖面如圖6所示。由圖6（a）可知，在“12.26”過(guò)程中，2021年12月26日14時(shí)，強(qiáng)降雪區(qū)正上方是一個(gè)相對(duì)濕度超過(guò)90%的濕潤(rùn)帶，112°E位置上的空中存在一個(gè)上升氣流中心，大致位于500 hPa高度，隨著冷空氣的侵入，整個(gè)氣層的暖空氣上升，致使上行氣流活躍，對(duì)流在全雪暴區(qū)上空旺盛發(fā)展，尤以湘潭周邊（112°E，28°N）上空800～300 hPa之間，形成了一個(gè)厚實(shí)的動(dòng)力輻合帶，最大上升速率達(dá)到[2]×[10?4 hPa?s?1]。由圖6（b）可知，“02.22”過(guò)程，2022年2月22日14時(shí)，雖然暴雪區(qū)上空為相對(duì)濕度大于90%的高濕區(qū)，但是在850 hPa以下以下沉運(yùn)動(dòng)為主，低層動(dòng)力條件較差，上升運(yùn)動(dòng)主要在700～300 hPa，對(duì)流強(qiáng)度不如“12.26”過(guò)程。

5 熱力條件對(duì)比分析

決定降水相態(tài)最為關(guān)鍵的是溫度，因此中低層的熱力條件是一個(gè)很重要的因素。沿28°N的溫度與風(fēng)向緯向剖面如圖7所示。由圖7（a）可知，“12.26”過(guò)程在700 hPa有明顯的暖舌，表現(xiàn)為上下冷，中間暖的形勢(shì)，850～600 hPa為一明顯的逆溫層，850 hpa以下為冷平流，由于西南低空急流的加強(qiáng)，在700 hPa出現(xiàn)了一個(gè)[10×10?5 ]k/s的暖中心。

由圖7（b）可知，“02.22”過(guò)程暖平流明顯比“12.26”過(guò)程強(qiáng)，700 hpa和400 hPa分別出兩個(gè)暖平流中心，中心值分別是[10×10?5] k/s和[20×10?5] k/s，上層的暖平流強(qiáng)于下層，由于上下層平流的差異，600 hPa出現(xiàn)逆溫層。暖平流有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，除了暖平流能產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)以外，還有冷暖空氣的交匯產(chǎn)生的輻合上升運(yùn)動(dòng)，二者得以結(jié)合，“02.22”過(guò)程的降雪量級(jí)比前一次過(guò)程大。

6 溫度場(chǎng)與降水相態(tài)對(duì)比分析

降水相態(tài)在冬季降水預(yù)報(bào)中占據(jù)至關(guān)重要的地位，其差異能夠?qū)е峦唤邓考?jí)產(chǎn)生截然不同的影響——從輕微的小雨到猛烈的大到暴雪，這些不同的降水形式可能引發(fā)截然不同的氣象影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，湖南省冬季雨轉(zhuǎn)雪時(shí)各層和地面溫度為：850 hPa溫度在-4℃以下，925 hPa溫度在-1 ℃以下，地面溫度在0 ℃左右。據(jù)此，分析上述兩次過(guò)程中降水相態(tài)轉(zhuǎn)化。湘潭上空溫度垂直剖面如圖8所示。“12.26”過(guò)程中12月25日20時(shí)至26日02時(shí)，1 000～700 hpa存在逆溫層，由于700～900 hPa都低于0℃，900 hPa以下高于0℃，湘潭市出現(xiàn)雨和雨夾雪共存的混合性降水天氣，26日08時(shí)至27日925 hPa最低氣溫降至-6℃左右，850～700 hpa存在逆溫，但整層都在-4℃以下，湘潭出現(xiàn)純雪天氣；28日至29日，隨著逆溫層溫度上升，高于0 ℃融化層厚度增大，而850 hpa以下溫度升高至0 ℃以上，此時(shí)段湘潭地區(qū)降水相態(tài)再次由雪轉(zhuǎn)換為雨夾雪再轉(zhuǎn)為小雨天氣。如圖8（a）所示，“02.22”過(guò)程中，在2月22時(shí)之前，850 hPa溫度在-2～-3 ℃，湘潭地區(qū)以雨或雨夾雪混合相態(tài)為主，22日14時(shí)之后，850 hPa溫度降至-4 ℃以下，且地面溫度降至0℃以下，湘潭地區(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)純雪天氣。23日白天，900～700 hPa升至-3 ℃以上，降雪逐漸停止。

7 結(jié)論

本研究使用多種資料及1°×1°的NECP再分析資料，對(duì)比分析湘潭“12.26”暴雪過(guò)程和“02.22”暴雪過(guò)程的環(huán)流背景與動(dòng)力、熱力、水汽輸送條件，探討兩次過(guò)程降水相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中大氣溫度變化異同，主要結(jié)論如下。

①兩場(chǎng)強(qiáng)降雪過(guò)程在大氣環(huán)流背景和動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及水汽輸送的條件方面具有相似之處，即在這兩個(gè)事件中，高緯度區(qū)域的大氣環(huán)流均展現(xiàn)出兩槽一脊的局勢(shì)，貝加爾湖附近有強(qiáng)大的高壓脊發(fā)展。冷渦槽后西北氣流帶動(dòng)橫槽轉(zhuǎn)豎，中低緯度的孟加拉灣南支槽穩(wěn)定少動(dòng)，700 hPa的暖濕氣流異常強(qiáng)烈，引起了有力的動(dòng)力抬升作用。湘潭地區(qū)的強(qiáng)降雪是由北方的冷空氣與南方的暖濕氣流共同作用的結(jié)果，且GPS/MET的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在PW達(dá)到高值期間發(fā)生了顯著的降雪。

②兩次過(guò)程的不同點(diǎn)是：“02.22”過(guò)程中高層暖平流強(qiáng)度、低層冷墊效果、低空急流強(qiáng)度均高于“12.26”過(guò)程，但“12.26”過(guò)程中低層對(duì)流強(qiáng)度強(qiáng)于“02.22”過(guò)程，為對(duì)流性降雪，降雪時(shí)間短、強(qiáng)度大，“02.22”過(guò)程以穩(wěn)定性降雪為主。

③次過(guò)程降水相態(tài)轉(zhuǎn)換顯示，“12.26”過(guò)程中最強(qiáng)降雪時(shí)段850 hPa以上溫度低于-4 ℃，925 hPa以下氣溫在-6 ℃左右，當(dāng)中底層溫度上升至0℃以上過(guò)程中，降水相態(tài)由雪換為雨夾雪再轉(zhuǎn)為小雨天氣；“02.22”過(guò)程中，特定層次溫度指標(biāo)與“12.26”過(guò)程相似，可歸納為：當(dāng)850 hPa溫度在-4 ℃以下，925 hPa溫度在-1 ℃以下，地面溫度在0 ℃以下時(shí)，降水相態(tài)將由雨轉(zhuǎn)雪。研究結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)員開展降雪短臨預(yù)報(bào)有一定的參考價(jià)值。

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