2008年初湖北省低溫雨雪冰凍天氣溫度平流配置分析

龍利民,黃治勇,蘇磊,王珊珊,鄧紅,韓琦

(武漢中心氣象臺(tái),湖北武漢 430074)

2008年初湖北省低溫雨雪冰凍天氣溫度平流配置分析

龍利民,黃治勇,蘇磊,王珊珊,鄧紅,韓琦

(武漢中心氣象臺(tái),湖北武漢 430074)

利用NCEP/NCAR再分析資料,對(duì)2008年1月11日—2月1日湖北省低溫雨雪冰凍過程進(jìn)行溫度平流空間分布診斷分析。結(jié)果表明:低溫雨雪冰凍期間,湖北省近地層不斷有弱冷空氣補(bǔ)充和滲透;中層暖平流、低層冷墊和南方沿冷墊向上爬升的暖空氣是湖北省降雪最基本的條件,而湖北省東部出現(xiàn)強(qiáng)降雪的另一個(gè)更重要的原因就是低層偏東回流帶來的暖平流;當(dāng)冷空氣充斥湖北省上空整層大氣時(shí),則預(yù)示雨雪將減弱停止。

低溫雨雪冰凍;溫度平流;偏東回流

0 引言

2008年1月11日—2月1日,湖北省出現(xiàn)了一次自1954/1955年冬季以來最嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍極端天氣,主要表現(xiàn)為:雨雪過程頻繁、強(qiáng)度大,低溫冰凍持續(xù)時(shí)間長,積雪冰凍范圍廣。湖北省因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失104.9億元,其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失74.8億元。

關(guān)于過程性的低溫雨雪冰凍天氣的發(fā)生發(fā)展機(jī)理,廣大氣象工作者曾從不同角度做過許多探討和研究。宮德吉和李彰俊[1]、李建華等[2]、張騰飛等[3]研究了低空急流在暴雪過程中的作用。喬林和林建[4]、易笑園等[5]運(yùn)用濕位渦和鋒生理論,研究了干冷空氣在降雪事件中的作用。麻巨慧等[6]認(rèn)為,在充沛水汽供應(yīng)條件下蒙古高壓強(qiáng)而連續(xù)的爆發(fā)是導(dǎo)致“0801南方雪災(zāi)”產(chǎn)生的直接環(huán)流成因。王迎春等[7]、王靈一等[8]、何玉龍等[9]從環(huán)流形勢和大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)角度詳細(xì)分析了連續(xù)降雪和持續(xù)低溫的特征。王慶余等[10]對(duì)2008年11月2日、13日和15日3次較大降雪天氣過程分析,初步得出3種不同云系出現(xiàn)大降雪的特征。其他一些學(xué)者[11-19]則通過多種要素的綜合分析,研究暴雪過程的可能成因。王凌等[20]、李崇銀等[21]通過比較研究指出,2008年持續(xù)嚴(yán)重雨雪冰凍天氣的發(fā)生與多個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的異常有關(guān),而且更為重要的是它們的異常形成了某種形式的配合,即組合性異常,導(dǎo)致了這次極端天氣氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生。

而對(duì)范圍大、持續(xù)時(shí)間長的低溫雨雪冰凍天氣,其溫度平流垂直分布結(jié)構(gòu)及其演變沒有看到更多的研究,本文通過對(duì)2008年1月11日—2月1日對(duì)流層中低層溫度平流的配置及其演變進(jìn)行詳細(xì)分析,并以武漢市雨雪過程分析為主,以提取一些有用的氣象信息,給短期預(yù)報(bào)提供參考。

1 大尺度環(huán)流背景

2008年1月11日—2月1日,500 hPa歐亞環(huán)流形勢經(jīng)歷了3次調(diào)整:歐亞兩槽一脊(副熱帶高壓活躍)—烏拉爾山阻塞高壓建立(歐亞一槽一脊)并穩(wěn)定維持(副熱帶高壓東退)—烏拉爾山阻塞高壓減弱崩潰,長波槽東移(副熱帶高壓再度活躍)。

從1月11日—2月1日500 hPa 08時(shí)、20時(shí)客觀分析平均場分析(圖略),巴爾喀什湖以西為穩(wěn)定的長波槽區(qū),青藏高原到湖北省上空環(huán)流平直,鄂霍次克海附近到貝加爾湖為橫槽區(qū);700 hPa西南暖濕氣流活躍,急流軸在湖南省中北部和湖北省南部之間擺動(dòng);850 hPa 0℃線(冷舌)從華北向南延伸到湖南省中(南)部(圖略),湖北省為偏東氣流;漢口探空資料顯示,1月11日20時(shí)開始,湖北省東部850 hPa由前期的16 m·s-1西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東偏北風(fēng),其風(fēng)速≤10 m·s-1,700 hPa和850 hPa這種風(fēng)向的配置,導(dǎo)致它們之間存在一個(gè)很強(qiáng)的垂直切變,有利于低層擾動(dòng)的發(fā)展。地面表現(xiàn)為貝加爾湖到蒙古人民共和國有冷空氣堆積,隨著500 hPa橫槽底部小槽沿著脊前西北氣流不斷下滑,帶動(dòng)地面冷空氣從河套地區(qū)向南滲透,使湖北省近地層形成一個(gè)穩(wěn)定、淺薄的冷墊;與此同時(shí),四川省到重慶市西南暖倒槽維持,地面氣壓場呈東高西低形勢,有利于湖北省降雪天氣的維持。在分析過程中,我們發(fā)現(xiàn)還有一個(gè)很重要的現(xiàn)象,就是在此期間影響湖北省的冷空氣路徑,主要是沿河套地區(qū)向南滲透,即冷空氣取“北偏西路徑”為主,這與過去總結(jié)的導(dǎo)致湖北省降雪天氣冷空氣路徑“以偏東為主”相背離,這也從另一角度說明,當(dāng)有冷空氣從偏北路長時(shí)間穩(wěn)定的向南滲透時(shí),同樣要考慮湖北省連續(xù)低溫雨雪天氣的出現(xiàn)。

2 溫度平流分析

導(dǎo)致湖北冬季降雪的天氣學(xué)模型(過去經(jīng)驗(yàn)總結(jié))是:當(dāng)有一股中等強(qiáng)度冷空氣從偏東路徑南侵,冷鋒南移到南嶺一帶時(shí),長江中下游邊界層內(nèi)形成一個(gè)冷空氣堆。此時(shí)從高原東移而來的暖溫度脊,使湖北省上空在垂直方向上形成下冷中暖層結(jié)。暖脊的活動(dòng)一方面促使高原渦形成東移,另一方面加強(qiáng)中層暖平流,促使由南方移來沿邊界層冷墊爬升的暖濕氣流垂直向上,在強(qiáng)烈垂直切變區(qū)內(nèi),擾動(dòng)在邊界層得到發(fā)展,湖北逐漸開始降雪。

由上面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍?中層暖平流的活動(dòng),在降雪過程中起了至關(guān)重要的作用;溫度的冷暖平流是大氣斜壓性的一個(gè)度量[22],一些重要的天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展都與之相關(guān)聯(lián)。

2.1 等壓面上溫度平流平均場分析

利用NCEP/NCAR再分析資料分別計(jì)算和分析了2008年1月11日—2月1日08時(shí)、20時(shí)925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa等壓面上平均溫度平流分布,結(jié)果表明:925 hPa湖北省除江漢平原為弱的暖平流外,其他地區(qū)為冷平流(圖1a);850 hPa湖北省江漢平原以西為冷平流區(qū),其強(qiáng)度為-5×10-5K·s-1,以東則為弱的暖平流區(qū)(圖1b);700 hPa(圖1c)、500 hPa(圖1d)暖平流區(qū)波及到整個(gè)湖北省,強(qiáng)度為5×10-5K·s-1。這種溫度平流的垂直配置,說明在這次持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣期間,湖北省中西部近地層不斷有弱冷空氣補(bǔ)充和滲透,而850～500 hPa等壓面間有來自偏東回流帶來的低層暖溫度平流和來自孟加拉灣向湖北省輸送的中層西南暖溫度平流,兩個(gè)不同方向的暖平流向湖北省源源不斷地輸送水汽,并沿著近地面層自北向南滲透的冷空氣墊向上爬升而產(chǎn)生凝結(jié),形成冰晶和雪花,從而帶來湖北省持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。

通過對(duì)2008年1月11日—2月1日08時(shí)、20時(shí)逐日925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa等壓面溫度平流的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),湖北省中東部925～850 hPa暖平流強(qiáng)度、范圍的每一次加強(qiáng),則對(duì)應(yīng)該區(qū)域出現(xiàn)一次明顯的降雪過程。以武漢為例,這場低溫雨雪冰凍天氣過程中,2008年1月27日雨雪量最大,達(dá)10.3 mm,28日08時(shí)累積雪深27 cm,所對(duì)應(yīng)的27日20時(shí)850 hPa暖平流達(dá)5×10-4K·s-1(圖略),925 hPa中東部暖平流范圍也明顯增大。

圖1 2008年1月11日—2月1日08時(shí)925 hPa(a)、850 hPa(b)、700 hPa(c)和500 hPa(d)等壓面上平均溫度平流(實(shí)線為暖平流,虛線為冷平流;單位:K·s-1)Fig.1 (a)925 hPa,(b)850 hPa,(c)700 hPa,and(d)500 hPa temperature advection averaged between 11 January to 1 February 2008(The solid line representswarm advection,and the dash line does cold advection;units:K·s-1)

2.2 溫度平流緯向垂直剖面分析

在這次罕見的低溫雨雪冰凍天氣過程中,武漢市先后經(jīng)歷了4次較明顯的過程,分別是:2008年1月12—14日、18—21日、25—28日及2月1日。

通過對(duì)武漢測站所在緯度(30.62°N)作溫度平流緯向垂直剖面可見:1月12—14日第一場降雪過程中,湖北省西部(110°E附近以▲表示)低層冷平流層位于800 hPa以下,而東部(114°E附近以△表示)低層冷平流層厚度較薄,約位于925 hPa以下(圖2a);800～500 hPa為暖平流層,也就是說,一場明顯的降雪過程,對(duì)湖北省西部山區(qū)來說,中層暖平流、低層冷墊是最基本的條件;而對(duì)于東部而言,除滿足上面兩個(gè)條件外,還有一個(gè)更重要的條件就是低層偏東回流帶來的暖平流,并且暖平流的厚度比西部大。一場降雪過后,這種冷暖平流的垂直配置被破壞,600 hPa以下暖平流被冷平流替代(圖2b)。17日20時(shí)湖北省自西向東冷暖平流降雪垂直結(jié)構(gòu)開始重建,并且中層暖平流強(qiáng)度明顯強(qiáng)于第一次過程,西部上空500 hPa附近為4×10-4K·s-1(圖2c),19日20時(shí)后隨著這種垂直結(jié)構(gòu)的消失,降雪強(qiáng)度明顯減弱并逐漸停止。1月25—28日及2月1日又重現(xiàn)前面的垂直配置(圖2d)。在分析中,還注意到:湖北省西部到重慶700～500 hPa間一直維持暖溫度平流,而且隨著500 hPa低槽的東傳,其暖平流中心也出現(xiàn)一次次的東移。

2.3 溫度平流經(jīng)向垂直剖面分析

這次低溫雨雪冰凍過程,湖北省東部雨雪比西部更明顯,表現(xiàn)在強(qiáng)度和積雪深度更大、更深。下面通過東西兩個(gè)不同經(jīng)度對(duì)溫度平流做經(jīng)向剖面進(jìn)行分析,以揭示這種降雪的分布情況。東部以武漢測站所在經(jīng)度(114.13°E)做經(jīng)向垂直剖面(圖3,武漢所在緯度以▲表示),西部以宜昌測站所在經(jīng)度(111.30°E)做經(jīng)向垂直剖面(圖略),武漢、宜昌所在緯度分別是30.62°N、30.70°N。

圖2 2008年1月13日08時(shí)(a)、15日08時(shí)(b)、17日20時(shí)(c)和27日20時(shí)(d)沿武漢所在緯度(30.62°N)的溫度平流的垂直剖面(實(shí)線為暖平流,虛線為冷平流;單位:K·s-1)Fig.2 Longitude-height cross-section of temperature advection along 30.62°N at(a)0800 UTC 13,(b)0800 UTC 15,(c)2000 UTC 17,and(d)2000 UTC 27 January 2008(The solid line represents warm advection,and the dash line does cold advection;units:K·s-1)

通過分析武漢測站所在經(jīng)度(114.13°E)的溫度平流經(jīng)向垂直剖面發(fā)現(xiàn),2008年1月11日08時(shí)(圖3a),華北地區(qū)有冷空氣侵入湖北,表現(xiàn)為34～45°N自上到下為一致冷平流,28～34°N近地面層有冷空氣滲透,并形成(950 hPa以下)一冷墊,12日20時(shí)華北冷空氣沿著近地面繼續(xù)向南推進(jìn)。與此同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)25°N到武漢上空850～700 hPa有一支斜升的西南暖平流發(fā)展(圖3b),沿著冷墊自南向北向上抬升產(chǎn)生凝結(jié),形成冰晶和雪花,導(dǎo)致武漢市第一場“瑞雪”。13日地面冷空氣、西南暖平流強(qiáng)度減弱,雨雪天氣也明顯減弱,14日華北冷空氣再度活躍,并向南推進(jìn),武漢市出現(xiàn)了大雪,積雪深度由13日的2 cm增至14日12 cm,15日由于冷空氣主體勢力自北向南、自高空到地面向南推進(jìn),破壞了武漢上空溫度層結(jié),冷平流逐漸充斥整層大氣,雨雪天氣停歇。16日20時(shí)25°N到武漢上空800～700 hPa這支斜升的西南暖平流又開始發(fā)展(圖略),并逐漸加強(qiáng)向北推,暖平流厚度從800 hPa向上擴(kuò)充到500 hPa,近地層維持弱的冷平流,到18日08時(shí),沿近地層冷墊爬升的暖平流與600 hPa附近的暖平流中心合并(圖3c),使得東部擾動(dòng)加強(qiáng),湖北開始出現(xiàn)第二場降雪。在降雪最強(qiáng)時(shí)段18日夜間到19日白天,暖平流區(qū)950 hPa向上擴(kuò)充到400 hPa,到19日20時(shí)近地層冷平流向高空傳遞到800 hPa附近,更重要的是,700～600 hPa有冷平流鍥入(圖3d),自下而上破壞了降雪平流結(jié)構(gòu),導(dǎo)致降雪減弱停止。由于這次暖濕氣流較強(qiáng),下降物含水量較大,因此雪深增加并不明顯,以武漢為例,18日雪量為8.7 mm,積雪深度由1 cm僅增至19日08時(shí)的6 cm。

對(duì)比分析湖北省西部經(jīng)向剖面(圖略)表明:在低溫雨雪冰凍天氣期間,近地層同樣是維持一個(gè)冷墊,但是其厚度較東部深厚,冷層一般都是由地面伸至800～850 hPa附近;從25°N到宜昌上空沿冷墊爬升的斜升暖平流和700 hPa附近的西南暖平流共存,隨著500 hPa西風(fēng)小槽的一次次東移,產(chǎn)生西部的降雪過程。

綜上所述,在這次低溫雨雪冰凍天氣過程中,影響湖北省的地面冷空氣路徑略偏西,而正是由于主體路徑的偏西,一次次的冷空氣向東部近地層滲透,才導(dǎo)致湖北省東部雨雪強(qiáng)度大于西部。當(dāng)冷空氣充斥湖北省上空整層大氣時(shí),則是雨雪停止的時(shí)候。

圖3 2008年1月11日08時(shí)(a)、12日20時(shí)(b)、18日08時(shí)(c)和19日20時(shí)(d)沿武漢經(jīng)度(114.13°E)的溫度平流的垂直剖面(實(shí)線為暖平流,虛線為冷平流;單位:K·s-1)Fig.3 Latitude-height cross-section of temperature advection along 114.13°E at(a)0800 UTC 11,(b)2000 UTC 12,(c)0800 UTC 18,and(d)2000 UTC 19 January 2008(The solid line represents warm advection,and the dash line does cold advection;units:K·s-1)

3 結(jié)論

1)一場明顯的降雪過程,對(duì)湖北省西部山區(qū)來說,中層暖平流、低層冷墊是最基本的條件;而對(duì)于東部而言,除滿足上面兩個(gè)條件外,還有一個(gè)更重要的條件就是低層偏東回流帶來的暖平流,并且暖平流的厚度比西部大。

2)導(dǎo)致湖北省東部強(qiáng)降雪的暖平流來自三條通道:一是來自700～500 hPa的西南暖濕氣流,二是來自850 hPa東部的偏東回流,三是來自沿近地層冷空氣墊南側(cè)向北爬升的暖濕氣流。

3)在這次低溫雨雪冰凍天氣過程中,影響湖北省的地面冷空氣路徑略偏西。正是由于主體路徑的偏西,一次次的弱冷空氣向東部近地層滲透,才導(dǎo)致湖北省東部雨雪強(qiáng)度大于西部。當(dāng)冷空氣充斥湖北省上空整層大氣時(shí),則預(yù)示雨雪將減弱停止。

[1] 宮德吉,李彰俊.低空急流與內(nèi)蒙古的大暴雪[J].氣象,2001,27(12):3-7.

[2] 李建華,崔宜少,單寶臣.山東半島低空冷流降雪分析研究[J].氣象,2007,33(5):49-55.

[3] 張騰飛,魯亞斌,張杰,等.2000年以來云南4次強(qiáng)降雪過程的對(duì)比分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2007,18(1):64-72.

[4] 喬林,林建.干冷空氣侵入在2005年12月山東半島持續(xù)性降雪中的作用[J].氣象,2008,34(7):27-33.

[5] 易笑園,李澤椿,陳濤,等.2007年3月3—5日強(qiáng)雨雪過程中的干冷空氣活動(dòng)及其作用[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2009,32(2):306-313.

[6] 麻巨慧,王盤興,李麗平,等.“0801南方雪災(zāi)”與同期蒙古高壓中期活動(dòng)的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(5):652-660.

[7] 王迎春,錢婷婷,鄭永光.北京連續(xù)降雪過程分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2004,15(1):58-65.

[8] 王靈一,孫田文,房春琴.銅川2004年12月下旬連續(xù)降雪與持續(xù)低溫成因分析[J].陜西氣象,2006(4):16-18.

[9] 何玉龍,黃建菲,吉廷艷.貴陽降雪和凝凍天氣的大氣層結(jié)特征[J].貴州氣象,2007,31(4):12-13.

[10] 王慶余,劉玉霞,矯玲玲,等.2008年11月黑龍江省3次較大降雪過程云圖對(duì)比分析[J].黑龍江氣象,2009,26(3):9-11.

[11] 梁衛(wèi)芳,劉珍芳,江敦雙,等.青島一次中到大雪過程的綜合分析[J].氣象,2006,32(1):89-94.

[12] 劉寧微.“2003.3”遼寧暴雪及其中尺度系統(tǒng)發(fā)展和演變[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2006,29(1):129-135.

[13] 崔晶,張豐啟,錢永甫,等.2005年12月威海連續(xù)性暴雪的氣候背景[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2008,31(6):844-851.

[14] 陳紅霞,高賓永,呂作俊,等.2008年1月洛陽持續(xù)低溫降雪天氣綜合分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2009,32(增刊1):60-64.

[15] 唐延婧,宋丹.2008年初貴州低溫雨雪凝凍災(zāi)害天氣成因分析[J].氣象科學(xué),2008,28(增刊):78-83.

[16] 宋丹,胡躍文,劉麗萍.貴州近44 a降雪天氣形勢及物理量診斷分析[J].氣象科學(xué),2008,28(增刊):71-77.

[17] 楊柳,苗春生,壽紹文,等.2003年春季江淮一次暴雪過程的模擬研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2006,29(3):379-384.

[18] 李燦,張端禹,馮明,等.南方極端低溫雨雪冰凍過程天氣學(xué)特征分析[J].暴雨災(zāi)害,2009,28(4):321-327.

[19] 苗春生,趙瑜,王堅(jiān)紅.080125南方低溫雨雪冰凍天氣持續(xù)降水的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(1):25-33.

[20] 王凌,高歌,張強(qiáng),等.2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害分析Ⅰ:氣候特征與影響評(píng)估[J].氣象,2008,34(4):95-100.

[21] 李崇銀,楊輝,顧薇,等.中國南方雨雪冰凍異常天氣原因的分析[J].氣候與環(huán)境研究,2008,13(2):113-122.

[22] 章國材,矯梅燕,李延香,等.現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和方法[M].北京:氣象出版社,2007:124-127.

Temperature Advection Structure of Low-temperature Process with Freezing Ra in and Snow in Hubei Province in 2008

LONG Li-min,HUANG Zhi-yong,SU Lei,WANG Shan-shan,DENG Hong,HAN Qi

(Wuhan Central Meteorological Observatory,Wuhan 430074,China)

Based on the dailyNECP/NCAR reanalysis data,the spatial distribution of temperature advection is analyzed in the process of low-temperature with freezing rain and snow from 11 January to 1 February 2008.Results show that,during the process,the weak cold air is continually supplied to the surface layer in Hubei Province.The warm advection in middle layer,the cold wedge in low layer,and the warm air from south climbing along the cold wedge are the most basic conditions,which leads to the snow process in Hubei Province.Another reason inducing the heavy snow in the east of Hubei is the war madvection caused by the eastern reflow in the low layer.When the cold air is full over Hubei Province,the rain and snow will stop.

low-temperature with freezing rain and snow;temperature advection;eastern reflow

P426.6

A

1674-7097(2010)06-0745-06

2010-06-20;改回日期:2010-09-04

科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAC48B03)

龍利民(1958—),女,湖南寧鄉(xiāng)人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)技術(shù)和方法,longdan825@sohu.com.

龍利民,黃治勇,蘇磊,等.2008年初湖北省低溫雨雪冰凍天氣溫度平流配置分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6):745-750.LongLi-min,Huang Zhi-yong,Su Lei,et al.Temperature advection structure of low-temperature process with freezing rain and snow in Hubei Province in 2008[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):745-750.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)