周玲麗 杜惠良

(浙江省氣象臺(tái),浙江杭州310017)

2010年一次浙江省暴雪過(guò)程的診斷分析

周玲麗 杜惠良

(浙江省氣象臺(tái),浙江杭州310017)

利用常規(guī)的地面和高空觀測(cè)資料,結(jié)合雷達(dá)資料和MM5中尺度數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)發(fā)生在2010年12月15日08時(shí)—16日20時(shí)的浙江暴雪過(guò)程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,本次降雪過(guò)程由北方強(qiáng)干冷空氣與穩(wěn)定加強(qiáng)的暖濕西南風(fēng)氣流交匯造成。冷空氣南壓使浙江省自北向南強(qiáng)烈降溫,西南氣流的穩(wěn)定維持則提供了源源不斷的水汽和能量,加上低層700hPa出現(xiàn)強(qiáng)烈的逆溫,這些都有利于降雪的產(chǎn)生和維持,最終達(dá)到大到暴雪的級(jí)別。利用雷達(dá)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn),浙中北地區(qū)降雪的主要影響系統(tǒng)是對(duì)流層低層的中尺度切變線。對(duì)流層低層的暖平流和對(duì)流層中下層的冷平流構(gòu)成“上冷下暖”的層結(jié)。在這種不穩(wěn)定的層結(jié)條件下,風(fēng)場(chǎng)的切變配合低層氣流的輻合,一起造成了浙江中北部地區(qū)的強(qiáng)降雪。浙中南部的降雪則主要是由于山區(qū)地形使得近地面空氣堆積產(chǎn)生強(qiáng)輻合,配合高空較強(qiáng)的輻散氣流,促使氣流形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)引發(fā)的。此外,對(duì)流層高層的正渦度輸送對(duì)降雪的形成和維持十分有利,當(dāng)高空出現(xiàn)正渦度時(shí)會(huì)有降雪形成,高空渦度的強(qiáng)度越強(qiáng),降雪的強(qiáng)度也越強(qiáng)。

暴雪;冷空氣;西南急流;中尺度切變線;逆溫

圖1 2010年12月16日08時(shí)浙江省12h積雪深度(單位:cm)

為了解暴雪天氣的環(huán)流背景,揭示中小尺度現(xiàn)象的特征和演變,本文利用常規(guī)的地面和高空觀測(cè)資料,結(jié)合多普勒雷達(dá)資料和MM5模擬結(jié)果,對(duì)本次浙江暴雪過(guò)程進(jìn)行診斷分析。

1 環(huán)流背景和天氣形勢(shì)

從500hPa的形式來(lái)看,本次降雪過(guò)程屬于比較典型的“橫槽型”[12]。在中高緯度,貝爾喀什湖附近有一個(gè)阻塞高壓;鄂霍次克海西北部有一個(gè)較強(qiáng)的東北冷渦穩(wěn)定維持,從山東半島到陜西中部地區(qū)有一支從冷渦底部伸出的橫槽存在;20°N～30°N地區(qū)為南支槽前的西南氣流(圖2a)。隨著青藏高原東北部的小槽在東移南壓到四川盆地的過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)豎,在橫槽北側(cè)堆積的強(qiáng)冷空氣開(kāi)始逐漸分裂南下并與西南暖濕氣流交匯,造成浙江全省大部氣溫持續(xù)下降到-5℃～-2℃,引起了一場(chǎng)暴雪過(guò)程(圖2b)。

圖2 實(shí)況500hPa高度場(chǎng)(單位:dagpm)(圖中粗線為高空槽的位置)

圖3 15日08時(shí)700hPa高度(單位:dagpm)

伴隨著500hPa高空環(huán)流的演變,低層700 hPa流場(chǎng)上的急流和切變系統(tǒng)的發(fā)展移動(dòng)也與之對(duì)應(yīng)配合。如圖3所示,700hPa高度上分布有兩支很強(qiáng)的低空西北急流和西南風(fēng)急流。前者急流軸的位置主要位于內(nèi)蒙古東部—華北北部—山東半島一線,中心風(fēng)速達(dá)到了32m/s,將冷空氣不斷輸送到南方地區(qū);后者是主要來(lái)自孟加拉灣和南中國(guó)海的暖濕氣團(tuán),中心風(fēng)速位置則分布在華南和華東地區(qū)一帶,最大風(fēng)速中心出現(xiàn)在貴州、湖南和廣西3省交界處,中心值約為20m/s。這兩支屬性截然不同的強(qiáng)低空急流在33°N附近的四川—湖南—江西—江浙交界一帶交匯,同時(shí)還在四川盆地附近發(fā)展形成一個(gè)低渦系統(tǒng),渦前部的偏東風(fēng)和西南風(fēng)之間形成了較強(qiáng)的切變,這也正是降雪出現(xiàn)的地區(qū)。此后隨著冷空氣勢(shì)力的加強(qiáng)南下,氣流的匯合線逐漸南壓,浙江省自北而南產(chǎn)生降雪。

2 雷達(dá)產(chǎn)品分析

考慮到常規(guī)的實(shí)況觀測(cè)資料在時(shí)空尺度上的不足,無(wú)法捕捉到中小尺度現(xiàn)象的發(fā)展和演變過(guò)程,本文以杭州站為代表,利用多普勒雷達(dá)資料對(duì)浙北地區(qū)降雪過(guò)程中的中小尺度現(xiàn)象進(jìn)行分析(圖略)。

15日00時(shí),在距離雷達(dá)中心50km的半徑內(nèi),也就是低層1.5km高度以下的速度零線呈順時(shí)針彎曲,說(shuō)明對(duì)流層低層中有暖平流;彎向正速度區(qū)的曲率要大于彎向負(fù)速度區(qū)的曲率,表明對(duì)流層低層中還存在著風(fēng)向的輻合。在50～100km半徑范圍內(nèi),也就是1.5～35km高度之間,杭州雷達(dá)站西北側(cè)德清和安吉地區(qū)上空的速度零線又轉(zhuǎn)為逆時(shí)針彎曲,這表示該區(qū)域高度中存在冷平流,根據(jù)地面天氣圖可知(圖略),這是北方冷空氣南下造成的,說(shuō)明此時(shí)冷空氣前鋒已經(jīng)開(kāi)始影響浙北北部地區(qū)。對(duì)比同時(shí)刻1.5km高度上的CAPPI反射率回波可知,此時(shí)浙江省境內(nèi)只有一些強(qiáng)度在10～15dBz之間的微弱回波,還并沒(méi)有降水產(chǎn)生。但是對(duì)流層低層的暖平流和中下層的冷平流構(gòu)成“上冷下暖”的結(jié)構(gòu),形成靜力不穩(wěn)定層結(jié),加上對(duì)流層低層氣流的輻合結(jié)構(gòu),為降水的形成提供了有利條件。

15日09時(shí)的速度回波中,邊界層1km高度以下仍維持著暖平流和輻合結(jié)構(gòu),但邊界層頂以上到2km高度之間均已轉(zhuǎn)為冷平流影響,并且已經(jīng)向南擴(kuò)散到了紹興和上虞等地。這意味著冷空氣前鋒以及開(kāi)始向低層擴(kuò)散并南壓到了浙中地區(qū)。在距離雷達(dá)中心80km半徑處的2.5km高度上,零速度線出突然出現(xiàn)了180°的拐彎,這是切變線在雷達(dá)速度回波上的典型特征。低層不穩(wěn)定層結(jié)中,切變線的形成是產(chǎn)生降水的標(biāo)志,配合氣流的輻合條件和冷空氣造成的強(qiáng)烈降溫,此時(shí)浙江中北部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的降雪。

15日22時(shí)54分,隨著冷空氣的進(jìn)一步南下侵入,低層切變線逐漸減弱成局地的輻合,浙江北部大部分地區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)控制。此時(shí)的降水逐漸減弱,主要的雨雪區(qū)開(kāi)始向南轉(zhuǎn)移,浙中南部等地開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降雪天氣。

從以上分析可知,對(duì)流層低層的暖平流和對(duì)流層中下層的冷平流構(gòu)成“上冷下暖”的層結(jié)。在這種不穩(wěn)定的層結(jié)條件下,低層的輻合和切變配合充足的水汽和強(qiáng)烈的降溫一起造成了浙江中北部地區(qū)的強(qiáng)降雪。

3 模擬結(jié)果診斷分析

由于雷達(dá)資料的獲取和觀測(cè)范圍的限制,無(wú)法進(jìn)一步對(duì)出現(xiàn)最強(qiáng)降雪的浙江中南部地區(qū)中小尺度現(xiàn)象的分析,因此本文利用了美國(guó)由PSU/NCAR共同開(kāi)發(fā)的第5代中尺度數(shù)值模式MM5(V3.6)對(duì)本次暴雪過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬效果基本符合實(shí)況的前提下,利用模式的高分辨率結(jié)果進(jìn)一步彌補(bǔ)資料的不足。

圖4 15日08時(shí)散度場(chǎng)垂直剖面(單位:×10-5s-1)

分析圖4給出降雪發(fā)生之初,沿著浙江中南部24h最強(qiáng)降水區(qū)的散度場(chǎng)垂直剖面可見(jiàn),整個(gè)對(duì)流層中上層全部為氣流的輻散區(qū),輻散中心分布均勻,強(qiáng)度約在6×10-5s-1左右。在對(duì)流層中下層,由于地形作用影響,在山體之間的下凹地形處容易形成空氣的堆積,從而造成較強(qiáng)的輻合,強(qiáng)度在-30×10-5s-1以上。強(qiáng)的輻合與高空強(qiáng)度輻散配合,“抽吸”作用有利于加強(qiáng)氣流的垂直上升運(yùn)動(dòng)。垂直速度場(chǎng)表明,正是從15日08時(shí)以后開(kāi)始,降水區(qū)從下沉氣流為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的上升氣流(圖略)。本次暴雪過(guò)程最強(qiáng)降雪出現(xiàn)在山區(qū),積雪深度達(dá)到了20～30cm,正是高低空輻散-輻合的垂直結(jié)構(gòu)為降雪的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。

圖5 降雪發(fā)生前和發(fā)生時(shí)渦度場(chǎng)(單位:×10-5s-1)垂直剖面

進(jìn)一步分析圖5a可以發(fā)現(xiàn),在降雪發(fā)生之前,對(duì)流層中高層上為負(fù)渦度區(qū),強(qiáng)度在-13× 10-5～-17×10-5s-1之間;低層為較強(qiáng)的正渦度中心,最大值在35×10-5s-1以上。到了15日23時(shí)(圖5b),降雪發(fā)生且最強(qiáng)時(shí),中高層轉(zhuǎn)為正渦度并且強(qiáng)度發(fā)展到最強(qiáng)的21×10-5s-1;低層此時(shí)在降雪區(qū)域雖然仍為正當(dāng)渦度中心控制,但負(fù)渦度的勢(shì)力明顯比之前有所發(fā)展。分析整個(gè)降雪過(guò)程中渦度場(chǎng)的演變也可以發(fā)現(xiàn)這樣的情況(圖略)。這說(shuō)明,在本次過(guò)程中,對(duì)流層高層有正渦度平流向降雪區(qū)輸送。當(dāng)高空出現(xiàn)正渦度時(shí)會(huì)有降雪形成,高空渦度的強(qiáng)度越強(qiáng),降雪的強(qiáng)度也越強(qiáng)。高層正渦度的發(fā)展與低層正渦度中心一起構(gòu)成一個(gè)從近地面向上伸展至高空的正渦度柱結(jié)構(gòu),對(duì)降水的維持和發(fā)展非常有利。

4 能量結(jié)構(gòu)分析

進(jìn)一步從能量和水汽角度分析本次暴雪過(guò)程降雪較強(qiáng)的衢州站位溫的垂直結(jié)構(gòu),圖6給出了暴雪發(fā)生前、發(fā)生時(shí)以及結(jié)束時(shí)位溫、假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫的垂直廓線。

圖6a顯示,降雪發(fā)生之前的12h,低層850hPa以下假相當(dāng)位溫線和飽和假相當(dāng)位溫線幾乎重合,低層空氣近似飽和,水汽條件很好;850hPa之上,假相當(dāng)位溫線與飽和假相當(dāng)位溫線逐漸遠(yuǎn)離,轉(zhuǎn)而靠近位溫線,這表示水汽含量隨高度慢慢減少,空氣逐漸變干。這主要是因?yàn)榈蛯?50hPa以下風(fēng)速12m/s的偏東風(fēng),能夠從海上輸送水汽;而850hPa以上為來(lái)自內(nèi)陸的較干的偏西風(fēng)急流。因此,降雪發(fā)生前,衢州站上空為上干冷下暖濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),低層偏東風(fēng)和高層偏西風(fēng)之間還形成了較強(qiáng)的風(fēng)的垂直切變,這都非常有利于降水的形成。到了15日08時(shí)(圖6b),高層風(fēng)向開(kāi)始從偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng),也開(kāi)始為衢州上空輸送充沛的水汽,使得對(duì)流層高低層均為近似飽和的狀態(tài);同時(shí)由于受到冷空氣的影響,衢州站出現(xiàn)了明顯的降溫,低層降溫幅度達(dá)到了10℃左右。在有利的環(huán)流場(chǎng)形勢(shì)下,衢州站從15日08時(shí)以后就開(kāi)始出現(xiàn)降雪。到了15日20時(shí)(圖6c), 850hPa以上的西南氣流進(jìn)一步加強(qiáng),整層的水汽條件得以仍然維持著近似飽和的狀態(tài),同時(shí)衢州站的溫度又繼續(xù)下降了5℃,降雪繼續(xù)維持發(fā)展。當(dāng)16日08時(shí)(圖6d),高層再次轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),低層700hPa以下也基本轉(zhuǎn)為了西北風(fēng),水汽條件開(kāi)始轉(zhuǎn)差,雖然繼續(xù)維持著低溫,但雨雪天氣基本趨于結(jié)束。

(圖中綠色曲線為位溫,棕色曲線為假相當(dāng)位溫,藍(lán)色曲線為飽和假相當(dāng)位溫)

5 溫度條件分析

冷暖空氣的交匯為降水提供了有利的條件,但是雨水是否能夠轉(zhuǎn)化為固態(tài)雪的一個(gè)關(guān)鍵因素在于溫度。南方降雪有利的溫度條件在垂直方向上,一般需要滿足以下幾點(diǎn):地面溫度≤4℃,850hPa溫度≤-3℃,700hPa溫度≤0℃, 500hPa溫度≤-12℃,并且中層要有逆溫層[13]。曾欣欣[12]對(duì)歷年92次浙江大雪過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)了大雪預(yù)報(bào)概念模型,并針對(duì)溫度條件進(jìn)行了深入探討發(fā)現(xiàn),當(dāng)存在逆溫現(xiàn)象時(shí),700hPa溫度比850hPa溫度要至少高出1℃時(shí)比較有利于降雪的產(chǎn)生。

對(duì)本次過(guò)程降雪最大之一的衢州站各層溫度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),從14日20時(shí)各層已經(jīng)出現(xiàn)降溫,其中850hPa降溫最快,24h溫度就下降了10℃,達(dá)到了-10℃;其次是925hPa,24h氣溫下降9℃達(dá)到了-6℃;而700hPa則是各層中降溫幅度最小的,從14日20時(shí)到16日08時(shí)僅僅緩慢下降了4℃。根據(jù)前面對(duì)700hPa環(huán)流場(chǎng)(圖7)的分析可知,這主要是由于強(qiáng)暖濕西南氣流的影響導(dǎo)致該層溫度下降緩慢。850hPa和925hPa的強(qiáng)烈降溫導(dǎo)致從15日08時(shí)到16日08時(shí)形成了逆溫層,并且最大逆溫差值達(dá)到了7℃。這樣的低溫條件和逆溫層結(jié)構(gòu)非常有利于暴雪的產(chǎn)生。

圖7 衢州站從地面到700hPa各層氣溫變化曲線(單位:℃)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文利用常規(guī)的地面和高空觀測(cè)資料,結(jié)合雷達(dá)速度圖和MM5中尺度數(shù)值模式對(duì)發(fā)生在2010年12月15日08時(shí)—16日20時(shí)的浙江暴雪過(guò)程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:

(1)本次降雪過(guò)程主要是由于北方強(qiáng)干冷空氣與穩(wěn)定加強(qiáng)的暖濕西南風(fēng)氣流交匯造成的。冷空氣勢(shì)力不斷加強(qiáng)南壓,使得浙江省自北而南強(qiáng)烈降溫產(chǎn)生降雪;西南氣流的穩(wěn)定維持提供了源源不斷的水汽和能量,并使700hPa出現(xiàn)逆溫,這都有利于降雪的出現(xiàn)和維持。

(2)浙中北地區(qū)的降雪的直接影響系統(tǒng)是對(duì)流層低層的中尺度切變線。對(duì)流層低層的暖平流和對(duì)流層中下層的冷平流構(gòu)成“上冷下暖”的層結(jié)。在這種不穩(wěn)定的層結(jié)條件下,風(fēng)場(chǎng)的切變配合低層氣流的輻合,一起造成了浙江中北部地區(qū)的強(qiáng)降雪。

(3)浙中南部的降雪則主要是在大幅度的降溫和充足的水汽條件下,由于山區(qū)地形使得近地面空氣堆積產(chǎn)生強(qiáng)輻合,配合高空較強(qiáng)的輻散氣流,促使氣流形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)引發(fā)的。此外,對(duì)流層高層的正渦度輸送對(duì)降雪的形成和維持十分有利,當(dāng)高空出現(xiàn)正渦度時(shí)會(huì)有降雪形成,高空渦度的強(qiáng)度越強(qiáng),降雪的強(qiáng)度也越強(qiáng)。

[1] SalmonEM,PhilipSJ.Focusoforecasting:Asynopticanalysisofthe25-26January1978blizzardcycloneinthe centralUnitedStates[J].BullAmer.Meteo.Soc.,1980, 61(5):453-460.

[2] BrahamRRJr.Themidwestsnowstormof8-11December 1977[J].Mon.Wea.Rev.,1983,111:253-272.

[3] UlbrichU,FinkAH,KlawaM,etal.Threeextreme stormsoverEuropeainDecember1999[J].Weather,2001, 56(3):70-80.

[4] PearceR,LioydD,McConnellD.Thepost-Christmas“French”stormsof1999[J].Weather,2001,56(3):81 -90.

[5] NinomiyaK.PolarlowdevelopmentovertheeastcoastofA-siancontinenton9-11Dcember1985[J].J.Meteor. Soc.Japan,1991,69(6):669-685.

[6] ShumizuN,UchidaA.Anobservationalstudyoforganized snowechoovertheJapanSea[J].J.Meteor.Soc.Japan, 1974,52(3):289-299.

[7] BernsteinBC.Regionalandlocalinfluencesonfreezing drizzle,freezingrain,andicepelletevents[J].Wea.Forecasting,2000,15:485-507.

[8] 張小玲,程麟生.“96.1”暴雪期中尺度切變線發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力診斷I:渦度和渦度變率診斷[J].高原氣象, 2000,19(3):285-294.

[9] 林曲風(fēng).山東半島中尺度強(qiáng)降雪過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征分析[D].青島:青島海洋大學(xué),2004.

[10] 宮吉德,李彰俊.低空急流與內(nèi)蒙古的大(暴)雪[J].氣象,2001,27(12):3-7.

[11] 王東勇,劉勇,周昆.2004年末黃淮暴雪的特點(diǎn)分析和數(shù)值模擬[J].氣象,2006,32(1):30-35.

[12] 曾欣欣.浙江大雪的天氣氣候分析和預(yù)報(bào)[J].浙江氣象,2008,29(1):11-14.

[13] 季致建,邱小偉.麗水地區(qū)40年大到暴雪氣候[J].浙江氣象科技,1995,16(4):1-6.

0 引 言

近年來(lái),凍雨暴雪天氣多次襲擊我國(guó)南方地區(qū),造成冰凍災(zāi)害,引發(fā)交通事故和人員傷亡。對(duì)于暴雪的成因,國(guó)外早在1978年就做過(guò)診斷分析,發(fā)現(xiàn)高層冷平流導(dǎo)致斜壓性的再次增加是產(chǎn)生暴雪的主要原因[1]。不少研究還發(fā)現(xiàn),溫帶氣旋的發(fā)展登陸和低壓系統(tǒng)的發(fā)展與暴雪的發(fā)生有密切的關(guān)系[2-6]。地形和水汽對(duì)凍雨雪天氣的形成起關(guān)鍵作用[7]。近年來(lái),隨著我國(guó)降雪和冰凍天氣的頻發(fā),人們對(duì)暴雪的研究也越來(lái)越重視。張小玲和程麟生[8]對(duì)高原的暴雪過(guò)程進(jìn)行了水汽和動(dòng)力診斷分析,認(rèn)為水汽、條件不穩(wěn)定在高原暴雪中起重要作用。林曲風(fēng)[9]對(duì)一次暴雪過(guò)程進(jìn)行中尺度模擬和分析,發(fā)現(xiàn)地形對(duì)局地水汽的累積和輻合的增強(qiáng)有巨大作用。宮吉德和李彰俊[10]研究了低空急流與暴雪過(guò)程的關(guān)系,認(rèn)為低空偏南急流對(duì)于暴雪過(guò)程起著重要的作用。王東勇等[11]指出,在強(qiáng)降雪時(shí),近地面925 hPa附近有很強(qiáng)的超低空急流。

受強(qiáng)冷空氣影響,2010年12月15日08時(shí)—16日20時(shí)浙江省大部地區(qū)出現(xiàn)了一次大到暴雪過(guò)程。從15日早晨開(kāi)始,浙北的湖州、杭州和浙西的衢州等地區(qū)先出現(xiàn)降雪,隨即降雪區(qū)南壓影響全省。全省大部積雪深度達(dá)12～15cm,局部15～20cm,山區(qū)20～30cm。全省日平均氣溫下降了7～10℃,山區(qū)最低氣溫在16日05時(shí)達(dá)到了-6℃左右,0℃以下氣溫最長(zhǎng)持續(xù)了20～22h。本次降雪過(guò)程是浙江省比較少見(jiàn)的全省性大范圍降雪,80%站出現(xiàn)降雪(圖1)。本次降雪過(guò)程導(dǎo)致浙江省出現(xiàn)較嚴(yán)重低溫、冰凍災(zāi)害,造成交通受阻,交通事故頻發(fā),農(nóng)林業(yè)遭受較大損失,大雪壓塌屋棚頂,致多人受傷,用電量創(chuàng)2010年冬季最高負(fù)荷。

2010-02-09