兩次雨轉(zhuǎn)大到暴雪過程的降水相態(tài)變化分析

郭巧紅

(浙江省氣象臺, 浙江 杭州 310017)

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兩次雨轉(zhuǎn)大到暴雪過程的降水相態(tài)變化分析

郭巧紅

(浙江省氣象臺, 浙江 杭州 310017)

對2013年2月的浙江兩次雨轉(zhuǎn)大到暴雪過程的環(huán)流背景、相態(tài)變化與地面氣溫及溫度的垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，各種降水相態(tài)出現(xiàn)時的地面溫度區(qū)間范圍較大。850～700 hPa有逆溫層是降雪的有利條件,700 hPa附近逆溫層頂溫度在零度以下,云頂高度較高或在925 hPa有強(qiáng)干冷空氣楔入時,即使地面溫度高于2 ℃也有可能出現(xiàn)純雪。反之700 hPa附近有大于零度的暖層存在、凝結(jié)層高度較低時,地面溫度低至-1 ℃以下也可以出現(xiàn)純液態(tài)降水。

降水相態(tài),地面溫度,融化層,探空曲線

0　引　言

大雪是浙江冬季最主要的災(zāi)害性天氣之一,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大雪災(zāi)害對農(nóng)林、交通、城市運(yùn)行、人民生活等各方面造成的影響越來越顯著。南方地區(qū)的降雪過程往往存在雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換過程。相同的降水量所形成不同的降水相態(tài)會對社會造成的完全不同的影響,例如對于5 mm的降水量,如果降水相態(tài)是雨,則為常見的小雨天氣,對人們生活不會造成太大的影響；如果降水相態(tài)轉(zhuǎn)換成雪,則可以演變?yōu)榇笱┨鞖?往往會造成災(zāi)害[1]。因此,在實際天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中,雨雪轉(zhuǎn)換的時間點(diǎn)成為降雪預(yù)報的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來,我國氣象科技工作者針對2008年南方的低溫雨雪冰凍災(zāi)害的成因做了較全面系統(tǒng)的研究[2-5],取得了不少成果和認(rèn)識,但針對浙江的雨雪轉(zhuǎn)換過程的預(yù)報判別指標(biāo)系統(tǒng)性研究則相對較少。本文從2013年2月浙江兩次雨轉(zhuǎn)大到暴雪過程的個例分析入手,對兩次降雪相態(tài)的變化進(jìn)行分析,旨在提煉出適合浙江的不同降水相態(tài)的預(yù)報判別指標(biāo)。

1　兩次雨轉(zhuǎn)大到暴雪天氣過程概況

2013年2月上旬和中旬,浙江中北部地區(qū)相繼出現(xiàn)了兩次較大范圍的雨轉(zhuǎn)大到暴雪過程。第一次過程(簡稱過程1,下同)出現(xiàn)在2月7—8日。2月7早晨受500 hPa淺槽東移和地面冷空氣影響,浙江省先出現(xiàn)降雨天氣。隨著冷空氣自北而南進(jìn)一步影響浙江省,氣溫逐漸下降,7日08時浙江最北部的長興站開始出現(xiàn)雨夾雪,7日14時湖州、嘉興地區(qū)北部開始出現(xiàn)純雪,杭州為雨夾雪。此后雪線緩慢南壓。7日20時杭州由雨夾雪轉(zhuǎn)雪。8日下午降雪區(qū)域南擴(kuò)至衢州、麗水北部、臺州北部一帶。江山、縉云、椒江一線及其以北地區(qū)都出現(xiàn)純雪。8日20時,浙江中北部地區(qū)積雪深度普遍有5～10 cm,杭州、紹興、寧波的部分地區(qū)積雪深度10～15 cm,較大的有嵊州19 cm、新昌16 cm、臨安15 cm、淳安14 cm、杭州13 cm(見圖1a)。2月8日夜里起,過程1的降雪逐漸減弱停止。

第二次雨雪換過程(簡稱過程2,下同)的降雪出現(xiàn)在浙江北部地區(qū)。2月18日受500 hPa西南暖濕氣流和地面冷空氣共同影響,在長江中下游及江淮地區(qū)出現(xiàn)較大范圍的降雨天氣。18日夜里隨著冷空氣進(jìn)一步南下影響,氣溫逐漸下降。19日02時湖州、杭州北部出現(xiàn)雨夾雪和冰粒,19日08時湖州、嘉興及杭州北部等地出現(xiàn)純雪,到19日14時降雪區(qū)域略有南壓至浙北地區(qū)南部的桐廬、諸暨一帶。19日14時以后降雪過程減弱結(jié)束,氣溫回升,積雪融化較快。過程2最大降雪深度出現(xiàn)在19日11時,湖州、嘉興及杭州地區(qū)北部普遍出現(xiàn)5～7 cm的大雪,安吉最大,為13 cm,臨安10 cm,杭州為5 cm(見圖1b)。

這兩場降雪過程一度造成部分高速路段關(guān)閉。特別是過程1,大雪導(dǎo)致2月7日下半夜到8日早晨以及8日夜里到9日早晨浙江省境內(nèi)幾乎所有高速全部封閉,浙江中北部地區(qū)公路運(yùn)輸受阻嚴(yán)重,蕭山機(jī)場發(fā)生大量航班延誤,對交通運(yùn)輸造成較為嚴(yán)重的影響。過程2由于降雪結(jié)束后氣溫回升,積雪融化較快,對交通影響影響相對較小。

(a)2013年2月8日20時；(b)2013年2月19日11時圖1　兩次過程積雪深度(單位：cm)

2　環(huán)流形勢分析

過程1降水出現(xiàn)時500 hPa中緯度環(huán)流較平,但在700 hPa切變南側(cè)的江南地區(qū)中北部存在西南風(fēng)急流。2月7日白天500 hPa有小槽東移,降水較明顯,但由于氣溫較高,浙江全省降水以雨或雨夾雪為主。7日20時500 hPa淺槽東移入海,浙江上空的500 hPa以西北偏西氣流為主,但700 hPa從7日08時至8日08時一直有切變線穩(wěn)定維持在長江附近,切變南側(cè)西南氣流較明顯,從湖南、江西北部至浙江中部存在16 m/s以上的西南風(fēng)急流帶,其中8日08時急流附近最大風(fēng)速達(dá)20 m/s。700 hPa西南急流不僅為降雪區(qū)輸送水汽,也為降雪提供有利的上升運(yùn)動條件。從地面到850 hPa在浙江中北部維持東到東北氣流,冷空氣從低層楔入,不

僅為降雪提供動力抬升條件,還與700 hPa的暖濕氣流形成上暖下冷有利于降雪的逆溫形勢見圖2(a1、b1、c1)。到8日20時,700 hPa切變線南壓至浙江南部,浙江降雪逐漸減弱。

對于過程2,500 hPa孟加拉灣低槽明顯,槽前西南氣流非常強(qiáng)盛,18日20時,隨著500 hPa高原槽東移,槽前西南氣流向長江流域輸送水汽和提供有利的上升運(yùn)動條件,850 hPa切變位于江南北部,在其南側(cè)也存在一支14 m/s的西南風(fēng)低空急流見圖2(a2、b2、c2)。受500 hPa低槽東移和850 hPa切變影響,在我國東部地區(qū)形成較大范圍的降水區(qū)域。由于前期氣溫較高,18日浙江省的降水相態(tài)為雨。18日夜里由于受地面冷空氣不斷南下影響,浙江省氣溫明顯下降。至19日凌晨,浙北地區(qū)由降雨天氣逐漸轉(zhuǎn)為降雪。

(a1、a2500 hPa；b1 700 hPa,b2 850 hPa；c1、c2地面)圖2　2013年2月7日20時(a1、b1、c1)和18日20時(a2、b2、c2)天氣圖

3　降水相態(tài)與地面溫度關(guān)系分析

眾所周知,降水的相態(tài)變化與地面氣溫關(guān)系非常密切,地面氣溫是預(yù)報降雪出現(xiàn)與否的指標(biāo)之一[6]。由于這兩次過程都經(jīng)歷了雨轉(zhuǎn)雪的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程,本文利用浙江省68個國家基本站每3 h間隔的地面氣溫、天氣現(xiàn)象等觀測資料,對這兩次雨雪轉(zhuǎn)換過程中的雨、雨夾雪、冰粒、純雪等4種不同降水相態(tài)出現(xiàn)時的地面溫度進(jìn)行分類統(tǒng)計,并得到30個雨夾雪、116個冰粒、306個純雪的地面氣溫樣本資料。

表1是兩次雨轉(zhuǎn)雪過程中不同降水相態(tài)出現(xiàn)時的地面溫度區(qū)間及不同降水相態(tài)的所有樣本的溫度中值。由表1可見,出現(xiàn)液態(tài)降水時觀測到的地面溫度最低值為-1.3 ℃。出現(xiàn)純降雪時觀測到的地面溫度最高值為2.4 ℃,純雪的樣本溫度區(qū)間值為-3.6～2.4 ℃,樣本中值為-1.1 ℃。由此可見,地面溫度低至零下1.3 ℃時可出現(xiàn)純液態(tài)降水,另一方面地面溫度在零上2.4 ℃時也可出現(xiàn)純雪。出現(xiàn)雨夾雪和冰粒的溫度區(qū)間范圍也比較大,分別為-1.9～4.3 ℃和-2.4～4.2 ℃,雨夾雪的地面溫度區(qū)間值略高于冰粒。雨夾雪和冰粒的樣本溫度中值分別為1.3 ℃和0.5 ℃,冰粒的樣本溫度中值要比雨夾雪低0.8 ℃。

表1　不同降水相態(tài)的地面溫度區(qū)間及中值　℃

另外,對兩次雨轉(zhuǎn)雪過程中的雨夾雪、冰粒、純雪等3種降水相態(tài)的樣本在不同溫度區(qū)間出現(xiàn)的頻次進(jìn)行統(tǒng)計分析,結(jié)果見表2。由表2可見,出現(xiàn)雨夾雪頻次最高的溫度區(qū)間值為1～2 ℃。在30個雨夾雪樣本中,其中有17個樣本的地面溫度落在1～2 ℃之間,占57%。在116個冰粒樣本中,出現(xiàn)頻次相對比較高的溫度區(qū)間為-1～2 ℃ ,共計占67%。在306個純雪的樣本中,從-3 ℃ 到1 ℃的各溫度區(qū)間里都有較多站次的純雪出現(xiàn)。但溫度大于1℃時出現(xiàn)降雪的頻次則只有20次,僅占6.5%。

表2 　雨夾雪、冰粒、雪等固態(tài)降水在不同溫度區(qū)間的頻次分布

統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn),過程1的降水相態(tài)與地面溫度的關(guān)系較為復(fù)雜。在浙江北部地區(qū),地面氣溫相對較高時出現(xiàn)了固態(tài)降水,例如2月7日14時,嘉善氣溫1.8 ℃,降水相態(tài)為雪；岱山氣溫4.3 ℃,降水相態(tài)為雨夾雪；普陀氣溫4.2 ℃、諸暨3.6 ℃、桐廬3.5 ℃降水相態(tài)為冰粒等。而在浙江中南部,部分地區(qū)氣溫降至0 ℃以下還出現(xiàn)液態(tài)降水,例如2月8日08時,寧海站氣溫低至-1.3 ℃、江山氣溫-1.0 ℃,測站觀測到的天氣現(xiàn)象仍為雨；義烏站氣溫-2.4 ℃,降水相態(tài)為冰粒。2月8日17時,江山氣溫-1.9 ℃,降水相態(tài)為雨夾雪等等。

另外,過程2從降雪開始一直到降雪結(jié)束,地面氣溫均較高,除臨安為-0.1 ℃外,降雪出現(xiàn)時,各地的氣溫一般都在0～2 ℃之間。其中2月19日14時,杭州、蕭山、余姚等地的氣溫升至2.3～2.4 ℃,而地面觀測到的降水相態(tài)仍為雪。

4　垂直溫度結(jié)構(gòu)特征分析

由前一節(jié)分析可知,各種降水相態(tài)出現(xiàn)時的地面溫度區(qū)間范圍較大。在過程1中的2月7日浙江東北部地區(qū)和過程2中,地面氣溫較高時出現(xiàn)了固態(tài)降水。而在另一方面,在過程1中,2月8日浙中南部分地區(qū)地面氣溫降至0 ℃以下時有純液態(tài)降水。因此從預(yù)報角度來看,要準(zhǔn)確預(yù)報降水相態(tài)的變化及雨雪量,除了要考慮地面溫度因素以外,還需進(jìn)一步分析高空溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)及變化趨勢。

4.1地面氣溫較高時出現(xiàn)固態(tài)降水的溫度垂直結(jié)構(gòu)

在過程1的2月7日14時嘉善站和過程2的2月19日14時杭州站的天氣現(xiàn)象都為純雪。而與此相對應(yīng),嘉善和杭州站的地面氣溫觀測值分別為1.8 ℃和2.4 ℃。為了分析此時嘉善和杭州站高空的溫度垂直結(jié)構(gòu)特征,利用NCEP分析場資料作經(jīng)過上述測站附近的溫度-緯度垂直剖面圖(見圖3)。由圖3可以見,測站上空1000 hPa以上所有層次的氣溫都在0 ℃以下。850～700 hPa高度層有的逆溫層存在,但在700 hPa附近沒有0 ℃以上的暖層。在925 hPa附近有一干冷舌往南伸展,925 hPa的氣溫在-4～-6 ℃,造成近地面層溫度垂直遞減率大,近地面大于0 ℃的暖層非常淺薄,雪花降到近地面時來不及融化。相比較而言,圖3b的925 hPa附近的干冷舌更明顯一些,近地面層溫度垂直遞減率更大一些,因此在過程2中, 19日14時杭州站地面溫度高達(dá)2.4 ℃仍有降雪天氣出現(xiàn)。925 hPa附近干冷空氣的楔入不僅為降雪提供了低層動力抬升機(jī)制,也為降雪天氣提供了有利的溫度環(huán)境場條件。

圖3　2013年2月7日14時嘉善附近(a)和19日14時杭州附近(b)溫度(單位：℃)、比濕(陰影)高度-緯度剖面圖

另外,2月7日14時,岱山站氣溫4.3 ℃出現(xiàn)了雨夾雪,普陀4.2 ℃出現(xiàn)了冰粒,從其上空的垂直剖面圖上(圖略)可見,近地面0 ℃以上的暖層相對較厚,1000 hPa氣溫接近2 ℃,零度層高度在950 hPa附近,在950hP以上高度層氣溫都在零度以下,850 hPa溫度為-3 ℃,850～700 hPa層次有逆溫,但700 hPa氣溫仍然低于0 ℃,有利于出現(xiàn)雨夾雪或冰粒天氣。

從以上分析可以看出,當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊? ℃左右,但1000 hPa以上層次的溫度都低于0 ℃,地面可以有降雪的相態(tài)出現(xiàn)。地面溫度到4 ℃,但950 hPa以上的高空都為0 ℃以下,850 hPa到-3 ℃,可以出現(xiàn)雨夾雪或冰粒。

4.2地面氣溫較低時出現(xiàn)液態(tài)降水的溫度垂直結(jié)構(gòu)

如前所述,在過程1中,2月8日浙中南部分地區(qū)地面氣溫降至0 ℃以下時有液態(tài)降水。例如江山8日08—11時,地面溫度降至-1.0 ℃,仍維持純液態(tài)降水；寧海8日08地面溫度低至-1.3 ℃,也出現(xiàn)液態(tài)降水。分析江山附近的衢州站和寧海附近的洪家站8日08時的探空資料,發(fā)現(xiàn)兩個探空站在700 hPa附近都存在大于0 ℃的融化層。衢州站700 hPa附近溫度為1 ℃。洪家站暖層更為深厚一些,700 hPa為1 ℃,750 hPa附近達(dá)2 ℃。同時還注意到,在衢州和洪家的探空圖上(圖4),500 hPa高度層以上,其溫度露點(diǎn)差都迅速增大,說明云頂大致位于500 hPa附近。此時衢州和洪家兩站500 hPa溫度都為-14 ℃,說明降水云層內(nèi)溫度相對較較高,不利于冰晶和雪花的形成,降水云層內(nèi)以過冷卻水滴為主從而形成液態(tài)降水。

圖4　2013年2月8日08時衢州站(a)和洪家站(b)探空圖

4.3雨(雨夾雪)轉(zhuǎn)雪的層結(jié)結(jié)構(gòu)特征分析

在實際天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中,對于存在相態(tài)轉(zhuǎn)換的雨雪天氣過程,雨轉(zhuǎn)雪的時間節(jié)點(diǎn)和雨雪分界線往往成為雪量和積雪深度預(yù)報的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。以下利用杭州、衢州兩個探空站的資料,對雨雪分界線附近降雪一側(cè)的溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步分析。

過程1,2月7日20時,杭州站由雨轉(zhuǎn)成純雪,杭州處于純雪區(qū)和雨夾雪的邊界附近。8日20時,隨著雪線的逐漸南壓,衢州站的降雪相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪,此時的衢州站同樣也處于純雪區(qū)和雨夾雪的邊界附近。比較2月7日20時杭州站和8日20時衢州站的探空圖(圖略),可見兩者的探空曲線較為相似。在850 hPa和700 hPa的高度層之間都有較明顯逆溫的存在,700 hPa附近溫度下降至0 ℃,850 hPa溫度分別為-8 ℃和-6 ℃。地面氣溫分別為-0.6 ℃和-1.6 ℃。從探空曲線分析,地面到高空各層的氣溫均在0 ℃以下,可見7日20時杭州站和8日20時衢州站的探空曲線是浙江典型的降雪的層結(jié)條件。

過程2的降雪出現(xiàn)在浙江北部地區(qū)。2月19日02時,湖州、杭州北部開始出現(xiàn)雨夾雪和冰粒。19日08時,杭州站由雨夾雪轉(zhuǎn)成雪,此時杭州站處于雪線附近。圖5為19日08時杭州站的探空曲線圖。由圖5可見,850 hPa和700 hPa的高度層之間同樣有較明顯逆溫的存在,850 hPa溫度為-7 ℃ ,700 hPa溫度也為0 ℃。與2月7日20時溫度層結(jié)不同之處是地面溫度在零度以上,為0.5 ℃。再分析19日08時露點(diǎn)溫度曲線,可以發(fā)現(xiàn)T-Td≤3 ℃飽和層達(dá)到400 hPa以上高度,大致在368 hPa附近,溫度-26 ℃。說明過程2降雪時的云頂高度較高,云頂溫度較低大致在-26 ℃左右,有利于冰晶和雪花形成。因此即便地面氣溫相對較高,也能出現(xiàn)降雪天氣。

圖5　杭州2月19日08時探空圖

5　降水相態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)報著眼點(diǎn)

通過對兩次雨轉(zhuǎn)雪過程中降水相態(tài)變化與地面溫度及溫度垂直結(jié)構(gòu)特征關(guān)系分析,可以得出以下幾點(diǎn)降水相態(tài)預(yù)報的著眼點(diǎn)。

1)各種降水相態(tài)出現(xiàn)時的地面溫度區(qū)間范圍較大。一方面,地面氣溫在2.4 ℃時出現(xiàn)了純降雪。而在另一方面,地面氣溫降至-1.3 ℃時也有液態(tài)降水。要準(zhǔn)確把握降水相態(tài)的變化,除了考慮地面溫度因素以外,還需分析高空溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)及變化。

2)700 hPa的0 ℃以上暖層的存在,是預(yù)報否有液態(tài)降水存在的關(guān)鍵,當(dāng)700 hPa附近有大于零度的暖層存在,且云層高度較低時,即便地面溫度低至-1 ℃以下也會存在液態(tài)降水。

3)925 hPa附近有干冷舌楔入,近地層溫度垂直遞減率較大時,在空中合適的層結(jié)條件下,即使地面溫度高于2 ℃,也會出現(xiàn)降雪。

4)在中低層合適的溫度層結(jié)背景下,當(dāng)云

頂高度較高,云頂溫度較低時,有利于冰晶和雪花形成,在地面溫度相對較高時也容易出現(xiàn)固態(tài)降水。

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2016-03-07