周 慧，黃驕文，蘇 濤，蔡榮輝

（1.湖南省氣象臺，長沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，長沙 410118）

降雪天氣是中國北方和高原地區(qū)冬季主要的天氣事件，南方地區(qū)由于緯度相對比較低，冷空氣在南下過程中變性減弱，南方冬季出現(xiàn)強(qiáng)降雪天氣概率較低，因此很多關(guān)于降雪天氣過程的研究也主要集中在北方和高原地區(qū)［1-5］。然而，低溫雨雪冰凍災(zāi)害實質(zhì)上也是南方冬季的主要災(zāi)害之一。2008年冬季中國南方發(fā)生了低溫雨雪冰凍的極端異常天氣，該過程強(qiáng)度之大、影響范圍之大、持續(xù)時間之長、造成災(zāi)害之重為歷史罕見。針對2008年初低溫雨雪冰凍過程，中國氣象工作者從大氣環(huán)流背景、天氣氣候特征及天氣動力成因等多方面做了大量研究工作，其中丁一匯等［6］指出該過程與氣候變暖的關(guān)系，王東海等［7］分析了這次過程的天氣特征及其天氣動力學(xué)成因，王遵婭等［8］揭示了這次過程的氣候特征，還有很多學(xué)者［9-13］從不同省份出發(fā)對2008年低溫雨雪冰凍過程進(jìn)行了成因分析和影響評估。經(jīng)過2008年的冰凍災(zāi)害后，有些學(xué)者又將南方的一些低溫雨雪冰凍天氣過程進(jìn)行了對比分析［14-16］，得到了一些有益的結(jié)果。但是，南方的低溫雨雪冰凍天氣過程具有復(fù)雜性和地域性，因此進(jìn)一步開展深入系統(tǒng)的研究十分重要。

2018年1月3—8日和24—31日湖南省發(fā)生了2次較長時間序列的低溫雨雪冰凍天氣過程，過程期間出現(xiàn)了多種災(zāi)害性天氣，包括暴雪、凍雨、雷暴、強(qiáng)降溫及偏北大風(fēng)等。本研究應(yīng)用常規(guī)觀測資料和NCEP再分析資料，從天氣學(xué)的角度對2018年1月發(fā)生在湖南省的2次低溫雨雪冰凍天氣過程進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，提出了南方低溫雨雪冰凍天氣過程的預(yù)報著眼點，以期為提高南方低溫雨雪冰凍天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和精細(xì)化程度提供有益的思路和方法。

1 2次低溫雨雪冰凍過程實況

2018年1月3—8日湘中以北出現(xiàn)該年首次低溫雨雪冰凍天氣過程，期間共21縣市出現(xiàn)雨夾雪或雪，8縣市出現(xiàn)積雪，其中安化積雪深度最大（4 cm），石門、安化積雪日數(shù)最多（4 d）。根據(jù)DB43/T 234—2004中的冰凍監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，28縣市出現(xiàn)冰凍，冰凍最長持續(xù)時間為5 d（桃江），最大電線積冰厚度為8 mm（長沙，1月6日）。全省平均氣溫為2.4℃，最低氣溫為-3.1℃（澧縣），全省平均降水量為32.7 mm。4日降雪最為明顯。

緊接著1月24—31日又出現(xiàn)幾乎全省性的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程，91縣市出現(xiàn)雪或雨夾雪，76縣市出現(xiàn)純雪，6縣市出現(xiàn)暴雪（臨湘、汨羅、益陽、桃江、沅江、岳陽），73縣市出現(xiàn)積雪，其中沅江積雪深度最大，為8 cm。共92縣市出現(xiàn)冰凍，冰凍范圍為2000年以來第二高位，僅次于2008年。冰凍最長持續(xù)時間為7 d（南岳），最大電線積冰厚度為29 mm（郴州，1月28—31日）。全省平均氣溫為0.3℃，75縣市最低氣溫低于-2℃，37縣市最低氣溫低于-4℃（最低值-6.0℃，臨湘、汨羅）。

由表1可知，2018年1月24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程較3—8日過程具有以下幾個特點：①影響范圍廣。24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程波及全省14個地市（州），而3—8日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍過程主要在湘中以北；②持續(xù)時間更長。24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣前后持續(xù)了8 d，而3—8日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍過程則持續(xù)了6 d。③強(qiáng)度強(qiáng)。

表1 2018年1月湖南省2次持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程對比情況

2 低溫雨雪冰凍過程成因分析

2.1 水汽條件

圖1為湖南省區(qū)域平均比濕在這2次低溫雨雪冰凍過程中的時間剖面。由圖1a和圖1b可以看出，2次過程比濕垂直伸展高度較高，濕層較為深厚，5 g/kg的比濕線均位于700 hPa附近，低層水汽條件很好，整個過程低層的比濕都超過5 g/kg，為雨雪過程提供了較好的水汽條件。比濕變化與降水量的變化是對應(yīng)的，24日和27日降水較強(qiáng)，范圍較廣，對應(yīng)比濕圖上在該時段存在2個高值中心。

圖1 湖南省區(qū)域（108—115°E，25—30°N）平均比濕（單位：g/kg）的時間剖面

為了分析過程期間湖南省水汽條件的南北差異和輸送情況，沿113°E作水汽通量散度和水汽通量的剖面圖，如圖2所示。1月初的過程中低層水汽的匯合區(qū)主要集中在27°30′N以北的湘北地區(qū)，這與環(huán)流場上湘北的風(fēng)場輻合區(qū)相對應(yīng)（圖2a）。低層水汽通量在過程前期相對較小，大值區(qū)也位于湘北，為湘北的前期降水提供了水汽，隨著冷空氣南下和西南急流的加強(qiáng)，水汽通量明顯增加，中心值超過15 g/（cm·hPa·s），而且大值區(qū)呈南北帶狀分布（圖2b），說明了西南急流的水汽輸送作用對降水的增強(qiáng)和雨雪帶的南壓有影響。

1月底的過程中低層水汽匯合時段為26—28日，匯合區(qū)自北向南逐漸移動，這與環(huán)流場上風(fēng)場輻合區(qū)相對應(yīng)，隨著北風(fēng)南壓，冷暖氣流的交匯區(qū)逐漸南移（圖2c）。低層水汽通量也在26—28日出現(xiàn)大值中心，這與該時段內(nèi)西南急流的加強(qiáng)有關(guān)，隨著冷空氣南下和西南急流的加強(qiáng)，水汽通量明顯增加，中心值超過0.016 g/（cm·hPa·s），大值區(qū)也呈南北帶狀分布（圖2d），表現(xiàn)出了西南急流的水汽輸送作用，為雨雪過程提供了有利的水汽條件。

圖2 低層水汽通量散度［a、c，單位：10-5 g/（cm2·hPa·s）］和水汽通量［b、d，單位：10-3 g/（cm·hPa·s）］沿113°E的時間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線）

2.2 動力條件

分析2次低溫雨雪冰凍天氣過程中850 hPa經(jīng)向風(fēng)沿113°E的時間剖面可發(fā)現(xiàn)（圖3），1月初過程有強(qiáng)盛的冷空氣與之伴隨（圖3a），2—3日冷空氣中心位于湖南省北部，偏北風(fēng)達(dá)到10 m/s以上，隨著時間的推移，冷空氣逐漸南壓并影響整個湖南省，偏北風(fēng)中心也逐漸南移，5日晚上位于湘中地區(qū)。同時5日開始低層的西南氣流明顯加強(qiáng)，加強(qiáng)的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團(tuán)交匯于湖南省中北部，風(fēng)場輻合十分明顯，風(fēng)速梯度也顯著加強(qiáng)，造成湘中以北雨雪天氣。而1月底過程也有強(qiáng)盛的冷空氣與之伴隨（圖3c），27日偏北風(fēng)更為強(qiáng)盛，可達(dá)12 m/s，攜帶冷空氣向南發(fā)展并影響整個湖南省，偏北風(fēng)中心也逐漸南移。加強(qiáng)的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團(tuán)的交匯和風(fēng)場的輻合造成省內(nèi)大范圍的雨雪天氣。

這里定義T26為25°—27°N、109°—114°E范圍內(nèi)的平均溫度，T30為29°—31°N、109°—114°E范圍內(nèi)平均溫度，T26和T30之差即表征湖南省范圍的鋒區(qū)強(qiáng)度。從鋒區(qū)的演變可以看出，1月初過程中（圖3b）平均鋒區(qū)的位置基本位于800～900 hPa，強(qiáng)度在4日有明顯的加強(qiáng)，與經(jīng)向風(fēng)的變化以及冷空氣的南下相對應(yīng)。而1月底過程中（圖3d）平均鋒區(qū)的位置基本也處于800～900 hPa，強(qiáng)度較強(qiáng)并持續(xù)，與持續(xù)存在的偏北風(fēng)相對應(yīng)。

圖3 850 hPa經(jīng)向風(fēng)（a、c，單位：m/s）沿113°E的時間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線）和湖南省區(qū)域平均鋒區(qū)強(qiáng)度（b、d，單位：℃）時間剖面

綜上分析，2次低溫雨雪冰凍天氣過程的風(fēng)場變化和動力條件存在較為明顯的差異，1月初的過程冷空氣相對較淺薄，暖空氣沿著淺薄的冷墊爬升，850 hPa經(jīng)向風(fēng)以南風(fēng)為主，偏北風(fēng)位于850 hPa之下，明顯的風(fēng)場輻合也出現(xiàn)在較低層；1月底的過程冷空氣相對較深厚，850 hPa上就表現(xiàn)出了較強(qiáng)的南北風(fēng)輻合和冷暖氣流交匯，相比1月初的過程，其更有利于低溫雨雪冰凍過程的增強(qiáng)和持續(xù)。

2.3 熱力條件

假相當(dāng)位溫是體現(xiàn)溫度、氣壓、濕度等的綜合物理量，其時間演變圖顯示出了地面鋒區(qū)的位置和結(jié)構(gòu)，圖4給出了2次低溫雨雪冰凍過程發(fā)生較強(qiáng)時刻4日和27日假相當(dāng)位溫的垂直剖面。從圖4a可以看出，4日8時假相當(dāng)位溫剖面上存在明顯的等線密集區(qū)，向底層伸展到600 hPa，并隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，說明有冷空氣不斷從北邊侵入，冷空氣勢力較強(qiáng)，地面鋒區(qū)位于25°N附近。而27日8時的假相當(dāng)位溫剖面上也存在明顯的等線密集區(qū)，向底層伸展到700 hPa，地面鋒區(qū)位于23°N附近（圖4b）。2次過程在近地面的鋒區(qū)坡度均明顯增大，等位溫線甚至接近垂直，均有利于鋒區(qū)的加強(qiáng)和冰凍雨雪天氣的發(fā)生。

圖4 4日8時（a）和27日8時（b）的假相當(dāng)位溫沿113°E的垂直剖面（單位：K）

2次低溫過程的主要差異還表現(xiàn)在冷空氣強(qiáng)度和降溫情況上，這也是1月底冷空氣過程造成全省范圍內(nèi)嚴(yán)重雨雪冰凍的根本原因。從區(qū)域平均溫度、氣壓演變可以看出（圖5），1月底過程的冷空氣強(qiáng)度明顯強(qiáng)于月初的過程，1月初過程區(qū)域溫度的降幅在10℃以內(nèi)，低層和地面的最低溫度并未降到0℃，最高氣壓也在1 030 hPa以下；而1月底過程的溫度降幅較為明顯，超過10℃，最低溫度在0℃以下，28日晚850 hPa的氣溫達(dá)到-8℃，26日之后地面氣壓基本維持在1 030 hPa附近。這種強(qiáng)盛冷空氣影響，帶來氣溫驟降、氣壓急升在1月底過程中表現(xiàn)得十分明顯，同時也造成了全省大范圍的冰凍天氣。

圖5 湖南省區(qū)域平均（108—115°E，25—30°N）的海平面氣壓（SLP）、850 hPa溫度（850-T）以及地面氣溫（surface-T）的演變

2.4 層結(jié)條件

分別選取代表純雪、凍雨、雨的代表站點4日20時的探空曲線分析，常德出現(xiàn)純雪（圖6a），顯示地面溫度在0℃以下，800 hPa附近有逆溫存在，700 hPa有較強(qiáng)的急流，850 hPa以下均為偏北氣流，冷墊深厚，低層有弱輻合，冷暖氣流交匯，有利于純雪的產(chǎn)生。長沙附近出現(xiàn)凍雨，由該時刻探空曲線（圖6b）可以看出，950～800 hPa存在明顯的逆溫層，800～700 hPa有一融化層，850 hPa以下溫度基本低于0℃，形成了凍結(jié)層，低層偏北冷空氣相對淺薄，但也存在冷暖空氣的交匯和輻合，這有利于該地區(qū)凍雨的形成。懷化探空曲線（圖6c）也表現(xiàn)出了與長沙站類似的逆溫層和融化層，但在融化層之下的凍結(jié)層過于淺薄，只在900 hPa附近出現(xiàn)了小于0℃的淺薄凍結(jié)層，所以最終懷化站實況上沒有明顯的凍雨，而是以降雨現(xiàn)象為主。郴州（圖6d）附近600 hPa以下的溫度皆高于0℃，實況上表現(xiàn)為降雨。

圖6 4日20時常德（a）、長沙（b）、懷化（c）和郴州（d）探空圖

3 雷達(dá)回波分析

1月27日22時至28日凌晨，湘中以北下雪的同時出現(xiàn)了雷暴，稱之為雷打雪現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，27日20時湘中以北處于冷鋒后部，地面至925 hPa為深厚冷墊，700 hPa西南急流發(fā)展旺盛，為26 m/s，850 hPa處于偏北風(fēng)控制，900～800 hPa有逆溫存在（圖7a），同時在925 hPa和850 hPa有輻合抬升，700～500 hPa飽和假相當(dāng)位溫差為-0.92℃，850～500 hPa飽和假相當(dāng)位溫差為-32.4℃，接近穩(wěn)定（圖7b），不利的條件是CAPE值小，這些特征表明此次過程為高架雷暴。從常德雷達(dá)資料進(jìn)行分析可知（圖7c、圖7d），在凌晨1：52左右，對應(yīng)的組合反射率因子為35 dBZ，基本達(dá)到了對流回波的強(qiáng)度，回波呈帶狀排列，回波頂高大部分為6～7 km，反射率因子較強(qiáng)處回波頂高增強(qiáng)至7～8 km，對應(yīng)的速度圖上S特征明顯，也表現(xiàn)出一定的輻合特征。

圖7 28日1：52常德站探空圖（a）、垂直位溫（b）、0.5°仰角徑向速度（c）和組合反射率因子（d）

4 小結(jié)

本研究從天氣學(xué)角度，對比分析了2018年1月2次湖南省低溫雨雪冰凍天氣過程的成因，揭示了2次過程強(qiáng)度和持續(xù)時間差異的原因，同時為提高南方低溫雨雪預(yù)報準(zhǔn)確率和精細(xì)化程度提供有益的思路和方法，主要結(jié)論如下。

1）2018年1月2次低溫雨雪冰凍過程較復(fù)雜，過程期間出現(xiàn)了多種災(zāi)害性天氣，包括雷暴、暴雪、偏北大風(fēng)、強(qiáng)降溫及凍雨。

2）2018年1月24—31日過程比3—8日過程范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)和持續(xù)時間長，這主要是與動力條件和熱力條件存在差異有關(guān)。

3）500 hPa鋒區(qū)、冷中心強(qiáng)度、850 hPa冷平流強(qiáng)度、地面冷高壓的強(qiáng)度及其前沿的氣壓梯度對初步判斷冷空氣的強(qiáng)度有較好的指示意義，而700 hPa濕度和溫度層結(jié)對雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換均很關(guān)鍵。

4）指出了1月27日晚湘中以北是高架雷暴下產(chǎn)生的雷打雪天氣現(xiàn)象。

5）提前預(yù)報、及時預(yù)警是天氣預(yù)報工作的關(guān)鍵，針對低溫雨雪冰凍過程，明確雨雪分界線及轉(zhuǎn)換時間，做到精細(xì)化預(yù)報預(yù)警，開展過程跟蹤服務(wù)十分關(guān)鍵，但是目前預(yù)報技術(shù)手段還不能完全達(dá)到所需的精細(xì)化程度，氣象部門還需不斷加強(qiáng)氣象監(jiān)測預(yù)警能力的建設(shè)，同時及時總結(jié)極端天氣事件的預(yù)報經(jīng)驗，不斷提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報精準(zhǔn)度。