劉翔
摘要 利用常規(guī)觀測資料、micaps資料以及NCEP/NCAR再分析資料,對2020年12月29日一次寒潮天氣下的雨轉(zhuǎn)雪過程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明:本次降雪過程是500 hPa橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)冷空氣南下,700 hPa和850 hPa切變,配合700 hPa西南暖濕急流共同作用引起的;降雨時(shí),低層有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),對應(yīng)水汽輻合,當(dāng)出現(xiàn)降雪后,強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)移至700 hPa~400 hPa附近,中高層也轉(zhuǎn)為水汽輻合層。
關(guān)鍵詞 橫槽;上升;水汽輻合
中圖分類號(hào):P458.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2021)03–0075–03
寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程,是冬半年影響江蘇省的重要災(zāi)害性天氣之一,除了造成劇烈的降溫外,還常伴有大風(fēng)、降雪等災(zāi)害性天氣[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大雪對交通和生活的影響越來越明顯[3]。因此,在一次寒潮天氣背景下,對雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換以及降雪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)報(bào),對防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。
1 天氣過程實(shí)況
受冷空氣影響,2020年12月29日—31日泰州市出現(xiàn)一次寒潮、降雪天氣過程。29日上午開始降溫,31日早晨達(dá)到此次降溫過程的最低值,最低氣溫在-7℃~-12℃,48 h降溫幅度在-9℃~-12℃,達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)。另外,冷空氣影響期間,泰州市風(fēng)力普遍增大,大部分地區(qū)風(fēng)力達(dá)到了7~8級(jí),其中包括區(qū)域站在內(nèi)有26個(gè)站日極大風(fēng)達(dá)到8級(jí),溱湖以及泰州大橋(交通站)的日極大風(fēng)力達(dá)到9級(jí),分別為22.3、22.2 m/s。12月29日06:00以后,泰州市開始出現(xiàn)小雨天氣,到13:35分以后,自北向南由興化開始出現(xiàn)雨夾雪天氣,13:59分海陵區(qū)轉(zhuǎn)為純雪天氣過程,至15:58分全市大部分地區(qū)都轉(zhuǎn)為純雪天氣。12月29日20:00以后降雪基本結(jié)束,全市出現(xiàn)中到大雪的天氣。
2 寒潮爆發(fā)前天氣形勢
分析寒潮爆發(fā)前500 hPa高度場和溫度場合成圖(圖1)可以看出,12月26日20:00在烏拉爾山的西側(cè)有暖脊存在,北極有暖高壓,同時(shí),在貝加爾湖以及鄂霍次克海附近存在兩個(gè)低渦。由于溫度脊落后于高度脊,烏拉爾山暖脊沿著徑向發(fā)展加強(qiáng),脊前的偏北氣流加強(qiáng),使得冷空氣進(jìn)一步在西伯利亞堆積,形成一個(gè)-46℃的冷中心。27日20:00貝加爾湖與鄂霍次克海附近的兩個(gè)低渦融合,在一線形成了東西向橫槽,烏拉爾山附近的暖脊進(jìn)一步增強(qiáng)與北極暖高壓融合,不斷引導(dǎo)冷空氣在貝加爾湖附近的橫槽堆積并進(jìn)一步向南移動(dòng),冷高壓中心移至貝加爾湖西側(cè)。至28日20:00地面冷高壓主體進(jìn)一步增強(qiáng)移至蒙古境內(nèi),烏拉爾山高壓脊也不斷東伸加強(qiáng),弱的暖平流逐漸移到脊前,橫槽后部出現(xiàn)暖平流,槽前出現(xiàn)冷平流,此時(shí)橫槽也已經(jīng)壓到了蒙古境內(nèi),在橫槽的前部有小槽東傳,預(yù)示著橫槽轉(zhuǎn)豎向南加深[4]。同時(shí),副熱帶高壓不斷增強(qiáng),基本西伸打通。從12月29日08:00—31日08:00 500 hPa橫槽迅速轉(zhuǎn)豎,冷空氣經(jīng)過蒙古到達(dá)我國河套地區(qū)附近南下,直達(dá)長江中下游地區(qū),同時(shí)副高進(jìn)一步增強(qiáng)北抬,控制了海南、廣東和廣西的南部,南支槽東移,引導(dǎo)暖濕氣流向東北方向移動(dòng)。
3 降雪分析
3.1 環(huán)流背景
降水發(fā)生前,28日20:00 500 hPa亞歐大陸為兩槽一脊,在貝加爾湖東側(cè)橫槽開始轉(zhuǎn)豎并分裂小槽引導(dǎo)地面冷空氣南下,同時(shí),在四川甘肅附近的南支槽東移發(fā)展帶來暖濕氣流。到了29日08:00(圖2)500 hPa橫槽南甩與南支槽合并,冷暖空氣交匯,泰州市位于槽前的西南氣流中,700 hPa上四川盆地到黃淮一線有切變存在,泰州市處于切變南側(cè)西南氣流中,有水汽輸送,850 hPa受切變北側(cè)東北氣流控制,地面位于冷鋒前部低壓倒槽內(nèi),提供了一定的動(dòng)力條件,此時(shí)泰州市以小雨為主。到了14:00(圖3),700 hPa建立了明顯的西南暖濕急流達(dá)到18 m/s,為降雪的發(fā)生提供了有利的水汽條件,而850 hPa東北氣流不斷增強(qiáng),-4℃線已經(jīng)移至泰州市上空,這種上暖下冷的逆溫層結(jié)構(gòu)為降雪提供了有利層結(jié)條件,同時(shí)泰州市地面位于冷鋒后部,低層925 hPa附盛行東北冷氣流,利于冷空氣堆積,為降雪提供了冷墊,700 hPa西南暖濕氣流沿著冷墊爬升,產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),泰州市開始有降雪的產(chǎn)生,到20:00 前是泰州市降雪的集中時(shí)段。20:00以后,隨著700 hPa轉(zhuǎn)為西北氣流控制,水汽減弱,降雪漸止。
3.2 物理量場分析
3.2.1 水汽條件 從圖4a水汽通量的演變可知,前期近地面層受高壓底前部偏東轉(zhuǎn)東北氣流影響,從08:00~14:00泰州市925 hPa以下有水汽通量大值帶,為降雨提供了水汽條件,同時(shí)隨著西南急流開始建立,700 hPa到500 hPa之間逐步開始形成水汽通量的大值區(qū)。在14:00到20:00隨著近地面層迅速轉(zhuǎn)為偏北氣流影響,925 hPa以下水汽通量減小,700 hPa以上隨著西南急流建立,水汽輸送帶逐漸向上層伸展,水汽通量大值帶向上傾斜,在600 hPa到500 hPa有水汽通量大值中心7.2 g /(s·cm2·hPa)。在其引導(dǎo)下,將水汽帶到泰州市上空,為降雪提供了有利水汽條件,此時(shí),泰州市上空也已經(jīng)由雨轉(zhuǎn)化為雪,到了20:00以后隨著中低層轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅睔饬鳎斔脱杆贉p小,降雪漸止。
輸送水汽能否聚集形成降水,需進(jìn)一步分析雨轉(zhuǎn)雪過程中高低層水汽通量散度特征(圖4b)。08:00~12:00泰州市850 hPa以下有較強(qiáng)水汽的輻合存在,最大輻合中心出現(xiàn)在08:00達(dá)到-9×10-7 g /(s·cm2·hPa),同時(shí),在850 hPa以上到500 hPa有水汽輻散,這種低層水汽輻合高層水汽輻散有利于產(chǎn)生降水,此時(shí)對應(yīng)泰州市以較明顯液態(tài)降水為主[5]。從12:00~14:00泰州市近地面層轉(zhuǎn)為水汽的輻散區(qū),一直伸展到了700 hPa附近,整層以一致的偏北冷氣流為主,在700 hPa到500 hPa之間為水汽輻合區(qū),泰州市降雨逐漸減弱。14:00~20:00近地面層輻散進(jìn)一步增強(qiáng),在925 hPa附近形成一個(gè)輻散中心達(dá)到11×10-7 g /(s·cm2·hPa),同時(shí)水汽輻合層逐漸向上傾斜,在700 hPa形成水汽輻合中心,達(dá)到-2×10-7 g /(s·cm2·hPa),利于水汽聚集,基本上與西南急流相配合,泰州市雨已經(jīng)轉(zhuǎn)雪,到20:00之前也是降雪比較集中的時(shí)段。20:00以后,隨著西北氣流南下,整層轉(zhuǎn)為水汽的輻散區(qū),降雪漸止。
3.2.2 動(dòng)力條件 垂直運(yùn)動(dòng)造成的水汽、熱量、動(dòng)量、渦度等物理量的垂直輸送對天氣系統(tǒng)的發(fā)展有很大影響[6]。由垂直速度圖(圖5a)可知,08:00隨著高空槽南壓以及切變線移至泰州市附近,泰州市上空有較強(qiáng)的動(dòng)力抬升作用,可以看到從地面到500 hPa以垂直上升運(yùn)動(dòng)為主,垂直上升速度在850 hPa附近達(dá)到最大,中心值為-0.4 Pa/s,此時(shí)對應(yīng)泰州市以降雨為主,到了14:00,西南暖濕空氣沿著冷墊爬升,低層垂直上升速度逐漸減小,700 hPa以上上升速度逐漸增強(qiáng)并伸展至250 hPa附近,在600~500 hPa附近形成一個(gè)大的上升中心達(dá)到-0.35 Pa/s,強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)利于水汽的上升凝結(jié),此時(shí)泰州市逐漸轉(zhuǎn)為固態(tài)降水即雪,到20:00前以降雪為主,在20:00后隨著垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng),降雪漸止。
從散度垂直剖面圖(圖5b)可以看出,29日08:00泰州市上空850 hPa以下為輻合區(qū),其輻合中心達(dá)到-2×10-5 s-1,內(nèi)部有上升運(yùn)動(dòng),850 hPa以上到250 hPa為輻散區(qū),泰州市主要以降雨為主,到了14:00近地面到500 hPa為弱的輻合區(qū),輻合中心為-0.8×10-5 s-1,500 hPa到200 hPa為輻散區(qū),其中在300 hPa中心有輻散中心達(dá)到2.4×10-5 s-1,這種低層輻合,高層輻散的結(jié)構(gòu)有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,利于低層水汽的聚合抬升,此時(shí)也是泰州市雨轉(zhuǎn)雪的過程,在14:00~20:00之間,可以看到近地面層出現(xiàn)了輻散中心,低層為弱輻合區(qū),中高層又是一個(gè)輻合區(qū),整個(gè)散度場分布比較凌亂,造成此次泰州市降雪并不是特別強(qiáng)[7]。
3.2.3 溫度層結(jié) 研究指出,在雨轉(zhuǎn)為雪時(shí),高空冰晶層(-10℃)高度會(huì)逐漸下降[8]。同時(shí),降雪的有利條件是850 hPa氣溫≤-4℃,700 hPa氣溫≤0℃,且中層有逆溫層存在,逆溫層溫度在0℃以下[9]。通過29日08:00、14:00以及20:00溫度層結(jié)曲線可以看出,08:00 -10℃冰晶層在580 hPa左右,0℃線位于800 hPa以上,從地面到500 hPa溫度垂直遞減率變化不大,泰州市以降雨為主,到了14:00冰晶層已經(jīng)降至610 hPa左右,925 hPa到700 hPa溫度垂直遞減率減小,尤其是850 hPa到700 hPa溫度基本形成一個(gè)等溫層,主要是由于西南暖濕氣流建立,鋒區(qū)移動(dòng),850 hPa以下偏北冷氣流加強(qiáng),對應(yīng)各層溫度:850 hPa氣溫在-4℃左右,700 hPa氣溫≤0℃,但逆溫層還沒建立,此時(shí)也是泰州市雨轉(zhuǎn)雪的降水相態(tài)轉(zhuǎn)化過程,到了20:00冰晶層已經(jīng)降至650 hPa,可以看到在850 hPa到700 hPa之間泰州市上空有逆溫層存在,溫度在-5℃~-10℃,這主要是850 hPa偏北冷氣流進(jìn)一步增強(qiáng)南下,同時(shí),925 hPa到地面維持在0℃以下,近地面層有明顯冷墊存在,對應(yīng)著到20:00前泰州市是一個(gè)較明顯的降雪過程(圖6)。
4 結(jié)論與討論
在寒潮天氣背景下,本次降雪過程是500 hPa橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)冷空氣南下,925 hPa以下形成冷墊,700 hPa和850 hPa切變,配合700 hPa西南急流為降雪的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件和水汽條件,700 hPa暖濕氣流和850 hPa東北冷氣流增強(qiáng),為降雪提供了逆溫層結(jié)條件。
在雨轉(zhuǎn)雪的過程中,中低層以垂直上升運(yùn)動(dòng)為主。但在液態(tài)降水時(shí),強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在低層850 hPa附近,對應(yīng)著水汽輻合,而中高層水汽輻散有利于產(chǎn)生降雨的發(fā)生,當(dāng)出現(xiàn)降雪后,低層垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱,水汽輻合減弱轉(zhuǎn)為水汽輻散,700 hPa到400 hPa形成大的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),上升運(yùn)動(dòng)高度區(qū)也有所提高,中高層也轉(zhuǎn)為水汽輻合層。
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責(zé)任編輯:黃艷飛