貴州省2008年與2022年年初低溫雨雪凍雨天氣過程對比分析

王興菊,李啟芬,王 芬,蔣尚雄,曾 妮,胡秋紅

(1.貴州省安順市氣象局,貴州 安順 561000;2.貴州省貴陽市氣象局,貴州 貴陽 550001;3.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局,貴州 興義 562400)

0 引言

低溫雨雪凍雨災害主要發生在冬季,這種氣象災害是由降雪或降雨后遇低溫形成的積雪、結冰現象造成。貴州中西部地區的海拔高度和地形分布為貴州凍雨提供了絕佳的地形條件,尤其是西北部地區海拔高、溫度低,更有利于凍雨的形成。我國南方在2008年出現了持續時間長、范圍大的低溫雨雪天氣,引起了很多學者的關注,對此次過程進行研究并得到一些有意義的結論[1-13]。丁一匯等[14]對中國南方2008年1月罕見低溫雨雪冰凍災害發生進行了研究;王遵婭等[15]分析了2008年極端冰災事件的氣候特征及其所造成的影響;姚蓉等[16]對2008年初和2011年初的低溫雨雪冰凍天氣氣候影響評估、天氣學成因等方面進行綜合對比分析;王東海等[17]對2008年的低溫雨雪冰凍災害的形成機理及其致災原因進行分析;劉紅武等[18]對湖南罕見的雨雪低溫冰凍天氣過程開展了研究。綜合以上分析可以總結出:(1)拉尼娜事件的影響;(2)貝加爾湖阻高異常強盛,鄂霍次克海低渦偏強;(3)西太平洋副熱帶高壓脊線較常年偏北,強度偏強,面積也明顯偏大;(4)中亞、西亞低值系統活躍,來自南海(印緬槽)和孟加拉灣的大量暖濕空氣不斷向北輸送。

關于貴州低溫雨雪凍雨的研究,楊貴名等[19]從短期天氣預報角度出發,初步分析了2008年初低溫雨雪冰凍天氣的主要特點和環流特征,對凍雨、暴雪的成因也進行了初步分析;甘文強等[20]對2018年1月底至2月初貴州低溫雨雪天氣成因進行初探;杜小玲等[21]對2011年初貴州持續低溫雨雪冰凍天氣成因,發現地面上穩定持久的準靜止鋒是低溫雨雪天氣發生的重要影響系統。王興菊等[22]對2008和2016年的低溫雨雪冰凍天氣過程進行對比分析,并對2000—2018年貴州省的降雪空間、時間分布,周期特點進行了研究[23]。對于貴州低溫雨雪天氣,雖然各位專家研究重點不同,但都較為一致地認為地面上穩定持久的準靜止鋒是低溫雨雪天氣發生的重要影響系統。

2011年以后,貴州持續性低溫雨雪天氣過程明顯減少,2022年貴州省再次發生大范圍的低溫雨雪事件,社會關注度比較高,很多人甚至認為2022年的低溫雨雪已經超過了2008年。為了客觀評價此次低溫雨雪的強度,本文在前人研究的基礎上,對2008年和2022年年初貴州省低溫雨雪凍雨天氣進行對比研究,除了常規的環流分析,增加了阻塞高壓、副高、拉尼娜等分析研究,希望為貴州省以后該類災害性天氣的預報和研究提供參考。

1 2次過程實況的對比分析

1.1 低溫雨雪凍雨時間分布特點

2008年1月13日—2月13日(以下統稱2008年初)和2022年1月29日—2月24日(以下統稱2022年初)的低溫雨雪天氣過程都有影響范圍大、持續時間長、氣溫明顯偏低的特點。2008年低溫雨雪持續了32 d,1月13日—2月1日是低溫雨雪持續加重的過程,2月4—13日以后低溫雨雪逐步減弱,范圍從全省縮小為貴州省中西部地區。2022年低溫雨雪持續了29 d,分為4個短暫的階段,間歇期白天氣溫回升到0 ℃以上,分別為2022年1月29日—2月3日,2月6—9日,2月13日,2月18—23日。

2008年(圖1a)全省最低氣溫為-10.2 ℃,出現在2008年2月1日(威寧站),全省各站點過程最低氣溫平均值為-3.9 ℃(1月13日)～0.5 ℃(1月27日),全省過程平均低溫為-1.4 ℃。2022年(圖1b)全省最低氣溫為-6.3 ℃,出現在2022年2月22日(威寧站),過程全省平均最低氣溫為-1.5 ℃(1月13日)～ 5.5 ℃(1月27日),全省過程平均低溫為-1.3 ℃,與2008年相比偏高2.7 ℃。

圖1 2008年、2022年年初最低氣溫(a)、平均低溫(b)日變化Fig.1 Diurnal variations of minimum (a) and mean (b) low temperatures in early 2008 and 2022

2008年(圖2a)全省最大積雪深度為11 cm,分別出現在2008年1月28、29日(萬山站),2月1日、2日(三穗站);最多降雪站數為81站,出現在2月1日,最多凍雨站數為73站,出現在1月12日;過程平均最大雪深為7.5 cm,日平均降雪站數為35.2站,日平均凍雨站數為45.5站。2022年(圖2b)全省最大積雪深度為26 cm,出現在2月22日(萬山站);最多降雪站數為80站,出現在2月22日,最多凍雨站數為31站,出現在2月21日;過程平均最大雪深為5.9 cm,日平均降雪站數為32.1站,日平均凍雨站數為10.4站。日平均降雪站數與與2008年相比略偏少,達到了2008年的91%;日平均凍雨站數與2008年相比明顯偏少,但2022年最大雪深超過了2008年。

圖2 2008年(a)、2022年(b)年初最大雪深、降雪站數、凍雨站數日變化Fig.2 Changes of maximum snow depth, snowfall days and freezing rain days in early 2008 (a) and 2022 (b)

1.2 降雪、凍雨、雪深空間分布特點

2008年過程降雪日數全省合計1258站(次)(圖3a),其中降雪日數最多的為習水(29 d),最少為冊亨、望謨(1 d),累計25 d以上的站點主要分布在貴州省西北部地區,5 d以下的站點分布在貴州西南部地區,總體呈現北多南少的分布特征。2022年(圖3b)過程降雪日數全省合計868站(次),最多的站點為水城(16 d),最少為赤水(0 d),其次為冊亨、望謨(1 d),12 d以上的站點主要分布在貴州省西北部、中東部地區,總體分布呈現中部一線多,南部邊緣少的特征。2008年過程最大積雪深度為萬山(11 cm)(圖4a),超過10 cm以上的站點有5站。主要分布在貴州西北部的畢節、六盤水,東部的黔東南等地。2022年過程最大積雪深度為三穗(23 cm)(圖4b),20 cm以上有4站,10 cm以上有27站,主要分布在貴州西北部和中部一線。

圖3 2008年(a)、2022年(b)年初貴州省降雪日數分布圖Fig.3 Distribution of snowfall days in Guizhou Province in early 2008 (a) and 2022 (b)

圖4 2008年(a)、2022年(b)年初貴州省最大積雪深度分布圖Fig.4 Distribution of maximum snow depth in Guizhou Province in early 2008 (a) and 2022 (b)

2008年過程凍雨日數全省合計1481站(次),最多的站點為威寧(38 d),有8站未出現凍雨,主要出現在省的西南部地區,20 d以上的站點主要出現在省的西北部和中部一線。2022年過程凍雨日數全省合計273站(次),最多的站點為開陽(17 d),有39 d未出現凍雨,主要位于省的北部和南部邊緣地區,10 d以上的站點主要出現在省的西北部和中部一線。

從2次對比可以看出,2008年和2022年降雪、凍雨日數分布都呈現北多南少的特點,2008年的降雪、凍雨日數都明顯超過了2022年,但2022年最大雪深超過了2008年。

2 拉尼娜事件的影響分析

當拉尼娜現象出現時,赤道中東太平洋海表溫度將大范圍持續異常偏冷,引起地球氣候的異常。依據《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》國家標準[24],當關鍵區(尼諾3.4區,即170°W～120°W,5°S～-5°N之間的區域)3個月滑動平均海表溫度低于氣候平均態0.5 ℃時,即進入拉尼娜狀態,持續5個月以上便形成一次拉尼娜事件。

2007年5月開始(圖5a),尼諾3.4區開始出現-0.5 ℃的海表溫度負距平,并迅速增強,到2007年12月達到最強,為-1.6 ℃,2008年1月開始逐步減弱,持續到2008年5月結束,持續時間為13個月。2020年7月(圖5b)開始出現海溫負距平,并不斷增強,2020年10月達到最大值-1.3 ℃,持續到2021年4月結束,此次過程持續了10個月,2021年7—11月再次形成拉尼娜事件,2021年拉尼娜事件成為雙拉尼娜事件。據國家氣候中心統計,1950年以來發生拉尼娜事件16次,中等事件9次,弱事件1次,強事件1次,強事件出現在1988—1989年。2008和2021的拉尼娜事件強度均達到中等,2008拉尼娜事件中海溫負距平強度超過了2021年,但2021持續時間比2008年長。

圖5 2008年(a)、2022年(b)年初尼諾3.4區海溫距平Fig.5 SST anomaly in the Nino 3.4 region in early 2008 (a) and 2022 (b)

3 環流背景

對于2022年低溫雨雪天氣的形成原因,拉尼娜事件的影響,歐亞阻高及副高異常偏強以及中亞、西亞低值系統活躍,持續大量暖濕空氣向北輸送水汽與2008年是一致的,但2022年鄂霍次克海低渦偏弱。

3.1 副高活動特征對比分析

2008年低溫雨雪過程中副高出現了2次(圖6a),第1次出現在1月14日,北界線18 °N,西伸脊點120°E,之后減弱消失;22日再次形成,北界線22°N,西伸脊點115 E°,之后副高南撤到18°N附近,直至減弱消失。2022年也出現了2次明顯的副高體(圖6b),第1次出現在2月3—10日,北界線12°N,西伸脊點150°E,之后西伸北抬,到2月10日西伸脊點到達120°E,北界線18°N;17日之后副高再次形成,并持續到24日,西伸脊點位于135°E。2008年低溫雨雪過程中副高位置比2022年偏北偏西,但2022年中心強度更強,達到了5900 gpm,2008年為5880 gpm。

圖6 2008年(a)、2022年(b)年初副高時序(等值線表示500 hPa高度場;陰影區表示副高,單位:gpm))Fig.6 Time series of subtropical high in early 2008 (a) and 2022 (b)(contour line represents 500 hPa height field; shaded area indicates secondary height, unit:gpm)

從副高的強度指數和面積指數來看,2008年(圖7a)1月14—15日,副高生成并增強,強度指數從59.1增大到89.5,面積指數從33增大到54;16—17日逐步減弱。1月22—27日再次明顯增強,強度指數在23.8～116.9,面積指數為17～70之間,30日以后減弱消失。2022年(圖7b)出現2次副高指數增強到減弱的過程,第1次的最大值出現在2月7日,副高強度指數達到231.4,面積指數為41,第2次出現在2月23日,強度指數為302.5,面積指數為113。從2次過程的副高持續時間和指數對比來看,2008年低溫雨雪期間出現時間更長,但2022年強度指數和面積指數都比2008年更大。

圖7 2008年(a)、2022年(b)年初副高強度指數、面積指數時序Fig.7 Time series of sub-high intensity index and area index in early 2008 (a) and 2022 (b)

對2次低溫雨雪期間的貴州最大積雪深度與副高強度、面積指數進行相關性分析(表1),2008年初最大雪深與副高強度指數的相關系數為0.417,與面積指數的相關系數為0.395,均通過了0.05的信度檢驗;2022年未通過相關性檢驗,在2022年2月23日副高面積指數達到302.5,強度指數達到113,為此次過程中的最大值,當天的最大積雪深度為24cm,為此次過程中的第二大,說明副高的強度、面積指數面積變化對雪深有明顯影響。

表1 2008、2022年低溫雨雪期間逐日最大積雪深度與副高強度、面積指數相關系數Tab.1 Correlation coefficient between daily maximum snow depth and sub-high intensity and area index during low temperature rain and snow in 2008 and 2022

在2008與2022年低溫雨雪期間,副高異常北抬并西伸增強,來自中高緯地區的冷空氣活動頻繁,與副高西側源源不斷的偏南暖濕氣流交匯,導致貴州出現了持續性的低溫雨雪冰凍災害性天氣。

3.2 阻高活動特征對比分析

阻塞高壓從建立到崩潰常常伴隨著一次劇烈的大范圍環流型轉變,它的建立標志著環流由緯向型向經向型轉變;在它的持續期間經向環流處于強盛階段;它的崩潰則預示著經向環流向緯向環流的轉變[25]。2008年(圖8a)低溫雨雪持續期間,烏拉爾山阻高活動頻繁,出現了3次阻高活動,分別位于1月20—29日,2月6—8日、14—16日。從強度和范圍來看,第1次最強,持續了10 d,中心值達到了5500 gpm,最后1次最弱,中心值為5440 gpm。2022年(圖8b)低溫雨雪期間出現了2次烏拉爾山阻高活動,分別位于2月2—6日、14—16日,中心值分別達到了5560 gpm和5580 gpm。2008、2022年低溫雨雪冰凍災害期間,烏拉爾山阻塞高壓形勢穩固,受其影響,使得橫槽長時間維持并持續伴有不穩定小槽活動,造成冷空氣頻次偏多;從強度來看,2022年阻高強度更強,但持續時間比2008年短,2次從形成到崩潰時間均未超過5 d。

圖8 2008年(a)、2022年(b)年初阻高時序(等值線表示500hPa高度場,單位:gpm)Fig.8 Time series of the blocking high in early 2008 (a) and 2022 (b)(contour line represents 500 hPa height field,unit:gpm)

3.3 北極升溫

冬季在平流層會出現一種被稱為極地渦旋的西風帶氣流,把冷空氣聚集在自己周圍;如果北極極渦移出南下,極地渦旋的勢力減弱,冷空氣就會下降,導致北極溫度上升。本文選取(73°N、60°E)作為北極代表點來分析2次低溫雨雪冰凍過程發生前后的溫度變化情況,與2008年(圖9a)低溫雨雪期間頻繁的冷空氣相對應,北極出現了5次明顯升溫,最高氣溫超過了0 ℃,其中最明顯一次升溫為1月16—20日,氣溫上升了近20 ℃。2022年(圖9b)出現了3次明顯升溫,最明顯一次升溫為2月20—22日,升溫幅度接近16 ℃,最高氣溫上升到-6 ℃左右。從2次對比來看,2008年北極升溫次數比2022年多,最高氣溫也更高。由于北極升溫,北極極渦攜帶大量寒冷空氣南下,所經之處氣溫明顯下降,造成2008年和2022年持續性的低溫雨雪天氣。

圖9 2008年(a)、2022年(b)年初北極點(73°N、60°E)氣溫時序Fig.9 Time series of temperature at the North Pole (73°N, 60°E) in early 2008 (a) and 2022 (b)

3.4 海平面氣壓特征

2008年年初(圖10a)整個中緯地區都為正距平控制,冷高壓中心值為1040 hPa,正距平中心值為7 hPa,位于貝加爾湖附近,冷高壓正距平中心向西部和南部擴展,強度呈階梯式遞減,1025 hPa等壓線伸展到貴州南部邊緣地區,印緬槽一帶為負距平,中心值為-7 hPa。2022年年初(圖10b)冷高壓中心值為1035 hPa,位于貝加爾湖附近,1020 hPa等壓線伸展到貴州南部;整個中高緯地區都為正距平控制,正距平區域由東北向西南伸展,到了印緬槽一帶轉為負距平。2次低溫雨雪天氣期間均有強冷高壓影響,其中2008年高壓中心強度大于2022年。

4 水汽條件分析

從700 hPa的風場圖來看,2008年(圖11a)為西南氣流影響,水汽輸送主要來自孟加拉灣,與來自北方的冷空氣匯合,匯合帶位于35°N附近,有利于雨雪天氣的產生。2022年(圖11b)的西南暖濕氣流主要來自于南海,與來自北方的冷空氣匯合于32°N附近,與2008年相比,冷暖空氣交匯帶偏南,來自北方的偏北氣流也不如2008年強。

圖11 2008年(a)、2022年(b)年初(1000～300 hPa)整層積分水汽輸送及輻合輻散場(矢量為水汽輸送,單位:kg·s-1·m-1,陰影區為水汽輸送大小,單位:10-5kg·s-1·m-2)Fig.11 Whole-layer integrated moisture transport and divergence fields in early 2008(a) and 2022(b)(1000～300 hPa)(vector was water vapor transport , unit:kg·s-1·m-1; shaded area was water vapor transport size, unit:10-5kg·s-1·m-2)

2008年(圖11a)貴州受西南氣流影響,孟加拉灣—南海有一支西南氣流向貴州輸送水汽,與來自北方的冷空氣于35°N附近匯合,在貴州有明顯的水汽輻合存在,中心值達到了250×10-5kg·s-1·m-2,為貴州雨雪天氣提供了有利的水汽條件。2022年(圖11b)孟加拉灣水汽輸送不明顯,西南暖濕氣流主要來自于南海,與來自北方的冷空氣匯合于32°N附近,在貴州東南部也有明顯的水汽輻合存在,中心值達到了200×10-5kg·s-1·m-2。與2008年相比,2022年冷暖空氣交匯帶偏南,來自北方的偏北氣流也不如2008年強,水汽輸送也略偏弱。

5 逆溫分析

逆溫層是凍雨形成并維持的必要天氣條件之一,在逆溫層之上,隨著高度的升高,溫度將下降。逆溫層之下,低層和地面氣溫長時間低于0 ℃,為冰凍形成提供了有利的冷墊條件。

2008年(圖12a)在貴州范圍內,溫度在垂直方向上呈“冷—暖—冷”的結構,逆溫層位于700～850 hPa,中低層有等濕度的密集區存在,有利于凍雨的產生。2022年(圖12b)過程逆溫與2008年相比略偏弱,但低層濕度更大,有利于低溫雨雪產生。

圖12 2008年(a)、2022年(b)年初沿26°N溫度、濕度緯向距平的經度—高度剖面(陰影區表示濕度,單位:%;等值線表示溫度,單位:℃)Fig.12 Longitude-altitude profiles along 26 °N of temperature and humidity latitudes in early 2008(a) to 2022(b) (shaded areas indicate humidity, unit:%; contours indicate temperature,unit:℃)

2008年1月22日(圖13a)貴州范圍內開始出現逆溫,東部逆溫達到了5 ℃,整個過程出現了4次階段性逆溫,有3次逆溫中心4 ℃,分別出現在1月22日、1月29日、2月10日,對應當日貴州省凍雨日數分別為61站、71站、31站,基本上都為各階段凍雨日數最大值。2022年(圖13b)逆溫較2008年明顯偏弱,2月5日東部邊緣有1 ℃逆溫,2月20—23日省的中東部地區有3 ℃逆溫,其余階段逆溫不明顯,過程中凍雨日數最大值為31站,出現在2月21日,遠小于2008年2月1日的73站。

圖13 2008年(a)、2022年(b)年初850hPa與700hPa溫度差值沿26°N緯向時間剖面Fig.13 Zonal-time profiles along 26°N for the difference of temperatures between 850 hPa and 700 hPa in early 2008(a) and 2022(b)

6 結論

(1)2022年低溫雨雪與2008年相比偏輕,氣溫偏低程度和凍雨、降雪日數與2008年相比均偏低偏少,尤其是凍雨站數與2008年相比明顯偏少,但2022年最大雪深超過了2008年。

(2)2008和2022年低溫雨雪天氣的形成原因,共同點是:拉尼娜事件的影響;歐亞阻高異常偏強以及中亞、西亞低值系統活躍,持續大量暖濕空氣向北輸送水汽。不同點是:2008年低溫雨雪過程中副高位置比2022年偏北偏西,持續時間長,海平面氣壓高壓中心強度更大;2022年副高最強強度指數和面積指數都更強,但持續時間短,鄂霍次克海低渦強度偏弱。

(3)2008年和2022年低溫雨雪期間,副高異常增強、北抬,阻塞高壓形勢穩固,北極明顯升溫,為2次雨雪冰凍災害提供重要的環流背景。

(4)2008年低溫雨雪天氣過程的水汽輸送主要來自孟加拉灣,2022年主要來自于南海,冷暖空氣交匯帶偏南,來自北方的偏北氣流與2008年相比偏弱。貴州省溫度層結在垂直方向上呈“冷—暖—冷”的結構,逆溫層位于700～850 hPa之間,2022年逆溫與2008年相比偏弱。