銅仁市暴雪天氣的環流配置及物理量特征分析

楊 群,李習瑾,胡 萍,張李娟,徐大紅

(貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300)

0 引言

暴雪是冬半年主要氣象災害之一,對交通、電力和通訊造成很大的影響,尤其對交通運輸影響大。對于暴雪的研究,多年來有許多成果,如周淑玲等[1]指出暴雪日水汽較非暴雪日充沛,垂直上升運動和低層散度輻合與強降雪相對應。張俊蘭等[2]也分析得出較好的水汽、動力條件是形成極端暴雪的重要成因,水汽在700 hPa以下輻合和聚集,形成中低層輻合、高層輻散的空間配置有利于上升運動的發展和維持,形成暴雪。黃曉璐等[3]分析內蒙古一次暴雪天氣過程,指出在低層東北急流形成的“冷墊”會迫使暖濕空氣沿冷墊抬升,干冷空氣向中低層暖濕氣流下方入侵,與中高層的西南急流形成深厚的鋒生區和鋒面次級環流,二者的正反饋作用為暴雪提供增幅作用。暴雪區位于比濕、水汽通量和水汽通量散度輻合的大值區。劉紅武等[4]分析發現降雪加強時700 hPa有西南低空急流加強,濕層發展至400 hPa以上,高低空急流耦合及700 hPa低槽過境。朱蕾等[5]也指出暴雪的發生需要整層大氣較大的比濕和水汽通量散度輸送以及強上升氣流和強輻合。針對暴雪發生的指標也有學者進行總結,王健宮等[6]分析得出,強降雪時段850 hPa水汽通量散度值>4×10-5g·cm-2· hPa-1·s-1等指標。徐雙柱等[7]歸納了湖北省大雪發生的溫度條件,并采取物理參數指標建立大雪客觀預報方法。張俊蘭等[8]得出700 hPa以下低層上升運動增強可作為烏魯木齊強降雪出現的預示指標。周芳等[9]分析得出江西暴雪發生過程中,500 hPa相對濕度和溫度可以作為精細化預報降雪量、積雪深度的指標。彭霞云等[10]提出預報不能機械地依賴溫度指標,而應全面分析降雪形成的物理機制,當降水量大時,融化吸熱可以成為降溫的主要機制,預報中應予以充分考慮。徐建國等[11]系統地總結了內蒙古暴雪發生的影響系統和物理量特征,得出暴雪發生的環流背景和物理量指標。羅菊英等[12]分析雨雪轉換天氣過程,發現強降雪產生需要適宜的中層逆溫。王喜等[13]分析江蘇降雪時指出,暴雪及大雪出現時中低層具有明顯的逆溫層,且隨著降雪量級的增大,逆溫強度和逆溫層厚度明顯增強、增厚。

以上結果為暴雪的預報和研究提供了較好思路,為預報員提供了很多借鑒。貴州冬季暴雪發生概率很小,因此對于暴雪的研究不多,王芬等[14]、周文鈺等[15]對貴州發生的2次強降雪進行分析,冉仙果等[16]、李習瑾等[17]對銅仁發生的暴雪個例進行總結,得出一些可供預報的參考結論。但沒有系統性地總結暴雪發生的環流背景和要素指標,不能準確地把握暴雪強度和落區。因此有必要針對近年來出現的暴雪過程進行總結分析,找到暴雪發生的環流背景和預報要素指標,為暴雪預報提供參考。本文針對銅仁2004年至今出現的5次暴雪過程的環流形勢和物理量要素特征進行了統計分析,期望其結果有助于預報員建立完整的暴雪預報思路,提高暴雪的預報準確率。

1 資料與方法

選用2005—2021年5場暴雪天氣過程,利用常規地面自動站監測資料統計分析降雪特征,氣象日常業務使用的MICAPS實況數據和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,采用統計及天氣學方法分析降雪發生的環流背景和物理量特征。

2 5次暴雪過程實況

表1為2005—2021年5場暴雪天氣過程概況(當日20時—次日20時或當日08時—次日08時,北京時,下同)。從表中可見,最大降雪量為2011年1月19日萬山鎮站18.8 mm、最大積雪深度為29 cm;其次為2021年12月26日萬山鎮站最大降雪量為27.8 mm、積雪深度為17 cm。暴雪范圍最廣的為2021年12月26日,全市10個區縣有6個站達到暴雪。降雪持續時間最長為2011年1月18日20時—20日08時持續了36 h和2018年12月29日08時—31日08時持續了48 h。從5次暴雪過程出現頻率來看,松桃縣站出現4次,頻率為80%;江口縣站出現3次,頻率為60%;碧江區、萬山鎮站出現5次,頻率為100%;沿河縣、石阡縣站出現1次,頻率為20%;玉屏縣站出現2次,頻率為40%,可見暴雪容易發生在銅仁市東部的松桃縣、碧江區、江口縣、萬山鎮等站點,西部發生頻率低,除了沿河縣、石阡縣站出現過1次外,其余的德江縣、思南縣、印江縣站均未出現暴雪。

表1 銅仁市5次暴雪過程概況Tab.1 The overviews of five blizzard process in Tongren City

3 影響系統

3.1 5次暴雪過程影響系統

分析2005—2021年銅仁市5次暴雪過程的影響系統(表2),發現500 hPa等壓面上中高緯為兩槽一脊,過程1、過程2、過程4、過程5的槽分別位于烏拉爾山和日本?！覈鴸|北地區之間,我國東北低渦槽底延伸至四川東部,脊位于貝加爾湖西南部;過程3的槽分別位于黑海和我國東北地區—貝加爾湖附近,我國東北地區低渦槽底延伸至四川東部,脊位于巴湖北部,槽脊相對前4次過程略偏西。中低緯90～95°E地區孟加拉灣南支槽深厚,500 hPa等壓面上2005年和2009年568 hPa等高線進入銅仁市;2011年564 hPa等高線進入銅仁市;2018年570 hPa等高線進入銅仁市;2021年574 hPa等高線進入銅仁市。相比來看,2011年564 hPa等高線進入銅仁市,500 hPa上環流經向度大,利于引導北方冷空氣南下,導致降雪強度較大。海平面氣壓場上,貝加爾湖西部有冷空氣堆積,冷高壓中心強度為1060 hPa左右,冷空氣東移南下影響我國東部地區后經湖南向西回流影響銅仁市,定義為東北路徑冷空氣影響,大于1030 hPa的等壓線線進入銅仁市?？傮w表現為西南暖濕氣流在冷墊上爬升形成暴雪。

表2 銅仁市5次暴雪的環流影響系統Tab.2 The circulation background and affectinginducing systems of five blizzard process in Tongren City

分析統計銅仁市5次暴雪的環流影響系統(表2、表3)。700 hPa上,過程1～4四川東部有低渦切變線南壓影響銅仁市,廣西—貴州為西南風急流,西南風速為12～26 m·s-1,最大為2011年達到26 m·s-1。由表3可知在懷化站西南風速增大或者四川東部切變線進入貴州北部時,銅仁市降雪站次增多,并形成暴雪。過程5四川東部低渦切變線沒有南壓影響銅仁市,但在850 hPa上形成了12～14 m·s-1的東北風急流,而前4次過程東北風僅6～8 m·s-1。過程5在東北風急流增大時,降雪站次增多,逐漸形成暴雪。

表3 銅仁市5次暴雪過程的影響系統強度和位置與降雪站次Tab.3 The affect system strength and location and snow standing time of five blizzard process in Tongren City

3.2 暴雪發生時的平均環流形勢及天氣學概念模型

分析5次暴雪發生時各層的平均環流形勢,在500 hPa上(圖1a),中高緯為兩槽一脊形勢,槽位于烏拉爾山與日本?！覈鴸|北地區,脊位于貝加爾湖西部。中低緯90～95°E孟加拉灣地區有南支槽形成,568 hPa等高線進入銅仁市;700 hPa(圖1c)四川東部形成低渦切變線,云南—貴州有西南急流維持,平均最大風速為14 m·s-1;850 hPa(圖1d)為東北風影響銅仁市,切變線南壓至貴州南部;海平面氣壓場上(圖1b)貝加爾湖西部冷空氣南下后由東北路徑影響銅仁市,冷高壓中心≥1060 hPa,≥1030 hPa的等壓線進入銅仁市。綜上所述,銅仁市暴雪發生的環流配置(圖1e)為:高空500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢,我國東北地區槽底延伸至四川東部,孟加拉灣南支槽東移至95°E以東;700 hPa廣西—貴州西南急流建立,四川東部切變線形成,未來南壓影響銅仁市;850 hPa為東北氣流控制;海平面氣壓場上,貝加爾湖西部冷高壓中心達1060 hPa,1030 hPa線進入銅仁市。

3.3 暴雪發生過程的溫度場特征

從5次暴雪過程發生時平均的溫度場垂直剖面圖(圖2)可以看出,暴雪發生時銅仁市平均氣溫總體呈現為低層950～850 hPa之間冷,最低為-8 ℃;中層800～650 hPa之間較冷,最低為-6 ℃;650 hPa以上逐漸降低,銅仁市上空整層低于0 ℃。從5次暴雪過程降雪前和降雪發生時的各層次溫度變化來看(表4),發生前500 hPa溫度為-15～-19 ℃,700 hPa為-2～-4 ℃,850 hPa為-2～-7 ℃,地面氣溫為1～-2 ℃;暴雪發生時,500 hPa氣溫持續降低至-16～-21 ℃,700 hPa維持在-2～-4 ℃,850 hPa降低至-4～-8 ℃,地面氣溫為0.5～-4 ℃,可見暴雪發生時中高層氣溫有利于冰晶維持,地面氣溫持續降低,特別是過程3、4、5,地面氣溫相對更低,降雪時間持續更長(表1)。

表4 5次暴雪過程溫度特征(單位: ℃)Tab.4 The temperature characteristics of five blizzard process(unit: ℃)

4 物理量特征及預報指標

4.1 水汽通量散度和比濕場

沿暴雪區域109°E作水汽通量散度的垂直剖面圖(圖3a)可知,水汽通量散度輻合集中在中層850～600 hPa之間,低層1000～850 hPa和高層600～400 hPa為輻散,即為低層、高層水汽輻散,中層水汽輻合,最強輻合層在850～700 hPa之間,強度中心值為-18×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1。比濕場(圖3b)特征表現為低層和高層比濕值小,中間層濕度大,在800～650 hPa之間形成比濕大值中心,降雪區域最大比濕中心值為5 g·kg-1,與水汽輻合中心對應。

圖3 5次暴雪過程發生時平均的水汽通量散度場(a,單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)和比濕場(b,單位: g·kg-1)垂直分布,陰影為地形,線框為降雪區域Fig.3 The average water vapor flux divergence(a, unit:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)and specific humidity(b, unit:g·kg-1) vertical section of five blizzard vertical sections, the shadows show the terrain, the wire frames as snowfall area

4.2 散度場

在暴雪發生時,5次暴雪平均的垂直剖面散度場(圖4)總體表現跟水汽通量散度場表現一致,為近地層輻散、中層輻合、高層輻散的特征,輻合最強位于800～700 hPa之間中低層西南急流附近,輻散最強位于450～300 hPa之間。

圖4 5次暴雪過程發生時平均的散度場(虛線為輻合,實線為輻散,單位:s-1)及風場(風向桿,單位: m·s-1)垂直分布(陰影為地形,線框為降雪區域)Fig.4 The average divergence field (dotted lines for convergence, solid line for divergence, unit:s-1)and wind field (wind-direction shaft, unit: m·s-1) vertical section of five blizzard vertical sections(the shadow shows the terrain, the wire frames as snowfall area)

4.3 垂直速度場

圖5是5次暴雪過程發生時沿109°E平均的垂直速度場的垂直剖面圖。從圖中可以看到,暴雪過程發生時整層為上升運動。在降雪區有2個強的上升運動中心,分別位于900～800 hPa和500～350 hPa,平均最強中心分別為-30 hPa·s-1、-50 hPa·s-1。分析5場暴雪過程的垂直速度在暴雪發生前和發生時值的變化(圖略),發現暴雪發生時700 hPa和500 hPa層垂直上升速度值明顯增強,700 hPa上升運動增大值≥10 hPa·s-1,500 hPa上升運動增大值≥12 hPa·s-1,這可以作為暴雪發生的參考指標。

圖5 5次暴雪過程發生時平均的垂直速度場(虛線為上升,單位:hPa·s-1)垂直分布,陰影為地形,線框為降雪區域Fig.5 The average vertical velocity vertical section of five blizzard vertical sections (dotted line is rising,unit:hPa·s-1),the shadows for of the terrain,the wire frames as snowfall area

5 結論

本文分析了銅仁市5場暴雪天氣過程的環流形勢和物理量特征,得出以下結論:

(1)銅仁市的暴雪易發生在東部的松桃縣、碧江區、江口縣、萬山鎮等站,西部沿河縣、石阡縣發生暴雪頻率相對低,而思南縣、德江縣、印江縣在2005—2021年間均未出現暴雪。

(2)暴雪高空表現為中高緯兩槽一脊形勢,配合中低緯南支低槽東移,地面貝加爾湖西部冷高中心強度為1060 hPa,大于1030 hPa的等壓線進入銅仁。暴雪落區出現在500 hPa槽前、700 hPa西南急流前部或切變線南側及850 hPa東北風風速輻合區內,配合較強持續的上升運動,是產生暴雪天氣的有利大尺度環流形勢。當700 hPa西南急流風速越大,降雪強度越大。850 hPa東北風速越大,暴雪范圍越廣。暴雪發生時,500 hPa氣溫在-16～-21 ℃,700 hPa氣溫在-2～-4 ℃之間,850 hPa氣溫在-4～-8 ℃之間,近地面層在0.5～-4 ℃之間,地面氣溫越低降雪持續時間越長。

(3)散度場表現為近地層輻散,中低空輻合、高空輻散的特征。輻合最強位于800～700 hPa之間的西南急流附近、輻散最強位于450～300 hPa之間,當輻合層次伸展更高時,更利于暴雪天氣的持續;在垂直速度場上表現為整層的上升氣流,最強上升區有2個強的上升運動中心,900～800 hPa和500～350 hPa之間,平均最強中心為低層-30 hPa·s-1、高層-50 hPa·s-1,特別是500 hPa和700 hPa上升運動出現明顯增大時,可作為強降雪發生的指示。

(4)比濕場表現為,低層和高層比濕值小,中間層比濕大,在800～650 hPa之間形成比濕大值中心,最大比濕中心值為5 g·kg-1,暴雪發生時500 hPa比濕為1.5 g·kg-1左右,700 hPa為4 g·kg-1左右,850 hPa為3.5～4 g·kg-1。500 hPa比濕值≥1.5 g·kg-1可作為暴雪發生的參考指標。水汽通量散度場表現為,水汽輻合集中在中層850～600 hPa之間,低層1000～850 hPa和高層600～400 hPa為輻散,最強輻合層在850～700 hPa之間,強度中心值為-18×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1,850 hPa平均值為-3.6×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。