2010年一次浙江省暴雪過程的診斷分析

周玲麗 杜惠良

(浙江省氣象臺,浙江杭州310017)

2010年一次浙江省暴雪過程的診斷分析

周玲麗 杜惠良

(浙江省氣象臺,浙江杭州310017)

利用常規的地面和高空觀測資料,結合雷達資料和MM5中尺度數值模擬結果對發生在2010年12月15日08時—16日20時的浙江暴雪過程進行了分析。結果表明,本次降雪過程由北方強干冷空氣與穩定加強的暖濕西南風氣流交匯造成。冷空氣南壓使浙江省自北向南強烈降溫,西南氣流的穩定維持則提供了源源不斷的水汽和能量,加上低層700hPa出現強烈的逆溫,這些都有利于降雪的產生和維持,最終達到大到暴雪的級別。利用雷達和數值模擬結果進行進一步分析還發現,浙中北地區降雪的主要影響系統是對流層低層的中尺度切變線。對流層低層的暖平流和對流層中下層的冷平流構成“上冷下暖”的層結。在這種不穩定的層結條件下,風場的切變配合低層氣流的輻合,一起造成了浙江中北部地區的強降雪。浙中南部的降雪則主要是由于山區地形使得近地面空氣堆積產生強輻合,配合高空較強的輻散氣流,促使氣流形成強烈的上升運動引發的。此外,對流層高層的正渦度輸送對降雪的形成和維持十分有利,當高空出現正渦度時會有降雪形成,高空渦度的強度越強,降雪的強度也越強。

暴雪;冷空氣;西南急流;中尺度切變線;逆溫

圖1 2010年12月16日08時浙江省12h積雪深度(單位:cm)

為了解暴雪天氣的環流背景,揭示中小尺度現象的特征和演變,本文利用常規的地面和高空觀測資料,結合多普勒雷達資料和MM5模擬結果,對本次浙江暴雪過程進行診斷分析。

1 環流背景和天氣形勢

從500hPa的形式來看,本次降雪過程屬于比較典型的“橫槽型”[12]。在中高緯度,貝爾喀什湖附近有一個阻塞高壓;鄂霍次克海西北部有一個較強的東北冷渦穩定維持,從山東半島到陜西中部地區有一支從冷渦底部伸出的橫槽存在;20°N～30°N地區為南支槽前的西南氣流(圖2a)。隨著青藏高原東北部的小槽在東移南壓到四川盆地的過程中逐漸轉豎,在橫槽北側堆積的強冷空氣開始逐漸分裂南下并與西南暖濕氣流交匯,造成浙江全省大部氣溫持續下降到-5℃～-2℃,引起了一場暴雪過程(圖2b)。

圖2 實況500hPa高度場(單位:dagpm)(圖中粗線為高空槽的位置)

圖3 15日08時700hPa高度(單位:dagpm)

伴隨著500hPa高空環流的演變,低層700 hPa流場上的急流和切變系統的發展移動也與之對應配合。如圖3所示,700hPa高度上分布有兩支很強的低空西北急流和西南風急流。前者急流軸的位置主要位于內蒙古東部—華北北部—山東半島一線,中心風速達到了32m/s,將冷空氣不斷輸送到南方地區;后者是主要來自孟加拉灣和南中國海的暖濕氣團,中心風速位置則分布在華南和華東地區一帶,最大風速中心出現在貴州、湖南和廣西3省交界處,中心值約為20m/s。這兩支屬性截然不同的強低空急流在33°N附近的四川—湖南—江西—江浙交界一帶交匯,同時還在四川盆地附近發展形成一個低渦系統,渦前部的偏東風和西南風之間形成了較強的切變,這也正是降雪出現的地區。此后隨著冷空氣勢力的加強南下,氣流的匯合線逐漸南壓,浙江省自北而南產生降雪。

2 雷達產品分析

考慮到常規的實況觀測資料在時空尺度上的不足,無法捕捉到中小尺度現象的發展和演變過程,本文以杭州站為代表,利用多普勒雷達資料對浙北地區降雪過程中的中小尺度現象進行分析(圖略)。

15日00時,在距離雷達中心50km的半徑內,也就是低層1.5km高度以下的速度零線呈順時針彎曲,說明對流層低層中有暖平流;彎向正速度區的曲率要大于彎向負速度區的曲率,表明對流層低層中還存在著風向的輻合。在50～100km半徑范圍內,也就是1.5～35km高度之間,杭州雷達站西北側德清和安吉地區上空的速度零線又轉為逆時針彎曲,這表示該區域高度中存在冷平流,根據地面天氣圖可知(圖略),這是北方冷空氣南下造成的,說明此時冷空氣前鋒已經開始影響浙北北部地區。對比同時刻1.5km高度上的CAPPI反射率回波可知,此時浙江省境內只有一些強度在10～15dBz之間的微弱回波,還并沒有降水產生。但是對流層低層的暖平流和中下層的冷平流構成“上冷下暖”的結構,形成靜力不穩定層結,加上對流層低層氣流的輻合結構,為降水的形成提供了有利條件。

15日09時的速度回波中,邊界層1km高度以下仍維持著暖平流和輻合結構,但邊界層頂以上到2km高度之間均已轉為冷平流影響,并且已經向南擴散到了紹興和上虞等地。這意味著冷空氣前鋒以及開始向低層擴散并南壓到了浙中地區。在距離雷達中心80km半徑處的2.5km高度上,零速度線出突然出現了180°的拐彎,這是切變線在雷達速度回波上的典型特征。低層不穩定層結中,切變線的形成是產生降水的標志,配合氣流的輻合條件和冷空氣造成的強烈降溫,此時浙江中北部地區出現了大范圍的降雪。

15日22時54分,隨著冷空氣的進一步南下侵入,低層切變線逐漸減弱成局地的輻合,浙江北部大部分地區已經轉為西北風控制。此時的降水逐漸減弱,主要的雨雪區開始向南轉移,浙中南部等地開始出現強降雪天氣。

從以上分析可知,對流層低層的暖平流和對流層中下層的冷平流構成“上冷下暖”的層結。在這種不穩定的層結條件下,低層的輻合和切變配合充足的水汽和強烈的降溫一起造成了浙江中北部地區的強降雪。

3 模擬結果診斷分析

由于雷達資料的獲取和觀測范圍的限制,無法進一步對出現最強降雪的浙江中南部地區中小尺度現象的分析,因此本文利用了美國由PSU/NCAR共同開發的第5代中尺度數值模式MM5(V3.6)對本次暴雪過程進行了數值模擬。在模擬效果基本符合實況的前提下,利用模式的高分辨率結果進一步彌補資料的不足。

圖4 15日08時散度場垂直剖面(單位:×10-5s-1)

分析圖4給出降雪發生之初,沿著浙江中南部24h最強降水區的散度場垂直剖面可見,整個對流層中上層全部為氣流的輻散區,輻散中心分布均勻,強度約在6×10-5s-1左右。在對流層中下層,由于地形作用影響,在山體之間的下凹地形處容易形成空氣的堆積,從而造成較強的輻合,強度在-30×10-5s-1以上。強的輻合與高空強度輻散配合,“抽吸”作用有利于加強氣流的垂直上升運動。垂直速度場表明,正是從15日08時以后開始,降水區從下沉氣流為主導轉變為強烈的上升氣流(圖略)。本次暴雪過程最強降雪出現在山區,積雪深度達到了20～30cm,正是高低空輻散-輻合的垂直結構為降雪的產生提供了有利的動力條件。

圖5 降雪發生前和發生時渦度場(單位:×10-5s-1)垂直剖面

進一步分析圖5a可以發現,在降雪發生之前,對流層中高層上為負渦度區,強度在-13× 10-5～-17×10-5s-1之間;低層為較強的正渦度中心,最大值在35×10-5s-1以上。到了15日23時(圖5b),降雪發生且最強時,中高層轉為正渦度并且強度發展到最強的21×10-5s-1;低層此時在降雪區域雖然仍為正當渦度中心控制,但負渦度的勢力明顯比之前有所發展。分析整個降雪過程中渦度場的演變也可以發現這樣的情況(圖略)。這說明,在本次過程中,對流層高層有正渦度平流向降雪區輸送。當高空出現正渦度時會有降雪形成,高空渦度的強度越強,降雪的強度也越強。高層正渦度的發展與低層正渦度中心一起構成一個從近地面向上伸展至高空的正渦度柱結構,對降水的維持和發展非常有利。

4 能量結構分析

進一步從能量和水汽角度分析本次暴雪過程降雪較強的衢州站位溫的垂直結構,圖6給出了暴雪發生前、發生時以及結束時位溫、假相當位溫和飽和假相當位溫的垂直廓線。

圖6a顯示,降雪發生之前的12h,低層850hPa以下假相當位溫線和飽和假相當位溫線幾乎重合,低層空氣近似飽和,水汽條件很好;850hPa之上,假相當位溫線與飽和假相當位溫線逐漸遠離,轉而靠近位溫線,這表示水汽含量隨高度慢慢減少,空氣逐漸變干。這主要是因為低層850hPa以下風速12m/s的偏東風,能夠從海上輸送水汽;而850hPa以上為來自內陸的較干的偏西風急流。因此,降雪發生前,衢州站上空為上干冷下暖濕的不穩定結構,低層偏東風和高層偏西風之間還形成了較強的風的垂直切變,這都非常有利于降水的形成。到了15日08時(圖6b),高層風向開始從偏西風轉為西南風,也開始為衢州上空輸送充沛的水汽,使得對流層高低層均為近似飽和的狀態;同時由于受到冷空氣的影響,衢州站出現了明顯的降溫,低層降溫幅度達到了10℃左右。在有利的環流場形勢下,衢州站從15日08時以后就開始出現降雪。到了15日20時(圖6c), 850hPa以上的西南氣流進一步加強,整層的水汽條件得以仍然維持著近似飽和的狀態,同時衢州站的溫度又繼續下降了5℃,降雪繼續維持發展。當16日08時(圖6d),高層再次轉為偏西風,低層700hPa以下也基本轉為了西北風,水汽條件開始轉差,雖然繼續維持著低溫,但雨雪天氣基本趨于結束。

(圖中綠色曲線為位溫,棕色曲線為假相當位溫,藍色曲線為飽和假相當位溫)

5 溫度條件分析

冷暖空氣的交匯為降水提供了有利的條件,但是雨水是否能夠轉化為固態雪的一個關鍵因素在于溫度。南方降雪有利的溫度條件在垂直方向上,一般需要滿足以下幾點:地面溫度≤4℃,850hPa溫度≤-3℃,700hPa溫度≤0℃, 500hPa溫度≤-12℃,并且中層要有逆溫層[13]。曾欣欣[12]對歷年92次浙江大雪過程進行統計分析,總結了大雪預報概念模型,并針對溫度條件進行了深入探討發現,當存在逆溫現象時,700hPa溫度比850hPa溫度要至少高出1℃時比較有利于降雪的產生。

對本次過程降雪最大之一的衢州站各層溫度進行分析發現,從14日20時各層已經出現降溫,其中850hPa降溫最快,24h溫度就下降了10℃,達到了-10℃;其次是925hPa,24h氣溫下降9℃達到了-6℃;而700hPa則是各層中降溫幅度最小的,從14日20時到16日08時僅僅緩慢下降了4℃。根據前面對700hPa環流場(圖7)的分析可知,這主要是由于強暖濕西南氣流的影響導致該層溫度下降緩慢。850hPa和925hPa的強烈降溫導致從15日08時到16日08時形成了逆溫層,并且最大逆溫差值達到了7℃。這樣的低溫條件和逆溫層結構非常有利于暴雪的產生。

圖7 衢州站從地面到700hPa各層氣溫變化曲線(單位:℃)

6 結 語

本文利用常規的地面和高空觀測資料,結合雷達速度圖和MM5中尺度數值模式對發生在2010年12月15日08時—16日20時的浙江暴雪過程進行了分析,結果表明:

(1)本次降雪過程主要是由于北方強干冷空氣與穩定加強的暖濕西南風氣流交匯造成的。冷空氣勢力不斷加強南壓,使得浙江省自北而南強烈降溫產生降雪;西南氣流的穩定維持提供了源源不斷的水汽和能量,并使700hPa出現逆溫,這都有利于降雪的出現和維持。

(2)浙中北地區的降雪的直接影響系統是對流層低層的中尺度切變線。對流層低層的暖平流和對流層中下層的冷平流構成“上冷下暖”的層結。在這種不穩定的層結條件下,風場的切變配合低層氣流的輻合,一起造成了浙江中北部地區的強降雪。

(3)浙中南部的降雪則主要是在大幅度的降溫和充足的水汽條件下,由于山區地形使得近地面空氣堆積產生強輻合,配合高空較強的輻散氣流,促使氣流形成強烈的上升運動引發的。此外,對流層高層的正渦度輸送對降雪的形成和維持十分有利,當高空出現正渦度時會有降雪形成,高空渦度的強度越強,降雪的強度也越強。

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0 引 言

近年來,凍雨暴雪天氣多次襲擊我國南方地區,造成冰凍災害,引發交通事故和人員傷亡。對于暴雪的成因,國外早在1978年就做過診斷分析,發現高層冷平流導致斜壓性的再次增加是產生暴雪的主要原因[1]。不少研究還發現,溫帶氣旋的發展登陸和低壓系統的發展與暴雪的發生有密切的關系[2-6]。地形和水汽對凍雨雪天氣的形成起關鍵作用[7]。近年來,隨著我國降雪和冰凍天氣的頻發,人們對暴雪的研究也越來越重視。張小玲和程麟生[8]對高原的暴雪過程進行了水汽和動力診斷分析,認為水汽、條件不穩定在高原暴雪中起重要作用。林曲風[9]對一次暴雪過程進行中尺度模擬和分析,發現地形對局地水汽的累積和輻合的增強有巨大作用。宮吉德和李彰俊[10]研究了低空急流與暴雪過程的關系,認為低空偏南急流對于暴雪過程起著重要的作用。王東勇等[11]指出,在強降雪時,近地面925 hPa附近有很強的超低空急流。

受強冷空氣影響,2010年12月15日08時—16日20時浙江省大部地區出現了一次大到暴雪過程。從15日早晨開始,浙北的湖州、杭州和浙西的衢州等地區先出現降雪,隨即降雪區南壓影響全省。全省大部積雪深度達12～15cm,局部15～20cm,山區20～30cm。全省日平均氣溫下降了7～10℃,山區最低氣溫在16日05時達到了-6℃左右,0℃以下氣溫最長持續了20～22h。本次降雪過程是浙江省比較少見的全省性大范圍降雪,80%站出現降雪(圖1)。本次降雪過程導致浙江省出現較嚴重低溫、冰凍災害,造成交通受阻,交通事故頻發,農林業遭受較大損失,大雪壓塌屋棚頂,致多人受傷,用電量創2010年冬季最高負荷。

2010-02-09