低緯高原2013年一次寒潮天氣過程不同相態降水診斷分析

鐘愛華，周 泓，黃慧君，徐安倫

(1.云南省大理州氣象局，云南大理 671000;2.云南省玉溪市氣象局，云南玉溪 653100;3.大理國家氣候觀象臺，云南大理 671003)

近年來，許多氣象工作者對低緯高原出現的強冷空氣天氣過程進行了天氣動力學診斷分析和數值模擬。如郭榮芬等對低緯高原2次冬季南支槽強降水進行對比分析，發現一次屬于典型的“槽潮”天氣過程，一次則是無明顯強冷空氣配合但有西南急流長時間維持的天氣過程，并從2次過程的物理機制上進行了探討;對云南一次罕見的“雷打雪”天氣過程進行診斷分析指出，南支槽、冷空氣和西南低空急流是這次過程的天氣背景，并綜合運用雷達資料分析了過程的中尺度特征［1－2］。張騰飛等將多普勒雷達資料同常規氣象資料、物理量和衛星云圖資料結合起來對2004年2月7日滇中及以東一次大到暴雪天氣過程綜合分析［3］。不過這些工作較少涉及降水相態的研究。張備等從環流形勢、動力機制、溫濕特征等方面對2010年2月9～11日江蘇一次雨、雪、凍雨、冰雹等不同相態的寒潮過程進行了分析［4］。王清川等對廊坊市初冬雨雪相變特征和一次春季強寒潮的降水相態變化進行了分析，探討了降水多相態轉換的成因，給出了雨雪轉換的氣象指標和多普勒天氣雷達特征［5－6］。段旭等對低緯高原地區冰雹與暴雨物理條件的差異進行細致的研究，得到一些有意義的結論［7］。但不同季節環境場和物理量場會有很大差異，低緯高原冬季不同相態降水之間各物理量的變異特征值得深入研究。筆者利用常規氣象觀測資料、NCEP1.0°×1.0°逐6 h再分析資料，綜合分析2013年12月15～16日云南出現的強寒潮天氣過程，通過對不同相態降水物理量的細致分析，找出一些此類復雜天氣降水相態落區預報的經驗性指標和預報著眼點。

1 環流形勢及天氣實況

2013年12月15～16日云南出現一次強寒潮天氣過程，降溫的同時伴有降雨、降雪、冰雹、雷暴等天氣(圖1)。這次云南特殊的天氣過程是由南支槽前高低空西南急流、切變線和地面冷鋒共同作用造成的。過程開始前，從500 hPa高空圖(圖2a1)看出，14日20:00歐亞中高緯地區為兩槽一脊形勢，脊區位于 60°～90°E、30°～55°N 的烏拉爾山地區，槽區一個位于歐洲東部、另一個位于鄂霍次克海附近;甘肅南部—四川西北部—青藏高原東南部到緬甸西部是一東北—西南向槽，新疆、青海和西藏大部為槽后脊前的西北氣流，溫度槽明顯落后于高度槽，在蒙古到我國西北地區有－32℃的冷中心，－20℃等溫線位于四川東南部。700 hPa(圖2b1)，南支槽區位于92°～94°E，云南大部受槽前西南急流影響，溫度槽落后于高度槽，滇東北等溫線密集，0℃等溫線壓在昆明以東曲靖以西;切變線位于四川東部，格爾木高度值為316 dagpm，云南探空站的高度值在307～310 dagpm，與格爾木之間有6～9 dagpm的位勢高差，有利于切變線南壓。氣壓場上，1 020 hPa等壓線壓至滇東北一線，而南支槽對應的位置氣壓是1 010 hPa，表明南支槽非常深厚。15日08:00 500 hPa(圖2a2)，高空西風槽北段東移至四川東部，南支槽區位置少動，云南被20 m/s以上的西南急流控制，西南風的南風分量較14日20:00增加，－20℃等溫線壓至麗江一線，溫度槽仍落后于高度槽，這樣的斜壓配置使得冷槽內的大量冷空氣沿著高原東部西北氣流入侵四川、云南等地。700 hPa(圖2b2)，受高空西北氣流引導，切變線快速南壓，東段壓至云南文山、紅河一線，西段到達楚雄、大理一帶，切變線后部在四川東部仍有12 m/s以上的偏北大風;0℃等溫線明顯南移，位于滇東南－臨滄北部到德宏南部。氣壓場上，哀牢山沿線為1 018 hPa等壓線控制區，以東地區受1 020～1 032 hPa線控制，表明強冷空氣正在影響該區域。受南支槽、高低空西南急流和切變線共同影響，14日夜間到15日白天云南出現明顯雨雪天氣，全省共出現42站小雨、27站中雨、16站大雨、22站暴雨和2站大暴雨，暴雨出現在文山、紅河、普洱以及西雙版納，其中西雙版納的勐臘站出現148.0 mm的大暴雨，普洱的江城站出現104.6 mm的大暴雨;滇中以東地區由北向南依次出現降雪，滇西北和大理、楚雄地區也出現了大到暴雪。此外，哀牢山大地形對冷空氣有阻擋作用，受西南急流影響，哀牢山以西地區出現了降水、冰雹和雷暴天氣。

15日20:00 500 hPa形勢(圖2a3)與08:00相似，南支槽區略東移，槽前的西南急流軸隨之東移，滇西北西南氣流減弱，而滇中及以東的氣流卻明顯加大，西雙版納到玉溪一帶出現了40 m/s以上的超強西南急流;700 hPa(圖2b3)，切變線壓過昆明，切變后部的四川盆地東部到滇東北仍存在一支強勁的東北風低空急流;地面圖上看冷空氣已經抵達哀牢山一線，哀牢山以東以北的地區均出現大雪甚至暴雪。16日08:00 500 hPa南支槽繼續緩慢東移，700 hPa切變線和－4℃等溫線自東北向西南方向移至滇西南邊緣地區。15日夜間到16日白天云南全省出現72站小雨、10站中雨，中雨集中在臨滄和文山地區，哀牢山以東地區的降雪隨著切變線南壓，自北向南減弱結束。16日20:00南支槽迅速東移，云南大部地區轉為槽后西北氣流，低層轉為偏北到東北風控制。16日夜間到17日早晨云南大部天空放晴，多個測站最低氣溫突出有氣象記錄以來歷史極端最低氣溫，出現了重霜凍天氣。

2 不同相態降水物理量分析

下面分別對暴雨、雷暴和降雪3種不同相態降水的物理量條件進行分析。暴雨和降雪分別選2個代表站點分析，各站點海拔高度、天氣現象、地面氣溫及6 h降水量如表1所示。

表1 2013年12月14～16日不同相態降水站點天氣現象、地面氣溫及降水量

2.1 暴雨區物理量特征分析 選取滇南出現2個大暴雨的站點勐臘(21.48°N、101.57°E)和江城(22.57°N、101.85°E)2個站點作為暴雨區代表站。

2.1.1 水汽通量和水汽通量散度。12月15日02:00 700 hPa滇西南處于西南低空急流的出口區，從水汽通量和水汽通量散度的空間分布圖(圖3a)上，滇南是水汽通量的大值區，水汽在大值區內強烈輻合，強水汽輻合中心值達－9×10－7g/(cm2·hPa·s);15日20:00南支槽東移，槽前的西南急流軸隨之東移，低空急流軸位于18°～22°N一帶，滇南邊緣地區位于急流軸的出口區，水汽通量的大值區仍位于急流軸的出口區，水汽在滇南邊緣地區輻合，強水汽輻合中心值達－8×10－7g/(cm2·hPa·s)(圖3b)。從表1可以看出，勐臘和江城的強降水集中在14日20:00～15日20:00，江城24 h雨量為104.6 mm，勐臘為148.0 mm，正是西南低空急流為滇南強降水區源源不斷地輸送著來自孟加拉灣的水汽。南支槽前暖濕的西南低空急流為滇南大部地區的強降水天氣提供了充足的動力條件和水汽條件，暴雨落區與水汽輸送量大小和水汽通道位置關系密切。

2.1.2 K指數。K指數是描述大氣穩定度的一個重要指標，一般來說，K指數越大，大氣層結越不穩定。從12月15日08:00 K指數分布圖(圖4)可以看出，整個滇中及滇西南地區的K指數＞25℃，西雙版納地區K指數為28～30℃，是不穩定能量的密集區。700 hPa 08:00總溫度圖上，除滇東北和滇西北總溫度值在38℃以下，云南其他地區均屬于38～48℃的高能區。

2.1.3 散度、垂直速度。從散度、垂直速度的時間－高度剖面圖上，14日20:00～15日02:00勐臘(圖5a)700 hPa以下輻合，700 hPa以上輻散，有弱的上升運動，強度在－2×10－3hPa/s;15日02:00～20:00 600 hPa以下輻合，輻合中心高度在850～600 hPa，600 hPa以上輻散，輻散中心高度在500～350 hPa，且低層輻合高層輻散程度加強，同時上升運動越來越強烈，中心強度在15日20:00達到最大，為－34×10－3hPa/s;15日20:00后低層輻合高層輻散的程度逐漸減小，上升運動顯著減弱，最大上升運動中心強度僅維持在－10×10－3hPa/s。而江城(圖5b)14日20:00～15日20:00 500 hPa以下輻合，輻合中心高度在700～500 hPa，500 hPa以上輻散，輻散中心高度在400～300 hPa，并伴有強烈的上升運動，強度在－40×10－3hPa/s;15日20:00整層轉為輻合，上升運動明顯減弱，中心強度僅為－8×10－3hPa/s。分析表明勐臘和江城出現強降水期間(14日20:00～15日20:00)低層輻合高層輻散，并伴有強烈的上升運動。

通過對暴雨區水汽、能量、穩定度以及動力抬升條件的分析表明，滇南地區受南支槽前西南高低空急流影響，水汽和能量條件充足。急流軸在隨南支槽東移的過程中，為滇南強降水區源源不斷地輸送著來自孟加拉灣暖濕而不穩定的水汽，為暴雨天氣的發生提供了充足的水汽、能量和不穩定條件，而這些暖濕而不穩定的水汽在急流軸出口區及出口區的左側輻合抬升，形成了強烈的上升運動，最終造成了滇南地區的暴雨局地大暴雨天氣。分析表明暴雨的落區與水汽輸送量大小、水汽通道位置關系密切，而水汽通道基本與低空急流的位置一致。

2.2 雷暴區物理量特征分析 從對流層低層700 hPa比濕圖(圖6a)可以明顯地看到，滇西與滇西南地區之間存在濕度鋒區，滇西是干區，滇西南是顯著濕區。而15日08:00南支槽槽前的西南低空急流軸位于18°～22°N一帶(圖2b2)，滇南邊緣地區位于急流軸的出口區，因此700 hPa濕度鋒區的位置與低空急流的位置基本一致。從15日08:00 500 hPa與850 hPa的假相當位溫分布看出，滇西地區500 hPa和850 hPa的假相當位溫之差為－4℃，氣層處于不穩定狀態;15日20:00 500 hPa與850 hPa的假相當位溫分布圖(圖6b)上滇西和滇西南仍是不穩定區域，特別是滇西500 hPa和850 hPa的假相當位溫之差－6℃，此時氣層仍處于不穩定狀態。15日20:00滇西地區K指數為31～35℃，是不穩定能量的密集區。15日08:00沿101°E經向垂直速度剖面圖(圖7)上濕度鋒區的兩側，23°N以南是強烈上升的暖濕氣流，23°～25°N是下沉的干冷氣流，形成了風的垂直切變，誘發強對流天氣發生。因此，從濕度鋒區、能量、不穩定條件和風的垂直切變等條件分析表明，滇西地區處于濕度鋒區的北側是具有不穩定能量和下沉氣流的干區，利于雷暴、冰雹等強對流天氣的發生。滇西大部分地區的雷暴和局部的冰雹天氣正是在這種有利的天氣形勢下形成的。

2.3 降雪區物理量特征分析 選取出現降雪的站點大理(25.7°N、100.18°E)和沾益(25.58°N、103.83°E)分析，大理和沾益分別是滇西、滇東的降雪站點。從表1可以看出，大理出現降雪時地面氣溫在0℃，沾益出現降雪時地面溫度在－2～2℃。

從大理風場、氣溫和相對濕度的時間－高度剖面(圖8a)可以看出，大理14日20:00～15日02:00，650 hPa以上溫度變化不大，650 hPa以下到近地面層溫度降低，近地層為弱的西南風，高層為西南急流，此階段大理未出現降水;15日08:00～20:00，近地層溫度呈正弦曲線變化，近地層風向轉為偏東風，500 hPa漸漸由西南風轉為偏南風，表明南支槽影響，15日白天大理出現陣雨天氣;15日20:00 550 hPa以上溫度變化不大，550 hPa到近地面氣溫逐步下降，表明有冷空氣從對流層中層逐漸擴散到低層，0℃層高度從15日14:00的700 hPa降至20:00的750 hPa，15日20:00地面出現降雪，此時地面溫度為0℃。15日20:00～16日08:00－4℃層高度接近近地層，低層為偏東風，500 hPa仍為偏南風，大理維持降雪;16日08:00以后，大理上空對流層中層600～500 hPa由偏南風轉為偏東風，再轉為偏北風，高層由西南風轉為西北風，表明從受南支槽槽前的西南氣流影響轉為受槽后西偏北氣流影響;16日08:00～14:00，近地層的溫度回升，0℃層高度接近750 hPa，16日14:00大理降雪停止，轉為陰天。可見，這次天氣過程中，0℃層高度是否接近750 hPa可作為大理站降雪的臨界值。

從圖8b可以看出，沾益14日20:00～15日02:00近地層為偏南風影響，為陣雨天氣;15日08:00～16日08:00，600 hPa以上溫度變化不大，600 hPa到近地面氣溫逐步下降，表明有冷空氣從對流層中層逐漸擴散到低層;0℃層高度從15日02:00的720 hPa降至15日08:00的770 hPa，15日08:00地面出現降雪，此時地面溫度是2℃，800 hPa的溫度正好在2℃左右;15日08:00～16日08:00近地層溫度從0℃降至－4℃，此階段魯甸從降小雪轉為降中雪，再由降中雪轉為小雪。從圖6b還可以看出，17日08:00后，沾益上空為－8℃的冷性氣團控制，高層風場基本為西南風急流，低層為偏北風，700 hPa為接近12 m/s的偏北風，越到近地面北風風速越小，表明降雪期間有北風能量下傳。16日14:00沾益降雪停止，天空轉晴。可見，這次天氣過程中，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值，降雪期間低層有偏北風能量下傳。

15日20:00大理和沾益站同時出現降雪，沿26°N水汽通量和水汽通量散度的垂直分布(圖9)可以清楚地看到600 hPa以下到近地面98°～102°E為水汽輻合區，輻合中心高度位于700 hPa附近，這個高度正好接近大理和沾益的對流層底部，水汽輻合中心強度在－2×10－7g/(cm2·hPa·s)。表明降雪期間，近地層具備降雪所需的水汽條件。同時，圖8中可以看出出現降雪時大理和沾益站上空整個氣層的相對濕度均達到90%以上。

從散度、垂直速度的時間－高度剖面圖上(圖5c、d)，15日08:00之前，大理高層輻合、低層輻散，低層有弱的上升運動;15日08:00～14:00輻散層轉為高層輻散、低層輻合，整層出現弱的上升運動，中心強度在－8×10－3hPa/s左右;15日20:00～16日08:00整層為明顯的上升運動，上升運動中心在由15日20:00的550 hPa漸漸升高至16日08:00的450 hPa，中心強度維持在 －16×10－3～ －20 ×10－3hPa/s，上升運動最強出現在15日20:00(此時大理開始出現降雪)和16日08:00(此時降雪維持)。同時，配合強烈的上升運動，在70～500 hPa有低層輻合，550～250 hPa有高層輻散。16日14:00降雪結束，低層轉為下沉運動。分析表明大理降雪期間(15日20:00～16日08:00)低層輻合高層輻散，并伴有強烈的上升運動，因此大理站的雨雪量較大。過程期間沾益對流層上層(500～150 hPa)垂直方向上250～150 hPa輻散、500～400 hPa輻合，在350～300 hPa有上升運動，上升運動中心強度為 －6×10－3～ －10×10－3hPa/s;對流層下層(800～500 hPa)垂直方向上650～500 hPa輻散、800～600 hPa輻合;在15日08:00 700 hPa有上升運動，上升運動中心強度為－4×10－3hPa/s，其余時段近地層均為弱的下沉運動。分析表明沾益降雪期間(15日08:00～16日08:00)對流層上層和中下層分別有低層輻合高層輻散，在雨雪量稍大的15日08:00整層均為上升運動，但其他雨雪量為微量的時段，只有對流層上層有上升運動，對流層中層則已轉為弱的下沉運動，因此在對流層高層形成的雪花只有少量落到地面上。

因此，對于地處滇西北區的大理站而言，近地層風向轉為偏東風或東北風可作為冷空氣影響該區域的開始，0℃層高度是否接近750 hPa可作為降雪的臨界值，對于地處滇東地區的沾益站而言，近地層風向轉為東北風或偏北風可作為冷空氣影響該區域的開始，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值。此次過程中沾益降雪期間低層有偏北風能量下傳。分析還表明，滇中以北地區雨雪量的大小除了受冷空氣強度和水汽輸送通道位置的影響外，還受動力抬升和地形等條件的影響。

3 結論與討論

(1)2013年12月15～16日云南寒潮天氣過程主要影響系統是南支槽前高低空西南急流、冷鋒切變。滇南地區出現了暴雨局地大暴雨，哀牢山以東以北區域出現了雨雪天氣，哀牢山以西的相對干區出現了明顯的雷暴局地冰雹天氣。

(2)滇南地區受南支槽前西南高低空急流影響，水汽和能量條件充足，暖濕而不穩定的水汽在急流軸出口區及出口區的左側輻合抬升，形成了強烈的上升運動，造成了滇南地區的暴雨局地大暴雨天氣。滇西地區處于濕度鋒區的北側是具有不穩定能量和下沉氣流的干區，這樣的天氣形勢造成滇西大部分地區的雷暴和局部冰雹天氣。對于地處滇西北區的大理站而言，近地層風向是否轉為偏東風或東北風可以作為冷空氣影響該區域的開始，0℃層高度是否接近750 hPa可作為降雪的臨界值;對于地處滇東地區的沾益站而言，近地層風向是否轉為東北風或偏北風可以作為冷空氣影響該區域的開始，0℃層高度是否接近800 hPa可作為沾益站降雪的臨界值。

(3)此次過程，低空急流軸的位置與濕度鋒區和水汽輸送大值區基本一致，因此，預報云南冬季此類復雜天氣不同相態降水落區時除了重點分析天氣系統外，還要關注冷空氣的強度、水汽輸送量的大小、水汽輸送通道位置、濕度鋒區位置以及大地形的影響。

(4)雖然對這次過程的物理量特征進行了分析，但沒有結合多普勒雷達資料對中尺度特征深入探討，且僅對單次過程分析是不夠的，以后將結合多普勒雷達資料在此類冬季雨、雪、冰雹多相態復雜天氣方面做更細致的工作，為此類天氣的預報工作積累更多經驗，找出一些降水相態預報的參考指標和預報著眼點。

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