2018年1月湖南岳陽兩次雨雪冰凍過程對比分析

昌立偉，黃海波，李 晶，余文會

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414001;2.湖南省湘潭市氣象局,湖南 湘潭 411100)

0 引言

雨雪冰凍天氣一直是氣象防災減災的重點，也是天氣預報的難點，尤其是在我國湖南地區，由于南嶺山脈的阻擋，天氣形勢上往往處于液態和固態降水的過渡帶，給降水相態的預報帶來更大的難度。國內很多氣象學者針對雨雪天氣成因和相態轉換條件，開展了大量的分析研究工作，總結了一些有意義的研究成果。潘志祥等[1]統計分析了湖南雨雪的天氣氣候特征，劃分了5大類天氣形勢; 李海軍等[2]指出西南暖濕氣流的突然增強，近地面層有大片逆溫層存在是大雪預報的關鍵; 張琳娜等[3]對近10 a北京冬季降水相態研究得到6種與雨雪轉換關系密切的物理量;梁軍等[4]發現對流層下層暖平流和上層冷平流是產生強降雪的主要原因; 楊曉霞等[5]對比分析山東兩次暴雪天氣發現中低層先有冷空氣影響還是先有暖濕氣流北上，將決定降雪是以穩定性降雪還是以對流性降雪為主; 周雪松等[6]研究表明雨雪相態的轉變與溫度廓線有直接關系; 蔣義芳等[7]指出暖平流和中層強西南急流有利于產生持續暴雪，且任意高度出現西北風可作為降雪減弱的臨近預報指標。很多學者從整層大氣特征的角度進一步分析了降雪預報的著眼點。許愛華等[8]指出，925 hPa以下層次大氣溫度是南方降水相態的關鍵，降雪時925 hPa氣溫≤-2 ℃則可作為固態降水(雪)的預報判據; 漆梁波等[9]分析得到綜合考慮了溫度和厚度因子的識別判據對中國東部地區冬季降水相態有較好的識別能力; 楊成芳等[10]研究表明有相態轉換時的850 hPa和925 hPa溫度無明顯指示性，1 000 hPa以下溫度較為關鍵，另外0 ℃層高度也可用于雨雪轉換指標。岳陽地處29°N附近，是典型的亞熱帶季風氣候，地形東高西低，西臨洞庭湖，東部則為連云山脈，特殊的喇叭口地理位置，使其成為冷空氣影響湖南的前哨，造就了冬春季節雨雪冰凍頻繁發生的現狀。本文擬對2018年1月3—8日和24—28日出現在岳陽的兩次雨雪冰凍過程的強度、落區和相態轉換進行對比分析，通過詳細分析過程開始前后高低空環流形勢、各層次物理量差異和數值預報能力等方面，探索岳陽地區雨雪天氣過程的預報指標和著眼點，希望對今后這類天氣的預報、預警有一定的借鑒。

1 天氣實況與災情

受高空槽、中低層切變和強冷空氣共同影響， 2018年1月3—8日、24—28日岳陽市出現了兩次低溫雨雪冰凍天氣過程，岳陽均出現陰雨雪天氣，氣溫下降明顯，風力加大。第一次過程冷空氣相對較弱，中低層存在逆溫融化層，700 hPa溫度高于0 ℃，以凍雨為主，高山地區出現降雪；而第二次過程冷空氣更強，中低層水汽充沛，700 hPa急流顯著，24日開始，地面氣溫逐漸下降至0 ℃附近，700 hPa存在高于0 ℃的融化層，降水以凍雨為主；25日晚開始岳陽自北向南轉為純雪，以中到大雪為主，其中26日晚—27日有4個站(岳陽、華容、湘陰和汨羅)達到暴雪，最大積雪深度達6 cm。兩次過程雨雪量分別為40.2 mm、46.2 mm。

25—29日各縣市連續日平均氣溫≤0 ℃，較常年同期偏低6.0 ℃，華容和岳陽達到嚴寒標準(日平均氣溫≤0 ℃連續5 d)；連續4 d出現降雪，出現5站次暴雪，最大積雪深度6 cm；臨湘和平江達到輕度冰凍標準，其余各縣達到中度冰凍標準，最大積冰厚度3 mm，部分山區出現重度冰凍，是自2008年以來冰凍持續時間最長，影響最大的一次天氣過程。根據受災縣市區民政部門統計，截止1月29日08時，全市受災人口7.6萬，緊急轉移安置人口80人；受災面積12 388 hm2，成災面積7 715 hm2；倒塌房屋24戶43間，嚴重損房16戶39間，一般損壞房34戶41間；直接經濟損失15 950萬元，農業經濟損失9 139萬元，家庭財產損失1 305萬元。

2 環流背景分析

2.1 500 hPa環流形勢

1月2—4日500 hPa亞洲中高緯環流表現為兩槽一脊型，北極極渦擾動南下，新疆北部地區為強盛的低渦控制，蒙古地區為兩槽之間弱脊，低渦中心最低氣溫達-36 ℃，冷空氣堆積。中低緯度地區為緯向波動環流，南支槽加深東移。6日新疆北部低渦開始旋轉東移南下，前部轉為東西向橫槽，隨著橫槽轉豎，引導強冷空氣南下[11]。中低緯高空南支槽的東移，與南下冷空氣結合，岳陽處于高空槽前位置，正渦度平流輸送有利于上升運動的加強，且500 hPa溫度維持在-10 ℃左右，較有利于云層中冰晶和雪花的形成。9日08時之后，南北槽合并，冷空氣爆發完成，岳陽轉為槽后西北氣流控制，過程趨于結束。

1月24—28日，東亞中高緯地區為穩定且強盛的橫槽控制，北極極渦分裂南下，中心位于亞洲東北部，冷空氣堆積在我國北部新疆至蒙古一帶(圖略)。24—26日，中緯度為波動環流，南北兩支槽均較弱， 26日20時，隨著河套地區淺槽與南支槽打通，使得高空槽加深發展，經向度加大，有利于上升運動的加強。到27日08時，新疆北部及東北地區有兩個橫槽仍然維持，隨著東北冷渦后部橫槽轉豎，西北氣流引導冷空氣迅速南下，從東路影響我國中東部地區。大股冷空氣南下，高空與地面降溫明顯，500 hPa溫度降至-12～-15 ℃，有利于降雪的維持。

2.2 低層風場與水汽條件

第一次過程中，4日前低槽主要位于我國西南地區，岳陽處于槽前的西南急流中，風速輻合顯著，有較強的上升運動(圖1a)。4—5日有一個短暫的間歇，5日開始，隨著低槽東移，700 hPa切變線主要位于四川—湖北一帶，急流有所加強，出口區位于長江流域北部。隨著北方冷空氣南下，冷暖氣流自6日開始交匯于華中一帶，并逐漸南壓。24—28日西南地區低槽穩定維持，岳陽一直處于槽前西南氣流中。圖1b給出了27日08時700 hPa上風場與大風速區，我們可以看到岳陽處于急流出口區內，有很強的風速輻合，動力條件好。

從兩次過程沿700 hPa上113.1°E的風場剖面(圖1c、1d)可以看到，急流均推進到30°N以北地區，強度相差不大，但是從急流出口區風速輻合來看，后一次過程更強。低空急流的大值區基本位于湖南省境內，為此兩次過程帶來充沛的水汽供應和動量輸送，同時也大大加強了低層上升運動的形成，為降水的發生發展提供動力與熱力條件[12]。

圖1 1月4日08時、27日08時700 hPa高度場與風場及3—8日、24—28日沿113.1°E的 700 hPa風場剖面(陰影為風速>12 m/s)Fig.1 Height field and wind field of 700 hPa at 08∶00 on January 4th and 27th, and section of 700 hPa wind field along 113.1°E on March 8th and 24th and 28th (the shadow is wind speed greater than 12 m/s)

從850 hPa水汽通量沿113°E的時間剖面圖(圖略)可以看到，3—4日華南的水汽通量明顯，湘南水汽較好，配合高層的動力條件，產生降水。低層水汽向北輸送也相對較大，大值區切斷于28°N附近。5日水汽輸送有一個短暫間歇，之后南部水汽通量迅速加強，水汽通量向北輸送至30°N附近，雨雪天氣迅速發展。從后一次過程來看，整個時間段內水汽通量向北都較好，其中在24日晚和26日有兩個輸送大值區，與降雨(雪)的強度時段一致。從EC細網格預報兩次過程岳陽地區的比濕剖面圖可以看到，過程期間比濕大值區主要集中在低層，垂直伸展高度較高；850～700 hPa的相對濕度大，基本大于90%或處于飽和狀態。

對比兩次過程中850 hPa水汽通量及其散度(圖2)可以看到，兩次過程降水形勢都較好。從圖2可以看到850 hPa西南地區具有活躍的水汽輸送，且低層有明顯的水汽通量輻合(陰影區為輻合區)，湖南南部水汽條件優于北部，湘北處于水汽通量輻合區邊緣。在第二次過程中，隨著冷空氣南下，與暖濕空氣匯合于華中地區，造成24—28日江南地區大范圍的雨雪冰凍天氣，此次過程中，水汽輸送活躍且含量充足，使得雨雪天氣得以維持且量級較大。

圖2 1月4日08時、27日08時850 hPa水汽通量及其散度Fig.2 Water vapor flux and divergence of 850 hPa at 08:00 hours on January 4 and 27

2.3 地面形勢

4日08時地面冷高壓位于新疆北部附近，中心強度大(中心值1 057.5 hPa)，冷鋒前沿位于江南地區；冷空氣從西路分裂南下影響華中大部分地區，并出現降水天氣。相對于前一次過程，24—28日冷空氣相對更偏北，從地面天氣圖上可以看到，26日08時高壓中心位于內蒙西北部地區，華南中南部地區有鋒面維持，副冷鋒位于華北地區，到27日鋒面入海，北方冷高壓開始向南擴散，湖南受地面冷高壓底前部影響(冷空氣路徑轉為東路)，天氣維持陰雨雪。從低中高三層冷中心強度來看，均強于前一次過程。由于此次過程降溫迅速，且前期水汽條件較好，雨雪轉換迅速，使得華中出現大范圍的雨雪天氣，岳陽出現了5 d的低溫雨雪冰凍天氣。

圖3 1月4日08時、26日00時地面形勢場Fig.3 Ground situation field at 08:00 on January 4 and 00:00 on January 26

2.4 各層條件對比

表1給出了兩次過程中影響預報的各項參數，通過對比分析，可以發現，前一次過程在各層上均表現出弱于1月下旬的過程。3—8日過程中，500 hPa上低渦所對應的冷中心值為-41 ℃，高于寒潮標準的-48 ℃；700 hPa上冷中心值為-27 ℃，高于寒潮標準的-36 ℃，地面存在一個冷高壓(1 062.5 hPa)與之對應，表明堆積的冷空氣很強。而在24—28日過程中，高中低層冷空氣值均低于寒潮標準值，配合地面強冷高壓(1 062.5 hPa)，不斷有冷空氣的堆積南下。同時結合兩次過程地面氣壓場分布來看，兩次過程中海平面氣壓場1 030 hPa等壓線和雨雪分界線有較好的相關性，第一次過程岳陽地面氣壓最高1 029.8 hPa，出現個別站點的雪；從25日20時開始，岳陽地面氣壓升至1 030 hPa以上(最高達1 033.6 hPa)，第二次的雨雪過程明顯。當北方冷空氣南下，使得南方出現雨雪天氣時，雨雪相態的轉換往往出現在地面冷高壓前沿1 030 hPa附近，且雪區隨之移動。

表1 各層數據對比分析Tab.1 Comparison and analysis of data of each layer

3 降水相態變化及物理量分析

我們統計岳陽市區內兩次過程降水相態變化的過程，如圖4所示，分別記為雨、雨夾雪或凍雨及雪。我們發現第一次過程出現2個時間段的降雪(冰粒子)，出現在5日上午和7日晚，時間短且量級均較小，其他時間以雨、凍雨或雨夾雪交替出現。而在后一次過程中，25日晚開始岳陽轉為純雪，降雪時間長且量級大，各縣市均有積雪，最大積雪達6 cm。為了對比分析兩次過程降水相態變化，我們將通過垂直運動的變化及溫度層結等方面進行分析。

圖4 兩次過程各站點降水相態及轉化時間Fig.4 Precipitation phase states and transformation time of each station in the two processes

3.1 垂直運動

垂直運動是成云致雨的關鍵因素，降水的強度一般與中低層的上升運動有關。圖5給出了兩次過程中岳陽地區上升氣流大小的時序分布，從圖中我們可以看到，其上升運動的極大值均在-1 Pa/s左右，第一次過程的上升區伸展到對流層頂附近，后一次過程中上升區均延伸到400 hPa附近。兩次過程均具有較好的垂直上升運動，有利于降水的形成雨維持。

圖5 1月3—8日、24—28日岳陽上空垂直運動剖面Fig.5 Vertical motion profiles over yueyang from January 3 to 8 and 24 to 28

3.2 溫度層結

各層的溫度對降雪相態的變化有至關重要影響，只有各層溫度降到一定程度，云層中才能形成足夠冰晶和雪花并在下落的過程中不會融化。根據統計資料出現降雪，一般要求500 hPa溫度在-12 ℃以下，700 hPa、850 hPa及925 hPa在0 ℃以下，地面溫度接近0 ℃[11]。通過對3—8日過程分析，我們發現500 hPa溫度維持在-10～-12 ℃，其中5日08時、8日08時低層700 hPa和850 hPa溫度降至0 ℃以下，具有較好的降雪條件，根據地面觀測在該時段內岳陽北部地區出現降雪。相對前一次過程，24—28日各層溫度條件更好，圖6給出了該次過程中700 hPa和850 hPa上0 ℃線位置的變化。從圖中我們可以看到700 hPa的溫度普遍高于850 hPa， 25—27日700 hPa上0 ℃線基本維持在湘北一帶，24日850 hPa溫度條件較差，因此降水相態以雨為主，到25日開始，隨著0 ℃線南壓，850 hPa溫度降至-4 ℃以下，岳陽轉為雨夾雪并在晚上轉為純雪。27日前700 hPa上西南急流偏強，帶來充沛的暖濕空氣，使得0 ℃線一直維持在湘北地區，并未南壓，因此湘中及南部以雨或凍雨為主。

圖6 1月24—27日700 hPa、850 hPa上0℃線位置變化Fig.6 Position changes of 700 hPa and 850 hPa on 0℃ line from January 24 to 27

3.3 T-lnp分析

從兩次過程中的探空曲線可以發現，對流層中低層700 hPa以下均存在一定的逆溫層結。圖7給出了第二次過程中26日08時武漢站、長沙站探空曲線，可以發現，過程中南部(長沙)水汽條件好于北部(武漢)，溫度高于北部，但低層風場均轉為北風。從長沙探空站資料可以看到，在700～800 hPa附近存在0 ℃以上的融化層，但溫度接近于0 ℃，岳陽位于長沙北側，500 hPa以下無融化層存在，故此時，湘北為降雪天氣，部分站點達到暴雪量級，在湖南中南部，均無強將雪過程，以凍雨為主。而在武漢則一直表現為冷性層結，600～900 hPa溫度均低于0 ℃，實況為純雪天氣。綜合考慮兩次過程中層結曲線的變化，中低層的溫度影響了降水的性質，600～900 hPa直接存在高于0 ℃的逆溫融化層時，以凍雨為主。當融化層消失時，且地面溫度較低時會出現純雪天氣(兩站1 000 hPa溫度均低于0 ℃)。

圖7 1月26日08時長沙、武漢站點T-lnp圖Fig.7 T-lnp diagram of changsha and wuhan stations at 8:00 on January 26

3.4 雷達分析

由于3—8日降雪過程不明顯，我們著重分析后一次過程中雷達回波征。整個雨雪過程中，岳陽地區為層狀云降水回波，反射率因子在30 dBz以下，從1月24—27日長時間穩定影響岳陽地區。充沛的水汽，穩定維持的層狀云降水，造成了岳陽地區累計降水量40～50 mm雨或雪的較嚴重災害性天氣過程。降雪過程的第一階段25—26日20時，近地面東北氣流強盛，岳陽雷達1.5°仰角出現了徑向速度≥12 m/s的正負速度對(牛眼)，東北風伸展高度至1.8 km，主要輻合區位于岳陽南部三縣市。降雪過程的第二階段，近地面東北氣流有所減弱，850 hPa東南氣流加強，岳陽雷達1.5°仰角上可以看出，岳陽雷達周邊0.6 km高度以上出現較強的東南氣流，0速度線呈S形分布，底層風向隨高度順轉有暖平流，輻合區在岳陽市區至岳陽縣一帶，這一時段的主要降水在岳陽市的北部縣市。降雪過程的第三階段和第一階段的雷達特征類似，強盛的東北氣流延伸到湘中一帶，主要降雪區亦位于湘中一帶。

分析岳陽雷達風廓線可知，降雪過程的第一階段25—26日20時，2.1 km高度以下各層為穩定的東北氣流控制，850 hPa冷墊長時間維持。2.4～4.9 km高度為風速≥12 m/s的西南急流區，700 hPa水汽輸送旺盛。降雪過程的第二階段，西南氣流加強擴展至低層，1.8～4.9 km高度均為西南氣流控制，中低層水汽輸送有所加強。850 hPa以下東北氣流厚度有所減薄，但氣溫仍為-6 ℃，降水相態為雪，岳陽北部縣市降雪明顯。降雪過程的第三階段和第一階段的雷達風闊線特征類似。

4 模式預報分析

歐洲中心細網格3日08時起報的72 h雨雪分布圖(圖略)上，岳陽有雨夾雪或雪，預報降雪明顯，對比實況，湘西北出現降雪，但是在岳陽等湘東北地區出現降雪不明顯，預報與實況存在一定的差異。而在第二次過程中預報一直都比較穩定，模式23日前一直預報24日轉雨，25日轉雪，實況與預報較接近。24日過程開始后，細網格根據實況天氣對預報進行修正，預報效果較好。圖8給出了24日08時、25日08時細網格對岳陽站單點降雪預報，可以看到，模式預報24 h預報以雨為主，24～36 h為雨夾雪， 36～60 h為雪，26日20后再次轉為雨夾雪。25日08時起報的與24日預報相對穩定，都較好的預報了此次過程開始、結束時間，降雪范圍、強度及積雪深度。

圖8 24日08時、25日08時細網格對岳陽站單點降雪預報Fig.8 Single point snowfall forecast of yueyang with ec-thin at 08∶00 on 24th and 08∶00 on 25th

5 小結

在極渦分裂南下，其中一個中心穩定于東亞中高緯的環流背景下，2018年1月3—8日、24—28日我國中東部地區經歷了兩次較長時間、大范圍的低溫雨雪冰凍天氣過程，岳陽在24—28日出現中度冰凍、部分重度冰凍災害。通過應用多種常規觀測資料、NCEP再分析資料和新一代多普勒雷達資料，對此次過程的大尺度環流及水汽輸送特征進行診斷分析，細致分析了兩次過程相似與差異點，對兩次過程中降水性質的差異進行分析，著重探討了24—28日雨雪冰凍的成因，可以得出以下結論：

①受強冷空氣南下影響，岳陽出現兩次低溫雨雪冰凍過程，兩次過程的雨雪量分別為40.2 mm、46.2 mm，3—8日過程以雨或凍雨為主，第二次過程以雪為主，且冷空氣強于前一次。24—29日岳陽出現中度冰凍，部分達重度冰凍，最大積雪深度6 cm，最大結冰厚度3 mm。

②極渦分裂南下，但是兩次過程的位置略有差異；冷空氣南下與中低層暖濕氣流匯合于中東部一帶，配合南支槽影響，是造成此兩次過程的主要原因；700 hPa的急流顯著，最大風速超過20 m/s，持續而強盛的水汽輸送對冰凍的強度和范圍起較大的作用；低層水汽通量的大值區及輻合區與雨雪區對應較好。

③從降水相態變化分析，我們可以看到，第一次過程只有2個時次出現雪，而在后一次中，自25日晚—28日岳陽一直維持降雪；在這兩次過程中降水(雪)時間段與垂直上升運動區對應較好，影響降水相態主要是垂直溫度層結；第一次過程中，800～700 hPa中間出現>0 ℃的逆溫層，以降雨或凍雨為主；而從25日晚開始整層溫度<0 ℃時，以降雪為主。從雷達圖上可以看到，低層轉偏北風使得下層有冷墊，有利于降雪的形成。

④在兩次過程中，EC細網格預報在過程降水的起止預報中都做的比較好，相對而言，在第二次過程中預報更加準確。主要體現在對降水相態的預報上，第一次過程中預報了雪，但是時段與量級都存在差異；而在后一次過程，雨雪的轉換時間及量級都預報相對準確。