2018年1月湖南省兩次低溫雨雪冰凍過程對比分析

周 慧，黃驕文，蘇 濤，蔡榮輝

（1.湖南省氣象臺，長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118）

降雪天氣是中國北方和高原地區冬季主要的天氣事件，南方地區由于緯度相對比較低，冷空氣在南下過程中變性減弱，南方冬季出現強降雪天氣概率較低，因此很多關于降雪天氣過程的研究也主要集中在北方和高原地區［1-5］。然而，低溫雨雪冰凍災害實質上也是南方冬季的主要災害之一。2008年冬季中國南方發生了低溫雨雪冰凍的極端異常天氣，該過程強度之大、影響范圍之大、持續時間之長、造成災害之重為歷史罕見。針對2008年初低溫雨雪冰凍過程，中國氣象工作者從大氣環流背景、天氣氣候特征及天氣動力成因等多方面做了大量研究工作，其中丁一匯等［6］指出該過程與氣候變暖的關系，王東海等［7］分析了這次過程的天氣特征及其天氣動力學成因，王遵婭等［8］揭示了這次過程的氣候特征，還有很多學者［9-13］從不同省份出發對2008年低溫雨雪冰凍過程進行了成因分析和影響評估。經過2008年的冰凍災害后，有些學者又將南方的一些低溫雨雪冰凍天氣過程進行了對比分析［14-16］，得到了一些有益的結果。但是，南方的低溫雨雪冰凍天氣過程具有復雜性和地域性，因此進一步開展深入系統的研究十分重要。

2018年1月3—8日和24—31日湖南省發生了2次較長時間序列的低溫雨雪冰凍天氣過程，過程期間出現了多種災害性天氣，包括暴雪、凍雨、雷暴、強降溫及偏北大風等。本研究應用常規觀測資料和NCEP再分析資料，從天氣學的角度對2018年1月發生在湖南省的2次低溫雨雪冰凍天氣過程進行了詳細對比分析，提出了南方低溫雨雪冰凍天氣過程的預報著眼點，以期為提高南方低溫雨雪冰凍天氣預報準確率和精細化程度提供有益的思路和方法。

1 2次低溫雨雪冰凍過程實況

2018年1月3—8日湘中以北出現該年首次低溫雨雪冰凍天氣過程，期間共21縣市出現雨夾雪或雪，8縣市出現積雪，其中安化積雪深度最大（4 cm），石門、安化積雪日數最多（4 d）。根據DB43/T 234—2004中的冰凍監測標準，28縣市出現冰凍，冰凍最長持續時間為5 d（桃江），最大電線積冰厚度為8 mm（長沙，1月6日）。全省平均氣溫為2.4℃，最低氣溫為-3.1℃（澧縣），全省平均降水量為32.7 mm。4日降雪最為明顯。

緊接著1月24—31日又出現幾乎全省性的持續性低溫雨雪冰凍天氣過程，91縣市出現雪或雨夾雪，76縣市出現純雪，6縣市出現暴雪（臨湘、汨羅、益陽、桃江、沅江、岳陽），73縣市出現積雪，其中沅江積雪深度最大，為8 cm。共92縣市出現冰凍，冰凍范圍為2000年以來第二高位，僅次于2008年。冰凍最長持續時間為7 d（南岳），最大電線積冰厚度為29 mm（郴州，1月28—31日）。全省平均氣溫為0.3℃，75縣市最低氣溫低于-2℃，37縣市最低氣溫低于-4℃（最低值-6.0℃，臨湘、汨羅）。

由表1可知，2018年1月24—31日出現的持續性低溫雨雪冰凍天氣過程較3—8日過程具有以下幾個特點：①影響范圍廣。24—31日出現的持續性低溫雨雪冰凍天氣過程波及全省14個地市（州），而3—8日出現的持續性低溫雨雪冰凍過程主要在湘中以北；②持續時間更長。24—31日出現的持續性低溫雨雪冰凍天氣前后持續了8 d，而3—8日出現的持續性低溫雨雪冰凍過程則持續了6 d。③強度強。

表1 2018年1月湖南省2次持續性低溫雨雪冰凍天氣過程對比情況

2 低溫雨雪冰凍過程成因分析

2.1 水汽條件

圖1為湖南省區域平均比濕在這2次低溫雨雪冰凍過程中的時間剖面。由圖1a和圖1b可以看出，2次過程比濕垂直伸展高度較高，濕層較為深厚，5 g/kg的比濕線均位于700 hPa附近，低層水汽條件很好，整個過程低層的比濕都超過5 g/kg，為雨雪過程提供了較好的水汽條件。比濕變化與降水量的變化是對應的，24日和27日降水較強，范圍較廣，對應比濕圖上在該時段存在2個高值中心。

圖1 湖南省區域（108—115°E，25—30°N）平均比濕（單位：g/kg）的時間剖面

為了分析過程期間湖南省水汽條件的南北差異和輸送情況，沿113°E作水汽通量散度和水汽通量的剖面圖，如圖2所示。1月初的過程中低層水汽的匯合區主要集中在27°30′N以北的湘北地區，這與環流場上湘北的風場輻合區相對應（圖2a）。低層水汽通量在過程前期相對較小，大值區也位于湘北，為湘北的前期降水提供了水汽，隨著冷空氣南下和西南急流的加強，水汽通量明顯增加，中心值超過15 g/（cm·hPa·s），而且大值區呈南北帶狀分布（圖2b），說明了西南急流的水汽輸送作用對降水的增強和雨雪帶的南壓有影響。

1月底的過程中低層水汽匯合時段為26—28日，匯合區自北向南逐漸移動，這與環流場上風場輻合區相對應，隨著北風南壓，冷暖氣流的交匯區逐漸南移（圖2c）。低層水汽通量也在26—28日出現大值中心，這與該時段內西南急流的加強有關，隨著冷空氣南下和西南急流的加強，水汽通量明顯增加，中心值超過0.016 g/（cm·hPa·s），大值區也呈南北帶狀分布（圖2d），表現出了西南急流的水汽輸送作用，為雨雪過程提供了有利的水汽條件。

圖2 低層水汽通量散度［a、c，單位：10-5 g/（cm2·hPa·s）］和水汽通量［b、d，單位：10-3 g/（cm·hPa·s）］沿113°E的時間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線）

2.2 動力條件

分析2次低溫雨雪冰凍天氣過程中850 hPa經向風沿113°E的時間剖面可發現（圖3），1月初過程有強盛的冷空氣與之伴隨（圖3a），2—3日冷空氣中心位于湖南省北部，偏北風達到10 m/s以上，隨著時間的推移，冷空氣逐漸南壓并影響整個湖南省，偏北風中心也逐漸南移，5日晚上位于湘中地區。同時5日開始低層的西南氣流明顯加強，加強的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團交匯于湖南省中北部，風場輻合十分明顯，風速梯度也顯著加強，造成湘中以北雨雪天氣。而1月底過程也有強盛的冷空氣與之伴隨（圖3c），27日偏北風更為強盛，可達12 m/s，攜帶冷空氣向南發展并影響整個湖南省，偏北風中心也逐漸南移。加強的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團的交匯和風場的輻合造成省內大范圍的雨雪天氣。

這里定義T26為25°—27°N、109°—114°E范圍內的平均溫度，T30為29°—31°N、109°—114°E范圍內平均溫度，T26和T30之差即表征湖南省范圍的鋒區強度。從鋒區的演變可以看出，1月初過程中（圖3b）平均鋒區的位置基本位于800～900 hPa，強度在4日有明顯的加強，與經向風的變化以及冷空氣的南下相對應。而1月底過程中（圖3d）平均鋒區的位置基本也處于800～900 hPa，強度較強并持續，與持續存在的偏北風相對應。

圖3 850 hPa經向風（a、c，單位：m/s）沿113°E的時間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線）和湖南省區域平均鋒區強度（b、d，單位：℃）時間剖面

綜上分析，2次低溫雨雪冰凍天氣過程的風場變化和動力條件存在較為明顯的差異，1月初的過程冷空氣相對較淺薄，暖空氣沿著淺薄的冷墊爬升，850 hPa經向風以南風為主，偏北風位于850 hPa之下，明顯的風場輻合也出現在較低層；1月底的過程冷空氣相對較深厚，850 hPa上就表現出了較強的南北風輻合和冷暖氣流交匯，相比1月初的過程，其更有利于低溫雨雪冰凍過程的增強和持續。

2.3 熱力條件

假相當位溫是體現溫度、氣壓、濕度等的綜合物理量，其時間演變圖顯示出了地面鋒區的位置和結構，圖4給出了2次低溫雨雪冰凍過程發生較強時刻4日和27日假相當位溫的垂直剖面。從圖4a可以看出，4日8時假相當位溫剖面上存在明顯的等線密集區，向底層伸展到600 hPa，并隨高度向冷空氣一側傾斜，說明有冷空氣不斷從北邊侵入，冷空氣勢力較強，地面鋒區位于25°N附近。而27日8時的假相當位溫剖面上也存在明顯的等線密集區，向底層伸展到700 hPa，地面鋒區位于23°N附近（圖4b）。2次過程在近地面的鋒區坡度均明顯增大，等位溫線甚至接近垂直，均有利于鋒區的加強和冰凍雨雪天氣的發生。

圖4 4日8時（a）和27日8時（b）的假相當位溫沿113°E的垂直剖面（單位：K）

2次低溫過程的主要差異還表現在冷空氣強度和降溫情況上，這也是1月底冷空氣過程造成全省范圍內嚴重雨雪冰凍的根本原因。從區域平均溫度、氣壓演變可以看出（圖5），1月底過程的冷空氣強度明顯強于月初的過程，1月初過程區域溫度的降幅在10℃以內，低層和地面的最低溫度并未降到0℃，最高氣壓也在1 030 hPa以下；而1月底過程的溫度降幅較為明顯，超過10℃，最低溫度在0℃以下，28日晚850 hPa的氣溫達到-8℃，26日之后地面氣壓基本維持在1 030 hPa附近。這種強盛冷空氣影響，帶來氣溫驟降、氣壓急升在1月底過程中表現得十分明顯，同時也造成了全省大范圍的冰凍天氣。

圖5 湖南省區域平均（108—115°E，25—30°N）的海平面氣壓（SLP）、850 hPa溫度（850-T）以及地面氣溫（surface-T）的演變

2.4 層結條件

分別選取代表純雪、凍雨、雨的代表站點4日20時的探空曲線分析，常德出現純雪（圖6a），顯示地面溫度在0℃以下，800 hPa附近有逆溫存在，700 hPa有較強的急流，850 hPa以下均為偏北氣流，冷墊深厚，低層有弱輻合，冷暖氣流交匯，有利于純雪的產生。長沙附近出現凍雨，由該時刻探空曲線（圖6b）可以看出，950～800 hPa存在明顯的逆溫層，800～700 hPa有一融化層，850 hPa以下溫度基本低于0℃，形成了凍結層，低層偏北冷空氣相對淺薄，但也存在冷暖空氣的交匯和輻合，這有利于該地區凍雨的形成。懷化探空曲線（圖6c）也表現出了與長沙站類似的逆溫層和融化層，但在融化層之下的凍結層過于淺薄，只在900 hPa附近出現了小于0℃的淺薄凍結層，所以最終懷化站實況上沒有明顯的凍雨，而是以降雨現象為主。郴州（圖6d）附近600 hPa以下的溫度皆高于0℃，實況上表現為降雨。

圖6 4日20時常德（a）、長沙（b）、懷化（c）和郴州（d）探空圖

3 雷達回波分析

1月27日22時至28日凌晨，湘中以北下雪的同時出現了雷暴，稱之為雷打雪現象。分析發現，27日20時湘中以北處于冷鋒后部，地面至925 hPa為深厚冷墊，700 hPa西南急流發展旺盛，為26 m/s，850 hPa處于偏北風控制，900～800 hPa有逆溫存在（圖7a），同時在925 hPa和850 hPa有輻合抬升，700～500 hPa飽和假相當位溫差為-0.92℃，850～500 hPa飽和假相當位溫差為-32.4℃，接近穩定（圖7b），不利的條件是CAPE值小，這些特征表明此次過程為高架雷暴。從常德雷達資料進行分析可知（圖7c、圖7d），在凌晨1：52左右，對應的組合反射率因子為35 dBZ，基本達到了對流回波的強度，回波呈帶狀排列，回波頂高大部分為6～7 km，反射率因子較強處回波頂高增強至7～8 km，對應的速度圖上S特征明顯，也表現出一定的輻合特征。

圖7 28日1：52常德站探空圖（a）、垂直位溫（b）、0.5°仰角徑向速度（c）和組合反射率因子（d）

4 小結

本研究從天氣學角度，對比分析了2018年1月2次湖南省低溫雨雪冰凍天氣過程的成因，揭示了2次過程強度和持續時間差異的原因，同時為提高南方低溫雨雪預報準確率和精細化程度提供有益的思路和方法，主要結論如下。

1）2018年1月2次低溫雨雪冰凍過程較復雜，過程期間出現了多種災害性天氣，包括雷暴、暴雪、偏北大風、強降溫及凍雨。

2）2018年1月24—31日過程比3—8日過程范圍廣、強度強和持續時間長，這主要是與動力條件和熱力條件存在差異有關。

3）500 hPa鋒區、冷中心強度、850 hPa冷平流強度、地面冷高壓的強度及其前沿的氣壓梯度對初步判斷冷空氣的強度有較好的指示意義，而700 hPa濕度和溫度層結對雨雪相態的轉換均很關鍵。

4）指出了1月27日晚湘中以北是高架雷暴下產生的雷打雪天氣現象。

5）提前預報、及時預警是天氣預報工作的關鍵，針對低溫雨雪冰凍過程，明確雨雪分界線及轉換時間，做到精細化預報預警，開展過程跟蹤服務十分關鍵，但是目前預報技術手段還不能完全達到所需的精細化程度，氣象部門還需不斷加強氣象監測預警能力的建設，同時及時總結極端天氣事件的預報經驗，不斷提高災害性天氣的預報精準度。