2016年懷化2次低溫雨雪天氣過程對比分析

張 昆，肖 昀，王起喚

(湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000)

0 引言

低溫雨雪天氣是湖南省春、冬季主要災害性天氣之一。2008年初和2011年初懷化出現(xiàn)的持續(xù)低溫雨雪天氣對社會經(jīng)濟和公眾生產(chǎn)生活產(chǎn)生了嚴重影響。大量專家學者近年來對不同低溫雨雪災害天氣過程進行了分析總結，得出了不少有價值的結論。胡鈺玲等[1]、張萍萍等[2]和張騰飛等[3]對不同雨雪天氣過程進行了對比分析和診斷分析，總結了降雪天氣成因和關鍵點。姚容等[4]、肖蕾等[5]和胡燕平等[6]分析了溫度與降水相態(tài)的關系，對比他們結論，發(fā)現(xiàn)不同地方雨雪轉換的條件存在差異。張俊利等[7]和黃小玉等[8]也對湖南省的雨雪天氣進行了總結。但懷化地處湖南西部，為山地丘陵地形，比地勢較平坦的中東部地市更難出現(xiàn)低溫雨雪天氣。2016年1月22—23日(以下簡稱“1.22”過程)和2016年3月9—10日(以下簡稱“3.9”過程)影響懷化的兩次低溫雨雪天氣過程天氣背景、物理條件如何？降水強度、相態(tài)變化等有何差異？雷達回波特征如何？通過天氣實況、環(huán)流形勢、物理量場和雷達回波以及地形等方面進行對比分析，可以深入總結懷化低溫雨雪天氣的成因，為今后懷化低溫雨雪過程降水相態(tài)的識別、強度和落區(qū)的判斷等提供預報著眼點和分析思路。

1 低溫雨雪過程實況對比

“1.22”過程：具有影響時間短、范圍廣、多種降水相態(tài)并存、降雪明顯和氣溫低等特點。22日08時—23日20時，全市11個縣(市、區(qū))均出現(xiàn)雨雪天氣。過程中先后出現(xiàn)雨、雨夾雪、雪多種降水相態(tài)，天氣變化復雜。其中22日20時—23日08時為主要降雪時段，懷化中部及中部略偏南地區(qū)出現(xiàn)積雪，過程最大積雪深度達1.6 cm(芷江和鶴城區(qū))，過程最大累積雨量3.1 mm芷江。此次過程氣溫較低，全市各縣最低氣溫均低于0 ℃，最低-1.3 ℃芷江。

“3.9”過程：具有影響時間短、范圍廣、多種降水相態(tài)并存和降雨量大等特點。3月9日08時—10日20時，除南部通道縣外，其他10個縣(市、區(qū))均出現(xiàn)相態(tài)變化。過程中同樣出現(xiàn)雨、雨夾雪以及雪，但降雪較弱，地面無積雪出現(xiàn)，雨量較大，其中9日夜間—10日08時前后為主要降雪時段。過程最大累積雨量芷江29.1 mm。低溫均在0 ℃以上，最低洪江0.1 ℃。

對比發(fā)現(xiàn)，兩次過程均具有影響范圍廣、持續(xù)時間短、多種降水相態(tài)并存等特點。“1.22”過程降雪明顯，雨量較小，而“3.9”過程降雨明顯，降雪較弱。“1.22”過程最低氣溫明顯低于“3.9”過程。

2 環(huán)流形勢對比

分析“1.22”過程，22日08時(圖略)歐亞地區(qū)500 hPa中高緯呈西高東低形勢，烏拉爾山及其以東地區(qū)為阻塞高壓，貝加爾湖東南部為深厚冷渦，冷渦中心位于蒙古東部，中心強度達-48 ℃。我國中低緯為緯向環(huán)流，并不斷有高原槽東移，700 hPa切變線位于湘西北，850 hPa切變線華南北部。懷化處于東移槽前700 hPa切變線和850 hPa切變線之間的上升運動區(qū)。西伯利亞地面冷高壓中心達1 060 hPa，冷空氣分裂南下，一股快速南下至華南，冷鋒前沿位于華南沿海，懷化氣溫降至2 ℃左右，以降雨為主，北部出現(xiàn)雨夾雪。另一股冷空氣滯留于河套以北地區(qū)，與之配合的副冷鋒位于華北一帶。22日20時(圖1a)500 hPa冷渦中心東移至內蒙古北部，冷渦西側橫槽旋轉南下引導強冷空氣大舉南侵，并與中低緯高原短波槽同位相疊加。700 hPa和850 hPa切變線快速南壓至湘中偏北和華南沿海地區(qū)，急流較弱，懷化站700 hPa風速為14 m/s。第一股冷空氣南壓入海，第二股冷空氣沿河套至長江中下游不斷補充南下，影響湘中以北地區(qū)，懷化北中部出現(xiàn)降雪，夜間氣溫急劇下降至0 ℃以下。23日08時500 hPa冷渦中心向東南移動，底部槽壓至湘西北，700 hPa切變線南壓至湘中偏南地區(qū)，華南北部低空急流維持。西伯利亞冷高壓擴大并增強至1 085 hPa，同時南壓至內蒙古北部，華南中南部維持準靜止鋒，懷化北中部降雪停止，南部開始轉雪或雨夾雪。23日20時500 hPa冷渦中心東南移至朝鮮半島，橫槽壓至湘中，低層轉為一致偏北氣流。地面準靜止鋒入海，雨雪過程基本結束。

圖1 綜合圖(a)2016年1月22日20時、(b)2016年3月9日20時Fig.1 Integrated graphics (a.20∶00 January 22ND,2016,b.20∶00 March 9TH,2016)

“3.9”過程，9日08時500 hPa歐亞地區(qū)中高緯呈現(xiàn)兩槽一脊形勢，西西伯利亞為高壓脊控制，低渦位于鄂霍次克海，中心強度達-42 ℃，低渦西側橫槽伸至巴湖地區(qū)。我國中低緯環(huán)流平直，有弱高原槽東移。700 hPa急流軸位于華南中部，懷化本站風速為8 m/s，850 hPa切變線位于江南南部。地面強冷空氣主體在貝加爾湖西部聚積，地面冷高壓中心最強達1 060 hPa，地面冷鋒壓至華南北部，懷化氣溫在4 ℃以上，以降雨為主。9日20時橫槽迅速轉豎，并逐漸與高原槽同位相疊加，引導冷空氣深入南方地區(qū)。700 hPa切變位于湘北，西南急流加強，懷化本站風速達16 m/s，850 hPa切變線位于華南北部，地面冷鋒南壓至華南沿海。懷化受高空槽以及切變線影響，夜間懷化出現(xiàn)降雪。10日08時500 hPa同位相疊加槽東移，懷化北部轉為西北氣流，中南部為西南風。700 hPa切變線已南壓至湘中偏南，華南地區(qū)低空急流維持，850 hPa切變線南壓至華南南部，懷化自北向南降水逐漸停止。

對比2次過程，“1.22”過程500 hPa中高緯呈西高東低形勢，“3.9”過程500 hPa中高緯呈現(xiàn)兩槽一脊形勢。“1.22”過程橫槽旋轉南下，“3.9”過程橫槽轉豎與中低緯東移高原槽同位相疊加，造成懷化低溫雨雪天氣。2次過程中影響系統(tǒng)均包含有高空槽、低空急流、中低層切變線和地面冷鋒。“1.22”過程500 hPa冷中心強度強于“3.9”過程，降雪更明顯、氣溫更低。而“3.9”過程水汽輸送更好，降雨更強。

3 兩次過程探空數(shù)據(jù)對比

3.1 層結結構與雨雪相態(tài)變化關系

在有降水條件的情況下，層結結構決定了雨雪相態(tài)[4]，選取懷化站探空和地面數(shù)據(jù)對懷化站層結結構和雨雪相態(tài)變化關系進行分析。

表1 懷化層結結構與降水相態(tài)情況(單位：℃)Tab.1 Stratification structure and precipitation of Huaihua(unit：℃)

700 hPa溫度和地面2 m氣溫對懷化地區(qū)預報降水相態(tài)有重要指示作用。降雨時，700 hPa溫度在2 ℃以上，地面2 m氣溫在4 ℃以上；純雪時，700 hPa溫度在-2 ℃以下，地面2 m氣溫一般在1 ℃以下。這與姚容等[4]關注的層次(還包括850 hPa、地面)不同，700 hPa溫度閾值(0 ℃以上)更高一些。由于雨夾雪出現(xiàn)時段短，且發(fā)生時無探空數(shù)據(jù)，故不作具體分析。

3.2 水汽分布與降水量級關系

水汽的垂直分布往往決定了降雨(雪)的量級。2次過程700 hPa比濕較其他層次均偏大，表明700 hPa的水汽輸送最強，是2次過程的主要水汽來源，與陳紅專等[9]研究結果一致。“3.9”過程各時次各層次比濕都大于“1.22”過程，表明水汽含量越大，越有利于降水的產(chǎn)生。水汽垂直伸展越高，降水越大。

表2 懷化站各層比濕與過程累積雨量Tab.2 Specific humidity in each level and accumulated rainfall in Huaihua

4 物理量場對比

4.1 水汽條件

水汽通量表征水汽的輸送量，水汽通量散度則表征水汽輻合輻散程度。對比分析懷化區(qū)域平均水汽通量隨時間演變(圖略)發(fā)現(xiàn)，2次過程水汽輸送中心均位于700～600 hPa。分析2次過程700 hPa水汽通量沿110°E的時間剖面(圖2)，2次過程均出現(xiàn)水汽通量的明顯加強，大值區(qū)前沿推進到29°N附近，為降水提供了充沛的水汽條件。“1.22”過程水汽通量中心值超過14 g·cm-1·hPa-1·s-1，而“3.9”過程水汽通量中心值均超過18 g·cm-1·hPa-1·s-1，這與“1.22”過程累積降水量小于“3.9”過程相對應。水汽通量大值區(qū)主要位于28°N以南區(qū)域，這也導致懷化中南部降水量大于北部。隨著大值區(qū)南落，雨雪過程也自北向南停止。從2次過程700 hPa水汽通量散度沿110°E時間剖面圖(圖3)發(fā)現(xiàn)，2次過程水汽輻合強度均出現(xiàn)明顯增大，與主要降雪時段配合較好。“1.22”過程水汽通量散度中心值達-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以上，而“3.9”過程水汽通量散度中心值達-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以上，對應“3.9”過程降水量更大。負的大值區(qū)主要位于26～28°N之間，與懷化中南部降水量更大對應。表明中層水汽輸送以及水汽輻合對雨雪過程發(fā)生發(fā)展、強度和落區(qū)有重要影響。

圖2 700 hPa水汽通量(實線，單位為g·cm-1·hPa-1·S-1)和水汽通量散度(色斑，單位為10-5 g·cm-2·hPa-1·S-1)沿110°E時間剖面(a)2016年1月22日08時—24日08時，(b)2016年3月9日08時—11日08時Fig.2 Evolution of water vapor flux (solid line,units:g·cm-1·hPa-1·s-1)and water vapor flux divergence on 700 hPa (shaded,units:g·cm-1·hPa-1·s-1)along 110°E (a.from 08∶00 January 22nd to 08∶00 January 24th,2016,b.from 08∶00 March 9th to 08∶00 March 11th,2016)

4.2 動力條件

渦度是表征物體旋轉程度的物理量，在對流層中層正渦度將導致低層輻合，引起上升運動。對比2次過程500 hPa渦度沿110°E時間演變(圖3)發(fā)現(xiàn)，2次過程都有正渦度影響，“1.22”過程和“3.9”過程26～29°N 最大渦度值均為8×10-5s-1，都具有產(chǎn)生雨雪天氣的動力條件。2次過程中南部渦度大于北部，導致南部降水量強于北部。因此渦度場分布對于較強降水的落區(qū)具有一定的指示意義。

圖3 500 hPa渦度(色斑表示正值區(qū)域，單位為10-5 S-1)沿110°E時間剖面(a)2016年1月22日08時—24日08時，(b)2016年3月9日08時—11日08時Fig.3 Evolution of vorticity (shaded is positive value area,units:10-5·s-1)on 500 hPa along 110°E (a.From 08∶00 January 22nd To 08∶00 January 24th,2016,b.From 08∶00 March 9th To 08∶00 March 11th,2016)

4.3 溫度條件

2次過程均表現(xiàn)有中高緯高空冷空氣向低空滲透，在偏北風作用下，冷空氣向中低緯輸送，楔入中低緯暖濕氣流下，一方面提供雨雪天氣發(fā)生發(fā)展的動力條件，另一方面提供低溫雨雪天氣所需的溫度條件。22日20時(圖4a)，26～29°N低層到高空均低于0 ℃以下，對應懷化出現(xiàn)降雪。而3月9日20時(圖4b)，26～28°N 700 hPa附近為0 ℃以上的暖濕氣流控制，懷化此時還以降雨為主。22日20時-50 ℃冷中心明顯偏南，低層偏北風也較3月9日20時大，即冷平流較強，導致“1.22”過程低溫較低。

圖4 溫度疊加風場沿110°E垂直剖面(風矢代表垂直風場；等值線為溫度，單位為℃，陰影表示0 ℃以上)(a)2016年1月22日20時，(b)2016年3月9日20時Fig.4 Temperature and wind vertical section along 110°e (vector is vertical wind field;contour is temperature,units:℃,shaded is value above 0 ℃;a.20∶00 January 22nd,2016,b.20∶00 March 9th,2016)

5 雷達回波分析

對比2次過程主要降水階段組合反射率圖(圖5)，“1.22”過程主要以層狀云降水回波為主，分布均勻，最大反射率因子值為20 dBz左右，成片狀分布，且主要影響懷化中部，維持時間較長，造成懷化中部出現(xiàn)積雪。“3.9”過程前期降水以混合性降水回波為主(圖5b)，且最大值超過了45 dBz，回波頂高較低，為低質心的高效率的降水回波，覆蓋的范圍較寬，且中低層在0 ℃以上，導致出現(xiàn)較強的降水。后期則轉為層狀云降水回波，持續(xù)時間短，故“3.9”過程以液態(tài)降水為主，地面無明顯積雪。

圖5 2次過程懷化多普勒雷達組合反射率圖(a)2016年1月23日04時53分，(b)2016年3月10日01時01分，(c)2016年3月10日07時47分(單位：dBz)Fig.5 Graphics of huaihua doppler radar composite reflectivity of two weather processes (a.04∶53 January 23rd,2016,b.01∶01 March 10th,2016,c.07∶47 March 10th,2016，unit:dBz)

圖6給出了兩次過程主要降水時段2.4°仰角、100 km探測范圍內的徑向速度場。2次過程零速度線穿過測站，其中“1.22”過程60 km范圍內零速度線與徑向方向平行，可以識別出低層最大風速達20 m/s以上的“牛眼”特征，中層速度西南暖濕氣流位于3 km以上。表明低層為強盛東北風且伸展較高，懷化以降雪為主。“3.9”過程前期低層同樣出現(xiàn)“牛眼”特征，最大風速15 m/s，中層西南暖濕氣流位于2.2 km以上，懷化以較強降雨為主。后期低層東北風加強且向上伸展，懷化轉雪。對比發(fā)現(xiàn)，“3.9”過程冷空氣強度和厚度均較“1.22”過程小，但中層暖濕空氣較“1.22”過程厚，證實了深厚的強冷空氣對“1.22”過程的降雪和低溫、強暖濕氣流帶來的水汽對“3.9”過程的較強降水起著重要作用。

圖6 2次過程懷化多普勒雷達徑向速度圖(a)2016年1月23日04時53分，(b)2016年3月10日01時01分，(c)2016年3月10日07時47分(單位：m/s)Fig.6 Graphics of huaihua doppler radar radial velocity of two weather processes (a.04∶53 January 23rd,2016,b.01∶01 March 10th,2016,c.07∶47 March 10th,2016，unit:m/s)

6 地形作用分析

懷化地處湖南西部，地貌輪廓自西南向北傾斜，呈一狹長地帶，東西兩側高峻，南部突起，向中、北部傾斜，中南部海拔較北部海拔高，呈簸箕形，向北東敞口。冷空氣主要從懷化東北部敞口進入，并在盆地內堆積，形成冷墊。對比2次降雪過程，地形對降雪相態(tài)以及降水強度有一定的影響。主要體現(xiàn)在3個方面：一是不同海拔溫度條件異同，海拔越高，冷卻條件越好，越有利于降雪的形成。“1.22”過程和“3.9”過程都是中部海拔較高的氣溫低于北部海拔低的區(qū)域，導致中部的降雪較明顯，特別是“1.22”過程在中部出現(xiàn)明顯積雪。二是阻擋冷空氣南下，形成冷墊，冷空氣越強，越有利于冷空氣堆積，從而有利于降水在低層凍結，形成固態(tài)的降雪。三是地形的輻合抬升作用,“1.22”過程和“3.9”過程中低層東北風達16 m/s以上，東北風與西南側的山地分布垂直，有利于風在山前輻合抬升，加強上升運動，中南部降水強于北部的實況也應征了這一結論。

圖7 地面、850 hPa實況與地形疊加(a)2016年1月22日20時(b)2016年3月10日08時Fig.7 Overlay graphics of surface and 850 hPa observation data and terrain (a.20∶00 January 22rd,2016,b.08∶00 March 10th,2016)

7 結論

①“1.22”過程歐亞中高緯500 hPa呈西高東低形勢，“3.9”過程呈兩槽一脊形勢。2次過程影響系統(tǒng)均包含有高空槽、低空急流、切變線和地面冷鋒。“1.22”過程降雪更明顯、氣溫更低。“3.9”過程水汽條件更好，降水更強。

②700 hPa溫度和地面氣溫對預報懷化降水相態(tài)有重要指示作用。降雨時，700 hPa溫度在2 ℃以上，地面2 m氣溫在4 ℃以上；純雪時，700 hPa溫度在-2 ℃以下，地面2 m氣溫一般在1 ℃。

③物理量場分析表明中層水汽輸送、水汽輻合以及渦度場對雨雪過程發(fā)生發(fā)展、強度和落區(qū)具有指示意義。“1.22”過程中低層溫度更低、冷平流更強，降雪更明顯、低溫更低。

④ 2次過程降雪階段主要以層狀云降水回波為主。深厚的強冷空氣對“1.22”過程中的降雪和低溫、強暖濕氣流對“3.9”過程的較強降水起著重要作用。

⑤懷化復雜的簸箕形地形，對降雪相態(tài)以及降水強度有一定的影響。

需要指出的是，本文僅對2016年的2次低溫雨雪過程進行了對比分析，其結論是否具有普適性，還需通過更多個例的對比研究來進一步予以驗證。