許昌近20 年初雪天氣特征分析

汪 莉

許昌市氣象局，河南許昌 461113

雪，是由大氣中的水蒸氣直接凝華或水滴直接凝固而成的。云中的溫度過低，小水滴結(jié)成冰晶，落到地面時仍是雪花，即下雪[1]。冰融化時會吸熱，所以地面氣溫會比下雪時低。降雪由大量不同大小的雪晶組成，一般小雪晶比較多。為了描述同時下落的雪晶群體的大小分布特征，常用雪晶譜或雪晶溶化后的溶液譜表示。雪晶主要是在云中凝華增大的，先在冷云中通過冰核的作用產(chǎn)生冰晶，通過凝華(冰晶過程)長大成雪晶，還能撞凍過冷水滴而增大[2-3]。雪晶撞凍過冷水滴很多時，外形會發(fā)生改變。雪晶有各種各樣的形狀，這與溫度和濕度有關(guān)。降雪量與降水量相同，用相當(dāng)?shù)乃畬雍穸葋矶攘浚瑔挝粸閙m[4-6]。有時也用雪在平地上所累積的深度來度量，稱為積雪深度。

1 降雪形成的條件

中國氣象局發(fā)布的降雪形成條件為大氣中需含有較冷的冰晶核、充分的水汽、3.0 ℃(冰點)以下[7-8]。如該冷空氣相當(dāng)強(qiáng)烈，并帶著濕氣，1～10 ℃的氣溫也可以降雪。氣候區(qū)屬中緯度至高緯度(即于南回歸線以南/北回歸線以北地區(qū))的地方降雪概率較大，低緯度地區(qū)中地勢高于海拔2 000 m的中山或高原也可能降雪。海洋氣流也能間接影響該區(qū)下雪的概率，如果在高緯度地區(qū)一帶有較多暖流支配，該區(qū)下雪的概率較低(如日本本州至九州一帶)。

降雪等級標(biāo)準(zhǔn)通常是指在規(guī)定時間段內(nèi)持續(xù)降雪或降雪量折算成降雨量為等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)一般采用持續(xù)時間12 h和24 h兩種標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。以12 h降水量為劃分標(biāo)準(zhǔn)，降水量0.1～0.9 mm為小雪，0.5～1.9 mm為小到中雪，1.0～2.9 mm為中雪，2.0～4.4 mm為中到大雪，達(dá)到3.0～5.9 mm為大雪，4.5～7.4 mm為大到暴雪，降水量達(dá)到或超過10 mm為暴雪。以24 h降水量為劃分標(biāo)準(zhǔn)，降水量0.1～2.4 mm為小雪，1.3～3.7 mm為小到中雪，2.5～4.9 mm為中雪，3.8～7.4 mm為中到大雪，達(dá)到5.0～9.9 mm為大雪，7.5～14.9 mm為大到暴雪，降水量達(dá)到或超過10 mm為暴雪。

初雪，一般指入冬后的第一場雪。從下半年開始，即公歷6月1日后第一次降雪稱為初雪。如2018年1月25日就是2017年的初雪時間。我國各地的初雪標(biāo)準(zhǔn)不同，但初雪預(yù)報都存在共同的難點，因為降雪需要水汽、動力和溫度3個條件同時滿足并相互配合，缺一不可。

隨著社會的發(fā)展，與降雪有關(guān)的“城市次生災(zāi)害”事件逐漸增多，降雪造成的損失日漸突出[11-12]。降雪預(yù)報一直是預(yù)報工作的難點，尤其是初雪的預(yù)報，受到各級政府部門和公眾的廣泛關(guān)注，也增加了預(yù)報員壓力。目前，國外主要針對強(qiáng)暴風(fēng)雪的研究，在暴雪觸發(fā)、加強(qiáng)機(jī)制和不同尺度天氣系統(tǒng)之間互相作用等方面開展工作，而國內(nèi)學(xué)者主要從個例分析入手對初雪成因進(jìn)行分析。

2 資料來源

通過整理近2001—2020年許昌市5個站點的地面資料、探空資料、NCEP在分析資料，分析許昌市初雪出現(xiàn)的時空分布特征，根據(jù)影響系統(tǒng)對造成許昌市初雪的環(huán)流形勢進(jìn)行分類，結(jié)合典型個例給出各種環(huán)流形勢特點；通過大量個例找出對許昌初雪有影響的天氣尺度系統(tǒng)，分析產(chǎn)生初雪的物理量特征，得出初雪天氣的具體預(yù)報特征。

3 許昌初雪過程時空分布特征

3.1 時間分布統(tǒng)計分析

從時間分布分析，通過統(tǒng)計2001—2020年許昌初雪天氣過程觀測記錄資料，發(fā)現(xiàn)近20年共發(fā)生初雪天氣過程18次，初雪天氣過程主要出現(xiàn)在當(dāng)年的11、12月，概率分別是55%、35%(表1)。初雪天氣過程最早出現(xiàn)在2003年11月7日，最晚出現(xiàn)在2005年12月30日。出現(xiàn)大雪以上量級的初雪過程共8次，其中有3次出現(xiàn)了大范圍、極罕見的特大暴雪，給全市交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)、能源供應(yīng)和生產(chǎn)生活帶來了較大不利影響。

表1 2001—2020年許昌初雪天氣過程統(tǒng)計

3.2 空間分布統(tǒng)計分析

從許昌初雪天氣的空間看，降雪量級分布較為不均勻，南邊偏多，西北山區(qū)部偏少，中部平原地帶降雪量較為平均。

4 許昌初雪天氣過程典型影響系統(tǒng)分析

從2001—2020年近20年許昌初雪天氣過程中，挑選出10個典型初雪個例進(jìn)行影響系統(tǒng)分析，總結(jié)許昌初雪過程典型影響系統(tǒng)。

4.1 500 hPa形勢

第一，前期500 hPa位于巴爾喀什湖以東，新疆以西有一低槽，配合周圍有一冷中心，低槽攜帶冷空東移南下，同時高原分裂出的南支槽也不斷東移發(fā)展，導(dǎo)致許昌市有降水產(chǎn)生(圖1)。高空槽東移至新疆中西部，南支槽位于寧夏東部—四川南部，許昌市受南支槽前西南氣流影響，有利于西南暖濕氣流的輸送；槽后有明顯的冷舌相配合，并且槽后西北風(fēng)增強(qiáng)，槽在東移過程中加強(qiáng)。隨著低槽進(jìn)一步東移，而南支槽已東移至河南省以西，西南氣流進(jìn)一步增強(qiáng)，預(yù)示著降水將增強(qiáng)。

圖1 500 hPa高空形勢圖

第二，小槽發(fā)展型。前期位于貝加爾湖附近有一低渦存在，其后部不斷分裂小槽，并攜帶冷空氣南下，小槽和南支槽逐漸合并影響許昌市。

4.2 700 hPa形勢

北支槽東移至新疆以東，而南支槽隨著西南急流的北上而加強(qiáng)發(fā)展，北支槽進(jìn)一步東移，攜帶的冷空氣擴(kuò)散南下，而西南急流也進(jìn)一步加強(qiáng)，使南支槽發(fā)展加深，南支槽東移至河南省西部，在河南省東部有暖式切變，此處輻合上升運(yùn)動較強(qiáng)，西南急流的加強(qiáng)，帶來充沛的水汽，對應(yīng)該地區(qū)降水加強(qiáng)。受又一南支槽東移影響，西南急流北抬至河南省中部，水汽加強(qiáng)，降水持續(xù)。

4.3 850 hPa形勢

850 hPa有暖切或受偏北氣流、東北氣流、偏東氣流、東南氣流等影響，中部有弱的風(fēng)速輻合，暖切東移北抬至河南省以南，同時東南急流加強(qiáng)，水汽充沛，且風(fēng)速有明顯的輻合，上升運(yùn)動明顯，利于降水產(chǎn)生。

4.4 925 hPa形勢

低層925 hPa由前期的東北風(fēng)加強(qiáng)為偏東風(fēng)急流，風(fēng)速在河南省中東部地區(qū)有明顯的輻合，為降水提供有利的水汽條件和上升運(yùn)動，同時中西部和北部受山脈等地形影響，也利于動力抬升，水汽在該地區(qū)輻合，產(chǎn)生較大明顯降水。

4.5 地面形勢分析

冷高壓主體位于貝加爾湖以西，許昌市一直處于從內(nèi)蒙古伸向長江流域的高壓帶。此外，從四川伸向東北方向的低壓倒槽，不斷發(fā)展形成阻塞形勢，而冷空氣受到阻塞形勢的影響，在河南省維持較長時間，隨著阻塞形勢的崩潰，冷空氣逐漸南壓減弱，降水停止，影響許昌市的冷空氣為東路冷空氣；受冷高壓主體分裂的冷空氣不斷擴(kuò)散南下，許昌市降溫顯著。

4.6 水汽和動力條件

從鄭州站來看，高空溫度露點差顯示925、850 hPa濕度條件較好，700、500 hPa濕度一般；從濕度場和動力場資料分析，很好指示了降水開始時間和最強(qiáng)時段，隨著高空的濕度轉(zhuǎn)差后，降水逐漸轉(zhuǎn)小。

5 T-logP 圖分析

從鄭州探空圖(圖略)可以看出，在降雪開始前850 hPa到地面的溫度都在0 ℃以下，因此許昌市的降水相態(tài)一直是純雪。當(dāng)濕層增厚至500 hPa以上，并且底層始終存在逆溫層，850 hPa以下風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流；850 hPa以上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流。850～500 hPa之間西南風(fēng)，顯示暖濕氣流在低層冷空氣之上，且西南風(fēng)和底層的偏東風(fēng)風(fēng)速顯著增大，輻合增強(qiáng)，同時帶來充沛的水汽，降水增強(qiáng)。

6 雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)研究

根據(jù)研究許昌近20年初雪資料分析，從T700、T850、T925和T2m得知，這些特定層的溫度對許昌雨雪轉(zhuǎn)換具有較好的指示意義。

分析許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的環(huán)流形勢可知，典型的雨雪轉(zhuǎn)換過程中起主要作用的是中層及以下溫度的整體變化，且500 hPa以上的溫度和雨雪轉(zhuǎn)換前后變化相對以上特定層次均顯著偏小。因此，氣溫指標(biāo)重點選取了700 hPa及以下特定層的平均氣溫作為主要判別依據(jù)，初步設(shè)定雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)。

得出許昌近20年典型初雪雨雪轉(zhuǎn)換過程的氣溫判別指標(biāo)為：(1)T2m～700hPa≤-5 ℃時，出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換；(2)T2m～700hPa＞-5 ℃，同時T2m≤0 ℃時，會出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換。

7 結(jié)論

(1)2001—2020年，許昌共發(fā)生初雪天氣過程18次，初雪天氣過程主要出現(xiàn)在當(dāng)年的11、12月，概率分別是55%、35%。初雪天氣過程最早出現(xiàn)在2003年11月7日，最晚出現(xiàn)在2005年12月30日。

(2)2001—2020年許昌初雪天氣降雪量級分布較為不均勻，南邊偏多，西北山區(qū)部偏少，中部平原地帶降雪量較為平均。

(3)500 hPa低槽東移、700 hPa有較強(qiáng)的西南急流和切變線、850 hPa和925 hPa東北氣流以及地面冷高壓，是比較典型的許昌地區(qū)冬季初雪天氣過程天氣形勢場配置。

(4)水汽和動力條件來看，高空溫度露點差顯示925、850 hPa濕度條件較好，700、500 hPa濕度一般；從濕度場和動力場資料分析，很好指示了降水開始時間和最強(qiáng)時段，隨著高空的濕度轉(zhuǎn)差后，降水逐漸轉(zhuǎn)小。

(5)T-logP圖分析可以看出，在降雪開始前850 hPa到地面的溫度都在0 ℃以下，因此許昌市的降水相態(tài)一直是純雪。當(dāng)濕層增厚至500 hPa以上，并且底層始終存在逆溫層，850 hPa以下風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流；850 hPa以上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流。850～500 hPa之間西南風(fēng)，顯示暖濕氣流在低層冷空氣之上，且西南風(fēng)和底層的偏東風(fēng)風(fēng)速顯著增大，輻合增強(qiáng)，同時帶來充沛的水汽，降水增強(qiáng)。