低纬高原两次冬季南支槽强降水的对比分析

郭荣芬,高安生,杨素雨

(1.云南省气象台,云南昆明 650034;2.云南大学大气科学系,云南昆明 650091;3.云南省气象局科技减灾处,云南昆明 650034)

0 引言

关于冬季雨雪的研究,国外Bennetts和Hoskins[1]、Emanuel[2]提出用饱和空气中的对称不稳定来解释降水带状分布的形成。Frederick和Lance[3]、Frederick[4]、Moors和Blakley[5]讨论了锋生强迫和对称不稳定对暴雪带的作用;朱爱民和寿绍文[5]对江淮一次大范围降雪过程的锋生次级环流进行过深入分析;胡中明和周伟灿[6]发现,低空急流对湿位涡的输送,使得暴雪区条件性对称不稳定加强,利于暴雪的形成;杨柳等[7]利用MM5较好地模拟出地春季暴雪中尺度特征;吴海英等[8]利用多普勒天气雷达资料江苏的一次雨雪天气过程进行了研究;杨成芳等[9]将多普勒天气雷达与中尺度数值模式RAMS(V4.4)结合分析了一次冷流暴雪过程的中尺度特征分析,证实了暴雪中尺度垂直环流的存在,强降雪集中出现在上升运动增强和逆风区维持的阶段;潘晓彬等[10]利用中尺度模式模拟了北京降雪的云场结构特征;刘宁微[11]详细讨论了辽宁暴雪的中尺度系统发展和演变。

在南支槽与冬季降水的关系研究方面,罗兴宏[12]对西藏那曲冬季雪灾天气的500 hPa形势进行了客观分型,其中南支槽是主要的降水系统;张自银等[13]对我国南方冬季异常低温和异常降水事件分析表明,南方冬季水汽主要来自南支槽的西南气流和南海上空的转向气流。云南省地处低纬高原地区,不同时间会受到西南季风、东亚季风以及中高纬东北季风的影响。南支槽是云南冬季降水主要的影响天气系统之一[14],大约5～6 d就有一次。对于云南冬季强降水及降雪天气的研究,秦剑等[15]对10次冬季结合天气过程进行合成分析,发现南北槽脊呈反位相配置,利于冷暖空气在云南结合,极易造成强烈的汇合、不稳定锋生场;郭荣芬等分别应用螺旋度和非地转湿Q矢量等理论对1999年1月昆明暴雪及强降水和2003年云南冬季的一次强降水过程进行诊断分析[16-17];张腾飞等[18]对2000年以来云南出现的4次强降雪过程进行分类对比分析和诊断分析。这些研究主要针对云南冬季槽潮结合的强降水天气或寒潮降雪进行的研究。据以往云南天气预报实践经验,单一的南支槽过程一般只产生部分地区的降温或阵雨、雪天气,只有当南支槽与冷空气、寒潮过程相遇(即“槽潮”结合天气),才会出现强降雨(雪)天气,并伴随强烈降温,2007年降温降雪南支槽过程即属于这类结合天气。而2008年的南支槽天气过程从系统上来看,并无明显强冷空气配合,出现如此明显降水实属少见,在实际预报中出现很大意见分歧。单一南支槽引发的云南冬季强降水过程,因极少出现,相应研究较少。而云南冬季强降水过程(包括大雨、暴雨和大雪)平均每年约有一次,虽然其概率低,但由于强度大、影响范围广、危害重,因而成为云南冬半年的主要灾害性天气之一。因此,深入研究冬季南支槽强降水的发生机理也就极其必要。本文将2007和2008两次南支槽强降水过程进行对比分析,为今后此类天气的预报服务积累一些经验。

1 资料和方法

2007年1月31日—2月1日云南出现一次明显的降温降雪南支槽过程,全省5站无雨,中雨58站次,其中中到大雨(25 mm≥R24≥17 mm)的有30站次,大雨19站次,暴雨1站次,滇中及以北、以东地区出现小到中雪局部大雪天气(图1a)。这次过程降雪范围大、强度强,是2006年入冬最强的一次南支槽降水过程(图1b),同时也是继2005年3月3—5日降雪过程之后最为明显的一次大范围降雪过程。此次过程中,一些地区高海拔路段因积雪、积冰导致高速公路封闭和局部地方蔬菜大棚倒塌等灾情,造成一定经济损失。

2008年1月26—27日云南省出现一次明显的强降水过程,其中大雨15站次,暴雨1站次,中雨45站次,其中中到大雨(25 mm≥R24≥17 mm)的有17站次,全省仅3站无雨,强降水区域集中在滇西到滇中的昆明西部,成为2007年入冬以来降水强度最强、范围最广的一次降水过程。至此,滇东北昭通冰冻降雪持续低温天气已演变为50 a一遇,电线结冰厚度最大达12～60 mm,严重的冰冻降雪天气致使滇东部分地区交通和通讯中断。

图1 云南降水量分布(mm;阴影区为大于17 mm)a.2007年1月31日20时—2月1日20时;b.2008年1月26日20时—27日20时Fig.1 The distribution of the precipitation(mm)in Yunnan Province(The shaded area indicates the distribution of precipitation≥17 mm) a.20:00 BST 31 January 2007—20:00 BST 1 February 2007;b.20:00 BST 26 January 2008—20:00 BST 27 January 2008

资料选取2007年1月30日08时—2月2日08时和2008年1月26日08时—29日08时(北京时,下同)高空探空资料,物理量计算资料取自Micaps系统客观分析的1°×1°的格点资料,非标准层的资料采用拉格朗日插值方法求得。

2 环流形势及影响系统对比

2.1 2007年1月31日—2月1日过程的环流形势

2007年1月31日20时,500 hPa亚欧中高纬为两槽一脊型,南支槽形成NE—S W向横槽东移到高原东南部100°E,印度北部85°E附近又有一新生南支槽,除滇西北外,各站T-Td均小于2.0℃。700 hPa丽江—昆明为NW—SE向切变。850 hPa冷高压增强东南扩展进入贵州,强劲的冷平流推动地面冷锋西伸增强到达哀牢山附近,与南支槽前西南气流共同作用,导致滇中的昆明、楚雄东部及滇东的昭通、曲靖开始出现降雪,滇西大部地区、滇中的楚雄西部降水明显增强,出现中到大雨天气。2月1日08时,新生南支槽快速东移与原南支槽叠加,西南气流增强,20时(图2a)云南大部转为风速超过14 m/s的西南急流。850 hPa冷高压控制了滇中及以东地区,促使地面冷锋越过哀牢山影响滇西,中低层强劲的暖湿西南水汽配合低层切变、强冷锋共同作用下,导致云南大部地区气温显著下降,滇中及以北最高气温下降6～10℃,滇中以西出现大雨局部暴雨的强降水天气,并伴有大范围降雪,局部强降雪天气,且大多测站降水达到并超过该站的多年月平均降水量,属典型的“槽潮”天气(即南支槽、寒潮降温降水天气)。2日,南支槽减弱偏北东移出川,云南大部中低层转为干冷偏西气流,地面冷锋变性减弱东退,寒潮天气过程结束。

图2 500 hPa环流形势及700 hPa西南急流分布(实线为500 hPa高度场,单位:dagpm;虚线为700 hPa风速大于等于12 m/s的西南急流,单位:m/s) a.2007年2月1日20时;b.2008年1月27日08时Fig.2 Geopotential height fields at500 hPa and the low-level jet at 700 hPa(solid lines indicate geopotential heights at 500 hPa;dashed lines indicate the low-level southwesterly jet with wind velocity≥12 m/s at 700 hPa) a.20:00 BST 1 February 2007;b.08:00 BST 27 January 2008

2.2 2008年1月26—27日过程的环流形势

2008年27日08时(图2b),500 hPa亚欧中高纬度45°N以北为两槽一脊,由于南海副热带高压略北抬,南支槽稳定少动,高原南部西南急流区维持,云南中部以北地区湿度增大。同时,700 hPa川西低涡南移靠近丽江,全省大部地区西南急流风速达20 m/s以上。850 hPa冷高压停滞于贵州北部,仅有小股弱冷空气沿冷高压南侧东北或偏东回流进入滇东北,使静止锋始终维持在滇东。受东移西南涡的影响,西南暖湿气流辐合抬升,滇西、滇中出现中到大雨,局部暴雨天气。因无强冷空气配合,仅滇西北高海拔地区受地形抬升作用,出现降雪天气。而滇东北、滇东地区因受暖湿水汽与静止锋的共同影响,导致滇东北、滇东冰冻降雪天气持续。27日20时,500 hPa南支横槽转竖并分裂为两段:前段低槽快速东移出川,后段偏北东移到92°E,继续影响滇西,低层700 hPa川西低涡减弱为低槽偏北东移出川,滇西转为槽后西北气流区,相应滇西降水强度减弱,雨区南移。

综上分析,两次南支槽降水的环流形势及影响系统均不同:2007年的过程中,高原南支槽前西南暖湿气流与低层切变、冷锋共同影响,为典型的“槽潮”天气;后者过程则为亚欧中高纬由纬向型两槽两脊型转变为偏北的两槽一脊型,无明显强冷空气南下,中低层西南急流的建立并长时间维持,新生南支槽东移补充、西南涡及静止锋的共同影响造成。

3 形成机制对比分析

3.1 湿位涡诊断分析

对称不稳定(CSI)是一种中尺度斜压不稳定,许多研究表明[19-22],对称不稳定是锋面附近强降水和对流发展的重要物理机制。Bennetts和Hoskins[1]的研究指出,湿球位涡(MPV)小于零是大气发生条件性对称不稳定的充分必要条件,湿位涡在等压面上的水平分布状况可以反映出CSI的区域和强弱。为此分析了两次降水过程期间的湿位涡分布情况。

2007年1月30日过程开始前滇东为湿位涡正值区,锋面影响地区的大气层结往往是位势稳定的,滇西为湿位涡负值区。随着冷锋加强,正值区自东向西推进。31日08时,与哀牢山附近锋面对应,102°E附近形成一条NW-SE向湿位涡等值线密集带,孟湾北部有一片湿位涡负的大值区向东北伸展,表明来自孟湾的西南气流携带不稳定能量和水汽向云南输送,滇西湿位涡数值在-2×10-7m2·s-1·K·kg-1以下。20时(图3a),云南25°N以北到四川盆地转为湿位涡正值区,对应低层川滇切变形成,北侧正值区即为下沉稳定的偏北气流区,而25°N以南地区全部转为湿位涡负值区,其中-3×10-7m2·s-1·K·kg-1以下的大值中心位于滇西南,与强降水大值区完全对应(图3a)。

2008年1月26—28日整个强降水过程期间,26°N以北至四川盆地、103°E以东地区,即滇西北、滇东北所在区域一直稳定处于湿位涡正值区,这与滇东稳定的静止锋、滇西北处于低涡环流西侧偏北气流对应。湿位涡较大的负值区自孟湾向东北伸展进入云南,滇西、滇南其它地区始终处于湿位涡较大的负值区,滇西地区中心数值在-12×10-7m2·s-1·K·kg-1以上,且26日08时开始增大,20时(图3b)过程开始时达到最大值-16×10-7m2·s-1·K·kg-1以上,表明中低层西南急流的长久维持,为强降水发生积聚了大量的较强不稳定能量,是强降水发生必要的热力不稳定条件。

上述分析表明,前者低层弱的对称不稳定区中的暖湿气流在有冷空气动力触发条件下,可导致气流强迫抬升产生强降水;而后者为强的对称不稳定区,由于积聚了大量的较强不稳定能量,稍有扰动,即可产生强降水。

3.2 θse与垂直速度分析

为了解强降水发生前后大气中的水汽和能量变化,以及高低层风场的配置情况,制作了沿25°N的θse与垂直速度(垂直速度矢用v与-w确定)的剖面合成图进行分析。

图3 700 hPa湿位涡分布(10-7m2·s-1·K·kg-1) a.2007年1月31日20时;b.2008年1月26日20时Fig.3 The distribution of MPVat 700hPa(units:10-7m2·s-1·K·kg-1) a.20:00 BST 31 January 2007;b.20:00 BST 26 January 2008

2007年1月30日08时,98～102°E强降水落区的低层600hPa以下为弱的气流上升区,600hPa以上为一致的偏北下沉气流,该区域有316K的θse大值区向北斜升到650hPa,随后气流上升区向高层发展。2月1日08时(图4a)322K的θse大值区到达350hPa,为本次过程的最大值,表明不稳定能量和水汽积聚到最大。同时100～102°E区域与锋面对应为θse密集带,相应气流上升区到达300hPa,在102°E向东转为偏北下沉气流。这样,西侧低空暖湿气流被迫抬升,与下沉的冷气流构成垂直环流,进而诱发不稳定能量释放。20时以后,随着降水释放能量,θse开始减小,2日08时垂直环流圈消失,弱的上升气流区仅在99°E以东维持,100°E以东自低层到高层转为下沉气流,相应强降水结束。

2008年1月27日08时(图4b),随着西南急流的持续加强,滇西上升气流增强到达300hPa,在101°E以东转为下沉气流,与滇中以东地区弱的上升气流在600hPa附近再次形成辐合,相应100～102°E附近的320Kθse线呈舌状自低层向高层到达400hPa。深厚的辐合上升气流,促使大量不稳定能量释放,滇西降水强度较大,而滇中以东中低层虽有辐合带存在,由于抬升凝结的水汽少,相应降水偏弱。20时后,深厚的上升气流区东移到105°E以东的贵州境内,云南全境仅700hPa以下维持弱的上升气流,且由于能量释放,滇西θse数值减小到320K以下,降水明显减弱。28日20时,100°E以西全部转为下沉气流,强降水结束。

图4 沿25°N的θse(K)及垂直速度(m/s)分布铅直剖面合成(图a圆圈区所示为次级垂直环流圈,图b虚直线区为辐合线) a.2007年2月1日08时;b.2008年1月27日08时Fig.4 Cross section ofθse(K)and vertical velocity(m/s)at25°N(The circle in(a)indicates the secondary circulation;the shaded region w ith dashed lines in(b)denotes convergence) a.08:00BST1February2007;b.08:00BST27January2008

综上分析,前者θse强度强于后者,地面锋区对应θse密集带;后者有两个θse密集带分别对应滇中以东的静止锋和中低层的西南急流锋区,且自过程开始前就已形成,并一直维持到过程结束。

从垂直运动看:前者形成次级垂直环流圈,诱发不稳定能量释放,导致强降水强降温并伴有大范围降雪产生的寒潮天气出现;后者无次级垂直环流圈形成,但滇中以西持续的上升气流不断增强且深厚,滇中以东中低层有弱的气流辐合带,故此次强降水以液态降水为主,降温不明显,仅滇东局部出现降雪。

3.3 非地转Q矢量锋生函数分析

昆明准静止锋是云贵高原上的重要天气系统,其移动的强弱变化是引发云南冬季大范围强降水的主要原因之一。非地转Q矢量锋生函数是一个能反映气团锋生或锋消的物理量,当锋生函数值大于0时,气团锋生,反之锋消[23]。分析沿25°N随时间变化分布的锋生函数垂直剖面,图5a中2007年1月31日08时之后,位于102°E滇中以东的正值锋生区开始加强西移,20时快速西进至滇西100°E附近,此后到2月2日一直维持在99°E附近。期间2月1日08—20时,锋生函数正值达最大,中心值强度12×10-17K·hPa-1·s-3的范围正好与降雪及强降雨区对应。该锋生为川滇切变增强西移,低层冷高压推动冷锋增强所致。之后正值区范围少变,但强度减弱,实况切变减弱东退,冷高压强度减弱,故2日锋生正值区范围仍维持阴冷的寒潮天气,而降水减弱,强降水过程结束。

图5 沿25°N湿Q锋生函数(10-17K·hPa-1·s-3)剖面的时间演变 a.2007年1月30日08时—2月2日08时;b.2008年1月26日08时—29日08时Fig.5 T im e evolution of the wet Q Frontogenesis function(10-17K·hPa-1·s-3) a.08:00BST30January2007—08:00BST2Februray2007;b.08:00 BST26January2008—08:00BST29January2008

图5b为2008年过程,1月26日08时—27日08时的锋生函数正值位于99～103°E,且呈逐步增强趋势,26日20时正值达最大,中心值强度8×10-17K·hPa-1·s-3的范围与滇西强降水落区对应较好。该锋生为高原东移西南涡,配合南支槽前稳定持续的强劲西南风低空急流,使稳定维持的静止锋变得活跃起来。强烈的气流汇合又增强了静止锋锋生,从而促使锋面加强。27日后,锋生函数正值区减弱东退,实况为西南涡减弱东移,滇西西南急流减弱消失,转为槽后偏北下沉气流控制,强降水结束。

由上分析可见,由于非地转锋生造成暖湿水汽被抬升,触发不稳定能量释放,从而导致两次强降水过程的产生。前者锋生是由切变增强西移,低层冷高压促使冷锋增强,后者锋生则为东移西南涡与稳定持续的强劲西南风低空急流触发而成。

4 结论

(1)两次南支槽降水过程对比,前者为典型的“槽潮”天气,后者非寒潮过程,无明显强冷空气配合,是中低层西南急流的建立并长时间维持,新生南支槽东移补充、西南涡及静止锋的共同影响造成。

(2)湿位涡分析表明,前者为弱的对称不稳定区中,暖湿气流因强冷空气动力触发造成,后者为强的对称不稳定区,由于西南急流积聚了大量不稳定能量,稍有扰动,即可产生强降水。

(3)θse强度看,前者θse较强,冷暖气流形成次级垂直环流圈,进而诱发不稳定能量释放,后者两个θse密集带分别对应滇中以东的静止锋和中低层的西南急流锋区且长久维持,滇中以西持续的上升气流不断增强且深厚,滇中以东中低层形成有弱的气流辐合带。

(4)两次强降水过程均有锋生,前者锋生是由切变增强西移,低层冷高压促使冷锋增强,后者锋生则为东移西南涡与稳定持续的强劲西南风低空急流触发而成。

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