2010年一次浙江省暴雪过程的诊断分析

周玲丽 杜惠良

(浙江省气象台,浙江杭州310017)

2010年一次浙江省暴雪过程的诊断分析

周玲丽 杜惠良

(浙江省气象台,浙江杭州310017)

利用常规的地面和高空观测资料,结合雷达资料和MM5中尺度数值模拟结果对发生在2010年12月15日08时—16日20时的浙江暴雪过程进行了分析。结果表明,本次降雪过程由北方强干冷空气与稳定加强的暖湿西南风气流交汇造成。冷空气南压使浙江省自北向南强烈降温,西南气流的稳定维持则提供了源源不断的水汽和能量,加上低层700hPa出现强烈的逆温,这些都有利于降雪的产生和维持,最终达到大到暴雪的级别。利用雷达和数值模拟结果进行进一步分析还发现,浙中北地区降雪的主要影响系统是对流层低层的中尺度切变线。对流层低层的暖平流和对流层中下层的冷平流构成“上冷下暖”的层结。在这种不稳定的层结条件下,风场的切变配合低层气流的辐合,一起造成了浙江中北部地区的强降雪。浙中南部的降雪则主要是由于山区地形使得近地面空气堆积产生强辐合,配合高空较强的辐散气流,促使气流形成强烈的上升运动引发的。此外,对流层高层的正涡度输送对降雪的形成和维持十分有利,当高空出现正涡度时会有降雪形成,高空涡度的强度越强,降雪的强度也越强。

暴雪;冷空气;西南急流;中尺度切变线;逆温

图1 2010年12月16日08时浙江省12h积雪深度(单位:cm)

为了解暴雪天气的环流背景,揭示中小尺度现象的特征和演变,本文利用常规的地面和高空观测资料,结合多普勒雷达资料和MM5模拟结果,对本次浙江暴雪过程进行诊断分析。

1 环流背景和天气形势

从500hPa的形式来看,本次降雪过程属于比较典型的“横槽型”[12]。在中高纬度,贝尔喀什湖附近有一个阻塞高压;鄂霍次克海西北部有一个较强的东北冷涡稳定维持,从山东半岛到陕西中部地区有一支从冷涡底部伸出的横槽存在;20°N～30°N地区为南支槽前的西南气流(图2a)。随着青藏高原东北部的小槽在东移南压到四川盆地的过程中逐渐转竖,在横槽北侧堆积的强冷空气开始逐渐分裂南下并与西南暖湿气流交汇,造成浙江全省大部气温持续下降到-5℃～-2℃,引起了一场暴雪过程(图2b)。

图2 实况500hPa高度场(单位:dagpm)(图中粗线为高空槽的位置)

图3 15日08时700hPa高度(单位:dagpm)

伴随着500hPa高空环流的演变,低层700 hPa流场上的急流和切变系统的发展移动也与之对应配合。如图3所示,700hPa高度上分布有两支很强的低空西北急流和西南风急流。前者急流轴的位置主要位于内蒙古东部—华北北部—山东半岛一线,中心风速达到了32m/s,将冷空气不断输送到南方地区;后者是主要来自孟加拉湾和南中国海的暖湿气团,中心风速位置则分布在华南和华东地区一带,最大风速中心出现在贵州、湖南和广西3省交界处,中心值约为20m/s。这两支属性截然不同的强低空急流在33°N附近的四川—湖南—江西—江浙交界一带交汇,同时还在四川盆地附近发展形成一个低涡系统,涡前部的偏东风和西南风之间形成了较强的切变,这也正是降雪出现的地区。此后随着冷空气势力的加强南下,气流的汇合线逐渐南压,浙江省自北而南产生降雪。

2 雷达产品分析

考虑到常规的实况观测资料在时空尺度上的不足,无法捕捉到中小尺度现象的发展和演变过程,本文以杭州站为代表,利用多普勒雷达资料对浙北地区降雪过程中的中小尺度现象进行分析(图略)。

15日00时,在距离雷达中心50km的半径内,也就是低层1.5km高度以下的速度零线呈顺时针弯曲,说明对流层低层中有暖平流;弯向正速度区的曲率要大于弯向负速度区的曲率,表明对流层低层中还存在着风向的辐合。在50～100km半径范围内,也就是1.5～35km高度之间,杭州雷达站西北侧德清和安吉地区上空的速度零线又转为逆时针弯曲,这表示该区域高度中存在冷平流,根据地面天气图可知(图略),这是北方冷空气南下造成的,说明此时冷空气前锋已经开始影响浙北北部地区。对比同时刻1.5km高度上的CAPPI反射率回波可知,此时浙江省境内只有一些强度在10～15dBz之间的微弱回波,还并没有降水产生。但是对流层低层的暖平流和中下层的冷平流构成“上冷下暖”的结构,形成静力不稳定层结,加上对流层低层气流的辐合结构,为降水的形成提供了有利条件。

15日09时的速度回波中,边界层1km高度以下仍维持着暖平流和辐合结构,但边界层顶以上到2km高度之间均已转为冷平流影响,并且已经向南扩散到了绍兴和上虞等地。这意味着冷空气前锋以及开始向低层扩散并南压到了浙中地区。在距离雷达中心80km半径处的2.5km高度上,零速度线出突然出现了180°的拐弯,这是切变线在雷达速度回波上的典型特征。低层不稳定层结中,切变线的形成是产生降水的标志,配合气流的辐合条件和冷空气造成的强烈降温,此时浙江中北部地区出现了大范围的降雪。

15日22时54分,随着冷空气的进一步南下侵入,低层切变线逐渐减弱成局地的辐合,浙江北部大部分地区已经转为西北风控制。此时的降水逐渐减弱,主要的雨雪区开始向南转移,浙中南部等地开始出现强降雪天气。

从以上分析可知,对流层低层的暖平流和对流层中下层的冷平流构成“上冷下暖”的层结。在这种不稳定的层结条件下,低层的辐合和切变配合充足的水汽和强烈的降温一起造成了浙江中北部地区的强降雪。

3 模拟结果诊断分析

由于雷达资料的获取和观测范围的限制,无法进一步对出现最强降雪的浙江中南部地区中小尺度现象的分析,因此本文利用了美国由PSU/NCAR共同开发的第5代中尺度数值模式MM5(V3.6)对本次暴雪过程进行了数值模拟。在模拟效果基本符合实况的前提下,利用模式的高分辨率结果进一步弥补资料的不足。

图4 15日08时散度场垂直剖面(单位:×10-5s-1)

分析图4给出降雪发生之初,沿着浙江中南部24h最强降水区的散度场垂直剖面可见,整个对流层中上层全部为气流的辐散区,辐散中心分布均匀,强度约在6×10-5s-1左右。在对流层中下层,由于地形作用影响,在山体之间的下凹地形处容易形成空气的堆积,从而造成较强的辐合,强度在-30×10-5s-1以上。强的辐合与高空强度辐散配合,“抽吸”作用有利于加强气流的垂直上升运动。垂直速度场表明,正是从15日08时以后开始,降水区从下沉气流为主导转变为强烈的上升气流(图略)。本次暴雪过程最强降雪出现在山区,积雪深度达到了20～30cm,正是高低空辐散-辐合的垂直结构为降雪的产生提供了有利的动力条件。

图5 降雪发生前和发生时涡度场(单位:×10-5s-1)垂直剖面

进一步分析图5a可以发现,在降雪发生之前,对流层中高层上为负涡度区,强度在-13× 10-5～-17×10-5s-1之间;低层为较强的正涡度中心,最大值在35×10-5s-1以上。到了15日23时(图5b),降雪发生且最强时,中高层转为正涡度并且强度发展到最强的21×10-5s-1;低层此时在降雪区域虽然仍为正当涡度中心控制,但负涡度的势力明显比之前有所发展。分析整个降雪过程中涡度场的演变也可以发现这样的情况(图略)。这说明,在本次过程中,对流层高层有正涡度平流向降雪区输送。当高空出现正涡度时会有降雪形成,高空涡度的强度越强,降雪的强度也越强。高层正涡度的发展与低层正涡度中心一起构成一个从近地面向上伸展至高空的正涡度柱结构,对降水的维持和发展非常有利。

4 能量结构分析

进一步从能量和水汽角度分析本次暴雪过程降雪较强的衢州站位温的垂直结构,图6给出了暴雪发生前、发生时以及结束时位温、假相当位温和饱和假相当位温的垂直廓线。

图6a显示,降雪发生之前的12h,低层850hPa以下假相当位温线和饱和假相当位温线几乎重合,低层空气近似饱和,水汽条件很好;850hPa之上,假相当位温线与饱和假相当位温线逐渐远离,转而靠近位温线,这表示水汽含量随高度慢慢减少,空气逐渐变干。这主要是因为低层850hPa以下风速12m/s的偏东风,能够从海上输送水汽;而850hPa以上为来自内陆的较干的偏西风急流。因此,降雪发生前,衢州站上空为上干冷下暖湿的不稳定结构,低层偏东风和高层偏西风之间还形成了较强的风的垂直切变,这都非常有利于降水的形成。到了15日08时(图6b),高层风向开始从偏西风转为西南风,也开始为衢州上空输送充沛的水汽,使得对流层高低层均为近似饱和的状态;同时由于受到冷空气的影响,衢州站出现了明显的降温,低层降温幅度达到了10℃左右。在有利的环流场形势下,衢州站从15日08时以后就开始出现降雪。到了15日20时(图6c), 850hPa以上的西南气流进一步加强,整层的水汽条件得以仍然维持着近似饱和的状态,同时衢州站的温度又继续下降了5℃,降雪继续维持发展。当16日08时(图6d),高层再次转为偏西风,低层700hPa以下也基本转为了西北风,水汽条件开始转差,虽然继续维持着低温,但雨雪天气基本趋于结束。

(图中绿色曲线为位温,棕色曲线为假相当位温,蓝色曲线为饱和假相当位温)

5 温度条件分析

冷暖空气的交汇为降水提供了有利的条件,但是雨水是否能够转化为固态雪的一个关键因素在于温度。南方降雪有利的温度条件在垂直方向上,一般需要满足以下几点:地面温度≤4℃,850hPa温度≤-3℃,700hPa温度≤0℃, 500hPa温度≤-12℃,并且中层要有逆温层[13]。曾欣欣[12]对历年92次浙江大雪过程进行统计分析,总结了大雪预报概念模型,并针对温度条件进行了深入探讨发现,当存在逆温现象时,700hPa温度比850hPa温度要至少高出1℃时比较有利于降雪的产生。

对本次过程降雪最大之一的衢州站各层温度进行分析发现,从14日20时各层已经出现降温,其中850hPa降温最快,24h温度就下降了10℃,达到了-10℃;其次是925hPa,24h气温下降9℃达到了-6℃;而700hPa则是各层中降温幅度最小的,从14日20时到16日08时仅仅缓慢下降了4℃。根据前面对700hPa环流场(图7)的分析可知,这主要是由于强暖湿西南气流的影响导致该层温度下降缓慢。850hPa和925hPa的强烈降温导致从15日08时到16日08时形成了逆温层,并且最大逆温差值达到了7℃。这样的低温条件和逆温层结构非常有利于暴雪的产生。

图7 衢州站从地面到700hPa各层气温变化曲线(单位:℃)

6 结 语

本文利用常规的地面和高空观测资料,结合雷达速度图和MM5中尺度数值模式对发生在2010年12月15日08时—16日20时的浙江暴雪过程进行了分析,结果表明:

(1)本次降雪过程主要是由于北方强干冷空气与稳定加强的暖湿西南风气流交汇造成的。冷空气势力不断加强南压,使得浙江省自北而南强烈降温产生降雪;西南气流的稳定维持提供了源源不断的水汽和能量,并使700hPa出现逆温,这都有利于降雪的出现和维持。

(2)浙中北地区的降雪的直接影响系统是对流层低层的中尺度切变线。对流层低层的暖平流和对流层中下层的冷平流构成“上冷下暖”的层结。在这种不稳定的层结条件下,风场的切变配合低层气流的辐合,一起造成了浙江中北部地区的强降雪。

(3)浙中南部的降雪则主要是在大幅度的降温和充足的水汽条件下,由于山区地形使得近地面空气堆积产生强辐合,配合高空较强的辐散气流,促使气流形成强烈的上升运动引发的。此外,对流层高层的正涡度输送对降雪的形成和维持十分有利,当高空出现正涡度时会有降雪形成,高空涡度的强度越强,降雪的强度也越强。

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0 引 言

近年来,冻雨暴雪天气多次袭击我国南方地区,造成冰冻灾害,引发交通事故和人员伤亡。对于暴雪的成因,国外早在1978年就做过诊断分析,发现高层冷平流导致斜压性的再次增加是产生暴雪的主要原因[1]。不少研究还发现,温带气旋的发展登陆和低压系统的发展与暴雪的发生有密切的关系[2-6]。地形和水汽对冻雨雪天气的形成起关键作用[7]。近年来,随着我国降雪和冰冻天气的频发,人们对暴雪的研究也越来越重视。张小玲和程麟生[8]对高原的暴雪过程进行了水汽和动力诊断分析,认为水汽、条件不稳定在高原暴雪中起重要作用。林曲风[9]对一次暴雪过程进行中尺度模拟和分析,发现地形对局地水汽的累积和辐合的增强有巨大作用。宫吉德和李彰俊[10]研究了低空急流与暴雪过程的关系,认为低空偏南急流对于暴雪过程起着重要的作用。王东勇等[11]指出,在强降雪时,近地面925 hPa附近有很强的超低空急流。

受强冷空气影响,2010年12月15日08时—16日20时浙江省大部地区出现了一次大到暴雪过程。从15日早晨开始,浙北的湖州、杭州和浙西的衢州等地区先出现降雪,随即降雪区南压影响全省。全省大部积雪深度达12～15cm,局部15～20cm,山区20～30cm。全省日平均气温下降了7～10℃,山区最低气温在16日05时达到了-6℃左右,0℃以下气温最长持续了20～22h。本次降雪过程是浙江省比较少见的全省性大范围降雪,80%站出现降雪(图1)。本次降雪过程导致浙江省出现较严重低温、冰冻灾害,造成交通受阻,交通事故频发,农林业遭受较大损失,大雪压塌屋棚顶,致多人受伤,用电量创2010年冬季最高负荷。

2010-02-09