两次雨转大到暴雪过程的降水相态变化分析

郭巧红

(浙江省气象台, 浙江 杭州 310017)



两次雨转大到暴雪过程的降水相态变化分析

郭巧红

(浙江省气象台, 浙江 杭州 310017)

对2013年2月的浙江两次雨转大到暴雪过程的环流背景、相态变化与地面气温及温度的垂直结构特征进行分析。结果表明，各种降水相态出现时的地面温度区间范围较大。850～700 hPa有逆温层是降雪的有利条件,700 hPa附近逆温层顶温度在零度以下,云顶高度较高或在925 hPa有强干冷空气楔入时,即使地面温度高于2 ℃也有可能出现纯雪。反之700 hPa附近有大于零度的暖层存在、凝结层高度较低时,地面温度低至-1 ℃以下也可以出现纯液态降水。

降水相态,地面温度,融化层,探空曲线

0　引　言

大雪是浙江冬季最主要的灾害性天气之一,随着社会经济的发展,大雪灾害对农林、交通、城市运行、人民生活等各方面造成的影响越来越显著。南方地区的降雪过程往往存在雨雪相态转换过程。相同的降水量所形成不同的降水相态会对社会造成的完全不同的影响,例如对于5 mm的降水量,如果降水相态是雨,则为常见的小雨天气,对人们生活不会造成太大的影响；如果降水相态转换成雪,则可以演变为大雪天气,往往会造成灾害[1]。因此,在实际天气预报业务中,雨雪转换的时间点成为降雪预报的关键点和难点。

近年来,我国气象科技工作者针对2008年南方的低温雨雪冰冻灾害的成因做了较全面系统的研究[2-5],取得了不少成果和认识,但针对浙江的雨雪转换过程的预报判别指标系统性研究则相对较少。本文从2013年2月浙江两次雨转大到暴雪过程的个例分析入手,对两次降雪相态的变化进行分析,旨在提炼出适合浙江的不同降水相态的预报判别指标。

1　两次雨转大到暴雪天气过程概况

2013年2月上旬和中旬,浙江中北部地区相继出现了两次较大范围的雨转大到暴雪过程。第一次过程(简称过程1,下同)出现在2月7—8日。2月7早晨受500 hPa浅槽东移和地面冷空气影响,浙江省先出现降雨天气。随着冷空气自北而南进一步影响浙江省,气温逐渐下降,7日08时浙江最北部的长兴站开始出现雨夹雪,7日14时湖州、嘉兴地区北部开始出现纯雪,杭州为雨夹雪。此后雪线缓慢南压。7日20时杭州由雨夹雪转雪。8日下午降雪区域南扩至衢州、丽水北部、台州北部一带。江山、缙云、椒江一线及其以北地区都出现纯雪。8日20时,浙江中北部地区积雪深度普遍有5～10 cm,杭州、绍兴、宁波的部分地区积雪深度10～15 cm,较大的有嵊州19 cm、新昌16 cm、临安15 cm、淳安14 cm、杭州13 cm(见图1a)。2月8日夜里起,过程1的降雪逐渐减弱停止。

第二次雨雪换过程(简称过程2,下同)的降雪出现在浙江北部地区。2月18日受500 hPa西南暖湿气流和地面冷空气共同影响,在长江中下游及江淮地区出现较大范围的降雨天气。18日夜里随着冷空气进一步南下影响,气温逐渐下降。19日02时湖州、杭州北部出现雨夹雪和冰粒,19日08时湖州、嘉兴及杭州北部等地出现纯雪,到19日14时降雪区域略有南压至浙北地区南部的桐庐、诸暨一带。19日14时以后降雪过程减弱结束,气温回升,积雪融化较快。过程2最大降雪深度出现在19日11时,湖州、嘉兴及杭州地区北部普遍出现5～7 cm的大雪,安吉最大,为13 cm,临安10 cm,杭州为5 cm(见图1b)。

这两场降雪过程一度造成部分高速路段关闭。特别是过程1,大雪导致2月7日下半夜到8日早晨以及8日夜里到9日早晨浙江省境内几乎所有高速全部封闭,浙江中北部地区公路运输受阻严重,萧山机场发生大量航班延误,对交通运输造成较为严重的影响。过程2由于降雪结束后气温回升,积雪融化较快,对交通影响影响相对较小。

(a)2013年2月8日20时；(b)2013年2月19日11时图1　两次过程积雪深度(单位：cm)

2　环流形势分析

过程1降水出现时500 hPa中纬度环流较平,但在700 hPa切变南侧的江南地区中北部存在西南风急流。2月7日白天500 hPa有小槽东移,降水较明显,但由于气温较高,浙江全省降水以雨或雨夹雪为主。7日20时500 hPa浅槽东移入海,浙江上空的500 hPa以西北偏西气流为主,但700 hPa从7日08时至8日08时一直有切变线稳定维持在长江附近,切变南侧西南气流较明显,从湖南、江西北部至浙江中部存在16 m/s以上的西南风急流带,其中8日08时急流附近最大风速达20 m/s。700 hPa西南急流不仅为降雪区输送水汽,也为降雪提供有利的上升运动条件。从地面到850 hPa在浙江中北部维持东到东北气流,冷空气从低层楔入,不

仅为降雪提供动力抬升条件,还与700 hPa的暖湿气流形成上暖下冷有利于降雪的逆温形势见图2(a1、b1、c1)。到8日20时,700 hPa切变线南压至浙江南部,浙江降雪逐渐减弱。

对于过程2,500 hPa孟加拉湾低槽明显,槽前西南气流非常强盛,18日20时,随着500 hPa高原槽东移,槽前西南气流向长江流域输送水汽和提供有利的上升运动条件,850 hPa切变位于江南北部,在其南侧也存在一支14 m/s的西南风低空急流见图2(a2、b2、c2)。受500 hPa低槽东移和850 hPa切变影响,在我国东部地区形成较大范围的降水区域。由于前期气温较高,18日浙江省的降水相态为雨。18日夜里由于受地面冷空气不断南下影响,浙江省气温明显下降。至19日凌晨,浙北地区由降雨天气逐渐转为降雪。

(a1、a2500 hPa；b1 700 hPa,b2 850 hPa；c1、c2地面)图2　2013年2月7日20时(a1、b1、c1)和18日20时(a2、b2、c2)天气图

3　降水相态与地面温度关系分析

众所周知,降水的相态变化与地面气温关系非常密切,地面气温是预报降雪出现与否的指标之一[6]。由于这两次过程都经历了雨转雪的降水相态转换过程,本文利用浙江省68个国家基本站每3 h间隔的地面气温、天气现象等观测资料,对这两次雨雪转换过程中的雨、雨夹雪、冰粒、纯雪等4种不同降水相态出现时的地面温度进行分类统计,并得到30个雨夹雪、116个冰粒、306个纯雪的地面气温样本资料。

表1是两次雨转雪过程中不同降水相态出现时的地面温度区间及不同降水相态的所有样本的温度中值。由表1可见,出现液态降水时观测到的地面温度最低值为-1.3 ℃。出现纯降雪时观测到的地面温度最高值为2.4 ℃,纯雪的样本温度区间值为-3.6～2.4 ℃,样本中值为-1.1 ℃。由此可见,地面温度低至零下1.3 ℃时可出现纯液态降水,另一方面地面温度在零上2.4 ℃时也可出现纯雪。出现雨夹雪和冰粒的温度区间范围也比较大,分别为-1.9～4.3 ℃和-2.4～4.2 ℃,雨夹雪的地面温度区间值略高于冰粒。雨夹雪和冰粒的样本温度中值分别为1.3 ℃和0.5 ℃,冰粒的样本温度中值要比雨夹雪低0.8 ℃。

表1　不同降水相态的地面温度区间及中值　℃

另外,对两次雨转雪过程中的雨夹雪、冰粒、纯雪等3种降水相态的样本在不同温度区间出现的频次进行统计分析,结果见表2。由表2可见,出现雨夹雪频次最高的温度区间值为1～2 ℃。在30个雨夹雪样本中,其中有17个样本的地面温度落在1～2 ℃之间,占57%。在116个冰粒样本中,出现频次相对比较高的温度区间为-1～2 ℃ ,共计占67%。在306个纯雪的样本中,从-3 ℃ 到1 ℃的各温度区间里都有较多站次的纯雪出现。但温度大于1℃时出现降雪的频次则只有20次,仅占6.5%。

表2 　雨夹雪、冰粒、雪等固态降水在不同温度区间的频次分布

统计还发现,过程1的降水相态与地面温度的关系较为复杂。在浙江北部地区,地面气温相对较高时出现了固态降水,例如2月7日14时,嘉善气温1.8 ℃,降水相态为雪；岱山气温4.3 ℃,降水相态为雨夹雪；普陀气温4.2 ℃、诸暨3.6 ℃、桐庐3.5 ℃降水相态为冰粒等。而在浙江中南部,部分地区气温降至0 ℃以下还出现液态降水,例如2月8日08时,宁海站气温低至-1.3 ℃、江山气温-1.0 ℃,测站观测到的天气现象仍为雨；义乌站气温-2.4 ℃,降水相态为冰粒。2月8日17时,江山气温-1.9 ℃,降水相态为雨夹雪等等。

另外,过程2从降雪开始一直到降雪结束,地面气温均较高,除临安为-0.1 ℃外,降雪出现时,各地的气温一般都在0～2 ℃之间。其中2月19日14时,杭州、萧山、余姚等地的气温升至2.3～2.4 ℃,而地面观测到的降水相态仍为雪。

4　垂直温度结构特征分析

由前一节分析可知,各种降水相态出现时的地面温度区间范围较大。在过程1中的2月7日浙江东北部地区和过程2中,地面气温较高时出现了固态降水。而在另一方面,在过程1中,2月8日浙中南部分地区地面气温降至0 ℃以下时有纯液态降水。因此从预报角度来看,要准确预报降水相态的变化及雨雪量,除了要考虑地面温度因素以外,还需进一步分析高空温度层结结构及变化趋势。

4.1地面气温较高时出现固态降水的温度垂直结构

在过程1的2月7日14时嘉善站和过程2的2月19日14时杭州站的天气现象都为纯雪。而与此相对应,嘉善和杭州站的地面气温观测值分别为1.8 ℃和2.4 ℃。为了分析此时嘉善和杭州站高空的温度垂直结构特征,利用NCEP分析场资料作经过上述测站附近的温度-纬度垂直剖面图(见图3)。由图3可以见,测站上空1000 hPa以上所有层次的气温都在0 ℃以下。850～700 hPa高度层有的逆温层存在,但在700 hPa附近没有0 ℃以上的暖层。在925 hPa附近有一干冷舌往南伸展,925 hPa的气温在-4～-6 ℃,造成近地面层温度垂直递减率大,近地面大于0 ℃的暖层非常浅薄,雪花降到近地面时来不及融化。相比较而言,图3b的925 hPa附近的干冷舌更明显一些,近地面层温度垂直递减率更大一些,因此在过程2中, 19日14时杭州站地面温度高达2.4 ℃仍有降雪天气出现。925 hPa附近干冷空气的楔入不仅为降雪提供了低层动力抬升机制,也为降雪天气提供了有利的温度环境场条件。

图3　2013年2月7日14时嘉善附近(a)和19日14时杭州附近(b)温度(单位：℃)、比湿(阴影)高度-纬度剖面图

另外,2月7日14时,岱山站气温4.3 ℃出现了雨夹雪,普陀4.2 ℃出现了冰粒,从其上空的垂直剖面图上(图略)可见,近地面0 ℃以上的暖层相对较厚,1000 hPa气温接近2 ℃,零度层高度在950 hPa附近,在950hP以上高度层气温都在零度以下,850 hPa温度为-3 ℃,850～700 hPa层次有逆温,但700 hPa气温仍然低于0 ℃,有利于出现雨夹雪或冰粒天气。

从以上分析可以看出,当地面温度到2 ℃左右,但1000 hPa以上层次的温度都低于0 ℃,地面可以有降雪的相态出现。地面温度到4 ℃,但950 hPa以上的高空都为0 ℃以下,850 hPa到-3 ℃,可以出现雨夹雪或冰粒。

4.2地面气温较低时出现液态降水的温度垂直结构

如前所述,在过程1中,2月8日浙中南部分地区地面气温降至0 ℃以下时有液态降水。例如江山8日08—11时,地面温度降至-1.0 ℃,仍维持纯液态降水；宁海8日08地面温度低至-1.3 ℃,也出现液态降水。分析江山附近的衢州站和宁海附近的洪家站8日08时的探空资料,发现两个探空站在700 hPa附近都存在大于0 ℃的融化层。衢州站700 hPa附近温度为1 ℃。洪家站暖层更为深厚一些,700 hPa为1 ℃,750 hPa附近达2 ℃。同时还注意到,在衢州和洪家的探空图上(图4),500 hPa高度层以上,其温度露点差都迅速增大,说明云顶大致位于500 hPa附近。此时衢州和洪家两站500 hPa温度都为-14 ℃,说明降水云层内温度相对较较高,不利于冰晶和雪花的形成,降水云层内以过冷却水滴为主从而形成液态降水。

图4　2013年2月8日08时衢州站(a)和洪家站(b)探空图

4.3雨(雨夹雪)转雪的层结结构特征分析

在实际天气预报业务中,对于存在相态转换的雨雪天气过程,雨转雪的时间节点和雨雪分界线往往成为雪量和积雪深度预报的关键点和难点。以下利用杭州、衢州两个探空站的资料,对雨雪分界线附近降雪一侧的温度层结结构作进一步分析。

过程1,2月7日20时,杭州站由雨转成纯雪,杭州处于纯雪区和雨夹雪的边界附近。8日20时,随着雪线的逐渐南压,衢州站的降雪相态转为纯雪,此时的衢州站同样也处于纯雪区和雨夹雪的边界附近。比较2月7日20时杭州站和8日20时衢州站的探空图(图略),可见两者的探空曲线较为相似。在850 hPa和700 hPa的高度层之间都有较明显逆温的存在,700 hPa附近温度下降至0 ℃,850 hPa温度分别为-8 ℃和-6 ℃。地面气温分别为-0.6 ℃和-1.6 ℃。从探空曲线分析,地面到高空各层的气温均在0 ℃以下,可见7日20时杭州站和8日20时衢州站的探空曲线是浙江典型的降雪的层结条件。

过程2的降雪出现在浙江北部地区。2月19日02时,湖州、杭州北部开始出现雨夹雪和冰粒。19日08时,杭州站由雨夹雪转成雪,此时杭州站处于雪线附近。图5为19日08时杭州站的探空曲线图。由图5可见,850 hPa和700 hPa的高度层之间同样有较明显逆温的存在,850 hPa温度为-7 ℃ ,700 hPa温度也为0 ℃。与2月7日20时温度层结不同之处是地面温度在零度以上,为0.5 ℃。再分析19日08时露点温度曲线,可以发现T-Td≤3 ℃饱和层达到400 hPa以上高度,大致在368 hPa附近,温度-26 ℃。说明过程2降雪时的云顶高度较高,云顶温度较低大致在-26 ℃左右,有利于冰晶和雪花形成。因此即便地面气温相对较高,也能出现降雪天气。

图5　杭州2月19日08时探空图

5　降水相态转换预报着眼点

通过对两次雨转雪过程中降水相态变化与地面温度及温度垂直结构特征关系分析,可以得出以下几点降水相态预报的着眼点。

1)各种降水相态出现时的地面温度区间范围较大。一方面,地面气温在2.4 ℃时出现了纯降雪。而在另一方面,地面气温降至-1.3 ℃时也有液态降水。要准确把握降水相态的变化,除了考虑地面温度因素以外,还需分析高空温度层结结构及变化。

2)700 hPa的0 ℃以上暖层的存在,是预报否有液态降水存在的关键,当700 hPa附近有大于零度的暖层存在,且云层高度较低时,即便地面温度低至-1 ℃以下也会存在液态降水。

3)925 hPa附近有干冷舌楔入,近地层温度垂直递减率较大时,在空中合适的层结条件下,即使地面温度高于2 ℃,也会出现降雪。

4)在中低层合适的温度层结背景下,当云

顶高度较高,云顶温度较低时,有利于冰晶和雪花形成,在地面温度相对较高时也容易出现固态降水。

[1]孙继松,梁丰,陈敏,等.北京地区一次小雪天气过程造成路面交通严重受阻的成因分析[J].大气科学,2003,7(1):7-21.

[2]淘祖钰,郑永光,张小玲.2008年初冰雪灾害和华南准静止锋[J].气象学报,2008,66(5):850-854.

[3]曾明剑,陆维松,梁信忠,等.2008年初中国南方持续性冰冻雨雪灾害形成的温度场结构分析[J].气象学报,2008,66(6):1043-1052.

[4]杨贵名,孔期,毛冬艳.2008年初“低温雨雪冰冻”灾害天气的持续性原因分析[J].气象学报,2008,66(5):836-849.

[5]郑婧,许爱华,许彬,等.2008年江西省冻雨和暴雪过程对比分析[J].气象与减灾研究,2008,31(2):29-35.

[6]漆梁波,张瑛.中国东部地区冬季降水相态的识别判据研究[J].气象,2012,38(1):96-102.

2016-03-07