2018年1月湖南岳阳两次雨雪冰冻过程对比分析

昌立伟，黄海波，李 晶，余文会

(1.湖南省岳阳市气象局,湖南 岳阳 414001;2.湖南省湘潭市气象局,湖南 湘潭 411100)

0 引言

雨雪冰冻天气一直是气象防灾减灾的重点，也是天气预报的难点，尤其是在我国湖南地区，由于南岭山脉的阻挡，天气形势上往往处于液态和固态降水的过渡带，给降水相态的预报带来更大的难度。国内很多气象学者针对雨雪天气成因和相态转换条件，开展了大量的分析研究工作，总结了一些有意义的研究成果。潘志祥等[1]统计分析了湖南雨雪的天气气候特征，划分了5大类天气形势; 李海军等[2]指出西南暖湿气流的突然增强，近地面层有大片逆温层存在是大雪预报的关键; 张琳娜等[3]对近10 a北京冬季降水相态研究得到6种与雨雪转换关系密切的物理量;梁军等[4]发现对流层下层暖平流和上层冷平流是产生强降雪的主要原因; 杨晓霞等[5]对比分析山东两次暴雪天气发现中低层先有冷空气影响还是先有暖湿气流北上，将决定降雪是以稳定性降雪还是以对流性降雪为主; 周雪松等[6]研究表明雨雪相态的转变与温度廓线有直接关系; 蒋义芳等[7]指出暖平流和中层强西南急流有利于产生持续暴雪，且任意高度出现西北风可作为降雪减弱的临近预报指标。很多学者从整层大气特征的角度进一步分析了降雪预报的着眼点。许爱华等[8]指出，925 hPa以下层次大气温度是南方降水相态的关键，降雪时925 hPa气温≤-2 ℃则可作为固态降水(雪)的预报判据; 漆梁波等[9]分析得到综合考虑了温度和厚度因子的识别判据对中国东部地区冬季降水相态有较好的识别能力; 杨成芳等[10]研究表明有相态转换时的850 hPa和925 hPa温度无明显指示性，1 000 hPa以下温度较为关键，另外0 ℃层高度也可用于雨雪转换指标。岳阳地处29°N附近，是典型的亚热带季风气候，地形东高西低，西临洞庭湖，东部则为连云山脉，特殊的喇叭口地理位置，使其成为冷空气影响湖南的前哨，造就了冬春季节雨雪冰冻频繁发生的现状。本文拟对2018年1月3—8日和24—28日出现在岳阳的两次雨雪冰冻过程的强度、落区和相态转换进行对比分析，通过详细分析过程开始前后高低空环流形势、各层次物理量差异和数值预报能力等方面，探索岳阳地区雨雪天气过程的预报指标和着眼点，希望对今后这类天气的预报、预警有一定的借鉴。

1 天气实况与灾情

受高空槽、中低层切变和强冷空气共同影响， 2018年1月3—8日、24—28日岳阳市出现了两次低温雨雪冰冻天气过程，岳阳均出现阴雨雪天气，气温下降明显，风力加大。第一次过程冷空气相对较弱，中低层存在逆温融化层，700 hPa温度高于0 ℃，以冻雨为主，高山地区出现降雪；而第二次过程冷空气更强，中低层水汽充沛，700 hPa急流显著，24日开始，地面气温逐渐下降至0 ℃附近，700 hPa存在高于0 ℃的融化层，降水以冻雨为主；25日晚开始岳阳自北向南转为纯雪，以中到大雪为主，其中26日晚—27日有4个站(岳阳、华容、湘阴和汨罗)达到暴雪，最大积雪深度达6 cm。两次过程雨雪量分别为40.2 mm、46.2 mm。

25—29日各县市连续日平均气温≤0 ℃，较常年同期偏低6.0 ℃，华容和岳阳达到严寒标准(日平均气温≤0 ℃连续5 d)；连续4 d出现降雪，出现5站次暴雪，最大积雪深度6 cm；临湘和平江达到轻度冰冻标准，其余各县达到中度冰冻标准，最大积冰厚度3 mm，部分山区出现重度冰冻，是自2008年以来冰冻持续时间最长，影响最大的一次天气过程。根据受灾县市区民政部门统计，截止1月29日08时，全市受灾人口7.6万，紧急转移安置人口80人；受灾面积12 388 hm2，成灾面积7 715 hm2；倒塌房屋24户43间，严重损房16户39间，一般损坏房34户41间；直接经济损失15 950万元，农业经济损失9 139万元，家庭财产损失1 305万元。

2 环流背景分析

2.1 500 hPa环流形势

1月2—4日500 hPa亚洲中高纬环流表现为两槽一脊型，北极极涡扰动南下，新疆北部地区为强盛的低涡控制，蒙古地区为两槽之间弱脊，低涡中心最低气温达-36 ℃，冷空气堆积。中低纬度地区为纬向波动环流，南支槽加深东移。6日新疆北部低涡开始旋转东移南下，前部转为东西向横槽，随着横槽转竖，引导强冷空气南下[11]。中低纬高空南支槽的东移，与南下冷空气结合，岳阳处于高空槽前位置，正涡度平流输送有利于上升运动的加强，且500 hPa温度维持在-10 ℃左右，较有利于云层中冰晶和雪花的形成。9日08时之后，南北槽合并，冷空气爆发完成，岳阳转为槽后西北气流控制，过程趋于结束。

1月24—28日，东亚中高纬地区为稳定且强盛的横槽控制，北极极涡分裂南下，中心位于亚洲东北部，冷空气堆积在我国北部新疆至蒙古一带(图略)。24—26日，中纬度为波动环流，南北两支槽均较弱， 26日20时，随着河套地区浅槽与南支槽打通，使得高空槽加深发展，经向度加大，有利于上升运动的加强。到27日08时，新疆北部及东北地区有两个横槽仍然维持，随着东北冷涡后部横槽转竖，西北气流引导冷空气迅速南下，从东路影响我国中东部地区。大股冷空气南下，高空与地面降温明显，500 hPa温度降至-12～-15 ℃，有利于降雪的维持。

2.2 低层风场与水汽条件

第一次过程中，4日前低槽主要位于我国西南地区，岳阳处于槽前的西南急流中，风速辐合显著，有较强的上升运动(图1a)。4—5日有一个短暂的间歇，5日开始，随着低槽东移，700 hPa切变线主要位于四川—湖北一带，急流有所加强，出口区位于长江流域北部。随着北方冷空气南下，冷暖气流自6日开始交汇于华中一带，并逐渐南压。24—28日西南地区低槽稳定维持，岳阳一直处于槽前西南气流中。图1b给出了27日08时700 hPa上风场与大风速区，我们可以看到岳阳处于急流出口区内，有很强的风速辐合，动力条件好。

从两次过程沿700 hPa上113.1°E的风场剖面(图1c、1d)可以看到，急流均推进到30°N以北地区，强度相差不大，但是从急流出口区风速辐合来看，后一次过程更强。低空急流的大值区基本位于湖南省境内，为此两次过程带来充沛的水汽供应和动量输送，同时也大大加强了低层上升运动的形成，为降水的发生发展提供动力与热力条件[12]。

图1 1月4日08时、27日08时700 hPa高度场与风场及3—8日、24—28日沿113.1°E的 700 hPa风场剖面(阴影为风速>12 m/s)Fig.1 Height field and wind field of 700 hPa at 08∶00 on January 4th and 27th, and section of 700 hPa wind field along 113.1°E on March 8th and 24th and 28th (the shadow is wind speed greater than 12 m/s)

从850 hPa水汽通量沿113°E的时间剖面图(图略)可以看到，3—4日华南的水汽通量明显，湘南水汽较好，配合高层的动力条件，产生降水。低层水汽向北输送也相对较大，大值区切断于28°N附近。5日水汽输送有一个短暂间歇，之后南部水汽通量迅速加强，水汽通量向北输送至30°N附近，雨雪天气迅速发展。从后一次过程来看，整个时间段内水汽通量向北都较好，其中在24日晚和26日有两个输送大值区，与降雨(雪)的强度时段一致。从EC细网格预报两次过程岳阳地区的比湿剖面图可以看到，过程期间比湿大值区主要集中在低层，垂直伸展高度较高；850～700 hPa的相对湿度大，基本大于90%或处于饱和状态。

对比两次过程中850 hPa水汽通量及其散度(图2)可以看到，两次过程降水形势都较好。从图2可以看到850 hPa西南地区具有活跃的水汽输送，且低层有明显的水汽通量辐合(阴影区为辐合区)，湖南南部水汽条件优于北部，湘北处于水汽通量辐合区边缘。在第二次过程中，随着冷空气南下，与暖湿空气汇合于华中地区，造成24—28日江南地区大范围的雨雪冰冻天气，此次过程中，水汽输送活跃且含量充足，使得雨雪天气得以维持且量级较大。

图2 1月4日08时、27日08时850 hPa水汽通量及其散度Fig.2 Water vapor flux and divergence of 850 hPa at 08:00 hours on January 4 and 27

2.3 地面形势

4日08时地面冷高压位于新疆北部附近，中心强度大(中心值1 057.5 hPa)，冷锋前沿位于江南地区；冷空气从西路分裂南下影响华中大部分地区，并出现降水天气。相对于前一次过程，24—28日冷空气相对更偏北，从地面天气图上可以看到，26日08时高压中心位于内蒙西北部地区，华南中南部地区有锋面维持，副冷锋位于华北地区，到27日锋面入海，北方冷高压开始向南扩散，湖南受地面冷高压底前部影响(冷空气路径转为东路)，天气维持阴雨雪。从低中高三层冷中心强度来看，均强于前一次过程。由于此次过程降温迅速，且前期水汽条件较好，雨雪转换迅速，使得华中出现大范围的雨雪天气，岳阳出现了5 d的低温雨雪冰冻天气。

图3 1月4日08时、26日00时地面形势场Fig.3 Ground situation field at 08:00 on January 4 and 00:00 on January 26

2.4 各层条件对比

表1给出了两次过程中影响预报的各项参数，通过对比分析，可以发现，前一次过程在各层上均表现出弱于1月下旬的过程。3—8日过程中，500 hPa上低涡所对应的冷中心值为-41 ℃，高于寒潮标准的-48 ℃；700 hPa上冷中心值为-27 ℃，高于寒潮标准的-36 ℃，地面存在一个冷高压(1 062.5 hPa)与之对应，表明堆积的冷空气很强。而在24—28日过程中，高中低层冷空气值均低于寒潮标准值，配合地面强冷高压(1 062.5 hPa)，不断有冷空气的堆积南下。同时结合两次过程地面气压场分布来看，两次过程中海平面气压场1 030 hPa等压线和雨雪分界线有较好的相关性，第一次过程岳阳地面气压最高1 029.8 hPa，出现个别站点的雪；从25日20时开始，岳阳地面气压升至1 030 hPa以上(最高达1 033.6 hPa)，第二次的雨雪过程明显。当北方冷空气南下，使得南方出现雨雪天气时，雨雪相态的转换往往出现在地面冷高压前沿1 030 hPa附近，且雪区随之移动。

表1 各层数据对比分析Tab.1 Comparison and analysis of data of each layer

3 降水相态变化及物理量分析

我们统计岳阳市区内两次过程降水相态变化的过程，如图4所示，分别记为雨、雨夹雪或冻雨及雪。我们发现第一次过程出现2个时间段的降雪(冰粒子)，出现在5日上午和7日晚，时间短且量级均较小，其他时间以雨、冻雨或雨夹雪交替出现。而在后一次过程中，25日晚开始岳阳转为纯雪，降雪时间长且量级大，各县市均有积雪，最大积雪达6 cm。为了对比分析两次过程降水相态变化，我们将通过垂直运动的变化及温度层结等方面进行分析。

图4 两次过程各站点降水相态及转化时间Fig.4 Precipitation phase states and transformation time of each station in the two processes

3.1 垂直运动

垂直运动是成云致雨的关键因素，降水的强度一般与中低层的上升运动有关。图5给出了两次过程中岳阳地区上升气流大小的时序分布，从图中我们可以看到，其上升运动的极大值均在-1 Pa/s左右，第一次过程的上升区伸展到对流层顶附近，后一次过程中上升区均延伸到400 hPa附近。两次过程均具有较好的垂直上升运动，有利于降水的形成雨维持。

图5 1月3—8日、24—28日岳阳上空垂直运动剖面Fig.5 Vertical motion profiles over yueyang from January 3 to 8 and 24 to 28

3.2 温度层结

各层的温度对降雪相态的变化有至关重要影响，只有各层温度降到一定程度，云层中才能形成足够冰晶和雪花并在下落的过程中不会融化。根据统计资料出现降雪，一般要求500 hPa温度在-12 ℃以下，700 hPa、850 hPa及925 hPa在0 ℃以下，地面温度接近0 ℃[11]。通过对3—8日过程分析，我们发现500 hPa温度维持在-10～-12 ℃，其中5日08时、8日08时低层700 hPa和850 hPa温度降至0 ℃以下，具有较好的降雪条件，根据地面观测在该时段内岳阳北部地区出现降雪。相对前一次过程，24—28日各层温度条件更好，图6给出了该次过程中700 hPa和850 hPa上0 ℃线位置的变化。从图中我们可以看到700 hPa的温度普遍高于850 hPa， 25—27日700 hPa上0 ℃线基本维持在湘北一带，24日850 hPa温度条件较差，因此降水相态以雨为主，到25日开始，随着0 ℃线南压，850 hPa温度降至-4 ℃以下，岳阳转为雨夹雪并在晚上转为纯雪。27日前700 hPa上西南急流偏强，带来充沛的暖湿空气，使得0 ℃线一直维持在湘北地区，并未南压，因此湘中及南部以雨或冻雨为主。

图6 1月24—27日700 hPa、850 hPa上0℃线位置变化Fig.6 Position changes of 700 hPa and 850 hPa on 0℃ line from January 24 to 27

3.3 T-lnp分析

从两次过程中的探空曲线可以发现，对流层中低层700 hPa以下均存在一定的逆温层结。图7给出了第二次过程中26日08时武汉站、长沙站探空曲线，可以发现，过程中南部(长沙)水汽条件好于北部(武汉)，温度高于北部，但低层风场均转为北风。从长沙探空站资料可以看到，在700～800 hPa附近存在0 ℃以上的融化层，但温度接近于0 ℃，岳阳位于长沙北侧，500 hPa以下无融化层存在，故此时，湘北为降雪天气，部分站点达到暴雪量级，在湖南中南部，均无强将雪过程，以冻雨为主。而在武汉则一直表现为冷性层结，600～900 hPa温度均低于0 ℃，实况为纯雪天气。综合考虑两次过程中层结曲线的变化，中低层的温度影响了降水的性质，600～900 hPa直接存在高于0 ℃的逆温融化层时，以冻雨为主。当融化层消失时，且地面温度较低时会出现纯雪天气(两站1 000 hPa温度均低于0 ℃)。

图7 1月26日08时长沙、武汉站点T-lnp图Fig.7 T-lnp diagram of changsha and wuhan stations at 8:00 on January 26

3.4 雷达分析

由于3—8日降雪过程不明显，我们着重分析后一次过程中雷达回波征。整个雨雪过程中，岳阳地区为层状云降水回波，反射率因子在30 dBz以下，从1月24—27日长时间稳定影响岳阳地区。充沛的水汽，稳定维持的层状云降水，造成了岳阳地区累计降水量40～50 mm雨或雪的较严重灾害性天气过程。降雪过程的第一阶段25—26日20时，近地面东北气流强盛，岳阳雷达1.5°仰角出现了径向速度≥12 m/s的正负速度对(牛眼)，东北风伸展高度至1.8 km，主要辐合区位于岳阳南部三县市。降雪过程的第二阶段，近地面东北气流有所减弱，850 hPa东南气流加强，岳阳雷达1.5°仰角上可以看出，岳阳雷达周边0.6 km高度以上出现较强的东南气流，0速度线呈S形分布，底层风向随高度顺转有暖平流，辐合区在岳阳市区至岳阳县一带，这一时段的主要降水在岳阳市的北部县市。降雪过程的第三阶段和第一阶段的雷达特征类似，强盛的东北气流延伸到湘中一带，主要降雪区亦位于湘中一带。

分析岳阳雷达风廓线可知，降雪过程的第一阶段25—26日20时，2.1 km高度以下各层为稳定的东北气流控制，850 hPa冷垫长时间维持。2.4～4.9 km高度为风速≥12 m/s的西南急流区，700 hPa水汽输送旺盛。降雪过程的第二阶段，西南气流加强扩展至低层，1.8～4.9 km高度均为西南气流控制，中低层水汽输送有所加强。850 hPa以下东北气流厚度有所减薄，但气温仍为-6 ℃，降水相态为雪，岳阳北部县市降雪明显。降雪过程的第三阶段和第一阶段的雷达风阔线特征类似。

4 模式预报分析

欧洲中心细网格3日08时起报的72 h雨雪分布图(图略)上，岳阳有雨夹雪或雪，预报降雪明显，对比实况，湘西北出现降雪，但是在岳阳等湘东北地区出现降雪不明显，预报与实况存在一定的差异。而在第二次过程中预报一直都比较稳定，模式23日前一直预报24日转雨，25日转雪，实况与预报较接近。24日过程开始后，细网格根据实况天气对预报进行修正，预报效果较好。图8给出了24日08时、25日08时细网格对岳阳站单点降雪预报，可以看到，模式预报24 h预报以雨为主，24～36 h为雨夹雪， 36～60 h为雪，26日20后再次转为雨夹雪。25日08时起报的与24日预报相对稳定，都较好的预报了此次过程开始、结束时间，降雪范围、强度及积雪深度。

图8 24日08时、25日08时细网格对岳阳站单点降雪预报Fig.8 Single point snowfall forecast of yueyang with ec-thin at 08∶00 on 24th and 08∶00 on 25th

5 小结

在极涡分裂南下，其中一个中心稳定于东亚中高纬的环流背景下，2018年1月3—8日、24—28日我国中东部地区经历了两次较长时间、大范围的低温雨雪冰冻天气过程，岳阳在24—28日出现中度冰冻、部分重度冰冻灾害。通过应用多种常规观测资料、NCEP再分析资料和新一代多普勒雷达资料，对此次过程的大尺度环流及水汽输送特征进行诊断分析，细致分析了两次过程相似与差异点，对两次过程中降水性质的差异进行分析，着重探讨了24—28日雨雪冰冻的成因，可以得出以下结论：

①受强冷空气南下影响，岳阳出现两次低温雨雪冰冻过程，两次过程的雨雪量分别为40.2 mm、46.2 mm，3—8日过程以雨或冻雨为主，第二次过程以雪为主，且冷空气强于前一次。24—29日岳阳出现中度冰冻，部分达重度冰冻，最大积雪深度6 cm，最大结冰厚度3 mm。

②极涡分裂南下，但是两次过程的位置略有差异；冷空气南下与中低层暖湿气流汇合于中东部一带，配合南支槽影响，是造成此两次过程的主要原因；700 hPa的急流显著，最大风速超过20 m/s，持续而强盛的水汽输送对冰冻的强度和范围起较大的作用；低层水汽通量的大值区及辐合区与雨雪区对应较好。

③从降水相态变化分析，我们可以看到，第一次过程只有2个时次出现雪，而在后一次中，自25日晚—28日岳阳一直维持降雪；在这两次过程中降水(雪)时间段与垂直上升运动区对应较好，影响降水相态主要是垂直温度层结；第一次过程中，800～700 hPa中间出现>0 ℃的逆温层，以降雨或冻雨为主；而从25日晚开始整层温度<0 ℃时，以降雪为主。从雷达图上可以看到，低层转偏北风使得下层有冷垫，有利于降雪的形成。

④在两次过程中，EC细网格预报在过程降水的起止预报中都做的比较好，相对而言，在第二次过程中预报更加准确。主要体现在对降水相态的预报上，第一次过程中预报了雪，但是时段与量级都存在差异；而在后一次过程，雨雪的转换时间及量级都预报相对准确。