甘肃白银市大到暴雪大气环流特征分析

石光普,王银花,蔡元成,程 华,南炳江

(1.白银市气象局,甘肃 白银 730900; 2.甘肃省气象局,甘肃 兰州 730020;3.巴音郭楞蒙古自治州气象局,新疆 库尔勒 841000)

白银市地处青藏高原东北侧,位于甘肃省中部河西走廊东端,为腾格里沙漠南缘和祁连山余脉向黄土高原过渡地带,下垫面植被覆盖率低,土地沙化严重,属温带干旱、半干旱大陆性气候,降水在时间和空间上分布极不均匀,降水稀少、变率大,干旱频发[1-5]。特殊的地理位置、地形地貌和大气环流特征形成了该地干旱气候特点,如:白肇烨等[6]指出,由于受到青藏高原陡坡侧向边界的粘滞摩擦作用,在高原北侧的700 hPa容易产生兰州小高压,形成了甘肃省中部地区异常干旱气候;徐国昌等[7]认为高原东北侧由于气流过山的绕流和辐散,加大了负涡度,使下沉运动增强,对该区干旱气候的形成起了重要作用。

国内气象学者对于西北地区强降雪与积雪的研究已取得了不少成果。如徐建芬等[8]对青藏高原切变线暴雪中尺度进行了分析,并对其涡源进行了研究,对高原切变线的结构及降雪前后高层涡度变化的涡源进行了分析和探讨;李岩瑛等[9]对祁连山及周边地区降雪气候特征做了研究;王玉亮等[10]研究得出鲁南地区产生暴雪天气的4类影响系统,分别为回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋;马振升[11]研究建立了河南省暴雪横槽型和两槽一脊型的天气学模型;陶林科等[12]研究了宁夏中北部大到暴雪过程,发现具有明显的中小尺度系统特征;丁永红等[13]分析指出宁夏大到暴雪高发中心与地形特征关系密切,多发生在春季和秋季;杨霞等[14]研究了新疆暖区暴雪的形成机理及中小尺度特征。此外,研究[15-17]表明,冬春季降雪、积雪等下垫面因素对于抑制沙尘天气的产生与发展有着非常重要的作用。

在全球变暖和气候异常的背景下,极端天气事件频发,强降雪天气常与低温冻害相伴随,对农业、林果业、牧业及交通运输、通讯、输电线路安全等多方面造成了严重影响和损失,但强降雪对提高土壤含水量、增加农田土壤墒情、净化空气、抑制病菌传播十分有益。白银市为河西干旱气候向河东半干旱气候类型的过渡地带,对于该地区强降雪天气的成因尚未见到系统性的研究。因此,分析凝练出该区发生大到暴雪天气的大气环流特征,对提高预报预警能力、气象防灾减灾、农业生产和生态环境治理都具有十分重要的意义。

1 大到暴雪资料选取及时空分布特征

大到暴雪按24 h(北京时,20时—次日20时)降雪量≥7.5 mm标准。对白银市境内4个国家级气象观测站(见图1)景泰站、白银站、靖远站、会宁站,1961—2016年逐年11月到次年3月的日降雪观测数据进行普查。

图1 研究区白银市位置示意图Fig.1 Geographical location of the study area

1961—2016年,白银市共计出现大到暴雪天气过程35次,有43站次达到大到暴雪。白银市大到暴雪最多出现在3月,占总数的53.5%;其次是11月,占总数的39.5%;2月只出现了3站次,占总数的7%;12月和1月,大到暴雪过程为零(见表1)。从白银市大到暴雪出现的站次可以看出,南部会宁县最多,占总数的55.8%;靖远县、白银市、景泰县各占18.6%、11.6%、13.9%。

表1 白银市大到暴雪发生次数季节分布

以上统计表明,白银市大到暴雪多发生在初春和秋末,冬季出现频次最低,其空间分布具有南多北少、自南向北减少的分布特征。

2 大到暴雪天气形势

采用NCEP/NCAR再分析资料(格点为2.5°×2.5°),对白银市1961—2016年期间出现的35次大到暴雪天气过程的地面和高、低空天气形势做诊断分析,得出大到暴雪天气过程的影响系统,归类总结出4种形成大到暴雪天气的主要环流形势。其中横槽型(或一脊一槽)和北脊南槽型各出现10次,各占总次数的28.6%;南北槽叠加型出现8次,占总次数的22.9%;高原槽型出现7次,占总次数的20%。

造成大到暴雪天气的影响系统是复杂多变的,即使在同一类环流分型中,每次天气过程的环流形势也不尽一致,影响系统的强度、位置等也存在一定差异。因此研究在天气学分型的统计归类中,以主要影响系统为主,给出各类分型的高低空环流形势,以加深对各类环流分型的理解和认识,为该区大到暴雪天气分析和预报预警提供借鉴。

2.1 横槽型

以1970年3月12日典型过程为例,横槽型大到暴雪天气环流形势见图2。欧亚中高纬上空500 hPa为一脊一槽(见图2(a)),乌拉尔山至西西伯利亚上空高压脊发展维持,脊线呈东北—西南向。脊前贝湖到新疆北侧为低槽区,高压脊前偏东气流或东北气流不断引导冷空气在槽底聚积,形成-48～-40 ℃左右的冷中心,高空锋区南压到新疆东部到内蒙西部一线。同时高原上有短波槽东移到青海东部至陇中一带,中低纬南支槽建立,槽前西南风向高原东北部不断输送暖湿气流,500 hPa上甘肃中部温度露点差(T-Td)为2～3 ℃,湿度条件接近饱和。从海平面气压场分布特征可以看到,冷高压位于新疆北部到蒙古国一带,中心强度1 040～1 050 hPa左右,高原东北部有低压倒槽发展,倒槽北侧等压线密集,形成西南暖湿气流与北方干冷空气的交汇,地面冷锋自西北东移南下过境。

700 hPa(见图2(b))在青海高原东部到甘肃南部有低涡切变,增强了该区的上升运动,使水汽向陇中一带上空输送,陇中地区700 hPa温度露点差(T-Td)为1～2 ℃的饱和区,比湿达2～4 g/kg。同时700 hPa上对应在横槽底部有较强的冷平流,冷空气不断从新疆东北部沿河西走廊向甘肃中部扩散,南下干冷空气与高原槽前暖湿空气交汇,形成了此类型强降雪天气。

图2 横槽型大到暴雪天气环流形势Fig.2 The circulation situation of the transversal trough pattern of heavy snow

2.2 北脊南槽型

以1978年3月13日过程为例,北脊南槽型大到暴雪天气环流形势见图3。东亚中高纬500 hPa上(见图3(a)),在蒙古国西部到贝湖有高压脊(北脊)发展,高压脊前、后为高空冷涡或低槽。“北脊”后侧槽底的冷空气经新疆、河西走廊入侵陇中地区。“北脊”前多为东北冷涡,冷涡后部偏北气流引导冷空气南下,经河套向陇中地区侵入。同时中低纬南支槽活跃,高原上常有高原槽或高原切边线东移(南槽),槽前西南气流向陇中地区上空输送暖湿空气,南北气流在高原东北部交汇形成此类型的强降雪天气。地面高压中心位置在贝湖附近,强度较横槽型偏弱,中心值在1 030～1 045 hPa左右,高原东部常有低压倒槽发展北抬,增强了该区的辐合上升运动。

700 hPa可以看到(见图3(b)),此类型强降雪天气常在高原东部到陇中一带有低涡或切边线发展,其前为西南气流向北输送暖湿空气,陇中地区700 hPa比湿≥2 g/kg,相对湿度>80%。对比北脊南槽型两次典型过程以看到,暴雪产生的冷空气主要有两条路径:一是西北路径,自蒙古高压脊后部,从新疆沿河西入侵本地的冷空气;二是东北路径,自蒙古高压脊前,即东北冷涡或冷槽后部沿河套地区向本地入侵的冷空气。中低层冷空气入侵起到冷垫作用,加大了垂直风切变,有利于上升运动的加强,冷暖气流在甘肃中部一带交汇,形成了此类型强降雪天气。

图3 北脊南槽型大到暴雪天气环流形势Fig.3 The circulation situation of the north ridge and south trough pattern of heavy snow

2.3 南北槽叠加型

以1961年11月18日过程为例,南北槽叠加型大到暴雪天气环流形势见图4。东亚中高纬500 hPa上(见图4(a)),该类型强降雪天气在新疆北部至贝加尔湖一带常有西风槽(北槽)发展东移南下,低槽底部冷空气经河西走廊南下到甘肃中部。同时,中低纬南支槽建立,青藏高原中东部配合有高原槽发展东移(南槽),槽前为西南暖湿气流向陇中上空输送。可见,北支西风槽和高原槽相叠加形成了此类型强降雪天气。地面图上青海东南部到河套一带常有低压倒槽发展,而新疆东北部至贝湖一带为地面冷高压,中心强度在1 050～1 060 hPa,地面冷锋呈东北—西南向,冷锋前后温压场梯度变化剧烈,冷暖空气在蒙古到高原东北部一带对峙,形成强降雪天气。

图4 南北槽叠加型大到暴雪天气环流形势Fig.4 The circulation situation of the north-south trough superposition pattern of heavy snow

700 hPa可以看到(见图4(b)),此类型强降雪天气在高原东部到甘肃中南部一带常有低涡发展或切边线生成,加强了暖湿气流的辐合抬升,使得低涡或低槽前部西南气流向陇中地区上空输送暖湿空气,形成比湿达3～5 g/kg的高湿区。冷空气从新疆沿河西走廊入侵本地,与西南暖湿气流交汇,形成了此类型强降雪天气。

2.4 高原槽型

以1967年3月28日天气过程为例,高原槽型大到暴雪天气环流形势见图5。500 hPa此类型暴雪过程表现见图5(a),南支槽建立并维持,在青藏高原东北部有高空槽强盛发展,槽前西南暖湿气流向西北地区内陆输送水汽。而在中高纬则体现出高空锋区偏北,贝湖以东到我国东北为偏西北气流,从北方南下入侵到西北地区东部的冷空气偏弱。500 hPa上高原东部到甘肃中南部湿度条件接近饱和,温度露点差(T-Td)为2～3 ℃。地面图上,高原东北部到陇东一带常有低压倒槽发展北抬,使得该地区上升运动加强。

图5 高原槽型大到暴雪天气环流形势Fig.5 The circulation situation of the plateau trough pattern of heavy snow

700 hPa(见图5(b))在高原东部到陇东南有低涡切变强烈发展,增强了该区的上升运动。低涡东南侧有显著的西南气流向陇中一带输送暖湿气流,700 hPa本地为温度露点差(T-Td)≤1～2 ℃的饱和区,比湿达3～5 g/kg,低涡后部有西北气流下滑冷空气在河西走廊东部形成切边,产生强降雪天气。

经过对形成白银市大到暴雪天气历史个例的环流特征分析归纳,得出4类分型:横槽型(或一脊一槽)、北脊南槽型、南北槽叠加型和高原槽型(见表2)。产生大到暴雪的环流形势虽然不同,但可以发现各类分型具有以下共同特征:(1)500 hPa中低纬都表现为南支槽维持、高原槽发展,起到暖湿气流的输送作用;(2)700 hPa高原东北部(四川北部-青海东部至甘肃中南部一带)有低涡或切变发展,起到动力抬升作用,加强了大气的上升运动;(3)地面图上高原东北部有低压倒槽发展,增强了该区大气的不稳定度,使得上升运动加强。各分型的不同点主要在于青藏高原以北天气形势的不同,即中高纬天气系统的不同,如横槽、西风槽(脊)等,它们主要起到北方冷空气的输送作用。

3 结论

(1) 白银市大到暴雪多发生在初春和秋末,冬季出现频次最低,其空间分布具有南多北少、自南向北减少的分布特征。

(2) 白银市形成大到暴雪天气的环流形势可归纳为4类:横槽型、北脊南槽型、南北槽叠加型和高原槽型。

(3) 各类分型在中低纬都表现为南支槽维持、高原槽发展,起到暖湿气流的输送作用;在高原东北部有低涡或切变发展,起到动力抬升作用,加强了大气的上升运动;同时各分型在高原东北部都有低压倒槽发展,增强了该区大气的不稳定度,使得上升运动加强。

(4) 各分型的不同点主要是中高纬地区天气系统的不同,即高原以北东移的西风槽(脊),它们主要起到冷空气的输送作用。因此,中高纬地区、高原上及中低纬地区三者天气系统的配合是预报白银市强降雪天气的主要着眼点。

(5) 白银市形成大到暴雪天气的水汽主要来自于南支槽和高原槽的输送,700 hPa比湿≥3 g/kg是产生大到暴雪的必要条件。