广西长低温雨雪冰冻过程环流特征及低温扰动分析

王艳兰 伍静 唐桥义 唐熠 黎微微

(广西省桂林市气象局，桂林 541001)

引言

随着经济发展，低温雨雪冰冻灾害影响明显增大，给农业、电力、交通等行业带来严重损失。2008年严重灾害之后，低温雨雪冰冻天气倍受各行业关注，气象专家对此进行了多方面研究[1]，陶诗言和卫捷[2]认为2008年大范围低温冰雪天气是由于欧亚大陆出现异常的大气环流，如1月下旬亚洲中高纬地区阻塞高压及里海切断低压长时间维持及副高西北侧西南暖湿气流不断输送到我国华南造成；陶祖钰等[3]用经典天气学方法研究了华南静止锋的三维空间配置；杨贵名等[4]通过分析锋区特征得出冷暖气团的长期对峙是低温雨雪冰天气持续的主要原因；张峻等[5]研究了我国南方冰冻天气过程低空逆温层特征，指出偏西南地区(贵州和湖南南部)逆温平均强度普遍高于偏东北地区且700 hPa附近有大于等于0 ℃的暖层从而造成冻雨。邓文剑等[6]认为2013年冬季广东罕见持续暴雨过程同2008年初持续低温雨雪冰冻过程均发生在相似的“北脊南槽”形势下,但本次过程没有在中层建立强逆温层和低层形成过冷却层,因而降水相态以雨为主。徐婉笛等[7]对中国冰冻天气中Ramer算法参数化方案进行改进，更准确地模拟了雾凇发生范围。肖平等[8]对湖南雨凇时空分布特征及影响因子进行分析，指出雨凇发生于相对湿度较大、极大风为偏北风且风速较小、最低气温在-3 ℃、最高气温在0 ℃的环境中。李进等[9]利用NCEP再分析等资料对杭州市近十年典型雨转雪天气成因及预报模型进行研究，并发现降雪须达到T2m≤1.5 ℃、T925≤-4.0 ℃、T850≤0 ℃、T700≤-1.0 ℃和T500≤-10.0 ℃的温度层结条件。董天翔等[10]用3种统计预报模型开展了道路结冰低温灾害预警试验研究，取得了较好的预报效果。胡利军等[11]利用多种技术建立了雨雪冰冻自动监测系统，及时准确反映雨雪冰冻情况。对湖南、贵州、广西、广东的低温冰冻天气也有较多研究，姚蓉等[12]分析2014年湖南3次雨雪过程时发现冻雨与降雪的主要区别是降雪无融化层；杜小玲等[13]分析表明强大且稳定的阻塞高压以及活跃的副热带南支锋区是贵州2011年持续低温的环流背景，25°N的低层切变、准静止锋是低温雨雪天气的重要影响系统；覃志年等[14]认为“北脊南槽”的分布形势是造成广西异常低温过程的主要环流背景；梁平等[15]利用气象因子评价指标及加权平均法，建立了黔东南州低温雨雪冰冻灾害影响程度定量评价模型；刘蕾等[16]分析广西两次典型低温雨雪过程时强调近地面层强冷平流及中低层水汽持续输送是雨雪冰冻持续的主要原因；王晓芳等[17]对2016年广东寒潮雨雪冰冻天气进行了分析，并强调暖层的明显减弱及暖层下方湿球温度低于0 ℃冷冻层的强度增强,导致降水相态由雨向雪、雨夹雪、霰等固态降水转变。另外，吴古会等[18]分析锋生函数指出冰冻形成过程中具有明显锋生过程，表明冷空气补充导致静止锋活跃有利于冰冻天气的形成；钱维宏等[19]利用去逐日气候变化后的逐日850 hPa温度扰动对南方持续低温冻雨事件预测的前期信号进行分析，指出中国南方2008年初低温过程的850 hPa冷空气扰动都来自北非-中东并绕过青藏高原北侧到达中国南方。本文对近10年来影响广西北部的主要低温雨雪冰冻过程进行对比分析，归纳低温雨雪冰冻的环流特征以及低温持续、降雪、雨凇等特殊天气的有利气象条件等，为预报此类灾害天气预报提供依据。

1 资料与方法

本文使用国家站地面温度和降水资料、常规观测资料以及全球大气变量再分析资料。温度和降水资料为广西92个国家级(县级以上)地面气象站的逐日气温(主要使用最低气温)和降水量；常规观测资料为500、700、850 hPa及地面08:00、20:00天气图资料如T-lnp图及地面天气现象等观测资料；全球大气变量再分析资料为NCEP/NCAR逐日平均2.5°×2.5°格点资料，如500 hPa高度场、850 hPa温度场、700 hPa风场等，时间范围为2007—2019年。大气扰动变量采用NCEP/NCAR 再分析逐日平均2.5°×2.5°格点资料，时间范围为1990—2019年(平均场用30年平均)。本文研究时段是2007—2018年当年12月至次年2月。

采用统计、归纳方法分析低温雨雪冰冻过程的环流特征，并进行过程分类。应用大气变量物理分解法[19]计算扰动变量，全球大气位势高度场和温度场都可以分解成4个分量：纬圈平均的对称气候、非对称气候、纬圈平均的瞬变对称扰动和瞬变非对称扰动,如温度分解成4个分量为：

T'*(λ,φ,t)

(1)

2 广西低温雨雪冰冻过程及环流型

本文研究的低温雨雪冰冻日定义为广西国家站3站以上出现低温(24 h最低气温Tm≤0 ℃)、24 h降水量≥0.1 mm、局部伴有结冰、降雪或冻雨。将连续3天以上的低温雨雪冰冻日定义为一次低温雨雪冰冻过程即低温过程。统计2008—2019年广西共出现13次低温过程(表1)，平均每年1.2次，累计低温雨雪冰冻日66 d，平均每次持续5 d，持续时间最长为2008年1月过程，长达20 d，其次为2018年1月，长达8 d，其余多数为4 d以下的短过程。影响范围最大的是2016年，虽然地面低温站数及降雪量较少，但降雪(主要为飘雪)站数多达60站，也是重点关注的过程。按照影响系统相似原则，根据中高纬度环流及槽脊分布特点分阶段统计广西13次低温过程的500 hPa高度场，将广西低温过程分为稳定阻塞型、减弱阻塞型、两槽一脊型、多波动型。

表1 2008—2019年广西低温雨雪冰冻过程时空分布及环流型

3 各类型环流特征及层结结构分析

将各环流型过程的总天数进行统计，按各类型总天数进行高度场、温度场合成平均，可分析不同类型低温过程各层环流特征。

3.1 各类型500 hPa环流特征

稳定阻塞型有2次过程共23 d(2008年1月21日至2月4日、2018年1月26日至2月2日)，其环流特征为：乌拉尔山及以东为阻塞高压，东南侧贝加尔湖(简称贝湖，下同)到巴尔喀什湖(简称巴湖，下同)有横槽，横槽南侧(40°N以南)为平直西风或浅槽(图1a)，过程持续天数6～15 d。

减弱阻塞型有6次过程共24 d(2008年1月14—18日、2008年12月22—24日、2011年1月3—5、18—22日、2012年1月23—26日, 2018年12月30—31日至2019年1月2日)，环流特征：乌拉尔山以东有高压或阻塞高压，南侧有横槽或切断低压，横槽东段趋于崩溃，贝湖以东偏北分量大，横槽南侧(40°N以南)中纬环流为浅脊(图1b)，过程持续天数3～5 d。

两槽一脊型有3次过程共10 d(2009年1月24—26日、2013年1月4—7日、2016年1月24—26日)，环流特点：65°～110°E、60°N以南为同位相脊，两侧为低压槽(图1c)，过程持续天数为2～4 d。

多波动型有2次过程共9 d(2011年1月11—13日，2014年2月10—15日)，环流特征：60°～130°E无明显槽脊，以平直西风或小波动环流为主(图1d)，过程持续天数3～5 d。

图1 各类型500 hPa合成平均高度场(单位：dagpm)：(a)稳定阻塞，(b)减弱阻塞，(c)两槽一脊,(d)多波动

从中高层环流形势可以看出，有利于低温过程持续的因素主要有两个，一个是阻塞稳定的高纬形势，可以不断将冷空气补充到高原东部中低纬广西北部一带，另一个是40°N以南至孟加拉湾(简称孟湾，下同)北部的广西上游地区的偏西到西南气流(700 hPa更明显)，有利于阴雨天气。如果两者都具备，如稳定阻塞型，阻塞高压与南支槽都明显，造成长低温过程，冻雨及雨夹雪明显；如果只具备一个，则持续条件一般；如果两者都不具备，低温过程将明显减弱，形成短过程，如2009年1月24—26日槽脊型，既无阻塞形势，中低纬广西上游又为浅脊控制，所以造成的低温时间也最短，因此可以根据500 hPa环流型来诊断低温过程的持续时间。

3.2 各类型700 hPa环流特征

合成各类型700 hPa高度场与温度场可知，与500 hPa相比，700 hPa中低纬度槽脊更加明显(图2)，广西上游至孟湾北部有明显的南支槽，对应风场上南支槽两侧有明显的西北风及西南风，分别作为冷空气的引导气流和暖湿气流的输送带，使干冷与暖湿气流在高原东部中低纬地区汇合，有利于降水。稳定阻塞型南支槽宽广而深厚，槽底南伸至了17°N，孟湾北部高度低至309 dagpm，槽前等高线也很密集(图2a)，说明有稳定且强劲的西南暖湿气流向广西输送水汽，有利于形成长时间低温阴雨(雪)天气；其它类型南支槽偏东偏北，范围狭窄且等高线稀疏(图2b、c、d)，造成的低温雨雪过程较短。西南暖湿气流不但为雨雪天气提供水汽条件，还为融化层提供热量，稳定阻塞型受较强西南气流影响，且中高纬偏北分量偏弱，引导的冷空气比较温和，700 hPa温度0 ℃线最偏北，广西大部处于≥0 ℃的区域，并与850 hPa温度≤0 ℃区域叠加，形成明显逆温区，即广西北部存在低层冷垫上的融化层，有利于形成冻雨，这也是2008年1月阻塞型长低温过程冻雨明显的原因；其他类型西南气流较弱，700 hPa温度0 ℃线较偏南，逆温层不明显，冻雨不明显，多以雨夹雪、短时冻雨为主。

图2 各类型低温过程700 hPa平均高度场及温度0 ℃线：(a)稳定阻塞，(b)减弱阻塞，(c)两槽一脊,(d)多波动(实线为等高线(单位：dagpm)，长虚线700 hPa 0 ℃等温线，点虚线为850 hPa 0 ℃等温线，正方形为广西北部(桂北)位置)

3.3 各类型850 hPa环流特征

各类型850 hPa高度、温度场合成平均场显示，稳定阻塞型冷高压主体呈东西向，面积大，强度强，中心达156 dagpm，与冷空气前沿合成一体，其东西向分布以及大的面积导致其移动缓慢，不断向高原东南侧中低纬度输送冷空气， 在广西北部一带形成6条等温线密集区即宽广强锋区(图3a)广西北部处于密集锋区中，有利于形成长时间的低温阴雨(雪)天气，温度约-2～2 ℃，有利于雨雪冰冻天气；减弱阻塞型冷高压中心减弱分裂(中心值153 dagpm),位置偏东偏南，东南部冷高压偏北分量影响到华南地区，造成广西一带的锋区比稳定阻塞型狭窄且偏南(图3b)，不利于形成长时段低温过程；两槽一脊型强冷高压中心值达156 dagpm，呈南北向，两侧低压明显，其东南前沿153 dagpm南界达15°N,说明此类型环流偏北分量强，导致锋区南压到广西南部，广西北部气温约-4～0 ℃(图3c),比阻塞型更低，达到850 hPa温度≤-2 ℃的纯雪相态指标，有利于降雪， 2016年1月24—26日华南纯雪过程就是在850 hPa温度≤-2 ℃条件下形成的。另外由于冷高压较强，冷空气影响后各层转为高压脊区，天气转晴，因此造成的低温过程较短；多波动型冷高中心较弱，153 dagpm面积小，150 dagpm弱高压带呈东西向分布(图3d)，其中华南一带高压偏东，广西处于高压后部，有利于阴雨天气，由于高低层气流均较平直，阴雨天气持续，因此多波动型造成的低温过程也可达3～5 d。

图3 各类型850 hPa平均高度场及温度场：(a)稳定阻塞，(b)减弱阻塞，(c)两槽一脊,(d)多波动(实线为等高线(单位：dagpm)，虚线为等温线(单位：℃)，正方形为桂北位置)

3.4 地面环流及锋生函数特征

各类型合成地面图上(图略)冷高压强度、面积、路径等与850 hPa环流相似，贝湖一带冷高压中心为1035～1045 hPa，广西北部一带约为1025 hPa，其中两槽一脊型冷高压最强，贝湖冷高压中心达1045 hPa，广西北部达1033 hPa，其余各类相对较弱。统计历年广西北部明显降雪过程(主要为两槽一脊型)前3天地面西北部冷高压强度可知，贝湖以西地区冷高压中心(站点)达1070 hPa以上，正距平12 hPa，因此1070 hPa冷高压可以作为广西北部降雪的指标之一。各类型冷高压强度及路径各不相同，但都在广西北部一带形成有利于雨雪冰冻的温度锋区，分析各类典型过程1000 hPa平均锋生函数(图4a、b，其余图略)可以了解其锋区强弱，广西北部25°N平均锋生函数都大于0×10-9K·m-1·s-1，说明各型低温过程发生期间锋生明显，即锋区增强，对应广西北部地面静止锋或冷锋活跃，有利于低温雨雪冰冻天气持续、加强。其中以2008年1月21日至2月4日为代表的稳定阻塞型平均锋生函数最大，中心达0.5×10-9K·m-1·s-1，且为大范围锋生区，分布在贵州、湖南、广西、广东一带，湖南南部、广西北部及广东北部为大值区(图4a)，与低温雨雪冰冻天气发生区域一致。

图4 典型过程1000 hPa平均锋生函数(单位：×10-9K·m-1·s-1)：(a)2008年1月21日至2月4日稳定阻塞型，(b)2012年1月23—26日减弱阻塞型(三角为桂北位置)

3.5 各类型不同降水相态的温度层结特征

分析各类型低温雨雪冰冻天气中桂林站不同降水相态过程的T-lnp图(图5)可以看到，稳定阻塞型中2008年1月过程桂林站冻雨最明显，其平均云顶在630 hPa附近，云顶平均气温低于0 ℃、高于-10 ℃即云中包含过冷却水滴，逆温层位于925～850 hPa之间，850～700 hPa为融化层，最高气温达8～9 ℃，850 hPa以下近地层为低于0 ℃的冷垫结构，冷层最低气温达-9～-7 ℃，属冻雨二层冷层模型(图5a)，冷垫和融化层都很强，造成的冻雨强度强、范围广。两槽一脊型中2016年1月桂林站以纯雪为主，其平均云顶在450 hPa附近，温度达-20 ℃，520 hPa以上低于-10 ℃，即云中以冰晶为主，逆温层位于800～700 hPa，最高为-1 ℃，无融化层，800 hPa低层冷垫最低为-10 ℃(图5b),由于云层很厚且都处于冷层，气温很低，造成的降水相态为纯雪。减弱阻塞及多波动型过程桂林以短时冻雨或雨夹雪为主，其云顶、冷垫及融化层温度介于上述两类之间，如2018年12月平均云顶为450 hPa附近，云顶温度为-17 ℃，600 hPa以上气温在0 ℃以下，即云中包含冰晶和过冷却水滴，逆温层位于925～700 hPa，融化层最高气温3 ℃，850 hPa冷垫最低气温-6 ℃，主要造成局部冻雨或雨夹雪(图5c)。

图5 桂林站T-lnp图：(a)2008年1月28日,(b)2016年1月23日,(c)2018年12月30日

4 长过程低温事件中的850 hPa温度扰动特征

4.1 低温扰动信号

江漫等[20]分析了我国南方冬季低温雨雪冰冻的大气扰动信号，指出850 hPa负温度扰动和300 hPa最大负高度扰动可以作为低温发生的早期信号。采用大气变量物理分解的方法，对各类低温雨雪冰冻过程的位势高度场、温度场进行分解，发现低温过程开始前期，在850 hPa附近和300 hPa出现明显的负温度扰动和负位势高度扰动信号，如稳定阻塞型长过程前两日2018年1月24日(图6a、b)，北部的负温度扰动位于北部40°～45°N，沿扰动大值区的剖面图上，在850 hPa附近和300 hPa出现负温度扰动和负位势高度扰动中心，且负温度与负高度扰动中心近于垂直叠加。

图6 2018年1月24日850 hPa温度扰动(填色)和300 hPa高度扰动(等值线，单位：dagpm)(a)及经过图a扰动区竖线的垂直剖面(b)(图a中红色线为高原3000 m轮廓线，正方形为桂北位置,下同)

4.2 前期低温扰动特征及其对低温过程的影响

对流层低层的强低温扰动是中上层大气高度扰动深厚低值系统下的产物，地面低温事件是低层大气温度扰动的向下延伸[21]，通过追踪前期低温扰动能提前发现扰动源踪迹。分析低温过程的前期低温扰动路径、强度及提前天数(表2)可知， 稳定阻塞型低温扰动为东路加西路，低温扰动提前9～10 d，前1～2 d低温扰动强度达到-18～-13 ℃；其它类型以东路为主(约占70%)。即前期强的低温扰动对低温过程的出现具有指示意义， 低温扰动路径决定了低温过程的长短，东路加西路过程较长，东路过程较短。

表2 各类型低温过程负温度扰动

单纯的东路过程是指低温扰动从50°N以北、95°E以东的贝湖一带南移影响广西。而东路加西路过程是指低温扰动先从贝湖一带南移影响广西北部，之后从巴湖沿高原北部东移，再沿东部边缘南移影响广西。如2008年1月过程先是5—13日低温扰动在贝湖一带堆积，14—18日南移影响广西北部，造成第1阶段东路型过程，随后低温扰动从高原西部多次东传影响，造成1月21日至2月4日第2阶段西路型低温过程(图7a)；分析2008年1月过程850 hPa温度扰动及风场可清楚看到低温扰动沿高原北侧东传，12—13日低温扰动位于高原西部，流场显示小槽受高原阻挡，改道东偏北移，引导东部低温扰动东北移，14—16日低温扰动移至高原西北部，17—18日新冷高压加强东移，其前部西北气流将低温扰动从高原北部东移越过80°E，同时在高原西南部不断有低温扰动生成移向高原北部，20—21日东部低温扰动东移至高原东部向广西一带补充(图7b)，开启继18日后又一次低温过程；22—24日高原北部及东部补充的低温扰动加强，低温过程持续，25—27日高原西南部低温扰动主体移至高原北部，继续向高原东南部补充，28日以后75°E以西低温扰动减弱消失，西路补充的扰动源中断，30—31日受冷高压环流引导，高原北部低温扰动继续东南传输，2月1日以后，冷高压减弱东移，低温扰动明显减弱，3—4日低温过程结束。即当75°E巴湖以西不断有低温扰动补充时，西路造成的低温过程较长，说明75°E巴湖以西的扰动源不断东传补充对长历时低温过程具有重要作用。

图7 2008年1月31日850 hPa负温度扰动(填色)及前期路径(a)，2008年1月21日850 hPa负温度扰动(填色)及风场(流线)(b)(图a中圆圈中数字为日期，右边为强度，虚线为30日)

根据前期低温扰动的信号作用，结合扰动源位置及环流型可对低温过程影响路径及影响时段作初步预测。如2018年1月底稳定阻塞型过程前7～10 d(16—21日)低温扰动在贝湖以北堆积，有-14 ℃的低温扰动(图8a)，22—25日低温扰动从东路南下将造成随后26—28日的东路过程，同时环流形势显示在巴湖有横槽及切断低压生成(图8b)，可以判断东路之后很可能有西路型相接，从而形成东路加西路长过程，26—28日东路型低温扰动开始影响广西北部，此时中亚一带低温扰动发展加强并沿高原北侧东移，环流也转为阻塞形势(图8c)，东路过程之后紧接着为西路低温扰动东移影响，造成30日至2月2日的西路过程。1—2日中亚地区75°E 以西低温扰动逐渐消失，环流转变为移动性槽脊，低温过程随后结束。

图8 2018年1月850 hPa负温度扰动(填色)、风场流线(黑色箭头)及500 hPa高度(黑色实线,单位：dagpm)：(a)20日,(b)25日,(c)28日

5 结论

通过对广西13次低温过程的环流特征、有利条件以及低温扰动分析，得到如下结论：

(1) 按500 hPa环流广西低温过程分为稳定阻塞、减弱阻塞、两槽一脊及多波动型，稳定阻塞型低温过程持续8～15 d，其余类型小于等于6 d。700 hPa西南暖湿气流提供的水汽和热量有利于融化层形成，稳定阻塞型南支槽最深，广西一带温度0 ℃线最偏北，在低层冷垫上形成明显融化层，有利于冻雨及低温天气持续。

(2) 稳定阻塞型位于贝湖西部的高压中心不断补充冷空气使低温过程持续，两槽一脊型高中心南压导致雪后转晴。稳定阻塞型宽广的温度锋区及大的平均锋生函数利于低温过程持续。

(3) 利于冻雨的温度层结为云顶温度-10～0 ℃、低层冷垫≤-7 ℃、中层融化层≥8 ℃，纯雪的温度层结为云顶温度-20～-10 ℃、无融化层、低层冷垫达-10 ℃。

(4) 稳定阻塞型低温扰动路径为东路加西路，低温扰动提前9～10 d出现，前1～2 d强度达-18～-13 ℃；其他类型为东路，造成短过程。

(5) 东路加西路低温扰动先从贝湖南移影响广西北部，再持续从巴湖沿高原北部东移影响，巴湖以西低温扰动不断补充对长过程有重要作用。由前期低温扰动位置及环流型可对低温过程路径及持续时间作初步判断。