铜仁市暴雪天气的环流配置及物理量特征分析

杨 群,李习瑾,胡 萍,张李娟,徐大红

(贵州省铜仁市气象局,贵州 铜仁 554300)

0 引言

暴雪是冬半年主要气象灾害之一,对交通、电力和通讯造成很大的影响,尤其对交通运输影响大。对于暴雪的研究,多年来有许多成果,如周淑玲等[1]指出暴雪日水汽较非暴雪日充沛,垂直上升运动和低层散度辐合与强降雪相对应。张俊兰等[2]也分析得出较好的水汽、动力条件是形成极端暴雪的重要成因,水汽在700 hPa以下辐合和聚集,形成中低层辐合、高层辐散的空间配置有利于上升运动的发展和维持,形成暴雪。黄晓璐等[3]分析内蒙古一次暴雪天气过程,指出在低层东北急流形成的“冷垫”会迫使暖湿空气沿冷垫抬升,干冷空气向中低层暖湿气流下方入侵,与中高层的西南急流形成深厚的锋生区和锋面次级环流,二者的正反馈作用为暴雪提供增幅作用。暴雪区位于比湿、水汽通量和水汽通量散度辐合的大值区。刘红武等[4]分析发现降雪加强时700 hPa有西南低空急流加强,湿层发展至400 hPa以上,高低空急流耦合及700 hPa低槽过境。朱蕾等[5]也指出暴雪的发生需要整层大气较大的比湿和水汽通量散度输送以及强上升气流和强辐合。针对暴雪发生的指标也有学者进行总结,王健宫等[6]分析得出,强降雪时段850 hPa水汽通量散度值>4×10-5g·cm-2· hPa-1·s-1等指标。徐双柱等[7]归纳了湖北省大雪发生的温度条件,并采取物理参数指标建立大雪客观预报方法。张俊兰等[8]得出700 hPa以下低层上升运动增强可作为乌鲁木齐强降雪出现的预示指标。周芳等[9]分析得出江西暴雪发生过程中,500 hPa相对湿度和温度可以作为精细化预报降雪量、积雪深度的指标。彭霞云等[10]提出预报不能机械地依赖温度指标,而应全面分析降雪形成的物理机制,当降水量大时,融化吸热可以成为降温的主要机制,预报中应予以充分考虑。徐建国等[11]系统地总结了内蒙古暴雪发生的影响系统和物理量特征,得出暴雪发生的环流背景和物理量指标。罗菊英等[12]分析雨雪转换天气过程,发现强降雪产生需要适宜的中层逆温。王喜等[13]分析江苏降雪时指出,暴雪及大雪出现时中低层具有明显的逆温层,且随着降雪量级的增大,逆温强度和逆温层厚度明显增强、增厚。

以上结果为暴雪的预报和研究提供了较好思路,为预报员提供了很多借鉴。贵州冬季暴雪发生概率很小,因此对于暴雪的研究不多,王芬等[14]、周文钰等[15]对贵州发生的2次强降雪进行分析,冉仙果等[16]、李习瑾等[17]对铜仁发生的暴雪个例进行总结,得出一些可供预报的参考结论。但没有系统性地总结暴雪发生的环流背景和要素指标,不能准确地把握暴雪强度和落区。因此有必要针对近年来出现的暴雪过程进行总结分析,找到暴雪发生的环流背景和预报要素指标,为暴雪预报提供参考。本文针对铜仁2004年至今出现的5次暴雪过程的环流形势和物理量要素特征进行了统计分析,期望其结果有助于预报员建立完整的暴雪预报思路,提高暴雪的预报准确率。

1 资料与方法

选用2005—2021年5场暴雪天气过程,利用常规地面自动站监测资料统计分析降雪特征,气象日常业务使用的MICAPS实况数据和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,采用统计及天气学方法分析降雪发生的环流背景和物理量特征。

2 5次暴雪过程实况

表1为2005—2021年5场暴雪天气过程概况(当日20时—次日20时或当日08时—次日08时,北京时,下同)。从表中可见,最大降雪量为2011年1月19日万山镇站18.8 mm、最大积雪深度为29 cm;其次为2021年12月26日万山镇站最大降雪量为27.8 mm、积雪深度为17 cm。暴雪范围最广的为2021年12月26日,全市10个区县有6个站达到暴雪。降雪持续时间最长为2011年1月18日20时—20日08时持续了36 h和2018年12月29日08时—31日08时持续了48 h。从5次暴雪过程出现频率来看,松桃县站出现4次,频率为80%;江口县站出现3次,频率为60%;碧江区、万山镇站出现5次,频率为100%;沿河县、石阡县站出现1次,频率为20%;玉屏县站出现2次,频率为40%,可见暴雪容易发生在铜仁市东部的松桃县、碧江区、江口县、万山镇等站点,西部发生频率低,除了沿河县、石阡县站出现过1次外,其余的德江县、思南县、印江县站均未出现暴雪。

表1 铜仁市5次暴雪过程概况Tab.1 The overviews of five blizzard process in Tongren City

3 影响系统

3.1 5次暴雪过程影响系统

分析2005—2021年铜仁市5次暴雪过程的影响系统(表2),发现500 hPa等压面上中高纬为两槽一脊,过程1、过程2、过程4、过程5的槽分别位于乌拉尔山和日本海—我国东北地区之间,我国东北低涡槽底延伸至四川东部,脊位于贝加尔湖西南部;过程3的槽分别位于黑海和我国东北地区—贝加尔湖附近,我国东北地区低涡槽底延伸至四川东部,脊位于巴湖北部,槽脊相对前4次过程略偏西。中低纬90～95°E地区孟加拉湾南支槽深厚,500 hPa等压面上2005年和2009年568 hPa等高线进入铜仁市;2011年564 hPa等高线进入铜仁市;2018年570 hPa等高线进入铜仁市;2021年574 hPa等高线进入铜仁市。相比来看,2011年564 hPa等高线进入铜仁市,500 hPa上环流经向度大,利于引导北方冷空气南下,导致降雪强度较大。海平面气压场上,贝加尔湖西部有冷空气堆积,冷高压中心强度为1060 hPa左右,冷空气东移南下影响我国东部地区后经湖南向西回流影响铜仁市,定义为东北路径冷空气影响,大于1030 hPa的等压线线进入铜仁市。总体表现为西南暖湿气流在冷垫上爬升形成暴雪。

表2 铜仁市5次暴雪的环流影响系统Tab.2 The circulation background and affectinginducing systems of five blizzard process in Tongren City

分析统计铜仁市5次暴雪的环流影响系统(表2、表3)。700 hPa上,过程1～4四川东部有低涡切变线南压影响铜仁市,广西—贵州为西南风急流,西南风速为12～26 m·s-1,最大为2011年达到26 m·s-1。由表3可知在怀化站西南风速增大或者四川东部切变线进入贵州北部时,铜仁市降雪站次增多,并形成暴雪。过程5四川东部低涡切变线没有南压影响铜仁市,但在850 hPa上形成了12～14 m·s-1的东北风急流,而前4次过程东北风仅6～8 m·s-1。过程5在东北风急流增大时,降雪站次增多,逐渐形成暴雪。

表3 铜仁市5次暴雪过程的影响系统强度和位置与降雪站次Tab.3 The affect system strength and location and snow standing time of five blizzard process in Tongren City

3.2 暴雪发生时的平均环流形势及天气学概念模型

分析5次暴雪发生时各层的平均环流形势,在500 hPa上(图1a),中高纬为两槽一脊形势,槽位于乌拉尔山与日本海—我国东北地区,脊位于贝加尔湖西部。中低纬90～95°E孟加拉湾地区有南支槽形成,568 hPa等高线进入铜仁市;700 hPa(图1c)四川东部形成低涡切变线,云南—贵州有西南急流维持,平均最大风速为14 m·s-1;850 hPa(图1d)为东北风影响铜仁市,切变线南压至贵州南部;海平面气压场上(图1b)贝加尔湖西部冷空气南下后由东北路径影响铜仁市,冷高压中心≥1060 hPa,≥1030 hPa的等压线进入铜仁市。综上所述,铜仁市暴雪发生的环流配置(图1e)为:高空500 hPa中高纬为两槽一脊形势,我国东北地区槽底延伸至四川东部,孟加拉湾南支槽东移至95°E以东;700 hPa广西—贵州西南急流建立,四川东部切变线形成,未来南压影响铜仁市;850 hPa为东北气流控制;海平面气压场上,贝加尔湖西部冷高压中心达1060 hPa,1030 hPa线进入铜仁市。

3.3 暴雪发生过程的温度场特征

从5次暴雪过程发生时平均的温度场垂直剖面图(图2)可以看出,暴雪发生时铜仁市平均气温总体呈现为低层950～850 hPa之间冷,最低为-8 ℃;中层800～650 hPa之间较冷,最低为-6 ℃;650 hPa以上逐渐降低,铜仁市上空整层低于0 ℃。从5次暴雪过程降雪前和降雪发生时的各层次温度变化来看(表4),发生前500 hPa温度为-15～-19 ℃,700 hPa为-2～-4 ℃,850 hPa为-2～-7 ℃,地面气温为1～-2 ℃;暴雪发生时,500 hPa气温持续降低至-16～-21 ℃,700 hPa维持在-2～-4 ℃,850 hPa降低至-4～-8 ℃,地面气温为0.5～-4 ℃,可见暴雪发生时中高层气温有利于冰晶维持,地面气温持续降低,特别是过程3、4、5,地面气温相对更低,降雪时间持续更长(表1)。

表4 5次暴雪过程温度特征(单位: ℃)Tab.4 The temperature characteristics of five blizzard process(unit: ℃)

4 物理量特征及预报指标

4.1 水汽通量散度和比湿场

沿暴雪区域109°E作水汽通量散度的垂直剖面图(图3a)可知,水汽通量散度辐合集中在中层850～600 hPa之间,低层1000～850 hPa和高层600～400 hPa为辐散,即为低层、高层水汽辐散,中层水汽辐合,最强辐合层在850～700 hPa之间,强度中心值为-18×10-6g·cm-2· hPa-1·s-1。比湿场(图3b)特征表现为低层和高层比湿值小,中间层湿度大,在800～650 hPa之间形成比湿大值中心,降雪区域最大比湿中心值为5 g·kg-1,与水汽辐合中心对应。

图3 5次暴雪过程发生时平均的水汽通量散度场(a,单位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)和比湿场(b,单位: g·kg-1)垂直分布,阴影为地形,线框为降雪区域Fig.3 The average water vapor flux divergence(a, unit:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)and specific humidity(b, unit:g·kg-1) vertical section of five blizzard vertical sections, the shadows show the terrain, the wire frames as snowfall area

4.2 散度场

在暴雪发生时,5次暴雪平均的垂直剖面散度场(图4)总体表现跟水汽通量散度场表现一致,为近地层辐散、中层辐合、高层辐散的特征,辐合最强位于800～700 hPa之间中低层西南急流附近,辐散最强位于450～300 hPa之间。

图4 5次暴雪过程发生时平均的散度场(虚线为辐合,实线为辐散,单位:s-1)及风场(风向杆,单位: m·s-1)垂直分布(阴影为地形,线框为降雪区域)Fig.4 The average divergence field (dotted lines for convergence, solid line for divergence, unit:s-1)and wind field (wind-direction shaft, unit: m·s-1) vertical section of five blizzard vertical sections(the shadow shows the terrain, the wire frames as snowfall area)

4.3 垂直速度场

图5是5次暴雪过程发生时沿109°E平均的垂直速度场的垂直剖面图。从图中可以看到,暴雪过程发生时整层为上升运动。在降雪区有2个强的上升运动中心,分别位于900～800 hPa和500～350 hPa,平均最强中心分别为-30 hPa·s-1、-50 hPa·s-1。分析5场暴雪过程的垂直速度在暴雪发生前和发生时值的变化(图略),发现暴雪发生时700 hPa和500 hPa层垂直上升速度值明显增强,700 hPa上升运动增大值≥10 hPa·s-1,500 hPa上升运动增大值≥12 hPa·s-1,这可以作为暴雪发生的参考指标。

图5 5次暴雪过程发生时平均的垂直速度场(虚线为上升,单位:hPa·s-1)垂直分布,阴影为地形,线框为降雪区域Fig.5 The average vertical velocity vertical section of five blizzard vertical sections (dotted line is rising,unit:hPa·s-1),the shadows for of the terrain,the wire frames as snowfall area

5 结论

本文分析了铜仁市5场暴雪天气过程的环流形势和物理量特征,得出以下结论:

(1)铜仁市的暴雪易发生在东部的松桃县、碧江区、江口县、万山镇等站,西部沿河县、石阡县发生暴雪频率相对低,而思南县、德江县、印江县在2005—2021年间均未出现暴雪。

(2)暴雪高空表现为中高纬两槽一脊形势,配合中低纬南支低槽东移,地面贝加尔湖西部冷高中心强度为1060 hPa,大于1030 hPa的等压线进入铜仁。暴雪落区出现在500 hPa槽前、700 hPa西南急流前部或切变线南侧及850 hPa东北风风速辐合区内,配合较强持续的上升运动,是产生暴雪天气的有利大尺度环流形势。当700 hPa西南急流风速越大,降雪强度越大。850 hPa东北风速越大,暴雪范围越广。暴雪发生时,500 hPa气温在-16～-21 ℃,700 hPa气温在-2～-4 ℃之间,850 hPa气温在-4～-8 ℃之间,近地面层在0.5～-4 ℃之间,地面气温越低降雪持续时间越长。

(3)散度场表现为近地层辐散,中低空辐合、高空辐散的特征。辐合最强位于800～700 hPa之间的西南急流附近、辐散最强位于450～300 hPa之间,当辐合层次伸展更高时,更利于暴雪天气的持续;在垂直速度场上表现为整层的上升气流,最强上升区有2个强的上升运动中心,900～800 hPa和500～350 hPa之间,平均最强中心为低层-30 hPa·s-1、高层-50 hPa·s-1,特别是500 hPa和700 hPa上升运动出现明显增大时,可作为强降雪发生的指示。

(4)比湿场表现为,低层和高层比湿值小,中间层比湿大,在800～650 hPa之间形成比湿大值中心,最大比湿中心值为5 g·kg-1,暴雪发生时500 hPa比湿为1.5 g·kg-1左右,700 hPa为4 g·kg-1左右,850 hPa为3.5～4 g·kg-1。500 hPa比湿值≥1.5 g·kg-1可作为暴雪发生的参考指标。水汽通量散度场表现为,水汽辐合集中在中层850～600 hPa之间,低层1000～850 hPa和高层600～400 hPa为辐散,最强辐合层在850～700 hPa之间,强度中心值为-18×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1,850 hPa平均值为-3.6×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。