李才媛,郭英蓮,王海燕,王繼竹,李銀娥

(武漢中心氣象臺,湖北武漢 430074)

0 引言

1954年12月26 日-1955年1月18日(簡稱“54年冬”),湖北省遭遇了持續(xù)24 d之久的歷史罕見低溫冰雪天氣過程,期間,省內(nèi)大部分地區(qū)日平均氣溫維持在0℃以下,積雪一般在10 cm以上;武漢日平均氣溫低于0℃的時間長達23 d,最大積雪深度為32 cm。武漢和周邊縣、市出現(xiàn)的雨凇持續(xù)15 d以上?！?4年冬”出現(xiàn)的嚴重低溫冰雪災害使湖北省的工農(nóng)業(yè)及人民生命財產(chǎn)遭受巨大損失[1]。運用多指標綜合指數(shù)的技術方法評價“54年冬”為歷史上最強的一次持續(xù)低溫雨雪冰凍災害極端氣候事件,大約120年一遇[2]。

2008年1月13 日-2月3日(簡稱“08年初”),持續(xù)22 d,湖北省再次出現(xiàn)了自1954年以來最嚴重的一次低溫冰雪災害,為70年一遇[2]。此過程造成的經(jīng)濟損失比“54年冬”有過之而無不及。

對“08年初”出現(xiàn)的歷史罕見持續(xù)低溫冰雪災害,眾多氣象工作者,其中包括湖北省氣象科技人員,進行了較全面的分析研究[3-9],但對于“54年冬”,可能由于當年資料、技術等局限,可參考的文獻不多。本項工作利用常規(guī)天氣圖資料和EC、NCEP數(shù)值預報產(chǎn)品,應用天氣學和波譜分析方法,對“54年冬”出現(xiàn)的持續(xù)低溫雨雪天氣的大氣環(huán)流、物理量譜進行了分析,并與“08年初”過程進行了對比,得出了一些有意義的異同點結論,無疑可提高對此類災害天氣的認識、提高其預測能力。

1 天氣氣候概況

1.1 前期天氣實況

“54年冬”過程前期,即1954年12月9-22日,湖北省長達14 d基本無雨,溫度偏高。在2007年12月29-2008年1月9日,也就是“08年初”過程的前期,湖北省也出現(xiàn)了12 d的無雨天氣,全省日平均氣溫偏高0.5～1.5℃。

1.2 天氣過程簡述

1954年12月23 日湖北省自西向東降雨發(fā)展,24-25日鄂北雨轉(zhuǎn)雪,26日鄂南也轉(zhuǎn)為雨雪天氣,自26日起,湖北大部日平均氣溫下降到0℃以下,低溫冰雪過程開始,一直到1955年1月19日湖北大部的日平均氣溫才回升到0℃以上,過程結束。

“54年冬”過程分為兩個階段,1954年12月26日-1955年1月4日為第1階段,1955年1月5-18日為第2階段。“54年冬”的降雪天氣集中在第1階段,其中27-31日為區(qū)域性的暴雪。圖1所示為武漢測站降雪量分布,可看到28-30日降雪量超過15 mm,最大18.8 mm(30日)。由于氣溫低,積雪難以融化,湖北省大部出現(xiàn)長時間積雪,如武漢1955年1月2日積雪深度高達32 cm。在“54年冬”第2階段,湖北省基本無降水,但繼續(xù)維持低溫冰凍天氣。圖2所示為武漢測站“54年冬”過程中日平均氣溫變化情況,可見此期間武漢測站的平均氣溫除14日(0.2℃)外均在0℃以下,5日達-9.2℃,這日最低氣溫為-14.6℃,均為“54年冬”過程中的極端最低氣溫。

“08年初”過程由4次降水過程組成,分別為1月11-15日、1月18-22日、1月25-28日、1月30日-2月1日,前3次過程均出現(xiàn)了全省性的強降雪,其中武漢市出現(xiàn)了大到暴雪,27日雪量最大,為10.3 mm,最大積雪深度為27 cm(28日),僅次于1954年12月31日的30 cm和1955年1月2日的32 cm。在“08年初”過程中,武漢測站的最低日平均氣溫為-2.7℃(15日),極端最低氣溫-5.2℃(29日、30日)。

由上述可見,“54年冬”與“08年初”過程均具有前期降水明顯偏少、氣溫偏高和低溫冰雪持續(xù)久、強度大的氣候特點;但“54年冬”的低溫冰凍更強,強降雪更集中、強度更大;此外,“54年冬”的階段劃分清晰,“08年初”由多次降水過程組成。

2 天氣形勢分析

2.1 500 hPa環(huán)流特征分析

從1954年12月26日至1955年1月4日500 hPa高度客觀分析平均場上可見(圖3a),東亞中高緯地區(qū)呈現(xiàn)為一脊一槽徑向環(huán)流形勢。從北海道、東北平原、蒙古到新疆天山一線為橫槽區(qū);烏拉爾山地區(qū)為阻塞高壓控制;西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)明顯偏北偏西、強度偏強,584 dagpm線的西脊點位于100°E,脊線在17°N附近。受中高緯穩(wěn)定的阻塞形勢影響,阻高西側(cè)的西風急流明顯減弱,分成南北兩支,南支氣流向東向南流動,與孟加拉灣上空的南支槽和副高西側(cè)的西南氣流匯合,把孟加拉灣、南海的水汽源源不斷地沿東北方向輸送到長江流域,為降水天氣提供豐沛的水汽條件;而北支氣流則向東北方向流動,流經(jīng)極地附近后又沿阻高東側(cè)往南流,北支氣流攜帶著極地冷空氣南移,使蒙古地面冷高壓得以加強和維持,并與南支西南暖濕氣流在長江中下游地區(qū)交匯,造成湖北持續(xù)低溫冰雪天氣。

圖3 500 hPa高度客觀分析平均場(單位:dagpm)

圖3b所示為“08年初”第2次過程的500 hPa高度客觀分析平均場,與圖3a比較,可清楚看到兩幅圖具有非常相似的基本環(huán)流特征:①東亞中高緯地區(qū)為一脊一槽環(huán)流形勢,烏拉爾山地區(qū)為高壓脊控制,兩幅圖上的橫槽線近乎平行地位于40°～50°N,只是“54年冬”的橫槽偏南2°～3°N;②在兩幅圖中,由中高緯阻塞形勢影響下分成的南北兩支急流,具有基本一致的流向和作用;③中低緯為長波槽區(qū)的緯向環(huán)流形勢,長江流域環(huán)流較平直;④“54年冬”與“08年初”具有相同的冷空氣源地和水汽來源?！?4年冬”與“08年初”的不同之處:①前者烏山阻高為南北向,中心強度＞564 dagpm;后者烏山阻高為東北—西南向,中心強度僅＞548 dagpm,比前者偏弱16 dagpm左右;“54年冬”阻高兩側(cè)的低壓配置表明“54年冬”的阻塞形勢更穩(wěn)定;②前者橫槽的低值中心位于蒙古高原,強度＜532 dagpm;后者低值中心在巴爾喀什湖西南方,強度只＜540 dagpm,偏弱約8 dagpm;③“08年初”過程的副高比常年位置偏北偏西,強度偏強[3],但“54年冬”的副高更偏北偏西、更強(圖3a、圖4a)。

圖3a與圖3b中500 hPa高度客觀分析平均場比較結果表明,“54年冬”第1階段與“08年初”第2次過程具有基本一致的長波系統(tǒng)背景場、冷空氣源地和水汽來源,但“54年冬”的阻塞形勢更穩(wěn)定、更強,副高更偏北偏西、更強,這是“54年冬”過程明顯強于“08年初”的一個重要條件。

圖4a所示為“54年冬”第2階段500 hPa高度客觀分析平均場,從圖中可清楚看到,副高進一步加強西伸,584 dagpm線的西脊點伸至近80°E,從菲律賓群島、南海、中南半島到孟加拉灣都為副高控制,切斷了降水區(qū)的水汽供給,湖北降雪結束。東亞區(qū)中低緯度為明顯的緯向環(huán)流,長江流域受平直西風控制,致使高空中高云密布。在東亞區(qū)中高緯度,由第1階段的徑向環(huán)流轉(zhuǎn)為緯向環(huán)流形勢,從烏山至新疆為弱脊,脊前偏北氣流不斷引導地面冷空氣從華北沿東路南下影響長江中下游地區(qū),使低溫維持。

2.2 地面冷空氣分析

圖5中顯示,兩次低溫冰雪過程的蒙古地面冷高壓中心位置基本一致,冷空氣路徑均為北偏東?！?4年冬”的高壓中心強度為1 060 hPa,“08年初”為1 048 hPa,弱12 hPa;此外,“54年冬”降雪清楚的第1階段地面平均冷高壓中心強度為1 072 hPa(圖略),而無降雪維持低溫冰凍的第2階段冷高壓中心強度為1 056 hPa(圖4b),兩階段的高壓中心位置無明顯變化,但強度差異還是較大的。

圖4 1955年1月5-18日500 hPa高度和海平面氣壓客觀分析平均場

圖5 海平面氣壓客觀分析平均場(單位:hPa)

以上分析表明,蒙古地面冷高壓是造成低溫的直接影響天氣系統(tǒng)之一[10],為持續(xù)低溫冰雪天氣提供了重要的低層冷空氣條件,其強度變化與低溫冰雪的強弱變化有明顯的正相關關系。

2.3 中、低層風場分析

圖6 風向風速客觀分析平均場(單位:m/s)

在1954年12月28-30日,500 hPa烏山阻高東側(cè)轉(zhuǎn)動低渦分裂東移的西北槽與南支槽同位相疊加(圖略),發(fā)展東移,引導地面冷空氣從華北擴散南下;700 hPa西南急流明顯加強,急流軸位于30°N以南的貴陽、芷江一帶,最大風速達16 m/s,湖北大部在急流軸左前方(圖6a),從850 hPa和700 hPa風場(圖6c、a)可以看出,從低層到高層存在順時針垂直風切變,有利于中低層逆溫層生成,并且垂直切變的環(huán)境風能提供對流發(fā)展的能量[11]。此次強降雪天氣是“54年冬”過程中降水最明顯的時段,主要影響天氣系統(tǒng)是500 hPa南支槽發(fā)展東移、地面冷空氣、700 hPa西南急流輸送的暖濕空氣和850 hPa偏東氣流。

2008年1月25 -28日是“08年初”過程中降雪最強的時段,圖6b、d給出了這個時段700 hPa和850 hPa的平均風場。從圖中可看到,700 hPa強勁的西南急流和850 hPa的偏東氣流與圖6a、c中的風場相似,主要的差別在風速上。

因此,在持續(xù)低溫冰雪過程中,雨雪天氣的發(fā)展、加強,通常與中低層暖濕氣流的發(fā)展加強有關。低空急流通過低層暖濕平流的輸送產(chǎn)生位勢不穩(wěn)定層結,在急流最大風速中心的前方有明顯的水汽輻合和質(zhì)量輻合或者強上升運動,在急流軸的左前方是正切變渦度區(qū),有利于對流活動發(fā)生,有利于強降水發(fā)生、持續(xù)。

2.4 大氣層結分析

以武漢站為代表,分析1954年12月26日-1955年1月18日大氣層結變化(圖略)。12月25日武漢測站850 hPa的溫度下降到0℃以下,并與700 hPa溫度相等,本站降水性質(zhì)由雨轉(zhuǎn)雪。26日至次年1月2日,該站850～700 hPa連續(xù)8 d存在明顯的逆溫,維持中層暖、下層冷的層結,逆溫強度平均約為5.3℃,最強為7℃,從1月3日開始逆溫層消失,降雪減弱漸止,“54年冬”的第1階段結束。在“54年冬”的第2階段,850 hPa溫度維持在0℃以下,最低時達-12℃,氣溫隨高度上升而下降。

在2008年1月12日到2月1日武漢均持續(xù)保持中層暖、下層冷的層結,850～700 hPa有明顯的逆溫層,逆溫強度平均達4.0℃,最強為11℃,2月2日開始逆溫層消失。由此可見,“08年初”過程的大氣層結與“54年冬”的第1階段非常相似。

3 波譜分析

在研究大尺度大氣運動的物理機制時,需要考慮大氣中各種物理量(能量)變化,討論不同尺度波動在大氣物理量輸送和轉(zhuǎn)換中所起的作用,一般采用波譜分析方法,即利用環(huán)流資料進行各種物理量譜分析,其中經(jīng)、緯向擾動動能譜、角動量輸送譜是常用參數(shù)[12]。

3.1 經(jīng)、緯向擾動動能分析

經(jīng)向擾動動能(簡稱經(jīng)向動能)的大小與經(jīng)向風的強弱有關,緯向擾動動能(簡稱緯向動能)與兩緯圈間東西風的強弱相聯(lián)系。因此,大型環(huán)流形勢的調(diào)整轉(zhuǎn)換必然會引起經(jīng)、緯向動能的明顯變化。

3.1.1 經(jīng)向動能

圖7中的點直線為500 hPa 50°N經(jīng)向動能(1～6波總值)變化曲線。從圖7a中可看到,在“54年冬”過程第1階段初期,50°N經(jīng)向動能劇增、猛減,在其劇烈變化的同時,500 hPa中高緯經(jīng)向環(huán)流發(fā)展,烏山阻高建立,降水天氣開始;冰雪天氣持續(xù)期間,經(jīng)向動能變化平穩(wěn)。1955年2月4日前后,隨著經(jīng)向動能的一次弱調(diào)整,降雪天氣結束,“54年冬”的第2階段開始。這段時期,經(jīng)向動能穩(wěn)定,能量較弱,此時,500 hPa中高緯經(jīng)向環(huán)流轉(zhuǎn)為緯向環(huán)流控制。

從圖7b中可看到,“08年初”過程開始前,50°N經(jīng)向動能明顯增強,冰雪期間維持高能量,而降水結束時,經(jīng)向動能急速減小,這反映了500 hPa高度場的中高緯地區(qū)阻塞形勢的變化趨勢。

3.1.2 緯向動能

圖7中的實線為30°N緯向動能(1～6波總值)變化曲線。從兩幅圖中可見,“54年冬”與“08年初”兩次低溫冰雪期間,30°N緯向動能均呈波動狀,與500 hPa 30°N附近高度場維持較平直緯向環(huán)流相對應。其中,“54年冬”的第1階段由一次緯向動能的強弱變化完成,第2階段由兩次強弱變化組成;“08年初”的四次過程與緯向動能的四次強弱變化基本一致。

圖8為“54年冬”與“08年初”兩次低溫冰雪期間及前后緯向動能在不同緯度的變化。從兩幅圖中可見,持續(xù)冰雪開始前四五天內(nèi),高緯或低緯會有緯向動能高值中心生成;過程開始后高緯緯向動能南移,低緯緯向動能北移或先南移后北移;當兩者交匯于中緯地區(qū)并穩(wěn)定維持時,過程持續(xù);當緯向動能高值中心減弱或北跳,過程間歇或結束。

圖7 經(jīng)、緯向擾動動能(1～6波總值)的變化(單位:m2/s2)

3.2 角動量輸送譜分析

角動量輸送譜(簡稱角動量)反映能量的南北輸送,負值表示向南輸送,正值表示向北輸送。

圖9為“54年冬”與“08年初”兩次過程500 hPa角動量(1～6波總值)在中高緯度的變化。從兩幅圖中可見,在25°～35°N主要是向北輸送,強的角動量輸送和輻合也集中在這一帶;而在35°～55°N角動量輸送趨勢基本上為負值,即向南輸送。持續(xù)冰雪開始前,高緯、低緯角動量向南輸送,過程開始后,角動量均轉(zhuǎn)向北輸送;冰雪天氣結束時,在中低緯度,角動量輸送再次出現(xiàn)明顯變化,其值由正值轉(zhuǎn)為負值。

經(jīng)、緯向擾動動能譜、角動量輸送譜分析表明,在低溫冰雪天氣發(fā)生、持續(xù)和結束時,中高緯度、中低緯度能量譜強度、輸送和轉(zhuǎn)換有明顯的變化,并且與天氣系統(tǒng)的變化相對應。

圖8 緯向擾動動能(1～6波總值)的時空分布(單位:m2/s2)

4 結語

通過對比分析“54年冬”與“08年初”兩次歷史罕見持續(xù)低溫冰雪過程,得知:兩次過程的前期均出現(xiàn)了降水明顯偏少、氣溫偏高的天氣情況;兩次過程具有基本一致的長波系統(tǒng)背景場、水汽條件、地面冷空氣條件以及中低層暖濕氣流發(fā)展加強對強降水的作用;在低溫冰雪過程中,探空曲線維持“中暖下冷”層結,850～700 hPa存在明顯逆溫層。在兩次持續(xù)低溫冰雪過程期間,中高緯度、中低緯度能量譜強度、輸送和轉(zhuǎn)換有明顯的變化,并且與天氣系統(tǒng)的變化相對應。但是,兩次天氣過程的表現(xiàn)形式是不同的:“54年冬”過程分為兩個階段,降雪天氣、強降雪集中在第1階段;“08年初”過程由4次降水過程組成,前3次過程均出現(xiàn)了全省性的強降雪。此外,“54年冬”過程的500 hPa阻高、低渦、副高和地面冷高壓等主要影響系統(tǒng)的強度均明顯強于“08年初”。

圖9 角動量時空分布(單位:108J·hPa-1)

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