昌立偉，黃海波，李 晶，余文會

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414001;2.湖南省湘潭市氣象局,湖南 湘潭 411100)

0 引言

雨雪冰凍天氣一直是氣象防災減災的重點，也是天氣預報的難點，尤其是在我國湖南地區(qū)，由于南嶺山脈的阻擋，天氣形勢上往往處于液態(tài)和固態(tài)降水的過渡帶，給降水相態(tài)的預報帶來更大的難度。國內(nèi)很多氣象學者針對雨雪天氣成因和相態(tài)轉(zhuǎn)換條件，開展了大量的分析研究工作，總結(jié)了一些有意義的研究成果。潘志祥等[1]統(tǒng)計分析了湖南雨雪的天氣氣候特征，劃分了5大類天氣形勢; 李海軍等[2]指出西南暖濕氣流的突然增強，近地面層有大片逆溫層存在是大雪預報的關鍵; 張琳娜等[3]對近10 a北京冬季降水相態(tài)研究得到6種與雨雪轉(zhuǎn)換關系密切的物理量;梁軍等[4]發(fā)現(xiàn)對流層下層暖平流和上層冷平流是產(chǎn)生強降雪的主要原因; 楊曉霞等[5]對比分析山東兩次暴雪天氣發(fā)現(xiàn)中低層先有冷空氣影響還是先有暖濕氣流北上，將決定降雪是以穩(wěn)定性降雪還是以對流性降雪為主; 周雪松等[6]研究表明雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變與溫度廓線有直接關系; 蔣義芳等[7]指出暖平流和中層強西南急流有利于產(chǎn)生持續(xù)暴雪，且任意高度出現(xiàn)西北風可作為降雪減弱的臨近預報指標。很多學者從整層大氣特征的角度進一步分析了降雪預報的著眼點。許愛華等[8]指出，925 hPa以下層次大氣溫度是南方降水相態(tài)的關鍵，降雪時925 hPa氣溫≤-2 ℃則可作為固態(tài)降水(雪)的預報判據(jù); 漆梁波等[9]分析得到綜合考慮了溫度和厚度因子的識別判據(jù)對中國東部地區(qū)冬季降水相態(tài)有較好的識別能力; 楊成芳等[10]研究表明有相態(tài)轉(zhuǎn)換時的850 hPa和925 hPa溫度無明顯指示性，1 000 hPa以下溫度較為關鍵，另外0 ℃層高度也可用于雨雪轉(zhuǎn)換指標。岳陽地處29°N附近，是典型的亞熱帶季風氣候，地形東高西低，西臨洞庭湖，東部則為連云山脈，特殊的喇叭口地理位置，使其成為冷空氣影響湖南的前哨，造就了冬春季節(jié)雨雪冰凍頻繁發(fā)生的現(xiàn)狀。本文擬對2018年1月3—8日和24—28日出現(xiàn)在岳陽的兩次雨雪冰凍過程的強度、落區(qū)和相態(tài)轉(zhuǎn)換進行對比分析，通過詳細分析過程開始前后高低空環(huán)流形勢、各層次物理量差異和數(shù)值預報能力等方面，探索岳陽地區(qū)雨雪天氣過程的預報指標和著眼點，希望對今后這類天氣的預報、預警有一定的借鑒。

1 天氣實況與災情

受高空槽、中低層切變和強冷空氣共同影響， 2018年1月3—8日、24—28日岳陽市出現(xiàn)了兩次低溫雨雪冰凍天氣過程，岳陽均出現(xiàn)陰雨雪天氣，氣溫下降明顯，風力加大。第一次過程冷空氣相對較弱，中低層存在逆溫融化層，700 hPa溫度高于0 ℃，以凍雨為主，高山地區(qū)出現(xiàn)降雪；而第二次過程冷空氣更強，中低層水汽充沛，700 hPa急流顯著，24日開始，地面氣溫逐漸下降至0 ℃附近，700 hPa存在高于0 ℃的融化層，降水以凍雨為主；25日晚開始岳陽自北向南轉(zhuǎn)為純雪，以中到大雪為主，其中26日晚—27日有4個站(岳陽、華容、湘陰和汨羅)達到暴雪，最大積雪深度達6 cm。兩次過程雨雪量分別為40.2 mm、46.2 mm。

25—29日各縣市連續(xù)日平均氣溫≤0 ℃，較常年同期偏低6.0 ℃，華容和岳陽達到嚴寒標準(日平均氣溫≤0 ℃連續(xù)5 d)；連續(xù)4 d出現(xiàn)降雪，出現(xiàn)5站次暴雪，最大積雪深度6 cm；臨湘和平江達到輕度冰凍標準，其余各縣達到中度冰凍標準，最大積冰厚度3 mm，部分山區(qū)出現(xiàn)重度冰凍，是自2008年以來冰凍持續(xù)時間最長，影響最大的一次天氣過程。根據(jù)受災縣市區(qū)民政部門統(tǒng)計，截止1月29日08時，全市受災人口7.6萬，緊急轉(zhuǎn)移安置人口80人；受災面積12 388 hm2，成災面積7 715 hm2；倒塌房屋24戶43間，嚴重損房16戶39間，一般損壞房34戶41間；直接經(jīng)濟損失15 950萬元，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失9 139萬元，家庭財產(chǎn)損失1 305萬元。

2 環(huán)流背景分析

2.1 500 hPa環(huán)流形勢

1月2—4日500 hPa亞洲中高緯環(huán)流表現(xiàn)為兩槽一脊型，北極極渦擾動南下，新疆北部地區(qū)為強盛的低渦控制，蒙古地區(qū)為兩槽之間弱脊，低渦中心最低氣溫達-36 ℃，冷空氣堆積。中低緯度地區(qū)為緯向波動環(huán)流，南支槽加深東移。6日新疆北部低渦開始旋轉(zhuǎn)東移南下，前部轉(zhuǎn)為東西向橫槽，隨著橫槽轉(zhuǎn)豎，引導強冷空氣南下[11]。中低緯高空南支槽的東移，與南下冷空氣結(jié)合，岳陽處于高空槽前位置，正渦度平流輸送有利于上升運動的加強，且500 hPa溫度維持在-10 ℃左右，較有利于云層中冰晶和雪花的形成。9日08時之后，南北槽合并，冷空氣爆發(fā)完成，岳陽轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制，過程趨于結(jié)束。

1月24—28日，東亞中高緯地區(qū)為穩(wěn)定且強盛的橫槽控制，北極極渦分裂南下，中心位于亞洲東北部，冷空氣堆積在我國北部新疆至蒙古一帶(圖略)。24—26日，中緯度為波動環(huán)流，南北兩支槽均較弱， 26日20時，隨著河套地區(qū)淺槽與南支槽打通，使得高空槽加深發(fā)展，經(jīng)向度加大，有利于上升運動的加強。到27日08時，新疆北部及東北地區(qū)有兩個橫槽仍然維持，隨著東北冷渦后部橫槽轉(zhuǎn)豎，西北氣流引導冷空氣迅速南下，從東路影響我國中東部地區(qū)。大股冷空氣南下，高空與地面降溫明顯，500 hPa溫度降至-12～-15 ℃，有利于降雪的維持。

2.2 低層風場與水汽條件

第一次過程中，4日前低槽主要位于我國西南地區(qū)，岳陽處于槽前的西南急流中，風速輻合顯著，有較強的上升運動(圖1a)。4—5日有一個短暫的間歇，5日開始，隨著低槽東移，700 hPa切變線主要位于四川—湖北一帶，急流有所加強，出口區(qū)位于長江流域北部。隨著北方冷空氣南下，冷暖氣流自6日開始交匯于華中一帶，并逐漸南壓。24—28日西南地區(qū)低槽穩(wěn)定維持，岳陽一直處于槽前西南氣流中。圖1b給出了27日08時700 hPa上風場與大風速區(qū)，我們可以看到岳陽處于急流出口區(qū)內(nèi)，有很強的風速輻合，動力條件好。

從兩次過程沿700 hPa上113.1°E的風場剖面(圖1c、1d)可以看到，急流均推進到30°N以北地區(qū)，強度相差不大，但是從急流出口區(qū)風速輻合來看，后一次過程更強。低空急流的大值區(qū)基本位于湖南省境內(nèi)，為此兩次過程帶來充沛的水汽供應和動量輸送，同時也大大加強了低層上升運動的形成，為降水的發(fā)生發(fā)展提供動力與熱力條件[12]。

圖1 1月4日08時、27日08時700 hPa高度場與風場及3—8日、24—28日沿113.1°E的 700 hPa風場剖面(陰影為風速>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)

從850 hPa水汽通量沿113°E的時間剖面圖(圖略)可以看到，3—4日華南的水汽通量明顯，湘南水汽較好，配合高層的動力條件，產(chǎn)生降水。低層水汽向北輸送也相對較大，大值區(qū)切斷于28°N附近。5日水汽輸送有一個短暫間歇，之后南部水汽通量迅速加強，水汽通量向北輸送至30°N附近，雨雪天氣迅速發(fā)展。從后一次過程來看，整個時間段內(nèi)水汽通量向北都較好，其中在24日晚和26日有兩個輸送大值區(qū)，與降雨(雪)的強度時段一致。從EC細網(wǎng)格預報兩次過程岳陽地區(qū)的比濕剖面圖可以看到，過程期間比濕大值區(qū)主要集中在低層，垂直伸展高度較高；850～700 hPa的相對濕度大，基本大于90%或處于飽和狀態(tài)。

對比兩次過程中850 hPa水汽通量及其散度(圖2)可以看到，兩次過程降水形勢都較好。從圖2可以看到850 hPa西南地區(qū)具有活躍的水汽輸送，且低層有明顯的水汽通量輻合(陰影區(qū)為輻合區(qū))，湖南南部水汽條件優(yōu)于北部，湘北處于水汽通量輻合區(qū)邊緣。在第二次過程中，隨著冷空氣南下，與暖濕空氣匯合于華中地區(qū)，造成24—28日江南地區(qū)大范圍的雨雪冰凍天氣，此次過程中，水汽輸送活躍且含量充足，使得雨雪天氣得以維持且量級較大。

圖2 1月4日08時、27日08時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 地面形勢

4日08時地面冷高壓位于新疆北部附近，中心強度大(中心值1 057.5 hPa)，冷鋒前沿位于江南地區(qū)；冷空氣從西路分裂南下影響華中大部分地區(qū)，并出現(xiàn)降水天氣。相對于前一次過程，24—28日冷空氣相對更偏北，從地面天氣圖上可以看到，26日08時高壓中心位于內(nèi)蒙西北部地區(qū)，華南中南部地區(qū)有鋒面維持，副冷鋒位于華北地區(qū)，到27日鋒面入海，北方冷高壓開始向南擴散，湖南受地面冷高壓底前部影響(冷空氣路徑轉(zhuǎn)為東路)，天氣維持陰雨雪。從低中高三層冷中心強度來看，均強于前一次過程。由于此次過程降溫迅速，且前期水汽條件較好，雨雪轉(zhuǎn)換迅速，使得華中出現(xiàn)大范圍的雨雪天氣，岳陽出現(xiàn)了5 d的低溫雨雪冰凍天氣。

圖3 1月4日08時、26日00時地面形勢場Fig.3 Ground situation field at 08:00 on January 4 and 00:00 on January 26

2.4 各層條件對比

表1給出了兩次過程中影響預報的各項參數(shù)，通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，前一次過程在各層上均表現(xiàn)出弱于1月下旬的過程。3—8日過程中，500 hPa上低渦所對應的冷中心值為-41 ℃，高于寒潮標準的-48 ℃；700 hPa上冷中心值為-27 ℃，高于寒潮標準的-36 ℃，地面存在一個冷高壓(1 062.5 hPa)與之對應，表明堆積的冷空氣很強。而在24—28日過程中，高中低層冷空氣值均低于寒潮標準值，配合地面強冷高壓(1 062.5 hPa)，不斷有冷空氣的堆積南下。同時結(jié)合兩次過程地面氣壓場分布來看，兩次過程中海平面氣壓場1 030 hPa等壓線和雨雪分界線有較好的相關性，第一次過程岳陽地面氣壓最高1 029.8 hPa，出現(xiàn)個別站點的雪；從25日20時開始，岳陽地面氣壓升至1 030 hPa以上(最高達1 033.6 hPa)，第二次的雨雪過程明顯。當北方冷空氣南下，使得南方出現(xiàn)雨雪天氣時，雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換往往出現(xiàn)在地面冷高壓前沿1 030 hPa附近，且雪區(qū)隨之移動。

表1 各層數(shù)據(jù)對比分析Tab.1 Comparison and analysis of data of each layer

3 降水相態(tài)變化及物理量分析

我們統(tǒng)計岳陽市區(qū)內(nèi)兩次過程降水相態(tài)變化的過程，如圖4所示，分別記為雨、雨夾雪或凍雨及雪。我們發(fā)現(xiàn)第一次過程出現(xiàn)2個時間段的降雪(冰粒子)，出現(xiàn)在5日上午和7日晚，時間短且量級均較小，其他時間以雨、凍雨或雨夾雪交替出現(xiàn)。而在后一次過程中，25日晚開始岳陽轉(zhuǎn)為純雪，降雪時間長且量級大，各縣市均有積雪，最大積雪達6 cm。為了對比分析兩次過程降水相態(tài)變化，我們將通過垂直運動的變化及溫度層結(jié)等方面進行分析。

圖4 兩次過程各站點降水相態(tài)及轉(zhuǎn)化時間Fig.4 Precipitation phase states and transformation time of each station in the two processes

3.1 垂直運動

垂直運動是成云致雨的關鍵因素，降水的強度一般與中低層的上升運動有關。圖5給出了兩次過程中岳陽地區(qū)上升氣流大小的時序分布，從圖中我們可以看到，其上升運動的極大值均在-1 Pa/s左右，第一次過程的上升區(qū)伸展到對流層頂附近，后一次過程中上升區(qū)均延伸到400 hPa附近。兩次過程均具有較好的垂直上升運動，有利于降水的形成雨維持。

圖5 1月3—8日、24—28日岳陽上空垂直運動剖面Fig.5 Vertical motion profiles over yueyang from January 3 to 8 and 24 to 28

3.2 溫度層結(jié)

各層的溫度對降雪相態(tài)的變化有至關重要影響，只有各層溫度降到一定程度，云層中才能形成足夠冰晶和雪花并在下落的過程中不會融化。根據(jù)統(tǒng)計資料出現(xiàn)降雪，一般要求500 hPa溫度在-12 ℃以下，700 hPa、850 hPa及925 hPa在0 ℃以下，地面溫度接近0 ℃[11]。通過對3—8日過程分析，我們發(fā)現(xiàn)500 hPa溫度維持在-10～-12 ℃，其中5日08時、8日08時低層700 hPa和850 hPa溫度降至0 ℃以下，具有較好的降雪條件，根據(jù)地面觀測在該時段內(nèi)岳陽北部地區(qū)出現(xiàn)降雪。相對前一次過程，24—28日各層溫度條件更好，圖6給出了該次過程中700 hPa和850 hPa上0 ℃線位置的變化。從圖中我們可以看到700 hPa的溫度普遍高于850 hPa， 25—27日700 hPa上0 ℃線基本維持在湘北一帶，24日850 hPa溫度條件較差，因此降水相態(tài)以雨為主，到25日開始，隨著0 ℃線南壓，850 hPa溫度降至-4 ℃以下，岳陽轉(zhuǎn)為雨夾雪并在晚上轉(zhuǎn)為純雪。27日前700 hPa上西南急流偏強，帶來充沛的暖濕空氣，使得0 ℃線一直維持在湘北地區(qū)，并未南壓，因此湘中及南部以雨或凍雨為主。

圖6 1月24—27日700 hPa、850 hPa上0℃線位置變化Fig.6 Position changes of 700 hPa and 850 hPa on 0℃ line from January 24 to 27

3.3 T-lnp分析

從兩次過程中的探空曲線可以發(fā)現(xiàn)，對流層中低層700 hPa以下均存在一定的逆溫層結(jié)。圖7給出了第二次過程中26日08時武漢站、長沙站探空曲線，可以發(fā)現(xiàn)，過程中南部(長沙)水汽條件好于北部(武漢)，溫度高于北部，但低層風場均轉(zhuǎn)為北風。從長沙探空站資料可以看到，在700～800 hPa附近存在0 ℃以上的融化層，但溫度接近于0 ℃，岳陽位于長沙北側(cè)，500 hPa以下無融化層存在，故此時，湘北為降雪天氣，部分站點達到暴雪量級，在湖南中南部，均無強將雪過程，以凍雨為主。而在武漢則一直表現(xiàn)為冷性層結(jié)，600～900 hPa溫度均低于0 ℃，實況為純雪天氣。綜合考慮兩次過程中層結(jié)曲線的變化，中低層的溫度影響了降水的性質(zhì)，600～900 hPa直接存在高于0 ℃的逆溫融化層時，以凍雨為主。當融化層消失時，且地面溫度較低時會出現(xiàn)純雪天氣(兩站1 000 hPa溫度均低于0 ℃)。

圖7 1月26日08時長沙、武漢站點T-lnp圖Fig.7 T-lnp diagram of changsha and wuhan stations at 8:00 on January 26

3.4 雷達分析

由于3—8日降雪過程不明顯，我們著重分析后一次過程中雷達回波征。整個雨雪過程中，岳陽地區(qū)為層狀云降水回波，反射率因子在30 dBz以下，從1月24—27日長時間穩(wěn)定影響岳陽地區(qū)。充沛的水汽，穩(wěn)定維持的層狀云降水，造成了岳陽地區(qū)累計降水量40～50 mm雨或雪的較嚴重災害性天氣過程。降雪過程的第一階段25—26日20時，近地面東北氣流強盛，岳陽雷達1.5°仰角出現(xiàn)了徑向速度≥12 m/s的正負速度對(牛眼)，東北風伸展高度至1.8 km，主要輻合區(qū)位于岳陽南部三縣市。降雪過程的第二階段，近地面東北氣流有所減弱，850 hPa東南氣流加強，岳陽雷達1.5°仰角上可以看出，岳陽雷達周邊0.6 km高度以上出現(xiàn)較強的東南氣流，0速度線呈S形分布，底層風向隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，輻合區(qū)在岳陽市區(qū)至岳陽縣一帶，這一時段的主要降水在岳陽市的北部縣市。降雪過程的第三階段和第一階段的雷達特征類似，強盛的東北氣流延伸到湘中一帶，主要降雪區(qū)亦位于湘中一帶。

分析岳陽雷達風廓線可知，降雪過程的第一階段25—26日20時，2.1 km高度以下各層為穩(wěn)定的東北氣流控制，850 hPa冷墊長時間維持。2.4～4.9 km高度為風速≥12 m/s的西南急流區(qū)，700 hPa水汽輸送旺盛。降雪過程的第二階段，西南氣流加強擴展至低層，1.8～4.9 km高度均為西南氣流控制，中低層水汽輸送有所加強。850 hPa以下東北氣流厚度有所減薄，但氣溫仍為-6 ℃，降水相態(tài)為雪，岳陽北部縣市降雪明顯。降雪過程的第三階段和第一階段的雷達風闊線特征類似。

4 模式預報分析

歐洲中心細網(wǎng)格3日08時起報的72 h雨雪分布圖(圖略)上，岳陽有雨夾雪或雪，預報降雪明顯，對比實況，湘西北出現(xiàn)降雪，但是在岳陽等湘東北地區(qū)出現(xiàn)降雪不明顯，預報與實況存在一定的差異。而在第二次過程中預報一直都比較穩(wěn)定，模式23日前一直預報24日轉(zhuǎn)雨，25日轉(zhuǎn)雪，實況與預報較接近。24日過程開始后，細網(wǎng)格根據(jù)實況天氣對預報進行修正，預報效果較好。圖8給出了24日08時、25日08時細網(wǎng)格對岳陽站單點降雪預報，可以看到，模式預報24 h預報以雨為主，24～36 h為雨夾雪， 36～60 h為雪，26日20后再次轉(zhuǎn)為雨夾雪。25日08時起報的與24日預報相對穩(wěn)定，都較好的預報了此次過程開始、結(jié)束時間，降雪范圍、強度及積雪深度。

圖8 24日08時、25日08時細網(wǎng)格對岳陽站單點降雪預報Fig.8 Single point snowfall forecast of yueyang with ec-thin at 08∶00 on 24th and 08∶00 on 25th

5 小結(jié)

在極渦分裂南下，其中一個中心穩(wěn)定于東亞中高緯的環(huán)流背景下，2018年1月3—8日、24—28日我國中東部地區(qū)經(jīng)歷了兩次較長時間、大范圍的低溫雨雪冰凍天氣過程，岳陽在24—28日出現(xiàn)中度冰凍、部分重度冰凍災害。通過應用多種常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料和新一代多普勒雷達資料，對此次過程的大尺度環(huán)流及水汽輸送特征進行診斷分析，細致分析了兩次過程相似與差異點，對兩次過程中降水性質(zhì)的差異進行分析，著重探討了24—28日雨雪冰凍的成因，可以得出以下結(jié)論：

①受強冷空氣南下影響，岳陽出現(xiàn)兩次低溫雨雪冰凍過程，兩次過程的雨雪量分別為40.2 mm、46.2 mm，3—8日過程以雨或凍雨為主，第二次過程以雪為主，且冷空氣強于前一次。24—29日岳陽出現(xiàn)中度冰凍，部分達重度冰凍，最大積雪深度6 cm，最大結(jié)冰厚度3 mm。

②極渦分裂南下，但是兩次過程的位置略有差異；冷空氣南下與中低層暖濕氣流匯合于中東部一帶，配合南支槽影響，是造成此兩次過程的主要原因；700 hPa的急流顯著，最大風速超過20 m/s，持續(xù)而強盛的水汽輸送對冰凍的強度和范圍起較大的作用；低層水汽通量的大值區(qū)及輻合區(qū)與雨雪區(qū)對應較好。

③從降水相態(tài)變化分析，我們可以看到，第一次過程只有2個時次出現(xiàn)雪，而在后一次中，自25日晚—28日岳陽一直維持降雪；在這兩次過程中降水(雪)時間段與垂直上升運動區(qū)對應較好，影響降水相態(tài)主要是垂直溫度層結(jié)；第一次過程中，800～700 hPa中間出現(xiàn)>0 ℃的逆溫層，以降雨或凍雨為主；而從25日晚開始整層溫度<0 ℃時，以降雪為主。從雷達圖上可以看到，低層轉(zhuǎn)偏北風使得下層有冷墊，有利于降雪的形成。

④在兩次過程中，EC細網(wǎng)格預報在過程降水的起止預報中都做的比較好，相對而言，在第二次過程中預報更加準確。主要體現(xiàn)在對降水相態(tài)的預報上，第一次過程中預報了雪，但是時段與量級都存在差異；而在后一次過程，雨雪的轉(zhuǎn)換時間及量級都預報相對準確。