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        黑龍江省雨夾雪災(zāi)害天氣判別指標(biāo)研究

        2020-12-06 05:22:38
        黑龍江氣象 2020年3期
        關(guān)鍵詞:平流探空急流

        (黑龍江省氣象臺,黑龍江哈爾濱 150030)

        1 引言

        在我國北方地區(qū)的秋天到冬天,或者冬天到春天的過渡季節(jié),一般情況下降水相態(tài)較為復(fù)雜,分為雨、雨夾雪和雪等,降水的相態(tài)不同所引發(fā)的自然災(zāi)害也將有所不同,這個季節(jié)若是雨的話,一般對各方面影響不大,但如果是雨夾雪或者雪將會帶來較為嚴(yán)重的次生災(zāi)害。雨(雨夾雪)轉(zhuǎn)雪造成的冰凍災(zāi)害是我國北方地區(qū)過渡季節(jié)和南方地區(qū)冬季的主要?dú)庀鬄?zāi)害,它可能造成交通運(yùn)輸中斷,交通事故頻發(fā),有時造成電線結(jié)冰、通信中斷,還可能造成育苗大棚、蔬菜大棚、臨時搭建物及棚架坍塌,林業(yè)、畜牧業(yè)等也會受到嚴(yán)重影響,危害人民生命及財(cái)產(chǎn)的安全,更為嚴(yán)重的時候甚至?xí)茐纳鷳B(tài)平衡,2008 年冬發(fā)生在南方大范圍的雨雪冰凍給社會的方方面面造成了嚴(yán)重災(zāi)害[1-6]。國內(nèi)不少學(xué)者對降水相態(tài)預(yù)報進(jìn)行了一系列研究和探討。研究內(nèi)容主要包括形成天氣形勢、大氣環(huán)流背景及其對應(yīng)的動力、熱力及水汽特征,并對相關(guān)的物理量診斷分析,雷達(dá)、衛(wèi)星等非常規(guī)觀測資料的特征分析等[4-8]。另外一些學(xué)者對冬季降水相態(tài)與低層溫度和厚度的關(guān)系進(jìn)行預(yù)報的識別判定[9-14]。黑龍江省的過渡季節(jié)多雨夾雪天氣發(fā)生,秋末冬初和冬末春初的大~暴雪往往伴隨著雨轉(zhuǎn)雪。在黑龍江省每年冬季第一場雨夾雪轉(zhuǎn)雪,如果是突然降臨,還會對秋季大田作物造成雪埋,作為國家糧食基地,糧食安全會受到嚴(yán)重影響。因此對于過渡季節(jié)雨夾雪的準(zhǔn)確預(yù)報具有非常重要的意義。

        2 資料和方法

        本文主要利用常規(guī)地面、探空資料、數(shù)值預(yù)報零場資料、雷達(dá)及衛(wèi)星資料。選取黑龍江省氣象臺2000-2010 年黑龍江省探空觀測站點(diǎn)4 個和81 站點(diǎn)的地面資料。地面資料則取每3 h 一次的觀測資料,高空則為08 時和20 時兩個時次。

        3 黑龍江省雨夾雪的月分布及天氣尺度特征

        黑龍江雨夾雪時間分布有明顯的月分布特征;不同天氣尺度的系統(tǒng)下的雨夾雪,一般有低空急流的相配合。

        3.1 黑龍江省雨夾雪的月分布特征

        雨夾雪季節(jié)分布特征:黑龍江省雨夾雪的發(fā)生有明顯的季節(jié)變化。3、4、10 和11 月份是雨夾雪發(fā)生的高值區(qū),而3、4、10 和11 月合起來占總站次的95.6%。其他月份則明顯減少,7、8 月沒有發(fā)生過。其中4 月發(fā)生最多,占總站次的36.6%,其次是3 月,占總站次的32.2%。

        3.2 天氣尺度特征

        影響黑龍江省雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪的高空天氣環(huán)流形勢主要有蒙古低槽型、南北槽疊加型、低渦型、河套低槽型和西北環(huán)流型。地面影響系統(tǒng)主要有蒙古氣旋、華北低壓、江淮氣旋和日本海低壓,其中后三者占絕大多數(shù)。

        3.3 低空急流對雨夾雪的影響

        經(jīng)統(tǒng)計(jì),大多數(shù)雨夾雪天氣過程都伴隨有低空急流,大部都伴有低空急流出現(xiàn),以西南低空急流為主,東南低空急流很少,急流北端一般情況下最北達(dá)到45°N,如果超過45°N 以北,則雪區(qū)也將會北移。一般蒙古低槽槽前低空急流位于115-125°E,40-45°N 的范圍內(nèi),河套低槽,地面為渤海低壓或華北低壓,低空急流可南伸至37°N,地面為江淮氣旋北上影響時,低空急流為偏南急流或偏東南急流,而它的位置和范圍更偏南、偏東。低空急流帶來暖濕空氣,偏南偏東急流來自日本海,水汽條件更好,相應(yīng)的降水量就會越大,所以黑龍江省出現(xiàn)的雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪和大暴雪天氣過程大多在黑龍江省的東部或東南部地區(qū)。

        4 850 hPa 環(huán)境場特征分析

        分析45 個雨夾雪08、20 時次的個例,地面和高空資料時次一致,地面上主要考慮雨夾雪的區(qū)域范圍,高空重點(diǎn)分析等溫線的分布,冷暖平流分布,風(fēng)速大小。得出雨轉(zhuǎn)雪的溫度場、冷暖平流預(yù)報指標(biāo)??偨Y(jié)出850 hPa 溫度、850 hPa 溫度平流和拔海高度決定降水性質(zhì)。這一指標(biāo)在北方大部分省份也基本適用。另外還綜合考慮了地形對降水性質(zhì)的影響。

        表1 降水相態(tài)850 hPa 溫度指標(biāo)及冷暖平流情況(適用于拔海高度<200 m 的平原地區(qū))

        降水性質(zhì)(雨、雪) 的預(yù)報指標(biāo)(表1)。預(yù)報地點(diǎn)拔海高度每升高100 m 相應(yīng)的指標(biāo)值增加0.4℃。在拔海高度1000 m 左右的地區(qū)相應(yīng)的指標(biāo)值增加3 ℃。

        在上述指標(biāo)中,降水性質(zhì)未作區(qū)分的溫度區(qū)間在某些情況下還可以細(xì)分,如:對于深厚的降水天氣系統(tǒng)其冷平流或無平流溫度區(qū)間的下限可增加1℃。制作預(yù)報時,先根據(jù)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品850 hPa 鋒區(qū)、相對濕度、風(fēng)速輻合等信息確定降水區(qū)域及降水時間;再分析預(yù)報地點(diǎn)在降水發(fā)生時的850 hPa 溫度、850 hPa 溫度平流及預(yù)報地點(diǎn)的拔海高度。根據(jù)降水相態(tài)的預(yù)報指標(biāo)可以預(yù)報雨雪轉(zhuǎn)換的時間,可以更很好地做好預(yù)報。

        圖1 探空資料隨溫度變化雨夾雪百分比變化曲線

        5 高空、地面要素統(tǒng)計(jì)特征

        資料及統(tǒng)計(jì)分析,選取黑龍江省氣象臺2000—2010 年黑龍江省4 個探空觀測站點(diǎn)(嫩江、伊春、齊齊哈爾、哈爾濱)和81 站點(diǎn)的地面資料??紤]到08和20 時分別為傍晚和早晨,受太陽輻射的差異影響不大,在黑龍江的秋冬春季節(jié),這兩個時間幾乎都沒有太陽輻射,所以兩個時刻的資料不考慮日變化,將兩個時間的資料一起處理。地面資料則取每3 h 一次的觀測資料。

        5.1 雨夾雪高空溫度閾值特征分析

        分析519 站次雨夾雪探空資料得出:500 hPa上-15-(-40) ℃,700 hPa 上-26-(-2) ℃,850 hPa 上-14-7℃,925 hPa 上-11-8 ℃,以上高度層上相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)都有雨夾雪天氣出現(xiàn)。從整體上看,整個雨夾雪的溫度區(qū)間500 hPa 范圍相對較大,預(yù)報業(yè)務(wù)中實(shí)用性很差。700 hPa 高度上-1-(-12) ℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的雨夾雪占所有雨夾雪的61%,其他溫度區(qū)間占的比例小且分散比例為39%,850 hPa 高度上-3-(-8)℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的雨夾雪占所有雨夾雪的72%,其他溫度區(qū)間占的比例為28%,925 hPa 高度上-4-0 ℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的雨夾雪占所有雨夾雪的69%,其他溫度區(qū)間占的比例為31%,從圖1 變化曲線上來看,850 和925 hPa 的溫度預(yù)報參考性較好。又因?yàn)?50 hPa 零場資料有溫度資料,所以主要考慮850 hPa 溫度對于雨夾雪的影響。

        5.2 雨夾雪零度層高度分析

        利用上述519 個探空站資料進(jìn)行零度層高度分析。找出216 個個例零度層高度對應(yīng)值,氣壓最高為826 hPa,最低1016 hPa,黑龍江省的4 個探空站也稍有差別,50557 站826-985 hPa,50774 站845-990 hPa,50745 站850-1013 hPa,50953 站835-1016 hPa。由圖2 可知,零度層不同站點(diǎn)集中層次不一樣,50557 站主要集中在960-1000 hPa 上,其次是920-960 hPa 上,50774 站主要集中在980-1020 hPa,其次是920-960 hPa 上,50745 站主要集中在960-990 hPa 上,50953 站主要集中在980-1020 hPa,其次是820-860 hPa 上。零度層高度是雨夾雪的發(fā)生的一個重要指標(biāo),同時也應(yīng)關(guān)注不同地點(diǎn)的差異。

        圖2 (a)50557;(b)50774;(c)50745;(d)50953零度層高度所在氣壓層分布

        5.3 地面資料分析

        5.3.1 地面溫度分析

        統(tǒng)計(jì)2000-2010 年3849 個站次的地面現(xiàn)在天氣現(xiàn)象為雨夾雪個例,如表2 可知,按每一度變化來看1.5 m 氣溫觀測值為0 ℃<X≤1 ℃,幾乎占總站次的一半(42.4%),合并溫度范圍可知1.5 m 氣溫觀測值為-1 ℃<X≤2 ℃時占總雨夾雪站次的82%。則雨夾雪1.5 m 氣溫預(yù)報指標(biāo)的閾值范圍為-1 ℃<X≤2℃。所有雨夾雪站次的溫度平均值為0.5 ℃。

        表2 雨夾雪天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時1.5 m 氣溫觀測值閾值范圍及其百分比變化

        5.3.2 地面風(fēng)向分析

        從圖3 風(fēng)向雷達(dá)圖上可以分析雨夾雪天氣時,地面多偏北風(fēng),除正東、正西方向以外,290°-70°占51%,110°-250°僅占15%。160°(南偏東)風(fēng)向占的最少,其次是180°(南向)。

        5.3.3 地面風(fēng)速分析

        從圖4 可知:地面風(fēng)速在0-6 m/s 占總站次的91%,也就是說雨夾雪天氣發(fā)生時一般情況下地面風(fēng)速較小,2 m/s、3 m/s 的風(fēng)速所占比例均接近20%。所有雨夾雪所有站次的風(fēng)速平均值為3.39 m/s。

        圖3 風(fēng)向變化雷達(dá)圖

        5.4 小結(jié)

        不同高度場上,溫度指標(biāo)差異較大,但高度越低,閾值范圍越小,越便于常規(guī)預(yù)報業(yè)務(wù)中應(yīng)用,雨夾雪地面溫度閾值范圍為-1 ℃<X≤2 ℃。風(fēng)向以偏北風(fēng)為主,地面風(fēng)速在0-6 m/s 占總站次的91%,也就是說雨夾雪天氣發(fā)生時一般情況下地面風(fēng)速較小。

        6 結(jié)論與討論

        6.1 總結(jié)和主要結(jié)論

        黑龍江省雨夾雪的發(fā)生有明顯的季節(jié)變化。3、4、10 和11 月份是雨夾雪發(fā)生的高值區(qū),合起來占總站次的95.6%。其中4 月發(fā)生最多,占總站次的36.6%,其次是3 月,占總站次的32.2%。

        高空天氣環(huán)流形勢主要有蒙古低槽型、南北槽疊加型、低渦型、河套低槽型和西北環(huán)流型。地面影響系統(tǒng)主要有蒙古氣旋、華北低壓、江淮氣旋和日本海低壓,其中后三者占有絕大多數(shù)。

        高空溫度閾值特征:850 hPa 高度上-3-(-8) ℃;925 hPa 高度上-4-0 ℃;預(yù)報參考性較好。地面溫度閾值特征:-1 ℃<X≤2 ℃。零度層高度分析:零度層高度最高826 hPa 最低1016 hPa,50557 站826-985 hPa,50774 站845-990 hPa,50745 站850-1013 hPa,50953 站83-1016 hPa。

        在拔海高度200 m 以下的平原地區(qū),850 hPa 溫度及冷暖平流分析,850 hPa 溫度、溫度平流和拔海高度決定降水(雨、雪)性質(zhì)。降水相態(tài)的預(yù)報指標(biāo)為:較強(qiáng)冷平流時850 hPa 溫度>2 ℃則降雨,≤-2 ℃則降雪,在-2-(-2) ℃之間則降雨夾雪;較弱冷平流時,則溫度指標(biāo)減1℃。較強(qiáng)暖平流時850 hPa 溫度>-2 ℃則降雨,≤-6 ℃則降雪,在-2-(-6) ℃之間則降雨夾雪;較弱暖平流時,則溫度指標(biāo)值增加1℃。無明顯溫度平流時850 hPa 溫度>0 ℃則降雨,≤-4 ℃則降雪,在0-(-4) ℃之間則降雨夾雪。預(yù)報地點(diǎn)拔海高度每升高100 m 相應(yīng)的指標(biāo)值增加0.4℃。在拔海高度1000 m 左右的地區(qū)相應(yīng)的指標(biāo)值增加3 ℃

        6.2 存在的問題和未來工作的展望

        處理資料的過程中,可以更細(xì)的考慮到降水開始時間與結(jié)束時間,可以更細(xì)的審定降水性質(zhì)與其它要素的關(guān)系,但沒有探空資料,可以考慮降水性質(zhì)有變化的時候及時加密探空,以取得高空數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)影響降水性質(zhì)的其他要素的定量化處理,從而實(shí)現(xiàn)降水性質(zhì)的客觀化預(yù)報。

        基于上述問題,在今后的研究工作中,將進(jìn)行進(jìn)一步的分析工作;高精度的自動站資料可以作為研究雨轉(zhuǎn)雪的有效工具和手段,在今后的研究工作中有更深入的使用和分析,以揭示雨轉(zhuǎn)雪的觀測事實(shí),同時,加強(qiáng)雨轉(zhuǎn)雪理論方面的分析和探討。

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