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        2020年初山東一次雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過(guò)程分析

        2021-01-14 06:05:22宿秋蘭鄭麗娜
        陜西氣象 2021年1期
        關(guān)鍵詞:高空槽相態(tài)降雪

        宿秋蘭,鄭麗娜

        (東營(yíng)市氣象局,山東東營(yíng) 257091)

        冬季的降水相態(tài)類型的轉(zhuǎn)化問(wèn)題,是最具挑戰(zhàn)的預(yù)報(bào)問(wèn)題之一。一般來(lái)說(shuō),冬季的降水相態(tài)類型主要包括雨、雪、凍雨、雨夾雪及冰粒等。如果在此期間還夾雜著天氣現(xiàn)象霧的生消,那對(duì)氣象部門的天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)較大的考驗(yàn)。針對(duì)降雪,各地專家關(guān)注的比較多[1-3],因?yàn)榻笛┩殡S著強(qiáng)降溫、積雪與道路結(jié)冰等。如2008年全國(guó)經(jīng)歷的低溫雨雪天氣過(guò)程,長(zhǎng)江以南出現(xiàn)了雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)轉(zhuǎn)換,部分省份還出現(xiàn)了凍雨,而長(zhǎng)江以北多以雪為主,這次過(guò)程造成全國(guó)23個(gè)省區(qū)公路交通中斷,全國(guó)43%的省級(jí)電網(wǎng)受影響,多地設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)林果受害,受災(zāi)人口達(dá)1億多人[4-5]。此次過(guò)程中相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)結(jié)果直接影響到應(yīng)急和決策工作的開(kāi)展,因此降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制研究成為關(guān)注點(diǎn)之一。

        目前針對(duì)降水相態(tài)的研究較多,包括雨雪轉(zhuǎn)換的指標(biāo)研究及檢驗(yàn)[6-7]、降水相態(tài)變化的過(guò)程研究[8]及降水相態(tài)變化過(guò)程的數(shù)值模擬[9]等。漆梁波等[10]對(duì)我國(guó)東部不同降水相態(tài)對(duì)應(yīng)的不同溫度和不同厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得出了一組中國(guó)東部地區(qū)冬季降水相態(tài)的識(shí)別判據(jù)。楊成芳等[11]研究了山東冬半年的降水相態(tài),發(fā)現(xiàn)降水相態(tài)與影響系統(tǒng)有關(guān),江淮氣旋與回流形勢(shì)產(chǎn)生的大雪以上的強(qiáng)降雪存在著雨雪轉(zhuǎn)換。鄭麗娜等[12]利用2000—2013年冬季回流形勢(shì)36次降水個(gè)例,探討了不同形勢(shì)下溫度、氣層厚度的垂直變化特征,獲得了不同降水相態(tài)下的溫度和冷層與暖層的厚度預(yù)報(bào)指標(biāo)。以上這些研究成果,為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換提供了參考,但在全球變暖背景下極端天氣與氣候事件頻發(fā),決策部門和民眾對(duì)災(zāi)害預(yù)警的種類及精度的關(guān)注度和要求越來(lái)越高。因此,本文以2020年初山東的一次雨轉(zhuǎn)暴雪的天氣過(guò)程為例,分析此類過(guò)程形成的機(jī)制,以期更好地為冬季復(fù)雜天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

        1 資料

        所用數(shù)據(jù)包括2020年1月常規(guī)天氣圖資料、地面降水資料、加密自動(dòng)站氣象資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格資料(分辨率0.25°×0.25°),要素包括:高度、溫度、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度和散度等數(shù)據(jù)。

        2 天氣概況

        2020年1月5日08時(shí),山東境內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)降雨。20時(shí),黃河以西的部分站點(diǎn)降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪。6日08時(shí),除魯中以東仍有降雨外,其余地區(qū)降水停止。6日11時(shí),降水再次從魯南開(kāi)始,雨區(qū)逐漸北推。7日02時(shí),魯西北地區(qū)首先出現(xiàn)降雪,之后,降雪區(qū)逐漸向東擴(kuò)展。7日14時(shí),除魯南的個(gè)別站點(diǎn)降水相態(tài)為雨外,其余地區(qū)均為雪。8日14時(shí)全省降水過(guò)程結(jié)束。從此次過(guò)程的降水量(圖1)可以看出,1月5日08時(shí)—8日08時(shí),魯中以南的大部地區(qū)累積降水量達(dá)30 mm。據(jù)統(tǒng)計(jì),山東省有37站7日當(dāng)天的降水量突破1月歷史極值,達(dá)暴雪量級(jí)。

        3 大尺度影響系統(tǒng)

        3.1 前期降雨階段

        2020年1月5—6日,山東的降水相態(tài)以雨為主。從圖2a可以看出,6日08時(shí), 500 hPa圖上有南北兩支高空槽,南支槽位于青藏高原東部,槽前的西南氣流發(fā)展旺盛。北支槽位于華北北部,此槽東移攜帶弱冷空氣南下,為山東降水的產(chǎn)生提供了弱冷空氣條件。低層700 hPa形勢(shì)與500 hPa相似,在南支槽槽前形成一支強(qiáng)勁的西南氣流。850 hPa圖上,自四川伸向山東中部有一切變線,切變線東側(cè)有來(lái)自南海輸送至山東的低空急流。地面圖上,5日受倒槽影響,山東出現(xiàn)降水,6日08時(shí)(圖2b),倒槽在東移的過(guò)程中發(fā)展成黃海氣旋,山東持續(xù)受氣旋外圍氣流影響,產(chǎn)生降水天氣。

        圖1 2020-01-05T08—08T08山東省降水量(單位:mm)

        實(shí)線為500 hPa等高線或地面等壓線;虛線為850 hPa低渦環(huán)流線;箭矢為700 hPa或850 hPa急流;弧形線為槽線;雙線為850 hPa切變線;填色區(qū)為降水區(qū)。圖2 2020-01-06T08高空天氣系統(tǒng)配置圖(a)與地面圖(b)

        3.2 后期降雪階段

        2020年1月7—8日,山東省的降水相態(tài)以雪為主。1月7日開(kāi)始,山東自西向東先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪。7日08時(shí)500 hPa圖上(圖3a),原來(lái)為山東降雨提供弱冷空氣條件的華北北部的高空槽已經(jīng)東移,而對(duì)山東降雪產(chǎn)生影響的的天氣系統(tǒng)是從青藏高原東移的高空槽。我國(guó)東部海上的高壓脊非常強(qiáng)大,影響高空槽東移減慢,經(jīng)向度加大,西南氣流發(fā)展旺盛。700 hPa槽前強(qiáng)盛的西南氣流向山東輸送水汽,低層850 hPa低渦位于安徽境內(nèi),山東處于低渦北側(cè)偏東氣流中。地面圖上(圖3b),蒙古冷高壓前沿的冷空氣已到達(dá)華北,地面盛行東北風(fēng)。這樣山東內(nèi)陸地區(qū)上空構(gòu)成了近地面層為冷墊、700~500 hPa暖濕空氣沿冷墊爬升的環(huán)流形勢(shì)。此時(shí),新的黃海氣旋已經(jīng)生成,山東半島受氣旋外圍影響,水汽來(lái)源于氣旋外圍的偏東氣流。隨著近地層溫度的下降,降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪。7日20時(shí),對(duì)流層中低層的低渦東移至海上,山東逐漸被低渦后部的偏北氣流控制。地面圖上,黃海氣旋向東北方向移動(dòng),其東西半徑接近750 km,在其影響的范圍內(nèi)山東仍然有降雪。隨著蒙古冷高壓的逐漸南下,山東逐漸被冷空氣控制,對(duì)流層低層?xùn)|北風(fēng)代替西北風(fēng),降水過(guò)程結(jié)束(圖略)。

        實(shí)線為500 hPa等高線或地面等壓線;虛線為850 hPa低渦環(huán)流線;箭矢為700 hPa或850 hPa急流;弧形線為槽線;雙線為850 hPa切變線;填色區(qū)為雨區(qū);填色中的短橫線區(qū)為雪區(qū)。圖3 2020-01-07T08高空天氣系統(tǒng)配置圖(a)和地面圖(b)

        可以看出,這次5—8日的降水過(guò)程主要分為兩段,分別受不同的天氣系統(tǒng)影響。在前期的降雨階段,主要影響系統(tǒng)是中緯度高空槽、低層切變線、地面倒槽與黃海氣旋;后期的降雪過(guò)程是南支槽發(fā)展東移的高空槽、低渦與新生的黃海氣旋。同時(shí),在這次降水過(guò)程中,山東內(nèi)陸與半島降雨轉(zhuǎn)為降雪的時(shí)間存在明顯差異,后期的降雪過(guò)程降水量明顯偏大,這些問(wèn)題是關(guān)注的重點(diǎn)。

        4 降水相態(tài)分析

        4.1 地面觀測(cè)資料

        這次過(guò)程魯南開(kāi)始出現(xiàn)降雨,雨雪轉(zhuǎn)換則是先從魯西北開(kāi)始,山東內(nèi)陸與山東半島的雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)間明顯不同。為了弄清楚山東內(nèi)陸與山東半島氣象要素的演變差異,選用濟(jì)南站與青島站作為山東內(nèi)陸與半島的代表站進(jìn)行分析。從地面三線圖(圖4,見(jiàn)第19頁(yè))可以看出,兩站的氣壓從5日08時(shí)至8日14時(shí)均是先降后升。濟(jì)南站的最低氣壓出現(xiàn)在7日08時(shí),其值為1 002.1 hPa,青島站出現(xiàn)在7日14時(shí),其值為1 001.4 hPa,顯然青島站的氣壓值略低,這可能是青島站離氣旋中心較近的緣故。從溫度演變來(lái)看,濟(jì)南站的氣溫自5日08時(shí)的4 ℃逐漸下降,當(dāng)氣溫降至1 ℃以下時(shí),降水相態(tài)轉(zhuǎn)為降雪。而青島站5日08時(shí)至7日08時(shí),氣溫不降反而略有上升,一直維持在4 ℃以上,降水相態(tài)為雨;7日14時(shí),該站氣溫陡降至1 ℃以下,降水相態(tài)由降雨轉(zhuǎn)為降雪。從露點(diǎn)的演變來(lái)看,降水期間,相較青島站而言,濟(jì)南站的露點(diǎn)與溫度趨于重合。從6 h降水量(柱狀)圖來(lái)看,濟(jì)南站的降雨量小于降雪量,而青島站反之。這些地面要素場(chǎng)的諸多差異,主要緣于兩站所受的影響系統(tǒng)及所處的地理位置不同。

        4.2 溫度指標(biāo)

        在這次長(zhǎng)達(dá)3 d的降水過(guò)程中,山東內(nèi)陸與半島均存在著降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變。從表1可以看出,1月5日20時(shí),濟(jì)南站與青島站850 hPa的溫度僅差0.2 ℃,但是越靠近地面,兩站的溫度差異越大。1 000 hPa的溫度,青島站較濟(jì)南站高4.2 ℃,且該站0 ℃層的高度偏高,使高空降落的雪花在到達(dá)地面的過(guò)程中融化形成降雨;而濟(jì)南站由于0 ℃層高度偏低,加之1 000 hPa至地面的溫度在2 ℃以下,不足以使雪花融化,所以觀測(cè)到的是降雪。6日08—20時(shí),是近地層溫度的升高階段,兩站的降水相態(tài)均為雨。不過(guò),濟(jì)南站5日20時(shí)與6日20時(shí)近地層的溫度相差不大,只是6日20時(shí)0 ℃層高度略高。7日08時(shí),濟(jì)南站由于氣溫驟降,降水相態(tài)為雪;而青島站,盡管溫度也在下降,但是其0 ℃層高度在850 hPa,近地層溫度偏高,降水相態(tài)仍為雨。7日20時(shí),兩站的近地層溫度均降至0 ℃以下,降水相態(tài)均為雪??梢?jiàn),近地層溫度與0 ℃層高度是判定降水相態(tài)的有效指標(biāo)。

        表1 2020年1月5—7日濟(jì)南站與青島站近地層溫度與0 ℃層等壓面高度

        4.3 厚度指標(biāo)

        近地面的冷層厚度往往決定著該層溫度的變化。當(dāng)近地層為偏東風(fēng)或西北風(fēng)時(shí),形成冷層,導(dǎo)致地面溫度迅速下降。從這次降水過(guò)程來(lái)看,1月5日20時(shí),濟(jì)南站925 hPa至地面多為偏東風(fēng),形成冷層,厚度約為1 km。此時(shí)青島站,近地層多為自海面吹來(lái)的東南風(fēng),不利于降溫。6日20時(shí),濟(jì)南站的近地面冷層加厚至2 km。青島站的冷層厚度約為1.2 km。7日08時(shí),濟(jì)南站的冷層進(jìn)一步加厚,其高度到達(dá)800 hPa,厚度約2.1 km。青島站近地層的東北風(fēng)也自地面擴(kuò)展到830 hPa,厚度接近2 km。冷層的逐漸增厚引起近地層溫度驟降。7日20時(shí),濟(jì)南站400 hPa至地面均變?yōu)槔鋵樱邓呌诮Y(jié)束。而青島站,700 hPa至地面為冷層,厚度約為3 km,但其上各層為偏西或西南風(fēng)。說(shuō)明,該站上空還未完全被冷空氣控制,降水會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

        5 物理量診斷

        5.1 雨雪轉(zhuǎn)換的水汽條件

        在冬季,產(chǎn)生10 mm以上的降雨和降雪,需要有充沛的水汽供應(yīng)。從700 hPa水汽通量與850 hPa水汽通量散度來(lái)看,6日08時(shí)(圖5a,見(jiàn)第19頁(yè)),高空槽前的西南氣流形成了東北—西南向的水汽通道。水汽的來(lái)源有兩處,一是來(lái)自高空槽前,二是來(lái)自副熱帶高壓的外圍(圖2a),山東省處于水汽的輻合區(qū)內(nèi)。7日08時(shí),高空槽前的西南氣流發(fā)展的更加旺盛,水汽通道的經(jīng)向度加大,并在山東半島形成明顯的水汽輻合 (圖5b,見(jiàn)第19頁(yè))。

        5.2 雨雪轉(zhuǎn)變的動(dòng)力條件

        要產(chǎn)生降水,僅有水汽條件是不夠的,還需要有適宜的動(dòng)力條件。圖6(見(jiàn)第19頁(yè))給出了整個(gè)降水過(guò)程期間濟(jì)南站與青島站上空的垂直速度與散度。從圖6可以看到,在5—6日的降水過(guò)程中,濟(jì)南上空氣流輻合高度在800 hPa以下,最強(qiáng)的上升速度中心在700 hPa;而青島站上空氣流的輻合高度更低,僅為925 hPa,上升速度較濟(jì)南上空的略強(qiáng)。7日,當(dāng)濟(jì)南站轉(zhuǎn)為降雪階段時(shí),850~1 000 hPa是輻散層,對(duì)應(yīng)著氣流層中的冷空氣,850 hPa以上的上升速度明顯加強(qiáng),并在700 hPa與400 hPa各形成一個(gè)上升速度中心。青島站發(fā)生降雪時(shí)的形勢(shì)與濟(jì)南站不同,7日14時(shí),青島站上空的上升運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到300 hPa以上,上升運(yùn)動(dòng)中心約在600 hPa附近,不穩(wěn)定層抬升至600 hPa。7日20時(shí)之后,隨著強(qiáng)冷空氣入侵,上升氣流迅速被下沉氣流代替,降水過(guò)程結(jié)束。

        圖4 2020-01-05—08濟(jì)南站和青島站地面三線圖及6 h降水量(文見(jiàn)第17頁(yè))

        圖5 700 hPa水汽通量(陰影區(qū),單位為g/(s·cm·hPa))與850 hPa水汽通量散度(等值線,單位為10-7g/(s·cm2·hPa))(a 2020-01-06T08,b 2020-01-07T08)(文見(jiàn)第18頁(yè))

        圖6 2020-01-05—08濟(jì)南站(a)與青島站(b)垂直速度(等值線,單位為10-2 hPa/s)及散度(填色區(qū),單位為10-5 s-1)時(shí)間垂直剖面圖

        6 結(jié)論

        (1)此次過(guò)程分為兩段,5—6日主要是降雨過(guò)程,影響系統(tǒng)是華北北部的高空槽、切變線與地面倒槽、黃海氣旋;7—8日為降雪過(guò)程,影響系統(tǒng)是自青藏高原東部東移的高空槽、低渦與新生的黃海氣旋。

        (2)降雨階段,山東處于高空槽前,水汽來(lái)源于高空槽前的西南氣流,水汽的輻合與上升速度偏弱,不穩(wěn)定層出現(xiàn)在對(duì)流層低層;降雪階段,山東內(nèi)陸地區(qū)近地面層形成冷墊,700~500 hPa槽前暖濕空氣沿冷墊爬升,不穩(wěn)定層較降雨時(shí)明顯抬升,上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。山東半島在降雪階段受黃海氣旋外圍影響,水汽來(lái)源主要是氣旋外圍的偏東氣流。

        (3)地面冷層厚度能引起該層溫度的變化:當(dāng)冷層厚度在2 km以下時(shí),降水相態(tài)為雨;超過(guò)2 km時(shí),降水相態(tài)為雪;當(dāng)冷層厚度達(dá)到5 km以上時(shí),降水過(guò)程結(jié)束。

        (4)近地面溫度與0 ℃層高度相結(jié)合對(duì)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換有很好的指示作用。

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