王艷蘭 伍靜 唐橋義 唐熠 黎微微
(廣西省桂林市氣象局,桂林 541001)
隨著經(jīng)濟發(fā)展,低溫雨雪冰凍災害影響明顯增大,給農(nóng)業(yè)、電力、交通等行業(yè)帶來嚴重損失。2008年嚴重災害之后,低溫雨雪冰凍天氣倍受各行業(yè)關注,氣象專家對此進行了多方面研究[1],陶詩言和衛(wèi)捷[2]認為2008年大范圍低溫冰雪天氣是由于歐亞大陸出現(xiàn)異常的大氣環(huán)流,如1月下旬亞洲中高緯地區(qū)阻塞高壓及里海切斷低壓長時間維持及副高西北側西南暖濕氣流不斷輸送到我國華南造成;陶祖鈺等[3]用經(jīng)典天氣學方法研究了華南靜止鋒的三維空間配置;楊貴名等[4]通過分析鋒區(qū)特征得出冷暖氣團的長期對峙是低溫雨雪冰天氣持續(xù)的主要原因;張峻等[5]研究了我國南方冰凍天氣過程低空逆溫層特征,指出偏西南地區(qū)(貴州和湖南南部)逆溫平均強度普遍高于偏東北地區(qū)且700 hPa附近有大于等于0 ℃的暖層從而造成凍雨。鄧文劍等[6]認為2013年冬季廣東罕見持續(xù)暴雨過程同2008年初持續(xù)低溫雨雪冰凍過程均發(fā)生在相似的“北脊南槽”形勢下,但本次過程沒有在中層建立強逆溫層和低層形成過冷卻層,因而降水相態(tài)以雨為主。徐婉笛等[7]對中國冰凍天氣中Ramer算法參數(shù)化方案進行改進,更準確地模擬了霧凇發(fā)生范圍。肖平等[8]對湖南雨凇時空分布特征及影響因子進行分析,指出雨凇發(fā)生于相對濕度較大、極大風為偏北風且風速較小、最低氣溫在-3 ℃、最高氣溫在0 ℃的環(huán)境中。李進等[9]利用NCEP再分析等資料對杭州市近十年典型雨轉(zhuǎn)雪天氣成因及預報模型進行研究,并發(fā)現(xiàn)降雪須達到T2m≤1.5 ℃、T925≤-4.0 ℃、T850≤0 ℃、T700≤-1.0 ℃和T500≤-10.0 ℃的溫度層結條件。董天翔等[10]用3種統(tǒng)計預報模型開展了道路結冰低溫災害預警試驗研究,取得了較好的預報效果。胡利軍等[11]利用多種技術建立了雨雪冰凍自動監(jiān)測系統(tǒng),及時準確反映雨雪冰凍情況。對湖南、貴州、廣西、廣東的低溫冰凍天氣也有較多研究,姚蓉等[12]分析2014年湖南3次雨雪過程時發(fā)現(xiàn)凍雨與降雪的主要區(qū)別是降雪無融化層;杜小玲等[13]分析表明強大且穩(wěn)定的阻塞高壓以及活躍的副熱帶南支鋒區(qū)是貴州2011年持續(xù)低溫的環(huán)流背景,25°N的低層切變、準靜止鋒是低溫雨雪天氣的重要影響系統(tǒng);覃志年等[14]認為“北脊南槽”的分布形勢是造成廣西異常低溫過程的主要環(huán)流背景;梁平等[15]利用氣象因子評價指標及加權平均法,建立了黔東南州低溫雨雪冰凍災害影響程度定量評價模型;劉蕾等[16]分析廣西兩次典型低溫雨雪過程時強調(diào)近地面層強冷平流及中低層水汽持續(xù)輸送是雨雪冰凍持續(xù)的主要原因;王曉芳等[17]對2016年廣東寒潮雨雪冰凍天氣進行了分析,并強調(diào)暖層的明顯減弱及暖層下方濕球溫度低于0 ℃冷凍層的強度增強,導致降水相態(tài)由雨向雪、雨夾雪、霰等固態(tài)降水轉(zhuǎn)變。另外,吳古會等[18]分析鋒生函數(shù)指出冰凍形成過程中具有明顯鋒生過程,表明冷空氣補充導致靜止鋒活躍有利于冰凍天氣的形成;錢維宏等[19]利用去逐日氣候變化后的逐日850 hPa溫度擾動對南方持續(xù)低溫凍雨事件預測的前期信號進行分析,指出中國南方2008年初低溫過程的850 hPa冷空氣擾動都來自北非-中東并繞過青藏高原北側到達中國南方。本文對近10年來影響廣西北部的主要低溫雨雪冰凍過程進行對比分析,歸納低溫雨雪冰凍的環(huán)流特征以及低溫持續(xù)、降雪、雨凇等特殊天氣的有利氣象條件等,為預報此類災害天氣預報提供依據(jù)。
本文使用國家站地面溫度和降水資料、常規(guī)觀測資料以及全球大氣變量再分析資料。溫度和降水資料為廣西92個國家級(縣級以上)地面氣象站的逐日氣溫(主要使用最低氣溫)和降水量;常規(guī)觀測資料為500、700、850 hPa及地面08:00、20:00天氣圖資料如T-lnp圖及地面天氣現(xiàn)象等觀測資料;全球大氣變量再分析資料為NCEP/NCAR逐日平均2.5°×2.5°格點資料,如500 hPa高度場、850 hPa溫度場、700 hPa風場等,時間范圍為2007—2019年。大氣擾動變量采用NCEP/NCAR 再分析逐日平均2.5°×2.5°格點資料,時間范圍為1990—2019年(平均場用30年平均)。本文研究時段是2007—2018年當年12月至次年2月。
采用統(tǒng)計、歸納方法分析低溫雨雪冰凍過程的環(huán)流特征,并進行過程分類。應用大氣變量物理分解法[19]計算擾動變量,全球大氣位勢高度場和溫度場都可以分解成4個分量:緯圈平均的對稱氣候、非對稱氣候、緯圈平均的瞬變對稱擾動和瞬變非對稱擾動,如溫度分解成4個分量為:
T'*(λ,φ,t)
(1)
本文研究的低溫雨雪冰凍日定義為廣西國家站3站以上出現(xiàn)低溫(24 h最低氣溫Tm≤0 ℃)、24 h降水量≥0.1 mm、局部伴有結冰、降雪或凍雨。將連續(xù)3天以上的低溫雨雪冰凍日定義為一次低溫雨雪冰凍過程即低溫過程。統(tǒng)計2008—2019年廣西共出現(xiàn)13次低溫過程(表1),平均每年1.2次,累計低溫雨雪冰凍日66 d,平均每次持續(xù)5 d,持續(xù)時間最長為2008年1月過程,長達20 d,其次為2018年1月,長達8 d,其余多數(shù)為4 d以下的短過程。影響范圍最大的是2016年,雖然地面低溫站數(shù)及降雪量較少,但降雪(主要為飄雪)站數(shù)多達60站,也是重點關注的過程。按照影響系統(tǒng)相似原則,根據(jù)中高緯度環(huán)流及槽脊分布特點分階段統(tǒng)計廣西13次低溫過程的500 hPa高度場,將廣西低溫過程分為穩(wěn)定阻塞型、減弱阻塞型、兩槽一脊型、多波動型。
表1 2008—2019年廣西低溫雨雪冰凍過程時空分布及環(huán)流型
將各環(huán)流型過程的總天數(shù)進行統(tǒng)計,按各類型總天數(shù)進行高度場、溫度場合成平均,可分析不同類型低溫過程各層環(huán)流特征。
穩(wěn)定阻塞型有2次過程共23 d(2008年1月21日至2月4日、2018年1月26日至2月2日),其環(huán)流特征為:烏拉爾山及以東為阻塞高壓,東南側貝加爾湖(簡稱貝湖,下同)到巴爾喀什湖(簡稱巴湖,下同)有橫槽,橫槽南側(40°N以南)為平直西風或淺槽(圖1a),過程持續(xù)天數(shù)6~15 d。
減弱阻塞型有6次過程共24 d(2008年1月14—18日、2008年12月22—24日、2011年1月3—5、18—22日、2012年1月23—26日, 2018年12月30—31日至2019年1月2日),環(huán)流特征:烏拉爾山以東有高壓或阻塞高壓,南側有橫槽或切斷低壓,橫槽東段趨于崩潰,貝湖以東偏北分量大,橫槽南側(40°N以南)中緯環(huán)流為淺脊(圖1b),過程持續(xù)天數(shù)3~5 d。
兩槽一脊型有3次過程共10 d(2009年1月24—26日、2013年1月4—7日、2016年1月24—26日),環(huán)流特點:65°~110°E、60°N以南為同位相脊,兩側為低壓槽(圖1c),過程持續(xù)天數(shù)為2~4 d。
多波動型有2次過程共9 d(2011年1月11—13日,2014年2月10—15日),環(huán)流特征:60°~130°E無明顯槽脊,以平直西風或小波動環(huán)流為主(圖1d),過程持續(xù)天數(shù)3~5 d。
圖1 各類型500 hPa合成平均高度場(單位:dagpm):(a)穩(wěn)定阻塞,(b)減弱阻塞,(c)兩槽一脊,(d)多波動
從中高層環(huán)流形勢可以看出,有利于低溫過程持續(xù)的因素主要有兩個,一個是阻塞穩(wěn)定的高緯形勢,可以不斷將冷空氣補充到高原東部中低緯廣西北部一帶,另一個是40°N以南至孟加拉灣(簡稱孟灣,下同)北部的廣西上游地區(qū)的偏西到西南氣流(700 hPa更明顯),有利于陰雨天氣。如果兩者都具備,如穩(wěn)定阻塞型,阻塞高壓與南支槽都明顯,造成長低溫過程,凍雨及雨夾雪明顯;如果只具備一個,則持續(xù)條件一般;如果兩者都不具備,低溫過程將明顯減弱,形成短過程,如2009年1月24—26日槽脊型,既無阻塞形勢,中低緯廣西上游又為淺脊控制,所以造成的低溫時間也最短,因此可以根據(jù)500 hPa環(huán)流型來診斷低溫過程的持續(xù)時間。
合成各類型700 hPa高度場與溫度場可知,與500 hPa相比,700 hPa中低緯度槽脊更加明顯(圖2),廣西上游至孟灣北部有明顯的南支槽,對應風場上南支槽兩側有明顯的西北風及西南風,分別作為冷空氣的引導氣流和暖濕氣流的輸送帶,使干冷與暖濕氣流在高原東部中低緯地區(qū)匯合,有利于降水。穩(wěn)定阻塞型南支槽寬廣而深厚,槽底南伸至了17°N,孟灣北部高度低至309 dagpm,槽前等高線也很密集(圖2a),說明有穩(wěn)定且強勁的西南暖濕氣流向廣西輸送水汽,有利于形成長時間低溫陰雨(雪)天氣;其它類型南支槽偏東偏北,范圍狹窄且等高線稀疏(圖2b、c、d),造成的低溫雨雪過程較短。西南暖濕氣流不但為雨雪天氣提供水汽條件,還為融化層提供熱量,穩(wěn)定阻塞型受較強西南氣流影響,且中高緯偏北分量偏弱,引導的冷空氣比較溫和,700 hPa溫度0 ℃線最偏北,廣西大部處于≥0 ℃的區(qū)域,并與850 hPa溫度≤0 ℃區(qū)域疊加,形成明顯逆溫區(qū),即廣西北部存在低層冷墊上的融化層,有利于形成凍雨,這也是2008年1月阻塞型長低溫過程凍雨明顯的原因;其他類型西南氣流較弱,700 hPa溫度0 ℃線較偏南,逆溫層不明顯,凍雨不明顯,多以雨夾雪、短時凍雨為主。
圖2 各類型低溫過程700 hPa平均高度場及溫度0 ℃線:(a)穩(wěn)定阻塞,(b)減弱阻塞,(c)兩槽一脊,(d)多波動(實線為等高線(單位:dagpm),長虛線700 hPa 0 ℃等溫線,點虛線為850 hPa 0 ℃等溫線,正方形為廣西北部(桂北)位置)
各類型850 hPa高度、溫度場合成平均場顯示,穩(wěn)定阻塞型冷高壓主體呈東西向,面積大,強度強,中心達156 dagpm,與冷空氣前沿合成一體,其東西向分布以及大的面積導致其移動緩慢,不斷向高原東南側中低緯度輸送冷空氣, 在廣西北部一帶形成6條等溫線密集區(qū)即寬廣強鋒區(qū)(圖3a)廣西北部處于密集鋒區(qū)中,有利于形成長時間的低溫陰雨(雪)天氣,溫度約-2~2 ℃,有利于雨雪冰凍天氣;減弱阻塞型冷高壓中心減弱分裂(中心值153 dagpm),位置偏東偏南,東南部冷高壓偏北分量影響到華南地區(qū),造成廣西一帶的鋒區(qū)比穩(wěn)定阻塞型狹窄且偏南(圖3b),不利于形成長時段低溫過程;兩槽一脊型強冷高壓中心值達156 dagpm,呈南北向,兩側低壓明顯,其東南前沿153 dagpm南界達15°N,說明此類型環(huán)流偏北分量強,導致鋒區(qū)南壓到廣西南部,廣西北部氣溫約-4~0 ℃(圖3c),比阻塞型更低,達到850 hPa溫度≤-2 ℃的純雪相態(tài)指標,有利于降雪, 2016年1月24—26日華南純雪過程就是在850 hPa溫度≤-2 ℃條件下形成的。另外由于冷高壓較強,冷空氣影響后各層轉(zhuǎn)為高壓脊區(qū),天氣轉(zhuǎn)晴,因此造成的低溫過程較短;多波動型冷高中心較弱,153 dagpm面積小,150 dagpm弱高壓帶呈東西向分布(圖3d),其中華南一帶高壓偏東,廣西處于高壓后部,有利于陰雨天氣,由于高低層氣流均較平直,陰雨天氣持續(xù),因此多波動型造成的低溫過程也可達3~5 d。
圖3 各類型850 hPa平均高度場及溫度場:(a)穩(wěn)定阻塞,(b)減弱阻塞,(c)兩槽一脊,(d)多波動(實線為等高線(單位:dagpm),虛線為等溫線(單位:℃),正方形為桂北位置)
各類型合成地面圖上(圖略)冷高壓強度、面積、路徑等與850 hPa環(huán)流相似,貝湖一帶冷高壓中心為1035~1045 hPa,廣西北部一帶約為1025 hPa,其中兩槽一脊型冷高壓最強,貝湖冷高壓中心達1045 hPa,廣西北部達1033 hPa,其余各類相對較弱。統(tǒng)計歷年廣西北部明顯降雪過程(主要為兩槽一脊型)前3天地面西北部冷高壓強度可知,貝湖以西地區(qū)冷高壓中心(站點)達1070 hPa以上,正距平12 hPa,因此1070 hPa冷高壓可以作為廣西北部降雪的指標之一。各類型冷高壓強度及路徑各不相同,但都在廣西北部一帶形成有利于雨雪冰凍的溫度鋒區(qū),分析各類典型過程1000 hPa平均鋒生函數(shù)(圖4a、b,其余圖略)可以了解其鋒區(qū)強弱,廣西北部25°N平均鋒生函數(shù)都大于0×10-9K·m-1·s-1,說明各型低溫過程發(fā)生期間鋒生明顯,即鋒區(qū)增強,對應廣西北部地面靜止鋒或冷鋒活躍,有利于低溫雨雪冰凍天氣持續(xù)、加強。其中以2008年1月21日至2月4日為代表的穩(wěn)定阻塞型平均鋒生函數(shù)最大,中心達0.5×10-9K·m-1·s-1,且為大范圍鋒生區(qū),分布在貴州、湖南、廣西、廣東一帶,湖南南部、廣西北部及廣東北部為大值區(qū)(圖4a),與低溫雨雪冰凍天氣發(fā)生區(qū)域一致。
圖4 典型過程1000 hPa平均鋒生函數(shù)(單位:×10-9K·m-1·s-1):(a)2008年1月21日至2月4日穩(wěn)定阻塞型,(b)2012年1月23—26日減弱阻塞型(三角為桂北位置)
分析各類型低溫雨雪冰凍天氣中桂林站不同降水相態(tài)過程的T-lnp圖(圖5)可以看到,穩(wěn)定阻塞型中2008年1月過程桂林站凍雨最明顯,其平均云頂在630 hPa附近,云頂平均氣溫低于0 ℃、高于-10 ℃即云中包含過冷卻水滴,逆溫層位于925~850 hPa之間,850~700 hPa為融化層,最高氣溫達8~9 ℃,850 hPa以下近地層為低于0 ℃的冷墊結構,冷層最低氣溫達-9~-7 ℃,屬凍雨二層冷層模型(圖5a),冷墊和融化層都很強,造成的凍雨強度強、范圍廣。兩槽一脊型中2016年1月桂林站以純雪為主,其平均云頂在450 hPa附近,溫度達-20 ℃,520 hPa以上低于-10 ℃,即云中以冰晶為主,逆溫層位于800~700 hPa,最高為-1 ℃,無融化層,800 hPa低層冷墊最低為-10 ℃(圖5b),由于云層很厚且都處于冷層,氣溫很低,造成的降水相態(tài)為純雪。減弱阻塞及多波動型過程桂林以短時凍雨或雨夾雪為主,其云頂、冷墊及融化層溫度介于上述兩類之間,如2018年12月平均云頂為450 hPa附近,云頂溫度為-17 ℃,600 hPa以上氣溫在0 ℃以下,即云中包含冰晶和過冷卻水滴,逆溫層位于925~700 hPa,融化層最高氣溫3 ℃,850 hPa冷墊最低氣溫-6 ℃,主要造成局部凍雨或雨夾雪(圖5c)。
圖5 桂林站T-lnp圖:(a)2008年1月28日,(b)2016年1月23日,(c)2018年12月30日
江漫等[20]分析了我國南方冬季低溫雨雪冰凍的大氣擾動信號,指出850 hPa負溫度擾動和300 hPa最大負高度擾動可以作為低溫發(fā)生的早期信號。采用大氣變量物理分解的方法,對各類低溫雨雪冰凍過程的位勢高度場、溫度場進行分解,發(fā)現(xiàn)低溫過程開始前期,在850 hPa附近和300 hPa出現(xiàn)明顯的負溫度擾動和負位勢高度擾動信號,如穩(wěn)定阻塞型長過程前兩日2018年1月24日(圖6a、b),北部的負溫度擾動位于北部40°~45°N,沿擾動大值區(qū)的剖面圖上,在850 hPa附近和300 hPa出現(xiàn)負溫度擾動和負位勢高度擾動中心,且負溫度與負高度擾動中心近于垂直疊加。
圖6 2018年1月24日850 hPa溫度擾動(填色)和300 hPa高度擾動(等值線,單位:dagpm)(a)及經(jīng)過圖a擾動區(qū)豎線的垂直剖面(b)(圖a中紅色線為高原3000 m輪廓線,正方形為桂北位置,下同)
對流層低層的強低溫擾動是中上層大氣高度擾動深厚低值系統(tǒng)下的產(chǎn)物,地面低溫事件是低層大氣溫度擾動的向下延伸[21],通過追蹤前期低溫擾動能提前發(fā)現(xiàn)擾動源蹤跡。分析低溫過程的前期低溫擾動路徑、強度及提前天數(shù)(表2)可知, 穩(wěn)定阻塞型低溫擾動為東路加西路,低溫擾動提前9~10 d,前1~2 d低溫擾動強度達到-18~-13 ℃;其它類型以東路為主(約占70%)。即前期強的低溫擾動對低溫過程的出現(xiàn)具有指示意義, 低溫擾動路徑?jīng)Q定了低溫過程的長短,東路加西路過程較長,東路過程較短。
表2 各類型低溫過程負溫度擾動
單純的東路過程是指低溫擾動從50°N以北、95°E以東的貝湖一帶南移影響廣西。而東路加西路過程是指低溫擾動先從貝湖一帶南移影響廣西北部,之后從巴湖沿高原北部東移,再沿東部邊緣南移影響廣西。如2008年1月過程先是5—13日低溫擾動在貝湖一帶堆積,14—18日南移影響廣西北部,造成第1階段東路型過程,隨后低溫擾動從高原西部多次東傳影響,造成1月21日至2月4日第2階段西路型低溫過程(圖7a);分析2008年1月過程850 hPa溫度擾動及風場可清楚看到低溫擾動沿高原北側東傳,12—13日低溫擾動位于高原西部,流場顯示小槽受高原阻擋,改道東偏北移,引導東部低溫擾動東北移,14—16日低溫擾動移至高原西北部,17—18日新冷高壓加強東移,其前部西北氣流將低溫擾動從高原北部東移越過80°E,同時在高原西南部不斷有低溫擾動生成移向高原北部,20—21日東部低溫擾動東移至高原東部向廣西一帶補充(圖7b),開啟繼18日后又一次低溫過程;22—24日高原北部及東部補充的低溫擾動加強,低溫過程持續(xù),25—27日高原西南部低溫擾動主體移至高原北部,繼續(xù)向高原東南部補充,28日以后75°E以西低溫擾動減弱消失,西路補充的擾動源中斷,30—31日受冷高壓環(huán)流引導,高原北部低溫擾動繼續(xù)東南傳輸,2月1日以后,冷高壓減弱東移,低溫擾動明顯減弱,3—4日低溫過程結束。即當75°E巴湖以西不斷有低溫擾動補充時,西路造成的低溫過程較長,說明75°E巴湖以西的擾動源不斷東傳補充對長歷時低溫過程具有重要作用。
圖7 2008年1月31日850 hPa負溫度擾動(填色)及前期路徑(a),2008年1月21日850 hPa負溫度擾動(填色)及風場(流線)(b)(圖a中圓圈中數(shù)字為日期,右邊為強度,虛線為30日)
根據(jù)前期低溫擾動的信號作用,結合擾動源位置及環(huán)流型可對低溫過程影響路徑及影響時段作初步預測。如2018年1月底穩(wěn)定阻塞型過程前7~10 d(16—21日)低溫擾動在貝湖以北堆積,有-14 ℃的低溫擾動(圖8a),22—25日低溫擾動從東路南下將造成隨后26—28日的東路過程,同時環(huán)流形勢顯示在巴湖有橫槽及切斷低壓生成(圖8b),可以判斷東路之后很可能有西路型相接,從而形成東路加西路長過程,26—28日東路型低溫擾動開始影響廣西北部,此時中亞一帶低溫擾動發(fā)展加強并沿高原北側東移,環(huán)流也轉(zhuǎn)為阻塞形勢(圖8c),東路過程之后緊接著為西路低溫擾動東移影響,造成30日至2月2日的西路過程。1—2日中亞地區(qū)75°E 以西低溫擾動逐漸消失,環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿有圆奂?,低溫過程隨后結束。
圖8 2018年1月850 hPa負溫度擾動(填色)、風場流線(黑色箭頭)及500 hPa高度(黑色實線,單位:dagpm):(a)20日,(b)25日,(c)28日
通過對廣西13次低溫過程的環(huán)流特征、有利條件以及低溫擾動分析,得到如下結論:
(1) 按500 hPa環(huán)流廣西低溫過程分為穩(wěn)定阻塞、減弱阻塞、兩槽一脊及多波動型,穩(wěn)定阻塞型低溫過程持續(xù)8~15 d,其余類型小于等于6 d。700 hPa西南暖濕氣流提供的水汽和熱量有利于融化層形成,穩(wěn)定阻塞型南支槽最深,廣西一帶溫度0 ℃線最偏北,在低層冷墊上形成明顯融化層,有利于凍雨及低溫天氣持續(xù)。
(2) 穩(wěn)定阻塞型位于貝湖西部的高壓中心不斷補充冷空氣使低溫過程持續(xù),兩槽一脊型高中心南壓導致雪后轉(zhuǎn)晴。穩(wěn)定阻塞型寬廣的溫度鋒區(qū)及大的平均鋒生函數(shù)利于低溫過程持續(xù)。
(3) 利于凍雨的溫度層結為云頂溫度-10~0 ℃、低層冷墊≤-7 ℃、中層融化層≥8 ℃,純雪的溫度層結為云頂溫度-20~-10 ℃、無融化層、低層冷墊達-10 ℃。
(4) 穩(wěn)定阻塞型低溫擾動路徑為東路加西路,低溫擾動提前9~10 d出現(xiàn),前1~2 d強度達-18~-13 ℃;其他類型為東路,造成短過程。
(5) 東路加西路低溫擾動先從貝湖南移影響廣西北部,再持續(xù)從巴湖沿高原北部東移影響,巴湖以西低溫擾動不斷補充對長過程有重要作用。由前期低溫擾動位置及環(huán)流型可對低溫過程路徑及持續(xù)時間作初步判斷。