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        一次雨雪天氣過程成因分析

        2022-10-01 08:25:02董疆南馬鴻青
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2022年8期

        李 琛,董疆南,馬鴻青

        保定市氣象局,河北保定 071000

        華北地區(qū)暴雪災(zāi)害主要發(fā)生在初冬、初春的過渡季節(jié)[1]。河北省過渡季節(jié)較大范圍的降水天氣近30%與回流有關(guān),華北回流是指冷空氣從東北平原南下,經(jīng)過渤海以偏東路徑侵入華北平原[2]。由于氣溫變化明顯,降水相態(tài)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)變,嚴(yán)重影響交通運輸以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),造成大量經(jīng)濟及財產(chǎn)損失,給正常人民群眾的生產(chǎn)、生活帶來巨大的負(fù)面影響[3-4]。近年來,許多氣象專家對華北暴雪發(fā)生、發(fā)展的物理機制及回流冷空氣性質(zhì)等方面開展了大量工作。時青格等[5]對2009年11月10—12日河北省一次暴雪天氣進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)中低層存在較強的垂直上升運動,暖空氣被冷空氣抬升是暴雪發(fā)生的動力機制。張守保等[6]對華北回流天氣的特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:華北回流性質(zhì)是干冷的,回流降水過程的水汽伴隨中層的西南氣流來自南方,并且在強降水時段出現(xiàn)前常伴有區(qū)域性的冷平流層。另外,降水相態(tài)也是預(yù)報的重點之一,張迎新等[7-8]通過分析多次雨雪轉(zhuǎn)換過程總結(jié)出雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)。

        選取了2021年11月6—7日河北省保定市出現(xiàn)的一次雨雪天氣過程,從環(huán)流形勢、降水相態(tài)轉(zhuǎn)換、物理量場等多角度深入分析,探討了此次雨雪過程的成因。

        1 雨雪天氣實況

        2021年11月6—7日,保定迎來一次雨雪天氣,6日白天降水以雨為主,受冷空氣的影響,淶源在6日17:00~18:00發(fā)生雨轉(zhuǎn)雪,涿州、阜平、高碑店在6日21:00左右陸續(xù)轉(zhuǎn)雪。至7日01:00左右,全市降水相態(tài)基本為純雪。此次過程降水分布不均,全市大部分地區(qū)的過程降水量為中到大雨轉(zhuǎn)大雪,淶源為大暴雪,全市平均降水量33.8 mm,望都最大,為51.6 mm。全市均有積雪,最大積雪深度10 cm。

        2 環(huán)流背景分析

        2.1 500 hPa環(huán)流形勢

        11月6日08:00,亞歐大陸上空500 hPa呈兩槽一脊形勢,我國內(nèi)蒙古西部至青海有一高空槽,溫度槽落后于高度槽,槽后有明顯冷平流。隨著系統(tǒng)東移,槽不斷加深,6日20:00東移至甘肅東部、內(nèi)蒙古中西部一帶,并且切斷出閉合溫度中心,中心值-32℃,溫度槽仍落后于高度槽,此時河北位于槽前,西南氣流發(fā)展旺盛。7日08:00高空槽繼續(xù)加強東移至陜西一帶,切斷出閉合低壓中心,中心值548 dagpm,保定位于低渦東側(cè),西南氣流旺盛,受其影響,保定地區(qū)出現(xiàn)了大范圍雨雪天氣。7日20:00,500 hPa高空槽移至我省中部地區(qū),保定地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流控制,降水基本結(jié)束(圖1a)。

        2.2 700 hPa環(huán)流形勢

        6日08:00,700 hPa有一低槽在蒙古地區(qū)并逐漸南壓,西部地區(qū)存在一冷中心,等溫度線與等位勢高度線交角接近垂直,冷平流較強。6日20:00,低槽轉(zhuǎn)為南北向從內(nèi)蒙古延伸至我省,東南側(cè)有西南急流輸送水汽,此時保定受偏南氣流控制。6日夜間,700 hPa槽東移至河北中部,冷中心東移至河套地區(qū),等溫線較密集(圖1b)。

        2.3 850 hPa環(huán)流形勢

        6日08:00,850 hPa河北處在大陸高壓和海上高壓之間,河北北部也有東北—西南向切變線配合,保定主要受偏南氣流控制,鋒區(qū)明顯,等溫線密集,風(fēng)向和等溫線近乎垂直,冷平流較強。6日夜間,850 hPa切變線移至河北南部,鋒區(qū)南壓,冷平流明顯,保定逐漸轉(zhuǎn)為偏北氣流控制,使得中層暖濕空氣在冷墊上爬升,為典型的華北回流形勢,隨著850 hPa溫度降至-4℃以下,保定地區(qū)轉(zhuǎn)雪(圖1c)。

        2.4 地面形勢

        6日08:00,高壓位于蒙古國境內(nèi),冷鋒自東北向南移動。隨著蒙古冷高壓不斷發(fā)展加強,6日20:00,冷高壓中心強度達(dá)1 052.5 hPa。夜間,冷高壓進(jìn)一步加強至1 055 hPa,保定處于鋒后,降溫明顯,偏東路徑冷空氣自北向南影響保定地區(qū),為雨轉(zhuǎn)雪提供良好的層結(jié)條件,保定自北向南逐漸轉(zhuǎn)為降雪天氣(圖1d)。

        圖1 2021年11月6日08:00 位勢高度場(實線,單位:dagpm)、溫度場(虛線,單位:℃)、 風(fēng)場(風(fēng)羽,單位:m/s)

        3 降水相態(tài)轉(zhuǎn)換成因分析——溫度平流

        受切變線和地面冷鋒前暖區(qū)影響,6日14:00保定地區(qū)上空仍為暖平流,白天降水以雨為主(圖2a)。隨著鋒區(qū)南壓,冷空氣入侵,保定西北部地區(qū)850 hPa溫度開始明顯下降,淶源在6日17:00~18:00降至-4℃以下并發(fā)生雨轉(zhuǎn)雪。6日20:00前后,850 hPa保定北部鋒區(qū)附近存在東南氣流和東北氣流的明顯輻合,冷空氣在東北部交匯,并且有一部分從保定北部南下,低層逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),中層暖濕空氣在低層冷墊上爬升,造成涿州和高陽先于平原其他地區(qū)出現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換,開始形成大范圍的雨雪天氣(圖2b)。

        圖2 6日14:00(a)、20:00(b)850 hPa風(fēng)場—溫度平流

        利用ERA5資料分析溫度平流(圖3),從經(jīng)向溫度平流來看,北部一股冷空氣東移南下,對應(yīng)地面冷鋒,與溫度場的冷中心也正好對應(yīng),溫度明顯下降,6日22:00向東北方向伸出一暖舌,為西南—東北向暖舌,使得中部地區(qū)溫度較高,轉(zhuǎn)雪時間相對較慢。另外,低層暖舌的存在為大(暴)雪的形成提供了較好的熱力條件。

        圖3 6日22:00沿115°E的溫度平流垂直剖面圖

        4 物理量診斷分析

        4.1 水汽條件

        4.1.1 比濕由于前期受地面輻合的影響,有連續(xù)的大霧天氣,近地層濕度較大,保定地區(qū)的水汽含量比較豐富。加之來自海面上的東南氣流輸送水汽,6日14:00即降水開始時850 hPa比濕達(dá)到6~7 g/kg,低層水汽充足(圖4a)。到20:00,700 hPa西 南 急流建立,比濕維持在4~6 g/kg,南部仍然在7 g/kg左右(圖4b),這也有利于19:00~20:00南部的強降水發(fā)生,充足的水汽為雨雪天氣的維持提供了條件。

        圖4 6日14:00(a)、20:00(b)850 hPa風(fēng)場—比濕場

        4.1.2 水汽通量及水汽通量散度降水開始時,850 hPa有一水汽通量散度大值區(qū),低層存在著較好的水汽輸送。隨著各站轉(zhuǎn)為降雪并且強度減弱后,低層水汽條件變差,850 hPa上的水汽通量散度大值區(qū)向東南方向移動。但從700 hPa來看,受西南急流影響,6日20:00在700 hPa仍有一大值中心。與700 hPa水汽通量散度配合來看,有一負(fù)值區(qū)位于保定北部,說明700 hPa水汽輻合條件良好,形成了東北—西南向的水汽通道。隨著切變線向東南移動,7日白天,負(fù)值中心和水汽通量大值區(qū)均自西北向東南移出保定地區(qū),降水逐漸減弱(圖5)。

        圖5 6日20:00 700 hPa風(fēng)場—水汽通量(a)、風(fēng)場—水汽通量散度(b)

        4.2 動力條件

        4.2.1 散度從散度來看(圖6),850hPa以下為散度負(fù)值區(qū)域,即保定地區(qū)低層存在明顯的輻合上升運動,而200 hPa上則一直維持正散度,對應(yīng)輻散,在這種低層輻合、高層輻散的形勢下,使得上升運動發(fā)展劇烈,更加有利于強降水的發(fā)生。

        4.2.2 渦度從 渦 度 來 看(圖6),6日 08:00,保定大部分地區(qū)處于負(fù)渦度區(qū),為弱的下沉氣流。6日14:00,700~900 hPa出現(xiàn)正渦度區(qū),對應(yīng)6日白天的降水。6日20:00以后,正渦度發(fā)展加強,對應(yīng)低渦東移,并且隨著低層的東北風(fēng)逐漸加強,暖濕空氣在冷墊上的爬升高度逐漸上升,在散度—渦度疊加圖上,可以看出負(fù)散度中心明顯升高,對應(yīng)的降水相態(tài)開始發(fā)生轉(zhuǎn)換。到7日08:00,900 hPa以上正渦度中心迅速加強,對應(yīng)7日白天段的降雪。

        5 結(jié)論

        (1)本次過程是由高空槽、700 hPa低槽、低空急流、低層低渦切變線,以及地面冷鋒共同影響而造成的,并且后期轉(zhuǎn)為回流形勢影響。

        (2)冷空氣自西向東、自北向南移動,同時受850 hPa暖舌的影響,使得此次過程中部地區(qū)降溫時間晚于東部和西部,轉(zhuǎn)雪時間相對較慢。

        (3)低層切變線兩側(cè)變溫幅度較大,有強的冷暖空氣交匯,并且低層輻合、高層輻散的形勢使得上升運動發(fā)展劇烈,有利于強降水的發(fā)生。

        (4)700 hPa急流和850 hPa以下回流產(chǎn)生的偏東南氣流為該次暴雪天氣過程提供了必要的水汽條件,配合良好的動力條件,有利于此次雨雪過程的發(fā)生。

        圖6 保定地區(qū)散度(線條)和渦度(填色)隨時間變化特征

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