黄石市2020年2月14—16日寒潮天气过程分析

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  摘要 利用常规观测资料、雷达回波和卫星云图等资料,对2020年2月14—16日黄石地区出现的寒潮天气过程进行综合分析。结果表明:(1)此次寒潮天气过程范围广、持续时间长、降温幅度大、阵风强,天气现象复杂,伴有雷电、雨雪等天气;(2)本次过程强降温主要是由于前期基础气温高、强盛冷平流、辐射降温、降水蒸发及冰雪融化等因素造成的;(3)充足的水汽条件、较强的上升运动、一定的不稳定条件及合适的层结条件,有利于黄石市雨雪天气过程发生,当整层温度均低于0℃且存在逆温层时,有利于形成降雪;(4)大风的形成与强冷平流的入侵、气压梯度、变压梯度及高空动量下传有密切关系。
  关键词 寒潮;成因;强降温;大风
  中图分类号:S426 文献标识码:B 文章编号:2095–3305(2021)04–0050–04
  寒潮是我国重大的灾害性天气之一,寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程。寒潮天气的主要特征是剧烈的降温和大风,有时还伴有雨、雪、雨凇或霜冻。寒潮能导致河港封冻、交通中断、牲畜和早春晚秋作物受冻,但它有利于小麦灭虫、盐业制卤等[1]。因此做好寒潮天气预报,服务于国防、经济生产部门,以便采取积极措施预防其危害,对避免和减少灾害损失具有相当重要的意义。近年来,许多气象工作者对复杂的寒潮天气过程进行了分析和研究,得出了许多成果[2-4]。利用常规观测资料,结合雷达回波和卫星云图等资料,对2020年2月14—16日黄石地区出现的寒潮天气过程进行综合分析,揭示此次寒潮成因,为今后寒潮天气的预报提供参考依据。
  1 天气实况
  2020年2月14—16日,黄石出现一次寒潮天气过程。本次过程14日08:00~16日08:00 48 h最低气温降幅为13.0℃~13.7℃,平均气温降幅11.5℃~12.9℃,16日早晨最低气温降至0.3℃~1.0℃(其中黄石0.8℃、大冶0.3℃、阳新1.0℃)。此次寒潮过程伴有8~9级,阵风10级的偏北大风,极大风速达到27.7 m/s,出现在2月14日23:35黄石的铁山区。
  2月14日08:00~16日08:00 48 h累计降水量17.2~27.6 mm(图1)。其中,14日08:00~15日08:00,黄石北部普降中到大雨,南部小到中雨,14日夜间出现了短时雷雨大风天气。15日08:00~16日08:00,全市小到中雨转中到大雪,无积雪。
  2 环流形势分析
  2.1 高空500 hPa形势
  在2020年2月14日08:00 500 hPa上(图2a),欧亚中高纬度为两槽一脊型,贝加尔湖附近为高压脊且高压脊强烈发展北伸形成阻塞高压,在阻塞高压东侧为一横槽、槽底部形成切断低压。阻塞高压东侧强偏北气流引导极地冷空气南下,在横槽内堆积,形成-40℃的冷中心。随后由于阻高后侧乌拉尔山脉附近有冷平流入侵,导致阻塞高压崩溃,横槽转竖,槽加深发展,槽后偏北气流带动冷空气大举南下。
  2.2 中低层形势
  700 hPa冷中心强度在-24℃以下,30°N~35°N附近等温线密集,5个纬距内温差达到15℃,强盛冷空气和西南暖湿气流的冷暖交汇于湖北省上空,斜压锋生加强(图2b)。
  2020年2月15日08:00 850 hPa等压面上(图2c),黄淮、江汉、江淮西部地区出现偏北强风带,最大风速≥20 m/s,风向与等温线夹角接近90°,有强的冷平流。15日08:00 850 hPa上-4℃线位于湖北中部,0℃线位于黄石西北侧,东北干冷气流和东南暖湿气流在黄石上空交汇,强劲的东北风冷气流有利于低层冷垫的形成和维持;15日20:00 850 hPa的0℃线压至黄石市东南侧。
  2.3 地面形势
  从地面图上看(图2d),阻塞高压东侧的冷空气不断堆积,蒙古高压中心不断加强,中心强度高。寒潮路径为中路,冷空气经河套南下,移动速度快。13日08:00冷锋在内蒙古地区;14日08:00冷锋缓慢南压到华北黄淮一带,地面寒潮冷高压中心达到1 070 hPa,锋后等压线密集、气压梯度大,达到10 hPa每3纬度,降温明显,武汉和二连浩特温差达到31℃;15日08:00冷锋已经南压至湖南江西一带,低层冷垫形成; 20:00冷锋南压至华南;16日08:00冷高压明显南压减弱,此次寒潮天气基本结束。
  3 强降温成因分析
  3.1 基础气温
  受地面暖低压影响,地面气温明显回升,2月14日日最高气温达到19.2℃~ 20.1℃,日最低氣温为13.3℃~14.1℃。寒潮前回暖显著,既有利于冷锋南下锋生加强,又加大了降温幅度。
  3.2 温度平流
  此次过程气温下降的主要原因是强冷平流造成的。高空冷平流越强,温度梯度越大,锋区就越强,越有利于发生寒潮。2月15日08:00 850 hPa临近黄石市北侧出现偏北强风带,最大风速≥20 m/s,风向与等温线夹角接近90°,冷平流强盛。风场与等温线夹角越大(接近90°),冷平流越强,降温程度越大。
  3.3 非绝热因子
  3.3.1 辐射降温 2020年2月16日早晨受高空槽后偏北气流控制,云系减少,晴朗少云,辐射降温明显,使降温幅度增大。
  3.3.2 冰雪融化、降水蒸发 2020年15日08:00黄石市有降水发生,到14:00转为雨夹雪,20:00变为纯雪。降水蒸发和冰雪融化吸收周围环境大气中的热量,使地面气温持续下降,导致降温幅度进一步加大。
  4 雨雪成因及相态转换分析
  4.1 水汽条件
  黄石市位于中低层切变线东南侧,有利于水汽的辐合抬升;切变线南侧的西南急流最大风速达到20 m/s,西南急流将暖湿空气向黄石市输送,为此次雨雪过程提供了充足的水汽来源。从物理量场上看,黄石市处于水汽通量散度负值区,水汽辐合,大量的水汽向黄石市输送;从探空图上看,湿层深厚,有利于降水的发生。   4.2 动力条件
  黄石市位于500 hPa槽前正涡度平流,产生高空辐散,且在中低层切变线附近,风向、风速存在辐合。低层辐合,高层辐散,有利于上升运动。较强的上升运动可以触发不稳定能量的释放,为此次的雨雪天气提供有利的动力条件。
  4.3 层结条件
  15日08:00 850 hPa上-4℃线位于湖北中部,0℃线位于黄石市西北侧,湖北西北部地面温度在2℃以下,鄂西北大部出现小雨转雨夹雪或小雪、局部中到大雪;湖北东部700 hPa暖层温度在0℃以上,15日早晨仍以降水为主。在14:00前后地面气温仍在2℃~4℃,其他各层温度下降到0℃以下,黄石市出现雨夹雪;下午地面温度持续下降接近0℃,整层温度基本在0℃以下,转为纯雪。
  从探空图上看(图3),2月15日08:00湿层高度垂直伸展到-10℃高度以上,有利于冰晶的形成;中低层存在明显逆温层,暖湿气流强盛;15日08:00 700 hPa和地面温度在0℃以上,以降雨天气为主;15日20:00整层温度基本低于0℃,有利于降雪的形成。
  5 大风成因分析
  5.1 气压梯度作用
  在中高纬度,风场和气压场基本符合地转风、梯度风原理。根据地转风原理,气压梯度越大,风越大。14日08:00地面寒潮冷高压中心达到1 070 hPa,冷锋缓慢南压到华北黄淮一带,暖低压中心强度低于1 007.5 hPa,冷锋后气压梯度大,等压线密集;14日20:00冷锋逼近黄石市,气压梯度加大,风力加大; 14日23:35分黄石铁山区极大风速达到27.7 m/s;15日02:00冷锋压过黄石市。同时寒潮冷锋前有暖低压,暖低压与锋后的冷高压形成北高南低的地面气压形势,有利于偏北大风的出现,极大风速加大。14日23:00—15日18:00黄石市出现7~9级,阵风10级的寒潮大风,15日19:00风力开始减弱。
  5.2 变压梯度作用
  局地气压剧烈变化,水平气压梯度上形成变压风。变压风沿变压梯度风向吹,由高值变压区吹向低值变压区。14日20:00湖北中西部和河南一带△P3值基本大于50 hPa,△P3最大值中心达到70 hPa以上,位于宜昌襄阳地区;湖北中西部和河南以北△P24值大于100 hPa,△P24最大值中心达到200 hPa以上,位于山西南部。15日08:00湖北大部地区△P3值在20 hpa以上,△P3最大值中心值为37 hPa,位于湖北咸宁;湖北地区△P24值基本在150~200 hPa,湖北正处于△P24大值中心区(图4)。变压梯度越大,风力越强。在冷锋后最大风速出现在正变压中心附近,即变压梯度最大的地区附近[1]。
  5.3 动量下传作用
  风向发生顺时针转变,而风速随高度增加,高层动量较大。14日白天受地面暖低压控制,地面温度较高,夜间冷空气南下,层结不稳定,铅直交换强,空气的动量下传较强;14日20:00高空的风速达到20 m/s,夜间锋面过境,地面加压,锋后有下沉运动,空气动量向下传,使地面风速明显加大。
  6 对流天气分析
  6.1 雷达与卫星云图分析
  6.1.1 雷达特征分析 从组合反射率上看,14日22:30孝感武汉咸宁沿线一带出现了大范围的带状回波区,回波强度普遍在30 dBZ以上,最强回波强度达到58 dBZ。回波逐渐东移,23:00(图5a)强回波区进入黄石市保安地区;在之后的东移过程中回波强度逐渐减弱,达到45 dBZ以上的回波零散分布,难以形成短时强降水;直至15日00:30(图5b),大片回波基本移出黄石市,移至黄冈地区。
  从径向速度上看,14日22:30(图6a),速度图上等径向速度线为直线,各高度层风向基本为偏北风,并且出现一对“牛眼”结构;15日00:00(图6b)锋面已经移过武汉的雷达站,零速度线是风场的不连续线,即锋区的所在位置[2]。
  6.1.2 卫星云图特征分析 从红外云图上看,2020年14日17:00在湖南北部生成对流云团,发展并向东北偏东方向移动。对流云团14日21:00(图7a)在黄石市西侧出现,呈椭圆形;15日00:00(图7d)从黄石市移出,进入黄冈地区,以雷暴天气为主。
  6.2 探空图分析
  从14日08:00探空图上看(图8),上下层温差大,850 hPa与500 hPa温差达到28.1℃,K指数37.1℃,SI值为负值,订正后CAPE值为341.3 J/kg,CAPE值较小,为雷暴的发生提供有利的不稳定条件。0℃高度为3 046 m,-20℃高度为6 026 m ,有适宜的0℃层和-20℃层高度,有利于雷暴的发生。14日20时探空图上,上干下湿,呈向上的喇叭口温湿廓线,垂直风切变较大,有利于大风的形成。
  7 结语
  利用常规观测资料,雷达回波和卫星云图等相关资料,对2020年2月14日—16日黄石地区出现的寒潮天气过程进行综合分析,得出以下结论:
  (1)此次寒潮天气过程的气候特点是范围广、持续时间长、降温幅度大、阵风强、天气现象复杂,伴有雷电、雨雪等灾害性天气。
  (2)此次寒潮天气过程的环流背景:高层中高纬度环流形势是两槽一脊型,500 hPa南北槽叠加,中低层切变线由西北向东南影响黄石市,西南急流旺盛,地面冷高压强盛。
  (3)本次過程强降温的成因:受暖低压控制,前期基础气温高,冷空气强度强、有强的冷平流,冷锋南下迅速,导致降温剧烈,叠加辐射降温、降水蒸发和冰雪融化降温,导致本次寒潮过程降温幅度大。
  (4)寒潮过程伴随着雨雪相态转化的复杂天气过程,较强的上升运动,充足的水汽条件,及合适的层结条件,有利于产生明显的雨雪天气;当0℃层高度迅速下降、整层温度低于0℃时,降水相态由雨转化为纯雪。
  (5)由于冷空气不断堆积,产生强的气压梯度,地面迅速加压产生强的变压风,加之高空动量下传的共同作用,造成了本次过程8~9级,阵风10级的偏北大风。大风的形成与强冷平流的入侵、气压梯度、变压梯度及高空动量下传有密切关系。
  (6)存在有利的不稳定条件,850 hPa与500 hPa温差达到28.1℃,K指数值37.1℃;上干下湿,呈向上的喇叭口温湿廓线,中层存在干层;0℃层高度3 km左右,-20℃层高度6 km左右,0℃层和-20℃层高度适宜,有利于雷暴大风强对流天气的产生。
  参考文献
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  责任编辑:黄艳飞
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