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摘要 利用常规观测资料、micaps资料以及NCEP/NCAR再分析资料,对2020年12月29日一次寒潮天气下的雨转雪过程进行诊断分析。结果表明:本次降雪过程是500 hPa横槽转竖引導冷空气南下,700 hPa和850 hPa切变,配合700 hPa西南暖湿急流共同作用引起的;降雨时,低层有强上升运动区,对应水汽辐合,当出现降雪后,强上升运动区移至700 hPa~400 hPa附近,中高层也转为水汽辐合层。
关键词 横槽;上升;水汽辐合
中图分类号:P458.2 文献标识码:B 文章编号:2095–3305(2021)03–0075–03
寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程,是冬半年影响江苏省的重要灾害性天气之一,除了造成剧烈的降温外,还常伴有大风、降雪等灾害性天气[1-2]。随着经济的快速发展,大雪对交通和生活的影响越来越明显[3]。因此,在一次寒潮天气背景下,对雨雪相态的转换以及降雪强度进行预报,对防灾减灾工作具有重要意义。
1 天气过程实况
受冷空气影响,2020年12月29日—31日泰州市出现一次寒潮、降雪天气过程。29日上午开始降温,31日早晨达到此次降温过程的最低值,最低气温在-7℃~-12℃,48 h降温幅度在-9℃~-12℃,达到寒潮标准。另外,冷空气影响期间,泰州市风力普遍增大,大部分地区风力达到了7~8级,其中包括区域站在内有26个站日极大风达到8级,溱湖以及泰州大桥(交通站)的日极大风力达到9级,分别为22.3、22.2 m/s。12月29日06:00以后,泰州市开始出现小雨天气,到13:35分以后,自北向南由兴化开始出现雨夹雪天气,13:59分海陵区转为纯雪天气过程,至15:58分全市大部分地区都转为纯雪天气。12月29日20:00以后降雪基本结束,全市出现中到大雪的天气。
2 寒潮爆发前天气形势
分析寒潮爆发前500 hPa高度场和温度场合成图(图1)可以看出,12月26日20:00在乌拉尔山的西侧有暖脊存在,北极有暖高压,同时,在贝加尔湖以及鄂霍次克海附近存在两个低涡。由于温度脊落后于高度脊,乌拉尔山暖脊沿着径向发展加强,脊前的偏北气流加强,使得冷空气进一步在西伯利亚堆积,形成一个-46℃的冷中心。27日20:00贝加尔湖与鄂霍次克海附近的两个低涡融合,在一线形成了东西向横槽,乌拉尔山附近的暖脊进一步增强与北极暖高压融合,不断引导冷空气在贝加尔湖附近的横槽堆积并进一步向南移动,冷高压中心移至贝加尔湖西侧。至28日20:00地面冷高压主体进一步增强移至蒙古境内,乌拉尔山高压脊也不断东伸加强,弱的暖平流逐渐移到脊前,横槽后部出现暖平流,槽前出现冷平流,此时横槽也已经压到了蒙古境内,在横槽的前部有小槽东传,预示着横槽转竖向南加深[4]。同时,副热带高压不断增强,基本西伸打通。从12月29日08:00—31日08:00 500 hPa横槽迅速转竖,冷空气经过蒙古到达我国河套地区附近南下,直达长江中下游地区,同时副高进一步增强北抬,控制了海南、广东和广西的南部,南支槽东移,引导暖湿气流向东北方向移动。
3 降雪分析
3.1 环流背景
降水发生前,28日20:00 500 hPa亚欧大陆为两槽一脊,在贝加尔湖东侧横槽开始转竖并分裂小槽引导地面冷空气南下,同时,在四川甘肃附近的南支槽东移发展带来暖湿气流。到了29日08:00(图2)500 hPa横槽南甩与南支槽合并,冷暖空气交汇,泰州市位于槽前的西南气流中,700 hPa上四川盆地到黄淮一线有切变存在,泰州市处于切变南侧西南气流中,有水汽输送,850 hPa受切变北侧东北气流控制,地面位于冷锋前部低压倒槽内,提供了一定的动力条件,此时泰州市以小雨为主。到了14:00(图3),700 hPa建立了明显的西南暖湿急流达到18 m/s,为降雪的发生提供了有利的水汽条件,而850 hPa东北气流不断增强,-4℃线已经移至泰州市上空,这种上暖下冷的逆温层结构为降雪提供了有利层结条件,同时泰州市地面位于冷锋后部,低层925 hPa附盛行东北冷气流,利于冷空气堆积,为降雪提供了冷垫,700 hPa西南暖湿气流沿着冷垫爬升,产生较强的上升运动,泰州市开始有降雪的产生,到20:00 前是泰州市降雪的集中时段。20:00以后,随着700 hPa转为西北气流控制,水汽减弱,降雪渐止。
3.2 物理量场分析
3.2.1 水汽条件 从图4a水汽通量的演变可知,前期近地面层受高压底前部偏东转东北气流影响,从08:00~14:00泰州市925 hPa以下有水汽通量大值带,为降雨提供了水汽条件,同时随着西南急流开始建立,700 hPa到500 hPa之间逐步开始形成水汽通量的大值区。在14:00到20:00随着近地面层迅速转为偏北气流影响,925 hPa以下水汽通量减小,700 hPa以上随着西南急流建立,水汽输送带逐渐向上层伸展,水汽通量大值带向上倾斜,在600 hPa到500 hPa有水汽通量大值中心7.2 g /(s·cm2·hPa)。在其引导下,将水汽带到泰州市上空,为降雪提供了有利水汽条件,此时,泰州市上空也已经由雨转化为雪,到了20:00以后随着中低层转变为西北气流,水汽输送迅速减小,降雪渐止。
输送水汽能否聚集形成降水,需进一步分析雨转雪过程中高低层水汽通量散度特征(图4b)。08:00~12:00泰州市850 hPa以下有较强水汽的辐合存在,最大辐合中心出现在08:00达到-9×10-7 g /(s·cm2·hPa),同时,在850 hPa以上到500 hPa有水汽辐散,这种低层水汽辐合高层水汽辐散有利于产生降水,此时对应泰州市以较明显液态降水为主[5]。从12:00~14:00泰州市近地面层转为水汽的辐散区,一直伸展到了700 hPa附近,整层以一致的偏北冷气流为主,在700 hPa到500 hPa之间为水汽辐合区,泰州市降雨逐渐减弱。14:00~20:00近地面层辐散进一步增强,在925 hPa附近形成一个辐散中心达到11×10-7 g /(s·cm2·hPa),同时水汽辐合层逐渐向上倾斜,在700 hPa形成水汽辐合中心,达到-2×10-7 g /(s·cm2·hPa),利于水汽聚集,基本上与西南急流相配合,泰州市雨已经转雪,到20:00之前也是降雪比较集中的时段。20:00以后,随着西北气流南下,整层转为水汽的辐散区,降雪渐止。 3.2.2 动力条件 垂直运动造成的水汽、热量、动量、涡度等物理量的垂直输送对天气系统的发展有很大影响[6]。由垂直速度图(图5a)可知,08:00随着高空槽南压以及切变线移至泰州市附近,泰州市上空有较强的动力抬升作用,可以看到从地面到500 hPa以垂直上升运动为主,垂直上升速度在850 hPa附近达到最大,中心值为-0.4 Pa/s,此时对应泰州市以降雨为主,到了14:00,西南暖湿空气沿着冷垫爬升,低层垂直上升速度逐渐减小,700 hPa以上上升速度逐渐增强并伸展至250 hPa附近,在600~500 hPa附近形成一个大的上升中心达到-0.35 Pa/s,强烈的上升运动利于水汽的上升凝结,此时泰州市逐渐转为固态降水即雪,到20:00前以降雪为主,在20:00后随着垂直上升运动减弱转为下沉运动,降雪渐止。
从散度垂直剖面图(图5b)可以看出,29日08:00泰州市上空850 hPa以下为辐合区,其辐合中心达到-2×10-5 s-1,内部有上升运动,850 hPa以上到250 hPa为辐散区,泰州市主要以降雨为主,到了14:00近地面到500 hPa为弱的辐合区,辐合中心为-0.8×10-5 s-1,500 hPa到200 hPa为辐散区,其中在300 hPa中心有辐散中心达到2.4×10-5 s-1,这种低层辐合,高层辐散的结构有利于上升运动的发展,利于低层水汽的聚合抬升,此时也是泰州市雨转雪的过程,在14:00~20:00之间,可以看到近地面层出现了辐散中心,低层为弱辐合区,中高层又是一个辐合区,整个散度场分布比较凌乱,造成此次泰州市降雪并不是特别强[7]。
3.2.3 温度层结 研究指出,在雨转为雪时,高空冰晶层(-10℃)高度会逐渐下降[8]。同时,降雪的有利条件是850 hPa气温≤-4℃,700 hPa气温≤0℃,且中层有逆温层存在,逆温层温度在0℃以下[9]。通过29日08:00、14:00以及20:00温度层结曲线可以看出,08:00 -10℃冰晶层在580 hPa左右,0℃线位于800 hPa以上,从地面到500 hPa温度垂直递减率变化不大,泰州市以降雨为主,到了14:00冰晶层已经降至610 hPa左右,925 hPa到700 hPa温度垂直递减率减小,尤其是850 hPa到700 hPa温度基本形成一个等温层,主要是由于西南暖湿气流建立,锋区移动,850 hPa以下偏北冷气流加强,对应各层温度:850 hPa气温在-4℃左右,700 hPa气温≤0℃,但逆温层还没建立,此时也是泰州市雨转雪的降水相态转化过程,到了20:00冰晶层已经降至650 hPa,可以看到在850 hPa到700 hPa之间泰州市上空有逆温层存在,温度在-5℃~-10℃,这主要是850 hPa偏北冷气流进一步增强南下,同时,925 hPa到地面维持在0℃以下,近地面层有明显冷垫存在,对应着到20:00前泰州市是一个较明显的降雪过程(图6)。
4 结论与讨论
在寒潮天气背景下,本次降雪过程是500 hPa横槽转竖引导冷空气南下,925 hPa以下形成冷垫,700 hPa和850 hPa切变,配合700 hPa西南急流为降雪的发生提供了有利的动力条件和水汽条件,700 hPa暖湿气流和850 hPa东北冷气流增强,为降雪提供了逆温层结条件。
在雨转雪的过程中,中低层以垂直上升运动为主。但在液态降水时,强上升运动区出现在低层850 hPa附近,对应着水汽辐合,而中高层水汽辐散有利于产生降雨的发生,当出现降雪后,低层垂直上升运动减弱,水汽辐合减弱转为水汽辐散,700 hPa到400 hPa形成大的上升運动区,上升运动高度区也有所提高,中高层也转为水汽辐合层。
参考文献
[1] 陶潘虹,张耀存,孙凤华. BCC第二代气候预测模式系统对2015年一次寒潮过程的预报能力评估[J].气象科学, 2020(2): 191-199.
[2] 江苏气象局.江苏省天气预报技术手册[M].北京:气象出版社, 2017.
[3] 庞礡,张彬,张莹,等.一次小雨转大雪天气过程诊断分析[J].农业灾害研究, 2014(7): 30-34.
[4] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社, 2007.
[5] 李进,陈练. 2014年杭州地区一次雨转雪天气过程分析[J].气象与环境学报, 2016(5):1-9.
[6] 张杰,王玉荣,张艳,等.泰安秋季强降雪形成机制分析[J].陕西气象, 2015(4): 13-16.
[7] 徐娟娟,郝丽,刘嘉慧敏,等. 2018年1月陕西区域性暴雪过程诊断[J].干旱气象, 2020(1): 117-125.
[8] 徐辉,宗志平.一次降水相态转换过程中温度垂直结构特征分析[J]高原气象, 2014(5): 1272-1280.
[9] 李进,陈勇明,毛则剑,等.杭州大雪的成因和预报指标分析[J].气象科技, 2020(3): 396-405.
责任编辑:黄艳飞
关键词 横槽;上升;水汽辐合
中图分类号:P458.2 文献标识码:B 文章编号:2095–3305(2021)03–0075–03
寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程,是冬半年影响江苏省的重要灾害性天气之一,除了造成剧烈的降温外,还常伴有大风、降雪等灾害性天气[1-2]。随着经济的快速发展,大雪对交通和生活的影响越来越明显[3]。因此,在一次寒潮天气背景下,对雨雪相态的转换以及降雪强度进行预报,对防灾减灾工作具有重要意义。
1 天气过程实况
受冷空气影响,2020年12月29日—31日泰州市出现一次寒潮、降雪天气过程。29日上午开始降温,31日早晨达到此次降温过程的最低值,最低气温在-7℃~-12℃,48 h降温幅度在-9℃~-12℃,达到寒潮标准。另外,冷空气影响期间,泰州市风力普遍增大,大部分地区风力达到了7~8级,其中包括区域站在内有26个站日极大风达到8级,溱湖以及泰州大桥(交通站)的日极大风力达到9级,分别为22.3、22.2 m/s。12月29日06:00以后,泰州市开始出现小雨天气,到13:35分以后,自北向南由兴化开始出现雨夹雪天气,13:59分海陵区转为纯雪天气过程,至15:58分全市大部分地区都转为纯雪天气。12月29日20:00以后降雪基本结束,全市出现中到大雪的天气。
2 寒潮爆发前天气形势
分析寒潮爆发前500 hPa高度场和温度场合成图(图1)可以看出,12月26日20:00在乌拉尔山的西侧有暖脊存在,北极有暖高压,同时,在贝加尔湖以及鄂霍次克海附近存在两个低涡。由于温度脊落后于高度脊,乌拉尔山暖脊沿着径向发展加强,脊前的偏北气流加强,使得冷空气进一步在西伯利亚堆积,形成一个-46℃的冷中心。27日20:00贝加尔湖与鄂霍次克海附近的两个低涡融合,在一线形成了东西向横槽,乌拉尔山附近的暖脊进一步增强与北极暖高压融合,不断引导冷空气在贝加尔湖附近的横槽堆积并进一步向南移动,冷高压中心移至贝加尔湖西侧。至28日20:00地面冷高压主体进一步增强移至蒙古境内,乌拉尔山高压脊也不断东伸加强,弱的暖平流逐渐移到脊前,横槽后部出现暖平流,槽前出现冷平流,此时横槽也已经压到了蒙古境内,在横槽的前部有小槽东传,预示着横槽转竖向南加深[4]。同时,副热带高压不断增强,基本西伸打通。从12月29日08:00—31日08:00 500 hPa横槽迅速转竖,冷空气经过蒙古到达我国河套地区附近南下,直达长江中下游地区,同时副高进一步增强北抬,控制了海南、广东和广西的南部,南支槽东移,引导暖湿气流向东北方向移动。
3 降雪分析
3.1 环流背景
降水发生前,28日20:00 500 hPa亚欧大陆为两槽一脊,在贝加尔湖东侧横槽开始转竖并分裂小槽引导地面冷空气南下,同时,在四川甘肃附近的南支槽东移发展带来暖湿气流。到了29日08:00(图2)500 hPa横槽南甩与南支槽合并,冷暖空气交汇,泰州市位于槽前的西南气流中,700 hPa上四川盆地到黄淮一线有切变存在,泰州市处于切变南侧西南气流中,有水汽输送,850 hPa受切变北侧东北气流控制,地面位于冷锋前部低压倒槽内,提供了一定的动力条件,此时泰州市以小雨为主。到了14:00(图3),700 hPa建立了明显的西南暖湿急流达到18 m/s,为降雪的发生提供了有利的水汽条件,而850 hPa东北气流不断增强,-4℃线已经移至泰州市上空,这种上暖下冷的逆温层结构为降雪提供了有利层结条件,同时泰州市地面位于冷锋后部,低层925 hPa附盛行东北冷气流,利于冷空气堆积,为降雪提供了冷垫,700 hPa西南暖湿气流沿着冷垫爬升,产生较强的上升运动,泰州市开始有降雪的产生,到20:00 前是泰州市降雪的集中时段。20:00以后,随着700 hPa转为西北气流控制,水汽减弱,降雪渐止。
3.2 物理量场分析
3.2.1 水汽条件 从图4a水汽通量的演变可知,前期近地面层受高压底前部偏东转东北气流影响,从08:00~14:00泰州市925 hPa以下有水汽通量大值带,为降雨提供了水汽条件,同时随着西南急流开始建立,700 hPa到500 hPa之间逐步开始形成水汽通量的大值区。在14:00到20:00随着近地面层迅速转为偏北气流影响,925 hPa以下水汽通量减小,700 hPa以上随着西南急流建立,水汽输送带逐渐向上层伸展,水汽通量大值带向上倾斜,在600 hPa到500 hPa有水汽通量大值中心7.2 g /(s·cm2·hPa)。在其引导下,将水汽带到泰州市上空,为降雪提供了有利水汽条件,此时,泰州市上空也已经由雨转化为雪,到了20:00以后随着中低层转变为西北气流,水汽输送迅速减小,降雪渐止。
输送水汽能否聚集形成降水,需进一步分析雨转雪过程中高低层水汽通量散度特征(图4b)。08:00~12:00泰州市850 hPa以下有较强水汽的辐合存在,最大辐合中心出现在08:00达到-9×10-7 g /(s·cm2·hPa),同时,在850 hPa以上到500 hPa有水汽辐散,这种低层水汽辐合高层水汽辐散有利于产生降水,此时对应泰州市以较明显液态降水为主[5]。从12:00~14:00泰州市近地面层转为水汽的辐散区,一直伸展到了700 hPa附近,整层以一致的偏北冷气流为主,在700 hPa到500 hPa之间为水汽辐合区,泰州市降雨逐渐减弱。14:00~20:00近地面层辐散进一步增强,在925 hPa附近形成一个辐散中心达到11×10-7 g /(s·cm2·hPa),同时水汽辐合层逐渐向上倾斜,在700 hPa形成水汽辐合中心,达到-2×10-7 g /(s·cm2·hPa),利于水汽聚集,基本上与西南急流相配合,泰州市雨已经转雪,到20:00之前也是降雪比较集中的时段。20:00以后,随着西北气流南下,整层转为水汽的辐散区,降雪渐止。 3.2.2 动力条件 垂直运动造成的水汽、热量、动量、涡度等物理量的垂直输送对天气系统的发展有很大影响[6]。由垂直速度图(图5a)可知,08:00随着高空槽南压以及切变线移至泰州市附近,泰州市上空有较强的动力抬升作用,可以看到从地面到500 hPa以垂直上升运动为主,垂直上升速度在850 hPa附近达到最大,中心值为-0.4 Pa/s,此时对应泰州市以降雨为主,到了14:00,西南暖湿空气沿着冷垫爬升,低层垂直上升速度逐渐减小,700 hPa以上上升速度逐渐增强并伸展至250 hPa附近,在600~500 hPa附近形成一个大的上升中心达到-0.35 Pa/s,强烈的上升运动利于水汽的上升凝结,此时泰州市逐渐转为固态降水即雪,到20:00前以降雪为主,在20:00后随着垂直上升运动减弱转为下沉运动,降雪渐止。
从散度垂直剖面图(图5b)可以看出,29日08:00泰州市上空850 hPa以下为辐合区,其辐合中心达到-2×10-5 s-1,内部有上升运动,850 hPa以上到250 hPa为辐散区,泰州市主要以降雨为主,到了14:00近地面到500 hPa为弱的辐合区,辐合中心为-0.8×10-5 s-1,500 hPa到200 hPa为辐散区,其中在300 hPa中心有辐散中心达到2.4×10-5 s-1,这种低层辐合,高层辐散的结构有利于上升运动的发展,利于低层水汽的聚合抬升,此时也是泰州市雨转雪的过程,在14:00~20:00之间,可以看到近地面层出现了辐散中心,低层为弱辐合区,中高层又是一个辐合区,整个散度场分布比较凌乱,造成此次泰州市降雪并不是特别强[7]。
3.2.3 温度层结 研究指出,在雨转为雪时,高空冰晶层(-10℃)高度会逐渐下降[8]。同时,降雪的有利条件是850 hPa气温≤-4℃,700 hPa气温≤0℃,且中层有逆温层存在,逆温层温度在0℃以下[9]。通过29日08:00、14:00以及20:00温度层结曲线可以看出,08:00 -10℃冰晶层在580 hPa左右,0℃线位于800 hPa以上,从地面到500 hPa温度垂直递减率变化不大,泰州市以降雨为主,到了14:00冰晶层已经降至610 hPa左右,925 hPa到700 hPa温度垂直递减率减小,尤其是850 hPa到700 hPa温度基本形成一个等温层,主要是由于西南暖湿气流建立,锋区移动,850 hPa以下偏北冷气流加强,对应各层温度:850 hPa气温在-4℃左右,700 hPa气温≤0℃,但逆温层还没建立,此时也是泰州市雨转雪的降水相态转化过程,到了20:00冰晶层已经降至650 hPa,可以看到在850 hPa到700 hPa之间泰州市上空有逆温层存在,温度在-5℃~-10℃,这主要是850 hPa偏北冷气流进一步增强南下,同时,925 hPa到地面维持在0℃以下,近地面层有明显冷垫存在,对应着到20:00前泰州市是一个较明显的降雪过程(图6)。
4 结论与讨论
在寒潮天气背景下,本次降雪过程是500 hPa横槽转竖引导冷空气南下,925 hPa以下形成冷垫,700 hPa和850 hPa切变,配合700 hPa西南急流为降雪的发生提供了有利的动力条件和水汽条件,700 hPa暖湿气流和850 hPa东北冷气流增强,为降雪提供了逆温层结条件。
在雨转雪的过程中,中低层以垂直上升运动为主。但在液态降水时,强上升运动区出现在低层850 hPa附近,对应着水汽辐合,而中高层水汽辐散有利于产生降雨的发生,当出现降雪后,低层垂直上升运动减弱,水汽辐合减弱转为水汽辐散,700 hPa到400 hPa形成大的上升運动区,上升运动高度区也有所提高,中高层也转为水汽辐合层。
参考文献
[1] 陶潘虹,张耀存,孙凤华. BCC第二代气候预测模式系统对2015年一次寒潮过程的预报能力评估[J].气象科学, 2020(2): 191-199.
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[4] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社, 2007.
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[7] 徐娟娟,郝丽,刘嘉慧敏,等. 2018年1月陕西区域性暴雪过程诊断[J].干旱气象, 2020(1): 117-125.
[8] 徐辉,宗志平.一次降水相态转换过程中温度垂直结构特征分析[J]高原气象, 2014(5): 1272-1280.
[9] 李进,陈勇明,毛则剑,等.杭州大雪的成因和预报指标分析[J].气象科技, 2020(3): 396-405.
责任编辑:黄艳飞