郭勝利，葛非，馬榮，肖天貴，唐瑋瑋

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江蘇南京210044;3.河南省沈丘縣氣象局，河南沈丘466300;4.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;5.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401147)

2005年3月西藏強(qiáng)降雪過(guò)程的波包分布及傳播特征

郭勝利1，2，葛非1，2，馬榮3，肖天貴4，唐瑋瑋5

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江蘇南京210044;3.河南省沈丘縣氣象局，河南沈丘466300;4.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;5.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401147)

利用NCEP/NCAR再分析資料，采用波包傳播的診斷方法，對(duì)2005年3月24—25日發(fā)生在西藏中東部地區(qū)的強(qiáng)降雪過(guò)程中波包的傳播和積累特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)500 hPa高度場(chǎng)波包分布特征與強(qiáng)降雪產(chǎn)生的區(qū)域有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在強(qiáng)降雪產(chǎn)生的時(shí)段內(nèi)，高度場(chǎng)擾動(dòng)能量有著明顯的積累和增強(qiáng)。從波包的傳播特征來(lái)看，受印度洋和孟加拉灣低值系統(tǒng)活躍的影響，來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流不斷向青藏高原輸送，繼而為西藏林芝地區(qū)強(qiáng)降雪過(guò)程提供了充足的水汽來(lái)源。高緯的冷空氣南下與西南氣流交匯促使了這次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程的產(chǎn)生。

波包傳播診斷;強(qiáng)降雪過(guò)程;擾動(dòng)能量

0 引言

西藏地區(qū)地處青藏高原，冬季氣溫較低，降水較少，但其南部邊緣地區(qū)和藏北地區(qū)常常出現(xiàn)強(qiáng)降雪天氣過(guò)程，暴雪所造成的雪災(zāi)給交通運(yùn)輸、牧業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活帶來(lái)嚴(yán)重影響。但因高原以及周邊地區(qū)氣象站點(diǎn)稀少，氣象資料缺乏以及對(duì)強(qiáng)降雪天氣形成原因的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不夠充分，增大了降雪預(yù)報(bào)的難度。因此，深入研究高原雪災(zāi)發(fā)生的規(guī)律和預(yù)報(bào)方法很有必要，對(duì)于預(yù)防雪災(zāi)、保護(hù)牧民生命財(cái)產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義。多年來(lái)，氣象學(xué)者致力于研究高原地形對(duì)鄰區(qū)乃至全球環(huán)流系統(tǒng)和天氣氣候的影響，并取得了一些重要成果(朱抱真，1957;錢云和錢永甫，1996)。越來(lái)越多的研究表明擾動(dòng)能量的積累和頻散是影響高原地區(qū)天氣的重要系統(tǒng)，強(qiáng)降雪過(guò)程中波動(dòng)能量的傳播越來(lái)越被人們關(guān)注。Yeh(1949)早在20世紀(jì)40年代就發(fā)表了正壓Rossby波的能量頻散理論。Zeng(1983)和曾慶存(1985)使用非線性理論方法全面系統(tǒng)地闡述了瞬變波的波包理論及瞬變波的能量傳播問(wèn)題?？婂\海等(2002)和宋燕等(2006)將波包傳播理論用于天氣和氣候診斷，得到江淮梅雨出入梅和副高北跳與波包傳播的關(guān)系。這些研究結(jié)果表明，波包分布圖上的強(qiáng)中心常與強(qiáng)擾動(dòng)的低壓、低槽發(fā)展相聯(lián)系，而波包分布圖上的低值區(qū)常與擾動(dòng)強(qiáng)度較小的高壓相聯(lián)系，波包強(qiáng)中心的傳播常常與槽脊的移動(dòng)相聯(lián)系等等。因此，本文應(yīng)用繆錦海等(2002)和肖天貴等(2010)提出的波包傳播診斷方法(wave-packet propagation diagnosis，WPD)和2005年3月NCEP/NCAR再分析資料，對(duì)2005年3月西藏地區(qū)暴雪天氣過(guò)程中擾動(dòng)能量的積累和傳播特征進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 資料及計(jì)算方法

使用2005年3月NCEP(美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心)FNL(global final analyses)高度場(chǎng)資料，4次/d，每6 h一次，分辨率為1°×1°，采用波包傳播的診斷方法(WPD)計(jì)算了此次降水過(guò)程中高度場(chǎng)的波包值。

氣象資料在一定條件下可以看成許多波動(dòng)的組合，如

其中:P(x，y，z，t)為某一氣象要素在t時(shí)刻的數(shù)據(jù)資料;A(x，y，z，t)為波動(dòng)振幅;k、l、m分別為x、y、z方向上的波數(shù);ω為角頻率;φ為幅角。波動(dòng)能量沿波動(dòng)包絡(luò)傳播，各波振幅Ai(x，y，z，t)最大值的移動(dòng)代表波包的移動(dòng)，也表示這一波動(dòng)的能量傳播。

具體計(jì)算時(shí)先對(duì)高度場(chǎng)資料進(jìn)行高通濾波(吳洪寶和吳蕾，2005)，得到高度場(chǎng)濾波信號(hào)P(x，y，z，t)，然后對(duì)P(x，y，z，t)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換(x，y，z，t)，再求出其解析信號(hào)Pc(x，y，z，t)=P(x，y，z，t)+iP^(x，y，z，t)的振幅A(x，y，z，t)，即為對(duì)應(yīng)信號(hào)的波包值。其中A(x，y，z，t)=在計(jì)算之前已將高度場(chǎng)資料進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，故所得的波包值為無(wú)量綱數(shù)。波包值的大小代表了擾動(dòng)能量的強(qiáng)弱，波包值的變化代表了擾動(dòng)能量的積累和傳播。

2 強(qiáng)降雪產(chǎn)生時(shí)段500 hPa環(huán)流形勢(shì)及雪情

圖1為2005年3月24—26日500 hPa平均高度場(chǎng)、高度距平場(chǎng)。天氣形勢(shì)整體的環(huán)流特征是中高緯度為較平直的緯向環(huán)流，烏拉爾山至咸海、里海一帶為脊區(qū)，西伯利亞以東為寬廣的低值區(qū)，亞歐兩槽一脊型。結(jié)合2005年3月24、25日的天氣實(shí)況分析，西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)，強(qiáng)大的副高造成冷暖空氣交匯作用加劇，使烏拉爾山至貝加爾湖地區(qū)阻塞高壓穩(wěn)定，有利于地面冷空氣從蒙古到我國(guó)東北堆積。而由于大氣環(huán)流經(jīng)向度加大，導(dǎo)致北支鋒區(qū)南壓并使高度場(chǎng)大幅下降。由圖1可見(jiàn)，新疆北部有一低壓中心，西北部地區(qū)有一低壓槽，位于25～55°N，新疆、青海、西藏地區(qū)均處于此槽區(qū)內(nèi)，而西藏中東部地區(qū)處于低槽曲率最大處。圖1b為2005年3月25日500 hPa高度場(chǎng)距平場(chǎng)。95°E附近南支槽加深，形成75～105°E之間穩(wěn)定的負(fù)距平區(qū)，負(fù)距平數(shù)值－8 dagpm，為3月25日中國(guó)地區(qū)最大負(fù)距平，西藏東部(即發(fā)生強(qiáng)降雪的地區(qū))正處于此負(fù)距平區(qū)域中。同時(shí)，來(lái)自孟加拉灣的水汽沿云貴高原向我國(guó)輸送，直達(dá)西藏中東部地區(qū)。這種環(huán)流形勢(shì)下，冷空氣從西伯利亞地區(qū)連續(xù)不斷地入侵我國(guó)，并與強(qiáng)大的副熱帶高壓配合，西太副高西側(cè)的西南氣流將南部暖濕氣流源源不斷地輸送入高原。

受南部暖濕氣流影響，2005年3月24—25日，西藏中東部出現(xiàn)了一次較大范圍的短時(shí)強(qiáng)降雪(雨)天氣過(guò)程，其他地區(qū)出現(xiàn)了小雪，局部中到大雪。其降雪量平均為8～10 mm，其中米林和察隅的最大降雪量分別達(dá)到15.4 mm和10.3 mm。降雪過(guò)程的特點(diǎn)是:強(qiáng)度大、范圍廣、時(shí)間短、降水分布不均。此次大暴雪和雪后降溫天氣給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)牧民生活、交通、電力等各方面帶來(lái)嚴(yán)重的影響。降水量分布具體情況為:當(dāng)雄3.4 mm，南木林3.8 mm，嘉黎4.5 mm;波密8.5 mm;林芝6.4 mm;米林15.4 mm;察隅10.3 mm。降水量大于5 mm的站有4個(gè)，大于10 mm的站有2個(gè)，其中最大出現(xiàn)在米林。

3 持續(xù)強(qiáng)降雪期間平均波能變化和分布特征

圖2為2005年3月西藏林芝地區(qū)500 hPa波包平均值變化曲線。由圖2可見(jiàn)，強(qiáng)降雪過(guò)程開(kāi)始時(shí)期，23日12時(shí)(北京時(shí)，下同)波包值開(kāi)始逐步增強(qiáng)，擾動(dòng)能量逐步得到積累，到24日06時(shí)波包值達(dá)到峰值，之后波包值開(kāi)始逐步減小，擾動(dòng)能量逐步得到釋放，18時(shí)左右波包值維持在一個(gè)較低位相，此后波包值又開(kāi)始增大，25日00時(shí)達(dá)到1.1。隨著過(guò)程的結(jié)束波包值也迅速減小，25日18時(shí)僅為0.1。從23日12時(shí)—25日18時(shí)的波包變化過(guò)程來(lái)看，強(qiáng)降雪天氣過(guò)程的產(chǎn)生時(shí)期，波包值逐漸增強(qiáng)且維持在較高位相，過(guò)程結(jié)束后波包值逐漸減弱，能量釋放。上述分析表明，由高值系統(tǒng)向低值系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，擾動(dòng)能量積累后的釋放階段可能會(huì)產(chǎn)生雨雪天氣。

4 500hPa高度場(chǎng)波包分布特征

圖3為3月24日06時(shí)—25日12時(shí)500 hPa高度場(chǎng)的波包分布變化。由圖3a可見(jiàn)，24日06時(shí)，孟加拉灣低值系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展，反映了其暖濕氣流中的擾動(dòng)能量不斷積累增強(qiáng)，西藏中東部地區(qū)處于波包大值區(qū)控制下，中心值達(dá)1.0。與此同時(shí)，高原中東部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的強(qiáng)降雪天氣。此后，隨著擾動(dòng)能量的釋放減弱，降雪也逐漸減小。從圖3b、c上看，擾動(dòng)能量釋放后并沒(méi)有完全消失，整個(gè)高原東部地區(qū)一直處于低值系統(tǒng)控制下，能量又開(kāi)始逐漸積累，這可能是由于波動(dòng)能量傳播到高原中東部地區(qū)后，受環(huán)流形勢(shì)和地形等條件的影響大部分?jǐn)_動(dòng)能量隨強(qiáng)降雪天氣的產(chǎn)生而頻散，剩余一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)轳v波形式的局地振蕩而產(chǎn)生能量反饋，并在24日12時(shí)—25日00時(shí)與來(lái)自孟加拉灣的擾動(dòng)能量相補(bǔ)充。由圖3d、e可見(jiàn)，25日00—06時(shí)，受印度洋孟加拉灣波包大值東移和高原東部低值系統(tǒng)的共同影響，同時(shí)伴隨著新疆西北部的波包值明顯增大后帶來(lái)的冷空氣，西藏中東部地區(qū)再次出現(xiàn)明顯的強(qiáng)降雪天氣過(guò)程。由圖3f可見(jiàn)，25日12時(shí)，青藏高原區(qū)域的波包大值開(kāi)始出現(xiàn)東移和減弱趨勢(shì)，低緯印度、孟加拉灣區(qū)域穩(wěn)定的波包大值中心也出現(xiàn)明顯的東移和崩潰，波包大值區(qū)逐漸移出青藏高原，到25日18時(shí)，青藏高原已不處于波包大值區(qū)的控制之下，此次雨雪天氣過(guò)程趨于結(jié)束。

圖3 3月24日06時(shí)—25日12時(shí)500 hPa高度場(chǎng)波包分布變化a.24日06時(shí);b.24日12時(shí);c.24日18時(shí);d.25日00時(shí);e.25日06時(shí);f.25日12時(shí)Fig.3 Wave-packet distribution changes at 500 hPa during March 24—25，2005a.06:00 BST on March 24;b.12:00 BST on March 24;c.18:00 BST on March 24;d.00:00 BST on March 25;e.06:00 BST on March 25;f.12:00 BST on March 25

5 強(qiáng)降雪產(chǎn)生期間波動(dòng)能量積累和傳播特征

為了進(jìn)一步分析2005年3月24—25日西藏中東部地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)降雪天氣過(guò)程中大氣擾動(dòng)能量的傳播特征，圖4分別給出了2005年3月24—25日500 hPa、600 hPa的28～37°N時(shí)間—經(jīng)度剖面和90～100°E的時(shí)間—緯度剖面。

圖4 3月24—25日28～32°N波包的時(shí)間—經(jīng)度剖面(a，c)及90～100°E波包的時(shí)間—緯度剖面(b，d)a，b.500 hPa;c，d.600 hPaFig.4 (a，c)Time-longitude section over 28—32°N and(b，d)time-latitude section over 90—100°E on March 24—25，2005a，b.500 hPa;c，d.600 hPa

由500 hPa高度場(chǎng)波包的傳播特征(圖4a)來(lái)看，24日00時(shí)開(kāi)始西藏東部地區(qū)波包強(qiáng)烈發(fā)展，24日06時(shí)中心值達(dá)到0.9，25日00時(shí)波包中心值達(dá)1.2以上，之后，隨著擾動(dòng)能量的逐漸釋放波包中心略有減弱并移出高原，與這次西藏中東部降雪天氣的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間相對(duì)應(yīng)。由圖4b可見(jiàn)，24日06時(shí)，22°N和30°N附近出現(xiàn)了兩個(gè)波包大值中心，中心強(qiáng)烈發(fā)展并有向東傳波趨勢(shì)。25日00時(shí)，24日東傳的波包與低緯北傳的暖濕氣流波包匯合加強(qiáng)，波包中心值達(dá)到1.0以上。由圖4c可見(jiàn)，600 hPa高度場(chǎng)上24日00時(shí)80°E波包強(qiáng)中心向東傳播，06—12時(shí)在87°E和97°E附近同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)大值中心，其大值區(qū)覆蓋了整個(gè)西藏中東部地區(qū)。500 hPa高度場(chǎng)波包的緯向傳播與600 hPa較為一致，其波包中心強(qiáng)度略高于600 hPa。24—25日，西藏中東部地區(qū)的波包發(fā)展強(qiáng)烈，形成此高度層與經(jīng)緯度區(qū)域內(nèi)同時(shí)期的波包最強(qiáng)中心，伴隨之后的擾動(dòng)能量的釋放，強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)。青藏高原南部波包向東傳播，西南暖濕氣流沿高原南側(cè)不斷影響我國(guó)，高緯地區(qū)波包大值區(qū)持續(xù)穩(wěn)定積累，有利于冷空氣的堆積。擾動(dòng)能量不斷的積累導(dǎo)致波包能量的不斷增強(qiáng)，高緯的冷空氣南下與西南氣流交匯的共同影響，促使了這次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程的產(chǎn)生。

由此可見(jiàn)，2005年3月24—25日發(fā)生在西藏中東部地區(qū)的強(qiáng)降雪天氣過(guò)程，主要受到印度洋和孟加拉灣低值系統(tǒng)活躍的影響，來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流不斷向我國(guó)青藏高原輸送，為此次西藏林芝地區(qū)強(qiáng)降雪過(guò)程提供了充足的水汽來(lái)源。高緯的冷空氣南下與西南氣流交匯也促使了這次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程的產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)500 hPa、600 hPa高度場(chǎng)波包值的計(jì)算和分析能更清晰地反映出大氣擾動(dòng)能量的變化，也反映了此次降雪過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展。擾動(dòng)能量的經(jīng)向和緯向傳播積累比較清晰，有一定預(yù)報(bào)意義，同時(shí)也說(shuō)明從波包即波能的角度分析天氣過(guò)程的方法有一定的實(shí)用性。

6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)2005年3月24—25日發(fā)生在我國(guó)西藏林芝地區(qū)的強(qiáng)降雪天氣期間波包傳播和積累特征的討論，得出以下主要結(jié)論:

1)在此次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程中，西藏中東部地區(qū)均經(jīng)歷波包大值區(qū)的移動(dòng)和控制，雨雪過(guò)程產(chǎn)生于波包擾動(dòng)能量積累的高值時(shí)段。500 hPa和600 hPa高度場(chǎng)波包擾動(dòng)能量的積累和釋放過(guò)程與強(qiáng)降雪產(chǎn)生的時(shí)次比較對(duì)應(yīng)。24日06—12時(shí)和25日00—06時(shí)，兩次大范圍降雪過(guò)程中波包的中心值均達(dá)到1.0以上。

2)從波包的傳播特征來(lái)看，此次過(guò)程受印度洋和孟加拉灣低值系統(tǒng)活躍的影響，來(lái)自孟加拉灣的暖濕氣流不斷向我國(guó)青藏高原輸送，為此次西藏林芝地區(qū)強(qiáng)降雪過(guò)程提供了充足的水汽來(lái)源。高緯的冷空氣南下與西南氣流交匯也促使了這次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程的產(chǎn)生。

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Wave-packet propagation characteristics of the strong snowstorm in Tibet in March of 2005

GUO Sheng-li1，2，GE Fei1，2，MA Rong3，XIAO Tian-gui4，TANG Wei-wei5

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;2.School of Math and Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Shenqiu Meteorological Bureau，Shenqiu 466300，China;4.College of Atmospheric Sciences，Chengdu Institute of Information Technology，Chengdu 610225，China;5.Chongqing Institute of Environmental Science，Chongqing 401147，China)

By using the NCEP/NCAR reanalysis data and the diagnosis analysis method of wave-packet propagation(WPD)，the wave-packet propagation and accumulation characteristics of the heavy snowstorm on March 24—25，2005 in Tibet were analyzed.Results show that the characteristics of wave-packet were in better accordance with the snowfall area at 500 hPa.The perturbation energy accumulated and increased obviously during the heavy snowfall process.This process was mainly influenced by the low value system of the Indian Ocean and the Bay of Bengal，which transported sufficient vapor to Linzhi area.The cold air from high latitude area and the southwest airflow interacted with each other，which also promoted the occurrence of this heavy snowstorm process.

wave-packet propagation diagnosis(WPD);heavy snowstorm process;perturbation energy

P445

A

1674-7097(2011)04-0410-06

2010-08-19;2011-03-25

江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CXZZ11_0626)

郭勝利(1956—)，男，河南洛陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g天氣的能量傳輸、大氣光學(xué)非線性，shlguo@nuist.edu.cn;葛非(通信作者)，男，博士生，研究方向?yàn)閺?qiáng)對(duì)流天氣診斷、空間天氣的能量傳輸，figovicky@tom.com.

郭勝利，葛非，馬榮，等.2011.2005年3月西藏強(qiáng)降雪過(guò)程的波包分布及傳播特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，34(4):410-415.

Guo Sheng-li，Ge Fei，Ma Rong，et al.2011.Wave-packet propagation characteristics of the strong snowstorm in Tibet in March of 2005［J］.Trans Atmos Sci，34(4):410-415.

(責(zé)任編輯:劉菲)