周之栩 尹浩 向華

(湖州市氣象局,浙江 湖州 313005)

0 引 言

湖州市地處長江下游地區(qū),位于南北氣候過渡帶,冬季冷、暖空氣交匯顯著,近年來多次出現連續(xù)降雪過程,降雪的物理成因非常復雜,降雪的性質也不盡相同,有干、濕雪之分。不同性質的降雪過程引發(fā)的災害不同:干雪過程中由于雪花不易融化,黏性小,易造成地面積雪,影響交通;濕雪則由于含水量高、雪壓大、黏性強,容易形成電線積冰及道路結冰等冰雪災害。因此,對湖州市的干、濕雪過程進行對比分析,對于防范冰雪災害具有重要意義。

關于浙江省的降雪機理,國內有很多學者進行了相關研究。如黃新晴等[1]對浙江省2008年1—2月連續(xù)性暴雪過程診斷分析表明,中高層強烈暖濕輻合上升運動、南海和孟加拉灣的水汽輸送和低層強烈降溫是暴雪的主要原因;沈玉偉[2]等對浙江2010年冬季兩次強降雪過程的分析認為,水汽通量大值區(qū)的演變與降雪過程有較好的對應關系;周玲麗等[3]研究了對流層高層的正渦度輸送對降雪強度的影響。上述研究多側重于浙江降雪強度和落區(qū)機理研究,對于引發(fā)不同性質降雪的天氣系統(tǒng)、環(huán)境場特征等目前尚未進行分析。

關于干、濕雪特征對比,國內外一些學者進行了相關研究。如Paterson[4]和Goodison[5]指出,新降干雪的平均密度約為100 kg·m-3,新降濕雪的平均密度約為100～200 kg·m-3;國內馬麗娟等[6]通過分析得出中國年平均積雪深度、雪雨比值和積雪密度分別為:0.49 cm,0.7 cm·mm-1和0.14 g·cm-3;楊棍等[7]對我國不同地區(qū)的雪深增量和雨雪量比值進行了分析,指出雪雨比值平均值在0.79 cm·mm-1左右,具有明顯的地域差異,北方地區(qū)比值波動較小,在1～1.15 cm·mm-1,以干雪為主;南方地區(qū)比值波動較大,大多<1 cm·mm-1,以濕雪為主。但上述研究多局限于干、濕雪的物理特征等,對于造成干、濕雪天氣過程的特點及預報要點目前研究較少。

本文利用Micaps觀測資料、NCEP再分析資料及風廓線資料對湖州地區(qū)2016年1月20日濕雪過程(簡稱120過程)與1月31—2月1日干雪過程(簡稱131過程)進行對比分析,旨在找出兩類降雪過程的天氣形勢和環(huán)境場特征的區(qū)別,提高預報員對兩類降雪的機理認識,為今后做好降雪預報和預警服務提供參考。根據湖州市本地降雪特征,規(guī)定若雪雨比值>1 cm·mm-1則為干雪,若雪雨比值<1 cm·mm-1則為濕雪。

1 兩次降雪過程概況

120過程從1月20日15時一直持續(xù)到21日23時。受北方強冷空氣影響,20日15時左右湖州地區(qū)自西南向東北開始出現降雪,傍晚到次日8時左右湖州地區(qū)已出現較明顯積雪,平原小到中雪,山區(qū)中到大雪,積雪深度平原一般為2～5 cm,山區(qū)6～9 cm,雪量為4～7 mm,雪雨比值一直<1 cm·mm-1,湖州站雪雨比值只有0.36 cm·mm-1(見表1)。下午15時后,降雪強度逐漸減弱,湖州、長興維持雨夾雪,安吉、德清以小雪為主,23時后全市的雨雪天氣基本結束。本次降雪是湖州市入冬以來第一場明顯降雪,預報難度較大,對交通帶來較大影響。

表1 湖州站兩次過程雪量、雪深、雪雨比值

131過程從1月31日14時開始到2月1日7時左右結束。降雪開始于皖南,逐漸東移,至1日2時平原普降中雪,山區(qū)中到大雪,積雪深度平原一般為2～3 cm,山區(qū)4～7 cm,雪量為1～2 mm,雪雨比值>1 cm·mm-1,其中湖州站雪雨比值為1.11 cm·mm-1(見表1)。本次降雪過程持續(xù)時間短,但雪后氣溫下降,出現明顯道路結冰現象,對春運交通帶來極大影響。

2 天氣形勢對比分析

如圖1a,在1月20日08時天氣形勢中,500 hPa華西—華南地區(qū)為寬廣的槽區(qū),江淮地區(qū)受西北偏西氣流控制,江南大部受南支槽前西南偏西氣流影響;700 hPa江西至浙江一帶出現12～16 m/s的西南急流,850 hPa皖南到浙北一帶形成暖式切變線,切變線南側南風氣流與溫度線交角接近垂直,同時皖南附近有明顯的暖脊存在,表明該區(qū)域暖平流輸送顯著。20日20時(圖略),500 hPa南支槽進一步東移,700 hPa浙江一帶西南急流進一步增強,達14～18 m/s,隨著弱冷空氣的進一步南下,冷暖空氣交綏顯著,21日上午降雪明顯,21日20時后,850 hPa以下江蘇南部、浙江北部逐漸轉為偏北氣流,700西南急流明顯轉弱,本次降雪過程也逐漸結束。

圖1 2016年1月20日08時(a)和1月31日08時(b)500 hPa高度場、850 hPa溫度場、850 hPa切變(黑色雙實線)及風場、700 hPa急流,500 hPa槽線

如圖1b,131過程主要影響系統(tǒng)為500 hPa短波槽、東北冷渦以及850 hPa切變線。1月31日08時,500 hPa中高緯為兩槽一脊,東北地區(qū)受冷渦控制,其東移過程中后部偏北氣流引導冷空氣南下,700 hPa江西至浙江一帶維持10～12 m/s的西南氣流;850 hPa上,江蘇南部至浙江北部一帶為偏北氣流,氣流與溫度線幾乎成垂直交角,冷平流向南輸送十分顯著,0 ℃線已壓至浙江中部,低層形成深厚冷墊;與此同時,中低緯地區(qū)南支系統(tǒng)十分活躍,不斷分裂短波槽東移,850 hPa形成冷式切變線,700 hPa西南暖濕氣流在深厚冷墊上爬升,也為降雪提供了有利的動力條件;由于500 hPa不斷有短波槽東移,西南暖濕氣流勢力較弱,因此降雪持續(xù)時短,積雪深度不大。

3 水汽條件對比分析

120過程水汽來源于700 hPa西南急流和850 hPa西南氣流。1月20日08時700 hPa有18 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值中心,從廣東至江西南部向浙北輸送,浙北此時的水汽通量為2 g·cm-1·hPa-1·s-1,至21日02時浙北地區(qū)的水汽通量已達8 g·cm-1·hPa-1·s-1(如圖2a),700 hPa強勁的西南暖濕氣流是該過程水汽輸送的重要來源;850 hPa 08時在湖南、江西、浙北一帶有暖切維持,浙北地區(qū)為西南氣流,該氣流也為浙北提供了一條水汽輸送帶,至21日02時850 hPa浙北地區(qū)的水汽通量從0.3 g·cm-1·hPa-1·s-1增加至2 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖2b),700 hPa和850 hPa兩支水汽輸送通道為降雪發(fā)生提供了充足的水汽。

圖2 2016年1月21日02時700 hPa(a)和850 hPa(b)、1月31日14時700 hPa(c)和850 hPa(d)水汽通量分布及風場圖

131過程水汽主要來源于700 hPa西南暖濕氣流。31日08時,700 hPa湖南—廣西一帶有水汽通量大值中心,但由于偏西偏南,該條水汽輸送帶對浙北的水汽輸送強度較弱,整個過程中浙北地區(qū)的水汽通量為4 g·cm-1·hPa-1·s-1以下(圖2c),850 hPa浙北內陸雖然也是東南氣流(圖2d),但在20時后逐漸轉為了偏北氣流,整個水汽通道并沒有持續(xù)性,導致浙北地區(qū)基本為一相對干區(qū),水汽通量值<0.2 g·cm-1·hPa-1·s-1。

4 動力條件

如圖3a,20日08—10時500 m以下為偏南氣流,隨高度逆轉,有淺薄的冷平流存在,500 m～1500 m(850 hPa)為東南氣流,高層偏西風,同時風向隨高度順轉,有暖平流,10時開始1000 m以下開始轉為東北風,1500 m(850 hPa)以上西南風明顯增強,3000 m(700 hPa)的風速達到14 m/s,之后西南急流不斷加強,21日02時左右,3000 m(700 hPa)從西南急流逐漸轉為了西北氣流,而高空仍維持偏西氣流,表明冷平流開始侵入,同時3000 m(700 hPa)以下仍為暖平流影響,導致冷暖交匯,降雪進一步加強,08時以后1500 m(850 hPa)到3000 m(700 hPa)都轉為冷平流控制,降雪逐漸減弱,20時后3000 m(700 hPa)以下轉為冷平流,降雪過程基本結束。從垂直速度圖(圖4a)也可看到,20日08時700 hPa以下基本為弱上升氣流控制,隨著暖濕氣流的東移加強,至20時湖州地區(qū)上空轉為了較強的上升氣流,700 hPa達-0.8 Pa/s,21日02時隨著中層冷平流的影響,冷暖交匯,促進了上升氣流的發(fā)展,700 hPa形成了-1.6 Pa/s的輻合中心,500 hPa以下都維持著深厚的上升氣流,隨著冷平流的不斷南下擴散,至21日20時500 hPa以下逐漸轉為了下沉氣流。

圖3 2016年1月20日08時—21日20時(a)和2016年1月31日08時—2月1日08時(b)湖州站風廓線圖

如圖3b,31日08—13時,1500 m(850 hPa)以下維持東北風,以上為東南或西南風,3000 m(700 hPa)的西南氣流速度為10～12 m/s,風向隨高度順轉,整層大氣有暖平流維持,14時后1500(850 hPa)～3000 m(700 hPa)風向隨高度逆轉,有冷平流侵入,16時后3500 m以下都為冷平流控制,3500 m以上為暖平流,這時湖州地區(qū)出現降雪,隨著冷平流的進一步南下,22時后由于整層大氣(可觀測高度)都被干冷空氣控制,系統(tǒng)處于減弱階段,降雪也逐漸減小;2月1日00:00以后,1500 m以上已經沒有探測記錄,降雪趨于結束。從垂直速度圖(圖4b)也可見,31日08時湖州上空整層大氣均為弱下沉氣流,700 hPa為0.4 Pa/s左右,14時隨著中層冷平流的侵入,促進了中層上升氣流的發(fā)展,700 hPa～850 hPa形成-0.8 Pa/s的輻合上升中心,但850 hPa以下仍維持著下沉氣流,31日20時后隨著冷空氣的進一步南下,500 hPa以下都轉為了下沉氣流。

圖4 2016年1月21日02時(a)和2016年1月31日14時 (b)沿120°垂直速度剖面圖

5 結 語

通過對2016年1月20日濕雪過程和1月31日干雪過程的水汽、動力條件進行對比分析,揭示了干、濕雪過程的主要區(qū)別如下:1)濕雪過程中,低層冷墊淺薄、700 hPa急流強盛、水汽輸送通道多,水汽條件好,上升運動顯著,雪量大,但雪深并不一定很深;2)干雪過程中,低層冷墊深厚、700 hPa暖濕氣流較弱、水汽輸送通道單一,850 hPa以下多干冷平流,上升運動較弱,降雪以純雪為主。

雖然對兩次降雪過程中的微物理過程進行了分析,對預報服務有一定的參考作用,但由于個例較少,仍需在今后的工作中進一步完善。