2018年1月江蘇3次致災(zāi)暴雪成因?qū)Ρ确治?/h1>
2020-05-06 04:52:46王喜王琴向陽鄭煒李由
海洋氣象學(xué)報 2020年1期
王喜，王琴，向陽，鄭煒，李由
(泰州市氣象局，江蘇 泰州 225300)
引言
關(guān)于冬季降雪的發(fā)生成因以及機理分析，氣象工作者進行了大量分析研究，并取得了很多成果[1-11]。徐雙柱等[11]對1988—2005年發(fā)生在湖北冬季的15次大雪過程進行分析，指出地面冷空氣、700 hPa江南西南急流和500 hPa西風(fēng)帶低槽是決定湖北冬季大雪的三個主要天氣系統(tǒng)，700 hPa江南西南急流強度決定湖北大雪強度，地面冷空氣強度決定湖北降溫幅度，并歸納出有利于湖北大雪的溫度條件的垂直分布特征。尹東屏等[12]對比分析2006年發(fā)生在江蘇冬季的2次不同量級降雪后得到，無論是在急流的強度還是在物理量場上，中雪和暴雪有著明顯的區(qū)別，相對于中雪而言，暴雪有配置完善的低空輻合和高空輻散以及強盛的上升運動。張芹等[13]對山東春季的2次強降雪過程分析發(fā)現(xiàn)，形成暴雪災(zāi)害的環(huán)境場具有一定的共性和差異。張備等[14]對2008年1月下旬江蘇持續(xù)性低溫雨雪天氣進行分析，發(fā)現(xiàn)中高緯度大氣環(huán)流異常，冷暖空氣在長江中下游地區(qū)交匯，對流層中低層切變的維持和有利的溫度層結(jié)是持續(xù)性低溫雨雪天氣和暴雪產(chǎn)生的必要條件。江蘇冬季出現(xiàn)暴雪，尤其是區(qū)域性暴雪的次數(shù)雖然不多，但暴雪會給交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)、電力等帶來較大的危害，給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。對暴雪天氣的準(zhǔn)確預(yù)報能有效降低其帶來的不利影響，因此暴雪也是江蘇冬季日常預(yù)報和服務(wù)工作中的重點和難點。2018年1月江蘇頻繁出現(xiàn)區(qū)域性暴雪天氣，頻次之高為歷史罕見。本輪連續(xù)低溫暴雪天氣過程是自2009年以來持續(xù)時間最長、災(zāi)害損失最重、影響程度最大的天氣過程。據(jù)不完全統(tǒng)計，全省因暴雪受災(zāi)人口2 522人，直接經(jīng)濟損失4 060.8萬元，農(nóng)作物受災(zāi)面積439 km2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失3 337.4萬元，并且對交通、人民生活等造成了巨大的影響，強降雪造成南京祿口機場300余架次航班取消，數(shù)萬名旅客行程受阻，多地中小學(xué)停課，對這類區(qū)域性致災(zāi)暴雪天氣過程進行分析研究是十分必要的，可為以后類似的暴雪預(yù)報提供一定參考依據(jù)。
1 暴雪過程概況
2018年1月，江蘇出現(xiàn)了3次暴雪天氣過程，分別出現(xiàn)在3—5日、24—25日和27—28日。1月3—4日受強冷空氣影響，江蘇出現(xiàn)大范圍暴雪降溫天氣。2日江蘇出現(xiàn)了降雨，3日11:00(北京時，下同)起自北向南出現(xiàn)雨夾雪天氣，3日17:00前后，隨著2 m氣溫的進一步下降，江淮之間西部地區(qū)開始轉(zhuǎn)為純雪，4日除江蘇東南部地區(qū)以降雨為主外，其余地區(qū)都為降雪，5日08:00降雪基本停止。3日08:00—5日08:00(圖1a)，各站的降水量在3.9(贛榆)～60.8 mm(浦口)之間，有4站積雪深度超過20 cm，最大積雪深度出現(xiàn)在浦口，達29 cm，最大小時降雪量為10.6 mm，體現(xiàn)出一定的對流性。圖1b給出了暴雪中心浦口站逐時雨雪量與氣溫疊加圖，可以發(fā)現(xiàn)，過程開始時氣溫比較高，在5 ℃以上，此時為雨，3日17:00前后氣溫降至1 ℃以下，開始轉(zhuǎn)為降雪，降雪集中時段在3日20:00—4日20:00，期間2 m氣溫始終維持在0～1 ℃，強降雪期間小時降雪量基本在2 mm以上。
1月24日13:00起，江蘇自西向東再次出現(xiàn)暴雪，除江蘇北部外其他地區(qū)均出現(xiàn)降雪天氣，整個過程均為降雪。24日08:00—26日08:00(圖1c)各站的降水量在0.1(灌南)～23.4 mm(高淳)之間，降雪集中在24日20:00—26日02:00。江蘇有28站積雪深度超過10 cm，最大積雪深度19 cm(浦口)，最大小時降雪量為2.5 mm。由暴雪中心高淳站(圖1d)可以發(fā)現(xiàn)，過程開始前氣溫已經(jīng)降至1 ℃以下，隨著降雪的開始，2 m氣溫進一步下降至0 ℃以下，且整個過程中均維持在0 ℃以下，小時降雪量都在2 mm以下。
1月26日降雪暫歇之后，27—28日江蘇迎來了第3次全省范圍的強降雪。27日08:00—28日20:00(圖1e)各站的降水量在1.0(沛縣)～23.7 mm(宜興)之間，過程以純雪為主，最大小時降雪量2.5 mm，江蘇有33站積雪深度超過10 cm，最大積雪深度29 cm(宜興)。宜興站在過程剛開始時，2 m氣溫在-2 ℃以下，隨后略有升高，強降雪期間維持在0 ℃左右，小時降雪量基本在2 mm以下(圖1f)。
圖1 2018年1月3次降雪過程的降水量及其暴雪中心逐時降水量(單位：mm)和氣溫(單位：℃)(a. 3—5日，b.浦口站，c. 24—26日，d.高淳站，e. 27—28日，f.宜興站)Fig.1 Precipitation of the three snowfall processes in January 2018 and hourly precipitation (units: mm) and temperature (units:℃) in the snowstorm centers (a. from 3 to 5, b. Pukou Station, c. from 24 to 26, d. Gaochun Station, e. from 27 to 28, f. Yixing Station)
綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，3次暴雪過程持續(xù)時間都較長，但“01·04”過程剛開始為濕雪，3日17:00前后才轉(zhuǎn)為純雪，強降雪期間，降雪強度大?！?1·25”過程和“01·27”過程基礎(chǔ)溫度低，過程一開始就為純雪，但小時降雪量明顯不如“01·04”過程，以穩(wěn)定性降雪為主。
2 環(huán)流形勢與主要影響系統(tǒng)
“01·04”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa切變線和西南急流、850 hPa切變線和東南急流(圖2a)。此次過程中副熱帶高壓(簡稱“副高”)整體偏強，584 dagpm線位于25°N附近，副高西北側(cè)的西南氣流將南海和孟加拉灣的水汽源源不斷地向江蘇輸送，700 hPa西南急流在降雪前就已建立，在降雪過程中江蘇地區(qū)的急流維持在18～24 m·s-1；850 hPa從貴州、湖南至江西一線有暖式切變線東伸，江蘇沿江地區(qū)處于切變線北側(cè)的東南或偏東氣流中，沿江以北為東北氣流，江蘇中部存在明顯的風(fēng)向輻合。降雪前850 hPa江蘇為暖脊控制，受東南風(fēng)影響，925 hPa為偏東或東南風(fēng)，地面圖上有西南倒槽東伸，2日江蘇已出現(xiàn)降雨，3日隨著低層冷空氣從東北楔入，925 hPa至地面江蘇轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，850 hPa沿江以北轉(zhuǎn)為東北氣流，東風(fēng)風(fēng)力大，風(fēng)向與等溫線幾乎平行，冷平流較弱，弱冷空氣在低層形成淺薄冷墊，沿江以南仍為東南風(fēng)，4日08:00發(fā)展成東南急流，在此過程中850 hPa的-4 ℃線維持在江蘇沿江一帶。3日20:00，江蘇沿江及以北地區(qū)2 m氣溫降至1～2 ℃，開始轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪，而沿江以南仍維持在3 ℃以上，以雨為主，至4日凌晨沿江以北都降至-1～0 ℃，降水相態(tài)為純雪，江蘇沿江及以北地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換時間早，降雪持續(xù)時間長，而蘇南地區(qū)氣溫高，前期以濕雪為主，4日23:00左右轉(zhuǎn)為純雪。
“01·25”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa切變線和西南急流、850 hPa切變線(圖2b)。24日08:00，700 hPa江蘇地區(qū)為一致的西北風(fēng)，24日20:00，700 hPa西南急流建立，急流伸至沿江，江蘇地區(qū)的急流維持在16～20 m·s-1。降雪開始前東路冷空氣已南下，850 hPa到地面為一致的東北氣流，850 hPa江蘇處于冷槽中，風(fēng)向與等溫線幾乎垂直，冷平流顯著，24日08:00，850 hPa的-4 ℃線就已位于浙北，25日隨著850 hPa切變線逐漸北抬，蘇南地區(qū)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，以北為東北風(fēng)，中部存在明顯的輻合。在強降雪期間， 850 hPa的-8 ℃線南壓至蘇南地區(qū)，由于近地層溫度更低，因此過程一開始即為純雪。
“01·27”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa低槽和西南急流、850 hPa切變線(圖2c)。26日08:00，江蘇受弱脊控制，高、中、低三層轉(zhuǎn)為一致的西北氣流控制，降雪停止。26日20:00，隨著弱脊東移，脊后有高空槽東移，江蘇逐漸轉(zhuǎn)為槽前西南氣流，700 hPa西南急流開始建立，27日08:00，西南急流進一步增強，急流北抬至淮北，27日20:00，南京站西南風(fēng)增大至20 m·s-1。降雪期間，850 hPa的-4 ℃線位于蘇浙交界，較“01·25”過程略有北抬，低層溫度較前期也略有升高，但仍滿足純雪的溫度條件。28日08:00，700 hPa低槽已東移南壓至江蘇東南一帶，此時江蘇大部轉(zhuǎn)為西北氣流，降雪減弱并趨于停止?！?1·25”和“01·27”兩次過程間隔時間比較短，“01·27”過程發(fā)生時，地面溫度已經(jīng)比較低，冷墊條件已滿足，降雪期間地面無冷空氣補充南下，中低層暖濕氣流在此冷墊上爬升，促使暴雪天氣發(fā)生。
圖2 2018年1月4日08:00 (a)、25日08:00(b)和27日08:00(c)高低空配置Fig.2 Synoptic sketch of high and low altitudes at 08:00 BST on 4 (a), 08:00 BST on 25 (b), and 08:00 BST on 27 (c) January 2018
綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，3次暴雪過程500 hPa 在100°～110°E河套以南地區(qū)都有高空槽東移，700 hPa 3次過程均有西南低空急流，850 hPa均有暖式切變線，江蘇位于切變線北側(cè)。不同的是：“01·04”過程江蘇北部地區(qū)以東北風(fēng)為主，南部為東南低空急流；“01·25”過程江蘇以東北風(fēng)為主；“01·27”過程江蘇為一致東南風(fēng)。前兩次過程中，700 hPa西南急流疊加在850 hPa東北氣流上，是江蘇暴雪比較典型的形勢特征，“01·27”過程700 hPa為西南急流，850 hPa為東南氣流，是一次非典型暴雪過程；另外，“01·04”過程副高整體偏強，在降雪前700～500 hPa便已先形成西南暖濕氣流，隨著冷空氣自低層楔入，低層形成淺薄冷墊，使得暖濕氣流抬升；“01·25”過程在降雪前850 hPa至地面為一致的東北氣流，低層形成深厚冷墊，隨著中層西南氣流的加強，暖濕氣流在此深厚冷墊上爬升?！?1·27”過程與“01·25”過程相似，都是低層先有冷墊，而后中層暖濕氣流沿冷墊爬升，只是“01·27”過程冷墊更為淺薄。
3 物理量場診斷分析
3.1 水汽條件分析
圖3 暴雪區(qū)域平均水汽通量(a. 31°～34°N，b. 116°～121°E)和平均水汽通量散度(c. 31°～34°N，d. 116°～121°E)時間-高度垂直剖面；850 hPa水汽通量場(箭頭線)與水汽通量散度場(填色)疊加圖(e. 4日14:00，f. 25日08:00，g. 27日14:00)(水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽通量散度，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)Fig.3 Time-height vertical profile of mean water vapor flux (a, b) and mean water vapor flux divergence (c, d) in the snowstorm area (a,c. 31°-34°N; b,d. 116°-121°E) & stacking chart of water vapor flux field (arrow line) and water vapor flux divergence field (colored) at 850 hPa at 14:00 BST on 4 (e), 08:00 BST on 25 (f), and 14:00 BST on 27 (g) January 2018 (water vapor flux, units: g·cm-1·hPa-1·s-1; water vapor flux divergence, units: 10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)
分析3次過程暴雪區(qū)域(31°～34°N，116°～121°E)平均水汽通量和平均水汽通量散度?！?1·04”過程(圖3a)在降雪前700～600 hPa存在一個水汽通量為7 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值區(qū)，表明水汽通道在降雪前已建立，3日08:00起中層的水汽通量有一個明顯增大的過程，至4日出現(xiàn)10 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值區(qū)，水汽輸送明顯加強，正好對應(yīng)此時段700 hPa西南急流加強，且在暴雪區(qū)上空從低層至500 hPa均為水汽輻合區(qū)(圖3c)，強輻合區(qū)位于850～700 hPa，中心值為-0.8×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1；“01·25”過程和“01·27”過程水汽通量剖面(圖3b)顯示，25日和27日在700～600 hPa都有一個水汽通量為8 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值中心，由水汽輻合情況(圖3d)來看，24—25日800～600 hPa為強水汽輻合區(qū)，中心值為-0.8×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，850 hPa以下為水汽輻散區(qū)。26日上下層都轉(zhuǎn)為西北氣流，水汽輸送通道被切斷，整層都轉(zhuǎn)為水汽輻散，降雪暫歇，27日隨著水汽通量的再次建立以及850 hPa暖式切變線的北抬，500 hPa以下都為水汽輻合區(qū)，且強水汽輻合中心明顯下傳，強中心位于800～700 hPa，中心值為-0.6×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。同時也注意到，“01·25”過程850 hPa以下水汽通量值都比較小，明顯小于“01·04”過程和“01·27”過程，表明低層沒有建立明顯的水汽通道，這由4日14:00(圖3e)、25日08:00(圖3f)和27日14:00(圖3g)850 hPa水汽通量場也可以看出，“01·04”過程和“01·27”過程低層存在一支東南向水汽輸送，且伴隨水汽輻合，“01·04”過程水汽輻合更強，說明這兩次過程除了中層的水汽通道外，850 hPa東南氣流對水汽輸送也起到了一定作用。
由以上分析可見，3次暴雪過程水汽主要來源于中層，由西南急流輸送過來，水汽強輻合時段對應(yīng)強降雪發(fā)生時間；不同的是，“01·04”過程水汽條件更好，且“01·04”過程和“01·27”過程850 hPa東南氣流對水汽輸送也起到了一定作用，水汽來源相對更為豐富；“01·25”過程850 hPa以下一直為干冷氣流，低層沒有建立水汽輸送通道。
3.2 動力條件分析
沿3次過程暴雪中心點分別作渦度和垂直速度的時間剖面發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程(圖4a)3日800 hPa以下為負渦度，800～400 hPa為正渦度，400 hPa以上又轉(zhuǎn)為負渦度，強降雪發(fā)生時，中層的正渦度向低層擴展，正渦度中心也下傳至800 hPa，中心值為6×10-5s-1，650～500 hPa為負渦度，中心值為-4×10-5s-1，400 hPa附近為正渦度，400 hPa以上又轉(zhuǎn)為負渦度，從低層到高層渦度的分布表現(xiàn)為輻合-輻散-弱輻合-輻散，400 hPa以下以低層輻合、高層輻散為主，有利于上升運動的發(fā)展。垂直速度剖面顯示900～200 hPa為一個深厚的上升氣流區(qū)，表明上升運動發(fā)展旺盛，3日20:00—4日08:00，強上升運動區(qū)位于600～400 hPa，500 hPa附近有-0.8 Pa·s-1的中心值，4日此強上升運動區(qū)明顯向中低層下傳，900～500 hPa都為強上升運動區(qū)，中心值為-0.7 Pa·s-1，相比3日，上升運動區(qū)發(fā)展得更為深厚?！?1·25”過程(圖4b)800 hPa以下為一致負渦度，中心值為-4×10-5s-1，800～300 hPa為正渦度區(qū)，中心值為8×10-5s-1，位于400 hPa附近，300 hPa以上為負渦度，渦度分布表現(xiàn)為輻散-輻合-輻散，對應(yīng)垂直速度在低層為弱下沉運動，800～400 hPa為上升運動區(qū)，強上升運動中心位于650 hPa附近，中心值為-0.7 Pa·s-1?！?1.27”過程(圖4c)600 hPa以下都為正渦度區(qū)，正渦度中心位于800 hPa，中心值為6×10-5s-1，600～500 hPa為負渦度區(qū)，中心值為-4×10-5s-1，400～300 hPa為正渦度區(qū)，300 hPa以上為負渦度區(qū)，渦度分布表現(xiàn)為輻合-輻散-輻合-輻散，400 hPa以下以低層輻合、高層輻散為主，垂直速度在900～300 hPa為上升運動區(qū)，中心值為-0.7 Pa·s-1。可以發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程和“01·27”過程渦度的垂直分布400 hPa以下滿足低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，垂直上升運動中心與輻合輻散中心基本耦合，為暴雪發(fā)生提供了有利的動力抬升條件，這兩次過程上升運動發(fā)展的高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈，而“01·25”過程渦度分布低層以輻散為主，800～400 hPa為輻合，高層為輻散，相比較另外兩次過程，上升運動發(fā)展高度不高，且強上升運動區(qū)相對淺薄，只集中在中層。
圖4 3次暴雪中心渦度(黑線，單位：10-5 s-1)和垂直速度(紅線，單位：Pa·s-1)的時間-高度剖面(a.“01·04”過程浦口，b.“01·25”過程高淳，c.“01·27”過程宜興)Fig.4 Time-height vertical profile of vorticity (black line, units: 10-5s-1) and vertical velocity (red line, units: Pa·s-1) in the three snowstorm centers (a. “01·04” process of Pukou Station, b. “01·25” process of Gaochun Station, c. “01·27” process of Yixing Station)
3.3 熱力條件分析
3.3.1 溫度平流與假相當(dāng)位溫
在3次降雪過程前夕，降雪區(qū)上空都存在一條隨高度向北傾斜的假相當(dāng)位溫密集帶，即能量鋒區(qū)，隨著緯度升高，鋒區(qū)高度變高，鋒區(qū)上部為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，下部為低值區(qū)。所不同的是，“01·25”過程和“01·27”過程降雪前低層冷空氣已入侵，冷墊已經(jīng)形成，這從假相當(dāng)位溫低值可以反映出來，尤其是“01·27”過程降雪區(qū)上空低層的假相當(dāng)位溫值僅為274～278 K，而“01·04”過程此時假相當(dāng)位溫值為294 K。溫度平流剖面更清晰地揭示了這一點：“01·04”過程2日14:00(圖5a)在31°～34°N之間800 hPa以上為明顯的暖平流，35°N以北從600 hPa至地面為冷平流，江蘇區(qū)域31°～35°N低層仍為弱暖平流控制，表明冷空氣還未侵入；而“01·25”過程在24日08:00(圖5d)31°～35°N 500 hPa以下都為冷平流，900 hPa以下冷平流更顯著，中心值為-10×10-5K·s-1，而暖平流還主要位于30°N以南，強度也較弱；“01·27”過程27日08:00(圖5g)雖由低層到中層都為暖平流，近地層也無冷平流南侵，表明此次過程地面沒有新冷空氣補充南下，主要是由于前期冷空氣已經(jīng)入侵，低層已形成冷墊。
“01·04”過程3日14:00(圖5b)900 hPa以下轉(zhuǎn)為冷平流，表明低層冷空氣已入侵，冷平流中心值為-10×10-5K·s-1，暖平流被抬升至900 hPa以上，且強度增強，中心值為10×10-5K·s-1，中層暖平流疊置在低層冷平流之上，高低空溫度平流的差異導(dǎo)致鋒區(qū)界面冷暖差異增大，假相當(dāng)位溫等值線變得更為密集，鋒區(qū)加強。4日(圖5c)31°～34°N 500 hPa以下都為暖平流，中心值增強為30×10-5K·s-1，表明此次過程低層冷空氣勢力弱。根據(jù)ω方程，暖平流有利于上升運動發(fā)展，江蘇正好處于暖平流中心，上升運動顯著，有利于暴雪的產(chǎn)生?！?1·25”過程24日20:00(圖5e)隨著暖濕氣流向北輸送，降雪區(qū)上空800 hPa為明顯暖平流，中心值為20×10-5K·s-1，900 hPa以下為冷平流，中心值仍為-10×10-5K·s-1。25日14:00(圖5f)中層的暖平流增強至50×10-5K·s-1，低層仍維持冷平流，中心值仍為-10×10-5K·s-1，冷暖差異進一步加大，鋒區(qū)加強，在整個強降雪期間，江蘇始終處在低層冷平流和中層暖平流疊置區(qū)，冷暖空氣的匯合使得輻合上升運動加強?！?1·27”過程27日14:00(圖5h)中層的暖平流進一步增強，中心值為30×10-5K·s-1，降雪區(qū)上空整層都為暖平流，引起了強上升運動，在整個降雪過程中，低層都沒有明顯冷平流，中低層暖濕氣流北抬，在前期形成的冷墊上爬升，促使暴雪天氣發(fā)生。
可以看出，3次暴雪過程都發(fā)生在鋒區(qū)密集區(qū)，降雪的形成和加強與鋒面的發(fā)展關(guān)系密切。所不同的是“01·04”過程冷空氣自低層南下，勢力較弱，南下弱冷空氣遇西南暖濕氣流時，冷空氣作為弱冷墊楔入中低層暖濕氣流內(nèi)，促使中層暖濕氣流沿冷墊被迫抬升，形成強烈的上升運動，為暴雪的發(fā)生提供有利的動力條件?！?1·25”過程和“01·27”過程都是中層暖濕氣流增強后沿冷墊主動爬升，只不過“01·25”過程低層冷墊強，冷暖氣流交匯產(chǎn)生輻合上升運動。
3.3.2 逆溫層結(jié)的維持
由3次暴雪中心點分別作溫度垂直剖面可以發(fā)現(xiàn)，在降雪發(fā)生前和發(fā)生時，中低層的逆溫始終存在，逆溫層內(nèi)的溫度均在0 ℃以下，強降雪時段，逆溫明顯加強?！?1·04”過程隨著近地層溫度的下降，降水相態(tài)由濕雪轉(zhuǎn)為干雪，3日14:00(圖6a)近地層溫度為2～3 ℃，降水相態(tài)為雨或雨夾雪，3日20:00溫度降至0 ℃以下，降水相態(tài)為純雪，強降雪發(fā)生時，4日08:00逆溫層維持在900～700 hPa，逆溫強度達3～4 ℃；“01·24”(圖6b)整個降雪過程中近地層溫度都在0 ℃以下，溫度明顯低于“01·04”過程，降水相態(tài)一開始就為純雪，900～700 hPa之間為逆溫層，最大逆溫強度達5～6 ℃；“01·27”(圖6c)過程與“01·25”過程一樣，近地層溫度比較低，始終低于0 ℃，27日強降雪發(fā)生時，900～750 hPa之間存在逆溫，逆溫強度3～4 ℃，28日隨著700 hPa低槽東移南壓，江蘇基本上轉(zhuǎn)為西北氣流，中低層溫度進一步下降，逆溫層有所抬高，逆溫強度也有所減弱。
圖6 3次暴雪中心的溫度垂直剖面(單位：℃；a.“01·04”過程浦口，b.“01·25”過程高淳，c.“01·27”過程宜興)Fig.6 Vertical profile of temperature in the three snowstorm centers (units: ℃; a. “01·04” process of Pukou Station, b. “01·25” process of Gaochun Station, c. “01·27” process of Yixing Station)
綜上分析，3次暴雪過程在中低層都出現(xiàn)逆溫層，中層強盛的暖濕氣流疊置在低層?xùn)|北氣流上，中層暖下層冷，有利于逆溫層結(jié)的維持和加強。不同點在于，與“01·04”過程相比，“01·25”過程和“01·27”過程近地層溫度更低，冷墊更冷，且“01·25”過程逆溫也是最強的，這與前面的分析結(jié)論是一致的。
4 雷達回波與云頂亮溫(TBB)演變特征分析
分析降雪時段南京雷達回波反射率因子圖發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程反射率因子以層狀云降水回波為主，回波主體強度在15～30 dBZ，在大片弱回波區(qū)中存在不小于35 dBZ的較強塊狀回波(圖7a)，最強反射率因子46 dBZ，表明有弱的對流回波發(fā)展，但總體看反射率因子梯度不大；“01·25”過程(圖7b)和“01·27”過程(圖略)表現(xiàn)為穩(wěn)定的層狀云降水回波特征，結(jié)構(gòu)比較松散，回波強度均勻，都在30 dBZ以下?？梢姡?次暴雪過程都以層狀云降水回波為主，回波分布比較均勻，回波強度多在30 dBZ以下，反射率因子梯度不大，但“01·04”過程中有弱對流發(fā)展，造成降雪強度大。
圖7還給出了3次過程中暴雪中心點在降雪前后TBB的逐時演變，“01·04”過程3日11:00起TBB有一個明顯下降的過程(圖7c)，4日01:00下降到-48 ℃，隨后TBB開始緩慢回升，4日21:00回升到-10 ℃，3日20:00—4日20:00前，TBB為一穩(wěn)定的低值期，TBB值在-48～-25 ℃之間，對應(yīng)此時為強降雪集中時段；“01·25”過程24日08:00 TBB還大于-6 ℃(圖7d)，之后迅速下降，24日23:00下降到最低值-27 ℃，之后略有回升，但依舊處于波谷，其值維持在-24～-15 ℃，與強降雪發(fā)生時段相對應(yīng)，25日21:00時開始回升，26日09:00回升到-6 ℃左右；“01·27”過程27日08:00起TBB值為迅速下降期(圖7e)，12:00達最低值，其值為-24 ℃，一直到27日23:00都處于低值期，雖然在此期間TBB略有起伏，但基本上為一個波谷，28日00:00TBB迅速回升。研究[15]表明，TBB值越低，云頂發(fā)展高度越高，對流越旺盛，由這3次暴雪過程TBB值演變特征可見，“01·04”過程對流性更明顯。
圖7 南京市2018年1月4日06:26(a)和25日03:24(b)多普勒天氣雷達1.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)及3次過程暴雪中心TBB的演變(單位：℃；c.“01·04”過程浦口，d.“01·25”過程高淳，e.“01·27”過程宜興)Fig.7 Reflectivity factor (units: dBZ) at 1.5° elevation at 06:26 BST on 4 (a) and 03:24 BST on 25 (b) January 2018 from Nanjing Doppler radar and evolution of TBB in the three snowstorm centers (units: ℃; c. “01·04” process of Pukou Station, d. “01·25” process of Gaochun Station, e. “01·27” process of Yixing Station)
5 結(jié)論
通過對2018年1月3—4日、1月24—25日和1月27—28日發(fā)生在江蘇的3次致災(zāi)區(qū)域性暴雪天氣對比分析后，得出以下主要結(jié)論：
1)3次暴雪過程的共同點是，500 hPa均有高空槽，700 hPa有切變線且有西南急流維持，850 hPa均有暖式切變線，江蘇位于切變線北側(cè)，地面有冷空氣南下，冷暖氣流交匯于江蘇地區(qū)，造成了暴雪天氣的出現(xiàn)。3次暴雪過程中水汽主要來源于中層700 hPa，水汽輻合增強與強降雪時段對應(yīng)較好。3次暴雪過程都發(fā)生在鋒區(qū)密集區(qū)，且在中低層都出現(xiàn)逆溫層，中層強盛的暖濕氣流疊置在低層冷墊上，有利于逆溫層結(jié)的維持和加強。
2)“01·04”和“01·27”這兩次過程除了中層700 hPa的水汽通道外，850 hPa存在一支東南向水汽輸送，且伴隨水汽輻合，說明850 hPa東南氣流對降雪過程中水汽輸送也起到了一定作用，“01·04”過程水汽輸送和水汽輻合更強，水汽條件更好；而“01·25”過程850 hPa以下一直為干冷氣流，對降雪過程中水汽輸送無明顯作用。
3)“01·04”過程和“01·27”過程渦度的垂直分布滿足低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，垂直上升運動中心與輻合輻散中心基本耦合，為暴雪發(fā)生提供了有利的動力抬升條件，這兩次過程上升運動發(fā)展的高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈。而“01·25”過程渦度垂直分布低層以輻散為主，中層為輻合，高層為輻散，相比較另外兩次過程，上升運動發(fā)展高度不高，且強上升運動區(qū)相對淺薄，只集中在中層。
4)“01·04”過程開始前中層暖濕氣流先形成，而后弱冷空氣自低層楔入，南下弱冷空氣遇西南暖濕氣流時，冷空氣作為弱冷墊楔入中低層暖濕氣流內(nèi)，促使中層暖濕氣流沿冷墊被迫抬升，使得上升運動發(fā)展高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈；“01·25”過程和“01·27”過程都是低層先形成冷墊，而后中層暖濕氣流增強后沿冷墊主動爬升，冷墊更冷，“01·25”過程逆溫更強。
5)3次暴雪過程中，TBB穩(wěn)定低值期基本可以反映強降雪時段?！?1·04”過程中有弱對流發(fā)展，造成降雪強度大。
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王喜，王琴，向陽，鄭煒，李由
(泰州市氣象局，江蘇 泰州 225300)
引言
關(guān)于冬季降雪的發(fā)生成因以及機理分析，氣象工作者進行了大量分析研究，并取得了很多成果[1-11]。徐雙柱等[11]對1988—2005年發(fā)生在湖北冬季的15次大雪過程進行分析，指出地面冷空氣、700 hPa江南西南急流和500 hPa西風(fēng)帶低槽是決定湖北冬季大雪的三個主要天氣系統(tǒng)，700 hPa江南西南急流強度決定湖北大雪強度，地面冷空氣強度決定湖北降溫幅度，并歸納出有利于湖北大雪的溫度條件的垂直分布特征。尹東屏等[12]對比分析2006年發(fā)生在江蘇冬季的2次不同量級降雪后得到，無論是在急流的強度還是在物理量場上，中雪和暴雪有著明顯的區(qū)別，相對于中雪而言，暴雪有配置完善的低空輻合和高空輻散以及強盛的上升運動。張芹等[13]對山東春季的2次強降雪過程分析發(fā)現(xiàn)，形成暴雪災(zāi)害的環(huán)境場具有一定的共性和差異。張備等[14]對2008年1月下旬江蘇持續(xù)性低溫雨雪天氣進行分析，發(fā)現(xiàn)中高緯度大氣環(huán)流異常，冷暖空氣在長江中下游地區(qū)交匯，對流層中低層切變的維持和有利的溫度層結(jié)是持續(xù)性低溫雨雪天氣和暴雪產(chǎn)生的必要條件。江蘇冬季出現(xiàn)暴雪，尤其是區(qū)域性暴雪的次數(shù)雖然不多，但暴雪會給交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)、電力等帶來較大的危害，給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。對暴雪天氣的準(zhǔn)確預(yù)報能有效降低其帶來的不利影響，因此暴雪也是江蘇冬季日常預(yù)報和服務(wù)工作中的重點和難點。2018年1月江蘇頻繁出現(xiàn)區(qū)域性暴雪天氣，頻次之高為歷史罕見。本輪連續(xù)低溫暴雪天氣過程是自2009年以來持續(xù)時間最長、災(zāi)害損失最重、影響程度最大的天氣過程。據(jù)不完全統(tǒng)計，全省因暴雪受災(zāi)人口2 522人，直接經(jīng)濟損失4 060.8萬元，農(nóng)作物受災(zāi)面積439 km2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失3 337.4萬元，并且對交通、人民生活等造成了巨大的影響，強降雪造成南京祿口機場300余架次航班取消，數(shù)萬名旅客行程受阻，多地中小學(xué)停課，對這類區(qū)域性致災(zāi)暴雪天氣過程進行分析研究是十分必要的，可為以后類似的暴雪預(yù)報提供一定參考依據(jù)。
1 暴雪過程概況
2018年1月，江蘇出現(xiàn)了3次暴雪天氣過程，分別出現(xiàn)在3—5日、24—25日和27—28日。1月3—4日受強冷空氣影響，江蘇出現(xiàn)大范圍暴雪降溫天氣。2日江蘇出現(xiàn)了降雨，3日11:00(北京時，下同)起自北向南出現(xiàn)雨夾雪天氣，3日17:00前后，隨著2 m氣溫的進一步下降，江淮之間西部地區(qū)開始轉(zhuǎn)為純雪，4日除江蘇東南部地區(qū)以降雨為主外，其余地區(qū)都為降雪，5日08:00降雪基本停止。3日08:00—5日08:00(圖1a)，各站的降水量在3.9(贛榆)～60.8 mm(浦口)之間，有4站積雪深度超過20 cm，最大積雪深度出現(xiàn)在浦口，達29 cm，最大小時降雪量為10.6 mm，體現(xiàn)出一定的對流性。圖1b給出了暴雪中心浦口站逐時雨雪量與氣溫疊加圖，可以發(fā)現(xiàn)，過程開始時氣溫比較高，在5 ℃以上，此時為雨，3日17:00前后氣溫降至1 ℃以下，開始轉(zhuǎn)為降雪，降雪集中時段在3日20:00—4日20:00，期間2 m氣溫始終維持在0～1 ℃，強降雪期間小時降雪量基本在2 mm以上。
1月24日13:00起，江蘇自西向東再次出現(xiàn)暴雪，除江蘇北部外其他地區(qū)均出現(xiàn)降雪天氣，整個過程均為降雪。24日08:00—26日08:00(圖1c)各站的降水量在0.1(灌南)～23.4 mm(高淳)之間，降雪集中在24日20:00—26日02:00。江蘇有28站積雪深度超過10 cm，最大積雪深度19 cm(浦口)，最大小時降雪量為2.5 mm。由暴雪中心高淳站(圖1d)可以發(fā)現(xiàn)，過程開始前氣溫已經(jīng)降至1 ℃以下，隨著降雪的開始，2 m氣溫進一步下降至0 ℃以下，且整個過程中均維持在0 ℃以下，小時降雪量都在2 mm以下。
1月26日降雪暫歇之后，27—28日江蘇迎來了第3次全省范圍的強降雪。27日08:00—28日20:00(圖1e)各站的降水量在1.0(沛縣)～23.7 mm(宜興)之間，過程以純雪為主，最大小時降雪量2.5 mm，江蘇有33站積雪深度超過10 cm，最大積雪深度29 cm(宜興)。宜興站在過程剛開始時，2 m氣溫在-2 ℃以下，隨后略有升高，強降雪期間維持在0 ℃左右，小時降雪量基本在2 mm以下(圖1f)。
圖1 2018年1月3次降雪過程的降水量及其暴雪中心逐時降水量(單位：mm)和氣溫(單位：℃)(a. 3—5日，b.浦口站，c. 24—26日，d.高淳站，e. 27—28日，f.宜興站)Fig.1 Precipitation of the three snowfall processes in January 2018 and hourly precipitation (units: mm) and temperature (units:℃) in the snowstorm centers (a. from 3 to 5, b. Pukou Station, c. from 24 to 26, d. Gaochun Station, e. from 27 to 28, f. Yixing Station)
綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，3次暴雪過程持續(xù)時間都較長，但“01·04”過程剛開始為濕雪，3日17:00前后才轉(zhuǎn)為純雪，強降雪期間，降雪強度大?！?1·25”過程和“01·27”過程基礎(chǔ)溫度低，過程一開始就為純雪，但小時降雪量明顯不如“01·04”過程，以穩(wěn)定性降雪為主。
2 環(huán)流形勢與主要影響系統(tǒng)
“01·04”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa切變線和西南急流、850 hPa切變線和東南急流(圖2a)。此次過程中副熱帶高壓(簡稱“副高”)整體偏強，584 dagpm線位于25°N附近，副高西北側(cè)的西南氣流將南海和孟加拉灣的水汽源源不斷地向江蘇輸送，700 hPa西南急流在降雪前就已建立，在降雪過程中江蘇地區(qū)的急流維持在18～24 m·s-1；850 hPa從貴州、湖南至江西一線有暖式切變線東伸，江蘇沿江地區(qū)處于切變線北側(cè)的東南或偏東氣流中，沿江以北為東北氣流，江蘇中部存在明顯的風(fēng)向輻合。降雪前850 hPa江蘇為暖脊控制，受東南風(fēng)影響，925 hPa為偏東或東南風(fēng)，地面圖上有西南倒槽東伸，2日江蘇已出現(xiàn)降雨，3日隨著低層冷空氣從東北楔入，925 hPa至地面江蘇轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，850 hPa沿江以北轉(zhuǎn)為東北氣流，東風(fēng)風(fēng)力大，風(fēng)向與等溫線幾乎平行，冷平流較弱，弱冷空氣在低層形成淺薄冷墊，沿江以南仍為東南風(fēng)，4日08:00發(fā)展成東南急流，在此過程中850 hPa的-4 ℃線維持在江蘇沿江一帶。3日20:00，江蘇沿江及以北地區(qū)2 m氣溫降至1～2 ℃，開始轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪，而沿江以南仍維持在3 ℃以上，以雨為主，至4日凌晨沿江以北都降至-1～0 ℃，降水相態(tài)為純雪，江蘇沿江及以北地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換時間早，降雪持續(xù)時間長，而蘇南地區(qū)氣溫高，前期以濕雪為主，4日23:00左右轉(zhuǎn)為純雪。
“01·25”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa切變線和西南急流、850 hPa切變線(圖2b)。24日08:00，700 hPa江蘇地區(qū)為一致的西北風(fēng)，24日20:00，700 hPa西南急流建立，急流伸至沿江，江蘇地區(qū)的急流維持在16～20 m·s-1。降雪開始前東路冷空氣已南下，850 hPa到地面為一致的東北氣流，850 hPa江蘇處于冷槽中，風(fēng)向與等溫線幾乎垂直，冷平流顯著，24日08:00，850 hPa的-4 ℃線就已位于浙北，25日隨著850 hPa切變線逐漸北抬，蘇南地區(qū)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，以北為東北風(fēng)，中部存在明顯的輻合。在強降雪期間， 850 hPa的-8 ℃線南壓至蘇南地區(qū)，由于近地層溫度更低，因此過程一開始即為純雪。
“01·27”過程主要影響系統(tǒng)是500 hPa高空槽、700 hPa低槽和西南急流、850 hPa切變線(圖2c)。26日08:00，江蘇受弱脊控制，高、中、低三層轉(zhuǎn)為一致的西北氣流控制，降雪停止。26日20:00，隨著弱脊東移，脊后有高空槽東移，江蘇逐漸轉(zhuǎn)為槽前西南氣流，700 hPa西南急流開始建立，27日08:00，西南急流進一步增強，急流北抬至淮北，27日20:00，南京站西南風(fēng)增大至20 m·s-1。降雪期間，850 hPa的-4 ℃線位于蘇浙交界，較“01·25”過程略有北抬，低層溫度較前期也略有升高，但仍滿足純雪的溫度條件。28日08:00，700 hPa低槽已東移南壓至江蘇東南一帶，此時江蘇大部轉(zhuǎn)為西北氣流，降雪減弱并趨于停止?！?1·25”和“01·27”兩次過程間隔時間比較短，“01·27”過程發(fā)生時，地面溫度已經(jīng)比較低，冷墊條件已滿足，降雪期間地面無冷空氣補充南下，中低層暖濕氣流在此冷墊上爬升，促使暴雪天氣發(fā)生。
圖2 2018年1月4日08:00 (a)、25日08:00(b)和27日08:00(c)高低空配置Fig.2 Synoptic sketch of high and low altitudes at 08:00 BST on 4 (a), 08:00 BST on 25 (b), and 08:00 BST on 27 (c) January 2018
綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，3次暴雪過程500 hPa 在100°～110°E河套以南地區(qū)都有高空槽東移，700 hPa 3次過程均有西南低空急流，850 hPa均有暖式切變線，江蘇位于切變線北側(cè)。不同的是：“01·04”過程江蘇北部地區(qū)以東北風(fēng)為主，南部為東南低空急流；“01·25”過程江蘇以東北風(fēng)為主；“01·27”過程江蘇為一致東南風(fēng)。前兩次過程中，700 hPa西南急流疊加在850 hPa東北氣流上，是江蘇暴雪比較典型的形勢特征，“01·27”過程700 hPa為西南急流，850 hPa為東南氣流，是一次非典型暴雪過程；另外，“01·04”過程副高整體偏強，在降雪前700～500 hPa便已先形成西南暖濕氣流，隨著冷空氣自低層楔入，低層形成淺薄冷墊，使得暖濕氣流抬升；“01·25”過程在降雪前850 hPa至地面為一致的東北氣流，低層形成深厚冷墊，隨著中層西南氣流的加強，暖濕氣流在此深厚冷墊上爬升?！?1·27”過程與“01·25”過程相似，都是低層先有冷墊，而后中層暖濕氣流沿冷墊爬升，只是“01·27”過程冷墊更為淺薄。
3 物理量場診斷分析
3.1 水汽條件分析
圖3 暴雪區(qū)域平均水汽通量(a. 31°～34°N，b. 116°～121°E)和平均水汽通量散度(c. 31°～34°N，d. 116°～121°E)時間-高度垂直剖面；850 hPa水汽通量場(箭頭線)與水汽通量散度場(填色)疊加圖(e. 4日14:00，f. 25日08:00，g. 27日14:00)(水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽通量散度，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)Fig.3 Time-height vertical profile of mean water vapor flux (a, b) and mean water vapor flux divergence (c, d) in the snowstorm area (a,c. 31°-34°N; b,d. 116°-121°E) & stacking chart of water vapor flux field (arrow line) and water vapor flux divergence field (colored) at 850 hPa at 14:00 BST on 4 (e), 08:00 BST on 25 (f), and 14:00 BST on 27 (g) January 2018 (water vapor flux, units: g·cm-1·hPa-1·s-1; water vapor flux divergence, units: 10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)
分析3次過程暴雪區(qū)域(31°～34°N，116°～121°E)平均水汽通量和平均水汽通量散度?！?1·04”過程(圖3a)在降雪前700～600 hPa存在一個水汽通量為7 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值區(qū)，表明水汽通道在降雪前已建立，3日08:00起中層的水汽通量有一個明顯增大的過程，至4日出現(xiàn)10 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值區(qū)，水汽輸送明顯加強，正好對應(yīng)此時段700 hPa西南急流加強，且在暴雪區(qū)上空從低層至500 hPa均為水汽輻合區(qū)(圖3c)，強輻合區(qū)位于850～700 hPa，中心值為-0.8×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1；“01·25”過程和“01·27”過程水汽通量剖面(圖3b)顯示，25日和27日在700～600 hPa都有一個水汽通量為8 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值中心，由水汽輻合情況(圖3d)來看，24—25日800～600 hPa為強水汽輻合區(qū)，中心值為-0.8×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，850 hPa以下為水汽輻散區(qū)。26日上下層都轉(zhuǎn)為西北氣流，水汽輸送通道被切斷，整層都轉(zhuǎn)為水汽輻散，降雪暫歇，27日隨著水汽通量的再次建立以及850 hPa暖式切變線的北抬，500 hPa以下都為水汽輻合區(qū)，且強水汽輻合中心明顯下傳，強中心位于800～700 hPa，中心值為-0.6×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。同時也注意到，“01·25”過程850 hPa以下水汽通量值都比較小，明顯小于“01·04”過程和“01·27”過程，表明低層沒有建立明顯的水汽通道，這由4日14:00(圖3e)、25日08:00(圖3f)和27日14:00(圖3g)850 hPa水汽通量場也可以看出，“01·04”過程和“01·27”過程低層存在一支東南向水汽輸送，且伴隨水汽輻合，“01·04”過程水汽輻合更強，說明這兩次過程除了中層的水汽通道外，850 hPa東南氣流對水汽輸送也起到了一定作用。
由以上分析可見，3次暴雪過程水汽主要來源于中層，由西南急流輸送過來，水汽強輻合時段對應(yīng)強降雪發(fā)生時間；不同的是，“01·04”過程水汽條件更好，且“01·04”過程和“01·27”過程850 hPa東南氣流對水汽輸送也起到了一定作用，水汽來源相對更為豐富；“01·25”過程850 hPa以下一直為干冷氣流，低層沒有建立水汽輸送通道。
3.2 動力條件分析
沿3次過程暴雪中心點分別作渦度和垂直速度的時間剖面發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程(圖4a)3日800 hPa以下為負渦度，800～400 hPa為正渦度，400 hPa以上又轉(zhuǎn)為負渦度，強降雪發(fā)生時，中層的正渦度向低層擴展，正渦度中心也下傳至800 hPa，中心值為6×10-5s-1，650～500 hPa為負渦度，中心值為-4×10-5s-1，400 hPa附近為正渦度，400 hPa以上又轉(zhuǎn)為負渦度，從低層到高層渦度的分布表現(xiàn)為輻合-輻散-弱輻合-輻散，400 hPa以下以低層輻合、高層輻散為主，有利于上升運動的發(fā)展。垂直速度剖面顯示900～200 hPa為一個深厚的上升氣流區(qū)，表明上升運動發(fā)展旺盛，3日20:00—4日08:00，強上升運動區(qū)位于600～400 hPa，500 hPa附近有-0.8 Pa·s-1的中心值，4日此強上升運動區(qū)明顯向中低層下傳，900～500 hPa都為強上升運動區(qū)，中心值為-0.7 Pa·s-1，相比3日，上升運動區(qū)發(fā)展得更為深厚?！?1·25”過程(圖4b)800 hPa以下為一致負渦度，中心值為-4×10-5s-1，800～300 hPa為正渦度區(qū)，中心值為8×10-5s-1，位于400 hPa附近，300 hPa以上為負渦度，渦度分布表現(xiàn)為輻散-輻合-輻散，對應(yīng)垂直速度在低層為弱下沉運動，800～400 hPa為上升運動區(qū)，強上升運動中心位于650 hPa附近，中心值為-0.7 Pa·s-1?！?1.27”過程(圖4c)600 hPa以下都為正渦度區(qū)，正渦度中心位于800 hPa，中心值為6×10-5s-1，600～500 hPa為負渦度區(qū)，中心值為-4×10-5s-1，400～300 hPa為正渦度區(qū)，300 hPa以上為負渦度區(qū)，渦度分布表現(xiàn)為輻合-輻散-輻合-輻散，400 hPa以下以低層輻合、高層輻散為主，垂直速度在900～300 hPa為上升運動區(qū)，中心值為-0.7 Pa·s-1。可以發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程和“01·27”過程渦度的垂直分布400 hPa以下滿足低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，垂直上升運動中心與輻合輻散中心基本耦合，為暴雪發(fā)生提供了有利的動力抬升條件，這兩次過程上升運動發(fā)展的高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈，而“01·25”過程渦度分布低層以輻散為主，800～400 hPa為輻合，高層為輻散，相比較另外兩次過程，上升運動發(fā)展高度不高，且強上升運動區(qū)相對淺薄，只集中在中層。
圖4 3次暴雪中心渦度(黑線，單位：10-5 s-1)和垂直速度(紅線，單位：Pa·s-1)的時間-高度剖面(a.“01·04”過程浦口，b.“01·25”過程高淳，c.“01·27”過程宜興)Fig.4 Time-height vertical profile of vorticity (black line, units: 10-5s-1) and vertical velocity (red line, units: Pa·s-1) in the three snowstorm centers (a. “01·04” process of Pukou Station, b. “01·25” process of Gaochun Station, c. “01·27” process of Yixing Station)
3.3 熱力條件分析
3.3.1 溫度平流與假相當(dāng)位溫
在3次降雪過程前夕，降雪區(qū)上空都存在一條隨高度向北傾斜的假相當(dāng)位溫密集帶，即能量鋒區(qū)，隨著緯度升高，鋒區(qū)高度變高，鋒區(qū)上部為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，下部為低值區(qū)。所不同的是，“01·25”過程和“01·27”過程降雪前低層冷空氣已入侵，冷墊已經(jīng)形成，這從假相當(dāng)位溫低值可以反映出來，尤其是“01·27”過程降雪區(qū)上空低層的假相當(dāng)位溫值僅為274～278 K，而“01·04”過程此時假相當(dāng)位溫值為294 K。溫度平流剖面更清晰地揭示了這一點：“01·04”過程2日14:00(圖5a)在31°～34°N之間800 hPa以上為明顯的暖平流，35°N以北從600 hPa至地面為冷平流，江蘇區(qū)域31°～35°N低層仍為弱暖平流控制，表明冷空氣還未侵入；而“01·25”過程在24日08:00(圖5d)31°～35°N 500 hPa以下都為冷平流，900 hPa以下冷平流更顯著，中心值為-10×10-5K·s-1，而暖平流還主要位于30°N以南，強度也較弱；“01·27”過程27日08:00(圖5g)雖由低層到中層都為暖平流，近地層也無冷平流南侵，表明此次過程地面沒有新冷空氣補充南下，主要是由于前期冷空氣已經(jīng)入侵，低層已形成冷墊。
“01·04”過程3日14:00(圖5b)900 hPa以下轉(zhuǎn)為冷平流，表明低層冷空氣已入侵，冷平流中心值為-10×10-5K·s-1，暖平流被抬升至900 hPa以上，且強度增強，中心值為10×10-5K·s-1，中層暖平流疊置在低層冷平流之上，高低空溫度平流的差異導(dǎo)致鋒區(qū)界面冷暖差異增大，假相當(dāng)位溫等值線變得更為密集，鋒區(qū)加強。4日(圖5c)31°～34°N 500 hPa以下都為暖平流，中心值增強為30×10-5K·s-1，表明此次過程低層冷空氣勢力弱。根據(jù)ω方程，暖平流有利于上升運動發(fā)展，江蘇正好處于暖平流中心，上升運動顯著，有利于暴雪的產(chǎn)生?！?1·25”過程24日20:00(圖5e)隨著暖濕氣流向北輸送，降雪區(qū)上空800 hPa為明顯暖平流，中心值為20×10-5K·s-1，900 hPa以下為冷平流，中心值仍為-10×10-5K·s-1。25日14:00(圖5f)中層的暖平流增強至50×10-5K·s-1，低層仍維持冷平流，中心值仍為-10×10-5K·s-1，冷暖差異進一步加大，鋒區(qū)加強，在整個強降雪期間，江蘇始終處在低層冷平流和中層暖平流疊置區(qū)，冷暖空氣的匯合使得輻合上升運動加強?！?1·27”過程27日14:00(圖5h)中層的暖平流進一步增強，中心值為30×10-5K·s-1，降雪區(qū)上空整層都為暖平流，引起了強上升運動，在整個降雪過程中，低層都沒有明顯冷平流，中低層暖濕氣流北抬，在前期形成的冷墊上爬升，促使暴雪天氣發(fā)生。
可以看出，3次暴雪過程都發(fā)生在鋒區(qū)密集區(qū)，降雪的形成和加強與鋒面的發(fā)展關(guān)系密切。所不同的是“01·04”過程冷空氣自低層南下，勢力較弱，南下弱冷空氣遇西南暖濕氣流時，冷空氣作為弱冷墊楔入中低層暖濕氣流內(nèi)，促使中層暖濕氣流沿冷墊被迫抬升，形成強烈的上升運動，為暴雪的發(fā)生提供有利的動力條件?！?1·25”過程和“01·27”過程都是中層暖濕氣流增強后沿冷墊主動爬升，只不過“01·25”過程低層冷墊強，冷暖氣流交匯產(chǎn)生輻合上升運動。
3.3.2 逆溫層結(jié)的維持
由3次暴雪中心點分別作溫度垂直剖面可以發(fā)現(xiàn)，在降雪發(fā)生前和發(fā)生時，中低層的逆溫始終存在，逆溫層內(nèi)的溫度均在0 ℃以下，強降雪時段，逆溫明顯加強?！?1·04”過程隨著近地層溫度的下降，降水相態(tài)由濕雪轉(zhuǎn)為干雪，3日14:00(圖6a)近地層溫度為2～3 ℃，降水相態(tài)為雨或雨夾雪，3日20:00溫度降至0 ℃以下，降水相態(tài)為純雪，強降雪發(fā)生時，4日08:00逆溫層維持在900～700 hPa，逆溫強度達3～4 ℃；“01·24”(圖6b)整個降雪過程中近地層溫度都在0 ℃以下，溫度明顯低于“01·04”過程，降水相態(tài)一開始就為純雪，900～700 hPa之間為逆溫層，最大逆溫強度達5～6 ℃；“01·27”(圖6c)過程與“01·25”過程一樣，近地層溫度比較低，始終低于0 ℃，27日強降雪發(fā)生時，900～750 hPa之間存在逆溫，逆溫強度3～4 ℃，28日隨著700 hPa低槽東移南壓，江蘇基本上轉(zhuǎn)為西北氣流，中低層溫度進一步下降，逆溫層有所抬高，逆溫強度也有所減弱。
圖6 3次暴雪中心的溫度垂直剖面(單位：℃；a.“01·04”過程浦口，b.“01·25”過程高淳，c.“01·27”過程宜興)Fig.6 Vertical profile of temperature in the three snowstorm centers (units: ℃; a. “01·04” process of Pukou Station, b. “01·25” process of Gaochun Station, c. “01·27” process of Yixing Station)
綜上分析，3次暴雪過程在中低層都出現(xiàn)逆溫層，中層強盛的暖濕氣流疊置在低層?xùn)|北氣流上，中層暖下層冷，有利于逆溫層結(jié)的維持和加強。不同點在于，與“01·04”過程相比，“01·25”過程和“01·27”過程近地層溫度更低，冷墊更冷，且“01·25”過程逆溫也是最強的，這與前面的分析結(jié)論是一致的。
4 雷達回波與云頂亮溫(TBB)演變特征分析
分析降雪時段南京雷達回波反射率因子圖發(fā)現(xiàn)，“01·04”過程反射率因子以層狀云降水回波為主，回波主體強度在15～30 dBZ，在大片弱回波區(qū)中存在不小于35 dBZ的較強塊狀回波(圖7a)，最強反射率因子46 dBZ，表明有弱的對流回波發(fā)展，但總體看反射率因子梯度不大；“01·25”過程(圖7b)和“01·27”過程(圖略)表現(xiàn)為穩(wěn)定的層狀云降水回波特征，結(jié)構(gòu)比較松散，回波強度均勻，都在30 dBZ以下?？梢姡?次暴雪過程都以層狀云降水回波為主，回波分布比較均勻，回波強度多在30 dBZ以下，反射率因子梯度不大，但“01·04”過程中有弱對流發(fā)展，造成降雪強度大。
圖7還給出了3次過程中暴雪中心點在降雪前后TBB的逐時演變，“01·04”過程3日11:00起TBB有一個明顯下降的過程(圖7c)，4日01:00下降到-48 ℃，隨后TBB開始緩慢回升，4日21:00回升到-10 ℃，3日20:00—4日20:00前，TBB為一穩(wěn)定的低值期，TBB值在-48～-25 ℃之間，對應(yīng)此時為強降雪集中時段；“01·25”過程24日08:00 TBB還大于-6 ℃(圖7d)，之后迅速下降，24日23:00下降到最低值-27 ℃，之后略有回升，但依舊處于波谷，其值維持在-24～-15 ℃，與強降雪發(fā)生時段相對應(yīng)，25日21:00時開始回升，26日09:00回升到-6 ℃左右；“01·27”過程27日08:00起TBB值為迅速下降期(圖7e)，12:00達最低值，其值為-24 ℃，一直到27日23:00都處于低值期，雖然在此期間TBB略有起伏，但基本上為一個波谷，28日00:00TBB迅速回升。研究[15]表明，TBB值越低，云頂發(fā)展高度越高，對流越旺盛，由這3次暴雪過程TBB值演變特征可見，“01·04”過程對流性更明顯。
圖7 南京市2018年1月4日06:26(a)和25日03:24(b)多普勒天氣雷達1.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)及3次過程暴雪中心TBB的演變(單位：℃；c.“01·04”過程浦口，d.“01·25”過程高淳，e.“01·27”過程宜興)Fig.7 Reflectivity factor (units: dBZ) at 1.5° elevation at 06:26 BST on 4 (a) and 03:24 BST on 25 (b) January 2018 from Nanjing Doppler radar and evolution of TBB in the three snowstorm centers (units: ℃; c. “01·04” process of Pukou Station, d. “01·25” process of Gaochun Station, e. “01·27” process of Yixing Station)
5 結(jié)論
通過對2018年1月3—4日、1月24—25日和1月27—28日發(fā)生在江蘇的3次致災(zāi)區(qū)域性暴雪天氣對比分析后，得出以下主要結(jié)論：
1)3次暴雪過程的共同點是，500 hPa均有高空槽，700 hPa有切變線且有西南急流維持，850 hPa均有暖式切變線，江蘇位于切變線北側(cè)，地面有冷空氣南下，冷暖氣流交匯于江蘇地區(qū)，造成了暴雪天氣的出現(xiàn)。3次暴雪過程中水汽主要來源于中層700 hPa，水汽輻合增強與強降雪時段對應(yīng)較好。3次暴雪過程都發(fā)生在鋒區(qū)密集區(qū)，且在中低層都出現(xiàn)逆溫層，中層強盛的暖濕氣流疊置在低層冷墊上，有利于逆溫層結(jié)的維持和加強。
2)“01·04”和“01·27”這兩次過程除了中層700 hPa的水汽通道外，850 hPa存在一支東南向水汽輸送，且伴隨水汽輻合，說明850 hPa東南氣流對降雪過程中水汽輸送也起到了一定作用，“01·04”過程水汽輸送和水汽輻合更強，水汽條件更好；而“01·25”過程850 hPa以下一直為干冷氣流，對降雪過程中水汽輸送無明顯作用。
3)“01·04”過程和“01·27”過程渦度的垂直分布滿足低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，垂直上升運動中心與輻合輻散中心基本耦合，為暴雪發(fā)生提供了有利的動力抬升條件，這兩次過程上升運動發(fā)展的高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈。而“01·25”過程渦度垂直分布低層以輻散為主，中層為輻合，高層為輻散，相比較另外兩次過程，上升運動發(fā)展高度不高，且強上升運動區(qū)相對淺薄，只集中在中層。
4)“01·04”過程開始前中層暖濕氣流先形成，而后弱冷空氣自低層楔入，南下弱冷空氣遇西南暖濕氣流時，冷空氣作為弱冷墊楔入中低層暖濕氣流內(nèi)，促使中層暖濕氣流沿冷墊被迫抬升，使得上升運動發(fā)展高度更高，強上升運動發(fā)展更為強烈；“01·25”過程和“01·27”過程都是低層先形成冷墊，而后中層暖濕氣流增強后沿冷墊主動爬升，冷墊更冷，“01·25”過程逆溫更強。
5)3次暴雪過程中，TBB穩(wěn)定低值期基本可以反映強降雪時段?！?1·04”過程中有弱對流發(fā)展，造成降雪強度大。
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