利用常规高空、地面观测资料及物理量场资料,对2014年2月15~17日甘肃河东地区大到暴雪天气过程进行诊断分析,结果表明:此次强降雪过程是地面倒槽、东风回流与高原东移短波槽共同作用下产生的,东风回流起到冷垫作用,使得短波槽前暖湿气流沿冷垫爬升为强降雪的产生提供了动力抬升条件。过程中热力不稳定条件较弱,但存在较强的动力不稳定,中层0~6 km风矢量差为21.0 m∙s−1左右。500 hPa高原短波槽前西南暖湿气流是本次强降雪过程的主要水汽来源,同时低层东风回流湿度较高,配合强水汽辐合中心,有利于水汽的垂直输送。500 hPa正涡度平流和强暖平流是导致低层辐合、高层辐散和垂直上升运动的最根本动力因子,并且促使了地面倒槽不断发展、辐合线加强。低层东风回流和中层槽前暖湿气流叠置的时间可以用来判断此类过程降雪发生的时段,与高空槽前西南暖湿气流相对应的水汽通量强度以及高空涡度平流和温度平流强度对过程降雪量级有很好的指示意义。<br/>By using the data of upper-air sounding and surface observations, an analysis was performed on heavy snow process taking place in He-Dong of Gansu province from 15 to 17 February, 2014. The results showed that this heavy snow process is a combined consequence of surface inverted trough, eastward returning current and Plateau short-wave trough; the eastward returning current provided a cooling cushion to southwest warm and wet current. In the snow process, the thermal instability condition was weaker, but there was strong dynamic instability, and the difference of wind vector in middle level was about 21.0 m∙s−1. The main water vapor source of this snow process was southwest warm and wet current in front of Plateau trough; meanwhile, in lower level there was a water vapor convergence center and the returning current was moist air, so it helped vertical transport of water vapor. The positive vorticity advection and strong warm advection of 500 hPa were the direct dynamic factors that led to convergence in low level, divergence in upper level and vertical ascending motion; these factors promoted surface inverted trough’s continuously development and convergence line was to strengthen. The superposed time of eastward returning current and southwest warm and wet current can be used to forecast the occurring time of this kind of snow process. There were three physics characteristics providing good indicators to snow magnitude: water vapor flux, vorticity advection and temperature advection of 500 hPa.
夏 权1,2,吴芳蓉1,马敏劲2
1白银市气象局,甘肃 白银
2兰州大学大气科学学院,甘肃 兰州
Email: xiaquan20@126.com
收稿日期:2015年3月10日;录用日期:2015年3月22日;发布日期:2015年3月27日
利用常规高空、地面观测资料及物理量场资料,对2014年2月15~17日甘肃河东地区大到暴雪天气过程进行诊断分析,结果表明:此次强降雪过程是地面倒槽、东风回流与高原东移短波槽共同作用下产生的,东风回流起到冷垫作用,使得短波槽前暖湿气流沿冷垫爬升为强降雪的产生提供了动力抬升条件。过程中热力不稳定条件较弱,但存在较强的动力不稳定,中层0~6 km风矢量差为21.0 m∙s−1左右。500 hPa高原短波槽前西南暖湿气流是本次强降雪过程的主要水汽来源,同时低层东风回流湿度较高,配合强水汽辐合中心,有利于水汽的垂直输送。500 hPa正涡度平流和强暖平流是导致低层辐合、高层辐散和垂直上升运动的最根本动力因子,并且促使了地面倒槽不断发展、辐合线加强。低层东风回流和中层槽前暖湿气流叠置的时间可以用来判断此类过程降雪发生的时段,与高空槽前西南暖湿气流相对应的水汽通量强度以及高空涡度平流和温度平流强度对过程降雪量级有很好的指示意义。
关键词 :甘肃河东,强降雪,倒槽,回流,温度平流,涡度平流
暴雪是发生几率相对较小、预报难度大且容易出现漏报的灾害性天气。不少预报和科研人员对发生在我国不同区域的暴雪过程进行了研究[
甘肃冬季降雪稀少,有关暴雪方面的研究并不多。2014年2月15~17日在高原短波槽和地面倒槽及东风回流共同作用下出现了一次区域性大到暴雪天气过程,这次强降雪过程各台站预报的降雪量级普遍偏低,一方面是同期气候背景下很少出现强降雪(2月历年月平均降水量仅为2~8 mm),另一方面甘肃的强降雪一般发生在南北支槽同位相叠加或大槽东移的环流背景下[
2014年2月15~17日甘肃河东地区普降中到大雪,部分地方出现大到暴雪。降雪从2月15日20:00前后开始,强降雪最集中的时段主要在2月16日8:00至20:00。其中,24 h降雪量达到大到暴雪的站点有3个(白银、成县和康县降雪量 ≥ 7.5 mm),最大日降雪量出现在白银(10.2 mm),达到暴雪量级(≥10 mm);大雪(≥5 mm)以上的测站有9个,分别为景泰、靖远、康乐、徽县、镇原、西峰、玛曲、东乡和渭源;有18个测站24 h降雪量 ≥ 3.8 mm,为中到大雪量级(图1)。从积雪厚度来看,陇中北部的白银、靖远积雪厚度超过10 cm,玛曲县欧拉、采日玛、齐哈玛等乡局部地方积雪厚度超过15 cm,形成严重的白灾。对于处于冬旱季的甘肃河东地区而言此次过程降雪量、降雪强度以及积雪深度均属历史罕见,降雪造成河东大部道路积雪结冰、部分高速公路关闭,公路客运严重受阻,车辆追尾等交通事故频发,对春运返程及旅游交通带来极为不利的影响,另外,由于气温骤降,导致甘南等地牲畜受灾,据统计甘南死亡各类牲畜共计1049头(只、匹),仅此项直接经济损失就达253.08万元。据不完全统计,整个过程造成的直接和间接经济损失超过亿元。
降雪过程前,500 hPa亚欧中高纬度巴尔喀什湖至鄂霍茨克海西部为宽广的低压槽区,槽后乌拉尔山脊强烈发展,脊前偏北气流引导冷空气南下,中低纬度地区以纬向环流为主,甘肃河东就处于纬向偏西气流中。15日20时500 hPa图上(图2(a)),青藏高原有短波槽生成,槽区位于西藏中东部至青海东南部,温压场呈反位相配置,槽区对应−10℃的暖脊中心,槽前西南风发展,同时巴尔喀什湖槽底分裂一股冷空气沿西北气流下滑至南疆盆地。16日08时(图2(b)),高原短波槽发展北抬至青海中部,北支锋区底部分裂的冷空气与之同位相叠加,槽后冷平流较强(−22 × 10−6℃∙s−1),甘肃河东地区受槽前西南气流影响,暖湿平流(T − Td ≤ 3℃)显著增强。700 hPa图上,15日20时北支锋区位于40˚N附近,青藏高原东部川藏交界处有一低涡,低涡对应12 的暖中心,低涡前部甘陕川一带为冷温度槽,湿区(T − Td ≤ 2℃显著增强。16日08时,700 hPa甘肃河东地区转为一致的东南风,湿区进一步北抬,温度槽有所加深,说明低层东南风具有冷湿特性。降雪将近结束时,16日20时500 hPa (图略)短波槽系统已经减弱东移,河东地区转为槽后西北气流,冷平流较强;700 hPa温度槽填塞,东南气流明显减弱。500 hPa和700 hPa湿度条件均明显下降(T − Td ≥ 4℃)。
地面图上,降雪出现前期,大陆冷高压位于我国中东部,高压后部倒槽系统经四川发展到甘肃河西地区东部,河东地区处于倒槽系统中。15日20时,倒槽前部建立起一支偏东气流,引导大陆高压后部冷空气向西移动侵入甘肃河东地区,回流形势形成且偏东风影响区域开始出现降雪。16日08时(图3(a)),河东倒槽发展加深,位于倒槽以西的青海东部有冷高压东移南压,这是高空短波槽引导的西路冷空气在地面气压场的表现,倒槽前偏东风风速增加到4~6 m∙s−1,与其后部偏北风在甘肃陇南–定西到白银一线形成辐合,从而使甘肃河东地区倒槽系统进一步发展。16日20时,倒槽系统明显减弱。17日08时,冷高压南下,河东地区转为高压控制,降雪过程结束。
图1. 2014年2月16~17日甘肃河东地区24 h降水量分布(单位:mm)
图2. 2014年2月(a)15日20时和(b)16日08时500 hPa形势场(实线:等高线;虚线:等温线)
图3. 2014年2月16日08时地面形势图
图4(a)和图4(b)为2014年2月16日08时(强降雪发生时)武都、榆中两站的T-lnp图。由图可知,500 hPa以下温度与露点非常接近,相对湿度≥80%层的湿层深厚,尤其是武都站650 hPa以下的露压线与温压线基本重合,说明对流层中低层空气接近饱和状态。在550 hPa附近各物理量均表现为高值(表1),西南风强劲,此时高空正受槽前西南暖湿气流影响,温湿条件较好,高凝结函数表明大气中可降水量充沛。从温度层结看,600 hPa附近两站均有逆温层存在。榆中站整层γ较小,γ < γs,其热力性质属于绝对稳定;武都站700 hPa以下温压线与湿绝热线基本重合,γ = γs,说明低层为中性层结,700 hPa以上γ < γs,层结稳定,两探空站
图4. 2014年2月16日08时甘肃武都(a)、榆中(b)两探空站T-lnp图
探空站 | 层次/hPa | 物理量参数 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
T (℃) | 比湿 (g/kg) | 饱和比湿 (g/kg) | 凝结函数 (g/hPa) | |||
武都 | 850 | −2 | −3 | 3.49 | 3.8 | 1.95 |
700 | −12 | −13 | 1.76 | 1.93 | 1.27 | |
560 | −10 | −11 | 2.61 | 2.85 | 2.29 | |
500 | −14 | −17 | 1.7 | 2.25 | 1.75 | |
400 | −26 | −32 | 0.47 | 0.88 | 0.67 | |
榆中 | 807 | −6 | −9 | 2.19 | 2.85 | 1.33 |
616 | −17 | −19 | 1.14 | 1.38 | 0.97 | |
553 | −13 | −14 | 2.04 | 2.23 | 1.86 | |
500 | −18 | −21 | 1.16 | 1.55 | 1.22 | |
400 | −30 | −33 | 0.43 | 0.59 | 0.6 |
表1. 2014年2月16日08时武都、榆中探空物理量
不稳定和动力不稳定共同决定的,以上分析只能说明此次过程热力不稳定较弱,其动力稳定性如何呢?从水平风垂直分布来看(图4),武都、榆中两站低层0~3 km风矢量差分别为3.0和3.4 m∙s−1,中层0~6 km风矢量差分别为20.8和21.0 m∙s−1。研究表明[
冬季属于西北地区旱季,即便出现降雪,量级也不会太大,原因是水汽供应不足,因此降雪过程一般在水汽场上反映微弱,但本次过程相对清晰。500 hPa水汽通量场上(图5(a)),15日20时,与高原槽相对应的槽前西南暖湿气流主要位于青藏高原东南部,西南风影响区域对应水汽通量≥2 g∙cm−1∙hPs−1∙s−1的相对高值区,甘肃河东地区仍然受西北气流影响,水汽通量场上表现为1 g∙cm−1∙hPs−1∙s−1左右的低值区。16日08时(图5(b)),随着高原槽发展东移,槽前西南气流影响甘肃河东地区,此时水汽通量的大值带伸向该区,该区水汽通量明显上升,陇南地区达2~3 g∙cm−1∙hPs−1∙s−1,这说明西南暖湿气流是此次降雪过程的主要水汽来源。从850 hPa水汽通量散度场看,15日20时(图5(c)),河东地区处于−3 × 10−7 g∙cm−1∙hPs−1∙s−1
一般从涡度、散度和垂直速度场上就可以直观的分析生产强天气的动力条件,本次过程500 hPa涡度场上甘肃河东地区有≥20 × 10−6∙s−1正涡度,散度场上低层辐合、高层辐散,垂直速度场上对流层中低层均处于上升运动区(图略)。为什么会产生较强的辐合、辐散以及垂直上升运动?要解释其深层原因就需要进一步揭示引发强降雪的动力机制和物理实质,为此我们引入ω方程[
由地转风关系可知,方程右端第一项为地转涡度平流的垂直微商;由静力学关系可知,右端第二项为厚度平流(即温度平流)的拉普拉斯;再由热力学方程可知,右端第三项为非绝热加热的拉普拉斯,然而在研究短期天气问题时大多针对大尺度系统,非绝热作用对大尺度系统的局地温度变化以及垂直运动的影响几乎可以忽略,因此,我们只讨论涡度平流和温度平流这两个最关键因子的作用。
根据
近地面为低压倒槽控制,涡度平流很小,850 hPa (图6(a))涡度平流并不明显
式(1)左端
运动(
本次过程中散度场和垂直速度场上,低层辐合、高层辐散、500 hPa以下都存在较强的垂直上升运动,
图6. 2014年2月15日20时涡度平流(单位:10‒10×s‒2)
图7. 2014年2月15日20时温度平流(单位:
地面图上强降雪过程中地面倒槽不断发展、地面辐合线加强,这与以上分析的高空正涡度平流和暖平流导致辐合辐散、垂直上升运动以及促使地面气旋发展加深的关系十分吻合。强降雪发生时段与500 hPa正涡度平流和暖平流影响河东地区的时段基本一致,过程临近结束时(16日20时),正涡度平流中心和暖平流中心均移出甘肃(图略),河东地区500 hPa高空转为负涡度平流和短波槽后冷平流,这说明500 hPa正涡度平流和强暖平流是导致强降雪发生的最根本动力因子。不同的是涡度平流通过破坏风压场平衡引起地转偏向力的变化而产生垂直运动,温度平流则通过破坏温压场平衡引起气压梯度力的变化而产生垂直运动。
从本次强降雪过程流型配置模型看(图8),200 hPa上
图8. 强降雪的流型配置模型
低压倒槽中心,倒槽前部、后部均为冷高压,东西两路冷空气在甘肃白银至甘南陇南一线形成西北风与偏东风的辐合,辐合线对强降雪的发生提供了动力抬升条件。总的来说,此次甘肃河东强降雪过程是由高原短波槽、地面倒槽及东风回流共同作用产生的,地面倒槽的发展加强了近地面的辐合,东风回流起到冷垫作用,高原槽前西南暖湿气流携带丰富水汽沿冷垫爬升造成强降雪的发生。
此次甘肃河东强降雪过程是地面倒槽、东风回流与高原东移短波槽共同作用下产生的,东风回流起到冷垫作用,使得短波槽前暖湿气流沿冷垫爬升,地面倒槽的发展使低层辐合增强,为强降雪的产生提供了动力抬升条件。这次过程发生在弱热力强动力条件下,也就是热力不稳定条件较弱,但存在较强的动力不稳定,中层
从前期地面图上看,降雪过程前(14日)河东地区就有倒槽生成,但地面风场比较凌乱,东风回流尚未出现,过程临近时,地面出现一致的偏东风,东风回流显著增强,同时高空槽前暖湿气流影响降雪区,这说明仅地面倒槽并不能产生降雪,一定要有西来槽和东风回流的结合,但地面倒槽产生的低层辐合是强降雪发生的重要动力因子。低层东风回流和槽前暖湿气流叠置的时间可以用来判断此类过程降雪发生的时段,与槽前西南暖湿气流相对应的水汽通量强度以及高空涡度平流和温度平流强度对过程降雪量级有很好的指示意义。
干旱气象科学研究基金项目(IAM201209)、兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky- 2012-120)资助。
夏 权,吴芳蓉,马敏劲, (2015) 甘肃河东地区一次倒槽作用下的致灾强降雪过程诊断分析Diagnosis Analysis of a Heavy Snow Caused by Inverted Trough in He-Dong of Gansu Province. 气候变化研究快报,02,43-52. doi: 10.12677/CCRL.2015.42005