2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發(fā)展機理分析

杜麗婭

(濮陽市氣象局，河南濮陽　457000)

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2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發(fā)展機理分析

杜麗婭

(濮陽市氣象局，河南濮陽457000)

摘要：利用常規(guī)氣象資料、多普勒雷達及NCEP客觀分析資料，對2015年11月23—24日河南省出現(xiàn)的一次回流暴雪天氣過程形成、發(fā)展的機理進行了分析。結(jié)果表明：此次回流暴雪天氣由高原淺槽與地面強冷空氣共同造成，垂直于鋒區(qū)的次級環(huán)流是產(chǎn)生暴雪的中尺度系統(tǒng)。近地面自渤海回流到華北平原的冷空氣是干冷的，水汽主要由對流層中層的西南急流輸送。動力鋒生是鋒區(qū)附近出現(xiàn)超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因，是產(chǎn)生暴雪的主要動力機制。雷達速度圖上，中層西南急流和超低空東北風急流的長時間維持是暴雪產(chǎn)生的重要原因，雷達風廓線清晰地反映了暴雪區(qū)上空存在鋒面次級環(huán)流。

關(guān)鍵詞：回流暴雪；急流；動力鋒生；次級環(huán)流

華北回流是指冷空氣從東北平原南下，經(jīng)過渤海以偏東路徑侵入華北平原[1]。冬季的回流天氣常常伴有大范圍的暴雪、大風和低溫，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通和人民生活帶來危害。華北回流降雪的出現(xiàn)時間、量級大小及落區(qū)等在實際預報中存在較多的失誤，因而對回流暴雪的研究逐漸受到氣象工作者的重視。張迎新等[2]通過對一次回流暴雪的診斷分析和數(shù)值試驗，認為回流暴雪在中高層西南氣流與低層偏東氣流疊加時開始；周雪松等[3]通過對一次華北回流暴雪的數(shù)值模擬，認為在西風槽和地面冷鋒造成的暴雪中，動力鋒生機制是主要動力機制；王迎春等[4]、萬瑜等[5]認為強降雪中心傾向于出現(xiàn)在鋒區(qū)的位置；劉敏等[6]總結(jié)了華北回流型強降雪天氣的普遍特征，認為當渤海西岸東北風風速達到5 m/s以上時要注意強降雪的發(fā)生；孫密娜等[7]分析了偏東風在降雪發(fā)生前后的演變特征，發(fā)現(xiàn)地面東風出現(xiàn)在降雪開始前8 h以上；王叢梅等[8]分析了河北省南部回流暴雪天氣特征，認為回流強降雪多發(fā)生在地面鋒后冷氣團中。

2015年11月23—24日，河南省發(fā)生一次大范圍回流暴雪天氣過程，但濮陽市氣象臺對此次降雪過程的預報量級偏弱。因此，利用NCEP/NCAR的FNL客觀分析資料(1°×1°)、多普勒雷達資料和MICAPS常規(guī)觀測資料從鋒生動力學的角度分析此次暴雪發(fā)生、發(fā)展的機理，希望為此類回流暴雪天氣的預報提供經(jīng)驗積累。

1降雪實況

2015年11月23日下午到24日，豫西、豫中、豫北和豫東地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣，其中豫西和豫東分別出現(xiàn)降雪大值區(qū)(圖1)，最大降雪出現(xiàn)在洛陽市的孟津，23日08時到24日08時降雪達31 mm。此次降雪造成歷史罕見的低溫天氣，影響了小麥的正常分蘗和大棚蔬菜的生長。

圖1　2015-11-23T08—24T14降水量(單位為mm)

暴雪發(fā)生的主要時段在23日下午到夜間。并一直持續(xù)到24日08時。此后，降雪逐漸停止。由于此次暴雪天氣持續(xù)時間短、強度大，另外，11月20—22日已經(jīng)連續(xù)3 d出現(xiàn)小雨天氣，因此暴雪預報難度較大。

2環(huán)流背景

暴雪過程開始前(23日08時)500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度維持“一槽一脊”形勢，巴爾喀什湖以北為高壓脊，脊前蒙古國至中國東北為一寬廣的低槽，其中貝加爾湖西側(cè)有一個低渦，低渦以東為寬廣的偏西氣流，同時在青藏高原中部的格爾木—那曲有一淺槽。23日20時(圖2)，高原淺槽東移至平?jīng)觥啥家粠В幽咸幵诓矍拔髂蠚饬骼铮瑫r次700 hPa上，宜賓至南陽一線有西南急流逐漸加強北伸，急流出口區(qū)位于豫中地區(qū)。同時，850 hPa上從東北地區(qū)有東北風低空急流經(jīng)渤海沿東北路徑南下，受其影響，華北大部分地區(qū)氣溫明顯下降，在同時次上有清晰的溫度鋒區(qū)位于華北南部，鋒區(qū)內(nèi)鋒生強烈，有利于降水強度的增強。24日08時以后，隨著冷空氣主力東移南下，對流層低層850 hPa鋒區(qū)消失，暴雪過程結(jié)束。

圖2　2015-11-23T20 850 hPa風場、500 hPa低槽(實線)和700 hPa、850 hPa急流位置(帶箭頭的粗實線)、地面暴雪區(qū)(圓圈)

3物理量診斷分析

3.1假相當位溫

925 hPa風場和假相當位溫(θse)的分布圖(圖3a)上，河南大部分地區(qū)受來自東北平原的東北氣流控制，相應的θse低值區(qū)一直伸展到113°E附近；其中在太行山地區(qū)為一南北向的θse密集帶，太行山西側(cè)為θse大值區(qū)。說明低層干冷空氣來自于東北平原，且受阻于太行山東側(cè)。從沿圖3a中AB線所做的垂直剖面圖(圖3b)可以看出，925 hPa以下的干冷空氣自東北向西南侵入，形狀近似“楔”狀，925 hPa以上到800 hPa存在θse梯度大值區(qū)，說明此處有明顯的鋒區(qū)，鋒區(qū)以上到500 hPa為θse高值區(qū)，說明隨著鋒區(qū)的南下，中高層的暖濕空氣在東北干冷空氣的入侵下被迫爬升，從而產(chǎn)生暴雪。

圖3　2015-11-23T20 925 hPa風場和θse分布(a)及θse沿AB的垂直剖面圖(b)(單位為℃)

3.2水汽通量和水汽通量散度

水汽是產(chǎn)生降水的必要條件。從23日20時700 hPa流場和水汽通量場(圖4a)上可以看出，在四川、湖南和湖北交界處有一條水汽輸送帶，其水汽通量為3～6 g/(cm·hPa·s)，其中大于2 g/(cm·hPa·s)的范圍已達黃河以南的河南中北部，輸送帶正好與700 hPa急流對應。從鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量垂直分布時間演變圖(圖4b)可看出，水汽通量的大值區(qū)在850～500 hPa，且出現(xiàn)在23日下午到夜里的降雪集中時段中，最大值出現(xiàn)在23日20時左右。從水汽通量與風場來看，23日14時以前，中高層風向比較凌亂，水汽通量較小；14時，800～600 hPa轉(zhuǎn)成西南氣流，水汽通量開始增大，降水開始；20時，隨著中層西南氣流向上伸展，風速明顯加大，在650 hPa水汽通量出現(xiàn)大于6 g/(cm·hPa·s)的大值區(qū)，降水強度加大，降雪量最大出現(xiàn)在24日02時左右；

圖4　2015-11-23T20 700 hPa風場及水汽通量(a)及23—24日鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量時間序列圖(b)(單位為g/(cm·hPa·s))

24日14時，伴隨800 hPa以上西南氣流轉(zhuǎn)為西北氣流，水汽通量迅速減小，降水結(jié)束。900 hPa附近在降水時段內(nèi)也出現(xiàn)水汽通量較大值，這可能是由于降水帶來的低層濕度加大造成的(從流場與水汽通量場配合可以看出)。水汽通量大值區(qū)范圍和出現(xiàn)時段與降水區(qū)和降水強度對應，表明此次暴雪天氣所需的水汽是由對流層中層800～600 hPa的西南氣流輸送的。

從23日20時700 hPa流場和水汽通量散度圖(圖5a)上可以看出，河南中東部有一水汽通量散度負值區(qū)，數(shù)值為-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，該水汽通量散度負值區(qū)正好與700 hPa急流的出口區(qū)和暴雪區(qū)對應。從鄭州附近的水汽通量散度與水平風場的垂直分布時間演變圖(圖5b)可以看出，水汽通量散度負值區(qū)在925～700 hPa，且出現(xiàn)兩個負值中心，分別在900 hPa和700 hPa，中心值達到-2×10-7g/(cm2·hPa·s)。小于-1 ×10-7g/(cm2·hPa·s)的水汽通量輻合區(qū)出現(xiàn)在23日14時—24日08時，與降水集中時段一致。水汽伴隨中高層(800～600 hPa)的西南氣流進入降水區(qū)，在強烈的動力輻合作用下，形成暴雪。

圖5　2015-11-23T20 700 hPa水汽通量散度(a)及23—24日鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量散度時間序列圖(b)(單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

4鋒面次級環(huán)流

23日14時，地面強冷空氣開始入侵河南，對流層低層水平溫度梯度加大，形成明顯的鋒區(qū)。從垂直風場看，23日14時河南北部上空存在下沉運動，中南部上空存在上升運動，形成一個與鋒區(qū)垂直的鋒面次級環(huán)流。鋒面次級環(huán)流中的上升氣流把南方對流層低層的大量水汽帶到對流層中高層，在975～700 hPa形成相對濕度大于90%的高濕區(qū)。此時降水開始，但由于近地層溫度較高，降水相態(tài)以雨為主。

23日20時，在850 hPa假相當位溫場上，河南地區(qū)出現(xiàn)較大的假相當位溫線密集區(qū)(圖3b)，說明鋒區(qū)進一步加強。從垂直風場(圖6a)看，對流層低層東風加大，925 hPa出現(xiàn)東北風超低空急流，對流層中高層為西風，700 hPa出現(xiàn)西南急流，鋒面次級環(huán)流進一步加強。對應垂直速度圖(圖6b)上，在鋒區(qū)的暖、冷邊界處出現(xiàn)了明顯的上升和下沉運動，上升運動伸展到300 hPa，最大上升速度為9×10-3hPa/s。由于鋒前上升氣流的影響，相對濕度大于90%的區(qū)域從地面一直延伸到300 hPa，垂直上升氣流增強，系統(tǒng)發(fā)展旺盛，河南中東部降雪強度達到最大。隨著鋒區(qū)南移，降水系統(tǒng)隨之南移，24日08時，低層東風分量減弱，同時鋒面次級環(huán)流減弱，鋒前濕區(qū)高度降低，降雪過程基本結(jié)束。

圖6　2015-11-23T20垂直風廓線(a；單位為m/s；實線為水平等風速線)和沿115°E垂直速度的高度剖面圖(b；單位為Pa/s)

5動力機制分析

為了深入探究此次回流暴雪發(fā)生、發(fā)展機理，下面從鋒生動力學的角度分析此次暴雪的動力機制。

11月23日14時，地面強冷空氣影響河南，850 hPa溫度場上形成等溫線密集帶，水平溫度梯度隨時間增大，熱成風平衡被破壞，為了維持熱成風平衡，風垂直切變必須相應增大，即高層西風風速加強，低層東風風速加強[9]。從暴雪區(qū)附近(35°N，115°E)u分量的時間演變(圖7a)可以看到，23日14時，對流層低層東風風速逐漸增大，23日20時，東風增大到14 m/s，與之對應，中高層的西風風速逐漸增大，從23日08時開始，250 hPa高度以上的西風風速增大到44 m/s以上并持續(xù)維持。根據(jù)地轉(zhuǎn)偏差與加速度關(guān)系[9]，高層西風加速必然強迫產(chǎn)生南風分量的地轉(zhuǎn)偏差，低層西風減速則強迫產(chǎn)生北風分量的地轉(zhuǎn)偏差，這種非地轉(zhuǎn)風分量在鋒區(qū)內(nèi)遠大于鋒區(qū)以外地區(qū)，這也是圖6a中鋒區(qū)附近出現(xiàn)超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因。

圖7　2015-11-23—24暴雪附近(35°N，115°E)u分量(a，單位為m/s，粗實線為降雪時段)和垂直速度時間演變(b，單位為Pa/s)

從垂直速度時間演變圖(圖7b)中可以看出，從23日14時開始，位于鋒區(qū)暖側(cè)的暴雪區(qū)，對流層中低層的上升速度迅速增大，一直保持在8×10-3hPa/s,最大達到9×10-3hPa/s。這是由于地轉(zhuǎn)偏差在鋒區(qū)內(nèi)外分布不均勻，在低層鋒區(qū)的暖邊界有地轉(zhuǎn)偏差輻合，其相應的地區(qū)上空則有地轉(zhuǎn)偏差輻散，引起上升運動，與其相反，鋒面的冷邊界高層有地轉(zhuǎn)偏差輻合，低層有地轉(zhuǎn)偏差輻散，引起下沉運動，形成了垂直于鋒區(qū)的鋒面次級環(huán)流；次級環(huán)流出現(xiàn)后，又對鋒生發(fā)生作用，進一步使高低空鋒區(qū)的水平溫度梯度加強[9]。由此可見，在此次暴雪過程中，動力鋒生機制產(chǎn)生的鋒面次級環(huán)流是造成降水的直接中尺度系統(tǒng)。

6雷達資料分析

6.1組合反射率

11月23日13時降水回波進入河南中西部，其在東移過程中表現(xiàn)為范圍較大的片狀層狀云降水回波。在距鄭州雷達站20 km以內(nèi)的低層出現(xiàn)了小范圍的0 ℃ 層亮帶，此時降水以雨為主。16時，0 ℃層亮帶消失，降雨開始轉(zhuǎn)變?yōu)榻笛Ｓ捎诒﹄姶挪ǖ纳⑸渥饔幂^弱，因此大部分回波強度較弱，回波強度多在10～30 dBz，在大片的弱回波區(qū)中有多個30～35 dBz的回波存在(圖8a)，總體上看反射率因子梯度不大。由于25 dBz以上的較強回波在23日16時—24日08時長時間維持，同時不斷有30～35 dBz回波產(chǎn)生，造成豫西、豫中和豫東地區(qū)降雪強度較大。

6.2徑向速度和風廓線

23日22：01鄭州雷達35 km范圍內(nèi)(1.4 km高度以下)(圖8b)有一對正負速度中心，最大速度達24 m/s, 經(jīng)判斷，該正負速度中心的風向為東北風(根據(jù)多普勒天氣雷達原理[11]，在探測采樣較好的情況下，若某高度層出現(xiàn)最大入流或出流徑向速度中心，其風向即為該高度層的實際風向，因而近地層有超低空東北風急流存在)，與925 hPa天氣圖上河南上空的東北急流相對應。同時在雷達100～150 km范圍內(nèi)(3.5～5.6 km高度)，也有一對反方向的正負速度中心，最大速度為17 m/s，同理可判斷對流層中高層有西南急流存在，高低空的這兩對正負速度中心在降雪的過程中一直持續(xù)。分析同時刻雷達VAD風廓線(圖8c)發(fā)現(xiàn)，鄭州上空已經(jīng)形成一個中尺度鋒面次級環(huán)流，1.2 km高度以下有超低空東北急流存在，最大速度為22 m/s，3.7 km高度以上有西南急流存在，最大速度為20 m/s，這與速度圖上高低空的兩個正負速度對相對應。由于鋒面次級環(huán)流的持續(xù)發(fā)展，西南暖濕空氣在東北冷空氣上持續(xù)爬升，產(chǎn)生了暴雪天氣。

圖8　2015-11-23T22：01鄭州站多普勒雷達組合反射率(a)、徑向速度(b， 1.5°仰角)和2015-11-23T22：01—23：00(圖上為世界時)垂直風廓線(c)

7結(jié)論

(1)本次回流暴雪過程是由高原淺槽與地面強冷空氣共同影響。地面強冷空氣在對流層低層形成清晰的溫度鋒區(qū)，鋒區(qū)內(nèi)鋒生強烈，有利于降雪強度的增強。

(2)近地面自渤海回流到華北平原的冷空氣是干冷的，水汽主要由對流層中層的西南急流輸送。在降水時段850～500 hPa為水汽通量大值區(qū)，950～700 hPa為深厚的水汽通量散度負值區(qū)，水汽伴隨中高層(800～600 hPa)的西南氣流進入降水區(qū)，在強烈的動力輻合作用下，形成暴雪。

(3)流場和溫度場的相互作用造成鋒面次級環(huán)流的出現(xiàn)，垂直于鋒區(qū)的次級環(huán)流是產(chǎn)生暴雪的中尺度系統(tǒng)。動力鋒生是鋒區(qū)附近出現(xiàn)超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因，是暴雪過程的主要動力機制。

(4)雷達回波圖上，反射率因子覆蓋范圍廣，分布較為均勻，強度多在10～30 dBz，其中有多個30～35 dBz的回波存在。速度圖上中層西南急流和超低空東北風急流的長時間維持造成暴雪。雷達風廓線清晰地反映了暴雪區(qū)上空鋒面次級環(huán)流的存在。

參考文獻：

[1]河北省氣象局.河北省天氣預報手冊[M].北京：氣象出版社，1987：22-25.

[2]張迎新，候瑞欽，張守保.回流暴雪過程的診斷分析和數(shù)值試驗[J].南京氣象學院學報，2006，29(1)：107-113.

[3]周雪松，談哲敏.華北回流暴雪發(fā)展機理個例研究[J].氣象，2008,34(1)：18-26.

[4]王迎春，錢婷婷，鄭永光.北京連續(xù)降雪過程分析[J].應用氣象學報，2004,15(1)：58-65.

[5]萬瑜，竇新英.新疆中天山一次城市暴雪過程診斷分析[J].氣象與環(huán)境學報，2013,29(6)：8-14.

[6]許敏，劉艷杰，王潔，等.廊坊市回流型強降雪天氣及預報指標分析[J].氣象與環(huán)境學報，2014, 30(2)：31-37.

[7]孫密娜，易笑園，閆志超，等.渤海西岸降雪過程中偏東風在250 m塔層內(nèi)的特征分析[J].氣象與環(huán)境學報，2013, 29(5)：35-42.

[8]王叢梅，李永占，劉曉靈.河北省南部回流暴雪天氣結(jié)構(gòu)特征[J].氣象與環(huán)境學報，2015, 31(3)：23-28.

[9]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理與方法[M].3版.北京：氣象出版社，2000：93-105.

[10]王東勇，劉勇，周昆.2004年末黃淮暴雪的特點分析和數(shù)值模擬[J].氣象，2006,32(11)：30-35.

[11]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務應用[M].氣象出版社，2009：53-54.

文章編號：1006-4354(2016)04-0006-07

收稿日期：2016-02-22

作者簡介：杜麗婭(1983—)，女，漢族，河南濮陽人，學士，助理工程師，從事天氣預報工作。

基金項目：中國氣象局預報員專項(CMAYAY 2016-042)

中圖分類號：P458.121

文獻標識碼：A

杜麗婭. 2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發(fā)展機理分析[J].陜西氣象，2016(4)：6-12.