2016年湖南兩次寒潮事件等熵位渦分析

黃卓禹，吳艷林，李偉國，陳鐵軍，吳欣昱

(婁底市氣象局，湖南婁底 417000)

寒潮是一種大尺度大氣運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，也是湖南省冬季重要的災(zāi)害性天氣，它能造成劇烈降溫和大風(fēng)，有時(shí)還伴有雨、雪、雨凇或霜凍等災(zāi)害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖南省大部分地區(qū)平均每年發(fā)生在2～3次寒潮事件，12月、1月和2月的次數(shù)比11月、3月的次數(shù)多，其中以2月寒潮次數(shù)最多，3月寒潮主要出現(xiàn)在湖南周邊地區(qū)[3]。

等熵位渦IPV的分析和意義最先是由Hoskins等[4]提出的，之后被廣泛地應(yīng)用到對(duì)暴雨的研究分析中[5-7]，近來也逐漸應(yīng)用到寒潮事件的研究中。丁一匯等[8]對(duì)2004/2005年冬季強(qiáng)寒潮事件進(jìn)行等熵位渦分析，田秀霞等[9]對(duì)2008年12月的兩次寒潮也進(jìn)行了等熵位渦分析。在以往的寒潮天氣分析中，當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)員往往只能根據(jù)環(huán)流形勢(shì)的演變來預(yù)報(bào)寒潮的發(fā)生發(fā)展，可參考的方法較少；因此本文選用NCEP/NCAR全球 2.5°× 2.5°逐日和FNL1°×1°逐6 h再分析資料，利用等熵位渦的診斷方法對(duì)2016年冬末春初湖南出現(xiàn)的兩次寒潮過程進(jìn)行診斷分析，試圖從另一方面揭示兩次寒潮過程中的強(qiáng)冷空氣的來源及傳播特征，并對(duì)寒潮爆發(fā)的可能機(jī)制進(jìn)行探討。

1 過程簡(jiǎn)介

2016年冬末春初，湖南先后出現(xiàn)了兩次全省性寒潮天氣事件，第一次過程是2月13—14日(下簡(jiǎn)稱“過程Ⅰ”)，第二次過程是在 3月8—10日(下簡(jiǎn)稱“過程Ⅱ”)，兩次寒潮事件均引起了全省大幅度降溫、大風(fēng)天氣，同時(shí)大部分地區(qū)出現(xiàn)降雪。兩次寒潮事件發(fā)生的間隔時(shí)間短，但環(huán)流形勢(shì)卻有較大不同。過程Ⅰ是旋轉(zhuǎn)南下的低槽與南支槽同位相疊加，引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣南下，造成寒潮天氣；過程Ⅱ是橫槽轉(zhuǎn)豎并向南加深，引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣大舉南下，造成湖南的寒潮天氣。

2 等熵面氣象要素平均特征分布

Sun等[10]在分析對(duì)流層溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的位渦緯向平均分布中指出，位渦具有顯著的氣候特征，因此有必要了解2016年兩次寒潮事件過程位渦的平均分布情況。

圖1給出了2016年2—3月平均300 K和315 K等熵面上氣壓的分布狀況。在300 K等熵面上(圖1a)氣壓自北向南逐漸升高，各經(jīng)緯度等壓面上的氣壓均在400 hPa以上，均位于對(duì)流層內(nèi)。而315 K等熵面上(圖1b)氣壓也是自北向南逐漸升高，高緯度地區(qū)的氣壓在200～250 hPa，位于對(duì)流層頂及平流層底層附近，其他氣壓在400 hPa以上，位于對(duì)流層內(nèi)。

圖1 2016年2—3月平均300 K(a)和315 K(b)等熵面上氣壓分布(單位為hPa)

由上述的分析可知，315 K等熵面包含極區(qū)平流層底層的信息，又能表現(xiàn)其他地區(qū)對(duì)流層的信息；而寒潮強(qiáng)冷空氣集聚的源地均是極區(qū)附近。因此有必要分析315 K等熵面上位渦的分布特征。從圖2給出的2016年2—3月平均315 K等熵面上位渦的分布來看，在高緯度地區(qū)附近均為大于4 PVU(1 PVU=10-6m2·K/( s·kg))的高位渦區(qū)，其他地對(duì)應(yīng)著低位渦區(qū)。此外值得關(guān)注的是，在我國東部30°N～40°N的區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)向南伸展的大于3 PVU的高位渦區(qū)，而在同經(jīng)度附近的60°N附近則出現(xiàn)了一個(gè)較低的0.5 PVU位渦區(qū)。

圖2 2016年2—3月平均315 K等熵面上位渦分布(單位為PVU)

3 強(qiáng)冷空氣移動(dòng)特征

3.1 水平移動(dòng)

丁一匯[11]和張培忠[12]等研究指出影響寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵區(qū)是西伯利亞的中部地區(qū)，因此非常有必要探討寒潮事件中湖南降溫幅度與西伯利亞中部(寒潮關(guān)鍵區(qū))強(qiáng)度變化之間的關(guān)系。寒潮爆發(fā)源初步可以用40°N～60°N,80°E～120°E區(qū)域內(nèi)海平面氣壓值表征強(qiáng)冷空氣源地的強(qiáng)度。

圖3 2016-02-10T08—03-11T08(40°N～60°N，80°E～120°E)區(qū)域內(nèi)平均海平面氣壓 (空心圓線)和(25°N～30°N,110°E～115°E)區(qū)域內(nèi)1 000 hPa等壓面上的平均溫度(實(shí)心圓線)逐6 h變化

從40°N～60°N，80°E～120°E區(qū)域內(nèi)逐6 h平均海平面氣壓值與湖南1 000 hPa的溫度變化(圖3)值可以看出，2月10—13日西伯利亞中部的海平面氣壓值出現(xiàn)了陡增，由1 015 hPa增加到1 045 hPa，增幅達(dá)30 hPa。與之相對(duì)應(yīng)，2月10—12日湖南上空溫度變化不大，13日開始溫度急劇下降，氣溫降至0 ℃左右，24 h降溫幅度達(dá)到20 ℃以上。在第一次寒潮事件結(jié)束后，西伯利亞冷高壓強(qiáng)度有2次小幅度上升，強(qiáng)度不大，在1 000 hPa湖南上空此后伴隨有弱降溫。3月6日開始西伯利亞冷高壓又一次強(qiáng)烈增強(qiáng)，增幅雖不如過程Ⅰ強(qiáng)，但到10日西伯利亞高壓峰值強(qiáng)度仍升至1 045 hPa，緊隨其后湖南1 000 hPa平均溫度層急劇下降，24 h降溫幅度也在20 ℃以上。由上述的分析可知，2月13日和3月10日分別是西伯利亞冷高壓和湖南溫度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)正是湖南寒潮爆發(fā)的時(shí)間，此外在西伯利亞高壓出現(xiàn)增幅過程中，湖南上空的氣溫變化并不大。

從315 K等熵面上湖南的位渦分布情況看(圖4)，在2月10日—3月11日湖南地區(qū)存在三次大的位渦擾動(dòng)，分別發(fā)生在2016年2月14日、2月22日和3月10日，位渦值均超過0.9 PVU，并且第三次位渦值明顯高于第一次、第二次的位渦值。此外值得注意的是，與三次擾動(dòng)相對(duì)應(yīng)的是300 K等熵面上位渦均明顯升高，此時(shí)湖南地區(qū)有降溫現(xiàn)象；由此可見高位渦值可以用來代表冷空氣活動(dòng)，因此可以利用高位渦來追蹤影響湖南寒潮過程中強(qiáng)冷空氣的來源和水平移動(dòng)。

過程Ⅰ中，2月10 日(圖5a)，高位渦主體G位于50°N、80°E～100°E附近，并向東伸展至極區(qū)附近,中心值達(dá)到6 PVU。12日(圖5b)，在高位渦主體G的西側(cè)有一高位渦區(qū)G1存在；高位渦主體G中心東移至貝加爾湖附近，且伴隨有明顯的南落，其3 PVU線已經(jīng)南伸至40°N附近，且大于6 PVU的中心區(qū)域明顯增大，引導(dǎo)極區(qū)冷空氣向南爆發(fā)。14日(圖5c)，中國的整個(gè)中高緯度都被高位渦值控制，其南界線已伸至長江以北地區(qū)，預(yù)示冷空氣主體已經(jīng)控制了中國大部分地區(qū)，并逐漸向南爆發(fā)。16日(圖5d)，寒潮影響結(jié)束后，高位渦區(qū)逐漸北縮。

圖4 2016-02-10T08—03-11T08 315 K等熵面上湖南上空平均位渦逐6 h變化(單位：PVU)

圖5 2016年2月315 K等熵面位渦的空間演變(a 10日；b 12日；c 14日；d 16日)

從過程Ⅱ中高位渦區(qū)的演變可以看出(圖略)，3月5日巴爾喀什湖已是高位渦控制區(qū)，中心最大值已超過6 PVU，大于3 PVU的區(qū)域已伸至長江以北地區(qū)。7日高位渦逐漸東擴(kuò)北縮，大于5 PVU的區(qū)域已伸展至華北沿岸。9日可明顯看出整個(gè)位于華北沿岸的高位渦區(qū)開始逐漸向南伸展至長江以北地區(qū)；此外在其發(fā)展的過程中，中高緯度的位渦也有增大的趨勢(shì)，預(yù)示冷空氣開始逐漸從華北沿海地區(qū)爆發(fā)。11日中高緯度的位渦值繼續(xù)發(fā)展，大于3 PVU的區(qū)域進(jìn)一步向南擴(kuò)展，預(yù)示中高緯度的冷空氣已經(jīng)向南擴(kuò)散。

從上述兩次寒潮過程315 K等熵面位渦演變可以看出，寒潮的爆發(fā)都伴隨有中高緯度高位渦區(qū)的南落，這種現(xiàn)象可以解釋圖2中平均場(chǎng)上在中緯度地區(qū)伸展出的高位渦區(qū)。此外兩次寒潮過程高位渦區(qū)南落路徑不同，過程Ⅰ中高位渦區(qū)主體在源地加強(qiáng)，并逐漸南落，引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣向南爆發(fā)；過程Ⅱ中高位渦主體在源地加強(qiáng)，然后東移，再南落引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣向長江中下游地區(qū)爆發(fā)。可見兩次寒潮過程高位渦主體移動(dòng)路徑與地面冷空氣南下路徑一致，因此也進(jìn)一步表明可以用中高緯度的高位渦區(qū)來代表影響湖南寒潮的源地及水平移動(dòng)特征。

3.2 垂直伸展

為進(jìn)一步分析強(qiáng)冷空氣的活動(dòng)特征，仍采用高位渦區(qū)來分析強(qiáng)冷空氣的垂直伸展結(jié)構(gòu)。從圖6a可以看出，2月11日寒潮爆發(fā)前湖南地區(qū)上空的高位渦帶較平直，0.6 PVU等值線位于對(duì)流層中層；11—12日高位渦帶開始逐漸向下傳播；到13日即寒潮爆發(fā)時(shí)期，高位渦帶向下強(qiáng)烈發(fā)展，0.6 PVU等值線已經(jīng)擴(kuò)展到近地面附近；寒潮結(jié)束后，高位渦帶又逐漸向上層收縮。過程Ⅱ中同樣可以看出寒潮爆發(fā)時(shí)的高位渦下傳特征(圖6b)。兩過程相比，后者寒潮爆發(fā)前高位渦帶位于300 hPa附近，0.6 PVU等值線位置較前者明顯偏高。在寒潮爆發(fā)時(shí)高位渦帶的中心稍有下傳，幅度較前者明顯偏弱；但高層下傳的位渦值較前者大，且持續(xù)時(shí)間長。在寒潮結(jié)束后，高位渦值向上層也逐漸收縮。

由此可知，在兩次寒潮過程爆發(fā)階段，高位渦帶的中心都存在著向下的強(qiáng)烈伸展，這與冷空氣向南快速爆發(fā)是一致的。此外，在寒潮過程結(jié)束后，高位渦值恢復(fù)到最初始狀態(tài)的速度與地面強(qiáng)冷空氣減弱的速度也是一致的，因此高位渦大小能很好地表征強(qiáng)冷空氣的強(qiáng)度。

4 寒潮爆發(fā)的可能機(jī)制

Hoskins等[2]曾指出,高位渦區(qū)對(duì)應(yīng)氣旋性環(huán)流，低位渦區(qū)對(duì)應(yīng)反氣旋性環(huán)流。下面就用寒潮爆發(fā)過程中高位渦傳播特征來分析影響寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵系統(tǒng)的變化特征。

4.1 高空主要系統(tǒng)的位渦變化特征

依然選用315 K等熵面來分析高空主要系統(tǒng)的變化特征。在兩次寒潮過程的發(fā)展階段，過程Ⅰ中，2月10日08時(shí)(圖 7a)等熵面上位渦的分布與流場(chǎng)吻合，貝加爾湖地區(qū)處于小于3 PVU的渦度帶內(nèi)，其西側(cè)和西南側(cè)兩個(gè)高位渦區(qū)在西南風(fēng)的作用下不斷向貝加爾湖地區(qū)輸送正位渦，不利于高層阻塞發(fā)展。過程Ⅱ中，寒潮過程的初始階段(圖7b)，在長江以北為一寬廣的高位渦區(qū)，對(duì)應(yīng)著旺盛的高空急流，同時(shí)也表現(xiàn)出顯著的正相對(duì)渦度區(qū)；長江以南為低位渦區(qū)控制。但值得注意的是，極區(qū)也表現(xiàn)為高位渦區(qū)，在偏北氣流的引導(dǎo)下不斷向南輸送正位渦；而其西北側(cè)是低位渦區(qū)。在偏北氣流的影響下，高位渦帶變小，橫槽東縮南落。

圖7 315 K等熵面上各變量分布(等值線表示位渦，單位為PVU；矢量表示流場(chǎng)，單位為m/s；陰影區(qū)表示相對(duì)渦度值>6×10-56×10-5·s-1；a 2016-02-10T08；b 2016-03-07T08；c 2016-02-13T08；d 2016-03-10T08)

在爆發(fā)階段：過程Ⅰ寒潮爆發(fā)時(shí)即2月13日08時(shí)(圖7c)，在高層阻塞減弱填塞后，貝加爾湖附近高位渦中心擾動(dòng)的維持，利于上空形成強(qiáng)西北風(fēng)，同時(shí)利于高位渦中心沿著西北風(fēng)向長江以北的高位渦帶爆發(fā)。此外其西側(cè)的高位渦區(qū)也隨著偏西風(fēng)向高位渦帶輸送，致使低槽進(jìn)一步加深。在過程Ⅱ寒潮爆發(fā)時(shí)即3月10日08時(shí)(圖7d)，隨著低位渦區(qū)不斷向高位渦區(qū)輸送，低槽不斷東移；而貝加爾湖附近的低位渦區(qū)擾動(dòng)使其上空形成強(qiáng)偏北風(fēng)，利用高位渦向南爆發(fā)。此外在寒潮醞釀和爆發(fā)階段，均可看出高位渦中心向南傳輸時(shí)都將引起高位渦中心區(qū)氣塊的正渦度區(qū)的顯著增強(qiáng)，預(yù)示著大槽的強(qiáng)烈加深。

由上可見, 過程Ⅰ中貝加爾湖南側(cè)的強(qiáng)阻塞(低位渦)以及新疆北側(cè)的氣旋(高位渦)系統(tǒng)對(duì)這次寒潮爆發(fā)的強(qiáng)度起很大作用。隨著高位渦中心向南發(fā)展,阻塞高壓的減弱填塞，當(dāng)高位渦中心向南向下傳到中國中東部地區(qū)時(shí)，東亞大槽在中國中東部迅速加深，引導(dǎo)槽后強(qiáng)冷空氣迅速向南爆發(fā)。過程Ⅱ中西伯利亞附近的高位渦區(qū)和里海附近的低位渦區(qū)，及長江以北寬廣的高位渦帶的維持是寒潮爆發(fā)的關(guān)鍵系統(tǒng)。隨著高位渦的東縮南壓，低槽東移逐漸加強(qiáng)，其偏北氣流的加強(qiáng)促使橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)槽后冷空氣迅速向南爆發(fā)。

4.2 高位渦向南向下傳播特征對(duì)地面冷高壓的影響

從2月11日08時(shí)沿50°N的經(jīng)度-等熵面剖面圖(圖8a)上可看出，在高位渦中心附近氣壓場(chǎng)表現(xiàn)為上凸下凹的分布。在310 K等熵面以上，高位渦中心的西側(cè)等熵面向東下降，在其東側(cè)等熵面向東上升。在310 K等熵面以下，高位渦中心東西兩側(cè)的變化相反；因此在高位渦中心西側(cè)形成強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，使地面加壓，非常有利于地面冷高發(fā)展。

從過程Ⅱ3月6日08時(shí)經(jīng)度-等熵面剖面圖(圖8b)上也可以看出，325 K等熵面以上，高位渦中心西側(cè)等熵面向東下沉，東側(cè)變化平緩；在325 K等熵面以下，高位渦中心西側(cè)等熵面向東上升，東側(cè)變化仍平緩。同理可分析出高位渦中心西側(cè)存在強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)海平面氣壓場(chǎng)的分布來看(圖略)，在3月6日前沿著50°N剖面70°E～120°E附近的海平面氣壓普遍偏低；在3月6日之后隨著高位渦中心西側(cè)氣流沿等熵面下沉，相應(yīng)地區(qū)地面冷高壓開始發(fā)展。

圖8 沿50°N的各物理量的經(jīng)度-高度剖面圖(虛線表示等壓線；實(shí)線表示位渦，矢量表示緯向風(fēng)；a 2016-02-11T08；b 2016-03-06T08)

5 結(jié)論

利用等熵位渦對(duì)2016年冬末春初的兩次寒潮事件進(jìn)行診斷分析，并對(duì)其可能發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行探討，主要結(jié)論如下。

(1)西伯利亞冷高壓陡增與湖南地面氣溫的急劇下降預(yù)示著湖南寒潮天氣的爆發(fā)；位渦的分析表明，可以利用高位渦來追蹤影響湖南寒潮過程中強(qiáng)冷空氣的來源和水平移動(dòng)方向。

(2)兩次寒潮過程等熵位渦的對(duì)比分析表明，寒潮的爆發(fā)都伴隨有中高緯度高位渦區(qū)向南傳播的特征，且高位渦主體移動(dòng)路徑與地面冷空氣南下路徑一致；此外也表現(xiàn)出高位渦強(qiáng)烈向下伸展的特征。

(3)等熵面上的高位渦中心與氣旋性環(huán)流相對(duì)應(yīng)。過程Ⅰ中正位渦的輸送不利于高層阻塞發(fā)展，而高位渦的不斷向高位渦帶的輸送有助于低槽發(fā)展加深，上空強(qiáng)的西北風(fēng)利于高位渦帶向南爆發(fā)；過程Ⅱ中低位渦區(qū)不斷向高位渦區(qū)輸送，致使橫槽東縮南落，在強(qiáng)的偏北風(fēng)的作用下有利于高位渦向南爆發(fā)。此外兩次寒潮過程都表明高位渦中心西側(cè)存在強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，從而引起地面冷高壓的迅速發(fā)展，導(dǎo)致寒潮爆發(fā)。