2018年1月湖南一次降水相態(tài)多次轉換機理分析

昌立偉，解 娜，劉杰雄，林 南，李曉坤，黃卓禹

（1.岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000；2.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，長沙 410125；3.婁底市氣象局，湖南 婁底 417000；4.內蒙古錫林郭勒盟氣象局，內蒙古 錫林浩特 026000）

2018年1月25 —27日湖南省中部地區(qū)先后出現(xiàn)3次降水相態(tài)的快速轉換，存在轉換時間快、范圍廣、影響程度大等特點，在短期大氣環(huán)流形勢相對穩(wěn)定的情況下，快速完成轉換及造成不同降水相態(tài)的差異鮮見報道。因此，本研究采用地面、高空的常規(guī)觀測資料和較高的可信度NCEP/NCAR的FNL逐6 h 1°×1°再分析資料，以期揭示2018年1月25—27日降水過程中不同降水相態(tài)下溫度層結特征及相態(tài)多次轉換的機理［19，20］。

1 天氣實況與降水相態(tài)演變

2018年1月23 —28日受強空氣影響，湖南省自北向南出現(xiàn)一次強寒潮天氣過程，各地日平均氣溫均由8℃以上降至0℃左右，最低氣溫降至-3℃左右，此次過程的雨雪量雖較小，但期間各地先后出現(xiàn)的雨、凍雨（雨凇）、雨夾雪、雪等復雜的降水相態(tài)，從25—28日的逐12 h整點的地面天氣現(xiàn)象可以看出，25日20：00雪線壓制28°N附近，湖南省中部區(qū)域26°—28°N出現(xiàn)了明顯的雨-凍雨的轉換（圖1a）；25日夜間至26日8：00雪線繼續(xù)南壓，致使中部區(qū)域出現(xiàn)凍雨（雨）-雪的第一次相態(tài)轉換（圖1b）；26日白天至27日20：00湖南省中部出現(xiàn)了雪-凍雨或雨的第二次相態(tài)轉換；27日夜間至28日清晨再一次出現(xiàn)了雨-雪的第三次相態(tài)轉換；直至28日午后降雪趨于結束。

為了進一步分析此次過程中降水相態(tài)的具體演變特征，選取相態(tài)變換最為復雜的2個站（懷化、雙峰）進行分析。分析強冷空氣影響始末氣溫、露點溫度、6 h累積降雨量及整點降水現(xiàn)象等氣象要素的變化特征可以發(fā)現(xiàn)（圖2）。西部懷化站（圖2a）25日20：00地面氣溫降至-0.8℃，出現(xiàn)了雨-凍雨的轉換，26日2：00氣溫進一步降至-1.8℃，出現(xiàn)凍雨-雪的第一次轉換；26日17：00在地面氣溫維持-2℃以下時出現(xiàn)雪-凍雨（雨）的二次轉換；27日11：00和27日17：00分別出現(xiàn)凍雨-雪、雪-凍雨的短暫轉換；27日23：00再次出現(xiàn)凍雨（雨）-雪的3次轉換，直至28日11：00降雪過程結束。雙峰站（圖2b）雨雪相態(tài)的演變與懷化站較為相似，3次轉換時間分別出現(xiàn)在26日2：00、26日20：00和28日2：00；整體來看，雨雪量雖較小，但降水相態(tài)復雜，出現(xiàn)雨雪相態(tài)變化時氣溫變化不大。

2 大尺度環(huán)流特征

2.1 高空環(huán)流特征

湖南省寒潮暴發(fā)前期，在1月21日8：00高空環(huán)流場上（圖3a），500 hPa高空寬廣的阻塞高壓位于烏拉爾山附近；伴隨阻塞高壓的北側表現(xiàn)為深厚的冷渦控制，在冷渦橫槽前底部700 hPa為成片的20 m/s以上的強西北風區(qū)，并配合500 hPa強冷平流向南擴展；中低緯度地區(qū)在寬廣的阻塞高壓東側受低槽影響，槽后重慶-貴州一線受-24×10-5K/s以下的高空強冷溫度平流影響，湖南省正處于低槽和這股強冷溫度平流區(qū)影響的前側。之后冷渦的進一步加強，阻塞高壓逐漸減弱填塞；到1月25日20：00（圖3b），564 hPa線已南移至30°N以南，中低緯度地區(qū)一槽一脊的環(huán)流形勢也轉變?yōu)槠街睔饬魃系男〔▌樱筒矍暗母呖諒娎錅囟绕搅鲄^(qū)東移南壓影響至湖南省境內，此時正對應湖南省地面開始出現(xiàn)明顯的降溫，也預示著湖南省寒潮開始暴發(fā)而中低層的切變輻合又有利于降水天氣的出現(xiàn)。

2.2 地面環(huán)流形勢

從沿110°—114°E平均海平面氣壓的時間-緯向剖面（圖4a）可以看出，在24日前冷空氣堆集中在35°N以北，到24日50°N冷高壓中心達1 045 hPa并快速向南推進，到25日1 030 hPa線已推至25°N附近，在25日夜間和27日夜間雨-雪相態(tài)轉換時，27°N附近海平面氣壓升高，表明有冷空氣補充南下，26日夜間至27日白天雨-凍雨相態(tài)轉換時，27°N附近海平面氣壓降低，即在此段時間沒有冷空氣補充南下；此次寒潮影響初期海平面氣壓場（4b），1 030 hPa線南擴到湖南省中部區(qū)域，而寒潮冷高壓的主體并未整體南下，也預示著冷空氣影響時間會較長，此外，從24 h變壓來看，在東路冷空氣影響路徑下，湖南省境內的24 h變壓達10 hPa以上，表明此次冷空氣的強度強，影響持續(xù)時間較長，是出現(xiàn)持續(xù)性低溫陰雨（雪）天氣的有利形勢。

圖1 整點地面天氣現(xiàn)象

圖2 2018年1月24—28日湖南省代表站逐3 h的氣溫、露點溫度、6 h降雨量及天氣現(xiàn)象的時序變化

3 相態(tài)頻繁轉換中低層溫度層結分析

3.1 平均溫度廓線

由于降水相態(tài)的變化對大氣溫度層結結構非常敏感，而大氣中低層-地面的溫度變化是界定降水相態(tài)轉換的重要判據。分析此次過程中雪、凍雨2種降水相態(tài)樣本的8：00和20：00探空資料大氣層結平均溫度廓線（圖5），雪、凍雨的近地面氣溫均在-2℃以下，在中低層都存在明顯的逆溫，在中低層表現(xiàn)出明顯不同的特征，降雪時期，900 hPa以上開始出現(xiàn)逆溫，750 hPa至700 hPa有弱的暖性逆溫，中層最高溫度在1℃左右，而在凍雨時期，逆溫層出現(xiàn)的高度較降雪高，在850 hPa附近，但逆溫坡度小，800 hPa至700 hPa出現(xiàn)明顯的暖性逆溫，中層最高溫度達5℃左右。分析同時次NCEP/NCAR的FNL再分析資料的溫度廓線可以看出，近地面及中高層的溫度廓線與實況分布較為一致，NCEP/NCAR的FNL再分析資料的溫度廓線變化能一定程度上反映實際的溫度層結變化，在逆溫層結，NCEP/NCAR的FNL再分析資料的溫度較實況整體偏低3℃左右；再用NCEP/NCAR的FNL平均溫度廓線來分析雙峰站不同降水相態(tài)的層結特征，雙峰站雪、凍雨2種相態(tài)下均存在較明顯的暖性逆溫，在凍雨時期零度線的高度較降雪偏低，逆溫坡度較降雪明顯偏小，暖性逆溫的范圍明顯偏大，中低層最高溫度在5℃以上。

圖3 500 hPa的位勢高度場（實線，單位：dagpm）、500 hPa溫度平流（陰影，單位：-10-5 K/s）及700 hPa風場（風向桿≥12 m/s）

圖4 沿110°—114°E平均海平面氣壓的時間-緯向剖面（陰影：大于等于1 030 hPa）（a）和2018年1月25日20：00海平面氣壓（b）（等值線，單位：hPa）和24 h變壓（陰影單位：hPa）

圖5 2018年1月25日20：00至1月28日8：00代表站的不同降水相態(tài)實況和NCEP/NCAR的FNL模式的平均溫度廓線

3.2 不同相態(tài)的溫度特征量分析

利用探空站資料分析此次過程中懷化站不同相態(tài)中溫度特征量（圖6）可以看出，26日8：00和28日8：00降雪期間，逆溫厚度分別達146 hPa和155 hPa，逆溫層頂氣溫分別為4℃和0℃，逆溫層底部溫度分別為-9℃和-10℃，逆溫梯度分別為13℃和10℃，暖層厚度分別為73 hPa和0 hPa；26日8：00暖層（融化層）主要位于773 hPa至700 hPa，28日8：00無暖層。此外，從探空曲線來看，26日8：00在暖層以上還有部分云區(qū)的氣溫在-12～0℃，且云區(qū)伸展高度在600 hPa以上，28日8：00近飽和層高度位于600 hPa附近、-12℃，根據云水溫度分層，-10℃以下、-9～0℃、0℃以上3個溫度層分別表示為冰晶層、冷層和暖層，則26日8：00降雪溫度垂直結果具有冰晶層-冷層-暖層-冷層的結構特征，28日8：00出現(xiàn)降雪，溫度垂直結果表現(xiàn)為冰晶層-冷層的結構特征。

凍雨最明顯時期27日8：00，逆溫厚度為70 hPa，逆溫層頂氣溫為6℃，逆溫層底部溫度為-9℃，逆溫梯度為15℃，暖層（融化層）主要位于805 hPa至690 hPa，暖層厚度為116 hPa，在暖層以上還有部分云區(qū)的氣溫在-3～0℃，云區(qū)伸展高度在600 hPa以下。垂直結果具有冷層-暖層-冷層的結構特征。

從上述分析可知，在3個階段相態(tài)頻繁轉換過程中，均存在明顯的鋒面逆溫，但溫度垂直結構存在差異；凍雨期間鋒面逆溫厚度較薄、梯度顯著，暖層高度更低，在800 hPa附近及以下，暖層厚度厚，溫度層結具有冷層-暖層-冷層的結構特征；降雪時，鋒面逆溫厚度較厚，逆溫梯度較凍雨弱，無暖層或暖層較淺薄，溫度層結往往具有冰晶層-冷層（弱暖層-冷層）的結構特征。

在中小河流治理中存在如何在安全性保證的前提下進行近自然生態(tài)建設，如何改善水環(huán)境，如何進行生態(tài)濕地建設以及水質改善工程等一系列相關問題。

3.3 不同降水相態(tài)下降水機制

圖7顯示，在25日白天和27日白天凍雨區(qū)云水含量較高，主要位于700 hPa附近，在0℃，上升氣流強的區(qū)域主要位于900 hPa至700 hPa的中低層，表現(xiàn)為淺薄的上升運動，中高層的冰相粒子少，表現(xiàn)為大的云水和雨水含量，表明凍雨期間主要是有過冷卻云滴的碰并過程形成凍雨，存在一定的“過冷卻暖雨”過程機制；而在25日夜間和27日夜間的降雪期間，云水含量偏弱，垂直速度也較弱，但其伸展高度較高，而且高云水含量均處于0℃以下，表現(xiàn)為明顯的冷云降水機制。

圖6 2018年1月25日8：00至1月28日8：00懷化站不同降水相態(tài)的溫度特征量值

圖7 沿著27°—28°N、110°—114°E物理量隨1月時間-高度的剖面

4 相態(tài)頻繁轉換機理分析

4.1 鋒區(qū)特征

杜小玲等［21］指出可以利用500 hPa位勢高度降低、副熱帶西風急流增加來判斷南支鋒區(qū)活躍程度，在日常工作中常用500 hPa高度上風速大于等于28 m/s來表征副熱帶鋒區(qū)急流，從圖8a可以看出，在1月25—29日南支鋒區(qū)異常活躍，其主體位于29°N以南，且表現(xiàn)出明顯的日夜變化，夜間往往比白天旺盛，在25日夜間和27日夜間2個降雪的時間點南支鋒區(qū)的影響均到達25°N附近，在26日的冰凍期間存在南支鋒區(qū)的北縮及位勢高度的升高，表明在大尺度環(huán)流相對穩(wěn)定的情況下，南支鋒區(qū)的北縮南進對應著降水相態(tài)的不同，當出現(xiàn)有利于相態(tài)轉換時南支鋒區(qū)的南進有利于出現(xiàn)凍雨（雨）到雪的轉換，當出現(xiàn)北縮時則利于出現(xiàn)雪-凍雨（雨）的轉換。

此外，此次雨雪過程中對流層中低層始終維持著假相當位溫的密集區(qū)，相態(tài)頻繁轉換期間鋒面兩側的冷暖空氣都較強，在600 hPa以下，形成強而少動的能量鋒區(qū)，鋒區(qū)內的水平溫度梯度很大，鋒面坡度較小，鋒面逆溫顯著，在降雪時段（圖8b），鋒區(qū)密集區(qū)一度南推至21°—24°N。

圖8 2018年1月21至1月29日110°—114°E 500 hPa平均高度（a）（單位：dagpm，陰影：風速大于28 m/s）和1月26日20：00 111°E假相當位溫和溫度的時間-緯向剖面（b）

4.2 低層輻合

在強冷空氣、高空低槽及其活躍的南支鋒區(qū)有利的環(huán)流形勢下，分別選取25日夜間、26日夜間、27日夜間3個雪、凍雨、雪相態(tài)轉換時間點分析不同相態(tài)轉換時的垂直結構變換。

從850 hPa和700 hPa兩層風場剖面和0℃線位置（圖9）可以看出，在24日夜間和26日夜間凍雨期間，在24°N附近850 hPa都存在西南急流的加強，0℃線位于27°N附近，700 hPa也存在較為旺盛的西南急流，0℃線位于28°N以北，850 hPa至700 hPa存在一定的暖層，在800～850 hPa存在水平風的輻合及其較大的水汽通量的輻合，為凍雨的形成提供充分的云水和雨水含量，在700 hPa至600 hPa存在水平風的輻散及其較大的水汽通量的輻散，在500 hPa附近又有一較弱輻合中心。垂直方向自下而上具有低層強輻合-中層強輻散-中高層弱輻合-高層較弱輻散的結構；這種多層輻合輻散結構既利于中低層云水和雨水的形成，又利于中層暖性層結的穩(wěn)定維持。

圖9 2018年1月21日至1月29日沿110°—114°E的風場及0℃線的時間-緯向剖面

圖10 2018年1月21日至1月29日27°—29°N、110°—114°E平均風散度（a）和水汽通量散度隨時間-高度剖面（b）

當冷空氣擴散南下，溫度層結出現(xiàn)明顯變化，在25日夜間和27日夜間的降雪期間，850 hPa的西南風偏弱，0℃線位于26°N附近，700 hPa為西南急流偏弱，0℃線位于26°N附近，水平風的輻合輻散較弱（圖10），水汽輻合中心主要集中在800 hPa附近，且可延伸到700 hPa以上，在垂直方向自下而上具有低層弱輻散-中低層較強輻合-中高層較強輻散的結構特征。

此外，從湘中區(qū)域平均各層的水汽通量及其平均緯向風的水汽通量散度可以看出，水汽輸送主要集中在900 hPa至600 hPa，大致中心主要位于800 hPa至700 hPa，且緯向風的水汽通量分布與水平方向的水汽通量分布一致，由此可見，南風的增強對于水汽通量的增加起到重要的作用，而在此次低溫雨雪冰凍天氣過程中，24日白天和27日白天在700 hPa附近都存在明顯的西南急流顯著加強的過程，而正對應著中低層水汽通量的大值區(qū)，此外，在25日夜間和27日夜間的降雪期間并未表現(xiàn)出大的水汽通量值。

5 小結

利用地面和高空氣象觀測數據，以及NCEP/NCAR的FNL再分析資料，著重對2018年1月湖南一次雨雪天氣過程中相態(tài)多次轉換中的溫度層結、降水機制的不同之處進行分析，并從南支鋒區(qū)、低層輻合等出發(fā)，探討相態(tài)多次轉換的原因，得到如下結論。

1）此次雨雪天氣過程是在典型的大范圍寒潮過程的大尺度環(huán)流背景下，配合高空低槽及中低層切變輻合共同產生的，降溫幅度大、多次相態(tài)快速轉換、影響范圍廣是此次雨雪過程的重要特點。

2）凍雨、雪2種相態(tài)下中低層溫度特征明顯不同，凍雨時逆溫層出現(xiàn)的高度較降雪高，逆溫坡度小，鋒面逆溫厚度較薄，在120 hPa以下，逆溫梯度顯著，暖層高度更低，暖層厚度厚，暖性逆溫層中的最高溫度可達5℃左右；在900 hPa以上，溫度層結具有冷層-暖層-冷層的結構特征；產生降雪時，逆溫坡度大，逆溫厚度在140 hPa以上，逆溫梯度小，無暖層或暖層較淺薄，溫度層結往往具有冰晶層-冷層（弱暖層-冷層）的結構特征；此外，NCEP/NCAR的FNL溫度在一定程度上能反映實際溫度，逆溫層內的溫度較實況整體偏低3℃左右。

3）凍雨表現(xiàn)為淺薄的上升運動，中高層的冰相粒子少，表現(xiàn)為大的云水和雨水含量，存在一定的“過冷卻暖雨”過程機制；降雪期間，云水含量小，垂直速度也較弱，但其伸展高度較高，且高云水含量處于0℃以下，表現(xiàn)為明顯的冷云降水機制。

4）地面強冷空氣及南支鋒區(qū)階段性活躍南下，改變大氣的溫度層結是出現(xiàn)相態(tài)頻繁轉換的主要原因；低層輻合增強及其700 hPa西南急流階段性的異常增強，改變中低層的冷性層結，是出現(xiàn)雪到凍雨快速轉換的直接原因。