2018年1月湖南省兩次低溫雨雪冰凍過(guò)程對(duì)比分析

周 慧，黃驕文，蘇 濤，蔡榮輝

（1.湖南省氣象臺(tái)，長(zhǎng)沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118）

降雪天氣是中國(guó)北方和高原地區(qū)冬季主要的天氣事件，南方地區(qū)由于緯度相對(duì)比較低，冷空氣在南下過(guò)程中變性減弱，南方冬季出現(xiàn)強(qiáng)降雪天氣概率較低，因此很多關(guān)于降雪天氣過(guò)程的研究也主要集中在北方和高原地區(qū)［1-5］。然而，低溫雨雪冰凍災(zāi)害實(shí)質(zhì)上也是南方冬季的主要災(zāi)害之一。2008年冬季中國(guó)南方發(fā)生了低溫雨雪冰凍的極端異常天氣，該過(guò)程強(qiáng)度之大、影響范圍之大、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、造成災(zāi)害之重為歷史罕見(jiàn)。針對(duì)2008年初低溫雨雪冰凍過(guò)程，中國(guó)氣象工作者從大氣環(huán)流背景、天氣氣候特征及天氣動(dòng)力成因等多方面做了大量研究工作，其中丁一匯等［6］指出該過(guò)程與氣候變暖的關(guān)系，王東海等［7］分析了這次過(guò)程的天氣特征及其天氣動(dòng)力學(xué)成因，王遵婭等［8］揭示了這次過(guò)程的氣候特征，還有很多學(xué)者［9-13］從不同省份出發(fā)對(duì)2008年低溫雨雪冰凍過(guò)程進(jìn)行了成因分析和影響評(píng)估。經(jīng)過(guò)2008年的冰凍災(zāi)害后，有些學(xué)者又將南方的一些低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析［14-16］，得到了一些有益的結(jié)果。但是，南方的低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程具有復(fù)雜性和地域性，因此進(jìn)一步開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究十分重要。

2018年1月3—8日和24—31日湖南省發(fā)生了2次較長(zhǎng)時(shí)間序列的低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程，過(guò)程期間出現(xiàn)了多種災(zāi)害性天氣，包括暴雪、凍雨、雷暴、強(qiáng)降溫及偏北大風(fēng)等。本研究應(yīng)用常規(guī)觀(guān)測(cè)資料和NCEP再分析資料，從天氣學(xué)的角度對(duì)2018年1月發(fā)生在湖南省的2次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，提出了南方低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，以期為提高南方低溫雨雪冰凍天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和精細(xì)化程度提供有益的思路和方法。

1 2次低溫雨雪冰凍過(guò)程實(shí)況

2018年1月3—8日湘中以北出現(xiàn)該年首次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程，期間共21縣市出現(xiàn)雨夾雪或雪，8縣市出現(xiàn)積雪，其中安化積雪深度最大（4 cm），石門(mén)、安化積雪日數(shù)最多（4 d）。根據(jù)DB43/T 234—2004中的冰凍監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，28縣市出現(xiàn)冰凍，冰凍最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為5 d（桃江），最大電線(xiàn)積冰厚度為8 mm（長(zhǎng)沙，1月6日）。全省平均氣溫為2.4℃，最低氣溫為-3.1℃（澧縣），全省平均降水量為32.7 mm。4日降雪最為明顯。

緊接著1月24—31日又出現(xiàn)幾乎全省性的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程，91縣市出現(xiàn)雪或雨夾雪，76縣市出現(xiàn)純雪，6縣市出現(xiàn)暴雪（臨湘、汨羅、益陽(yáng)、桃江、沅江、岳陽(yáng)），73縣市出現(xiàn)積雪，其中沅江積雪深度最大，為8 cm。共92縣市出現(xiàn)冰凍，冰凍范圍為2000年以來(lái)第二高位，僅次于2008年。冰凍最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為7 d（南岳），最大電線(xiàn)積冰厚度為29 mm（郴州，1月28—31日）。全省平均氣溫為0.3℃，75縣市最低氣溫低于-2℃，37縣市最低氣溫低于-4℃（最低值-6.0℃，臨湘、汨羅）。

由表1可知，2018年1月24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程較3—8日過(guò)程具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①影響范圍廣。24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程波及全省14個(gè)地市（州），而3—8日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍過(guò)程主要在湘中以北；②持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。24—31日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣前后持續(xù)了8 d，而3—8日出現(xiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍過(guò)程則持續(xù)了6 d。③強(qiáng)度強(qiáng)。

表1 2018年1月湖南省2次持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程對(duì)比情況

2 低溫雨雪冰凍過(guò)程成因分析

2.1 水汽條件

圖1為湖南省區(qū)域平均比濕在這2次低溫雨雪冰凍過(guò)程中的時(shí)間剖面。由圖1a和圖1b可以看出，2次過(guò)程比濕垂直伸展高度較高，濕層較為深厚，5 g/kg的比濕線(xiàn)均位于700 hPa附近，低層水汽條件很好，整個(gè)過(guò)程低層的比濕都超過(guò)5 g/kg，為雨雪過(guò)程提供了較好的水汽條件。比濕變化與降水量的變化是對(duì)應(yīng)的，24日和27日降水較強(qiáng)，范圍較廣，對(duì)應(yīng)比濕圖上在該時(shí)段存在2個(gè)高值中心。

圖1 湖南省區(qū)域（108—115°E，25—30°N）平均比濕（單位：g/kg）的時(shí)間剖面

為了分析過(guò)程期間湖南省水汽條件的南北差異和輸送情況，沿113°E作水汽通量散度和水汽通量的剖面圖，如圖2所示。1月初的過(guò)程中低層水汽的匯合區(qū)主要集中在27°30′N(xiāo)以北的湘北地區(qū)，這與環(huán)流場(chǎng)上湘北的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)（圖2a）。低層水汽通量在過(guò)程前期相對(duì)較小，大值區(qū)也位于湘北，為湘北的前期降水提供了水汽，隨著冷空氣南下和西南急流的加強(qiáng)，水汽通量明顯增加，中心值超過(guò)15 g/（cm·hPa·s），而且大值區(qū)呈南北帶狀分布（圖2b），說(shuō)明了西南急流的水汽輸送作用對(duì)降水的增強(qiáng)和雨雪帶的南壓有影響。

1月底的過(guò)程中低層水汽匯合時(shí)段為26—28日，匯合區(qū)自北向南逐漸移動(dòng)，這與環(huán)流場(chǎng)上風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)，隨著北風(fēng)南壓，冷暖氣流的交匯區(qū)逐漸南移（圖2c）。低層水汽通量也在26—28日出現(xiàn)大值中心，這與該時(shí)段內(nèi)西南急流的加強(qiáng)有關(guān)，隨著冷空氣南下和西南急流的加強(qiáng)，水汽通量明顯增加，中心值超過(guò)0.016 g/（cm·hPa·s），大值區(qū)也呈南北帶狀分布（圖2d），表現(xiàn)出了西南急流的水汽輸送作用，為雨雪過(guò)程提供了有利的水汽條件。

圖2 低層水汽通量散度［a、c，單位：10-5 g/（cm2·hPa·s）］和水汽通量［b、d，單位：10-3 g/（cm·hPa·s）］沿113°E的時(shí)間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線(xiàn)）

2.2 動(dòng)力條件

分析2次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程中850 hPa經(jīng)向風(fēng)沿113°E的時(shí)間剖面可發(fā)現(xiàn)（圖3），1月初過(guò)程有強(qiáng)盛的冷空氣與之伴隨（圖3a），2—3日冷空氣中心位于湖南省北部，偏北風(fēng)達(dá)到10 m/s以上，隨著時(shí)間的推移，冷空氣逐漸南壓并影響整個(gè)湖南省，偏北風(fēng)中心也逐漸南移，5日晚上位于湘中地區(qū)。同時(shí)5日開(kāi)始低層的西南氣流明顯加強(qiáng)，加強(qiáng)的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團(tuán)交匯于湖南省中北部，風(fēng)場(chǎng)輻合十分明顯，風(fēng)速梯度也顯著加強(qiáng)，造成湘中以北雨雪天氣。而1月底過(guò)程也有強(qiáng)盛的冷空氣與之伴隨（圖3c），27日偏北風(fēng)更為強(qiáng)盛，可達(dá)12 m/s，攜帶冷空氣向南發(fā)展并影響整個(gè)湖南省，偏北風(fēng)中心也逐漸南移。加強(qiáng)的偏南氣流與北方南下的冷空氣相遇，冷暖氣團(tuán)的交匯和風(fēng)場(chǎng)的輻合造成省內(nèi)大范圍的雨雪天氣。

這里定義T26為25°—27°N、109°—114°E范圍內(nèi)的平均溫度，T30為29°—31°N、109°—114°E范圍內(nèi)平均溫度，T26和T30之差即表征湖南省范圍的鋒區(qū)強(qiáng)度。從鋒區(qū)的演變可以看出，1月初過(guò)程中（圖3b）平均鋒區(qū)的位置基本位于800～900 hPa，強(qiáng)度在4日有明顯的加強(qiáng)，與經(jīng)向風(fēng)的變化以及冷空氣的南下相對(duì)應(yīng)。而1月底過(guò)程中（圖3d）平均鋒區(qū)的位置基本也處于800～900 hPa，強(qiáng)度較強(qiáng)并持續(xù)，與持續(xù)存在的偏北風(fēng)相對(duì)應(yīng)。

圖3 850 hPa經(jīng)向風(fēng)（a、c，單位：m/s）沿113°E的時(shí)間剖面（紅色方框表示湖南省南北界線(xiàn)）和湖南省區(qū)域平均鋒區(qū)強(qiáng)度（b、d，單位：℃）時(shí)間剖面

綜上分析，2次低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程的風(fēng)場(chǎng)變化和動(dòng)力條件存在較為明顯的差異，1月初的過(guò)程冷空氣相對(duì)較淺薄，暖空氣沿著淺薄的冷墊爬升，850 hPa經(jīng)向風(fēng)以南風(fēng)為主，偏北風(fēng)位于850 hPa之下，明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合也出現(xiàn)在較低層；1月底的過(guò)程冷空氣相對(duì)較深厚，850 hPa上就表現(xiàn)出了較強(qiáng)的南北風(fēng)輻合和冷暖氣流交匯，相比1月初的過(guò)程，其更有利于低溫雨雪冰凍過(guò)程的增強(qiáng)和持續(xù)。

2.3 熱力條件

假相當(dāng)位溫是體現(xiàn)溫度、氣壓、濕度等的綜合物理量，其時(shí)間演變圖顯示出了地面鋒區(qū)的位置和結(jié)構(gòu)，圖4給出了2次低溫雨雪冰凍過(guò)程發(fā)生較強(qiáng)時(shí)刻4日和27日假相當(dāng)位溫的垂直剖面。從圖4a可以看出，4日8時(shí)假相當(dāng)位溫剖面上存在明顯的等線(xiàn)密集區(qū)，向底層伸展到600 hPa，并隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，說(shuō)明有冷空氣不斷從北邊侵入，冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，地面鋒區(qū)位于25°N附近。而27日8時(shí)的假相當(dāng)位溫剖面上也存在明顯的等線(xiàn)密集區(qū)，向底層伸展到700 hPa，地面鋒區(qū)位于23°N附近（圖4b）。2次過(guò)程在近地面的鋒區(qū)坡度均明顯增大，等位溫線(xiàn)甚至接近垂直，均有利于鋒區(qū)的加強(qiáng)和冰凍雨雪天氣的發(fā)生。

圖4 4日8時(shí)（a）和27日8時(shí)（b）的假相當(dāng)位溫沿113°E的垂直剖面（單位：K）

2次低溫過(guò)程的主要差異還表現(xiàn)在冷空氣強(qiáng)度和降溫情況上，這也是1月底冷空氣過(guò)程造成全省范圍內(nèi)嚴(yán)重雨雪冰凍的根本原因。從區(qū)域平均溫度、氣壓演變可以看出（圖5），1月底過(guò)程的冷空氣強(qiáng)度明顯強(qiáng)于月初的過(guò)程，1月初過(guò)程區(qū)域溫度的降幅在10℃以?xún)?nèi)，低層和地面的最低溫度并未降到0℃，最高氣壓也在1 030 hPa以下；而1月底過(guò)程的溫度降幅較為明顯，超過(guò)10℃，最低溫度在0℃以下，28日晚850 hPa的氣溫達(dá)到-8℃，26日之后地面氣壓基本維持在1 030 hPa附近。這種強(qiáng)盛冷空氣影響，帶來(lái)氣溫驟降、氣壓急升在1月底過(guò)程中表現(xiàn)得十分明顯，同時(shí)也造成了全省大范圍的冰凍天氣。

圖5 湖南省區(qū)域平均（108—115°E，25—30°N）的海平面氣壓（SLP）、850 hPa溫度（850-T）以及地面氣溫（surface-T）的演變

2.4 層結(jié)條件

分別選取代表純雪、凍雨、雨的代表站點(diǎn)4日20時(shí)的探空曲線(xiàn)分析，常德出現(xiàn)純雪（圖6a），顯示地面溫度在0℃以下，800 hPa附近有逆溫存在，700 hPa有較強(qiáng)的急流，850 hPa以下均為偏北氣流，冷墊深厚，低層有弱輻合，冷暖氣流交匯，有利于純雪的產(chǎn)生。長(zhǎng)沙附近出現(xiàn)凍雨，由該時(shí)刻探空曲線(xiàn)（圖6b）可以看出，950～800 hPa存在明顯的逆溫層，800～700 hPa有一融化層，850 hPa以下溫度基本低于0℃，形成了凍結(jié)層，低層偏北冷空氣相對(duì)淺薄，但也存在冷暖空氣的交匯和輻合，這有利于該地區(qū)凍雨的形成。懷化探空曲線(xiàn)（圖6c）也表現(xiàn)出了與長(zhǎng)沙站類(lèi)似的逆溫層和融化層，但在融化層之下的凍結(jié)層過(guò)于淺薄，只在900 hPa附近出現(xiàn)了小于0℃的淺薄凍結(jié)層，所以最終懷化站實(shí)況上沒(méi)有明顯的凍雨，而是以降雨現(xiàn)象為主。郴州（圖6d）附近600 hPa以下的溫度皆高于0℃，實(shí)況上表現(xiàn)為降雨。

圖6 4日20時(shí)常德（a）、長(zhǎng)沙（b）、懷化（c）和郴州（d）探空?qǐng)D

3 雷達(dá)回波分析

1月27日22時(shí)至28日凌晨，湘中以北下雪的同時(shí)出現(xiàn)了雷暴，稱(chēng)之為雷打雪現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，27日20時(shí)湘中以北處于冷鋒后部，地面至925 hPa為深厚冷墊，700 hPa西南急流發(fā)展旺盛，為26 m/s，850 hPa處于偏北風(fēng)控制，900～800 hPa有逆溫存在（圖7a），同時(shí)在925 hPa和850 hPa有輻合抬升，700～500 hPa飽和假相當(dāng)位溫差為-0.92℃，850～500 hPa飽和假相當(dāng)位溫差為-32.4℃，接近穩(wěn)定（圖7b），不利的條件是CAPE值小，這些特征表明此次過(guò)程為高架雷暴。從常德雷達(dá)資料進(jìn)行分析可知（圖7c、圖7d），在凌晨1：52左右，對(duì)應(yīng)的組合反射率因子為35 dBZ，基本達(dá)到了對(duì)流回波的強(qiáng)度，回波呈帶狀排列，回波頂高大部分為6～7 km，反射率因子較強(qiáng)處回波頂高增強(qiáng)至7～8 km，對(duì)應(yīng)的速度圖上S特征明顯，也表現(xiàn)出一定的輻合特征。

圖7 28日1：52常德站探空?qǐng)D（a）、垂直位溫（b）、0.5°仰角徑向速度（c）和組合反射率因子（d）

4 小結(jié)

本研究從天氣學(xué)角度，對(duì)比分析了2018年1月2次湖南省低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程的成因，揭示了2次過(guò)程強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間差異的原因，同時(shí)為提高南方低溫雨雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和精細(xì)化程度提供有益的思路和方法，主要結(jié)論如下。

1）2018年1月2次低溫雨雪冰凍過(guò)程較復(fù)雜，過(guò)程期間出現(xiàn)了多種災(zāi)害性天氣，包括雷暴、暴雪、偏北大風(fēng)、強(qiáng)降溫及凍雨。

2）2018年1月24—31日過(guò)程比3—8日過(guò)程范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這主要是與動(dòng)力條件和熱力條件存在差異有關(guān)。

3）500 hPa鋒區(qū)、冷中心強(qiáng)度、850 hPa冷平流強(qiáng)度、地面冷高壓的強(qiáng)度及其前沿的氣壓梯度對(duì)初步判斷冷空氣的強(qiáng)度有較好的指示意義，而700 hPa濕度和溫度層結(jié)對(duì)雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換均很關(guān)鍵。

4）指出了1月27日晚湘中以北是高架雷暴下產(chǎn)生的雷打雪天氣現(xiàn)象。

5）提前預(yù)報(bào)、及時(shí)預(yù)警是天氣預(yù)報(bào)工作的關(guān)鍵，針對(duì)低溫雨雪冰凍過(guò)程，明確雨雪分界線(xiàn)及轉(zhuǎn)換時(shí)間，做到精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警，開(kāi)展過(guò)程跟蹤服務(wù)十分關(guān)鍵，但是目前預(yù)報(bào)技術(shù)手段還不能完全達(dá)到所需的精細(xì)化程度，氣象部門(mén)還需不斷加強(qiáng)氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警能力的建設(shè)，同時(shí)及時(shí)總結(jié)極端天氣事件的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。