湖北省1954/2008年歷史罕見持續(xù)低溫冰雪過程對(duì)比分析＊

李才媛,郭英蓮,王海燕,王繼竹,李銀娥

(武漢中心氣象臺(tái),湖北武漢 430074)

0 引言

1954年12月26 日-1955年1月18日(簡(jiǎn)稱“54年冬”),湖北省遭遇了持續(xù)24 d之久的歷史罕見低溫冰雪天氣過程,期間,省內(nèi)大部分地區(qū)日平均氣溫維持在0℃以下,積雪一般在10 cm以上;武漢日平均氣溫低于0℃的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23 d,最大積雪深度為32 cm。武漢和周邊縣、市出現(xiàn)的雨凇持續(xù)15 d以上?！?4年冬”出現(xiàn)的嚴(yán)重低溫冰雪災(zāi)害使湖北省的工農(nóng)業(yè)及人民生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失[1]。運(yùn)用多指標(biāo)綜合指數(shù)的技術(shù)方法評(píng)價(jià)“54年冬”為歷史上最強(qiáng)的一次持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害極端氣候事件,大約120年一遇[2]。

2008年1月13 日-2月3日(簡(jiǎn)稱“08年初”),持續(xù)22 d,湖北省再次出現(xiàn)了自1954年以來最嚴(yán)重的一次低溫冰雪災(zāi)害,為70年一遇[2]。此過程造成的經(jīng)濟(jì)損失比“54年冬”有過之而無不及。

對(duì)“08年初”出現(xiàn)的歷史罕見持續(xù)低溫冰雪災(zāi)害,眾多氣象工作者,其中包括湖北省氣象科技人員,進(jìn)行了較全面的分析研究[3-9],但對(duì)于“54年冬”,可能由于當(dāng)年資料、技術(shù)等局限,可參考的文獻(xiàn)不多。本項(xiàng)工作利用常規(guī)天氣圖資料和EC、NCEP數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,應(yīng)用天氣學(xué)和波譜分析方法,對(duì)“54年冬”出現(xiàn)的持續(xù)低溫雨雪天氣的大氣環(huán)流、物理量譜進(jìn)行了分析,并與“08年初”過程進(jìn)行了對(duì)比,得出了一些有意義的異同點(diǎn)結(jié)論,無疑可提高對(duì)此類災(zāi)害天氣的認(rèn)識(shí)、提高其預(yù)測(cè)能力。

1 天氣氣候概況

1.1 前期天氣實(shí)況

“54年冬”過程前期,即1954年12月9-22日,湖北省長(zhǎng)達(dá)14 d基本無雨,溫度偏高。在2007年12月29-2008年1月9日,也就是“08年初”過程的前期,湖北省也出現(xiàn)了12 d的無雨天氣,全省日平均氣溫偏高0.5～1.5℃。

1.2 天氣過程簡(jiǎn)述

1954年12月23 日湖北省自西向東降雨發(fā)展,24-25日鄂北雨轉(zhuǎn)雪,26日鄂南也轉(zhuǎn)為雨雪天氣,自26日起,湖北大部日平均氣溫下降到0℃以下,低溫冰雪過程開始,一直到1955年1月19日湖北大部的日平均氣溫才回升到0℃以上,過程結(jié)束。

“54年冬”過程分為兩個(gè)階段,1954年12月26日-1955年1月4日為第1階段,1955年1月5-18日為第2階段?！?4年冬”的降雪天氣集中在第1階段,其中27-31日為區(qū)域性的暴雪。圖1所示為武漢測(cè)站降雪量分布,可看到28-30日降雪量超過15 mm,最大18.8 mm(30日)。由于氣溫低,積雪難以融化,湖北省大部出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間積雪,如武漢1955年1月2日積雪深度高達(dá)32 cm。在“54年冬”第2階段,湖北省基本無降水,但繼續(xù)維持低溫冰凍天氣。圖2所示為武漢測(cè)站“54年冬”過程中日平均氣溫變化情況,可見此期間武漢測(cè)站的平均氣溫除14日(0.2℃)外均在0℃以下,5日達(dá)-9.2℃,這日最低氣溫為-14.6℃,均為“54年冬”過程中的極端最低氣溫。

“08年初”過程由4次降水過程組成,分別為1月11-15日、1月18-22日、1月25-28日、1月30日-2月1日,前3次過程均出現(xiàn)了全省性的強(qiáng)降雪,其中武漢市出現(xiàn)了大到暴雪,27日雪量最大,為10.3 mm,最大積雪深度為27 cm(28日),僅次于1954年12月31日的30 cm和1955年1月2日的32 cm。在“08年初”過程中,武漢測(cè)站的最低日平均氣溫為-2.7℃(15日),極端最低氣溫-5.2℃(29日、30日)。

由上述可見,“54年冬”與“08年初”過程均具有前期降水明顯偏少、氣溫偏高和低溫冰雪持續(xù)久、強(qiáng)度大的氣候特點(diǎn);但“54年冬”的低溫冰凍更強(qiáng),強(qiáng)降雪更集中、強(qiáng)度更大;此外,“54年冬”的階段劃分清晰,“08年初”由多次降水過程組成。

2 天氣形勢(shì)分析

2.1 500 hPa環(huán)流特征分析

從1954年12月26日至1955年1月4日500 hPa高度客觀分析平均場(chǎng)上可見(圖3a),東亞中高緯地區(qū)呈現(xiàn)為一脊一槽徑向環(huán)流形勢(shì)。從北海道、東北平原、蒙古到新疆天山一線為橫槽區(qū);烏拉爾山地區(qū)為阻塞高壓控制;西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高)明顯偏北偏西、強(qiáng)度偏強(qiáng),584 dagpm線的西脊點(diǎn)位于100°E,脊線在17°N附近。受中高緯穩(wěn)定的阻塞形勢(shì)影響,阻高西側(cè)的西風(fēng)急流明顯減弱,分成南北兩支,南支氣流向東向南流動(dòng),與孟加拉灣上空的南支槽和副高西側(cè)的西南氣流匯合,把孟加拉灣、南海的水汽源源不斷地沿東北方向輸送到長(zhǎng)江流域,為降水天氣提供豐沛的水汽條件;而北支氣流則向東北方向流動(dòng),流經(jīng)極地附近后又沿阻高東側(cè)往南流,北支氣流攜帶著極地冷空氣南移,使蒙古地面冷高壓得以加強(qiáng)和維持,并與南支西南暖濕氣流在長(zhǎng)江中下游地區(qū)交匯,造成湖北持續(xù)低溫冰雪天氣。

圖3 500 hPa高度客觀分析平均場(chǎng)(單位:dagpm)

圖3b所示為“08年初”第2次過程的500 hPa高度客觀分析平均場(chǎng),與圖3a比較,可清楚看到兩幅圖具有非常相似的基本環(huán)流特征:①東亞中高緯地區(qū)為一脊一槽環(huán)流形勢(shì),烏拉爾山地區(qū)為高壓脊控制,兩幅圖上的橫槽線近乎平行地位于40°～50°N,只是“54年冬”的橫槽偏南2°～3°N;②在兩幅圖中,由中高緯阻塞形勢(shì)影響下分成的南北兩支急流,具有基本一致的流向和作用;③中低緯為長(zhǎng)波槽區(qū)的緯向環(huán)流形勢(shì),長(zhǎng)江流域環(huán)流較平直;④“54年冬”與“08年初”具有相同的冷空氣源地和水汽來源?！?4年冬”與“08年初”的不同之處:①前者烏山阻高為南北向,中心強(qiáng)度＞564 dagpm;后者烏山阻高為東北—西南向,中心強(qiáng)度僅＞548 dagpm,比前者偏弱16 dagpm左右;“54年冬”阻高兩側(cè)的低壓配置表明“54年冬”的阻塞形勢(shì)更穩(wěn)定;②前者橫槽的低值中心位于蒙古高原,強(qiáng)度＜532 dagpm;后者低值中心在巴爾喀什湖西南方,強(qiáng)度只＜540 dagpm,偏弱約8 dagpm;③“08年初”過程的副高比常年位置偏北偏西,強(qiáng)度偏強(qiáng)[3],但“54年冬”的副高更偏北偏西、更強(qiáng)(圖3a、圖4a)。

圖3a與圖3b中500 hPa高度客觀分析平均場(chǎng)比較結(jié)果表明,“54年冬”第1階段與“08年初”第2次過程具有基本一致的長(zhǎng)波系統(tǒng)背景場(chǎng)、冷空氣源地和水汽來源,但“54年冬”的阻塞形勢(shì)更穩(wěn)定、更強(qiáng),副高更偏北偏西、更強(qiáng),這是“54年冬”過程明顯強(qiáng)于“08年初”的一個(gè)重要條件。

圖4a所示為“54年冬”第2階段500 hPa高度客觀分析平均場(chǎng),從圖中可清楚看到,副高進(jìn)一步加強(qiáng)西伸,584 dagpm線的西脊點(diǎn)伸至近80°E,從菲律賓群島、南海、中南半島到孟加拉灣都為副高控制,切斷了降水區(qū)的水汽供給,湖北降雪結(jié)束。東亞區(qū)中低緯度為明顯的緯向環(huán)流,長(zhǎng)江流域受平直西風(fēng)控制,致使高空中高云密布。在東亞區(qū)中高緯度,由第1階段的徑向環(huán)流轉(zhuǎn)為緯向環(huán)流形勢(shì),從烏山至新疆為弱脊,脊前偏北氣流不斷引導(dǎo)地面冷空氣從華北沿東路南下影響長(zhǎng)江中下游地區(qū),使低溫維持。

2.2 地面冷空氣分析

圖5中顯示,兩次低溫冰雪過程的蒙古地面冷高壓中心位置基本一致,冷空氣路徑均為北偏東?！?4年冬”的高壓中心強(qiáng)度為1 060 hPa,“08年初”為1 048 hPa,弱12 hPa;此外,“54年冬”降雪清楚的第1階段地面平均冷高壓中心強(qiáng)度為1 072 hPa(圖略),而無降雪維持低溫冰凍的第2階段冷高壓中心強(qiáng)度為1 056 hPa(圖4b),兩階段的高壓中心位置無明顯變化,但強(qiáng)度差異還是較大的。

圖4 1955年1月5-18日500 hPa高度和海平面氣壓客觀分析平均場(chǎng)

圖5 海平面氣壓客觀分析平均場(chǎng)(單位:hPa)

以上分析表明,蒙古地面冷高壓是造成低溫的直接影響天氣系統(tǒng)之一[10],為持續(xù)低溫冰雪天氣提供了重要的低層冷空氣條件,其強(qiáng)度變化與低溫冰雪的強(qiáng)弱變化有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

2.3 中、低層風(fēng)場(chǎng)分析

圖6 風(fēng)向風(fēng)速客觀分析平均場(chǎng)(單位:m/s)

在1954年12月28-30日,500 hPa烏山阻高東側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)低渦分裂東移的西北槽與南支槽同位相疊加(圖略),發(fā)展東移,引導(dǎo)地面冷空氣從華北擴(kuò)散南下;700 hPa西南急流明顯加強(qiáng),急流軸位于30°N以南的貴陽(yáng)、芷江一帶,最大風(fēng)速達(dá)16 m/s,湖北大部在急流軸左前方(圖6a),從850 hPa和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(圖6c、a)可以看出,從低層到高層存在順時(shí)針垂直風(fēng)切變,有利于中低層逆溫層生成,并且垂直切變的環(huán)境風(fēng)能提供對(duì)流發(fā)展的能量[11]。此次強(qiáng)降雪天氣是“54年冬”過程中降水最明顯的時(shí)段,主要影響天氣系統(tǒng)是500 hPa南支槽發(fā)展東移、地面冷空氣、700 hPa西南急流輸送的暖濕空氣和850 hPa偏東氣流。

2008年1月25 -28日是“08年初”過程中降雪最強(qiáng)的時(shí)段,圖6b、d給出了這個(gè)時(shí)段700 hPa和850 hPa的平均風(fēng)場(chǎng)。從圖中可看到,700 hPa強(qiáng)勁的西南急流和850 hPa的偏東氣流與圖6a、c中的風(fēng)場(chǎng)相似,主要的差別在風(fēng)速上。

因此,在持續(xù)低溫冰雪過程中,雨雪天氣的發(fā)展、加強(qiáng),通常與中低層暖濕氣流的發(fā)展加強(qiáng)有關(guān)。低空急流通過低層暖濕平流的輸送產(chǎn)生位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié),在急流最大風(fēng)速中心的前方有明顯的水汽輻合和質(zhì)量輻合或者強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),在急流軸的左前方是正切變渦度區(qū),有利于對(duì)流活動(dòng)發(fā)生,有利于強(qiáng)降水發(fā)生、持續(xù)。

2.4 大氣層結(jié)分析

以武漢站為代表,分析1954年12月26日-1955年1月18日大氣層結(jié)變化(圖略)。12月25日武漢測(cè)站850 hPa的溫度下降到0℃以下,并與700 hPa溫度相等,本站降水性質(zhì)由雨轉(zhuǎn)雪。26日至次年1月2日,該站850～700 hPa連續(xù)8 d存在明顯的逆溫,維持中層暖、下層冷的層結(jié),逆溫強(qiáng)度平均約為5.3℃,最強(qiáng)為7℃,從1月3日開始逆溫層消失,降雪減弱漸止,“54年冬”的第1階段結(jié)束。在“54年冬”的第2階段,850 hPa溫度維持在0℃以下,最低時(shí)達(dá)-12℃,氣溫隨高度上升而下降。

在2008年1月12日到2月1日武漢均持續(xù)保持中層暖、下層冷的層結(jié),850～700 hPa有明顯的逆溫層,逆溫強(qiáng)度平均達(dá)4.0℃,最強(qiáng)為11℃,2月2日開始逆溫層消失。由此可見,“08年初”過程的大氣層結(jié)與“54年冬”的第1階段非常相似。

3 波譜分析

在研究大尺度大氣運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制時(shí),需要考慮大氣中各種物理量(能量)變化,討論不同尺度波動(dòng)在大氣物理量輸送和轉(zhuǎn)換中所起的作用,一般采用波譜分析方法,即利用環(huán)流資料進(jìn)行各種物理量譜分析,其中經(jīng)、緯向擾動(dòng)動(dòng)能譜、角動(dòng)量輸送譜是常用參數(shù)[12]。

3.1 經(jīng)、緯向擾動(dòng)動(dòng)能分析

經(jīng)向擾動(dòng)動(dòng)能(簡(jiǎn)稱經(jīng)向動(dòng)能)的大小與經(jīng)向風(fēng)的強(qiáng)弱有關(guān),緯向擾動(dòng)動(dòng)能(簡(jiǎn)稱緯向動(dòng)能)與兩緯圈間東西風(fēng)的強(qiáng)弱相聯(lián)系。因此,大型環(huán)流形勢(shì)的調(diào)整轉(zhuǎn)換必然會(huì)引起經(jīng)、緯向動(dòng)能的明顯變化。

3.1.1 經(jīng)向動(dòng)能

圖7中的點(diǎn)直線為500 hPa 50°N經(jīng)向動(dòng)能(1～6波總值)變化曲線。從圖7a中可看到,在“54年冬”過程第1階段初期,50°N經(jīng)向動(dòng)能劇增、猛減,在其劇烈變化的同時(shí),500 hPa中高緯經(jīng)向環(huán)流發(fā)展,烏山阻高建立,降水天氣開始;冰雪天氣持續(xù)期間,經(jīng)向動(dòng)能變化平穩(wěn)。1955年2月4日前后,隨著經(jīng)向動(dòng)能的一次弱調(diào)整,降雪天氣結(jié)束,“54年冬”的第2階段開始。這段時(shí)期,經(jīng)向動(dòng)能穩(wěn)定,能量較弱,此時(shí),500 hPa中高緯經(jīng)向環(huán)流轉(zhuǎn)為緯向環(huán)流控制。

從圖7b中可看到,“08年初”過程開始前,50°N經(jīng)向動(dòng)能明顯增強(qiáng),冰雪期間維持高能量,而降水結(jié)束時(shí),經(jīng)向動(dòng)能急速減小,這反映了500 hPa高度場(chǎng)的中高緯地區(qū)阻塞形勢(shì)的變化趨勢(shì)。

3.1.2 緯向動(dòng)能

圖7中的實(shí)線為30°N緯向動(dòng)能(1～6波總值)變化曲線。從兩幅圖中可見,“54年冬”與“08年初”兩次低溫冰雪期間,30°N緯向動(dòng)能均呈波動(dòng)狀,與500 hPa 30°N附近高度場(chǎng)維持較平直緯向環(huán)流相對(duì)應(yīng)。其中,“54年冬”的第1階段由一次緯向動(dòng)能的強(qiáng)弱變化完成,第2階段由兩次強(qiáng)弱變化組成;“08年初”的四次過程與緯向動(dòng)能的四次強(qiáng)弱變化基本一致。

圖8為“54年冬”與“08年初”兩次低溫冰雪期間及前后緯向動(dòng)能在不同緯度的變化。從兩幅圖中可見,持續(xù)冰雪開始前四五天內(nèi),高緯或低緯會(huì)有緯向動(dòng)能高值中心生成;過程開始后高緯緯向動(dòng)能南移,低緯緯向動(dòng)能北移或先南移后北移;當(dāng)兩者交匯于中緯地區(qū)并穩(wěn)定維持時(shí),過程持續(xù);當(dāng)緯向動(dòng)能高值中心減弱或北跳,過程間歇或結(jié)束。

圖7 經(jīng)、緯向擾動(dòng)動(dòng)能(1～6波總值)的變化(單位:m2/s2)

3.2 角動(dòng)量輸送譜分析

角動(dòng)量輸送譜(簡(jiǎn)稱角動(dòng)量)反映能量的南北輸送,負(fù)值表示向南輸送,正值表示向北輸送。

圖9為“54年冬”與“08年初”兩次過程500 hPa角動(dòng)量(1～6波總值)在中高緯度的變化。從兩幅圖中可見,在25°～35°N主要是向北輸送,強(qiáng)的角動(dòng)量輸送和輻合也集中在這一帶;而在35°～55°N角動(dòng)量輸送趨勢(shì)基本上為負(fù)值,即向南輸送。持續(xù)冰雪開始前,高緯、低緯角動(dòng)量向南輸送,過程開始后,角動(dòng)量均轉(zhuǎn)向北輸送;冰雪天氣結(jié)束時(shí),在中低緯度,角動(dòng)量輸送再次出現(xiàn)明顯變化,其值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值。

經(jīng)、緯向擾動(dòng)動(dòng)能譜、角動(dòng)量輸送譜分析表明,在低溫冰雪天氣發(fā)生、持續(xù)和結(jié)束時(shí),中高緯度、中低緯度能量譜強(qiáng)度、輸送和轉(zhuǎn)換有明顯的變化,并且與天氣系統(tǒng)的變化相對(duì)應(yīng)。

圖8 緯向擾動(dòng)動(dòng)能(1～6波總值)的時(shí)空分布(單位:m2/s2)

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)比分析“54年冬”與“08年初”兩次歷史罕見持續(xù)低溫冰雪過程,得知:兩次過程的前期均出現(xiàn)了降水明顯偏少、氣溫偏高的天氣情況;兩次過程具有基本一致的長(zhǎng)波系統(tǒng)背景場(chǎng)、水汽條件、地面冷空氣條件以及中低層暖濕氣流發(fā)展加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)降水的作用;在低溫冰雪過程中,探空曲線維持“中暖下冷”層結(jié),850～700 hPa存在明顯逆溫層。在兩次持續(xù)低溫冰雪過程期間,中高緯度、中低緯度能量譜強(qiáng)度、輸送和轉(zhuǎn)換有明顯的變化,并且與天氣系統(tǒng)的變化相對(duì)應(yīng)。但是,兩次天氣過程的表現(xiàn)形式是不同的:“54年冬”過程分為兩個(gè)階段,降雪天氣、強(qiáng)降雪集中在第1階段;“08年初”過程由4次降水過程組成,前3次過程均出現(xiàn)了全省性的強(qiáng)降雪。此外,“54年冬”過程的500 hPa阻高、低渦、副高和地面冷高壓等主要影響系統(tǒng)的強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于“08年初”。

圖9 角動(dòng)量時(shí)空分布(單位:108J·hPa-1)

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