２０１８年湖南省東北部兩次強降雪過程對比分析

尹依雯　蔣帥　許麗麗　昌立偉

摘要：利用NCEP/NCAR再分析資料和氣象觀測站資料，對湖南省2018年兩次強降雪天氣過程進行對比研究。結(jié)果表明，兩次強降雪過程均在500 hPa“Ω”型環(huán)流形勢下發(fā)生，但中低層環(huán)流形勢差異明顯。第一次過程（2018年1月24—31日）中低層存在切變線，水汽條件較好，冷空氣從近地面層鍥入，暖濕空氣被迫抬升;第二次過程（2018年12月28日至2019年1月3日）降雪前850 hPa至地面已經(jīng)形成強盛穩(wěn)定的冷墊，暖濕氣流沿冷墊爬升;強降雪落區(qū)位于水汽通量大值區(qū)軸線的左側(cè)且與強輻合中心重疊，但是水汽條件差異較大。通過拉格朗日氣塊追蹤方法發(fā)現(xiàn)造成兩次強降雪天氣過程水汽差異的主要原因是水汽的來源不同，第一次過程水汽主要來源于高壓底部經(jīng)黃海和東海變性增濕后回流的空氣和阿拉伯海，第二次主要源于中南半島源地和印度半島源地。兩次過程都存在假相當位溫線的密集帶，地面鋒區(qū)維持在22°N附近。相比第一次過程而言，第二次過程鋒面坡度高于第一次，暖濕空氣沿冷墊爬升明顯，有利于低層氣旋性渦度增大，使得濕度、相對渦度、垂直運動等物理量在強降雪開始前12 h有明顯向上延伸的特點，對預(yù)報具有先兆性指示意義。

關(guān)鍵詞：強降雪;環(huán)流形勢;水汽;假相當位溫;湖南省東北部

中圖分類號：P458? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）03-0058-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.012

Comparative analysis of two strong snowstorms in the northeast of

Hunan province in 2018

YIN Yi-wen，JIANG Shuai，XU Li-li，CHANG Li-wei

（Yueyang Meteorological Service，Hunan Province，Yueyang 414000，Hunan，China）

Abstract： Based on the NCEP/NCAR reanalyzed data and the conventional observational meteorological observing station data， two strong snowstorms in Hunan province in 2018 were comparatively analyzed. The results showed that both snowstorms were caused in "Ω" circulation situation at 500 hPa， but there was a significant difference in the middle-low atmosphere. The first process （January 24 to 31， 2018） had a shear line and a good vapor condition， and the warm and wet air were forced to climb， because the cold air wedged in from the near ground. In the second process （December 28， 2018 to January 3， 2019）， a strong and stable cold pad had been formed before the snow， and the warm and wet air climbed along the pad at 850 hPa. The snowstorm areas were located in the left side of the large water vapor flux area and near the vapor flux divergence center. The main reason for the difference of water vapor is the different sources of water vapor by the Lagrange air parcel tracking method. The water vapor in the first process mainly came from humidified northerly backflow which through the Yellow Sea and the East China Sea from the bottom of the high pressure and the Arabian Sea， the second process was from Indo-China peninsula and India peninsula. The two processes both had pseudo-equivalent potential temperature intensive zone and the surface front zone near the 22° N. The slope of the second process was higher than that of the first process and the wet air climb obviously， which caused the low-level cyclonic vorticity increases， and the relative humidity， the relative vorticity and vertical movement extend upward significantly at 12 hours before the start of heavy snowstorm， which has precursory significance for the prediction.

從低層的環(huán)流形勢來看（圖3），兩次過程均受南支槽前西南暖濕氣流的影響，當南下的冷空氣遇到西南暖濕氣流時，暖濕氣流沿鋒面爬升，成云致雨，但是中低層環(huán)流形勢差異明顯。第一次過程700 hPa急流達24 m/s，湖南省位于急流以及850 hPa切邊線附近，動力條件較好（圖3a、圖3c）;此外，湖南省受850 hPa高壓底部冷空氣回流影響，有利于水汽的輸送。第二次過程湘東北地區(qū)700 hPa急流較第一次過程偏弱，為12 m/s左右，850 hPa受偏東偏北氣流影響為一強盛的冷墊，700 hPa暖濕氣流沿冷墊爬升（圖3b、圖3d）。在溫度方面，第一次過程0位線位置偏北，位于湘中以南地區(qū)，而第二次過程0位線位于湖南省南部邊界附近（圖3），因此第二次過程強降雪范圍較第一次更廣。降雪階段，第一次過程隨著冷空氣的南下，850 hPa溫度與第二次過程相當，在-8 ℃左右;第一次過程700 hPa由于西南暖濕氣流較第二次更加旺盛，導(dǎo)致湘東北700 hPa溫度較第二次偏高2 ℃左右，第一次過程湘東北700 hPa溫度為-2 ℃左右，第二次為-4 ℃左右。

從地面形勢來看（圖略），第一次過程冷中心位于巴湖以北地區(qū)，湖南省受東路轉(zhuǎn)西北路冷空氣的影響，地面氣壓達1 035 hPa，地面冷鋒維持在南嶺一帶。1月30日500 hPa轉(zhuǎn)為槽后偏北氣流控制，地面為冷高壓控制，鋒面南壓入海，天氣轉(zhuǎn)好。第二次過程地面冷高壓位于新疆北部，位置較第一次過程偏東偏南，這與500 hPa阻高的位置偏東相對應(yīng)，冷空氣沿西北路逐步南下影響湖南省，地面氣壓達1 040 hPa。12月31日中高層槽前西南氣流減弱，1月2日白天轉(zhuǎn)為平直的西風氣流控制，氣溫回升，過程趨于結(jié)束。兩次過程影響湖南省的冷空氣不是整體性向南暴發(fā)，而是分股不斷向南擴散，有利于地面冷墊長期維持，形成持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣。

2.3? 物理量診斷分析

為了更加深入地分析兩次過程的差異，將分別從水汽條件、動力條件、熱力條件3方面對這兩次強降雪過程的物理量進行診斷分析。

2.3.1? 水汽條件? 考慮到兩次降雪過程的水汽主要來自700 hPa，因此重點分析700 hPa水汽通量和水汽通量散度。從圖4可以看出，第一次過程在1月26日20∶00全省基本都處于大于12 g/（cm·hPa·s）的水汽通量高值區(qū)中（圖4a），湘東北地區(qū)水汽通量在1月27日8∶00大于20 g/（cm·hPa·s）（圖4b），且一直維持到28日2∶00才開始減弱南壓（圖4c），對應(yīng)實況26日、27日為最強降雪時段，28日隨著水汽的減弱，湘東北地區(qū)降雪逐漸停止;此外，湘東北地區(qū)一直位于強水汽輻合區(qū)，與強降雪落區(qū)一致。第二次過程水汽通量自12月29日20∶00后開始明顯加強，并且湘東北上空輻合開始加強（圖4d），對應(yīng)實況降雪也開始明顯加強;30日2∶00水汽通量大于8 g/（cm·hPa·s），同時水汽輻合也最明顯，輻合高值區(qū)呈東北—西南走向（圖4e），與降雪落區(qū)一致;隨后水汽逐漸向南移動（圖4f），30日下午湘東北降雪停止。

從區(qū)域平均（湘東北：28°—30°N，112°—114°E）的相對濕度隨時間的垂直剖面（圖5）上可以看到，第一次過程相對濕度大于90%的濕區(qū)一直從地面擴展到4 km左右（圖5a），濕度條件較好，這與700 hPa旺盛的西南急流以及850 hPa回流的冷空氣有關(guān)。第二次過程前期12月28—29日白天，850 hPa以下相對濕度較小，這與前面分析的低層冷墊相對應(yīng)，29日晚濕度快速增高，且高濕區(qū)一直延伸到8 km左右，對應(yīng)強降雪階段，30日晚上850 hPa相對濕度又迅速減弱，降雪暫停（圖5b），2019年1月1日白天高濕區(qū)又開始增強至700 hPa以上，對應(yīng)實況為1月1—2日的小雪天氣。

對比兩次過程的水汽條件，發(fā)現(xiàn)降雪與水汽條件對應(yīng)較好，強降雪區(qū)位于水汽通量高值區(qū)軸線的左側(cè)與強輻合中心重疊區(qū)，但是水汽條件有所差異。第一次過程的水汽通量明顯高于第二次，但是強降雪階段濕層厚度卻低于第二次，由此可見，水汽通量的輸送以及濕層的伸展高度對降雪量級起重要作用。

為了進一步研究兩次過程水汽差異的原因，利用美國NOAA開發(fā)的拉格朗日軌跡模式HYSPLIT模擬兩次過程氣塊的來源。因為兩次強降雪過程都發(fā)生在湘東北地區(qū)，因此選取岳陽站（29°23′N， 113°7′E）追蹤水汽軌跡。圖6a為第一次過程1月27日8∶00氣塊軌跡（圖6a下端為水汽軌跡時間-高度圖，橫軸表示水汽軌跡向前追蹤264 h對應(yīng)的時刻，所用時間為世界時，即北京時=世界時+8 h，縱軸表示高度，單位是hPa，起始時間為北京時2018年1月27日8∶00），北方冷空氣沿西北路徑南下，在黃海和東海變性增濕后又沿東路到達850 hPa附近，回流至湘東北（圓形軌跡）;此外，來自阿拉伯海氣塊高度在700 hPa左右，經(jīng)印度半島和孟加拉灣進入湘東北上空（方形軌跡），以上為兩個主要的水汽通道;來自非洲北部的氣塊由西風帶經(jīng)阿拉伯海、孟加拉灣，沿南支槽系統(tǒng)至湘東北地區(qū)（三角形軌跡），考慮到氣塊高度較高，主要位于500 hPa附近，水汽含量較差。圖6b為第二次過程的氣塊軌跡（同6a，起始時間為北京時2018年12月30日2∶00），可知北方干冷空氣塊沿西北路南下（圓形軌跡），并且在12月27日大舉侵入，有利于抬升南方來源的暖濕空氣。另外南方源地有一部分氣塊起源于中南半島經(jīng)由孟加拉灣沿西南路徑輸送至湘東北地區(qū)（三角形軌跡）;另一部分氣塊來自印度半島，經(jīng)由中南半島和南海地區(qū)輸送至湘東北地區(qū)（方形軌跡），以上兩個源地氣塊高度較低，主要位于700～850 hPa，水汽含量豐富。綜上，第一次過程有兩個水汽源地，分別是冷空氣回流的增濕空氣的水汽輸送和來自阿拉伯海的水汽輸送;第二次的水汽源地主要是南方源地，為中南半島源地和印度半島源地。值得注意的是，第二次過程中來自北方源地的氣塊沿著槽前西北氣流南下，在12月28日快速下沉與中低層冷空氣混合后南下，來自南方的氣塊沿冷空氣爬升，這與前面的環(huán)流場分析一致（圖6b）。

2.3.2? 動力條件? 急流不僅帶來充沛的水汽供應(yīng)和動量輸送，同時也大大加強了低層上升運動的形成，為降水的發(fā)生發(fā)展提供動力與熱力條件。第一次過程西南急流強盛且穩(wěn)定少動，急流推進到30°N以北，湖南省位于急流帶上（圖7a）;急流有兩個增強的過程，第一個是1月24日晚，最強風速達到24 m/s，湘東北上空存在明顯的風速輻合區(qū)，配合850 hPa的暖切（圖7c），動力條件轉(zhuǎn)好，但由于溫度層結(jié)條件較差，湘東北地區(qū)僅出現(xiàn)降雨天氣;第二個是從1月26下午開始，風速最大可達28～30 m/s（圖7a），動力條件進一步增強，結(jié)合地面冷空加強，降雪溫度已經(jīng)形成，為純雪天氣，26—27日湘東北地區(qū)出現(xiàn)了大到暴雪。第二次過程12月29日前湘東北地區(qū)700 hPa上空主要受偏西氣流影響（圖7b），動力條件較弱，850 hPa受偏北風控制（圖7d），冷墊維持;700 hPa急流在29日20∶00顯著增強，推進到29°N左右，最大風速達22 m/s，動力條件變好（圖7b），對應(yīng)實況為29日晚至30日白天湘東北地區(qū)出現(xiàn)了大到暴雪。此外2019年1月1日急流開始增強，對應(yīng)1月1日、2日的小雪天氣。兩次過程湘東北地區(qū)都處于700 hPa西南氣流大值風速區(qū)出口左側(cè)，有正切變渦度，有利于輻合上升運動，這與強降雪區(qū)域相對應(yīng)。

垂直運動是成云致雨的關(guān)鍵因素，降水強度一般與中低層的上升運動有關(guān)。從區(qū)域平均的垂直運動高度-時間剖面（負值代表上升運動，負值越大代表上升運動越強;反之，正值代表下沉運動）可以看到，兩次過程強降雪時段均有較強的上升運動，且高度延伸至300 hPa以上（圖8a、圖8b）。并且配合正渦度區(qū)（圖8c、圖8d），利于低層氣旋性環(huán)流的形成，為降雪過程提供重要的動力條件。第一次過程上升運動最強出現(xiàn)在1月27日晚，最大上升速度為0.71 m/s（圖8a），配合相對渦度圖（圖8c）可以看到，700 hPa以下為正渦度區(qū)，這與垂直運動有較好的對應(yīng)關(guān)系。其中25日開始，垂直運動發(fā)展，1 000～850 hPa相對渦度增強，動力條件轉(zhuǎn)好，湘東北地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為純雪或雨夾雪天氣。26日隨著垂直上升運動加強，水汽的輸送、降雪加強。第二次過程垂直運動和正渦度區(qū)都在12月29日白天開始快速向上伸展，動力條件變好，29日晚至30日白天湘東北地區(qū)為大到暴雪天氣，30日晚迅速減弱，對應(yīng)湘東北地區(qū)降雪停止，最大上升速度出現(xiàn)在30日2∶00，為0.54 m/s（圖8b、圖8d）。此外，可以很明顯地看到，在第二次過程中相對濕度、垂直運動、相對渦度有迅速擴展至對流層中高層的特點（圖5b、圖8b、圖8d），這會促使低層暖濕氣流上升， 為強降雪發(fā)生提供了有利的水汽、動力和熱力條件，且這種現(xiàn)象發(fā)生在強降雪前12 h左右，對強降雪預(yù)報具有一定的指示意義。

2.3.3? 熱力條件? 下面將從各層氣溫、假相當位溫以及探空圖對比分析兩次過程的熱力條件。

1）各層溫度。各層的溫度對降雪相態(tài)的變化有著重要的影響，只有各層溫度降到一定程度，云層中才能形成足夠冰晶和雪花并在下落的過程中不會融化。從區(qū)域平均的各層溫度隨時間的演變圖（圖9）可以看出，第一次過程各層溫度整體呈先下降后波動變化的特點，700 hPa由于暖濕空氣強盛，因此溫度起伏不大，在-2～0 ℃波動變化;冷性逆溫層在1月25日開始建立，對應(yīng)實況為湖南省自北向南開始轉(zhuǎn)為純雪。最強降雪時段500 hPa溫度在-12 ℃左右，700 hPa在-1 ℃左右，850 hPa在-6～-3 ℃，925 hPa在-7 ℃左右（圖9a）。第二次過程12月29日2：00之前，各層溫度都在0 ℃以下且溫度隨高度降低，不存在逆溫層，以雨夾雪為主;29日凌晨，隨著700 hPa暖濕氣流發(fā)展，850 hPa冷空氣影響，逆溫層逐步形成，實況為29日白天湘東北地區(qū)先后轉(zhuǎn)純雪;最強降雪時段500 hPa溫度在-15 ℃左右，700 hPa在 -4～-3 ℃，850 hPa在-9～-7 ℃，925 hPa小于-8 ℃（圖9b），這均是有利于出現(xiàn)大到暴雪的溫度層結(jié)。

2）假相當位溫。假相當位溫可以清晰地反映出冷暖氣團交界面的特征。從沿113°E假相當位溫的垂直剖面（圖10）可以看到，兩次過程在20°—25°N存在假相當位溫線密集帶，即冷鋒鋒區(qū);鋒區(qū)隨高度向北傾斜，說明有冷空氣不斷從北部侵入。鋒區(qū)上部是假相當位溫的高值區(qū)，對應(yīng)由南方帶來的沿鋒面爬升的暖濕氣流。此外，兩次過程低層均存在等位溫線與地面接近垂直，說明冷空氣在低層呈楔形侵入湘東北地區(qū)，在20°—25°N形成冷空氣墊，冷墊向北逐漸增厚，有利于暖濕空氣沿冷墊爬升。第二次過程鋒面坡度高于第一次，說明在降雪開始前就已經(jīng)有冷空氣入侵，在低層形成穩(wěn)定的冷墊，暖濕空氣沿冷墊爬升更明顯，更有利于正相對渦度的增加，從而加強低層輻合上升運動和增加暖濕空氣帶來的熱量向上輸送，因此在12月29日高濕區(qū)、上升運動區(qū)、正渦度區(qū)都有迅速向上延伸的特點（圖10b）。

3）探空圖。對比探空圖（圖11）發(fā)現(xiàn)，強降雪階段第二次過程濕層比第一次過程深厚，延伸到6 km，第一次過程濕層位于3～5 km，南部地區(qū)好于北部地區(qū)。兩次過程中低層均存在明顯的逆溫，其中逆溫的性質(zhì)影響了降水的性質(zhì)。第一次過程1月27日8：00武漢站逆溫在700～850 hPa（圖11b），溫度低于0 ℃，沒有融化層，為冷式逆溫，因此對應(yīng)實況為湘東北地區(qū)為純雪;長沙站逆溫層較窄（圖11a），位于850 hPa附近，且溫度高于0 ℃，為暖式逆溫，這樣的層結(jié)有利于凍雨的出現(xiàn)，因此湘北地區(qū)為降雪天氣，在湘中南部地區(qū)以凍雨為主。第二次過程12月30日8：00長沙站和武漢站上空整層溫度都在0 ℃以下（圖11c、圖11d），700～850 hPa為冷式逆溫，因此對應(yīng)實況為29日晚至30日白天湘東北為大到暴雪天氣。此外，兩次過程地面溫度均在0 ℃以下，有利于低溫冰凍天氣的維持。

3? 小結(jié)與討論

本研究通過環(huán)流形勢以及物理量診斷對湖南省東北部兩次強降雪天氣過程進行了對比分析，得到如下結(jié)論。

1）兩次強降雪過程均在500 hPa “Ω”型環(huán)流形勢下發(fā)生，暖脊前偏北氣流帶動冷空氣南下與南支槽前暖濕氣流在長江流域相遇，冷暖氣流勢力相當，造成連續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。不同的是第一次過程伴隨阻高崩潰東亞大槽重建，降溫迅速，且水汽充沛，中低層存在輻合切變，冷空氣從近地面層鍥入，暖濕空氣被迫抬升，觸發(fā)不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生強降雪;第二次過程發(fā)生在阻高不斷發(fā)展的過程中，降雪前850 hPa至地面已經(jīng)形成強盛穩(wěn)定的冷墊，暖濕氣流沿冷墊爬升，再配合有力的水汽及動力條件，產(chǎn)生強降雪。

2）兩次過程強降雪落區(qū)位于水汽通量大值區(qū)軸線的左側(cè)與強水汽輻合中心重疊，相對濕度延伸至4 km及以上，強烈的水汽輻合為強降雪的產(chǎn)生提供了充足的水汽條件，但水汽通量差異較大。通過拉格朗日軌跡模式模擬兩次過程的氣塊來源，發(fā)現(xiàn)造成兩次過程水汽差異的主要原因是因為水汽的來源不同，第一次過程有兩個水汽源地，分別是冷空氣回流增濕空氣的水汽輸送和來自阿拉伯海的水汽輸送;第二次的水汽源地主要是南方源地為中南半島源地和印度半島源地。

3）在動力條件方面，兩次過程湘東北均處于700 hPa低空急流出口左側(cè)，有正切邊渦度，有利于輻合上升運動，地面低層至300 hPa以下為垂直上升運動，并且配合中低層氣旋性環(huán)流正渦度區(qū)，有利于垂直運動的維持和能量的向上輸送，為降雪過程提供重要的動力條件。

4）兩次過程都有有利于降雪的溫度層結(jié)條件，若溫度層結(jié)滿足925 hPa溫度小于-6 ℃、850 hPa小于-3 ℃、700 hPa小于-1 ℃、500 hPa小于-12 ℃，4 km以下均為高濕區(qū)且存在冷式逆溫時，判定重疊區(qū)為降雪區(qū)。其中，當700 hPa小于-3 ℃、850 hPa小于-7 ℃、925 hPa小于-8 ℃且高濕區(qū)一直延伸到8 km左右時，在動力條件較好的情況下配合有利的水汽及動力條件，對判定降雪量也很有指示意義。

5）兩次過程都存在假相當位溫線的密集帶，地面鋒區(qū)維持在22°N附近，鋒面隨高度向冷空氣一側(cè)傾斜，等位溫線與地面接近垂直，暖濕氣流沿鋒面爬升，利于不穩(wěn)定能量的積蓄。第二次過程鋒面坡度高于第一次，暖濕空氣沿冷墊爬升更明顯，更有利于氣旋性渦度增強，從而加強低層輻合上升運動和增加暖濕空氣帶來的熱量向上輸送，因此第二次降雪過程具有歷史短、強度大的特點。同時，這也解釋了強降雪開始前12 h高濕區(qū)、上升運動區(qū)、正渦度區(qū)迅速向上延伸的原因，對預(yù)報具有先兆性指示意義。

6）對比兩次強降雪過程發(fā)現(xiàn)，第一次過程水汽條件較好，第二次過程熱力條件較好。由于第二次過程冷空氣勢力較強，0 ℃線范圍偏南，因此第二次過程降雪范圍大于第一次。

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收稿日期：2019-05-28

基金項目：湖南省氣象局預(yù)報員專項（XQKJ19C008）

作者簡介：尹依雯（1991-），女，江蘇蘇州人，工程師，碩士，主要從事氣候變化研究，（電話）15895540592（電子信箱）364768116@qq.com;

通信作者，蔣? 帥，男，湖南岳陽人，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，（電子信箱）364768116@qq.com。