岳陽市冬季暴雪和一般性降雪條件對比分析

昌立偉 黃海波 許麗麗 李晶 黃卓禹

（1 湖南省岳陽市氣象局，岳陽 414000；2 湖南省湘潭市氣象局，湘潭 411100；3 湖南省婁底市氣象局，婁底 417000）

0 引言

降雪預(yù)報(bào)一直以來都是南方冬季主要的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，尤其是暴雪的預(yù)報(bào)，國內(nèi)進(jìn)行了大量的個(gè)例研究。例如，黃小玉等[1]指出500 hPa低槽不斷帶動(dòng)地面冷空氣南下，使得地面氣溫降為0 ℃以下，中層大氣強(qiáng)盛的西南氣流使得大量水汽不斷向中國大陸輸送，有利于2008年南方暴雪天氣的形成；姚蓉等[2]指出冷暖空氣長時(shí)間交匯產(chǎn)生鋒生強(qiáng)迫，在靜止鋒區(qū)上界形成強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)，是2011年初湖南大范圍持續(xù)暴雪天氣的主要原因；陳紅專等[3]指出700 hPa西南急流的建立和加強(qiáng)為暴雪區(qū)帶來源源不斷的水汽供應(yīng)和不穩(wěn)定能量，持續(xù)而強(qiáng)盛的水汽輸送和水汽輻合對暴雪維持和加強(qiáng)至關(guān)重要；徐雙柱等[4]指出地面冷空氣、700 hPa江南西南急流和500 hPa西風(fēng)帶低槽是決定湖北省冬季大雪的3個(gè)主要天氣系統(tǒng)，700 hPa江南西南急流強(qiáng)弱決定湖北省大雪強(qiáng)度，地面冷空氣強(qiáng)度決定湖北省降溫幅度。也有很多研究[5-12]針對冬季降水相態(tài)進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)分析，但關(guān)于湖南尤其是岳陽的降雪天氣形勢的分析很少。本文試圖根據(jù)歷史個(gè)例，從環(huán)流形勢、物理量特征等方面分析岳陽暴雪與一般降雪的區(qū)別，為日常預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

利用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析資料和常規(guī)氣象觀測資料，對1989—2018年岳陽市近30年的暴雪天氣和一般降雪的氣候特征及其成因進(jìn)行歸納分析，利用統(tǒng)計(jì)平均方法，分析兩種降雪天氣的常規(guī)氣象要素特征和物理量特征，建立岳陽暴雪天氣和一般降雪天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 岳陽市暴雪和一般降雪的氣候特征

南方的降雪天氣不同于北方，降雪發(fā)生時(shí)常常伴隨著雨、冰粒，降水相態(tài)的復(fù)雜變化導(dǎo)致降水量和積雪深度線性相關(guān)較差，所以，對南方降雪的選取標(biāo)準(zhǔn)就不能只考慮降雪量這一個(gè)特征量，還必須同時(shí)考慮積雪深度。根據(jù)國家氣象局降水量級劃分的規(guī)定，24 h內(nèi)降雪量大于10 mm或積雪深度達(dá)8 mm的降雪過程為暴雪。按此標(biāo)準(zhǔn)岳陽市1989—2018年全市共出現(xiàn)了12個(gè)暴雪日，暴雪日均集中在12月下旬和1月中旬后下旬前期；暴雪以下的降雪量級統(tǒng)稱為一般降雪，統(tǒng)計(jì)1989—2018年岳陽市30年共出現(xiàn)113個(gè)一般降雪日，降雪出現(xiàn)日期較分散，最早出現(xiàn)的在11月10日，最晚出現(xiàn)在3月24日。

3 影響岳陽降雪天氣形勢特征

徐雙柱等[4]研究指出湖北冬季的大雪天氣，主要取決地面冷空氣、700 hPa西南急流、500 hPa西風(fēng)帶低槽的變化。岳陽地處湖南的北部與湖北相接，是否具有相同的表現(xiàn)特征，需要進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。利用NCEP/NCAR的逐日再分析資料分析暴雪和一般降雪的環(huán)流形勢是否具有明顯不同的特征。

3.1 500 hPa 環(huán)流特征分析

分析近30年岳陽12個(gè)暴雪樣本和113個(gè)一般降雪樣本的500 hPa平均環(huán)流形勢場（圖1）可以看出，在暴雪環(huán)流形勢中，在中高位緯地區(qū)為一脊一槽型，沿岸大槽南伸至長江中下游以南地區(qū)，槽后的阻塞高壓強(qiáng)度較強(qiáng)，利于槽前強(qiáng)冷空氣的堆積及大舉向南入侵，整個(gè)岳陽處于深槽前影響，564 hPa壓至岳陽地區(qū)；而與之相對應(yīng)的一般降雪，中高緯度地區(qū)也表現(xiàn)為一脊一槽型，但槽脊的強(qiáng)度較暴雪明顯偏弱，岳陽地區(qū)的平均等高線較暴雪偏高4 hPa以上。影響岳陽的低槽也較平直，多表現(xiàn)為小波動(dòng)?？偟膩砜?，暴雪發(fā)生時(shí)，500 hPa中高緯度地區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)的經(jīng)向環(huán)流，槽脊的強(qiáng)度較強(qiáng)，岳陽地區(qū)則表現(xiàn)為明顯的深槽，北側(cè)有強(qiáng)的冷平流的輸送。

圖1 500 hPa平均環(huán)流形勢場（單位：dagpm）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 1 500 hPa average circulation situation field (unit: dagpm)(a) snowstorm, (b) general snowfall

3.2 700 hPa 和850 hPa 環(huán)流特征分析

分析暴雪和一般降雪的樣本中700 hPa的平均風(fēng)場信息（圖2）可以看出，兩者均存在著低空急流，但在暴雪期間700 hPa低空急流從孟加拉灣一直延伸至岳陽地區(qū)，整個(gè)西南急流強(qiáng)度較強(qiáng)，而一般降雪期間，在岳陽的上空及南側(cè)也存在低空急流，但急流的偏西分量略大，且強(qiáng)度偏弱，此外在暴雪期間岳陽北側(cè)為偏北風(fēng)，而一般降雪期間則多表現(xiàn)為偏西風(fēng)。

圖2 700 hPa平均風(fēng)場（單位：m/s，陰影：風(fēng)速＞12 m/s）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 2 Average wind field of 700 hPa (unit: m/s, shadow: wind speed: ＞ 12 m/s)(a) snowstorm, (b) general snowfall

圖3 850 hPa平均風(fēng)場（單位：m/s）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 3 Average wind field of 850 hPa (unit: m/s)(a) snowstorm, (b) general snowfall

分析暴雪和一般降雪的樣本中850 hPa的平均風(fēng)場信息（圖3）可以看出，暴雪期間岳陽上空存在明顯的冷式切變線，有利于強(qiáng)降雪天氣的出現(xiàn)，而一般降雪期間岳陽的上空多為偏東風(fēng)影響。

3.3 地面環(huán)流形勢特征

分析暴雪與一般降雪的平均海平面氣壓場（圖4）可以看出，在暴雪與一般降雪的冷空氣源地均為西伯利亞的中部地區(qū)，其南下影響岳陽地區(qū)均為西北路徑。但從強(qiáng)度來看，暴雪期間冷高壓強(qiáng)度明顯強(qiáng)，其高壓中心的強(qiáng)度為1042.5 hPa，而一般降雪期間冷高壓強(qiáng)度1037.5 hPa，較暴雪天氣偏低5 hPa左右；從冷空氣影響岳陽的強(qiáng)度來看，暴雪期間岳陽1030 hPa線正壓至上空，而一般降雪期間則是1027.5 hPa線，強(qiáng)度較暴雪偏弱。因此從平均環(huán)流形勢場看，暴雪期間冷高壓強(qiáng)度一般在1042 hPa以上，1030 hPa影響岳陽地區(qū)有利于暴雪天氣的出現(xiàn)。

4 影響岳陽降雪的溫度特征分析

4.1 地面氣溫

統(tǒng)計(jì)近30年岳陽暴雪和一般降雪的地面溫度（表1），可以發(fā)現(xiàn)，暴雪期間，全市平均日最高氣溫為1.8 ℃，其中日最高氣溫最大值為5.9 ℃，全市平均日最低氣溫為-1.4 ℃，其中日最低氣溫最大值為0.1 ℃；一般降雪期間，全市平均日最高氣溫為4.3 ℃，其中日最高氣溫最大值為16.6 ℃，全市平均日最低氣溫為0.7 ℃，其中日最低氣溫最大值為3.6 ℃；根據(jù)歷年暴雪和一般降雪的地面統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，暴雪發(fā)生期間全市地面氣溫均要降至0 ℃左右，而一般降雪天氣發(fā)生時(shí)地面最高氣溫可維持在0 ℃以上，甚至是超過10 ℃，地面最低氣溫也可維持在0 ℃以上。

4.2 垂直溫度層結(jié)

圖4 平均海平面氣壓場（單位：hPa）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 4 Mean sea level pressure field (unit: hPa)(a) snowstorm, (b) general snowfall

表1 1989—2018年岳陽市暴雪和一般降雪日氣溫的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical results of daily temperatures ofsnowstorms and general snowfalls in Yueyang from 1989 to 2018

圖5 降雪樣本的各氣壓層氣溫的平均變化曲線（單位：℃，實(shí)線為暴雪，虛線為一般降雪）Fig. 5 Average variation curve of air temperature in each pressure layer of snowfall sample (unit:℃, solid line is snowstorm, dotted line is general snowfall)

根據(jù)上述的統(tǒng)計(jì)分析，除了絕大多數(shù)的暴雪天氣地面氣溫為0 ℃以下，對于一般降雪天氣并不都在0 ℃以下，因此要發(fā)生水汽的凝結(jié)現(xiàn)象，則多表現(xiàn)在高空；統(tǒng)計(jì)分析暴雪和一般降雪樣本的垂直溫度層結(jié)（圖5）可以看出，暴雪期間各層溫度均低于0 ℃，700 hPa溫度為-6 ℃左右 ，850 hPa溫度為-5 ℃左右，近地面的溫度維持在-2 ℃左右；而一般降雪期間，中層以上也表現(xiàn)為較明顯的冷層，700 hPa溫度為-2 ℃左右，850 hPa溫度為-1 ℃左右，近地面的溫度維持在1 ℃左右，因此在中低層暴雪各層的溫度整體較一般降雪偏低3 ℃以上，此外從中低層的探空曲線可以看出，在暴雪和一般降雪期間，925～700 hPa溫度遞減率很小，表現(xiàn)一定等溫或逆溫層結(jié)。

5 影響岳陽降雪的物理量特征分析

5.1 水汽條件

水汽是降雪的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以水汽的分布也是形成降雪的重要因素之一。下面分別從暴雪和一般降雪的樣本中平均水汽通量和水汽通量散度等來分析兩者的異同點(diǎn)。700 hPa西南水汽的輸送作為冬季降雪的水汽輸送主要來源，分析該層暴雪與一般降雪的水汽通量及散度（圖6）可以看出：暴雪期間，岳陽處于強(qiáng)盛的反氣旋環(huán)流水汽輸送的西北側(cè)，有來自于洋面的源源不斷地水汽向岳陽上空輸送且伴隨強(qiáng)的水汽通量輻合，多年暴雪平均水汽通量值達(dá)6×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，和明顯的負(fù)的水汽通量散度值；在一般降雪期間，洋面也表現(xiàn)出水汽的反氣旋式旋轉(zhuǎn)，但岳陽處于反氣旋環(huán)流的北側(cè)，整個(gè)湖南西部的地區(qū)表現(xiàn)明顯的輻散區(qū)，岳陽上空的水汽輻合也偏弱。

5.2 動(dòng)力條件

圖6 700 hPa水汽通量和水汽通量散度（等值線和風(fēng)桿為水汽通量，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1，陰影為水汽通量散度，單位：10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 6 700 hPa water vapor flux and water vapor flux divergence (contour line and wind bar are water vapor flux in 10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1, and the shadow is water vapor flux divergence in 10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)(a) snowstorm, (b) general snowfall

圖7 沿著113°E垂直速度和經(jīng)向環(huán)流（單位：10-2 hPa·s-1）（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 7 Vertical velocity and meridional circulation (unit: 10-2 hPa·s-1) along 113°E(a) snowstorm, (b) general snowfall

垂直運(yùn)動(dòng)使水汽冷卻凝結(jié)，是產(chǎn)生降雪的重要條件。分析岳陽上空暴雪與一般降雪的平均垂直速度的經(jīng)向剖面可以發(fā)現(xiàn)，暴雪發(fā)生時(shí)（圖7a），岳陽上空的垂直速度的大值區(qū)集中對流層中層附近，上升運(yùn)動(dòng)伸展高度較高；而一般降雪時(shí)（圖7b），雖然也表現(xiàn)出一定的上升運(yùn)動(dòng)，但強(qiáng)度較暴雪偏弱，上升運(yùn)動(dòng)的伸展高度較暴雪偏低；此外在近地面附近，暴雪時(shí)表現(xiàn)強(qiáng)的偏北氣流的侵入，利于中層暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升，利于地面的降溫和降雪天氣的持續(xù)；而一般降雪時(shí)近地面的偏北風(fēng)較弱，不利于產(chǎn)生系統(tǒng)性的上升運(yùn)動(dòng)。

另外分析岳陽暴雪和一般降雪的散度空間分布（圖8）可以看出，暴雪時(shí)，表現(xiàn)出明顯的低層負(fù)散度，高層正散度分布，低層負(fù)散度值達(dá)到-5×10-5s-1；而一般降雪時(shí)雖然也表現(xiàn)出一定的低層負(fù)散度，高層正散度分布，但強(qiáng)度較暴雪要偏弱。

6 結(jié)論

利用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析資料和常規(guī)氣象觀測資料，對1989—2018年岳陽市近30年的暴雪天氣和一般降雪的氣候特征及其成因進(jìn)行歸納分析，結(jié)果表明：

1）岳陽平均每年出現(xiàn)0.4個(gè)暴雪日，暴雪日均集中在12月下旬和1月中旬后下旬前期；平均每年出現(xiàn)3.8個(gè)一般降雪日，降雪出現(xiàn)日期較分散；在暴雪時(shí)日最低氣溫普遍在0 ℃以下，僅有一次暴雪的日最低氣溫在0 ℃以上（為0.1 ℃），而一般降雪時(shí)，地面溫度明顯高于暴雪天氣，其平均日最低氣溫在0 ℃以上（達(dá)到0.7 ℃）。

圖8 沿著113°E散度分布（單位：10-5s-1）：（a）暴雪，（b）一般降雪Fig. 8 Distribution of divergence along 113°E (unit: 10-5s-1):(a) snowstorm, (b) general snowfall

2）暴雪發(fā)生時(shí)，岳陽地區(qū)表現(xiàn)為明顯的深槽、700 hPa強(qiáng)盛低空急流和850 hPa明顯的冷式切變線，地面1030 hPa已南壓至岳陽上空；而一般降雪高空環(huán)流平直，一般不存在低空切變線，地面冷空氣強(qiáng)度不強(qiáng)。

3）暴雪期間各層溫度均低于0 ℃，近地面的溫度維持在-2 ℃左右，而一般降雪期間，中層以上也表現(xiàn)為較明顯的冷層，但近地面的溫度維持在1 ℃左右，中低層暴雪的各層的溫度整體較一般降雪偏低3 ℃以上。

4）暴雪時(shí)近地面表現(xiàn)強(qiáng)的偏北氣流的侵入，利于中層暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升，利于地面的降溫和降雪天氣的持續(xù)；而一般降雪時(shí)近地面的偏北風(fēng)較弱，不利于產(chǎn)生系統(tǒng)性的上升運(yùn)動(dòng)，暴雪期間散度、垂直速度和水汽條件等物理量均具有持續(xù)強(qiáng)降水特征。