貴州省近36 a凍雨氣候特征及一次凍雨天氣分析

周 庶，汪衛(wèi)平，丁立國(guó)，嚴(yán) 銳，王 璇

(1.貴州省畢節(jié)市氣象局,貴州 畢節(jié) 551700;2.貴州省氣候中心,貴州 貴陽(yáng) 550002;3.貴州省六盤水市氣象局,貴州 六盤水 553000)

0 引言

貴州省地處云貴高原東北側(cè)，冬季北方冷空氣頻繁南下，冷空氣受高原大地形的阻擋，在西南地區(qū)形成靜止鋒并且長(zhǎng)期維持，配合孟加拉灣暖濕氣流源源不斷輸送的水汽，易導(dǎo)致貴州出現(xiàn)凍雨天氣。由于地理位置和地形特征較為特殊，貴州省凍雨天氣頻繁，并且影響范圍大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。凍雨天氣一旦持續(xù)，會(huì)造成較大危害，如2008年初，我國(guó)南方出現(xiàn)大范圍“低溫雨雪冰凍”天氣造成了嚴(yán)重災(zāi)害[1-3]，因此研究?jī)鲇晏鞖庥兄匾饬x。在凍雨的時(shí)空分布方面，嚴(yán)小冬等[4]分析了1961—2007年貴州省凍雨空間分布特征，借助小波分析和方差分析等探尋凍雨的時(shí)間演變規(guī)律，結(jié)果指出，貴州省凍雨空間分布不均, 主要凍雨區(qū)集中在貴州省西北部及相對(duì)海拔高度較高的地區(qū)；站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果比區(qū)域內(nèi)凍雨實(shí)際強(qiáng)度要弱；貴州省凍雨存在明顯的年際變化和年代際變化；空間分布特征和時(shí)間演變規(guī)律主要受海拔高度、相對(duì)高度、迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡、靜止鋒區(qū)、冷空氣厚度和不同高度冷空氣活動(dòng)等因素的影響。王玥彤等[5]分析了1961—2015年中國(guó)西南地區(qū)96個(gè)氣象臺(tái)站逐日氣象觀測(cè)資料,采用模糊信息分配法分析了我國(guó)西南地區(qū)出現(xiàn)凍雨天氣時(shí)有利氣象要素的變化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)西南地區(qū)出現(xiàn)凍雨天氣時(shí)，該區(qū)域處于低溫，高濕，日照時(shí)間短的天氣條件下；且由于西南地區(qū)隨著氣候變暖溫度升高，濕度減小，冬季凍雨逐年呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。杜小玲等[6]分析了1962—2009年凍雨頻發(fā)地帶的特征，指出，貴州凍雨頻發(fā)地帶是冷暖氣團(tuán)共同影響，在有準(zhǔn)靜止鋒的背景下產(chǎn)生的凍雨天氣是低空有逆溫存在，低空逆溫分布范圍寬廣，逆溫中心出現(xiàn)在貴州中東部和湖南西部之間，對(duì)應(yīng)著凍雨區(qū)域的強(qiáng)中心；杜正靜等[7]分析了2001年1月的滇黔準(zhǔn)靜止鋒在演變過程中的溫濕結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)流特征，指出，凍雨強(qiáng)度與低緯高原地區(qū)獨(dú)有的地理位置、復(fù)雜地形條件以及云貴靜止鋒天氣有密切關(guān)系；許丹等[8]分析了1951—1996年凝凍指數(shù)場(chǎng)的分布特征及時(shí)間系數(shù)的演變規(guī)律，并分析了第一時(shí)間系數(shù)與冬季500 hPa高度的相關(guān)場(chǎng)分布特征，研究指出，重凍雨年與無凍雨年差異最顯著的地區(qū)在歐亞地區(qū)，重凍雨年呈“北高南低”型的距平分布，無凍雨年呈“北低南高”型的距平分布；高紅梅等[9]分析了黔南州50 a來出現(xiàn)的雨凇和凝凍天氣的空間分布、初始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等方面，同時(shí)探究了黔南出現(xiàn)特重級(jí)凝凍和重級(jí)凝凍的500 hPa環(huán)流特征；張嬌艷等[10]利用貴州省逐日雨凇觀測(cè)資料，海平面氣壓場(chǎng)和500 hPa高度場(chǎng)逐月再分析資料，以及逐月海表溫度資料，初步構(gòu)建了貴州省冬季雨凇災(zāi)害預(yù)測(cè)模型，該模型對(duì)冬季雨凇強(qiáng)度的預(yù)報(bào)有一定的參考價(jià)值。

雖然目前延伸期趨勢(shì)預(yù)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但部分地區(qū)仍因凍雨天氣導(dǎo)致重大災(zāi)害。本文分析貴州凍雨發(fā)生時(shí)段及影響區(qū)域等氣候背景，并結(jié)合一次凍雨天氣過程的發(fā)生發(fā)展，分析影響的天氣氣候系統(tǒng)、氣象要素變化情況、大氣層結(jié)狀態(tài)等，對(duì)貴州省凍雨天氣的氣候特征和致災(zāi)特征進(jìn)行診斷分析，以期對(duì)今后的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和服務(wù)更加準(zhǔn)確、更有針對(duì)性。

1 資料來源與處理

文中采用的資料為貴州省1981—2017年10月—次年4月共84個(gè)自動(dòng)站逐日雨凇觀測(cè)資料；2018年1月25日—2月5日常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料，利用線性趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)分析等方法研究了貴州省凍雨天氣的時(shí)空分布特征；分析了2018年1月24日—2月5日的凍雨天氣環(huán)流形勢(shì)及預(yù)警預(yù)報(bào)和服務(wù)重點(diǎn)。

2 貴州凍雨氣候背景分析

2.1 凍雨時(shí)間變化特征

定義全省84站中有1站以上出現(xiàn)凍雨為1個(gè)凍雨日[11]，貴州省近36 a冬半年(10月—次年4月)站點(diǎn)平均凍雨日數(shù)為6.5 d，平均凍雨日數(shù)最多年是2007年，站點(diǎn)平均日數(shù)為19.1 d；其余平均凍雨日數(shù)較高(10～19 d)的年份有1983、2010、1984、2011、1987年等；凍雨頻數(shù)高于平均值的共12 a；凍雨頻數(shù)最少年是2016年(1 d)，凍雨出現(xiàn)范圍小，持續(xù)時(shí)間短。從圖1看出，1983—1988年、2007—2011年是凍雨多發(fā)期，1989—2006年、2012—2016年是凍雨少發(fā)期，其中2007年底—2008年初發(fā)生突變?cè)龆啵瑑鲇昕側(cè)諗?shù)達(dá)到最大值。凍雨頻數(shù)月際變化整體呈拋物線分布(圖1b)，1月凍雨的頻數(shù)最高，全省年平均總站次為253.3次，占全年50.1%，其次是2月占全年28.8%，10月、4月出現(xiàn)概率較小，所占比例不足1%。

圖1 近36 a凍雨平均日數(shù)年變化趨勢(shì)(a)、月變化趨勢(shì)(b)Fig.1 Annual variation trend (a) and monthly variation trend (b) of average days of freezing rain in recent 36 years

2.2 凍雨初(終)日

從近36 a貴州省各站點(diǎn)凍雨出現(xiàn)最早時(shí)間的分布來看(圖2a)，威寧出現(xiàn)凍雨的時(shí)間最早(1981年10月23日)，三都凍雨出現(xiàn)時(shí)間最晚(1984年1月19日)。全省只有威寧站在10月出現(xiàn)過凍雨；11月中旬，貴州省的西部、中部開始大范圍的出現(xiàn)凍雨，在貴州東北部、南部地區(qū)11月下旬開始陸續(xù)出現(xiàn)凍雨。從全省而言，凍雨初日基本上是西部、中部早，東北部、南部遲，由西向東、由中部向南北推遲。

從凍雨結(jié)束最晚時(shí)間分布來看(圖2b)，凍雨最晚結(jié)束是開陽(yáng)(1986年4月16日)，威寧、烏當(dāng)也在4月中旬結(jié)束，最早結(jié)束是沿河(1981年1月27日)。省的中部一線(畢節(jié)南部、水城、貴陽(yáng)中部、黔南北部、黔東南西北部)結(jié)束時(shí)間較晚，省的東北部地區(qū)結(jié)束時(shí)間較早，整體呈現(xiàn)東北部、南部早，西部、中部晚，由東向西、由南北向中部推遲的特征。

圖2 近36 a凍雨初日(a)、終日(b)空間分布Fig.2 The spatial distribution of start date (a) and end date (b) of the freezing rain in recent 36 years

2.3 年平均凍雨日數(shù)及最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間

從凍雨的空間分布來看(圖3a)，省的東西向一線為凍雨的高發(fā)中心，有4個(gè)集中區(qū)域，分別為：威寧、大方、萬山、開陽(yáng)，年平均凍雨日數(shù)為25～46 d；省的東北部及南部年平均凍雨日數(shù)多在0～3 d之間，凍雨出現(xiàn)頻率較低，部分低海拔地區(qū)在近36 a沒有出現(xiàn)過凍雨，如：赤水、望謨、冊(cè)亨、羅甸、荔波。

近36 a水城、納雍、大方、開陽(yáng)、萬山、貴陽(yáng)等6個(gè)站點(diǎn)最長(zhǎng)凍雨持續(xù)時(shí)間達(dá)到30 d以上，且都出現(xiàn)在2008年；除此以外，威寧、七星關(guān)等7個(gè)站點(diǎn)凍雨持續(xù)時(shí)間在26 d以上，從圖中可以看出(圖3b)，在貴州東西向一線凍雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是西部高海拔地區(qū)；而貴州東北部及南部受凍雨影響小，凍雨一般維持0～5 d。

3 2018年1月下旬貴州大范圍凍雨天氣分析

3.1 天氣過程概況

2018年1月24日開始至2月5日，貴州出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10 d的低溫雨雪天氣。從此次過程期間貴州省凍雨站數(shù)和日平均氣溫變化來看(圖4a)，24日夜間受到強(qiáng)冷空氣的影響，氣溫驟降，出現(xiàn)凍雨天氣，24—26日，全省日平均氣溫從10 ℃降至0 ℃以下，到26日，凍雨站數(shù)達(dá)到近50站，27—31日，全省日平均氣溫維持在0 ℃以下，28日凌晨?jī)鲇攴秶_(dá)到最大，全省凍雨站數(shù)達(dá)到67站，31日之后，氣溫緩慢回升，凍雨站數(shù)逐漸減少。此次低溫雨雪天氣到2月5日基本結(jié)束。

從2018年1月24日—2月5日凍雨日數(shù)分布(圖4b)來看，全省各地凍雨日數(shù)分布在0～12 d之間，省的中部一線為凍雨的集中區(qū)域。在此次過程中，威寧、水城、七星關(guān)、大方、納雍、息烽、開陽(yáng)、麻江、丹寨等9個(gè)站點(diǎn)凍雨日數(shù)在9 d以上，總體呈現(xiàn)為中部一線凍雨較為集中，而省東北部、南部地區(qū)凍雨日數(shù)少，這種分布特征與多年平均凍雨日數(shù)分布較為一致。

圖4 凍雨站數(shù)和日平均氣溫變化(a)及1月24日—2月5日凍雨日數(shù)分布(b)Fig.4 Change trend of freezing rain stations and daily average temperature (a) and the spatial distribution of freezing rain days from January 24 to February 5 (b)

3.2 背景形勢(shì)特征分析

2018年1月24日，亞歐中高緯度有明顯的阻塞形勢(shì)，阻塞高壓維持在烏拉爾山附近，阻塞高壓北部不斷向東發(fā)展，形成了東北—西南向的高壓脊，在阿勒泰有切斷低渦影響，冷中心強(qiáng)度達(dá)到-40 ℃，鄂霍茨克海地區(qū)有低渦發(fā)展，并配合較強(qiáng)的冷中心，冷中心強(qiáng)度達(dá)到-40 ℃以下，同時(shí)高緯地區(qū)不斷有新的冷渦生成，冷渦南下，攜帶冷空氣并入低渦主體。巴爾喀什湖附近及東北地區(qū)各有一橫槽，槽后西北氣流強(qiáng)盛，有利于引導(dǎo)冷空氣大舉南下。中低緯度地區(qū)，青藏高原以南，南支槽活躍，槽前西南氣流強(qiáng)盛，水汽輸送條件好，在24—27日，南支槽發(fā)展較為活躍。在中低層上，25日四川中部至云南有低壓槽，貴州受槽前西南低空急流影響，較強(qiáng)的暖濕氣流的輸送有利于加大低空逆溫梯度，切變線位于兩湖盆地至貴州南部，利于低空水汽輻合；溫度槽位于河套東部經(jīng)川渝至貴州北部，冷空氣取東北路徑入侵貴州，700 hPa的0 ℃線從24日午后開始從東北方向影響貴州，27日0 ℃線影響至貴州中部一線。

地面冷高壓中心主要穩(wěn)定在貝加爾湖西南部至巴爾喀什湖東部之間，冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)到1 045 hPa；從冷鋒的活動(dòng)來看，冷空氣的南下過程比較迅速，等壓線密集程度較大，冷鋒后24 h正變壓可達(dá)5～8 hPa，24 h變溫達(dá)到-5～-8 ℃，25日08時(shí)—26日08時(shí)，貴陽(yáng)站降溫幅度達(dá)到-16 ℃，25日20時(shí)在貴州西部形成較強(qiáng)的準(zhǔn)靜止鋒，隨著冷空氣的繼續(xù)入侵，靜止鋒西伸到滇黔交界處，貴州大部處于靜止鋒后，低溫雨雪天氣影響范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

從850 hPa平均高度場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)來看，貴州省境內(nèi)盛行東北氣流，與來自孟加拉灣的西南氣流匯合，兩股氣流勢(shì)力相當(dāng)，在貴州省西部邊緣產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)，加之南支槽前水汽輸送良好，在貴州產(chǎn)生較弱降水。川滇之間有高度場(chǎng)負(fù)距平中心，貴州重慶一帶為高度場(chǎng)正距平，貴州西部等值線密集，準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定維持。

從平均海平面氣壓場(chǎng)來看，在阿爾泰山脈北部有高壓中心，此高壓中心會(huì)不斷分裂冷空氣南下，強(qiáng)冷空氣不斷影響我國(guó)大部，當(dāng)冷空氣到達(dá)滇黔地區(qū)，受到橫斷山脈的阻擋，與西南暖濕氣流勢(shì)力相當(dāng)，川滇地區(qū)為海平面氣壓負(fù)距平，貴州為正距平，在滇黔之間形成準(zhǔn)靜止鋒；貴州省大部處于鋒前，天氣陰冷潮濕，從而造成了長(zhǎng)時(shí)間的低溫雨雪天氣。

圖5 1月22—27日500 hPa(a)及地面系統(tǒng)演變(b)Fig.5 Evolution of weather system at 500 hPa (a) and surface (b) from January 22 to 27

圖6 2018年1月25日—2月5日NCEP 850 hPa高度場(chǎng)(a，等值線：位勢(shì)高度；陰影：高度場(chǎng)距平)及風(fēng)場(chǎng)(b)Fig.6 850 hPa geopotential height field of NCEP (a, contour line: geopotential height;Shadow:geopotential height field anomaly) and wind field (b) from January 25 to February 5, 2018

圖7 2018年1月25日—2月5日NCEP海平面氣壓場(chǎng)(a)及其距平(b)分布Fig.7 Analysis of SLP of NCEP (a) and its anomaly distribution (b) from January 25 to February 5, 2018

3.3 探空垂直結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)過程期間威寧、貴陽(yáng)、懷化每日08時(shí)和20時(shí)的資料分析，在此次過程中，貴州西部威寧的凍雨天氣對(duì)應(yīng)的探空結(jié)構(gòu)以“一層模式”為主，在多數(shù)情況下不存在融化層，貴陽(yáng)凍雨天氣的探空結(jié)構(gòu)中存在融化層，以“二層模式”為主，湖南西部的懷化凍雨結(jié)構(gòu)以“二層模式”為主。對(duì)比3個(gè)探空站發(fā)現(xiàn)，地面平均氣溫在-1.7～-3.8 ℃之間，表明略低于0 ℃的溫度有利于形成凍雨天氣；3個(gè)探空站均存在明顯的逆溫層，貴陽(yáng)、懷化的溫度梯度顯著，威寧探空結(jié)構(gòu)中沒有暖層，溫度梯度小，且逆溫頂氣溫低于0 ℃，云中主要為過冷水滴，貴陽(yáng)、懷化的逆溫層溫差大于威寧；逆溫結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在850～700 hPa，厚度約50～100 hPa，威寧海拔較高，因此逆溫頂高度和逆溫底高度均較高。對(duì)比表2中小雪天氣對(duì)應(yīng)的探空結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：小雪天氣的云頂氣溫明顯低于凍雨天氣的云頂氣溫，云頂高度約550 hPa，遠(yuǎn)高于凍雨的云頂高度，逆溫頂氣溫在-5～-6 ℃之間，逆溫底氣溫在-10～-12 ℃之間，表明小雪天氣時(shí)大氣的冷性結(jié)構(gòu)更加顯著，不同于凍雨的是，3個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小雪天氣探空結(jié)構(gòu)均不存在暖層，暖層厚度為0，整層都為冷墊，地面氣溫也更低。

表1 2018年1月25日—2月5日期間的凍雨天氣探空結(jié)構(gòu)Tab.1 The sounding structure of freezing rain from January 25 to February 5, 2018

表2 2018年1月25日—2月5日期間的小雪天氣探空結(jié)構(gòu)Tab.2 The sounding structure of snow weather from January 25 to February 5, 2018

4 小結(jié)

①貴州省凍雨月際變化趨勢(shì)呈拋物線分布，1月凍雨發(fā)生頻率最高，2月份次之，其余月份凍雨出現(xiàn)概率小。

②凍雨呈現(xiàn)中西部出現(xiàn)時(shí)間早，結(jié)束時(shí)間晚，東、南部出現(xiàn)時(shí)間晚，結(jié)束時(shí)間早的現(xiàn)象；省的東西向一線為凍雨的高發(fā)中心，東北部及南部?jī)鲇瓿霈F(xiàn)頻率較低，且東西向一線凍雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而東北部及南部受凍雨影響小。

③2018年1月24日—2月5日的凍雨天氣過程中，阻高穩(wěn)定維持在烏拉爾山，中期橫槽轉(zhuǎn)豎，后期形成兩槽一脊型。過程期間東亞極渦強(qiáng)大且偏南，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，暖濕氣流與冷空氣交匯，加上準(zhǔn)靜止鋒的作用，使得貴州凍雨天氣持續(xù)。

④不同降水相態(tài)在探空結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)不同，凍雨天氣存在逆溫層，地面氣溫略低于0℃，小雪天氣不存在逆溫，整層為冷性氣團(tuán)，且地面氣溫低，冷性結(jié)構(gòu)更顯著。