引言

寒潮是我国冬半年严重的灾害性天气, 其最突出的天气是大风、剧烈降温、暴风雪和沙尘暴, 常给工农业、渔业生产和交通运输等带来巨大影响。因此做好寒潮天气预报服务, 采取积极防范其危害措施有相当的现实意义。近年来不少学者对我国错综复杂的寒潮天气过程进行了天气动力学诊断和数值模拟研究^[1~4], 得到了不少有益的成果。但因我国幅员辽阔, 气候条件差异很大, 寒潮过程也不尽相同, 故深入分析研究一些特殊寒潮天气个例很有必要。

2005年3月10~13日, 我国大部地区爆发了一次罕见的寒潮天气过程。受其影响, 西北地区大部、华北、东北地区南部、黄淮、汉水流域、江淮、江南、华南北部和四川盆地东部出现了5~6级偏北风, 短时风力达7~9级, 我国东部海区出现了7~8级偏北风; 上述大部地区48小时的最低气温下降了8~12℃, 其中华北西部和北部、江淮、江南、华南北部等地降温14~18℃, 局部地区超过20℃; 11~13日, 陕南、豫南、皖中南、浙、鄂、湘中北、赣中北以及闽西北等地伴有5~15mm大到暴雪和出现冰冻, 其中鄂西南、湘北、赣东、闽西北部分地区降雪量达18~25mm, 湖南岳阳日降雪量26mm (图 1a), 湘、赣一些地区还出现了冰凌; 上述大部地区积雪深度在5cm以上, 鄂、皖、浙、赣等地局部地区雪深10cm以上(图 1b), 安徽枞阳县最深30cm, 其次江西庐山28cm, 江西的积雪面积和深度是有气象记录以来最大的。这场范围大、强度强、积雪深的暴风雪在历史同期极为少见。

本文利用NCEP 1°×1°的6小时分析资料和常规观测等资料, 对本次寒潮天气过程进行了天气动力学诊断分析, 着重分析寒潮和南方强降雪的成因, 为春季寒潮和南方大雪的实时预报业务提供参考依据。

1 大尺度环流特征和主要影响系统

这次大范围寒潮天气过程是在欧亚中高纬环流发生西长东消不连续后退形势下爆发的。过程前3~4天, 欧亚中高纬呈两槽一脊型经向环流, 两长波槽分别位于贝加尔湖以东到东西伯利亚(以下简称东亚槽)和欧洲西部, 贝加尔湖以西至东欧是一长波脊(图略)。南支槽在阿拉伯海到印度半岛西部; 西太平洋副热带高压(以下简称副高)呈带状分布在中印半岛到菲律宾以东洋面, 较常年偏强, 利于暖湿气流向北输送。

1.1 冷空气的聚积

早在4日, 从西欧槽中分裂一短波槽沿高纬东移, 由于西欧低槽斜压不稳定发展, 黑海到里海、咸海上空盛行一支强暖平流, 暖平流动力加压作用导致低槽前高压脊发展成阻塞高压(以下简称阻高)。上述短波槽亦随其往南加深, 该槽中冷平流使阻高分裂东移并减弱。8~9日, 巴伦支海有冷空气并入西欧低槽中, 低槽强烈发展, 同时一部分冷空气东移, 推动阻高北端东移与东亚槽北侧高纬弱高压脊合并加强, 脊前西北气流顺转成东北气流, 与东亚槽西南部的西北气流形成一横槽。使东西伯利亚超极地冷空气和西欧东移冷空气得以在蒙古国聚积加强(图 2)。

8日20时, 当西欧分裂槽移到蒙古国西部到我国新疆西部时, 700hPa上冷温度中心已降至-32℃以下, 锋区强度达到20℃·(5纬距)^-1。在地面图上, 随着西欧分裂槽东移发展, 槽后西西伯利亚南部的地面冷高压范围不断扩大, 强度明显增强; 而中东西伯利亚地面冷高压也随东北气流加强而增强, 并向西扩展。9日08时, 这两个高压脊合并, 初期在黄河上游形成锢囚锋, 中西伯利亚的高压中心增至1050hPa, 然后继续加强, 当两股冷空气完全合并后, 锢囚锋消失变成一强冷锋, 11日08时, 蒙古地面冷高压中心最强达1070hPa, 在此季极为少见。至此, 500~850hPa高空横槽、地面冷锋和蒙古冷高压是本次寒潮主要影响天气系统。

1.2 冷空气的爆发

9~10日, 巴伦支海有一短波槽沿高纬东移, 使阻高东北部脊区向东南方移动, 贝加尔湖脊前横槽逐步南压至蒙古国, 槽前等高线疏散形成正涡度平流和冷平流产生负变高; 横槽后部东北气流逆转为西北气流出现暖平流的正变高, 预示着横槽将要转竖。10日08时横槽转为竖槽, 引导中、东西伯利亚强冷空气向南迅猛爆发。同时从西欧低槽中又分裂一短波槽沿阻高南侧东移, 11日08时抵达蒙古国中西部。伴随着阻高脊轴顺转, 在贝加尔湖一带建立一支东北气流, 与刚转竖的低槽后部西北气流及移至蒙古国的短波槽之间重建一横槽, 并在蒙古国仅维持24小时便转成竖槽, 又带来一股冷空气, 加强了冷空气南侵的势力。另外, 8日从印度半岛南支槽中分裂一短波槽东移。10日08时与转竖的北支槽同相叠加, 新建一东亚大槽。南支槽前西南气流与副高北侧偏南气流汇合, 把孟加拉湾和南海丰沛的水汽输向降雪(雨)区。中低层的锋生变形场使得冷空气加速向南爆发, 形成大范围寒潮天气过程。故此, 10~13日, 强冷空气取西北路径从黄河流域大举南下, 经长江中下游地区入侵华南, 造成我国大部地区出现大风、强降温和淮河以南地区的暴风雪(雨)天气。

1.3 冷空气影响的结束

11日, 从欧洲低槽中又分裂一短波槽沿高纬东移, 与喀拉海低涡同相迭置向南加深, 导致阻高一分为二, 东部分裂脊快速东移, 使东亚大槽减弱东移。13日20时, 强冷空气对我国影响结束。

2 强降温形成的原因

某地温度的变化可用热流量方程来表示:

式中, 对于近地层W可近似为0, 变压和气压平流引起的温度局地变化也很小。因此, 某地温度的变化主要决定于温度平流和非绝热因子的作用。温度平流主要考虑平流冷暖性质和强度, 非绝热因子考虑辐射、水汽凝结、蒸发和地面感热对气温的影响。气温的非绝热变化主要表现为气温的日变化和气团变性。在本次寒潮过程中, 由于有大范围的锋面云系, 太阳辐射和地表辐射引起的气温日变化较小, 淮河以南降雪(雨)过程中水汽凝结和蒸发作用会使气温有所下降, 但气温骤降则是强冷平流所引起的。故本节只讨论850hPa上冷平流的演变情况。

图 3给出了3月9日20时至12日20时850hPa上温度平流, 从图 3a中可看到, 与横槽相对应在蒙古国中南部到我国内蒙古大部至新疆出现了东西向的带状冷平流区, 有两个中心分别位于中蒙边境和新疆东部。中心值为-65 ×10^-5℃·s^-1和-20 ×10^-5℃·s^-1, 表明冷空气非常之强。10日20时, 伴随横槽转为竖槽, 带状冷温度平流区变为东北-西南向, 两个强冷平流中心移至渤海和河套地区, 极值为-51 ×10^-5℃·s^-1和-40 ×10^-5℃·s^-1(图 3b), 24小时后, 第2个横槽崩溃, 带来另一股冷空气。如图 3c所示, 除华南和东北大部地区外, 我国其它地区均被冷平流区所控制, 但强冷平流区在西部呈东北-西南向, -35 ×10^-5℃·s^-1平流中心分布在四川东部, 表明第二股冷空气主力从黄河上游经西南地区东部南移, 路径偏西。在东部呈东西向带状位于黄河下游到江南北部一带, -65 ×10^-5℃·s^-1的强中心在黄海东南部。反映两股冷空气合并后势力更强。到12日20时(图 3d), 主要冷平流区在江南和华南, 平流中心一个位于广西、云南交界处, 极值为-25 ×10^-5℃·s^-1, 另一个在日本国南部洋面上, 冷空气强度略有减弱。由此可见, 这次大范围寒潮天气是强盛的冷平流所造成的。致使我国大部地区48小时的最低气温下降了8℃以上, 其中华北西部和北部、江淮、江南、华南北部等地降温达14~18℃, 局部地区超过20℃, 显示出冷空气的强大势力。

3 南方大到暴雪成因分析

3月11~12日, 强冷空气南下影响长江以南地区。除给很多地区带来大风和强降温外, 最引人关注的是江淮、江南大部出现罕见的大到暴雪天气。700hPa和850hPa上的切变线和西南暖湿气流是强降雪直接影响天气系统。以下就温度垂直结构、动力学和水汽条件分析这次强降雪的形成原因。

3.1 低层大气温度结构的特征

降雪形成条件较之降雨更为复杂。主要是温度条件不同, 尤其对于南方的降雪预报温度条件至关重要。为了更好地分析雨转雪气温条件, 找出降雪和降雨过程气温之差异, 我们选取了2004年12月27~28日南方一次雨转中到大雪过程和本次雨转大到暴雪过程进行了分析。从表 1可看出, 在这两次雨雪天气过程中代表站降雪时850hPa及以上层温度≤-4℃, 925hPa温度≤-2℃和1000hPa温度≤0℃。而降雨时, 代表站1000hPa温度≥2℃, 925hPa ≥-1℃, 这两层均高于降雪温度。因此, 925hPa以下层大气温度是南方降水相态的关键, 降雪时925hPa气温≤-2℃则可作为固态降水(雪)的预报判据。

3.2 动力学条件分析 3.2.1 散度场特征

经对11~12日逐6小时925hPa到200hPa散度场分析发现, 700hPa冷暖空气强烈的辐合和200hPa强辐散是南方大到暴雪形成的有利动力条件。11日08时, 在925hPa至500hPa之间40° N以南为大范围辐散区; 14时, 700hPa上我国西南地区建立了西南急流并逐渐向东扩展, 冷暖空气交汇在30~40° N, 形成了东西向辐合区, 700hPa辐合中心位于陕西南部, 强度为-24 ×10^-6 s^-1; 20时辐合区南移加强(图 4a), 中心位于湖北东部, 达到-32 ×10^-6 s^-1。江淮地区的大到暴雪随之开始。12日02~08时辐合区继续南移到27~30° N, 强度稍有减弱, 江南中北部的大到暴雪即发生在该区中。14时以后, 辐合区南移到南岭至武夷山西部一带, 强度为-4 ×10^-6~-8 ×10^-6s^-1, 明显减弱, 降水也随之减弱。

经对沿115° E散度经向垂直剖面分析发现, 降雪区上空始终维持高层辐散、中低层辐合的结构, 这种高低空配置使上升运动得到发展, 造成大到暴雪。11日08~20时, 高层辐散与低层辐合呈加强趋势; 11日20时, 300hPa辐散和700hPa辐合达最强, 极值分别为48 ×10^-6 s^-1和-32 ×10^-6s^-1(图 4b); 12日02~30时, 辐散层高度下移至500hPa, 辐合层厚度减小, 降雪减弱。

3.2.2 垂直运动特征

从沿115° E经向垂直速度和沿30° N纬向垂直速度剖面图上分析表明, 这次降雪过程垂直运动发展快, 为大到暴雪提供了抬升条件。在11日14时垂直速度经向剖面图上, 降雪区上空垂直速度为0.06m·s^-1, 20时增加到0.19m·s^-1, 上升运动从925hPa伸展到100hPa上, 最大上升运动中心位于400hPa。强上升运动区恰好位于武汉上空, 致使武汉20~23时降雪并伴有雷电的罕见现象。同时, 陕西南部和江淮出现了大范围大到暴雪。12日2~14时, 上升运动减弱, 上升运动及强上升运动的高度分别下降到300hPa和500hPa层, 其中12日08时强上升运动中心在28° N, 为0.07 m·s^-1, 与江南中北部大到暴雪对应。12日14时以后, 上升运动南移到25° N以南地区; 其伸展高度在600hPa以下, 垂直运动极值仅为0.02m·s^-1, 明显减弱, 最大降雪(雨)也减弱。

3.2.3 水汽条件分析

通过分析逐6小时850hPa和700hPa的水汽通量、水汽通量散度及流场可知, 这次大到暴雪过程的主要水汽是由700hPa上从印度半岛到孟加拉湾北部盛行的一支强西南气流所携带, 然后经青藏高原南侧向东输送至长江流域。700hPa上西南气流从11日14时开始加强并向东推进, 11日20时最大风速加强16m·s^-1, 并位于湖南东北部, 12日20时南移到华南, 西南气流的偏西分量加大。从700hPa水汽通量图(图略)上可看到:这支西南急流将大量水汽带到江南至华南上空, 在湘赣中部交界地区和广东中东部分别有两个水汽通量大值中心, 强度都达12g·s^-1·cm^-1·hPa^-1; 大到暴雪区位于700hPa水汽通量密集区北侧。850hPa水汽通量大值区位于华南, 其值为11g·s^-1·cm^-1·hPa^-1。700hPa和850hPa水汽通量大小相当。图 5是3月11日20时700hPa和850hPa水汽通量散度及流场, 由图 5b可看出, 700hPa上北方冷空气南下和西南气流交汇在长江流域, 形成了一条东西向风辐合区, 并与水汽通量辐合区重叠, 水汽通量辐合大值区位于湖北中南部, 中心值达-3.2 ×10^-7 g·s^-1·hPa^-1·cm^-2, 11日14时至12日14时, 水汽和流场辐合重合区维持。从图 5a中可看出, 11日20时850hPa水汽通量辐合区位于江南南部到华南东部, 在湖南南部有一辐合中心。流场上的辐合区比700hPa偏南2~4个纬距, 可能是本次降水范围大的原因之一。由此可见, 中低层水汽和动力的辐合是造成南方大到暴雪天气的重要条件。

4 小结

(1) 500hPa黑海到里海、咸海一带强劲的暖平流致使在西伯利亚地区建立阻塞高压, 形成横槽, 横槽北侧的东北气流引导超极地冷空气和西路冷空气合并加强; 形成了异常强的冷高压、锋区、冷温度中心和冷温度平流, 是造成本次寒潮大风降温的主要原因。

(2) 两个短波槽东移侵入阻高, 48小时内横槽出现两次建立和南移转为竖槽, 阻塞高压崩溃, 导致冷空气大举南侵。

(3) 寒潮爆发带来剧烈的降温形成了有利于降雪的温度, 925hPa以下低层大气温度是降水相态变化关键。1000hPa上温度≤ 0℃, 925hPa上温度≤-2℃, 可作为固态降水(雪)的预报判据。

(4) 700hPa上切变线和江南西南急流是造成这次大到暴雪的直接影响系统, 西南急流与冷空气的交汇形成了较强动力辐合和水汽辐合, 对江淮和江南中北部大到暴雪的形成起了重要作用。大到暴雪区上空维持高层辐散、低层辐合有利的动力条件。