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2018年1月河南省2次区域暴雪过程对比分析

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  摘要 利用高空地面观测资料和NCEP 6 h 1次的1°×1°再分析资料,对2018年1月发生在河南省的2次区域暴雪过程进行对比分析。结果表明:2次暴雪过程背景形势场相似,都产生在500  hPa高空槽东移、中层强盛西南气流形势下,配合低层偏东风切变线和地面冷空气的扩散作用。中层西南气流和底层偏东气流辐合的位置与大暴雪区域对应良好。降雪时整层大气湿度饱和,中低层具有弱的逆温层。同时地形的抬升作用,对局地特大暴雪的产生有贡献。2次过程降雪差异产生的主要原因是中层气流辐合位置不同。降雪过程中600~700 hPa上辐合中心强度越强,对应降雪强度越大。垂直速度场上升运动区与主要降雪区域对应良好。700 hPa暖平流与925 hPa冷平流叠加区域即为产生大暴雪落区。风速辐合越大,对应降水越强。
  关键词 区域暴雪;低空急流;冷暖平流;物理量分析;河南省
  中图分类号 P458文献标识码 A
  文章编号 0517-6611(2019)10-0187-04
  Abstract The highaltitude and ground observation data and the 1°×1° reanalysis data of NCEP 6h were used to compare and analyze the two regional blizzard processes in Henan Province in January 2018. The results show that the background situation of the two blizzards is similar, and it occurs in the eastward movement of the 500 hPa highaltitude trough, and the middlelevel strong southwest airflow, combined with the diffusion of the lowlevel easterly wind shear line and the ground cold air. The location where the midstream southwest airflow and the bottom eastward airflow are converged corresponds well to the large blizzard area. When the snow falls, the whole atmosphere is saturated with humidity, and the middle and lower layers have a weak inversion layer. At the same time, the uplifting effect of the terrain contributes to the occurrence of the local blizzard. The main reason for the difference in snowfall between the two processes is that the middle airflow convergence position is different. The stronger the intensity of the convergence center at 600-700  hPa during snowfall, the greater the snow intensity. The vertical velocity field rise motion zone corresponds well to the main snowfall zone. The superimposed area of 700 hPa warm advection and 925 hPa cold advection is the area where heavy blizzard falls. The greater the wind speed convergence, the stronger the corresponding precipitation.
  Key words Regional blizzard;Lowlevel jet stream;Cold and warm advection;Physical quantity analysis;Henan Province
  河南省地处中原,四季分明,属于大陆性温带季风气候。暴雪是河南省冬季常见的一种自然灾害,常伴随寒潮、大风、低温和霜冻等灾害性天气发生,不仅给农业生产和交通出行带来不便,也给人民财产造成巨大损失。近年来,许多气象工作者利用各种数据对河南省暴雪天气的成因进行了研究分析,并取得了一定成果[1]。马振升对河南区域暴雪进行了天气特征分型,建立了横槽型和两槽一脊型的天气学模型[2]。顾佳佳等对2014年河南省大范围暴雪过程的环流特征及持续原因进行了分析,研究发现:冷暖空气交汇区形成的垂直于锋面的次级环流,对暴雪维持和发展有重要作用[3]。吕晓娜研究了2015年河南首场区域暴雪伴高架雷暴过程,指出低空急流为暴雪提供了深厚的冷垫[4]。笔者利用常规观测资料和美国NCEP 1°×1°再分析资料等对2018年1月发生在河南省的2次区域暴雪过程进行对比分析,旨在找到同类过程中降水产生差异的原因。
  1 降雪实况
  2018年1月3—4日降雪过程(下文简称“3日过程”)降水开始于3日06:00,过程初期以雨夹雪为主,14:00转为纯雪,至4日20:00过程结束,主要降雪时段集中在3日14:00—4日17:00,该次过程河南南部南阳、驻马店、周口等地均达到暴雪,信阳特大暴雪,过程最大累计降雪出现在信阳固始站,为65.7 mm,积雪深度最大达到23 cm。信阳多地降雪打破1951年有气象数据以来的历史极值。该次降雪影响范围广,强度强,给人民群众生产生活造成了巨大影响,因灾直接經济损失达2.19亿元。   2018年1月24—25日(下文简称“24日过程”)河南省南部西南部出现了大到暴雪,信阳南阳部分站点出现特大暴雪。最大降雪量出现在南阳桐柏,为36 mm。降水集中时段为24日10:00—25日20:00。此次过程相较3日过程量级上整体偏弱,黄河以北大部分地区未出现降雪,但持续时间较长,后续的低温霜冻等现象对设施农业、交通造成了不利影响。
  比较2次过程雨量可以看出,2次过程降水都集中在豫中南区域,总体呈现西南强东北弱的特点,同时信阳市西部2次都出现了30 mm以上的特大暴雪(图1)。
  2 形势场分析
  2.1 “3日过程”形势
  3日过程的主要影响系统有500  hPa西风槽、700和850  hPa低空急流以及925  hPa超低空急流。过程开始前,河南上空700  hPa增湿增温明显,中低层水汽近于饱和。3日08:00(图2a)200  hPa中纬度高空存在高空急流,急流轴从青海省南部自西向东延伸至朝鲜半岛。500  hPa高空,亚欧大陆中高纬环流形势呈现两槽一脊型,乌拉尔山地区高压脊发展旺盛,脊前存在低压中心,位于巴尔喀什湖东侧,低压中心对应温度场上为-40 ℃,可见冷空气在新疆北部堆积深厚。30°~40 °N存在一东西向锋区,河南省处于锋区后部。同时孟加拉湾地区存在一南支槽,河南省处于槽前西南气流当中。700  hPa西南急流发展旺盛,急流轴沿长江呈东北—西南走向,急流中心位于重庆与湖北交界,中心风速达到20 m/s。850  hPa河南上空维持东风急流,0 ℃线位于江淮地区。同时925 hPa存在超低空东北风急流,急流中心位于南阳信阳一带。低空西南急流和超低空东北急流的存在使河南省南部大气层结变得不稳定,地面天气图上(图略),贝加尔湖西侧有中心数值达1 070  hPa的强大冷高压。高压前部冷空气已经沿华北扩散南下。主冷锋位于长江一带,副冷锋位于华北北部,河南省位于主副冷锋之间,以偏北风为主。3日20:00,随着南支槽东移加深,受槽前西南暖湿气流影响,河南湿度条件转好,为强降雪提供了充沛的水汽条件。 700  hPa急流中心加强略有东移,河南处于急流出口区左侧。850  hPa受弱冷空气扩散影响,以偏北风为主。地面冷空气主体已到达黄淮之间,新一轮由冷高压分裂而出的冷空气在内蒙古中部堆积。4日08:00,河南省中部存在一暖式切变线,切变线和急流出口区为降雪提供了好的动力抬升条件。4日20:00,急流中心位置南压,低槽渐弱移出河南,地面受冷高压控制,降水趋于结束。
  2.2 “24日过程”形势
  24日过程的主要影响系统为500 hPa西风槽、东北冷涡、700 hPa急流和切变线。24日08:00(图2b)亚欧大陆中高纬地区为两槽一脊型,乌拉尔山高压脊发展旺盛,与4日过程不同的是,此次过程冷空气主要集中在东北地区,冷涡势力强大,有一-48 ℃冷中心与之配合,低槽由冷涡伸向朝鲜半岛。中低纬有弱的南支槽生成。700  hPa上西南急流位于长江一线,切变线位于淮河,青藏高原前部暖平流明显,河南省处在槽前暖湿气流当中。850  hPa由东北冷涡分裂南下的冷空气,经由渤海山东半岛到河南时已转为偏东风,偏东风与偏南气流形成的暖式切变线位置偏南,位于长江一带,信阳处在冷暖空气交汇地带,24日20:00南支槽继续发展东移,河南处在西南急流出口区左侧,风场自南向北呈气旋式旋转,海平面气压场上,贝加尔湖西侧有中心数值达1 065  hPa的强冷高压。高压前部主冷锋已压至长江一带,副冷锋位于华北北部。25日08:00,东北低涡移出大陆,在新疆北部形成一切断低压。冷空气沿华北扩散南下,扩散过程中受到太行山脉的阻挡,除了沿山脉分布站点风向为偏东风以外,全省以偏北风为主。25日20:00,南支槽强度减弱,过程结束。
  对比分析2次过程的背景形势场可以看出,这2次过程的海平面气压场极其类似,都是在贝湖西侧存在一强大冷高压,主副冷锋移动路径也基本一致,沿着华北扩散南下。但是2次过程产生的降水量却不相同,考虑主要原因是中层气流輻合位置不同,3日过程中,西南急流发展旺盛,0 ℃位置偏北,河南刚好处于低空急流出口区左侧暖式切变线附近,动力水汽条件良好,加之低层冷空气扩散形成的冷垫作用,以及低空的东北风急流与伏牛山脉走向呈约90°夹角,地形抬升对局地特大暴雪的产生有一定贡献,共同造成了豫南等地特大暴雪的产生[5]。相比较而言,24日过程中低空急流发展偏弱,0 ℃线位置偏南,导致暖湿空气与冷空气的交汇位置也偏南压。虽然信阳个别站点也出现了30 mm以上的降雪,但总体强度偏弱。
  取3日20:00和24日20:00南阳站(57178)的探空资料(图3),对比分析可以看出,2次过程风场结构基本类似,即500 hPa以上为统一西南风,700 hPa为偏南风,700 hPa以下为偏东风或东北风控制。此种“天南地北”的形势场有利于河南大暴雪天气的产生。温度层结上,2次过程底层温度均低于0 ℃,700与925 hPa存在弱的逆温层。不同点在于湿度条件上,3日该过程湿层更为深厚,整层大气基本都处于饱和状态,24日过程只有500 hPa以下大气为水汽饱和[6]。
  3 NCEP物理量诊断分析
  3.1 水汽通量散度 3日过程中,沿114.4°E做水汽通量散
  度垂直剖面可以看出,3日08:00河南上空中层存在水汽辐合,中心位于35°N的600 hPa上。14:00豫南中上层为水汽辐合区,3日20:00(图4a),河南省上空925~400 hPa为大片水汽辐合区,中心位于33°N,中心数值达-4 g/(cm2·hPa·s)。925 hPa以下到地面为弱的水汽辐散,考虑为低层冷空气扩散作用形成的冷垫[7]。4日02:00—08:00,辐合中心强度有所加强并向南移动1个纬度,高度略有下降,可以看出由于中层西南暖湿气流的减弱,底层已无水汽通量的辐合。4日14:00,辐合中心已南移出河南省,对应降水过程趋于结束。 24日08:00,河南省上空600 hPa以下均存在水汽通量辐合,14:00辐合中心位于信阳地区上空700 hPa(图4b),24日20:00—25日02:00,辐合中心南压减弱。08:00 31°~33°N 700 hPa上空重新出现一辐合中心,但持续时间较短(对应新一轮降水开始),14:00已转为弱辐散区。对比2次过程,3日过程水汽通量散度辐合强度更强且辐合中心高度更高,对应水汽条件好于24日过程,因而降雪强度较大。   3.2 垂直速度场
  沿着114.4°E做垂直速度场剖面可以看出,3日08:00,降水过程开始前,河南省上空存在大片上升运动区,14:00(图5a)豫南32°N上空自地面到高空存在3个大的上升运动中心,分别位于400~500、800 hPa和近地面。最大上升速度达10×10-4 hPa/s,强烈的上升运动对应配合水汽通量的辐合,为豫南特大暴雪的产生提供了有利条件。随着降雪过程推进,河南省低层700 hPa以下自北向南转为下沉运动,对应降雪过程结束。24日降水过程中,信阳地区900~1 000 hPa一直维持一个上升运动中心,最高可达8×10-4 hPa/s(图5b),说明本次降雪过程近地面的辐合抬升对降水起了重要作用。同样的,本次过程中,35°E近地面也有一上升运动中心存在,但豫北地区本次过程并未产生降水,考虑原因是水汽条件配合较差[8]。上述分析表明,2次过程暴雪区上空均存在明显的上升运动,不同的是3日过程上升运动贯穿整个暴雪区上空,过程对流发展更为剧烈,而24日过程仅在低层次存在上升运动。同时没有水汽条件配合的地区即便是有上升运动的存在,也没有降水产生。
  47卷10期 吕哲源等 2018年1月河南省2次区域暴雪过程对比分析
  3.3 冷暖平流
  分别作700和925 hPa风场与温度场的叠加图(图略),可以看出:3日08:00,700 hPa河南除豫北以外受弱的偏南风控制,西南急流位于湖北省内,风速16 m/s,信阳地区处在急流出口区,有一温度槽位于南阳与湖北交界。925  hPa受冷舌控制,盛行东北风。14:00温度槽维持,急流强度有所加强,信阳地区上游暖平流明显。配合低层东北风急流中心位于南阳驻马店一带,中心风速达到16 m/s,3日20:00,西南急流中心有所北抬,等温线密集的锋区维持在信阳西部, 925  hPa上河南中南部有一冷中心,豫南东北风急流与冷中心前部等温线约呈90°交角,冷平流明显,暖湿气流沿着低层冷空气爬升,共同造成了豫南及信阳地区的暴雪。4日14:00—20:00,中层温度槽逐渐减弱,全省转为偏西风和西北风,过程趋于结束。24日过程中700  hPa中层信阳地区上游同样存在温度槽,不同的是,在河南中部存在切变线,切变线以南受西南气流影响,切变线以北大部分地区受东南风控制。24日20:00,中层锋区位置明显,信阳地区位于暖平流中,同时低层925  hPa河南全省均受冷空气扩散影响,盛行偏东风,最大风力达20 m/s。桐柏站与信阳市区位于中低层风速辐合区中,在本次过程中产生了30 mm以上的强降水[9]。而豫北风速较小且存在幅散,本次过程中未产生降水。
  4 小结
  对比3日过程和24日过程,2次过程背景形势场相似,暴雪产生在500 hPa高空槽东移、中层强盛西南气流形势下,配合低层偏东风切变线和地面冷空气的扩散作用。中层西南气流和底层偏东气流辐合的位置即是产生大暴雪的区域。地面温度从降雪开始时小于0 ℃是产生纯雪的必要条件。强降雪时段中低层具有弱的逆温层,整层大气湿度饱和[10]。
  2次降雪过程最终产生降雪量不同,考虑差异产生的主要原因是中层气流辐合位置不同,3日过程辐合强度较强,位置偏北。24日过程辐合强度较弱,位置偏南。西北—东南向的伏牛山脉对底层偏东气流有一定抬升作用,2次都在信阳地区产生暴雪天气。
  利用NECP资料对2次过程的物理量进行诊断分析可得,降雪过程中600~700 hPa上对应一水汽辐合中心,辐合中心发展强度越强,降雪过程持续时间越长,对应降雪量越大。垂直速度场上,上升運动区与主要降雪区域对应良好。2次过程低空925  hPa均存在东北风冷平流,低空冷平流产生的冷垫作用有利于暴雪的产生。冷暖平流方面,700  hPa暖平流与925  hPa冷平流叠加区域即为产生大暴雪落区。风速辐合越大,对应降水越强。
  参考文献
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  [8] 夏网萍. 江苏淮北地区两次暴雪天气过程对比分析[C]//中国气象学会.第31届中国气象学会年会S2 灾害天气监测、分析与预报.北京:中国气象学会,2014:5.
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