论文

冷垫背景下冻雨和极端大暴雪成因机制分析

  • 张桂莲 ,
  • 霍志丽 ,
  • 王学强
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  • 1. 内蒙古自治区气象台,内蒙古 呼和浩特市 010051
    2. 内蒙古锡林郭勒盟气象局,内蒙古 锡林浩特市 026000

张桂莲(1966 -), 女, 内蒙古呼和浩特人, 正研高级工程师, 主要从事灾害性天气研究. E-mail:

收稿日期: 2021-08-15

  修回日期: 2022-04-20

  网络出版日期: 2023-05-18

基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2020MS04020); 中国气象局东北冷涡科研业务能力提升攻关团队项目

Analysis on the Genesis Mechanism of Freezing Rain and Extreme Heavy Snowstorm under the Background of Cold Cushion

  • Guilian ZHANG ,
  • Zhili HUO ,
  • Xueqiang WANG
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  • 1. Inner Mongolia Meteorological Observatory,Huhhot 010051,Inner Mongolia,China
    2. Xilin Gol LeagueMeteorological Service,Xilinhot 026000,Inner Mongolia,China

Received date: 2021-08-15

  Revised date: 2022-04-20

  Online published: 2023-05-18

本文引用格式

张桂莲 , 霍志丽 , 王学强 . 冷垫背景下冻雨和极端大暴雪成因机制分析[J]. 高原气象, 2023 , 42(3) : 725 -733 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00048

1 引 言

暴雪是内蒙古地区主要灾害性天气, 暴雪常常伴随大风、 寒潮, 造成低温冰冻、 暴风雪、 白灾等灾害的发生, 暴雪天气通常导致交通严重受阻, 铁路、 公路、 机场关闭, 电力设施损毁, 蔬菜大棚垮塌, 牲畜冻死, 给人民生产生活以及财产造成重大影响和损失。
回流天气可能是大陆东岸某些地区的共同特点。Crisp and Lewis(1992)对北美洲墨西哥湾地区的回流天气进行研究, 认为气团从陆地到达海上又回流到陆地, 空气湿度增大, 回流层厚度可达2 km; 我国科技工作者对华北地区(何群英等, 2011孔凡超等, 2015)、 山东(郑丽娜等, 2016张芹等, 2015)等地的回流暴雪都有关注, 回流天气经常导致极端暴雪的产生(胡顺起等, 2017郑怡等, 2019秦庆昌等, 2019), 华北回流天气是指冷空气从东北平原南下, 经过渤海, 以偏东路径影响华北平原(侯瑞钦等, 2011), 地面回流形势常与河套倒槽共同强烈发展并稳定维持, 造成华北地区大范围强降雪(赵桂香, 2014); 有研究表明在回流暴雪期间, 中高层的西南气流与低层偏东气流叠加时降雪开始, 两者之一消失降雪结束(张迎新等, 2007), 回流冷空气使低层大气维持长时间的水汽输送并与其上层东移的大湿度区相结合, 增加湿层厚度, 有利于降雪持续而形成较强降雪(李青青等, 2011); 对回流冷空气干湿性质的研究还有许多分歧, 有些研究认为低层回流是湿冷的, 对低层大气起到水汽输送作用, 而周晋红等(2014)分析山西一次回流降雪认为降雪开始前, 低空东北风是干冷性质, 降雪开始后低空东北风是湿冷垫。许多科技工作者对内蒙古地区的暴雪进行了深入研究(李一平等, 2015孟雪峰等, 2012张桂莲等, 2018), 但伴随冻雨的冷垫背景下内蒙古极端回流大暴雪比较罕见, 开展对此类多普勒雷达回波特征的研究较少。本文对2020年11月17 -19日内蒙古初冬伴随冻雨的致灾性极端回流大暴雪天气的环境条件以及多普勒雷达特征进行分析, 以期对该类天气有一定参考依据。
本文采用的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS(2019)1822的中国地图制作, 底图无修改。

2 天气实况和资料选取

2.1 天气实况

2020年11月17日20:00(北京时, 下同)至19日20:00, 内蒙古出现了极为少见的范围广、 强度大的暴雪天气, 东南部地区大暴雪, 局地特大暴雪, 并伴有冻雨、 寒潮、 吹雪等高影响天气; 强降雪主要集中在18日08:00至19日08:00 24 h内, 内蒙古东南部13个国家站降雪量达大暴雪, 12个国家站达特大暴雪, 单站降雪量前三位分别为通辽市奈曼旗49.0 mm、 赤峰市敖汉旗44.2 mm、 通辽市科尔沁区38.4 mm(图1), 其中, 通辽市青龙山18日23:00至19日00:00最大小时降雪量高达5.9 mm·h-1, 1 h达到大雪量级; 赤峰和通辽市共有14个国家站出现极端降雪事件, 日降雪量突破极端阈值, 其中, 有7个国家站日降雪量超历史极值。中东部大部地区积雪深度在10 cm 以上, 最大积雪深度高达28 cm; 大范围积雪造成道路结冰, 高速公路关闭, 铁路、 民航暂停运输; 大暴雪使牧区形成“座冬雪”, 部分牧区发生白灾, 牲畜食草困难、 幼畜冻死; 通辽市出现了内蒙古极为罕见的冻雨, 电力设施受损严重, 出现大面积停电; 暴雪给人民生产生活造成极大影响, 经济损失严重。
图1 2020年11月17日20:00至19日20:00内蒙古累计降雪量分布(单位: mm)

Fig.1 Cumulative snowfall in Inner Mongolia from 20:00 on 17 to 20:00 on 19 November 2020.Unit: mm

2.2 资料选取

本文选取资料为2020年11月17日20:00至19日20:00内蒙古气象信息中心提供的全区119个国家气象站24 h和1 h降雪量观测资料、 内蒙古东南部通辽(CINRAD/CB型)和赤峰多普勒雷达(CINRAD/CD型)资料、 内蒙古气候中心提供的极端降雪以及NCEP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析资料。

3 大尺度环流—西南暖湿气流在冷垫上爬升

内蒙古中东部初冬极端大暴雪是一次典型的回流性降雪天气, 对于北方而言, 回流暴雪发生在京津冀及以南地区相对比较多, 而这次回流暴雪位置略偏北, 主要影响内蒙古中东部、 黑龙江、 吉林等地, 这还是比较少见。
11月18日08:00[图2(a)]在内蒙古西部105°E附近500 hPa高度场上有西风槽, 内蒙古中东部位于槽前西南暖湿气流, 700 hPa风场有“人”字型切变线, 偏南风和偏东风组成的暖式切变线主体位置略偏北, 位于中(国)蒙(蒙古国)边境45°N附近, 辐合松散且强度较弱, 偏东风和偏南风只有4~6 m·s-1, 对应于小时降雪量不足1 mm·h-1; 500 hPa高空槽随高度落后700 hPa高空槽为后倾槽, 有利于高空槽的进一步发展; 20:00[图2(b)]500 hPa西风槽和700 hPa西风槽东移至内蒙古中部110°E-120°E附近, 500 hPa高空槽明显加深, 700 hPa槽后干冷空气明显加强, 有≥12 m·s-1的西北急流出现, 700 hPa暖式切变线南压至内蒙古东南部, 切变辐合紧凑, 切变线南北两侧均出现急流, 达到最强阶段, 暖式切变线北侧偏东风急流14 m·s-1, 而南侧西南风低空急流更是高达24~32 m·s-1, 冷暖空气同时加强, 强降雪在20:00前后爆发; 西南风低空急流是此次暴雪的主要水汽输送通道, 500 hPa东移高空槽前暖湿气流、 700 hPa西南低空急流以及暖式切变线为强降雪提供了丰富的水汽和动力辐合抬升机制。
图2 2020年11月18日500 hPa高度场(黑色实线, 单位: dagpm) 和700 hPa风场(风羽, 单位: m·s -1

Fig.2 Height field at 500 hPa (black solid line, unit: dagpm) and wind field (wind barb, unit: m·s-1)at 700 hPa in 18 November 2020

18日20:00地面图(图3)上内蒙古中东部大部地区处于冷高压底部和北上的江淮气旋顶前部的偏东风密集锋区带, 地面至850 hPa一直有倒灌的偏东风(有偏东风、 东北风、 东南风, 统称偏东风, 下同), 低层一直有冷垫维持, 偏东风把鄂霍茨克海的水汽远距离输送到内蒙古东南部地区, 东风回流对水汽贡献非常明显; 在内蒙古东南部、 黑龙江、 吉林、 辽宁省(110°E -130°E, 42°N -49°N)区域内850 hPa有≥12 m·s-1偏东风低空急流, 中心值高达24 m·s-1, 20:00前后冷垫达到最强; 同时南北向的大兴安岭山脉对低层偏东气流有阻挡作用, 冷空气在大兴安岭东麓长时间堆积滞留; 低层冷垫厚度增加, 从而迫使中高层暖湿气流爬升高度增大, 加强了垂直上升运动(宋晓辉等, 2013), 水汽在上升过程中更容易凝结成云, 导致降雪强度加大, 对降雪有增幅作用。
图3 2020年11月18日20:00海平面气压场(黑色实线, 单位: hPa)和850 hPa风场(风羽, 单位: m·s -1

Fig.3 Sea surface pressure field (black solid line, unit: hPa) and wind field (wind barb, unit: m·s-1)at 850 hPa at 20:00 in 18 November 2020

综上所述: 造成这次内蒙古初冬极端大暴雪的主要环流背景是中高层西南暖湿空气沿低层冷垫爬升产生锋生, 是一次典型的回流性降雪天气; 大暴雪区位于700 hPa槽前西南暖湿急流、 700 hPa暖式切变线辐合区、 850 hPa偏东风低空急流、 地面锋区重叠之处。

4 回流暴雪及冻雨雷达回波特征

大尺度环流形势已经表明此次极端暴雪是西南暖湿气流在冷垫上爬升造成, 雷达回波是否有这些特征?在降雪方面特别是北方纯雪, 实现不了分钟观测, 我们能否通过雷达实时监测弥补普通观测的不足, 及时发布暴雪预警?下面对内蒙古东南部赤峰和通辽两部多普勒雷达进行分析。

4.1 雷达基本径向速度—回流特征

赤峰市多普勒雷达2.4°仰角基本径向速度(27号产品, 雷达探测距离为250 km, 1个距离圈间距为50 km) 07:27[图4(a)]低层为东北风, 高层为西南风, 西南和东北方向100 km附近均有急流, 入流和出流速度均达到15~20 m·s -1, 雷达基本径向速度显示低层为冷垫, 高层为暖湿气流, 暖湿气流在冷垫上爬升; 且辐合大于辐散, 有利于降雪的发展, 这种回波形势一直维持到11:04(图略); 11:04 -15:35(图略)东北风继续加强, 而西南暖湿气流面积加大但强度有所减弱, 15:53[图4(b)]东北风和西南暖湿气流范围和强度均明显增大, 东北风冷垫有低空急流出现, 风速达15~20 m·s -1, 西南方向100 km附近入流仍为15~20 m·s -1, 东北方向100 km附近出流速度达到20~27 m·s -1, 冷暖空气同时加强, 辐合仍大于辐散, 降雪开始加大; 19:01[图4(c)]降雪达到最强时段, 东北风进一步加强, 径向速度图上低层出现一对正负速度中心的东北风风速核, 形成强的“牛眼”结构, “牛眼”结构代表了边界层出现急流核, 东北风低空急流入流和出流速度均高达20~27 m·s -1; 22:04[图4(d)]东北风继续发展, 仍有强的“牛眼”结构, 而西南气流逐渐减弱, 辐散大于辐合, 此时强降雪开始减弱; 19日08:34[图4(e)]东北风逐渐转为偏北风, “牛眼”结构继续维持, 但冷空气占主导地位, 降雪迅速减弱; 19日11:01[图4(f)]整层全部为偏北风控制, 降雪结束。
图4 2020年11月18 -19日赤峰市多普勒雷达2.4°仰角基本径向速度(单位: m·s-1

Fig.4 The average radial velocity of Chifeng Doppler radar products at 2.4° on 18 -19 November, 2020.Unit: m·s-1

综上所述, 基本径向速度回波低层有明显东北急流构成的冷垫, 西南暖湿急流在冷垫上爬升, 雷达基本径向速度图上强降雪与西南暖湿急流和东北风急流两者同时加强有很好的对应关系, 同时也反映了西南暖湿急流在冷垫上爬升的天气学结构特征; 通过多普勒雷达实时监测弥补普通降雪短时观测的不足, 这对暴雪短时预报预警有非常好的指示意义。

4.2 雷达反射率因子—强带状回波

在这次降雪过程中通辽市既有特大暴雪又有冻雨, 对通辽市多普勒雷达组合反射率(38号产品, 雷达探测距离为250 km, 1个距离圈间距为50 km)进行分析。10:32(略)通辽市西南方向有大片混合性降雪回波生成并不断发展, 12:56(略)雷达回波图上200 km范围内均有混合降雪回波, 普遍强度为20~40 dBz, 且一直维持到16:59(略), 17:16[图5(a)]回波范围扩大到250 km, 强度最强达到45~50 dBz, 17:52[图5(b)]大范围混合降雪回波上镶嵌了一条强度为45~50 dBz带状回波, 降雪带状回波和暖式切变线相对应, 强带状回波一直维持到20:20(略), 20:28[图5(c)]带状回波中心强度增大至50~55 dBz, 相当于夏季较强的降水回波, 这在干旱半干旱的内蒙古还是较为少见; 为什么20:00前后时段产生如此强的回波?带状回波基本为西南-东北向, 和西南暖湿急流移动方向一致, 带状回波通常和暖式切变线的位置密切相关; 在第3节分析指出700 hPa西南风急流是此次暴雪过程的主要水汽输送通道, 20:00前后700 hPa西南风急流和暖式切变辐合达到最强阶段, 这也是20:00前后带状回波达到50~55 dBz的重要原因; 20:28以后带状回波虽然维持但逐渐减弱, 19日00:33[图5(d)] 带状回波基本消失, 回波范围也逐渐减小, 降雪强度也随之开始减弱; 多普勒雷达组合反射率强弱变化和降雪大小有很好的对应关系。
图5 2020年11月18 -19日通辽市多普勒雷达组合反射率(单位: dBz)

Fig.5 The composite reflectivity of Tongliao Doppler radar products from 18 to 19 November 2020.Unit: dBz

4.3 雷达反射率因子—零度层亮带

对通辽市多普勒雷达反射率因子(19号产品, 雷达探测距离为60 km, 1个距离圈间距为20 km)进行分析, 发现1.5°~6.0°不同仰角均出现零度层亮带, 而高仰角更为清晰。零度层亮带是层状云连续性降水的一个重要特征, 它反映了层状云降水中存在冰水转换区, 即亮带上面的降水粒子以冰晶为主, 通过亮带后, 全部转化成水滴(张培昌等, 2001)。11:20[图6(a)] 6.0°仰角回波图上20 km范围内有层状云降雪回波, 10 km附近有零度层亮带, 强度不强, 13:43[图6(b)] 零度层亮带逐渐加强, 强度为30~35 dBz, 没有完全闭合, 15:44[图6(c)]零度层亮带完全闭合, 达到最强阶段, 且一直维持到16:38[图6(d)], 随后逐渐减弱, 17:10[图6(e)]零度层亮带消失。5.3节将对通辽18日08:00探空图[图9(a)]和地面温度分析, 通辽探空有融化层、 融化层以下温度以及地面温度均<0 ℃, 表明过冷却水滴降落到地面相态为冻雨, 这也和通辽市午后出现冻雨相吻合。
图6 2020年11月18日通辽市多普勒雷达6.0°仰角反射率因子(单位: dBz)

Fig.6 The reflectivity factor of Tongliao Doppler radar products at 6.0° in November 18, 2020.Unit: dBz

图7 2020年11月18日通辽市08:00、 20:00温度对数压力图

Fig.7 Temperature logarithmic pressure graph at Tongliao station at 08:00, 20:00 in 18 November 2020

图8 2020年11月18日08:00至19日20:00特大暴雪中心(42.8°N, 120.6°E) 假相当位温(黑线, 单位: K)和风场(风羽, 单位: m·s-1) (a)、 散度(黑线, 单位: ×10-6 s-1)和垂直速度(阴影, 单位: ×10-1 Pa·s-1) (b)时序图

Fig.8 Timing diagram of potential pseudo-equivalent temperature (black line, unit: K) and wind field (wind barb, unit: m·s 1) (a) and divergence (black line, unit: ×10-6 s-1), vertical speed (shaded, unit: ×10-1 Pa·s-1) (b) in blizzard center (42.8°N, 120.6°E) from 08:00 on 18 to 20:00 on 19 November 2020

图9 2020年11月18日20:00大气可降雪量(实线, 单位: mm)和850 hPa比湿(虚线, 单位: g·kg-1)(a)、 18日08:00至19日20:00特大暴雪中心(42.8°N, 120.6°E)水汽通量散度(黑线, 水汽通量散度, 单位: ×10-9 s-1)和比湿(阴影, 单位: g·kg-1)时序图(b)

Fig.9 Timing diagram of atmospheric precipitable amount (contour, unit: mm) and specific humidity (black dotted line, unit: g·kg-1) at 850 hPa (a), water vapor flux divergence (black line, unit: ×10-9 s-1) and specific humidity (black dotted line, unit: g·kg-1) in blizzard center (42.8°N, 120.6°E) from 08:00 on 18 to 20:00 on 19(b) November 2020

5 回流大暴雪环境条件

是什么环境条件诱发了极端大暴雪天气产生?下面从动力、 水汽以及大气层结三个方面进行分析。

5.1 特殊大气层结—冻雨和雪

暴雪发生适宜温度(温度层结)是缺一不可的必备条件。研究表明温度垂直廓线对降水相态起主导作用(Bocchieri, 1980Pierre, 2000)。
国家气象站通辽站(54135)是此次极端暴雪强降雪中心之一, 过程降雪量为38.4 mm, 位列该过程降雪的第三位, 同时该站出现了内蒙古地区罕见的冻雨天气, 因此分析通辽探空资料具有特殊的代表意义。
从18日08:00和20:00通辽探空图(图7)可以看出, 湿层非常深厚, 抬升凝结高度在925 hPa以下, 非常有利于高效率降雪的发生。
18日08:00温度层结[图7(a)]从高层到低层呈现冰相层-融化层-逆温层-冰相层多种特殊层结并存的特点, 总体呈现791 hPa(-0.8 ℃)以上中高层温度<0 ℃为冰相层, 有冰晶或雪花产生, 826(1.1 ℃)~870 hPa(2.5 ℃)温度>0 ℃为融化层, 融化层层结曲线有明显表征冻雨的“象鼻”结构, 冰晶或雪花在融化层融化成水滴; 937(-4.3 ℃)~870 hPa(2.5 ℃)为逆温层, 逆温跨度高达6.8 ℃, 925 hPa与850 hPa逆温强度在一定程度上可以指示冷暖交汇的强度(吴庆梅等, 2014), 冷暖空气剧烈碰撞; 在925 hPa(-2.5 ℃)以下层结又进入冰相层, 水滴迅速变为过冷却水, 降落在地面形成冻雨, 这也进一步佐证通辽雷达零度层亮带为冻雨回波以及出现冻雨的重要成因。
这次过程中冻雨形成的天气学成因是什么?也就是什么因素导致形成了有利于冻雨形成的微物理条件?
首先, 18日08:00 [图7(a)]探空图700 hPa有西南暖湿气流且气温>0 ℃, 而地面有东北风冷空气且温度<0 ℃, 中高层西南暖湿气流在冷垫爬升, 是形成这次冻雨的天气学成因之一。其次, 冻雨形成还需要特殊的大气垂直结构即上下冷、 中间暖, 即冰晶层、 暖层、 冷层垂直结构, 逆温层也是冻雨形成的必要条件。18日08:00探空图700~500 hPa气温随高度递减, 500 hPa温度为-10 ℃, 形成冰晶气层; 700 hPa附近气温>0 ℃有融化层, 冰晶在下落过程中进入暖层(即融化层)融化成水滴; 暖层下面的冷层即逆温层温度<0 ℃, 水滴进入逆温层, 温度随着高度降低不断下降, 水滴经过该层冷却到0 ℃以下, 过冷却水滴落入地面形成冻雨。
18日20:00温度层结[图7(b)]与08:00有所不同, 从高层到低层呈现冰相层-中性层-逆温层-冰相层结构, 700 hPa(-1.2 ℃)以上中高层温度<0 ℃为冰相层, 723(-0.6 ℃)~850 hPa(-0.3 ℃)温度随高度几乎没有变化, 为中性层, 温度<0 ℃(接近0 ℃), 冰晶或雪花几乎没有融化, 850(-0.6 ℃)~907 hPa(-6.7 ℃)为逆温层, 逆温跨度高达7.7 ℃; 而地面温度(-3.0 ℃) <0 ℃, 因此冰晶或雪花在降落过程中, 经过逆温层, 温度随高度下降而下降, 最后到达地面均是以雪的形态降落的, 这也和实况20:00之后通辽降水相态为雪非常吻合。

5.2 持续的上升运动和锋生

暴雪发生时, 需要强的上升运动, 使水汽达到一定高度, 凝结产生降雪。
从18日08:00[图7(a)]和20:00[图7(b)]通辽市探空图, 地面至850 hPa层结盛行东北风, 一直有冷垫维持, 850 hPa以上层结均为西南风, 风随高度顺转, 且随高度逐渐增强, 有深厚暖平流; 温度层结为“下冷上暖”, 西南暖湿气流在东北风冷垫上爬升。925 hPa超低空东北急流, 风速从08:00的12 m·s-1加大到20:00的27 m·s-1, 850 hPa东北风更是从08:00的2 m·s-1加大到20:00的19 m·s-1, 低层冷垫深厚且强度非常强; 在冷垫以上层结为暖湿空气, 700 hPa西南风仅有4~6 m·s-1; 0~6 km的风切变高达24 m·s-1, 为强垂直风切变, 低层东北风急流与中层西南气流形成显著的垂直风切变和温度差异, 动力锋生机制在回流暴雪中发挥了重要作用, 这也是通辽市产生特大暴雪的重要原因之一。
从18日14:00 -20:00在925~850 hPa假相当位温[图8(a)]一直有密集锋区维持, 低层东北风冷垫与中层西南暖湿气流同时加强为急流, 垂直风切变非常大, 冷暖空气剧烈碰撞, 有利于冰晶或过冷却水滴在下降过程迅速凝结成冻雨或雪, 降雪达到最强时段, 18日20:00至19日02:00冷垫继续加强, 但暖湿气流开始减弱, 锋区也略微北抬, 降雪比18日20:00有所减弱, 19日08:00之后冷空气占据中低层, 锋区继续北抬且结构松散, 降雪迅速减弱到消失。总之, 降雪期间动力锋生一直长时间维持, 这是内蒙古产生极端暴雪的重要原因, 动力锋生与强降雪成正相关性, 动力锋生最强时刻也是强降雪爆发阶段。
18日08:00 -14:00[图8(b)]特大暴雪中心奈曼旗(42.8°N, 120.6°E)散度和垂直速度相互配置并不是特别有利于降雪, 低层辐合高层辐散, 低层上升运动比较弱, 08:00 -14:00该站降雪偏弱; 14:00上升运动和散度辐合逐渐加强, 20:00前后散度辐合高度从地面一直延伸至500 hPa, 500 hPa以上层结为散度辐散, 中低层散度辐合高层辐散, 有利于上升运动的发展; 而垂直速度整层均为上升运动, 这也是20:00前后产生强降雪的重要原因之一; 19日02:00 -08:00散度辐合高度下降至800 hPa以下层结, 散度辐散高度由原来的400~300 hPa也下降至750~600 hPa, 辐合辐散强度也明显比18日20:00前后减弱, 但仍维持着低层辐合中高层辐散, 19日02:00上升运动高度却迅速下降至700 hPa以下, 为什么会迅速下降呢?有可能是两个方面的原因, 一是辐合辐散强度减弱, 上升运动随之减弱, 另一个原因是随着18日20:00前后降雪强度加大, 雪在下落过程有拖曳作用, 使上升运动减弱; 19日02:00之后降雪进一步减弱, 散度和垂直速度的强度和降雪的大小有良好的对应关系。

5.3 异常的水汽

水汽在极端降水中的重要作用是毋庸置疑的(孙军等, 2012), 这次大暴雪过程离不开异常充沛的水汽输送。
11月18日20:00[图9(a)]在内蒙古中东部850 hPa比湿≥2 g·kg-1, 东南部比湿在3 g·kg-1; 大气可降水量代表整层大气的水汽情况, 内蒙古中东部大气可降水量均≥10 mm, 东南部地区大气可降水量更是高达20~25 mm, 整层大气可降水量及变化可作为降雪预报的重要参考(张南等, 2014)。
对内蒙古东南部特大暴雪中心(42.8°N, 120.6°E)水汽通量散度和比湿进行分析[图9(b)], 18日08:00比湿和水汽通量散度配置并不好, 14:00之后中低层水汽通量均为辐合, 比湿也逐渐加大, 中低层比湿大部分均在4 g·kg-1, 600 hPa附近比湿为6 g·kg-1, 4 g·kg-1是内蒙古地区冬季暴雪的比湿预报指标; 18日20:00前后500 hPa以下层结基本为水汽通量辐合, 同时比湿达到最强阶段, 850 hPa比湿6~8 g·kg-1, 最大值≥8 g·kg-1, 这在内蒙古冬季降雪极为罕见; 较高的环境相对湿度和湿层较厚, 以及与其相关的物理量异常, 可作为判断极端降水的重要因子(徐珺等, 2014)。18日20:00之后中层水汽迅速减弱, 水汽辐合和高湿区主要集中在850 hPa附近, 降雪开始减弱, 19日08:00之后随后逐渐消失。异常的水汽条件决定了极端降雪的发生(谌芸等, 2012)。

6 结 论

内蒙古地区发生冷垫背景下的极端暴雪较少, 同时出现冻雨更为少见, 本文除了对回流暴雪和冻雨成因机制进行了分析, 更侧重分析了雷达反射率特别是基本径向速度在暴雪中的应用, 通过多普勒雷达实时监测弥补了普通降雪短时观测的不足, 这对暴雪短时预报预警有非常好指示意义。研究结论如下:
(1) 中高空西南暖湿空气沿低层冷垫爬升产生锋生, 是一次典型的回流性降雪天气; 大暴雪位于700 hPa暖式切变线辐合区、 850 hPa偏东风低空急流、 地面偏东风锋区重叠之处。
(2) 500 hPa东移高空槽前暖湿气流、 700 hPa西南急流以及暖式切变线为强降雪提供了丰富的水汽和动力辐合抬升机制。
(3) 强降雪阶段, 中低层水汽几乎接近饱和状态, 深厚湿层有利于高效率强降雪的产生。
(4) 强降雪阶段, 从低层到高层均为持续上升运动, 低层东北风急流与中高层西南急流形成强垂直风切变和温度差, 动力锋生在回流暴雪中作用显著; 降雪期间动力锋生一直长时间维持, 动力锋生与强降雪成正相关性, 动力锋生最强时刻也是强降雪爆发阶段。
(5) 探空图“下干上湿”, 有冰相层、 逆温层、 融化层、 中性层等多种特殊层结, 并有明显表征冻雨的“象鼻”层结曲线, 有冻雨转雪相态转换过程。
(6) 雷达反射率有零度层亮带, 50~55 dBz带状回波; 基本径向速度低层长时间维持着东北急流构成的冷垫, 并有一对正负速度中心的风速核, 形成“牛眼”结构, “牛眼”结构代表边界层出现急流核; 雷达基本径向速度图很好地反映了西南暖湿急流在冷垫上爬升这一天气学特征, 这对暴雪实时预报和预警有很好的指导意义。

参考文献

null
Bocchieri J R1980.The objective use of upper air sounding to specify precipitation type[J].Monthly Weather Review8(5): 596-603.
null
Crisp CA Lewis J M1992.Return flow in the Gulf of Mexico.Part I: A classificatory approach with a global historical perspective[J].Journal of Applied Meteorology31(8): 868-881.DOI: 10.7519/j.issn , 1000-0526.2012.10.012.
null
Pierre B2000.A method to determine precipitation types[J].Weather and Forecasting15(5): 583-592.
null
谌芸, 孙军, 徐珺, 等, 2012.北京721特大暴雨极端性分析及思考(一)观测分析及思考[J].气象38(10): 1255-1266.
null
何群英, 孙一昕, 于莉莉, 2011.渤海西岸边界层东风与暴雪天气的机理分析[J].气象与环境学报27(4): 66-71.DOI: 10. 3969/j.issn.1673-503X.2017.01.004 .
null
侯瑞钦, 张迎新, 范俊红, 等, 2011.2009年深秋河北省特大暴雪天气成因分析[J].气象37(11): 1352-1359.DOI: 10.7519/j.issn. 1000-0526.2011.11.004 .
null
胡顺起, 曹张驰, 陈滔, 2017.山东省南部一次极端特大暴雪过程诊断分析[J].高原气象36(4): 984-992.DOI: 10.7522/j.issn. 1000-0534.2016.00134 .
null
孔凡超, 李江波, 张迎新, 等, 2015.华北冷季一次大范围雷暴与暴雪共存天气过程分析[J].气象41(7): 833-841.DOI: 10. 7519/j.issn.1000-0526.2015.07.005 .
null
李青春, 程丛兰, 高华, 等, 2011.北京一次冬季回流暴雪天气过程的数值分析[J].气象37(11): 1380-1388.DOI: 10.7519/j.issn. 1000-0526.2011.11.008 .
null
李一平, 德勒格日玛, 江靖, 2015.内蒙古雨雪转换期强降雪多普勒雷达产品特征[J].干旱区研究32(1): 123-131.DOI: 10. 13866/j.azr.2015.01.18 .
null
孟雪峰, 孙永刚, 姜艳丰, 2012.内蒙古东北部一次致灾大到暴雪天气分析[J].气象38(7): 877-883.DOI: 10.7519/j.issn. 1000-0526.2012.7.014 .
null
秦庆昌, 张琳娜, 于佳, 等, 2019.北京地区两次雨雪转换过程的相态模拟研究[J].高原气象38(5): 1027-1037.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00124 .
null
宋晓辉, 田利庆, 田秀霞, 等, 2013.河北省一次回流暴雪的数值模拟[J].气象与环境学报29(3): 08-14.DOI: 10.3969/j.issn. 1673-503X.2013.03.002 .
null
孙军, 谌芸, 杨舒楠, 等, 2012.北京721特大暴雨极端性分析及思考(二)极端性降雪成因初探及思考[J].气象38(10): 1267-1277.DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2012.10.013 .
null
吴庆梅, 杨波, 王国荣, 2014.北京地区一次回流暴雪过程的锋区特征分析[J].高原气象33(2): 539-547.547.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00194 .
null
徐珺, 杨舒楠, 孙军, 等, 2014.北方一次暖区大暴雨强降雪成因探讨[J].气象40(12): 1455-1463.DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2014.12.004 .
null
张桂莲, 姚晓娟, 孙永刚, 等, 2018.大兴安岭地区的一次暴雪天气诊断分析[J].气象科技46(5): 971-978.DOI: 10.19517/j.1671-6345.20170542 .
null
张南, 张迎新, 申莉莉, 2014.冀中南一次春季雨雪过程诊断与预报技术分析[J].干旱气象32(4): 622-628.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0693 .
null
张培昌, 杜秉玉, 戴铁丕, 等, 2001.雷达气象学[M].北京: 气象出版社, 315.
null
张芹, 丁治英, 杨成芳, 等, 2015.山东一次历史极端降雪过程的诊断分析[J].高原气象34(4): 1131-1138.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00009 .
null
张迎新, 侯瑞钦, 张守保, 2007.回流暴雪过程的诊断分析和数值试验[J].气象33(9): 25-32.DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2007.09.004 .
null
赵桂香, 2014.诊断分析技术在山西强降雪预报中的应用[J].高原气象33(3): 838-847.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00199 .
null
郑丽娜, 杨成芳, 刘 畅, 2016.山东冬半年回流降雪形势特征及相关降雪相态[J].高原气象35(2): 520-527.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00055 .
null
郑怡, 杨成芳, 郭俊建, 等, 2019.一次罕见的山东半岛西部海效应暴雪过程的特征及机理研究[J].高原气象38(5): 1017-1026.DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00140 .
null
周晋红, 马鸿青, 孙少雄, 等, 2014.山西一次低空偏东风暴雪天气结构特征分析[J].高原气象33(5): 1305-1414.DOI: 10. 7522/j.issn.1000-0534.2013.00087 .
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