2017, Vol. 36
2. 国家气象中心, 北京 100081
1983年4月29日, 黑龙江省的齐齐哈尔、大庆、伊春、黑河、绥化、合江和大兴安岭等36个县市先后遭到暴风雪的袭击, 其来势猛, 强度大, 范围广, 持续时间长, 为近百年来罕见。杜蒙、讷河和大庆等地最大风力9~10级, 齐齐哈尔市出现严重的电线积冰, 其中讷河、富裕、齐齐哈尔积冰直径为56~62 mm, 依安县淹地240.6 km2。2007年3月3—5日辽宁省出现了百年罕见的暴雪和大风天气, 最大降水量78 mm, 最大瞬时风速出现在大连旅顺市, 达32.9 m·s-1, 山东渤海湾和莱洲湾出现风暴潮。辽宁全省农业、渔业遭受的损失最为严重。东北特钢大连基地等大型骨干企业停产, 部分企业厂房坍塌、设备及原燃材料受损严重。暴雪伴随大风致使各种事故频发, 机场和高速公路全线封闭、铁路中断运行、沿海所有客、货运输船舶全部停航。据气象部门不完全统计, 全省经济损失达145.9亿元。
大范围的暴风雪天气一般出现在我国的内蒙古、黑龙江省中西部和新疆北部, 其中内蒙古呼伦贝尔市西部牧区以及新疆阿勒泰和塔城地区是局地性暴风雪天气频发的地带; 最猛烈的、大范围的、持续性的暴风雪天气大都发生在春季。当暴风雪天气来临时, 高降雪率伴随强风, 加上风向转变带来的扰动, 使大范围地区的能见度接近于零; 突发的暴风雪天气会使在外的放牧人员及畜群迷失方向, 造成严重的冻害。春冬季节突发的暴风雪天气是中国北方牧区最严重的一种自然灾害。
对美国东海岸18个强降雪 (伴随强风和降温) 天气事件研究表明 (Uccellini and Kocin, 1987), 强降雪天气的地面气压场、高空风和位势高度场具有相似的特征。沿海岸向东北方向移动的地面气旋迅速加深, 强降雪出现在气旋的北部和西北部, 位于高空槽下风方高空急流出口区, 高度场等值线横向疏散; 强降雪天气与两支独立的高空急流有关, 暴风雪天气区通常位于南支急流出口区和北支急流入口区之间。研究表明 (Hovanec and Horn, 1975), 美国西部科罗拉多州春季的气旋多数在高空急流出口区左侧发展。非地转风在高空急流出口区 (入口区) 左侧辐散 (辐合), 在高空急流出口区 (入口区) 右侧辐合 (辐散), 沿着出口区和入口区形成直接垂直环流和间接垂直环流 (寿绍文, 1993)。Uccelinni and Kocin (1987)研究表明, 与两支独立的高空急流相联系的垂直环流维持了地面气旋和反气旋的发展, 使强降雪能够持续, 高空急流出口区左侧和入口区右侧的正 (气旋性) 涡度平流与辐散相联系, 风速随高度增长, 以及流线疏散能够使辐散加强。
暴 (风) 雪天气通常与高空急流密切相关。王文辉和徐祥德 (1979)提出了大雪的中期预报模式, 包括出现中期增温, 同时亚洲西风环流指数突增。内蒙古地区的暴风雪天气几乎都有高空急流出现, 暴风雪发生在高空急流出口区左侧 (孟雪峰, 2007); 新疆地区的暴雪天气通常出现在高空急流入口区右后方 (赵俊荣等, 2013; 杨霞等, 2015; 李如琦等, 2015; 庄晓翠等, 2016)。宫德吉和李彰俊 (2001)研究表明, 内蒙古地区的暴风雪天气与地面蒙古气旋急剧加深有关。Sanders and Gyakum (1980)最早将60°N上24 h内气旋中心海平面气压平均下降至少1 hPa·h-1爆发性加深的气旋称为“气象炸弹”, 下降率标准随纬度变化调整为sinϕ/sin60° hPa·h-1, ϕ为气旋中心经过路径的平均纬度, 距离爆发性气旋中心110 km附近的强风天气, 能给航海和沿海地区人的生命安全带来很大的威胁。爆发性气旋发展与高空急流出口区北侧的动力辐散有关 (李长青和丁一汇, 1989); 爆发性气旋的大风动量有明显的下传 (孙淑清和高守亭, 1993; 黄彬等, 2011; 查贲等, 2014)。
比较以往的研究, 本文深入讨论了暴风雪天气区与高空急流的位置关系, 高空急流的结构特点, 急流出口区和入口区附近散度、涡度、湿度和上升速度特征, 以及单站的高空风特征, 初步明确了大范围持续性暴风雪天气发生的环境条件; 又通过具体分析暴风雪天气过程中的气压场和地面风向风速的变化, 以及降水分布的情况, 深入讨论了暴风雪天气出现的时间、地点和强度特征, 从而有助于提高对暴风雪天气的认知能力, 对业务预报具有重要意义。
2 使用资料说明 2.1 观测资料观测资料主要包括每6 h的海平面气压资料 (范围为全球、黑龙江省、吉林省); 12 h降水量, 1 h降雪量的观测资料; 10 min平均的地面风向风速, 包括日最大风速, 逐时最大风速及定时观测的地面风资料和探空资料。
2.2 格点资料NNRP (NCEP/NCAR) 再分析的每6 h全球GRIB1格点资料, 主要包括: (1) pgb. f00资料, 水平方向2.5°×2.5°(144×73经度/纬度), 垂直方向17个气压层。选用的物理量场有:位势高度, 海平面气压, 水平风速, 垂直速度, 相对湿度, 对流层顶高度等。(2) grbsanl资料, 水平方向1.875°×1.904°(192×94经度/纬度), 垂直方向28个层。选用的物理量场有:相对涡度, 相对散度, 水平风速。(3) 云顶和云底气压高度层资料, 水平方向1.875°×1.904°(192×94经度/纬度)。
NCEP再分析的每6 h全球格点资料 (GFS-FNL)。水平分辨率1°×1°, 垂直方向27层。选用的物理量场有:海平面气压。
WRF v2.2.1中尺度数值模拟资料, 粗网格水平格距30 km, 水平方向60×73个格点 (纬向×经向), 细网格水平格距6 km, 水平方向110×135个格点, 垂直方向27层, 模式顶高度50 hPa。选用的物理量场有粗网格的水平风速和垂直速度。
3 1983年4月29日黑龙江省暴风雪天气分析 3.1 地面气压、降水和风实况1983年4月28—29日, 地面气旋中心经吉林省进入黑龙江省 (图 1)。28日14:00至29日14:00(北京时, 下同), 地面气旋中心海平面气压下降29 hPa, 平均1.2 hPa·h-1(NNRP 2.5°格点资料分析为18 hPa, 平均0.75 hPa·h-1)(表 1)。地面观测的12 h最大降水量出现在28日20:00至29日08:00(图 2), 对应单站气压下降最迅速的时段, 大范围地区海平面气压持续下降大于6 hPa·(6 h)-1(图 1c, d)。气旋西部和北部地区气压持续下降大于20 hPa·(12h)-1, 这些地区经历了最严重的暴风雪天气。29日14:00, 气旋中心的气压继续下降, 气旋底部的降水减弱, 出现大范围的正变压 (图 1e)。地面气旋的西北方向有地面高压发展 (图略)。
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图 1 1983年4月28日14:00 (a)、20:00 (b)、29日02:00 (c)、29日08:00 (d)、29日14:00 (e) 的海平面气压场观测值 (单位: hPa) 黑点表示站点位置, 加粗的黑点代表气压下降≥6 hPa·(6h)-1的站点, 圆圈表示气压上升持续≥3 hPa·(6h)-1的站点 Figure 1 Analysis of the observed sea level pressure at 14:00 (a) and 20:00 on 28(b), at 02:00 (c), 08:00 (d) and 14:00 on 29 (e) April 1983. Unit: hPa. The black spots represent the surface stations, the heavier spotes indicate stations location with sustained pressure fall at least 6 hPa·(6h)-1, and the circles for which increased at least 3 hPa·(6h)-1 |
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表 1 地面观测气旋中心的海平面气压及纬度变化 Table 1 Sea level pressure of the central cyclone and associated latitude from observation |
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图 2 1983年4月28日20:00至29日08:00 (a), 29日08:00—20:00 (b) 的12 h地面观测降水量 (单位: mm) 黑点表示站点位置 Figure 2 Observation of accumulated 12 hours precipitation from 20:00 on 28 to 08:00 on 29 (a), and from 08:00 to 20:00 on 29 (b) April 1983. Unit: mm. The black spots represent the surface stations |
28日20:00至29日20:00, 大部分地面观测站的最大10 min平均风速达到6级以上, 7级以上的地面大风构成了强的涡旋形状, 9~10级大风出现在气旋中心的东西两侧 (图 3)。讷河记录到电杆倒伏, 大庆有不计其数的大树被连根拔起, 这种情况通常出现在与对流云相联系的天气中。齐齐哈尔 (123.92°E, 47.38°N) 观测到蔽光高层云; NNRP格点资料对云的6 h平均分析结果表明, 高云云顶的最大平均高度约在220 hPa对流层顶附近, 中云顶高度350 hPa, 低云底高度900~850 hPa。
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图 3 1983年4月28日20:00至29日20:00地面观测的最大10 min平均风速 (风羽) 和风速等值线 (实线和阴影, 单位: m·s-1) 分析 Figure 3 The observed max 10 minutes mean surface wind (barb) and isotachs (solid line and the shaded, unit: m·s-1) analysis from 20:00 on 28 to 20:00 on 29 April 1983 |
大风集中出现在29日04:00—06:00, 08:00, 11:00和15:00—16:00(图 4), 9~10级东南风出现在气旋中心的东南方向约300 km, 气旋中心西北方向110 km附近出现7—9的偏北大风, 12 h降水量达到20~35 mm, 是暴风雪天气最猛烈的地方。4月28日20:00至29日20:00, 地面10 min平均风速最大日值及其风向以及测站整点观测的风速风向时间序列图 (5a、b) 表明, 9级以上的地面强风有4个站出现在29日02:00—08:26, 1个站出现在11: 40, 在地面气旋加深最迅速的时期, 地面风速急剧增长。北风风向为偏北转为西北 (图 5a); 东南风在逐渐减弱的过程中, 风向转为西南, 表明地面西北气流的扩散会导致南风减弱 (图 5b)。气旋中心附近, 地面大风持续的时间较长 (图 5c); 中午以后出现的大风波动特征明显, 风速与风向同步变化 (图 5d)。
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图 4 1983年4月28日20:00至29日20:00地面最大10 min平均风速的观测时间 “D02”和“D08”分别表示29日02:00和08:00地面气旋中心位置 Figure 4 Observing time of the max 10 minutes mean surface wind from 20:00 on 28 to 20:00 on 29 April 1983. "D02" and "D08" indicate the cyclone center location at 02:00 and 08:00 on 29, respectively |
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图 5 1983年4月28日20:00至29日20:00地面10 min平均风速最大日值及其风向以及测站整点观测的风速风向时间序列 0°表示正北方向, 风向的正值表示顺时针旋转所偏离的角度, 负值表示逆时针旋转所偏离的角度 Figure 5 The observed daily max 10 minutes mean wind and the mean surface wind per hour from 20:00 on 28 to 20:00 on 29 April 1983.0° represent the direction of north, positive values represent for angles magnitude rotating clockwisely, and negtive values for which rotating anticlockwisely |
1983年4月28日20:00齐齐哈尔站 (123.92°E, 47.38°N) 的探空 (图 6) 表明, 对流层风随高度顺转, 对流层整层增暖。近地面偏北风向上2~3 km转为偏南风, 表明对流层低层存在显著的风向切变; 对流层2 km以上风速随高度增长, 有显著的风速垂直切变。垂直风切变的存在, 有利于发展对流和形成垂直环流。
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图 6 1983年4月28日20:00齐齐哈尔站 (123.92°E, 47.38°N) 的高空风曲线分布 高度为距离海平面的公里数 Figure 6 Hodograph ofrawinsonde winds above sea level for Qiqihaer (123.92°E, 47.38°N) at 20:00 on 28 April 1983. The height denotes kilometers from sea level |
地面气旋的加深发展, 需要其上方大气质量有净的流出, 高层辐散的强度大于低层辐合 (Uccellini and Kocin, 1987)。4月29日02:00, 300 hPa高度层有两个急流中心 (图 7a)。南支急流核在300 hPa高度层, 中心最大风速为65~70 m·s-1, 风速大于45 m·s-1的急流区域从500 hPa高度层伸展至100 hPa; 北支急流较弱, 中心最大风速为45~55 m·s-1, 位于400~300 hPa高度层。黑龙江省的暴风雪天气出现在300 hPa高空槽前等高线横向疏散的地方, 位于南支高空急流出口区左侧和北支高空急流入口区右侧, 是高空辐散加强的位置, 气旋爆发性发展。29日08:00, 南支急流有明显的加强和北上 (图 7b), 在南北两支高空急流之间的区域, 地面气旋进一步加深发展。29日14:00, 南支急流移向东南, 仍在加强, 北支急流移向东北, 强度减弱, 两支急流之间的距离拉远 (图 7c), 黑龙江省位于南支急流出口区左侧, 地面气旋中心气压继续下降, 气旋底部出现明显的正变压区。
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图 7 1983年4月29日02:00 (a)、08:00 (b)、14:00 (c) 300 hPa位势高度 (实线, 单位: dagpm) 和风速 (阴影区, 单位: m·s-1) 分析 图 7a中圆点表示剖面经过的格点位置, 字母“D”表示地面气旋中心位置 Figure 7 Analysis of 300 hPa geopotential height (solid line, unit: dagpm) and isotachs (the shaded, unit: m·s-1) at 02:00 (a), 08:00 (b), 14:00 (c) on 29 April 1983. In Fig. 7a, the black dots direct the cross section, capital "D" indicates the associated surface cyclone center |
4月29日02:00, 300 hPa高空南支急流出口区和北支急流入口区之间气流辐散, 850 hPa气流辐合 (图 8), 辐散辐合中心相对应的区域出现了较强的暴风雪天气。沿图 7a中所示的格点位置做垂直剖面 (图 9), 两支急流中间的位置上高层辐散低层辐合, 辐散中心高度在300 hPa, 辐合出现在850 hPa高度层以下。上升运动由于高层辐散抽吸和低层气流辐合而发展, 上升运动中心高度500~400 hPa, 贯穿整个对流层, 大于90%的高湿度区向上到达300 hPa高度, 干冷空气在北支急流入口区左 (北) 侧下沉 (图 10)。
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图 8 1983年4月29日02:00 300 hPa (a) 和850 hPa (b) 等压面相对散度分析 (单位: 10-4s-1) Figure 8 Relative divergence analysis on 300 hPa (a) and 850 hPa (b) level at 02:00 on 29 April 1983. Unit: 10-4s-1 |
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图 9 1983年4月29日02:00经过图 7a中格点的水平风速 (阴影和点划线, 单位: m·s-1) 和相对散度的垂直剖面 (实线表示辐散, 虚线表示辐合, 等值线间隔0.25×10-4s-1) 分布 Figure 9 Cross section analysis of the horizontal wind speed (the shaded and the dot dash line, units: m·s-1) and relative div-ergence (solid line is for divergence, dash line for conver-gence, with an interval of 0.25×10-4s-1) through the grids as in Fig. 7a at 02:00 on 29 April 1983 |
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图 10 1983年4月29日02:00经过图 7a中格点的水平风速 (粗实线, 单位: m·s-1), 垂直速度 (细实线表示向下为正, 虚线表示向上为负, 单位: Pa·s-1, 等值线间隔为0.1 Pa·s-1) 和相对湿度 (阴影区, 单位: %) 的垂直剖面 Figure 10 The horizontal wind speed (thick solid line, units: m·s-1), pressure vertical velocity (dash line for negative, thin solid line for positive, unit: Pa·s-1, with an interval 0.1 Pa·s-1) and relative humidity (the shaded, unit: %) cross section through grids along the horizontal direction as grids in Fig. 7a at 02:00 on 29 April 1983 |
4月29日02:00, 暴风雪天气区的300 hPa高度层相对涡度等值线密集, 与高空风方向夹角接近90°, 有最大的正涡度平流, 850 hPa高度层进入正涡度中心, 流线与涡度等值线平行 (图 11)。局地涡度的增加意味着该地的位势高度降低, 低压中心上方的上升运动发展 (杨大升等, 1980)。
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图 11 1983年4月29日02:00 300 hPa和850 hPa涡度平流分布实线表示等涡度线 (单位: 10-4s-1), 矢量表示风场 (单位: m·s-1) Figure 11 The 300 hPa and 850 hPa isopleths of relative vorticity (solid line, unit: 10-4s-1) and wind vector (vector, unit: m·s-1) at 02:00 on 29 April 1983. Unit: m·s-1 |
2007年3月4日08:00, 地面气旋中心位于山东半岛附近, 辽宁省位于地面气旋中心区域的北方, 暖锋北侧的冷空气区。4日02:00—08:00, 辽宁省南部地面自动观测站记录的海平面气压下降6 hPa·(6h)-1, 辽东半岛靠近气旋中心附近达到10 hPa·(6h)-1, 辽宁营口大石桥的基反射率显示降水在4日08:00—10:00强度最大 (孙艳辉等, 2015)。使用NNRP 2.5°格点资料分析表明, 4日02:00至5日02:00, 气旋中心海平面气压下降17 hPa (NCEP 1°格点资料的分析结果为16 hPa), 平均0.71 hPa·h-1(表 2)。由于格点资料以观测资料为基础, 当气旋中心位于海上, 观测资料缺乏时, 模式分析的结果可能会低估气旋的强度。
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表 2 NNRP 2.5°格点资料气旋中心的海平面气压及纬度变化 Table 2 Sea level pressure of the central cyclone and associated latitude from NNRP 2.5° reanalysis |
通过2007年3月4日的地面最大10 min平均风速和1 h累计雪量 (图 12) 可以看出, 下雪时的地面最大风力为6~7级, 大部分测站的10 min平均风力小于6级。多数测站的风速在降水趋于结束时达到最大值, 与700 hPa高空槽过境的时间接近, 其中少数站点达到8~9级 (图略)。风速增长的过程中, 风向偏北 (图 13)。因此, 气旋中心外围区域以北的3~5个纬度范围内, 仍有暴雪和强风天气, 风力较气旋中心附近弱。孙艳辉等 (2015)分析了地面自动观测站10 min一次的气压和风速的记录表明, 气压迅速下降时, 风速大幅度增长, 风向有明显的偏转, 北风分量增大。
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图 12 2007年3月4日13:00—14:00 (a), 14:00—15:00 (b), 15:00—16:00 (c) 的地面最大10 min平均风速和1 h累计雪量 (小黑点, 单位: mm) 雪量按照液态降水量来标记 Figure 12 Observed max 10 minutes mean wind speed and 1 hour accumulated snowfall (black dots, unit: mm) for 13:00 14:00 (a), 14:0015:00 (b), 15:0016:00 (c) on 4 March 2007. The snowfall is marked by liquid precipitation |
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图 13 2007年3月3日20:00至5日08:00 3个站点的最大10 min平均风速风向的时间序列 Figure 13 The observed max 10 minutes mean wind velocity and wind direction for 3 stations from 20:00 on 3 to08:00 on 5 March 2007 |
2007年3月4日08:00大连站 (121.63°E, 38.90°N) 的探空 (图 14) 表明, 对流层风随高度顺转, 5~7 km近似为等风速层, 近地面偏北风向上2~3 km转为偏南风, 风速随高度增长, 对流层存在着显著的风向和风速的垂直切变。
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图 14 2007年3月4日08:00大连站的高空风曲线图 高度为距离海平面的公里数 Figure 14 Hodograph of rawinsonde winds above sea level for Dalian at 08:00 on 4 March 2007. The height denotes kilometers from sea level |
从2007年3月4日08:00, 14:00的300 hPa位势高度和风速分析 (图 15) 可以看出, 辽宁省的暴风雪天气同样出现在300 hPa高空槽前等高线横向疏散的地方, 位于南支急流出口区左侧和北支急流入口区右侧, 南支急流位于高空槽底, 急流中心位于槽后, 北支急流在高空槽前。南支急流核心位于30°N, 东西向呈带状, 从对流层中层到100 hPa, 在不同的经度上都有急流分布, 暴风雪天气区位于300~200 hPa的急流出口区北侧, 大于75 m·s-1的风速带东西向跨15个经度; 北支急流核心位于50°N, 急流核位于250 hPa, 大于75 m·s-1的急流东西向长约15个经度, 大于45 m·s-1的大风区从200 hPa向下伸展至对流层中层450 hPa。
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图 15 2007年3月4日08:00 (a), 14:00 (b) 300 hPa位势高度 (实线, 单位: dagpm) 和风速 (阴影区, 单位: m·s-1) 分析 字母“D”表示地面气旋中心位置 Figure 15 Analysis of 300 hPa geopotential height (solid line, unit: dagpm) and isotachs (the shaded, unit: m·s-1) at 08:00 (a), 14:00 (b) on 4 March 2007. Capital "D" indicates the associated surface cyclone center |
沿图 15a的122.5°E做垂直剖面 (图 16), 对流层高层辐散低层辐合出现在南支急流出口区左侧和北支急流入口区右侧, 同样对应着上升运动中心 (图略), 上升运动贯穿整个对流层, 中心高度700~600 hPa, 地面气旋爆发性加深。对流层上层300 hPa高度上有较大的正涡度平流, 850 hPa进入正涡度中心 (图略)。
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图 16 2007年3月4日08:00, 沿122.5°E的水平风速 (阴影和点划线, 单位: m·s-1) 和相对散度 (实线表示辐散, 虚线表示辐合, 等值线间隔0.25×10-4s-1) 的垂直剖面 Figure 16 Cross section analysis along 122.5°E of the horizontal wind speed (the shaded and the dot dash line, units: m·s-1) and relative divergence (solid line is for divergence, dash line for convergence, with an interval of 0.25×10-4s-1) at 08:00 on 4 March 2007 |
应用网络上提供的美国大气探测中心数据分析平台VAPOR (the Visualization and Analysis Platform for Ocean, Atmosphere, and Solar Researchers)(http:\\www.vapor.ucar.edu) 显示GRIB格点资料和WRF模式输出的风速。1983年4月29日08:00, 水平风速为30 m·s-1的等值面在南北两支高空急流之间向下伸展到对流层低层 (图 17)。2007年3月4日08:00, 地面气旋中心附近大于25 m·s-1的地面强风在两支高空急流之间与对流层上层大值风速相连 (图 18), 辽宁省境内是一片相对孤立的大风区。这些三维显示图形说明, 暴风雪天气过程中的地面风动能来源于高空风。
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图 17 1983年4月29日08:00水平风速为30 m·s-1的等值面 (灰色) 分析 Figure 17 The 3D visualization of 30 m·s-1 horizontal velocity isotach analysis at 08:00 on 29 April 1983 |
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图 18 2007年3月4日08:00风速分布情况 (单位: m·s-1)
(a) 面向正北观看, (b) 从东北方向仰视 红色、绿色和蓝色的箭头分别指向显示区域初始点的经向、纬向和垂直方向 Figure 18 The 3D visualization of the wind velocity at 08:00 on 4 March 2007. Unit: m·s-1. (a) view faced to north, (b) view upward from northeast. An arrow colored in red, green or blue represents the direction along longitude, latitude and vertical at the beginning point of the scene area, respectively |
齐齐哈尔站 (图 6) 和大连站 (图 14) 的探空表明暴风雪天气区有暖平流输送和显著的垂直风切变, 上升气流旺盛, 中云顶高度8~9 km, 因此地面风的增长应该参考对流性降水天气的特征。Fujita (1981a)按照地面散度特征将地面强风分为3类, 即龙卷风 (强辐合)、直线风 (零散度) 和下击暴流 (强辐散)。龙卷风和下击暴流通常间隔着分布, 龙卷族和下击暴流族也经常表现出明显的时间周期, 如下击暴流的发生具有70 min的周期, 龙卷具有45 min的周期性特征 (Fujita, 1981b)。
Lemon (1998)研究表明, 当雷达反射率回波出现三体散射长钉时, 有大冰雹降落, 大部分情况下伴发地面狂风; Devies-Jones et al (1978)研究了一次龙卷风扫过后的地面状况, 其中有连续多达6对的地面辐合辐散风场, 破坏性的风主要是西北风, 但是也有贴近地面的暖湿空气入流急流。下击暴流产生的地面强风只在雷达低仰角的近地层被探测到, 业务上通过监测下沉的降水核和有空气辐合进入加速的下沉气流来预测地面大风, 预警时间只有几分钟 (Wilson and Wakimoto, 2001)。这些观测特征说明地面大风同时与冰质点从高空加速下沉以及辐合辐散在垂直方向上交替分布有关。
近年来, 人们在相当多伴随阵锋风的强降水天气事件中发现了中尺度重力波的活动, 它们通常出现在高空急流出口区下方, 对流层低层存在逆温层, 近地面处于暖锋北侧的冷空气区 (Bosart and Sanders, 1986; Bosart and Seimon, 1988; Bosart et al, 1998; Uccellini, 1975; Uccellini and Koch, 1987)。孙艳辉等 (2012, 2015) 研究表明, 高空急流出口区具有显著的切变不稳定和水平辐合辐散, 在急流出口区下方, 水平风速在垂直方向上出现加速和减速的交替分布, 因而造成辐散辐合的交替分布, 对流层上层大气的动能很可能借助于这样的波动机制向下层传递, 使强风最终到达地面, 地面大风中心呈现不连续的跳跃式分布特征。
6 结论(1) 东北地区两次有史以来最猛烈的、大范围的、持续性的暴风雪天气的主要影响系统为爆发性气旋, 24 h内气旋中心海平面气压平均下降1.2 hPa·h-1(观测) 和0.71 hPa·h-1(NNRP格点资料)。黑龙江省的暴风雪天气出现在气旋中心附近的西部和北部, 在地面气旋加深最快的时期, 地面风速急剧增长, 降水强度达到最大。其中气旋中心西偏北方向110 km附近气压梯度最大的位置上, 出现7~9级偏北大风, 降水强度达到20~35 mm·(12h)-1, 是暴风雪天气最猛烈的地方。东南大风出现在气旋中心东南方向, 距离气旋中心约300 km, 随着地面西北气流的扩散, 南风明显减弱。辽宁省暴风雪天气出现在气旋中心外围区域的正北方, 距离气旋中心3~5个纬度, 伴随暴雪的最大风力为6~7级, 大部分测站的风力在降水趋于结束时达到最大。
(2) 暴风雪天气与两支独立的高空急流有关, 在300 hPa南支急流出口区和北支急流入口区之间的非地转风辐散区域, 地面气旋爆发性加深。对应的300 hPa高度层出现辐散中心, 850 hPa高度层以下低层辐合, 强上升运动由于暖湿空气入流和高空辐散抽吸而发展, 辐散辐合相对应的中心区域是暴风雪天气最强的地方。300 hPa高度层有较大的正涡度平流, 850 hPa高度层等涡度线与流线平行。
(3) 对流层风随高度顺转, 近地面偏北风向上2~3 km转为偏南风, 风速随高度增长, 对流层存在显著的暖平流和垂直风切变。使用VAPOR对风速进行三维显示表明, 降水期间大于25 m·s-1的大风区在南支高空急流出口区左侧和北支急流入口区右侧向下连接到近地面, 说明暴风雪天气过程中的地面强风动能来源于两支急流之间的高层大气。
(4) 高空急流出口区具有显著的切变不稳定和水平辐合辐散特征, 在急流出口区下方, 水平风速在垂直方向上出现加速和减速的交替分布, 因而造成辐散辐合的交替分布, 对流层上层大气的动能很可能借助于这样的波动机制向下层传递, 使强风最终到达地面。随着大气探测的进步, 大气在垂直方向上的传播和流动方式的研究将会更加深入。
致谢 黑龙江省气象局袁美英和周秀杰, 牡丹江市气象局孟祥文, 齐齐哈尔市气象局李治民; 国家气象中心林玉成; 吉林省四平市气象局王喜文; 辽宁省沈阳市气象局李大为等为本文提供了观测资料, 在此表示真诚的感谢。| Bosart L F, Sanders F. 1986. Mesoscale structure in the megalopolitan snowstorm of 11-12 February 1983.part Ⅲ: A large-amplitude gravity wave[J]. J Atmos Sci, 43(9): 924–939. DOI:10.1175/1520-0469(1986)043<0924:MSITMS>2.0.CO;2 | |
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