2005年3月西藏强降雪过程的波包分布及传播特征

2011-01-09郭胜利葛非马荣肖天贵唐玮玮

大气科学学报 2011年4期

郭胜利，葛非，马荣，肖天贵，唐玮玮

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.南京信息工程大学数理学院，江苏南京210044;3.河南省沈丘县气象局，河南沈丘466300;4.成都信息工程学院大气科学学院，四川成都610225;5.重庆市环境科学研究院，重庆401147)

郭胜利1，2，葛非1，2，马荣3，肖天贵4，唐玮玮5

利用NCEP/NCAR再分析资料，采用波包传播的诊断方法，对2005年3月24—25日发生在西藏中东部地区的强降雪过程中波包的传播和积累特征进行分析，发现500 hPa高度场波包分布特征与强降雪产生的区域有着较好的对应关系，在强降雪产生的时段内，高度场扰动能量有着明显的积累和增强。从波包的传播特征来看，受印度洋和孟加拉湾低值系统活跃的影响，来自孟加拉湾的暖湿气流不断向青藏高原输送，继而为西藏林芝地区强降雪过程提供了充足的水汽来源。高纬的冷空气南下与西南气流交汇促使了这次强降雪天气过程的产生。

波包传播诊断;强降雪过程;扰动能量

0 引言

西藏地区地处青藏高原，冬季气温较低，降水较少，但其南部边缘地区和藏北地区常常出现强降雪天气过程，暴雪所造成的雪灾给交通运输、牧业生产以及人们的生活带来严重影响。但因高原以及周边地区气象站点稀少，气象资料缺乏以及对强降雪天气形成原因的系统认识不够充分，增大了降雪预报的难度。因此，深入研究高原雪灾发生的规律和预报方法很有必要，对于预防雪灾、保护牧民生命财产具有重要的实际意义。多年来，气象学者致力于研究高原地形对邻区乃至全球环流系统和天气气候的影响，并取得了一些重要成果(朱抱真，1957;钱云和钱永甫，1996)。越来越多的研究表明扰动能量的积累和频散是影响高原地区天气的重要系统，强降雪过程中波动能量的传播越来越被人们关注。Yeh(1949)早在20世纪40年代就发表了正压Rossby波的能量频散理论。Zeng(1983)和曾庆存(1985)使用非线性理论方法全面系统地阐述了瞬变波的波包理论及瞬变波的能量传播问题。缪锦海等(2002)和宋燕等(2006)将波包传播理论用于天气和气候诊断，得到江淮梅雨出入梅和副高北跳与波包传播的关系。这些研究结果表明，波包分布图上的强中心常与强扰动的低压、低槽发展相联系，而波包分布图上的低值区常与扰动强度较小的高压相联系，波包强中心的传播常常与槽脊的移动相联系等等。因此，本文应用缪锦海等(2002)和肖天贵等(2010)提出的波包传播诊断方法(wave-packet propagation diagnosis，WPD)和2005年3月NCEP/NCAR再分析资料，对2005年3月西藏地区暴雪天气过程中扰动能量的积累和传播特征进行了计算分析。

1 资料及计算方法

使用2005年3月NCEP(美国环境预报中心)FNL(global final analyses)高度场资料，4次/d，每6 h一次，分辨率为1°×1°，采用波包传播的诊断方法(WPD)计算了此次降水过程中高度场的波包值。

气象资料在一定条件下可以看成许多波动的组合，如

其中:P(x，y，z，t)为某一气象要素在t时刻的数据资料;A(x，y，z，t)为波动振幅;k、l、m分别为x、y、z方向上的波数;ω为角频率;φ为幅角。波动能量沿波动包络传播，各波振幅Ai(x，y，z，t)最大值的移动代表波包的移动，也表示这一波动的能量传播。

具体计算时先对高度场资料进行高通滤波(吴洪宝和吴蕾，2005)，得到高度场滤波信号P(x，y，z，t)，然后对P(x，y，z，t)信号进行希尔伯特变换(x，y，z，t)，再求出其解析信号Pc(x，y，z，t)=P(x，y，z，t)+iP^(x，y，z，t)的振幅A(x，y，z，t)，即为对应信号的波包值。其中A(x，y，z，t)=在计算之前已将高度场资料进行了标准化处理，故所得的波包值为无量纲数。波包值的大小代表了扰动能量的强弱，波包值的变化代表了扰动能量的积累和传播。

2 强降雪产生时段500 hPa环流形势及雪情

图1为2005年3月24—26日500 hPa平均高度场、高度距平场。天气形势整体的环流特征是中高纬度为较平直的纬向环流，乌拉尔山至咸海、里海一带为脊区，西伯利亚以东为宽广的低值区，亚欧两槽一脊型。结合2005年3月24、25日的天气实况分析，西太平洋副热带高压偏强，强大的副高造成冷暖空气交汇作用加剧，使乌拉尔山至贝加尔湖地区阻塞高压稳定，有利于地面冷空气从蒙古到我国东北堆积。而由于大气环流经向度加大，导致北支锋区南压并使高度场大幅下降。由图1可见，新疆北部有一低压中心，西北部地区有一低压槽，位于25～55°N，新疆、青海、西藏地区均处于此槽区内，而西藏中东部地区处于低槽曲率最大处。图1b为2005年3月25日500 hPa高度场距平场。95°E附近南支槽加深，形成75～105°E之间稳定的负距平区，负距平数值－8 dagpm，为3月25日中国地区最大负距平，西藏东部(即发生强降雪的地区)正处于此负距平区域中。同时，来自孟加拉湾的水汽沿云贵高原向我国输送，直达西藏中东部地区。这种环流形势下，冷空气从西伯利亚地区连续不断地入侵我国，并与强大的副热带高压配合，西太副高西侧的西南气流将南部暖湿气流源源不断地输送入高原。

受南部暖湿气流影响，2005年3月24—25日，西藏中东部出现了一次较大范围的短时强降雪(雨)天气过程，其他地区出现了小雪，局部中到大雪。其降雪量平均为8～10 mm，其中米林和察隅的最大降雪量分别达到15.4 mm和10.3 mm。降雪过程的特点是:强度大、范围广、时间短、降水分布不均。此次大暴雪和雪后降温天气给农牧业生产和农牧民生活、交通、电力等各方面带来严重的影响。降水量分布具体情况为:当雄3.4 mm，南木林3.8 mm，嘉黎4.5 mm;波密8.5 mm;林芝6.4 mm;米林15.4 mm;察隅10.3 mm。降水量大于5 mm的站有4个，大于10 mm的站有2个，其中最大出现在米林。

3 持续强降雪期间平均波能变化和分布特征

图2为2005年3月西藏林芝地区500 hPa波包平均值变化曲线。由图2可见，强降雪过程开始时期，23日12时(北京时，下同)波包值开始逐步增强，扰动能量逐步得到积累，到24日06时波包值达到峰值，之后波包值开始逐步减小，扰动能量逐步得到释放，18时左右波包值维持在一个较低位相，此后波包值又开始增大，25日00时达到1.1。随着过程的结束波包值也迅速减小，25日18时仅为0.1。从23日12时—25日18时的波包变化过程来看，强降雪天气过程的产生时期，波包值逐渐增强且维持在较高位相，过程结束后波包值逐渐减弱，能量释放。上述分析表明，由高值系统向低值系统的转化过程中，扰动能量积累后的释放阶段可能会产生雨雪天气。

4 500hPa高度场波包分布特征

图3为3月24日06时—25日12时500 hPa高度场的波包分布变化。由图3a可见，24日06时，孟加拉湾低值系统强烈发展，反映了其暖湿气流中的扰动能量不断积累增强，西藏中东部地区处于波包大值区控制下，中心值达1.0。与此同时，高原中东部地区开始出现明显的强降雪天气。此后，随着扰动能量的释放减弱，降雪也逐渐减小。从图3b、c上看，扰动能量释放后并没有完全消失，整个高原东部地区一直处于低值系统控制下，能量又开始逐渐积累，这可能是由于波动能量传播到高原中东部地区后，受环流形势和地形等条件的影响大部分扰动能量随强降雪天气的产生而频散，剩余一部分能量转变为驻波形式的局地振荡而产生能量反馈，并在24日12时—25日00时与来自孟加拉湾的扰动能量相补充。由图3d、e可见，25日00—06时，受印度洋孟加拉湾波包大值东移和高原东部低值系统的共同影响，同时伴随着新疆西北部的波包值明显增大后带来的冷空气，西藏中东部地区再次出现明显的强降雪天气过程。由图3f可见，25日12时，青藏高原区域的波包大值开始出现东移和减弱趋势，低纬印度、孟加拉湾区域稳定的波包大值中心也出现明显的东移和崩溃，波包大值区逐渐移出青藏高原，到25日18时，青藏高原已不处于波包大值区的控制之下，此次雨雪天气过程趋于结束。

图3 3月24日06时—25日12时500 hPa高度场波包分布变化a.24日06时;b.24日12时;c.24日18时;d.25日00时;e.25日06时;f.25日12时Fig.3 Wave-packet distribution changes at 500 hPa during March 24—25，2005a.06:00 BST on March 24;b.12:00 BST on March 24;c.18:00 BST on March 24;d.00:00 BST on March 25;e.06:00 BST on March 25;f.12:00 BST on March 25

5 强降雪产生期间波动能量积累和传播特征

为了进一步分析2005年3月24—25日西藏中东部地区发生的强降雪天气过程中大气扰动能量的传播特征，图4分别给出了2005年3月24—25日500 hPa、600 hPa的28～37°N时间—经度剖面和90～100°E的时间—纬度剖面。

图4 3月24—25日28～32°N波包的时间—经度剖面(a，c)及90～100°E波包的时间—纬度剖面(b，d)a，b.500 hPa;c，d.600 hPaFig.4 (a，c)Time-longitude section over 28—32°N and(b，d)time-latitude section over 90—100°E on March 24—25，2005a，b.500 hPa;c，d.600 hPa

由500 hPa高度场波包的传播特征(图4a)来看，24日00时开始西藏东部地区波包强烈发展，24日06时中心值达到0.9，25日00时波包中心值达1.2以上，之后，随着扰动能量的逐渐释放波包中心略有减弱并移出高原，与这次西藏中东部降雪天气的开始和结束时间相对应。由图4b可见，24日06时，22°N和30°N附近出现了两个波包大值中心，中心强烈发展并有向东传波趋势。25日00时，24日东传的波包与低纬北传的暖湿气流波包汇合加强，波包中心值达到1.0以上。由图4c可见，600 hPa高度场上24日00时80°E波包强中心向东传播，06—12时在87°E和97°E附近同时出现两个大值中心，其大值区覆盖了整个西藏中东部地区。500 hPa高度场波包的纬向传播与600 hPa较为一致，其波包中心强度略高于600 hPa。24—25日，西藏中东部地区的波包发展强烈，形成此高度层与经纬度区域内同时期的波包最强中心，伴随之后的扰动能量的释放，强对流天气爆发。青藏高原南部波包向东传播，西南暖湿气流沿高原南侧不断影响我国，高纬地区波包大值区持续稳定积累，有利于冷空气的堆积。扰动能量不断的积累导致波包能量的不断增强，高纬的冷空气南下与西南气流交汇的共同影响，促使了这次强降雪天气过程的产生。

由此可见，2005年3月24—25日发生在西藏中东部地区的强降雪天气过程，主要受到印度洋和孟加拉湾低值系统活跃的影响，来自孟加拉湾的暖湿气流不断向我国青藏高原输送，为此次西藏林芝地区强降雪过程提供了充足的水汽来源。高纬的冷空气南下与西南气流交汇也促使了这次强降雪天气过程的产生。通过对500 hPa、600 hPa高度场波包值的计算和分析能更清晰地反映出大气扰动能量的变化，也反映了此次降雪过程的发生和发展。扰动能量的经向和纬向传播积累比较清晰，有一定预报意义，同时也说明从波包即波能的角度分析天气过程的方法有一定的实用性。

6 小结

通过对2005年3月24—25日发生在我国西藏林芝地区的强降雪天气期间波包传播和积累特征的讨论，得出以下主要结论:

1)在此次强降雪天气过程中，西藏中东部地区均经历波包大值区的移动和控制，雨雪过程产生于波包扰动能量积累的高值时段。500 hPa和600 hPa高度场波包扰动能量的积累和释放过程与强降雪产生的时次比较对应。24日06—12时和25日00—06时，两次大范围降雪过程中波包的中心值均达到1.0以上。

2)从波包的传播特征来看，此次过程受印度洋和孟加拉湾低值系统活跃的影响，来自孟加拉湾的暖湿气流不断向我国青藏高原输送，为此次西藏林芝地区强降雪过程提供了充足的水汽来源。高纬的冷空气南下与西南气流交汇也促使了这次强降雪天气过程的产生。

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Wave-packet propagation characteristics of the strong snowstorm in Tibet in March of 2005

GUO Sheng-li1，2，GE Fei1，2，MA Rong3，XIAO Tian-gui4，TANG Wei-wei5

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;2.School of Math and Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Shenqiu Meteorological Bureau，Shenqiu 466300，China;4.College of Atmospheric Sciences，Chengdu Institute of Information Technology，Chengdu 610225，China;5.Chongqing Institute of Environmental Science，Chongqing 401147，China)

By using the NCEP/NCAR reanalysis data and the diagnosis analysis method of wave-packet propagation(WPD)，the wave-packet propagation and accumulation characteristics of the heavy snowstorm on March 24—25，2005 in Tibet were analyzed.Results show that the characteristics of wave-packet were in better accordance with the snowfall area at 500 hPa.The perturbation energy accumulated and increased obviously during the heavy snowfall process.This process was mainly influenced by the low value system of the Indian Ocean and the Bay of Bengal，which transported sufficient vapor to Linzhi area.The cold air from high latitude area and the southwest airflow interacted with each other，which also promoted the occurrence of this heavy snowstorm process.

wave-packet propagation diagnosis(WPD);heavy snowstorm process;perturbation energy

P445

1674-7097(2011)04-0410-06

2010-08-19;2011-03-25

江苏省研究生培养创新工程(CXZZ11_0626)

郭胜利(1956—)，男，河南洛阳人，教授，博士生导师，研究方向为空间天气的能量传输、大气光学非线性，shlguo@nuist.edu.cn;葛非(通信作者)，男，博士生，研究方向为强对流天气诊断、空间天气的能量传输，figovicky@tom.com.

郭胜利，葛非，马荣，等.2011.2005年3月西藏强降雪过程的波包分布及传播特征［J］.大气科学学报，34(4):410-415.

Guo Sheng-li，Ge Fei，Ma Rong，et al.2011.Wave-packet propagation characteristics of the strong snowstorm in Tibet in March of 2005［J］.Trans Atmos Sci，34(4):410-415.

(责任编辑:刘菲)