2011年3月云南一次寒潮天气过程分析

闵 颖, 李华宏, 朱 莉, 普贵明

(云南省气象台,云南昆明650034)

寒潮是云南省最常见的灾害性天气之一,其带来的剧烈降温、大风、雨雪天气给工农业生产、电力输送、通讯和交通安全带来极为不利的影响。20世纪50年代中期一些研究者就开始利用影响中国大陆的冷空气源地、路径和环流特征对寒潮进行分类,不少学者对中国的寒潮天气过程进行了全面分析,并取得了诸多成果[1-5]。然而中国幅员辽阔,气候及地理条件复杂且差异较大,寒潮过程也不尽相同。针对云南的寒潮天气,张腾飞等[6-12]已做了详尽的分析,但是3～4月是云南小春作物的低温敏感关键时期,春季的寒潮天气过程会对小春和经济作物造成严重的影响,因此对春季寒潮天气的深入分析有很大的必要性。文中利用NECP 1°×1°的6h再分析资料、常规观测资料和TBB黑体亮温资料对2011年3月15日～18日发生在云南省的一次寒潮天气过程的形成机制进行深入研究,以期进一步认识云南春季强降雪天气的物理机制。

1 天气概况

受强冷空气影响,2011年3月15～18日,云南省出现大范围寒潮天气。此次寒潮天气的特点:(1)15日冷空气从东北路径进入云南,滇中及以东大部分地区24h日平均气温普遍下降6℃～15℃,昆明的降温幅度达到9.1℃(图1a),且强降温区域的日最低温度也普遍≤5℃(图1b),另外昆明站在15日20时出现降雪天气,所以此次寒潮达到了全省性寒潮的标准;(2)从旬平均温度距平场上看(图1c),除滇西北、滇西部分地区为正距平外,其余大部分地区的温度都低于历史同期温度,其中偏低最大的区域出现在文山、红河一带;(3)此次降温过程伴有雨雪天气(图1d),全省15日～18日过程降水主要出现在在滇南一带,几乎都超过25mm,最大的降水出现在河口,达95mm,而过程降雪主要出现在滇中及以东地区,降雪区域甚至南扩到滇东南,西进至安宁、通海一带。

图1 天气实况(阴影:降水分布(单位:mm);天气符号:降雪区域)

2 环流形势分析

2.1 高空环流形势

2011年3月13日20:00(北京时,下同),在500hPa高度上(图2a),贝巴之间为一东北-西南向的阻塞高压,阻高东部强的东北气流引导北冰洋的冷空气南下,但由于西部暖高压脊的阻挡,冷空气南下至新疆东部便堆积起来,冷中心为-36℃,由冷中心向西南方向延伸出一东北-西南走向的横槽,槽后偏北风与槽前偏西风形成风向切变,在冷中心南部形成东西向的高空锋区,在其附近有一等温线密集区,标志着冷空气已堆积。青藏高原有波动槽存在,在低纬度地区88°E附近存在较强的南支槽,云南由前期的西北气流转为槽前的西西南气流控制,过程期间,由于阿拉伯海附近的高压与副热带高压形成对峙的形势,所以南支槽稳定少变。14日20:00,横槽东移至内蒙古地区,高原上的波动槽也东移至四川中部-云南西北部-青藏高原南侧一带。15日08:00横槽转竖,与高原波动槽几乎连成一体,槽后为强劲的西北气流。15日20:00～17日20:00,高原波动槽逐步东移南压,17日20:00低槽位于昭通-昆明-腾冲附近,18日08:00云南转为一脊区控制,低槽也东移出云南地区,寒潮天气结束。

图2 高空形势分布(实线:高度场(单位:dagpm);虚线:温度场(单位:℃);风向杆)

700hPa高度上,14日08:00新疆地区的316dagpm高压加强且向东南方向移动,前沿进入青海一带,格尔木的高度值上升到318dagpm,形成北高南低的形势,有利于四川中部的切变线南压影响云南地区,切变线14日20:00进入云南东北部,15日08:00切变线位于曲靖南部-丽江,0℃等温线也明显南压至曲靖北部-云南西北部地区,15日20:00(图2b)切变线继续向南压进,位于广西北部-昆明-丽江一带,0℃等温线也呈纬向分布,位于云南中部一带,昆明降温到-3℃,此时也是昆明出现降雪的时刻,16日08:00切变线南移出云南。

850hPa高度上,12日08:00位于巴湖以北中心高度为156dagpm的冷高压于12日20:00东南移动进入新疆以北地区,中心强度加强为162dagpm,之后冷高压一直向东南方向移动,强度也继续加强,至14日20:00冷高压中心强度加强为167dagpm,其前沿东北气流经陕甘进入四川东部,15日20:00(图2c)冷高压中心位于甘肃中部,前沿东北气流进入广西北部,百色站转为东北气流控制,且风速达到16m·s-1,云南地区出现明显降温。高压前强劲的东北气流有利于冷空气加强并西移。17日20:00高压移到海上。

2.2 地面环流形势

地面图上西西伯利亚的冷高压逐渐向东南方向扩展,14日14:00(图3a)冷高压1035hPa等压线位于四川省北部边缘,14日17:00冷高压1020hPa等压线压至云南东北部边缘地区,此后1020hPa等压线继续向南向西挺进,气压梯度继续加大,等压线由西北-东南向逐步转为南北向,1020hPa等压线西进到哀牢山一线,14日20:00～15日11:00云南全省都为正变压区(图3b),15日14:00除云南西北部外,云南大部地区都出现明显的负变温,昆明24小时的变温达到-18.6℃(图3c)。

图3 地面形势分布

3 物理量分析

3.1 水汽条件

3.1.1 水汽通量及其输送方向

图4给出了2011年3月15日08:00 500hPa(图4a)和700hPa(图4b)水汽通量和水平风场分布。在图4(a)上,云南中部以南地区处于东北-西南向的水汽通量大值带内,水汽通量自北向南增加,云南西南部的水汽通量达10g·cm-1·hPa-1·s-1,在87°E附近存在南支槽,缅甸到云南为西西南气流控制,表明南支槽前有源源不断的西西南暖湿气流向云南输送;此外,副热带高压外围有一支西南气流从孟加拉湾东部经中南半岛向云南南部地区输送。两支气流在云南南部一带汇合,也是这一带地区水汽通量较大的原因。从而可以看出500hPa上水汽来自孟加拉湾洋面。

图4(b)上,云南地区的水汽通量大值带略呈东-西向分布,云南中部的水汽通量达4g·cm-1·hPa-1·s-1,向南北两侧递减,在印度半岛东部-孟加拉湾西部地区为一高压脊区,水汽主要来自副热带高压外围从孟加拉湾东部经中南半岛向云南中部地区输送的西西南气流,而云南南部一线为副热带高压外围控制。

从上下两层水汽通量分布来看,此次过程的水汽主要是来自500hPa。

图4 3月15日08:00水汽通量分布(单位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水平风场分布

3.1.2 水汽通量散度

图5是700hPa沿25°N水汽通量散度的经向-时间演变图。从图中的变化可以看出,随时间的变化,自东向西出现了一条水汽辐合带,云南中部及以东地区大约在14日20:00之后出现水汽辐合,15日08:00时水汽辐合达到最强,越往云南中部辐合越强。其中,昆明附近(102°E～103°E)的水汽通量散度为-3g·hPa-1·cm-2·s-1,大约12h后昆明开始降雪。16日08:00以后云南地区的水汽辐合辐散不明显。

3.2 动力条件

图6是沿25°N所作的过程前、中和后的垂直速度的垂直剖面图。14日08:00(图6a)在过程之前约24h 104°E～106°E附近整层都为上升运动区,但700hPa上升运动较弱,强度仅为-4×10-3hPa·s-1左右。15日 08:00(图6b)过程开始时上升运动范围向西扩大,且105°E附近在600hPa上空的垂直速度增大到-18hPa·s-1,云南中部一带的上升运动中心位于700～500hPa之间,中心达-4×10-3hPa·s-1左右,云南中部及以东的上升运动反映了切变线西南移的影响,表明具备了较强的动力抬升条件。18日08:00(图6c)云南中部及以东地区在500hP以下都转为下沉气流,是高层低槽影响过后槽后西北气流控制稳定大气的反映,意味着寒潮天气的结束。

过程开始前垂直速度的增加、大气上升运动的加强会促使水汽凝结,产生雨雪天气;过程发生时,上升运动的区域扩大,但强的上升气流存在于中低层,随着上升气流转为下沉气流,寒潮天气结束。因此强烈的上升运动为雨雪天气提供了较好的动力条件。

图6 沿25°N垂直速度的垂直剖面(单位:10-3hPa·s-1)

3.3 热力条件

图7是500hPa冷平流分布图。13日08:00(图7a),与东亚大槽相对应在乌拉尔山一带出现了准东西向的带状冷平流区,有两个中心分别位于90°E和 80°E,中心值为-70×10-5℃·S-1和-30×10-5℃·S-1,表明冷空气势力非常强,且开始在乌拉尔山一带堆积。15日08:00(图7b),伴随着低槽的转竖并向东南移动,带状冷平流区变为东北-西南向,强冷平流中心移至渤海湾附近,极值为-50×10-5℃·S-1,同时可以看出,在巴尔喀什湖附近有新的低槽东移,带来另一股冷空气。17日08:00(图7c),东侧低槽的北段东移入海,南段与南支槽合并后滞留于滇缅之间,在湖南至云南一带维持小范围的冷平流区,与此同时,中蒙边境附近有一-100×10-5℃·S-1的冷平流中心,表明第二股冷空气主力从新疆北部入侵后一路东移,路径偏北。18日08:00(图7d),滇缅间的低槽减弱,以经向环流为主,云南一带的冷平流区消失,表明冷空气强度在云南一带明显减弱,寒潮过程趋于结束。由此可见,云南这次寒潮天气是强盛的冷平流所造成的。致使云南大部地区15日14:00的24小时变温(图3c)达到了-10℃以上,其中云南中部及以东地区的降温幅度更是达到了-20℃以上,显示出冷空气的强大势力。

图7 500hPa冷平流分布图(单位:10-5℃·S-1)

4 降雪的环境条件分析

雪主要产生于温度在0℃以下的云中,其形成过程与雨相似。因此图8给出了700hPa水汽通量、垂直速度、等温度线和降雪天气的配置,以期能够找出降雪的环境条件。

15日08:00 (图8a),降雪主要出现在昭通和曲靖地区,位于0℃等温线和更低温度的一侧;对应水汽的辐合区,曲靖辐合强于昭通;降雪区域上方对应于上升运动区,但是基本位于上升区的边缘,上升速度在-1hPa·s-1左右。

15日20:00 (图8b),降雪区域南压至文山,西进到昆明一带,且同样位于0℃等温线和更低温度的一侧;曲靖和文山一带水汽辐散,云南中部一带水汽辐合,但是辐合强度很小,水汽通量散度小于-1g·hPa-1·cm-2·s-1,降雪区域仍然处于弱的上升运动区,而强水汽辐合和垂直上升运动区位于云南中部偏西一带,但这些区域的温度都在0℃以上,因此没出现降雪天气。

16日14:00 (图8c),降雪区域位于文山、红河、玉溪南部一带,也同样位于0℃等温线和更低温度的一侧;文山一带水汽辐合,但水汽通量散度仍然小于-1g·hPa-1·cm-2·s-1,其余降雪区域水汽辐散;降雪区域上空仍然为弱的上升运动区。

比较后可以发现,决定降水形态的关键因素是700hPa 0℃等温线的分布,降雪区域趋向于更冷的一侧;而降雪只需发生在弱的垂直上升运动区;在水汽的辐合和弱辐散区都可以产生降雪天气。

图8 天气符号(代表降雪天气)、700hPa水汽通量散度(阴影,单位:g·hPa-1·cm-2·s-1)、700hPa等温度线(实线,单位:℃)和700hPa垂直速度(虚线,单位:10-3hPa·s-1)

5 卫星云图上的南支槽演变

图9 相当黑体温度(单位:℃)

由上述高空分析发现,南支槽是此次过程的主要影响系统之一,从卫星云图的分析可以清楚地揭示南支槽的演变,在东移影响云南省时是一个不断加强的过程。

图9是过程前后卫星云图的演变图。3月14日11:00(图9a)云南东北部边缘地区是一条准南北向的静止锋云系,从孟加拉湾中部沿中南半岛至云南南部一带有一条东北-西南向清晰的南支槽云系活动,此外,高原东南侧对应500hPa上的高原波动有一条低槽云系。14日19:00(图9b)南支槽云系北抬,与云南东北部的静止锋云系在曲靖附近汇合,高原东南侧的低槽云系纬向度加大,位于高原南侧一带,且从孟湾北部有带状云系向云南西北部延伸。14日23:00(图略),结合后的南支槽云系和静止锋云系在云南中部一带发展加强。15日18:00(图9c),三条云系结合,从孟湾中部至江南一带形成一条宽广的准东西向的带状云系。15日21:00(图9d),云系开始在云南西部发展。16日03:00(图9e),云南西部的云系发展最强,部分地区的云顶亮温达到-50℃以上,但由于没有冷空气配合,在云南西部没有产生明显的降水天气。此后云系开始逐步向东南方向移动,18日08:00(图9f),云系基本移出云南且强度有所减弱,云南的雨雪天气也就逐渐减弱停止。

由此可见,南支槽云系在东移过程中不断加强,南支槽云系、静止锋云系以及高原东南侧的低槽云系三者交汇产生此次低温雨雪天气过程,三者缺一不可。

6 结论

(1)500hPa高空冷槽、南支槽、700～850hPa低层切变、地面冷锋是此次寒潮天气过程的主要影响系统。

(2)冷空气是从关键区(巴湖一带)经河套到陕甘的偏西路径再折向沿东北回流路径进入云南省。

(3)水汽主要来自500hPa,源地位于孟加拉湾,主要是由于南支槽前与副热带高压外围西西南气流的共同作用。

(4)强烈的上升运动为雨雪天气提供了充分的动力条件。

(5)决定降水形态的关键是700hPa 0℃等温线的分布情况。

(6)卫星云图比较清楚地揭示了南支槽云系东移发展、并与冷锋云系和低槽云系交汇、减弱移出云南的整个过程,南支槽云系显示出槽前的西南气流携带大量的水汽向云南输送,冷锋云系和低槽云系合并后加深了槽的纬向度,使得槽后西北气流的南北分量增加,有助于冷空气的加强,冷暖空气在云南上空的交汇,造成了云南此次大范围的雨雪天气过程,三者缺一不可。

[1] 娜仁突娅,邵明轩.一次强冷空气过程阻塞形势的诊断分析[J].北京大学学报,2010,37(3):340-347.

[2] 李昕翼,谢娜,施娟,等.2010年3月成都一次寒潮天气过程分析[J].安徽农业科学,2011,39(24):14913-14926,14947.

[3] 冯志亮,郭英英,何发旺,等.2006年春季寒潮天气对比分析[J].山西气象,2007,2:12-14.

[4] 任丽,刘松涛,孙庆丰.2007年3月4-5日黑龙江省暴雪天气过程诊断分析[J].黑龙江气象,2008,25(3):4-6.

[5] 许爱华,乔林,詹丰兴,等.2005年3月一次寒潮天气过程的诊断分析[J].气象,2006,32(2):49-55.

[6] 张云瑾,方召盟,肖瑶.云南强冷空气过程的特点[J].云南大学学报(自然科学版),1991,13(2):176-182.

[7] 张腾飞,鲁亚斌,张杰,等.2000年以来云南4次强降雪过程的对比分析[J].应用气象学报,2007,18(1):64-71.

[8] 张腾飞,鲁亚斌,张杰,等.一次低纬高原地区大到暴雪天气过程的诊断分析[J].高原气象,2006.25(4):696-703.

[9] 周国莲,普贵明,李磊等.2005年3月云南倒春寒天气的成因分析[J].气象,2006,32(12):82-87.

[10] 郭荣芬,张腾飞,鲁亚斌.低纬高原“05.03”强倒春寒天气过程分析[J].广西气象,2005,26(增刊I):142,149,150.

[11] 海云莎,田永丽,陈新梅.云南寒潮时空特征及变化分析[J].云南大学学报(自然科学版),2011,S1:147-152,156.

[12] 白波,尤临,郭菊馨.曲靖“2·6”寒潮诊断分析[J].云南地理环境研究,2004,S1:34-37.