一次东北南部特大暴雪的动力机制分析

蒋大凯,闵锦忠,乔小湜

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.沈阳中心气象台,辽宁 沈阳 110016)

一次东北南部特大暴雪的动力机制分析

蒋大凯1,2,闵锦忠1,乔小湜1,2

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.沈阳中心气象台,辽宁 沈阳 110016)

应用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了2007年3月3—4日东北南部特大暴雪的动力机制,结果表明:850 hPa低涡切变线附近对应着强降雪中心,其辐合抬升作用最明显,是本次过程的主要影响系统和成功预报的关键;涡度变率更能准确反映出暴雪切变线生成、发展的物理机制,且对于强降雪中心的位置和强度变化具有一定的预报意义;在涡度变率的各影响项中,700～900 hPa正涡度区的强辐合项是正涡度倾向的主要强迫源,低层涡度增加,在强上升运动的作用下向上输送,使系统发展,从动力机制上进一步说明本次过程中主要影响系统的作用;涡度变率中绝对涡度平流项与各层高空槽移动或强度变化有关,反映了暴雪过程中各高度影响系统的垂直结构变化;而扭转项在低层一直产生负贡献,说明上升运动在水平方向的不均匀形成负涡度倾向,不利于系统的发展。

特大暴雪;切变线;涡度变率;平流

0 引言

2007年3月3—5日辽宁省出现了1951年有完整气象记录以来最严重的暴风雪和寒潮天气,造成全省交通瘫痪,部分地区通讯和电力系统受损,引起社会极大关注。关于暴雪方面的研究,国外学者对暴雪中的中尺度系统结构及其发生展机理进行了研究,结果表明欧美的降雪过程多与暖锋锋生(Schultz and Schumacher,1999)、条件对称不稳定引发的倾斜对流等因素有关(Emanuel,1983;Gaffin et al.,2003)。张小玲和程麟生(2000a)分析了高原暴雪的动力演变特征,认为局地涡度中心和涡度带的生成和发展有预测切变线生成的先兆意义。赵桂香等(2007)对华北大到暴雪过程切变线开展了动力诊断,发现正涡度区内“正涡度核”对预报强降雪的出现有指示意义,涡度变率较涡度更能准确反映切变线发生发展的物理机制。王林等(2011)分析了湖北暴雪的近地面湍流动能的变化。Fu et al.(2013)研究了我国南方暴风雪过程中西风动量纬向平流的作用。崔宜少等(2008)、张勇等(2008)、苗春生等(2010)研究了山东半岛冷流降雪的机制。杨文峰等(2012)分析了陕西暴雪的湿位涡变化。对于东北暴雪灾害性天气过程,孙欣等(2011)研究了暴雪过程中层结状态、低层锋区与地面降水相态的关系;刘宁微等(2009)认为地面气旋北上带来的南来倒槽是产生暴雪的天气特征,低空急流输送水汽和低层上升运动是增强降雪强度的有利条件;王亮等(2011)则对于本次暴雪过程的微物理过程进行了分析,但对于本次东北南部历史罕见特大暴雪的动力机制没有进行深入讨论。本文利用常规观测资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对于2007年3月3—5日特大暴雪过程的主要影响系统进行诊断分析,研究其动力机制,寻找具有预报意义的特征,希望对于暴雪预报提供有益的参考。

1 降雪实况及环流特征分析

3月3日16时—5日06时(北京时间,下同),辽宁61个国家级观测站中有57个站降雪量达到20 mm以上,18个站达到50 mm以上,最大降雪量出现在鞍山市78 mm,为特大暴雪(图1)。从积雪深度看,普遍在20 cm以上,其中沈阳、鞍山、抚顺、本溪、辽阳、锦州积雪深度超过30 cm,最大在抚顺市清原县达到44 cm,由于大风搬运作用,部分地区积雪达1～2 m。本次过程最强降雪时段出现在4日02—14时。辽宁西部、中部、东部连成东西向暴雪带,12 h有27个站降雪量超过10 mm,15个站达到暴雪橙色预警信号标准(6 h降雪量大于10 mm),1个站达到暴雪红色预警信号标准(6 h降雪量大于15 mm)。

图1 3月3日20时—4日20时辽宁省降雪量(单位：mm)Fig.1 Precipitation of snowstorm from 20:00 BST 3 March to 20:00 BST 4 March(units:mm)

分析此次过程的大尺度环流系统动态(图2),强降雪前期3日20时200 hPa东北南部为弱高压脊,脊线位于华北北部到辽宁西南部;500 hPa贝湖东北部出现-49 ℃的冷中心,北支槽发展东南下;同时河套南部南支槽前西南风加大;700、850 hPa在河套地区东部和山东西部形成低涡,其东南部西南风连续加大,形成西南急流,东北部出现东南、偏东急流,850 hPa暖式切变线在山东西部到辽宁西部。4日08时200 hPa脊线东移,辽宁西部仍有明显的风速辐散;500 hPa北支槽移至内蒙东部到华北北部,南槽东移至江淮流域,高空锋区南压并呈东北—西南向;700 hPa切变移至辽宁西部,850 hPa低涡东北上,低涡东部西南、偏南急流加强,成山头偏南风达到28 m/s,切变线伸展至辽宁中部,其东南侧大连、丹东均出现20 m/s的东南急流,与切变线西北侧的偏东、东北急流形成强辐合,出现特大暴雪。4日20时辽宁700 hPa以下均转为东北风,强降水移至吉林、黑龙江东南部。

图2 3月3—4日的系统配置图(虚线:3月3日20时；实线：3月4日08时；蓝色：500 hPa槽线；棕色:700 hPa切变线;红色:850 hPa切变线;黑色:200 hPa脊线；D：3月3日20时—3月4日20时每6 h地面低压中心,其随时间向东北方向移动)Fig.2 The relative distribution of the axis of trough,ridge and horizontal wind shear on different levels on 3—4 March(dashed line:at 20：00 BST on 3 March;solid line:at 08：00 BST on 4 March；blue line:trough at 500 hPa;brown line:shear line at 700 hPa;red line:shear line at 850 hPa;black line:ridge line at 200 hPa;D:the 6 h center of surface low pressure from 20：00 BST 3 March to 20：00 BST 4 March,which moves northeast)

地面图上3日20时江淮气旋中心位于安徽南部,中心气压1 005 hPa,其顶部与华北倒槽合并,降水主要出现在倒槽顶部和冷高压底部,辽西开始出现弱降水。4日02时江淮气旋移至江苏北部,中心气压1 004 hPa,山东海阳3 h变压达-5.2 hPa,预示未来江淮气旋将向北偏东方向迅猛发展,此时辽宁西部已经出现强降雪;08时江淮气旋移至山东半岛,中心气压降至1 001 hPa,3 h变压最大值在吉林临江,为-4.6 hPa,预示江淮气旋未来仍将向东北方向发展,同时冷高压至蒙古国逐渐南压,东北地区东北风逐渐加大;气旋东侧东南风(成山头达到16 m/s)与气旋顶部东北风形成强辐合,辽宁省西部、中部降雪强度最大。14时气旋中心移至黄海北部,中心气压达到最低,为998 hPa,此时辽宁东部降雪达到最强,其它地区偏北风均达到6级,降雪减弱。4日20时气旋中心已经移至朝鲜半岛,辽宁降雪基本结束。

本次暴雪过程的影响系统中地面为江淮气旋,其东北象限降雪最强,850、700 hPa为低涡切变线,500 hPa为西风槽。由图2可以看出,地面到500 hPa影响系统向西倾斜。在强降雪发生时850 hPa影响系统最为明显,强降雪区域随着850 hPa低涡切变线移动,且当切变线发展时,强降雪量级和区域也随之增大。

2 涡度、散度场垂直结构

涡度和散度是研究大气动力过程中两个很重要的物理量,涡度描述大气的空气微团旋转运动的强弱程度,对于中尺度以上的大气运动,垂直方向的涡度分量与天气系统的发生、发展密切相关,因此常常被用于度量天气系统的强度(陈忠明,2006),相应的垂直涡度方程被用于诊断和分析天气系统的发展变化。散度表征大气在运动过程中的辐合和辐散,垂直速度是实际大气中造成天气现象的最直接的原因。下面先对本次暴雪过程中涡度及散度场结构和垂直运动场进行分析。

沿辽宁上空作涡度、散度、垂直速度剖面(图3),分析垂直方向的动力特征。3日20时,对应过程开始阶段(图3a),800 hPa以上负涡度增大,最大值在300～200 hPa,达到-5×10-5s-1;对应有弱正散度(辐散)区配合,这种高层负涡度辐散有利于形成抽吸作用,使系统发展;800 hPa以下无正涡度辐合区,上升运动不明显;4日02时,对应过程发展阶段(图3b),700 hPa以上负涡度辐散区发展,最大值分别达到-7×10-5s-1、4×10-5s-1;而850 hPa附近出现明显的正涡度区配合散度负值(辐合)区,从地面到200 hPa为较深厚的上升运动区;4日08时(图3c),550 hPa以上对应的负涡度区和辐散区无明显发展,而正涡度辐合区厚度迅速发展到900～550 hPa,强度大幅增强,其正涡度、负散度最大值分别达到6×10-5s-1、-6×10-5s-1,相应强上升运动区贯穿整个对流层,强中心在500～600 hPa,最大上升运动中心达到-13 Pa·s-1,深厚的上升运动区配合低层辐合高层辐散的耦合作用使强降雪系统发展到最强盛阶段;4日14时(图3d),低层700～800 hPa附近正涡度达到11×10-5s-1以上,但负散度区下降到700 hPa以下,其强度明显减弱,且高层400 hPa以上转为正涡度辐合区,上升运动最大值亦下降到-8 Pa·s-1,强降雪系统东移。

图3 暴雪带区域面积平均的涡度(10-5 s-1)、散度(10-5 s-1)和垂直速度(10-3 hPa·s-1)的垂直廓线 a.3日20时；b.4日02时；c.4日08时；d.4日14时Fig.3 The vertical profiles of the vorticity(10-5 s-1),divergence(10-5 s-1) and vertical velocity(10-3 hPa·s-1) of regional area averaged in the snowstorm belt at (a)20:00 BST on 3 March,(b)02:00 BST on 4 March,(c)08:00 BST on 4 March and (d)14:00 BST on 4 March

国外科研人员在研究美国暴雪过程中发现,降雪过程往往是低压、气旋、倒槽等低层天气系统所引发,例如,墨西哥湾气旋东北上引发美国东部暴雪(Marwitz and Toth,1993)、2005年2月24—25日美国东海岸气旋造成美国东北部暴雪(Moore et al.,2008)。从本次暴雪过程的涡度、散度、上升运动垂直分布来看,在过程开始阶段对流层高层先出现明显的负涡度辐散区,低层无明显正涡度辐合,过程发展到强盛阶段高层负涡度辐散和低层850 hPa附近正涡度辐合均增大,但低层正涡度辐合发展最为迅速。应用了非地转湿Q矢量方程进行分析发现,本次强降雪过程是在高层有利(辐散)的背景下,低层850 hPa附近系统强烈发展形成的。结合上文的讨论,强降雪落区、强度的变化与850 hPa低涡切变线配合较好,即在对流层低层850 hPa低涡切变线是主要影响系统,这与秦华锋和金荣花(2008),研究结果相类似。下面重点分析850hPa低涡切变线和涡度场特点。

3 涡度场和低涡切变线与强降雪关系

3日20时(图4a),切变线呈西南—东北向,从山东西部向河北东部、辽宁西部延伸,其东部偏南到东南风将大量水汽输送到辽宁西南部;正涡度大值区位于山东西部,中心超过12×10-5s-1,辽宁西部和南部为小于2×10-5s-1的弱正涡度区,内蒙东部到河北北部为狭长负涡度带。4日02时(图4b),切变线向东移动并向北伸展,辽宁西部出现4×10-5s-1以上的正涡度中心,强降雪开始;正涡度中心也东移发展,最大值加大到16×10-5s-1以上,内蒙到河北的负涡度带位置少动。4日08时(图4c),低涡切变线向东北继续发展到吉林东部,辽宁西部、中部出现强降雪、南部出现强降水;正涡度中心东北移到大连南部,达到20×10-5s-1以上,辽宁中部正涡度迅速增加到8×10-5s-1以上,内蒙东部的负涡度带略有发展,这种正负涡度带配置有利于切变线的移动和发展,强降雪过程发展到强盛时期。4日14时(图4d),低涡中心及切变线明显东移,辽宁中部、东部、南部正涡度继续明显增大,均超过10×10-5s-1,中心在大连东部达到22×10-5s-1以上,同时负涡度带也加强发展,辽宁东部出现强降雪,其他地区降雪明显减弱。

图4 850 hPa的流场(箭头;单位:m/s)和涡度场(实线;单位:10-5 s-1)的分布(粗实线:850 hPa切变线) a.3日20时；b.4日02时；c.4日08时；d.4日14时Fig.4 Distribution of stream field (arrow;units:m/s) and vorticity field(solid line;units:10-5 s-1) at 850 hPa (thick solid line:shear line at 850 hPa) a.20:00 BST on 3 March;b.02:00 BST on 4 March;c.08:00 BST on 4 March;d.14:00 BST on 4 March

赵桂香等(2007)研究华北大到暴雪过程切变线的动力诊断时发现发现正涡度大值区对预报强降雪的出现有先兆指示意义。而本次过程在过程发展时段即3日20时—4日02时,强降雪与850 hPa正涡度大值区同时出现;4日08时,降雪强度已达到最大,正涡度中心及大值区则继续发展加强;14时,降雪强度已经开始减弱,正涡度中心及大值区的范围才达到最大,即正涡度中心的发展同时或滞后于强降雪,强降雪落区出现在850 hPa正涡度大值区的东侧低涡切变线附近。

4 涡度变率诊断分析

吴国雄(2001)、吴国雄和刘还珠(1999)指出,传统的垂直涡度倾向方程是通过对动量方程求旋度再点乘垂直单位矢量得到的,具有明显的平面和动力特征。在p坐标系中的涡度方程为:

(1)

其中:ζh表示绝对涡度平流输送项;ζv表示涡度垂直输送项;ζd表示散度项;ζc表示扭转项;ζs为总涡源或涡度局地倾向。

图5 850 hPa涡度变率(10-9 s-2)的分布和演变 a.3日20时;b.4日02时;c.4日08时;d.4日14时Fig.5 The distribution and evolution of total vorticity variability(10-9 s-2) at 850 hPa at (a)20:00 BST on 3 March,(b)02:00 BST on 4 March,(c)08:00 BST on 4 March and (d)14:00 BST on 4 March

分析850 hPa涡度倾向与强降雪关系(图5),3日20时,强降雪发生前,辽宁大部分地区即为正涡度倾向区,西部还出现超过3×10-9s-2的正涡度倾向,表明未来辽宁大部正涡度将增加,有利于切变线发展,其中辽西的降雪条件最有利。4日02时辽宁西部正涡度倾向大幅增加,达到9×10-9s-2以上,表明未来850 hPa正涡度将迅速发展,辐合上升运动亦将明显加强,未来切变线附近(辽西)在水汽条件和强动力条件配合下,开始出现强降雪;08时辽宁西部正涡度倾向中心东传,中部正涡度倾向显著增加,南部也出现了18×10-9s-2以上的涡度变率,切变线已经贯穿辽宁,表明西部强降雪区将向中部移动,南部亦将出现强降水;14时,辽宁东北部、东南部出现正涡度倾向大值区,中心分别达到6×10-9s-2、12×10-9s-2,均较上一时刻有所减小,切变线已移至辽东,表明此时上辽东部分地区仍具有较强辐合动力抬升作用,有较强降雪;而西部、中部开始出现-6×10-9s-2以上的负涡度倾向,说明该地区辐合动力抬升作用已明显减弱,降雪强度也将大幅减小。

由上述分析,正涡度变率中心的移动和加强,对应着切变线的移动和发展,产生有利于暴雪的辐合动力抬升条件,降雪处在增幅期;正涡度变率中心减弱时,辐合动力抬升作用虽然维持,但降雪已开始减弱;当负涡度变率加强时,辐合动力抬升作用明显减小,强降雪结束;即涡度变率较涡度更能提前而且准确地反映暴雪切变线生成、发展的物理机制,对于强降雪中心的位置和强度变化有指示意义,这和张小玲和程麟生(2000b)研究高原暴雪得到的结论相似。

图6 涡度变率及各强迫项的区域平均垂直廓线(单位:10-9 s-2) a.3日20时；b.4日02时；c.4日08时；d.4日14时Fig.6 Regional average vertical profiles of the total vorticity variability and their forcing terms(units:10-9 s-2) a.20:00 BST on 3 March;b.02:00 BST on 4 March;c.08:00 BST on 4 March;d.14:00 BST on 4 March

5 涡度变率各强迫项的影响分析

为了进一步了解方程(1)中右端各项对总涡源ζs贡献的相对大小及其演变和垂直结构,分别在切变线附近作了各项的暴雪区域面积平均的垂直廓线(图6),分析暴雪区涡度变率垂直分布及各强迫项的影响。3日20时350～200 hPa为明显负涡度倾向,其中绝对涡度平流项起到主要作用,表明高层反气旋发展,加强高空辐散;在700～900 hPa附近涡度倾向为正值区,最大涡度变率超过2×10-9s-2,其中绝对涡度平流输送项和散度项均为正贡献,涡度垂直输送项和扭转项无明显作用,表明低层700～900 hPa切变线系统东北上并发展辐合使局地涡度增加(朱乾根等,2000)(图6a)。4日02时地面到700 hPa涡度倾向正值区加强(图6b),中心位于800～900 hPa,涡度变率接近4×10-9s-2,主要是由于散度项的贡献,即正涡度区的强烈辐合;700 hPa以上在涡度变率各强迫项中绝对涡度平流项最显著,700～500 hPa散度项和涡度垂直输送项抵消了一部分负涡度倾向,500 hPa以上正涡度倾向最为显著。4日08时700 hPa以下依然是正涡度区的辐合作用强迫正涡度倾向,并且垂直输送项向对流层中层传输,在和绝对涡度平流项共同作用下600 hPa达到7×10-9s-2以上的正涡度倾向,这样对流层中低层(550～900 hPa)可以在1 h内产生1.8×10-5～2.5×10-5s-1的正涡度,这一强正涡度倾向使中低层涡度大幅增加,对应强降雪区切变线强烈发展。4日14时正涡度倾向明显减小,在800 hPa以下和300～500 hPa均出现负涡度倾向,在涡度倾向各项中700 hPa以下,正涡度辐合作用还是正涡度倾向主要强迫源,而平流项和扭转项强迫负涡度变率,一方面说明低层高空槽减弱或过境,另一方面表明上升运动的水平分布不利于水平涡度向垂直涡度转换。

综上分析,在强降雪系统发展的各个阶段低层(700～900 hPa)正涡度区的强辐合始终是正涡度倾向的主要强迫源,正是这一强迫项的维持,使得低层在3日20时—4日14时持续产生正涡度倾向,使局地涡度增加,这样在垂直方向上涡度不均匀,然后由强的上升运动向对流层中层输送,因北涡度的垂直输送项也是降雪系统发展的另一重要原因。而绝对涡度平流项与各层高空槽移动或强度变化有关,而扭转项以产生负涡度倾向为主,不利于系统的发展。

6 结论与讨论

1)本次历史罕见特大暴雪过程中斜压性非常明显(图2),地面江淮气旋和500 hPa高空槽东西相距1 500 km左右,所以在实际预报过程中分析判断和强降雪落区、强度变化最密切的主要影响系统极其重要。经过对涡度、散度场垂直结构的分析表明,在高层辐散的背景下,低层850 hPa附近低涡切变线的辐合抬升机制最为明显,因此本次过程中,850 hPa低涡切变线的预报最为关键。

2)在涡度和涡度变率分析中发现涡度变率更能准确反映出暴雪切变线生成、发展的物理机制。当正涡度变率中心加强时,对应着切变线的发展,降雪处在增幅期;正涡度变率中心减弱时,对应着切变线的减弱或东移,辐合动力抬升作用虽然维持,但降雪已开始减弱;当负涡度变率加强时,辐合动力抬升作用明显减小,强降雪结束;即涡度变率对于强降雪中心的位置和强度变化具有一定的预报意义。

3)进一步分析涡度变率的各影响项,发现本次暴雪过程中700～900 hPa正涡度区的强辐合项始终是正涡度倾向的主要强迫源,低层局地涡度增加,造成涡度在垂直方向上的不均匀,在上升运动的作用下向上输送,使系统发展。这从动力机制上进一步说明本次过程中主要影响系统的作用。

4)涡度变率中绝对涡度平流项与各层高空槽移动或强度变化有关,反映了暴雪过程中各高度影响系统垂直结构的变化;而扭转项在低层一直产生负贡献,说明上升运动在水平方向的不均匀形成负涡度倾向,不利于系统的发展。

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(责任编辑：张福颖)

ThedynamicalmechanismanalysisofanextraordinarysnowstormoverthesouthofNortheast

JIANG Da-kai1,2,MIN Jin-zhong1,QIAO Xiao-shi1,2

(1.School of Atmoshperic Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Shenyang Central Meteorological Observatory,Shenyang 110016,China)

Based on regular observational data and NCEP/NCAR reanalysis data,the dynamical mechanism of an extraordinary snowstorm during 3—4 March 2007 over the south of Northeast China was analyzed.The results showed that the region around the shear line at 850 hPa,which played a significant role in convergence and lifting,corresponded to the center of the heavy snow and it was also the main influencing system and the key factor for the successful forecast of the event.Vorticity variability could not only reflect the physical mechanism of the formation and development of the snowstorm shear,but also predict the position and intensity of the heavy snowstorm.Among all the factors affecting vorticity,the strong convergence terms in positive voritcity regions at 700 hPa to 900 hPa was the main forcing source of positive voritcity tendency.When voritcity on lower level increased,it transported upwards and made the system develop,which illustrated the function of the main system dynamically.The absolute vorticity advection was related with the movement of trough and its intensity varieties on different levels,which reflected vertical changes of the influencing system on different levels during the snowstorm.The twisting term played a negative role on low level,which meant that the upwards movement distributed asymmetrically in horizontal direction which formed negative vorticity and it negatively affected the development of the snowstorm system.

extraordinary snowstorm;shear line;vorticity variability;advection

2011-11-21;改回日期2012-04-12

中国气象局预报员专项(CMAYBY2011-007);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006001)

闵锦忠,教授,博士生导师,研究方向为中小尺度数值模拟,minjz@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111121001.

1674-7097(2014)05-0605-08

P461.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111121001

蒋大凯,闵锦忠,乔小湜.2014.一次东北南部特大暴雪的动力机制分析[J].大气科学学报,37(5):605-612.

Jiang Da-kai,Min Jin-zhong,Qiao Xiao-shi.2014.The dynamical mechanism analysis of an extraordinary snowstorm over the south of Northeast[J].Trans Atmos Sci,37(5):605-612.(in Chinese)