低纬高原2013年一次寒潮天气过程不同相态降水诊断分析

钟爱华，周 泓，黄慧君，徐安伦

(1.云南省大理州气象局，云南大理 671000;2.云南省玉溪市气象局，云南玉溪 653100;3.大理国家气候观象台，云南大理 671003)

近年来，许多气象工作者对低纬高原出现的强冷空气天气过程进行了天气动力学诊断分析和数值模拟。如郭荣芬等对低纬高原2次冬季南支槽强降水进行对比分析，发现一次属于典型的“槽潮”天气过程，一次则是无明显强冷空气配合但有西南急流长时间维持的天气过程，并从2次过程的物理机制上进行了探讨;对云南一次罕见的“雷打雪”天气过程进行诊断分析指出，南支槽、冷空气和西南低空急流是这次过程的天气背景，并综合运用雷达资料分析了过程的中尺度特征［1－2］。张腾飞等将多普勒雷达资料同常规气象资料、物理量和卫星云图资料结合起来对2004年2月7日滇中及以东一次大到暴雪天气过程综合分析［3］。不过这些工作较少涉及降水相态的研究。张备等从环流形势、动力机制、温湿特征等方面对2010年2月9～11日江苏一次雨、雪、冻雨、冰雹等不同相态的寒潮过程进行了分析［4］。王清川等对廊坊市初冬雨雪相变特征和一次春季强寒潮的降水相态变化进行了分析，探讨了降水多相态转换的成因，给出了雨雪转换的气象指标和多普勒天气雷达特征［5－6］。段旭等对低纬高原地区冰雹与暴雨物理条件的差异进行细致的研究，得到一些有意义的结论［7］。但不同季节环境场和物理量场会有很大差异，低纬高原冬季不同相态降水之间各物理量的变异特征值得深入研究。笔者利用常规气象观测资料、NCEP1.0°×1.0°逐6 h再分析资料，综合分析2013年12月15～16日云南出现的强寒潮天气过程，通过对不同相态降水物理量的细致分析，找出一些此类复杂天气降水相态落区预报的经验性指标和预报着眼点。

1 环流形势及天气实况

2013年12月15～16日云南出现一次强寒潮天气过程，降温的同时伴有降雨、降雪、冰雹、雷暴等天气(图1)。这次云南特殊的天气过程是由南支槽前高低空西南急流、切变线和地面冷锋共同作用造成的。过程开始前，从500 hPa高空图(图2a1)看出，14日20:00欧亚中高纬地区为两槽一脊形势，脊区位于 60°～90°E、30°～55°N 的乌拉尔山地区，槽区一个位于欧洲东部、另一个位于鄂霍次克海附近;甘肃南部—四川西北部—青藏高原东南部到缅甸西部是一东北—西南向槽，新疆、青海和西藏大部为槽后脊前的西北气流，温度槽明显落后于高度槽，在蒙古到我国西北地区有－32℃的冷中心，－20℃等温线位于四川东南部。700 hPa(图2b1)，南支槽区位于92°～94°E，云南大部受槽前西南急流影响，温度槽落后于高度槽，滇东北等温线密集，0℃等温线压在昆明以东曲靖以西;切变线位于四川东部，格尔木高度值为316 dagpm，云南探空站的高度值在307～310 dagpm，与格尔木之间有6～9 dagpm的位势高差，有利于切变线南压。气压场上，1 020 hPa等压线压至滇东北一线，而南支槽对应的位置气压是1 010 hPa，表明南支槽非常深厚。15日08:00 500 hPa(图2a2)，高空西风槽北段东移至四川东部，南支槽区位置少动，云南被20 m/s以上的西南急流控制，西南风的南风分量较14日20:00增加，－20℃等温线压至丽江一线，温度槽仍落后于高度槽，这样的斜压配置使得冷槽内的大量冷空气沿着高原东部西北气流入侵四川、云南等地。700 hPa(图2b2)，受高空西北气流引导，切变线快速南压，东段压至云南文山、红河一线，西段到达楚雄、大理一带，切变线后部在四川东部仍有12 m/s以上的偏北大风;0℃等温线明显南移，位于滇东南－临沧北部到德宏南部。气压场上，哀牢山沿线为1 018 hPa等压线控制区，以东地区受1 020～1 032 hPa线控制，表明强冷空气正在影响该区域。受南支槽、高低空西南急流和切变线共同影响，14日夜间到15日白天云南出现明显雨雪天气，全省共出现42站小雨、27站中雨、16站大雨、22站暴雨和2站大暴雨，暴雨出现在文山、红河、普洱以及西双版纳，其中西双版纳的勐腊站出现148.0 mm的大暴雨，普洱的江城站出现104.6 mm的大暴雨;滇中以东地区由北向南依次出现降雪，滇西北和大理、楚雄地区也出现了大到暴雪。此外，哀牢山大地形对冷空气有阻挡作用，受西南急流影响，哀牢山以西地区出现了降水、冰雹和雷暴天气。

15日20:00 500 hPa形势(图2a3)与08:00相似，南支槽区略东移，槽前的西南急流轴随之东移，滇西北西南气流减弱，而滇中及以东的气流却明显加大，西双版纳到玉溪一带出现了40 m/s以上的超强西南急流;700 hPa(图2b3)，切变线压过昆明，切变后部的四川盆地东部到滇东北仍存在一支强劲的东北风低空急流;地面图上看冷空气已经抵达哀牢山一线，哀牢山以东以北的地区均出现大雪甚至暴雪。16日08:00 500 hPa南支槽继续缓慢东移，700 hPa切变线和－4℃等温线自东北向西南方向移至滇西南边缘地区。15日夜间到16日白天云南全省出现72站小雨、10站中雨，中雨集中在临沧和文山地区，哀牢山以东地区的降雪随着切变线南压，自北向南减弱结束。16日20:00南支槽迅速东移，云南大部地区转为槽后西北气流，低层转为偏北到东北风控制。16日夜间到17日早晨云南大部天空放晴，多个测站最低气温突出有气象记录以来历史极端最低气温，出现了重霜冻天气。

2 不同相态降水物理量分析

下面分别对暴雨、雷暴和降雪3种不同相态降水的物理量条件进行分析。暴雨和降雪分别选2个代表站点分析，各站点海拔高度、天气现象、地面气温及6 h降水量如表1所示。

表1 2013年12月14～16日不同相态降水站点天气现象、地面气温及降水量

2.1 暴雨区物理量特征分析 选取滇南出现2个大暴雨的站点勐腊(21.48°N、101.57°E)和江城(22.57°N、101.85°E)2个站点作为暴雨区代表站。

2.1.1 水汽通量和水汽通量散度。12月15日02:00 700 hPa滇西南处于西南低空急流的出口区，从水汽通量和水汽通量散度的空间分布图(图3a)上，滇南是水汽通量的大值区，水汽在大值区内强烈辐合，强水汽辐合中心值达－9×10－7g/(cm2·hPa·s);15日20:00南支槽东移，槽前的西南急流轴随之东移，低空急流轴位于18°～22°N一带，滇南边缘地区位于急流轴的出口区，水汽通量的大值区仍位于急流轴的出口区，水汽在滇南边缘地区辐合，强水汽辐合中心值达－8×10－7g/(cm2·hPa·s)(图3b)。从表1可以看出，勐腊和江城的强降水集中在14日20:00～15日20:00，江城24 h雨量为104.6 mm，勐腊为148.0 mm，正是西南低空急流为滇南强降水区源源不断地输送着来自孟加拉湾的水汽。南支槽前暖湿的西南低空急流为滇南大部地区的强降水天气提供了充足的动力条件和水汽条件，暴雨落区与水汽输送量大小和水汽通道位置关系密切。

2.1.2 K指数。K指数是描述大气稳定度的一个重要指标，一般来说，K指数越大，大气层结越不稳定。从12月15日08:00 K指数分布图(图4)可以看出，整个滇中及滇西南地区的K指数＞25℃，西双版纳地区K指数为28～30℃，是不稳定能量的密集区。700 hPa 08:00总温度图上，除滇东北和滇西北总温度值在38℃以下，云南其他地区均属于38～48℃的高能区。

2.1.3 散度、垂直速度。从散度、垂直速度的时间－高度剖面图上，14日20:00～15日02:00勐腊(图5a)700 hPa以下辐合，700 hPa以上辐散，有弱的上升运动，强度在－2×10－3hPa/s;15日02:00～20:00 600 hPa以下辐合，辐合中心高度在850～600 hPa，600 hPa以上辐散，辐散中心高度在500～350 hPa，且低层辐合高层辐散程度加强，同时上升运动越来越强烈，中心强度在15日20:00达到最大，为－34×10－3hPa/s;15日20:00后低层辐合高层辐散的程度逐渐减小，上升运动显著减弱，最大上升运动中心强度仅维持在－10×10－3hPa/s。而江城(图5b)14日20:00～15日20:00 500 hPa以下辐合，辐合中心高度在700～500 hPa，500 hPa以上辐散，辐散中心高度在400～300 hPa，并伴有强烈的上升运动，强度在－40×10－3hPa/s;15日20:00整层转为辐合，上升运动明显减弱，中心强度仅为－8×10－3hPa/s。分析表明勐腊和江城出现强降水期间(14日20:00～15日20:00)低层辐合高层辐散，并伴有强烈的上升运动。

通过对暴雨区水汽、能量、稳定度以及动力抬升条件的分析表明，滇南地区受南支槽前西南高低空急流影响，水汽和能量条件充足。急流轴在随南支槽东移的过程中，为滇南强降水区源源不断地输送着来自孟加拉湾暖湿而不稳定的水汽，为暴雨天气的发生提供了充足的水汽、能量和不稳定条件，而这些暖湿而不稳定的水汽在急流轴出口区及出口区的左侧辐合抬升，形成了强烈的上升运动，最终造成了滇南地区的暴雨局地大暴雨天气。分析表明暴雨的落区与水汽输送量大小、水汽通道位置关系密切，而水汽通道基本与低空急流的位置一致。

2.2 雷暴区物理量特征分析 从对流层低层700 hPa比湿图(图6a)可以明显地看到，滇西与滇西南地区之间存在湿度锋区，滇西是干区，滇西南是显著湿区。而15日08:00南支槽槽前的西南低空急流轴位于18°～22°N一带(图2b2)，滇南边缘地区位于急流轴的出口区，因此700 hPa湿度锋区的位置与低空急流的位置基本一致。从15日08:00 500 hPa与850 hPa的假相当位温分布看出，滇西地区500 hPa和850 hPa的假相当位温之差为－4℃，气层处于不稳定状态;15日20:00 500 hPa与850 hPa的假相当位温分布图(图6b)上滇西和滇西南仍是不稳定区域，特别是滇西500 hPa和850 hPa的假相当位温之差－6℃，此时气层仍处于不稳定状态。15日20:00滇西地区K指数为31～35℃，是不稳定能量的密集区。15日08:00沿101°E经向垂直速度剖面图(图7)上湿度锋区的两侧，23°N以南是强烈上升的暖湿气流，23°～25°N是下沉的干冷气流，形成了风的垂直切变，诱发强对流天气发生。因此，从湿度锋区、能量、不稳定条件和风的垂直切变等条件分析表明，滇西地区处于湿度锋区的北侧是具有不稳定能量和下沉气流的干区，利于雷暴、冰雹等强对流天气的发生。滇西大部分地区的雷暴和局部的冰雹天气正是在这种有利的天气形势下形成的。

2.3 降雪区物理量特征分析 选取出现降雪的站点大理(25.7°N、100.18°E)和沾益(25.58°N、103.83°E)分析，大理和沾益分别是滇西、滇东的降雪站点。从表1可以看出，大理出现降雪时地面气温在0℃，沾益出现降雪时地面温度在－2～2℃。

从大理风场、气温和相对湿度的时间－高度剖面(图8a)可以看出，大理14日20:00～15日02:00，650 hPa以上温度变化不大，650 hPa以下到近地面层温度降低，近地层为弱的西南风，高层为西南急流，此阶段大理未出现降水;15日08:00～20:00，近地层温度呈正弦曲线变化，近地层风向转为偏东风，500 hPa渐渐由西南风转为偏南风，表明南支槽影响，15日白天大理出现阵雨天气;15日20:00 550 hPa以上温度变化不大，550 hPa到近地面气温逐步下降，表明有冷空气从对流层中层逐渐扩散到低层，0℃层高度从15日14:00的700 hPa降至20:00的750 hPa，15日20:00地面出现降雪，此时地面温度为0℃。15日20:00～16日08:00－4℃层高度接近近地层，低层为偏东风，500 hPa仍为偏南风，大理维持降雪;16日08:00以后，大理上空对流层中层600～500 hPa由偏南风转为偏东风，再转为偏北风，高层由西南风转为西北风，表明从受南支槽槽前的西南气流影响转为受槽后西偏北气流影响;16日08:00～14:00，近地层的温度回升，0℃层高度接近750 hPa，16日14:00大理降雪停止，转为阴天。可见，这次天气过程中，0℃层高度是否接近750 hPa可作为大理站降雪的临界值。

从图8b可以看出，沾益14日20:00～15日02:00近地层为偏南风影响，为阵雨天气;15日08:00～16日08:00，600 hPa以上温度变化不大，600 hPa到近地面气温逐步下降，表明有冷空气从对流层中层逐渐扩散到低层;0℃层高度从15日02:00的720 hPa降至15日08:00的770 hPa，15日08:00地面出现降雪，此时地面温度是2℃，800 hPa的温度正好在2℃左右;15日08:00～16日08:00近地层温度从0℃降至－4℃，此阶段鲁甸从降小雪转为降中雪，再由降中雪转为小雪。从图6b还可以看出，17日08:00后，沾益上空为－8℃的冷性气团控制，高层风场基本为西南风急流，低层为偏北风，700 hPa为接近12 m/s的偏北风，越到近地面北风风速越小，表明降雪期间有北风能量下传。16日14:00沾益降雪停止，天空转晴。可见，这次天气过程中，0℃层高度是否接近800 hPa可作为沾益站降雪的临界值，降雪期间低层有偏北风能量下传。

15日20:00大理和沾益站同时出现降雪，沿26°N水汽通量和水汽通量散度的垂直分布(图9)可以清楚地看到600 hPa以下到近地面98°～102°E为水汽辐合区，辐合中心高度位于700 hPa附近，这个高度正好接近大理和沾益的对流层底部，水汽辐合中心强度在－2×10－7g/(cm2·hPa·s)。表明降雪期间，近地层具备降雪所需的水汽条件。同时，图8中可以看出出现降雪时大理和沾益站上空整个气层的相对湿度均达到90%以上。

从散度、垂直速度的时间－高度剖面图上(图5c、d)，15日08:00之前，大理高层辐合、低层辐散，低层有弱的上升运动;15日08:00～14:00辐散层转为高层辐散、低层辐合，整层出现弱的上升运动，中心强度在－8×10－3hPa/s左右;15日20:00～16日08:00整层为明显的上升运动，上升运动中心在由15日20:00的550 hPa渐渐升高至16日08:00的450 hPa，中心强度维持在 －16×10－3～ －20 ×10－3hPa/s，上升运动最强出现在15日20:00(此时大理开始出现降雪)和16日08:00(此时降雪维持)。同时，配合强烈的上升运动，在70～500 hPa有低层辐合，550～250 hPa有高层辐散。16日14:00降雪结束，低层转为下沉运动。分析表明大理降雪期间(15日20:00～16日08:00)低层辐合高层辐散，并伴有强烈的上升运动，因此大理站的雨雪量较大。过程期间沾益对流层上层(500～150 hPa)垂直方向上250～150 hPa辐散、500～400 hPa辐合，在350～300 hPa有上升运动，上升运动中心强度为 －6×10－3～ －10×10－3hPa/s;对流层下层(800～500 hPa)垂直方向上650～500 hPa辐散、800～600 hPa辐合;在15日08:00 700 hPa有上升运动，上升运动中心强度为－4×10－3hPa/s，其余时段近地层均为弱的下沉运动。分析表明沾益降雪期间(15日08:00～16日08:00)对流层上层和中下层分别有低层辐合高层辐散，在雨雪量稍大的15日08:00整层均为上升运动，但其他雨雪量为微量的时段，只有对流层上层有上升运动，对流层中层则已转为弱的下沉运动，因此在对流层高层形成的雪花只有少量落到地面上。

因此，对于地处滇西北区的大理站而言，近地层风向转为偏东风或东北风可作为冷空气影响该区域的开始，0℃层高度是否接近750 hPa可作为降雪的临界值，对于地处滇东地区的沾益站而言，近地层风向转为东北风或偏北风可作为冷空气影响该区域的开始，0℃层高度是否接近800 hPa可作为沾益站降雪的临界值。此次过程中沾益降雪期间低层有偏北风能量下传。分析还表明，滇中以北地区雨雪量的大小除了受冷空气强度和水汽输送通道位置的影响外，还受动力抬升和地形等条件的影响。

3 结论与讨论

(1)2013年12月15～16日云南寒潮天气过程主要影响系统是南支槽前高低空西南急流、冷锋切变。滇南地区出现了暴雨局地大暴雨，哀牢山以东以北区域出现了雨雪天气，哀牢山以西的相对干区出现了明显的雷暴局地冰雹天气。

(2)滇南地区受南支槽前西南高低空急流影响，水汽和能量条件充足，暖湿而不稳定的水汽在急流轴出口区及出口区的左侧辐合抬升，形成了强烈的上升运动，造成了滇南地区的暴雨局地大暴雨天气。滇西地区处于湿度锋区的北侧是具有不稳定能量和下沉气流的干区，这样的天气形势造成滇西大部分地区的雷暴和局部冰雹天气。对于地处滇西北区的大理站而言，近地层风向是否转为偏东风或东北风可以作为冷空气影响该区域的开始，0℃层高度是否接近750 hPa可作为降雪的临界值;对于地处滇东地区的沾益站而言，近地层风向是否转为东北风或偏北风可以作为冷空气影响该区域的开始，0℃层高度是否接近800 hPa可作为沾益站降雪的临界值。

(3)此次过程，低空急流轴的位置与湿度锋区和水汽输送大值区基本一致，因此，预报云南冬季此类复杂天气不同相态降水落区时除了重点分析天气系统外，还要关注冷空气的强度、水汽输送量的大小、水汽输送通道位置、湿度锋区位置以及大地形的影响。

(4)虽然对这次过程的物理量特征进行了分析，但没有结合多普勒雷达资料对中尺度特征深入探讨，且仅对单次过程分析是不够的，以后将结合多普勒雷达资料在此类冬季雨、雪、冰雹多相态复杂天气方面做更细致的工作，为此类天气的预报工作积累更多经验，找出一些降水相态预报的参考指标和预报着眼点。

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