影响广西两次低温灾害及物理机制对比分析*

2018-10-09李向红郑传新周秀华

灾害学 2018年4期

李向红，陆虹，伍静，郑传新，周秀华，殷超

(1.桂林市气象局，广西桂林541001；2.广西区气候中心，广西南宁530022)

南方低温冰冻灾害出现的频率不多，但历时较长的低温雨雪冰冻灾害致使农业、林业、电力、交通运输等行业遭受重创。低温雨雪冰冻天气对农业方面可导致大量林木被毁，很多南方珍稀植物大量冻死，特别是导致甘蔗、香蕉等大面积冻害严重，严重影响广西榨糖产业，还导致禽畜及鱼类大量死亡，损失惨重。冻雨冰冻造成电网严重覆冰，导致电力设备掉闸、杆塔折倒断线。低温雨雪冰冻灾害还导致公路道路结冰、列车晚点、机场航班延误等。钱维宏[1]与陈海山等[2]的研究表明极端低温的发生与天气尺度瞬变波关系密切，天气尺度瞬变波传播发展可能是极端低温发生的重要条件。利用欧洲中期天气预报模式产品中850 hPa 温度扰动的特性，成功提前预报出2011年初中国低温冻雨天气过程。研究表明[3-4]强寒潮事件是在低频震荡背景下发生，南北波列偶合导致寒潮爆发。平流层环流的异常预测可能有助于提高欧亚大陆冬季低温寒潮事件的预测能力，以及乌拉尔山阻塞高压异常发展和冷空气不断向南爆发。北极涛动从正位向转为负位相是北半球中纬度气温陡降的主要原因，中高纬度阻塞系统的交替建立崩溃导致气温变化[5]。另外，在强冷空气的影响下，水汽条件和动力条件的较好配合也能造成强寒潮[6]。2008年初乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍茨克海阻高异常特征配置使得分裂出的小槽活动偏多，造成冷空气活动频繁并不断南下补给，导致低温雨雪冰冻[7-8]。逆温层深厚是造成大范围长期冻雨、冰冻的主要原因[9-10]。

2016年1月低温雨雪的冷空气强度比2008年1月低温冰冻更强，但持续时间却不如2008年1月过程，目前还没有研究将这两次强冷空气的物理机制的差异性进行比较，特别是对南方低温雨雪冰冻与孟加拉湾水汽输送的关系研究的不多，本文将对两次过程的大尺度环流特征、动力机制、水汽输送进行对比研究。

1 研究地区与资料方法

1.1 研究地区概况

2008年1月13日到2月5日的不断南下补充的强冷空气，低温冰冻持续时间长导致广西 50年来最长的低温冰冻期，冰冻普遍持续20 d之久，有些地区持续接近40 d(广西资源县)，出现雾凇、雨凇天气，道路和电线结冰，造成交通要道中断，电力瘫痪，林农损失巨大。2016年1月23-28日强冷空气导致雪线到达华南沿海，为近50年来最南雪线。2008年1月12日至2月10日低温雨雪冰冻过程因灾造成50年来低温造成灾情最大一次，广西直接经济损失105.58亿元，2016年1月23-28日雨雪冰冻过程广西直接经济损失8 052万元。

1.2 资料与方法

采用气象常规观测数据，美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的全球NCEP/NCAR再分析数据,格距是2.5°×2.5°，气候平均采用1981-2010年30年平均。采用数据统计分析、物理量分析和动力诊断的方法研究，如采用涡度平流研究对高压脊的维持加强，采用水汽通量散度研究对雨雪的可能性等。

为探讨阻塞高压的发展机制，采用大气动力学中的涡度方程中的涡度强迫项，分析涡度平流向阻塞高压的输送[11]，研究2016年1月和2008年1月两次强冷空气影响期间，阻塞高压上游涡度平流持续输送，对阻塞高压的影响。

JP=-J(φS,2φS)P，

(1)

式中：φ为流函数，2为拉普拉斯算子，S代表天气尺度部分(纬向波数6～18波),P代表行星尺度部分(纬向波数0～4波)。

2 低温灾害对比

2008年以来广西出现两次影响最大的低温雨雪冰冻过程，由于影响系统的不同，导致影响灾害的特性有所不同。

2.1 2016年1月21-26日的强冷空气过程导至广西最南雪线

2016年1月21-26日的强冷空气过程导致广西最南雪线，降雪相态主要为飘雪。冷空气过程导致整个广西除北海市外，都出现了飘雪。降雪范围广，多地出现第一次降雪记录，雪线为有气象记录以来最南的特点，雪线到达22°N以南的防城港，为50年来最南雪线。广西南部的钦州、玉林、灵山、博白、北流、凭祥、防城港等7个市县出现当地有气象观测记录以来第一次降雪，陆川出现1956年以后第一次降雪，浦北出现1975年以后第一次降雪，南宁、邕宁、武鸣、上思、龙州、扶绥、苍梧等地出现1983年以后第一次降雪。

2008年1月13日到2月5日的雨夹雪最南在广西北部，桂林一带，没有到达广西中部。

2.2 2016年1月21-26日的强冷空气过程导致全区更低气温

两次强冷空气降温幅度不同，2016年1月21-26日的强冷空气过程导致的全区日平均温度为1月24日全区平均最低气温1.3℃，是2003年后出现的最低值。2008年1月13日-2月3日强冷空气过程导致的全区平均最低气温1.9℃,出现在2008年1月28日。

2016年1月21-26日过程表现为更低的最低气温：高寒山区-13～-5℃，桂北-6～3℃，桂中-2～2℃，桂南0～4℃。全区有258个乡镇最低气温降至0℃以下，国家气象站测到最低气温降至0℃以下有13站。1月24日岑溪、凭祥、东兴、防城等4个站日平均气温破历史最低纪录。

2008年1月13日-2月3日过程表现为更低的平均气温，1月15日广西各地先后出现了大幅度的降温天气，大部地区日平均气温下降幅度达8℃，共有63个县市达到广西寒潮标准。1月12日至2月20日，广西各地平均气温1.2～11.7℃，比常年同期偏低3.7～5.7℃，全区所有县市的平均气温均为建站以来同期最低值。全区平均气温6.8℃，比常年同期偏低4.8℃，偏低程度为建国以来同期第一位。

2.3 2016年1月21-26日低温过程比2008年1月13日-2月3日低温过程短，回升快

2008年1月14日至2月12日，全区平均气温连续30 d低于8℃，是建国以来持续时间最长的低温天气过程。2月13日以后至今，全区平均气温回升到8℃以上。截止2月20日，全区平均气温连续39 d低于12℃。冻雨、冰冻影响严重。桂北共有226站次出现冰冻，101站次出现冻雨，冰冻、冻雨最长连续日数分别为22d和21d。是广西近50年来冻雨总站次最多、持续时间最长、影响最严重的一次过程。

图1 2008年和2016年1月13日至2月5日的逐日平均气温和最低气温变化曲线

2.4 2008年1月冷空气过程有更长的低温冰冻

2008年1月13日到2月20日，桂北共有226站次出现冰冻，101站次出现冻雨，冰冻、冻雨最长连续日数分别为22 d和21 d。是广西近50年来冻雨总站次最多、持续时间最长、影响最严重的一次过程。

2016年1月21-26日冷空气过程在22-25日全区除北海市外的13个地市共68个市(县、区)出现雨夹雪及雪，部分地区有积雪、冰冻及道路结冰。但是冰冻时间不长，基本维持1～3 d。2016年除了资源22-23日有冰冻天气，其余由于没有明显降水，低温冻雨不明显。

2.5 雨量

2008年1月降水范围广，阴雨日数多。1月中下旬，广西各地降水量8.4～167.8 mm，与常年同期相比，大部地区偏多30%～50%。全区平均降水量63.2 mm，比常年同期偏多1.2倍，偏多程度为建国以来同期的第三位，仅次于1953年、1997年。1月中下旬大部地区降水日数为10～17 d，全区平均降水日数13 d，比常年同期偏多4 d。2016年冷空气过程导致的雨雪大多为0.5 mm。

2.6 风

2016年1月冷空气过程导致桂林等10个地市及北部湾海面出现8～9级偏北大风。2008年冷空气过程的大风范围和强度不如2016年冷空气过程。

3 物理机制对比分析

3.1 环流形势比较

相比于2008年1-2月低温冰冻期间而言，2016年1月低温冰冻期间乌拉尔山阻塞高压异常偏强，2008年1月13日-2月5日(图2a)与2016年1月21-26日(图2b)低温过程500 hPa高度场平均(实线)与历年平均(阴影)对比,可见2016年1月21-26日高度场平均表明从高纬到低纬是两槽一脊，从乌拉尔山以东到贝加尔湖是阻塞高压脊区，乌拉尔山以西到巴伦支海，到里海为低压槽区，另一低压槽在鄂霍次克海到日本海和中国东北。是明显的大槽大脊，这样的移动性槽脊，有利于引导地面冷空气迅速南下，而且可以到达低纬地区。2008年1月13日-2月5日的低温过程500 hPa高度场平均(实线)与历年平均(阴影)则不一样，气流较平缓，从图2a上可见，鄂霍次克海低压仍然存在，乌拉尔山东面到贝加尔湖的高压较为平缓，而且高中纬存在反位向配置，期间经历了三次冷空气南下的调整过程。

2016年1月21-26日(图2b)低温过程500hPa高度场平均(实线)与历年平均(阴影)对比可见，历年平均高度是比较平缓的，基本上是南高北低，而2016年1月21-26日就不一样，明显的两槽一脊，得以引导地面强冷空气南下。同时在喀什湖到帕米尔高原一直到阿拉伯海都为同位向的高压脊，切断了水汽的东传。2008年1月13日-2月5日的低温过程500 hPa高度场平均(实线)与历年平均(阴影)对比可见，乌拉尔山东面到贝加尔湖的高压稍高于历年平均，喀什湖经帕米尔高原到阿拉伯海的高度比历年平均高度要低，形成为低压槽区，冷空气在2008年1月13日-2月5日期间分了3次南下，同时，低纬阿拉伯海等高线较平直，有利于弱水汽持续东传。

3.2 阻塞高压强度比较

2008年1月13日-2月5日乌拉尔山东面到贝加尔湖北部有+12的正距平(图3a)，阻塞高压长期盘踞，而鄂霍次克海，新疆到中亚一带为负高度距平，也达到-12 dagpm，形成低涡系统不断影响，是反位相的配置。同时在中国东北到华东沿海到华南上空为正高度距平，这样的形势可以判断冷空气是沿东路南下，东路冷空气容易形成回流阴雨天气，天气不易好转，所以形成了长达40 d广西低温冰冻天气。2016年1月21-26日低温过程500 hPa高度场距平(图3b)乌拉尔山以东到贝加尔湖以北，一直到喀什湖和帕米尔高原为高度正距平，乌拉尔山东面的500 hPa高度正距平达到+26 dagpm，在亚洲东岸和乌拉尔山西侧为强的负距平，达到-12 dagpm，形成低槽，此为移动性槽脊,造成的低温冰冻持续时间短，这样的形势，冷空气应该是西路南下，强冷空气直达大陆南部，导致华南近50年最南雪线。

图2 低温过程500 hPa平均位势高度(实线)与历年平均(阴影)(单位：dagpm)

图3 低温过程期间500 hPa平均位势高度场(实线)和距平场(阴影)(单位：dagpm)

图4 低温过程850 hPa平均位势高度场(实线)与距平(阴影)与(单位：dagpm)

图5 低温过程平均地面气压(等值线)与距平(阴影)(mb)

图6 500 hPa天气尺度波的平均涡度强迫项(阴影，单位：10-20s-2)和平均流场

图7 850 hPa 水汽通量(阴影,单位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(实线,单位：10-5 kg·m-2·s-1)

850 hPa高度场多年平均分布(实线)和过程距平(阴影)比较(图4)表明，多年的1月13日-2月5日850 hPa高度多年平均只在乌拉尔山东面到贝加尔湖有弱脊，而2008年1月13日-2月5日则在相同的范围出现了+8 dagpm的正距平，可见冷空气强度堆积在本区域是很强的。多年1月21-26日高度平均在乌拉尔山东面到贝加尔湖高度基本平直，但是2016年1月21-26日，在乌拉尔山东面到贝加尔湖之间出现+20 dagpm的正距平，可见冷空气强度比2008年1月13日-2月5日更为强盛。

3.3 地面冷高压强度比较

从低温过程地面气压与距平对比图(图5)可见，1月13日-2月5日在贝加尔湖附近历年平均气压只有1 032 mb,而2008年1月13日-2月5日在贝加尔湖有+12 mb的距平，也就达到1 044 mb。1月21-26日在乌拉尔山东面到贝加尔湖附近历年平均气压只有1 016～1 032 mb，但是在2008年1月13日-2月5日地面气压距平达到+20 mb，就是1 052 mb。

3.4 负涡度平流输送比较

根据文献研究结果[11]，负涡度平流输送加强阻塞高压维持，天气尺度波的涡度强迫对下游阻塞的建立、维持起到关键作用。北负南正的涡度强迫对下游偶极子阻塞起到重要作用，由于副涡度代表反气旋，当负涡度被输送到阻塞区域，可以使濒临崩溃的阻塞高压重新建立、加强。为探讨阻塞高压的发展机制，利用式(1)计算了2016年1月和2008年1-2月两次低温冰冻过程期间500 hPa天气尺度波的平均涡度强迫项。

图6a为2008年500 hPa天气尺度波的平均涡度强迫项，由图6a可见，2008年1月13日-2月5日从欧洲到里海，经咸海，经伊朗高原到贝加尔湖有负涡度带，在此期间有负涡度往乌拉尔山东部高压内部输送，维持此阻塞高压的加强、更迭。同时，在负涡度输送带的南侧，也就是20°～40°N地区有纬向正涡度带存在，在这个地区存在低压槽活动，这种南北反位向的配置，有利于多波动活动。这种配置有利于长低温冰冻天气维持。在北极140°E附近有正涡度往东亚大槽输送，导致东亚大槽的稳定维持，引导地面冷空气从东路进入广西。这种配置有利于长低温冰冻天气维持。图6b为2016年1月21-26日天气尺度波的平均涡度强迫项和平均流场，由图6b可见，2016年1月21-26日从巴伦支海新地岛到乌拉尔山东面阻塞高压有强的负涡度强迫输入，导致阻塞高压加强，但这种负涡度强迫输入是间断性的，无法持续。同时在乌拉尔山西面到里海，有正的涡度强迫输入低压槽，导致低压槽加深、加强。

3.5 孟加拉湾水汽输送比较

2008年1-2月南支槽活跃，从孟加拉湾到广西存在西南低空急流，广西位于低空急流的左侧，同时西南低空急流将孟加拉湾的水汽持续不断输送到广西上空，给冻雨的形成提供了水汽。2008年1月28日，全区出现了大范围冻雨天气，图7a为2008年1月28日 850 hPa 水汽通量(阴影)及水汽通量散度(等值线)分布图，从孟加拉湾到广西上空有水汽通量输送带，水汽通量达到5 kg·m-1·s-1，在广西上空的水汽通量散度达到-80 10-5kg·m-2·s-1。2016年2月24日是广西雪线最南的一天，并没有西南低空急流气流影响广西850 hPa，是为一致的偏北风控制广西，在低层的850 hPa没有水汽输送到广西，也没有水汽辐合，所以，尽管在高层有少量水汽导致雪线偏南，但低温冰冻持续时间并不长(图7b)。