2018年1月湖南省两次低温雨雪冰冻过程对比分析

周 慧，黄骄文，苏 涛，蔡荣辉

（1.湖南省气象台，长沙 410118；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118）

降雪天气是中国北方和高原地区冬季主要的天气事件，南方地区由于纬度相对比较低，冷空气在南下过程中变性减弱，南方冬季出现强降雪天气概率较低，因此很多关于降雪天气过程的研究也主要集中在北方和高原地区［1-5］。然而，低温雨雪冰冻灾害实质上也是南方冬季的主要灾害之一。2008年冬季中国南方发生了低温雨雪冰冻的极端异常天气，该过程强度之大、影响范围之大、持续时间之长、造成灾害之重为历史罕见。针对2008年初低温雨雪冰冻过程，中国气象工作者从大气环流背景、天气气候特征及天气动力成因等多方面做了大量研究工作，其中丁一汇等［6］指出该过程与气候变暖的关系，王东海等［7］分析了这次过程的天气特征及其天气动力学成因，王遵娅等［8］揭示了这次过程的气候特征，还有很多学者［9-13］从不同省份出发对2008年低温雨雪冰冻过程进行了成因分析和影响评估。经过2008年的冰冻灾害后，有些学者又将南方的一些低温雨雪冰冻天气过程进行了对比分析［14-16］，得到了一些有益的结果。但是，南方的低温雨雪冰冻天气过程具有复杂性和地域性，因此进一步开展深入系统的研究十分重要。

2018年1月3—8日和24—31日湖南省发生了2次较长时间序列的低温雨雪冰冻天气过程，过程期间出现了多种灾害性天气，包括暴雪、冻雨、雷暴、强降温及偏北大风等。本研究应用常规观测资料和NCEP再分析资料，从天气学的角度对2018年1月发生在湖南省的2次低温雨雪冰冻天气过程进行了详细对比分析，提出了南方低温雨雪冰冻天气过程的预报着眼点，以期为提高南方低温雨雪冰冻天气预报准确率和精细化程度提供有益的思路和方法。

1 2次低温雨雪冰冻过程实况

2018年1月3—8日湘中以北出现该年首次低温雨雪冰冻天气过程，期间共21县市出现雨夹雪或雪，8县市出现积雪，其中安化积雪深度最大（4 cm），石门、安化积雪日数最多（4 d）。根据DB43/T 234—2004中的冰冻监测标准，28县市出现冰冻，冰冻最长持续时间为5 d（桃江），最大电线积冰厚度为8 mm（长沙，1月6日）。全省平均气温为2.4℃，最低气温为-3.1℃（澧县），全省平均降水量为32.7 mm。4日降雪最为明显。

紧接着1月24—31日又出现几乎全省性的持续性低温雨雪冰冻天气过程，91县市出现雪或雨夹雪，76县市出现纯雪，6县市出现暴雪（临湘、汨罗、益阳、桃江、沅江、岳阳），73县市出现积雪，其中沅江积雪深度最大，为8 cm。共92县市出现冰冻，冰冻范围为2000年以来第二高位，仅次于2008年。冰冻最长持续时间为7 d（南岳），最大电线积冰厚度为29 mm（郴州，1月28—31日）。全省平均气温为0.3℃，75县市最低气温低于-2℃，37县市最低气温低于-4℃（最低值-6.0℃，临湘、汨罗）。

由表1可知，2018年1月24—31日出现的持续性低温雨雪冰冻天气过程较3—8日过程具有以下几个特点：①影响范围广。24—31日出现的持续性低温雨雪冰冻天气过程波及全省14个地市（州），而3—8日出现的持续性低温雨雪冰冻过程主要在湘中以北；②持续时间更长。24—31日出现的持续性低温雨雪冰冻天气前后持续了8 d，而3—8日出现的持续性低温雨雪冰冻过程则持续了6 d。③强度强。

表1 2018年1月湖南省2次持续性低温雨雪冰冻天气过程对比情况

2 低温雨雪冰冻过程成因分析

2.1 水汽条件

图1为湖南省区域平均比湿在这2次低温雨雪冰冻过程中的时间剖面。由图1a和图1b可以看出，2次过程比湿垂直伸展高度较高，湿层较为深厚，5 g/kg的比湿线均位于700 hPa附近，低层水汽条件很好，整个过程低层的比湿都超过5 g/kg，为雨雪过程提供了较好的水汽条件。比湿变化与降水量的变化是对应的，24日和27日降水较强，范围较广，对应比湿图上在该时段存在2个高值中心。

图1 湖南省区域（108—115°E，25—30°N）平均比湿（单位：g/kg）的时间剖面

为了分析过程期间湖南省水汽条件的南北差异和输送情况，沿113°E作水汽通量散度和水汽通量的剖面图，如图2所示。1月初的过程中低层水汽的汇合区主要集中在27°30′N以北的湘北地区，这与环流场上湘北的风场辐合区相对应（图2a）。低层水汽通量在过程前期相对较小，大值区也位于湘北，为湘北的前期降水提供了水汽，随着冷空气南下和西南急流的加强，水汽通量明显增加，中心值超过15 g/（cm·hPa·s），而且大值区呈南北带状分布（图2b），说明了西南急流的水汽输送作用对降水的增强和雨雪带的南压有影响。

1月底的过程中低层水汽汇合时段为26—28日，汇合区自北向南逐渐移动，这与环流场上风场辐合区相对应，随着北风南压，冷暖气流的交汇区逐渐南移（图2c）。低层水汽通量也在26—28日出现大值中心，这与该时段内西南急流的加强有关，随着冷空气南下和西南急流的加强，水汽通量明显增加，中心值超过0.016 g/（cm·hPa·s），大值区也呈南北带状分布（图2d），表现出了西南急流的水汽输送作用，为雨雪过程提供了有利的水汽条件。

图2 低层水汽通量散度［a、c，单位：10-5 g/（cm2·hPa·s）］和水汽通量［b、d，单位：10-3 g/（cm·hPa·s）］沿113°E的时间剖面（红色方框表示湖南省南北界线）

2.2 动力条件

分析2次低温雨雪冰冻天气过程中850 hPa经向风沿113°E的时间剖面可发现（图3），1月初过程有强盛的冷空气与之伴随（图3a），2—3日冷空气中心位于湖南省北部，偏北风达到10 m/s以上，随着时间的推移，冷空气逐渐南压并影响整个湖南省，偏北风中心也逐渐南移，5日晚上位于湘中地区。同时5日开始低层的西南气流明显加强，加强的偏南气流与北方南下的冷空气相遇，冷暖气团交汇于湖南省中北部，风场辐合十分明显，风速梯度也显著加强，造成湘中以北雨雪天气。而1月底过程也有强盛的冷空气与之伴随（图3c），27日偏北风更为强盛，可达12 m/s，携带冷空气向南发展并影响整个湖南省，偏北风中心也逐渐南移。加强的偏南气流与北方南下的冷空气相遇，冷暖气团的交汇和风场的辐合造成省内大范围的雨雪天气。

这里定义T26为25°—27°N、109°—114°E范围内的平均温度，T30为29°—31°N、109°—114°E范围内平均温度，T26和T30之差即表征湖南省范围的锋区强度。从锋区的演变可以看出，1月初过程中（图3b）平均锋区的位置基本位于800～900 hPa，强度在4日有明显的加强，与经向风的变化以及冷空气的南下相对应。而1月底过程中（图3d）平均锋区的位置基本也处于800～900 hPa，强度较强并持续，与持续存在的偏北风相对应。

图3 850 hPa经向风（a、c，单位：m/s）沿113°E的时间剖面（红色方框表示湖南省南北界线）和湖南省区域平均锋区强度（b、d，单位：℃）时间剖面

综上分析，2次低温雨雪冰冻天气过程的风场变化和动力条件存在较为明显的差异，1月初的过程冷空气相对较浅薄，暖空气沿着浅薄的冷垫爬升，850 hPa经向风以南风为主，偏北风位于850 hPa之下，明显的风场辐合也出现在较低层；1月底的过程冷空气相对较深厚，850 hPa上就表现出了较强的南北风辐合和冷暖气流交汇，相比1月初的过程，其更有利于低温雨雪冰冻过程的增强和持续。

2.3 热力条件

假相当位温是体现温度、气压、湿度等的综合物理量，其时间演变图显示出了地面锋区的位置和结构，图4给出了2次低温雨雪冰冻过程发生较强时刻4日和27日假相当位温的垂直剖面。从图4a可以看出，4日8时假相当位温剖面上存在明显的等线密集区，向底层伸展到600 hPa，并随高度向冷空气一侧倾斜，说明有冷空气不断从北边侵入，冷空气势力较强，地面锋区位于25°N附近。而27日8时的假相当位温剖面上也存在明显的等线密集区，向底层伸展到700 hPa，地面锋区位于23°N附近（图4b）。2次过程在近地面的锋区坡度均明显增大，等位温线甚至接近垂直，均有利于锋区的加强和冰冻雨雪天气的发生。

图4 4日8时（a）和27日8时（b）的假相当位温沿113°E的垂直剖面（单位：K）

2次低温过程的主要差异还表现在冷空气强度和降温情况上，这也是1月底冷空气过程造成全省范围内严重雨雪冰冻的根本原因。从区域平均温度、气压演变可以看出（图5），1月底过程的冷空气强度明显强于月初的过程，1月初过程区域温度的降幅在10℃以内，低层和地面的最低温度并未降到0℃，最高气压也在1 030 hPa以下；而1月底过程的温度降幅较为明显，超过10℃，最低温度在0℃以下，28日晚850 hPa的气温达到-8℃，26日之后地面气压基本维持在1 030 hPa附近。这种强盛冷空气影响，带来气温骤降、气压急升在1月底过程中表现得十分明显，同时也造成了全省大范围的冰冻天气。

图5 湖南省区域平均（108—115°E，25—30°N）的海平面气压（SLP）、850 hPa温度（850-T）以及地面气温（surface-T）的演变

2.4 层结条件

分别选取代表纯雪、冻雨、雨的代表站点4日20时的探空曲线分析，常德出现纯雪（图6a），显示地面温度在0℃以下，800 hPa附近有逆温存在，700 hPa有较强的急流，850 hPa以下均为偏北气流，冷垫深厚，低层有弱辐合，冷暖气流交汇，有利于纯雪的产生。长沙附近出现冻雨，由该时刻探空曲线（图6b）可以看出，950～800 hPa存在明显的逆温层，800～700 hPa有一融化层，850 hPa以下温度基本低于0℃，形成了冻结层，低层偏北冷空气相对浅薄，但也存在冷暖空气的交汇和辐合，这有利于该地区冻雨的形成。怀化探空曲线（图6c）也表现出了与长沙站类似的逆温层和融化层，但在融化层之下的冻结层过于浅薄，只在900 hPa附近出现了小于0℃的浅薄冻结层，所以最终怀化站实况上没有明显的冻雨，而是以降雨现象为主。郴州（图6d）附近600 hPa以下的温度皆高于0℃，实况上表现为降雨。

图6 4日20时常德（a）、长沙（b）、怀化（c）和郴州（d）探空图

3 雷达回波分析

1月27日22时至28日凌晨，湘中以北下雪的同时出现了雷暴，称之为雷打雪现象。分析发现，27日20时湘中以北处于冷锋后部，地面至925 hPa为深厚冷垫，700 hPa西南急流发展旺盛，为26 m/s，850 hPa处于偏北风控制，900～800 hPa有逆温存在（图7a），同时在925 hPa和850 hPa有辐合抬升，700～500 hPa饱和假相当位温差为-0.92℃，850～500 hPa饱和假相当位温差为-32.4℃，接近稳定（图7b），不利的条件是CAPE值小，这些特征表明此次过程为高架雷暴。从常德雷达资料进行分析可知（图7c、图7d），在凌晨1：52左右，对应的组合反射率因子为35 dBZ，基本达到了对流回波的强度，回波呈带状排列，回波顶高大部分为6～7 km，反射率因子较强处回波顶高增强至7～8 km，对应的速度图上S特征明显，也表现出一定的辐合特征。

图7 28日1：52常德站探空图（a）、垂直位温（b）、0.5°仰角径向速度（c）和组合反射率因子（d）

4 小结

本研究从天气学角度，对比分析了2018年1月2次湖南省低温雨雪冰冻天气过程的成因，揭示了2次过程强度和持续时间差异的原因，同时为提高南方低温雨雪预报准确率和精细化程度提供有益的思路和方法，主要结论如下。

1）2018年1月2次低温雨雪冰冻过程较复杂，过程期间出现了多种灾害性天气，包括雷暴、暴雪、偏北大风、强降温及冻雨。

2）2018年1月24—31日过程比3—8日过程范围广、强度强和持续时间长，这主要是与动力条件和热力条件存在差异有关。

3）500 hPa锋区、冷中心强度、850 hPa冷平流强度、地面冷高压的强度及其前沿的气压梯度对初步判断冷空气的强度有较好的指示意义，而700 hPa湿度和温度层结对雨雪相态的转换均很关键。

4）指出了1月27日晚湘中以北是高架雷暴下产生的雷打雪天气现象。

5）提前预报、及时预警是天气预报工作的关键，针对低温雨雪冰冻过程，明确雨雪分界线及转换时间，做到精细化预报预警，开展过程跟踪服务十分关键，但是目前预报技术手段还不能完全达到所需的精细化程度，气象部门还需不断加强气象监测预警能力的建设，同时及时总结极端天气事件的预报经验，不断提高灾害性天气的预报精准度。