基于气块法的冀中回流东风温湿特征个例分析

2022-08-12丁和悦韩英杰郭志强

农业灾害研究 2022年5期

丁和悦，韩英杰，郭志强，于雷

保定市气象局，河北保定 071000

回流降水是华北地区冬季最常见的一种天气，其天气学概念模型为：回流冷空气（或称东路冷空气）自东北平原南下，经渤海湾转向后，影响华北平原并起“冷垫”作用，来自南方的中高层暖湿空气与回流冷空气相互作用后激发出的中尺度系统和回流冷垫的抬升作用是回流强降水的主要动力来源，而回流强降雪发生在地面锋后冷气团中[1-3]。依据目前的研究成果，分歧主要集中在回流冷空气的干湿性质上。例如，张迎新等[4]通过数值模拟分析后认为，回流冷空气为“干”气团；何群英等[5]对2次个例对比分析后指出回流冷空气为“湿”气团；而黄鹤等[6]对非典型个例研究后发现，回流冷空气在降水前后由“湿冷”转为“干冷”。此外，张南等[7]指出，中高层大气中高空槽引导而来的西路冷空气对回流降水的作用也十分显著。

选取一次发生在冀中地区的典型回流降水过程，利用常规观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料等，基于HYSPLIT后向轨迹模型，通过分析950、925、850、700 hPa等中低层大气等压面上，降水前-120 h（“-”指过去的时间，下同）至降水时段内气块的三维移动轨迹以及其温度和相对湿度的变化特征，进一步明晰东、西路冷空气和西南暖湿气流以及本地气团之间的相互作用机制，并为当地的预报预警工作提供借鉴和参考。

1 天气概况与环流演变

2014年2月6 —7日，我国中东部地区迎来一次大范围雨雪天气，降水自南向北缓慢推进，冀中地区的降水主要出现在6日白天至7日下午，过程降水量为中到大雪。

6日08:00 ，欧亚大陆上空500 hPa的环流形势为“两低一高”，中纬度地区为纬向环流，其上有多股冷空气沿西风带东传，至20:00，河套西风槽前的西南气流已经控制京津冀地区。与之相对应，700 hPa河套地区有一风场的气旋性环流维持，同时河北中部有一暖式切变线，切变线南侧的偏南气流，自云贵高原携带暖湿气流不断北上。此时，850 hPa乌拉尔山冷高压分裂南下，冷空气随偏北气流自东北平原南下，经渤海湾，转向西行影响华北。地面蒙古冷高压缓慢东移南压，河北位于高压底部，受偏东气流影响。由此可知，在高空冷空气东移的过程中，对流层中低层的暖湿气流叠加在低层偏东风之上，构成回流天气形势，大气环境逐渐有利于地面降水的出现。

随后地面上位于河套地区的低压倒槽不断加强并北抬，7日02:00在晋陕蒙交界处出现一中心值为1 062.2 hPa的闭合低压，冀中南地区位于低压倒槽的右侧，开始有降水产生。

7日08:00 ，500 hPa河套槽移至山西，京津冀上空仍受西南气流影响。此时，晋冀交界处的850 hPa出现一风场的气旋性环流。受其影响，冀中地区上空风场的气旋性切变加强，切变线南侧的偏南气流继续在925 hPa的偏东风上爬升，即回流天气形势继续维持。

7日20:00 ，500 hPa西风槽已经东移入海，回流天气形势不再维持，降水开始减弱，趋于结束。

2 后向水汽追踪

基于HYSPLIT后向轨迹模式，对本次过程中气块的时空演变进行后向追踪。如图1所示，根据降水时间及落区，选定113°E～117°E、37°N～40°N区域，以1°为间隔，共分为20个格点，初始高度分别选取950、925、850、700 hPa，对本次过程中的各层的水汽来源进行模拟，每6 h模拟一次，每次后向追踪120 h，最后给出所有轨迹聚类结果。

图1 聚类分析选定的区域及格点示意图

如图2所示，950 hPa等压面上的气块主要来自西西伯利亚（43%）和蒙古国西北部（37%），其余的来自中蒙交界地区（18%）。各通道的气块在-120~-72 h，高度逐渐下降，温度升高，相对湿度下降，换言之，3支通道内的气块在行进过程中逐渐随高度干绝热下沉，其中源自中蒙交界处的气块由于其原本湿度较小，所以其相对湿度的降幅不如另两支通道明显；在-72~-36 h，各通道气块的高度略有增加、相对湿度增加、温度略有下降，此段时间内边界层内偏东风开始建立，气块在渤海湾附近转向时有所增湿；-36~0 h，虽然温度依然缓慢下降、高度缓慢增加，但湿度基本维持在较高状态，即湿冷的偏东气流开始缓慢抬升。

图2 950 hPa各源地气块的比例分布及其高度、温度、相对湿度随时间的变化情况

不同于950 hPa，925hPa等压面上气块的主要来源是中蒙边界（占比57%），西西伯利亚的气块占比降至33%，另有10%的气块来自泰梅尔半岛。在-36~0 h，3支通道的气块均表现出气块小幅抬升，同时相对湿度和温度分别呈上升和下降趋势，即在此时段内，上述3支通道内的气块也表现为湿冷的偏东风缓慢抬升。而在-36 h之前的时段内，3支通道同样经历了气块干绝热下沉，只是来自泰梅尔半岛的气块干绝热下沉的时段略晚于另外2支通道（图3）。

图3 925 hPa各源地气块的比例分布及其高度、温度、相对湿度随时间的变化情况

由图4可知，泰梅尔半岛及其南部的新西伯利亚地区为850 hPa等压面气块的主要源地，二者分别占比34%和39%，中蒙边界处的气块占比降至27%。其中，源自泰梅尔半岛和新西伯利亚的气块同样表现为先干绝热下沉，然后随偏东风湿冷抬升，而源自中蒙边界的气块在-12~0 h的时段内表现为下沉运动，在该时刻温度和相对湿度也出现了谷值，结合图4a中气块的顺时针转向，可知此时该通道内的气块受西路冷空气的影响。

图4 850 hPa各源地气块的比例分布及其高度、温度、相对湿度随时间的变化情况

图5a给出了700 hPa等压面上的气块轨迹，可知其主要来自青藏高原南侧（占比63%），同时有13%的气块来自欧洲，另有24%的气块来自本地。初始时（-120 h），本地气块位于900 hPa以下的近地层大气中，随后在本地抬升，在-96~0 h高度增加、温度下降、湿度增加。结合天气形势演变可知，这是本地空气块受到东路冷空气的强迫抬升导致的。而来自欧洲的气块在-60~0 h高度下降、温度升高、湿度下降，则表明高空冷空气下沉；来自高原南侧的气块在-60~0 h高度略增加，温度略下降，湿度增加，可知高空槽经过高原时局地湿度增加，然后该湿空气团随系统东北移影响河北。