贵州省2008年与2022年年初低温雨雪冻雨天气过程对比分析

王兴菊,李启芬,王 芬,蒋尚雄,曾 妮,胡秋红

(1.贵州省安顺市气象局,贵州 安顺 561000;2.贵州省贵阳市气象局,贵州 贵阳 550001;3.贵州省黔西南布依族苗族自治州气象局,贵州 兴义 562400)

0 引言

低温雨雪冻雨灾害主要发生在冬季,这种气象灾害是由降雪或降雨后遇低温形成的积雪、结冰现象造成。贵州中西部地区的海拔高度和地形分布为贵州冻雨提供了绝佳的地形条件,尤其是西北部地区海拔高、温度低,更有利于冻雨的形成。我国南方在2008年出现了持续时间长、范围大的低温雨雪天气,引起了很多学者的关注,对此次过程进行研究并得到一些有意义的结论[1-13]。丁一汇等[14]对中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生进行了研究;王遵娅等[15]分析了2008年极端冰灾事件的气候特征及其所造成的影响;姚蓉等[16]对2008年初和2011年初的低温雨雪冰冻天气气候影响评估、天气学成因等方面进行综合对比分析;王东海等[17]对2008年的低温雨雪冰冻灾害的形成机理及其致灾原因进行分析;刘红武等[18]对湖南罕见的雨雪低温冰冻天气过程开展了研究。综合以上分析可以总结出:(1)拉尼娜事件的影响;(2)贝加尔湖阻高异常强盛,鄂霍次克海低涡偏强;(3)西太平洋副热带高压脊线较常年偏北,强度偏强,面积也明显偏大;(4)中亚、西亚低值系统活跃,来自南海(印缅槽)和孟加拉湾的大量暖湿空气不断向北输送。

关于贵州低温雨雪冻雨的研究,杨贵名等[19]从短期天气预报角度出发,初步分析了2008年初低温雨雪冰冻天气的主要特点和环流特征,对冻雨、暴雪的成因也进行了初步分析;甘文强等[20]对2018年1月底至2月初贵州低温雨雪天气成因进行初探;杜小玲等[21]对2011年初贵州持续低温雨雪冰冻天气成因,发现地面上稳定持久的准静止锋是低温雨雪天气发生的重要影响系统。王兴菊等[22]对2008和2016年的低温雨雪冰冻天气过程进行对比分析,并对2000—2018年贵州省的降雪空间、时间分布,周期特点进行了研究[23]。对于贵州低温雨雪天气,虽然各位专家研究重点不同,但都较为一致地认为地面上稳定持久的准静止锋是低温雨雪天气发生的重要影响系统。

2011年以后,贵州持续性低温雨雪天气过程明显减少,2022年贵州省再次发生大范围的低温雨雪事件,社会关注度比较高,很多人甚至认为2022年的低温雨雪已经超过了2008年。为了客观评价此次低温雨雪的强度,本文在前人研究的基础上,对2008年和2022年年初贵州省低温雨雪冻雨天气进行对比研究,除了常规的环流分析,增加了阻塞高压、副高、拉尼娜等分析研究,希望为贵州省以后该类灾害性天气的预报和研究提供参考。

1 2次过程实况的对比分析

1.1 低温雨雪冻雨时间分布特点

2008年1月13日—2月13日(以下统称2008年初)和2022年1月29日—2月24日(以下统称2022年初)的低温雨雪天气过程都有影响范围大、持续时间长、气温明显偏低的特点。2008年低温雨雪持续了32 d,1月13日—2月1日是低温雨雪持续加重的过程,2月4—13日以后低温雨雪逐步减弱,范围从全省缩小为贵州省中西部地区。2022年低温雨雪持续了29 d,分为4个短暂的阶段,间歇期白天气温回升到0 ℃以上,分别为2022年1月29日—2月3日,2月6—9日,2月13日,2月18—23日。

2008年(图1a)全省最低气温为-10.2 ℃,出现在2008年2月1日(威宁站),全省各站点过程最低气温平均值为-3.9 ℃(1月13日)～0.5 ℃(1月27日),全省过程平均低温为-1.4 ℃。2022年(图1b)全省最低气温为-6.3 ℃,出现在2022年2月22日(威宁站),过程全省平均最低气温为-1.5 ℃(1月13日)～ 5.5 ℃(1月27日),全省过程平均低温为-1.3 ℃,与2008年相比偏高2.7 ℃。

图1 2008年、2022年年初最低气温(a)、平均低温(b)日变化Fig.1 Diurnal variations of minimum (a) and mean (b) low temperatures in early 2008 and 2022

2008年(图2a)全省最大积雪深度为11 cm,分别出现在2008年1月28、29日(万山站),2月1日、2日(三穗站);最多降雪站数为81站,出现在2月1日,最多冻雨站数为73站,出现在1月12日;过程平均最大雪深为7.5 cm,日平均降雪站数为35.2站,日平均冻雨站数为45.5站。2022年(图2b)全省最大积雪深度为26 cm,出现在2月22日(万山站);最多降雪站数为80站,出现在2月22日,最多冻雨站数为31站,出现在2月21日;过程平均最大雪深为5.9 cm,日平均降雪站数为32.1站,日平均冻雨站数为10.4站。日平均降雪站数与与2008年相比略偏少,达到了2008年的91%;日平均冻雨站数与2008年相比明显偏少,但2022年最大雪深超过了2008年。

图2 2008年(a)、2022年(b)年初最大雪深、降雪站数、冻雨站数日变化Fig.2 Changes of maximum snow depth, snowfall days and freezing rain days in early 2008 (a) and 2022 (b)

1.2 降雪、冻雨、雪深空间分布特点

2008年过程降雪日数全省合计1258站(次)(图3a),其中降雪日数最多的为习水(29 d),最少为册亨、望谟(1 d),累计25 d以上的站点主要分布在贵州省西北部地区,5 d以下的站点分布在贵州西南部地区,总体呈现北多南少的分布特征。2022年(图3b)过程降雪日数全省合计868站(次),最多的站点为水城(16 d),最少为赤水(0 d),其次为册亨、望谟(1 d),12 d以上的站点主要分布在贵州省西北部、中东部地区,总体分布呈现中部一线多,南部边缘少的特征。2008年过程最大积雪深度为万山(11 cm)(图4a),超过10 cm以上的站点有5站。主要分布在贵州西北部的毕节、六盘水,东部的黔东南等地。2022年过程最大积雪深度为三穗(23 cm)(图4b),20 cm以上有4站,10 cm以上有27站,主要分布在贵州西北部和中部一线。

图3 2008年(a)、2022年(b)年初贵州省降雪日数分布图Fig.3 Distribution of snowfall days in Guizhou Province in early 2008 (a) and 2022 (b)

图4 2008年(a)、2022年(b)年初贵州省最大积雪深度分布图Fig.4 Distribution of maximum snow depth in Guizhou Province in early 2008 (a) and 2022 (b)

2008年过程冻雨日数全省合计1481站(次),最多的站点为威宁(38 d),有8站未出现冻雨,主要出现在省的西南部地区,20 d以上的站点主要出现在省的西北部和中部一线。2022年过程冻雨日数全省合计273站(次),最多的站点为开阳(17 d),有39 d未出现冻雨,主要位于省的北部和南部边缘地区,10 d以上的站点主要出现在省的西北部和中部一线。

从2次对比可以看出,2008年和2022年降雪、冻雨日数分布都呈现北多南少的特点,2008年的降雪、冻雨日数都明显超过了2022年,但2022年最大雪深超过了2008年。

2 拉尼娜事件的影响分析

当拉尼娜现象出现时,赤道中东太平洋海表温度将大范围持续异常偏冷,引起地球气候的异常。依据《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》国家标准[24],当关键区(尼诺3.4区,即170°W～120°W,5°S～-5°N之间的区域)3个月滑动平均海表温度低于气候平均态0.5 ℃时,即进入拉尼娜状态,持续5个月以上便形成一次拉尼娜事件。

2007年5月开始(图5a),尼诺3.4区开始出现-0.5 ℃的海表温度负距平,并迅速增强,到2007年12月达到最强,为-1.6 ℃,2008年1月开始逐步减弱,持续到2008年5月结束,持续时间为13个月。2020年7月(图5b)开始出现海温负距平,并不断增强,2020年10月达到最大值-1.3 ℃,持续到2021年4月结束,此次过程持续了10个月,2021年7—11月再次形成拉尼娜事件,2021年拉尼娜事件成为双拉尼娜事件。据国家气候中心统计,1950年以来发生拉尼娜事件16次,中等事件9次,弱事件1次,强事件1次,强事件出现在1988—1989年。2008和2021的拉尼娜事件强度均达到中等,2008拉尼娜事件中海温负距平强度超过了2021年,但2021持续时间比2008年长。

图5 2008年(a)、2022年(b)年初尼诺3.4区海温距平Fig.5 SST anomaly in the Nino 3.4 region in early 2008 (a) and 2022 (b)

3 环流背景

对于2022年低温雨雪天气的形成原因,拉尼娜事件的影响,欧亚阻高及副高异常偏强以及中亚、西亚低值系统活跃,持续大量暖湿空气向北输送水汽与2008年是一致的,但2022年鄂霍次克海低涡偏弱。

3.1 副高活动特征对比分析

2008年低温雨雪过程中副高出现了2次(图6a),第1次出现在1月14日,北界线18 °N,西伸脊点120°E,之后减弱消失;22日再次形成,北界线22°N,西伸脊点115 E°,之后副高南撤到18°N附近,直至减弱消失。2022年也出现了2次明显的副高体(图6b),第1次出现在2月3—10日,北界线12°N,西伸脊点150°E,之后西伸北抬,到2月10日西伸脊点到达120°E,北界线18°N;17日之后副高再次形成,并持续到24日,西伸脊点位于135°E。2008年低温雨雪过程中副高位置比2022年偏北偏西,但2022年中心强度更强,达到了5900 gpm,2008年为5880 gpm。

图6 2008年(a)、2022年(b)年初副高时序(等值线表示500 hPa高度场;阴影区表示副高,单位:gpm))Fig.6 Time series of subtropical high in early 2008 (a) and 2022 (b)(contour line represents 500 hPa height field; shaded area indicates secondary height, unit:gpm)

从副高的强度指数和面积指数来看,2008年(图7a)1月14—15日,副高生成并增强,强度指数从59.1增大到89.5,面积指数从33增大到54;16—17日逐步减弱。1月22—27日再次明显增强,强度指数在23.8～116.9,面积指数为17～70之间,30日以后减弱消失。2022年(图7b)出现2次副高指数增强到减弱的过程,第1次的最大值出现在2月7日,副高强度指数达到231.4,面积指数为41,第2次出现在2月23日,强度指数为302.5,面积指数为113。从2次过程的副高持续时间和指数对比来看,2008年低温雨雪期间出现时间更长,但2022年强度指数和面积指数都比2008年更大。

图7 2008年(a)、2022年(b)年初副高强度指数、面积指数时序Fig.7 Time series of sub-high intensity index and area index in early 2008 (a) and 2022 (b)

对2次低温雨雪期间的贵州最大积雪深度与副高强度、面积指数进行相关性分析(表1),2008年初最大雪深与副高强度指数的相关系数为0.417,与面积指数的相关系数为0.395,均通过了0.05的信度检验;2022年未通过相关性检验,在2022年2月23日副高面积指数达到302.5,强度指数达到113,为此次过程中的最大值,当天的最大积雪深度为24cm,为此次过程中的第二大,说明副高的强度、面积指数面积变化对雪深有明显影响。

表1 2008、2022年低温雨雪期间逐日最大积雪深度与副高强度、面积指数相关系数Tab.1 Correlation coefficient between daily maximum snow depth and sub-high intensity and area index during low temperature rain and snow in 2008 and 2022

在2008与2022年低温雨雪期间,副高异常北抬并西伸增强,来自中高纬地区的冷空气活动频繁,与副高西侧源源不断的偏南暖湿气流交汇,导致贵州出现了持续性的低温雨雪冰冻灾害性天气。

3.2 阻高活动特征对比分析

阻塞高压从建立到崩溃常常伴随着一次剧烈的大范围环流型转变,它的建立标志着环流由纬向型向经向型转变;在它的持续期间经向环流处于强盛阶段;它的崩溃则预示着经向环流向纬向环流的转变[25]。2008年(图8a)低温雨雪持续期间,乌拉尔山阻高活动频繁,出现了3次阻高活动,分别位于1月20—29日,2月6—8日、14—16日。从强度和范围来看,第1次最强,持续了10 d,中心值达到了5500 gpm,最后1次最弱,中心值为5440 gpm。2022年(图8b)低温雨雪期间出现了2次乌拉尔山阻高活动,分别位于2月2—6日、14—16日,中心值分别达到了5560 gpm和5580 gpm。2008、2022年低温雨雪冰冻灾害期间,乌拉尔山阻塞高压形势稳固,受其影响,使得横槽长时间维持并持续伴有不稳定小槽活动,造成冷空气频次偏多;从强度来看,2022年阻高强度更强,但持续时间比2008年短,2次从形成到崩溃时间均未超过5 d。

图8 2008年(a)、2022年(b)年初阻高时序(等值线表示500hPa高度场,单位:gpm)Fig.8 Time series of the blocking high in early 2008 (a) and 2022 (b)(contour line represents 500 hPa height field,unit:gpm)

3.3 北极升温

冬季在平流层会出现一种被称为极地涡旋的西风带气流,把冷空气聚集在自己周围;如果北极极涡移出南下,极地涡旋的势力减弱,冷空气就会下降,导致北极温度上升。本文选取(73°N、60°E)作为北极代表点来分析2次低温雨雪冰冻过程发生前后的温度变化情况,与2008年(图9a)低温雨雪期间频繁的冷空气相对应,北极出现了5次明显升温,最高气温超过了0 ℃,其中最明显一次升温为1月16—20日,气温上升了近20 ℃。2022年(图9b)出现了3次明显升温,最明显一次升温为2月20—22日,升温幅度接近16 ℃,最高气温上升到-6 ℃左右。从2次对比来看,2008年北极升温次数比2022年多,最高气温也更高。由于北极升温,北极极涡携带大量寒冷空气南下,所经之处气温明显下降,造成2008年和2022年持续性的低温雨雪天气。

图9 2008年(a)、2022年(b)年初北极点(73°N、60°E)气温时序Fig.9 Time series of temperature at the North Pole (73°N, 60°E) in early 2008 (a) and 2022 (b)

3.4 海平面气压特征

2008年年初(图10a)整个中纬地区都为正距平控制,冷高压中心值为1040 hPa,正距平中心值为7 hPa,位于贝加尔湖附近,冷高压正距平中心向西部和南部扩展,强度呈阶梯式递减,1025 hPa等压线伸展到贵州南部边缘地区,印缅槽一带为负距平,中心值为-7 hPa。2022年年初(图10b)冷高压中心值为1035 hPa,位于贝加尔湖附近,1020 hPa等压线伸展到贵州南部;整个中高纬地区都为正距平控制,正距平区域由东北向西南伸展,到了印缅槽一带转为负距平。2次低温雨雪天气期间均有强冷高压影响,其中2008年高压中心强度大于2022年。

4 水汽条件分析

从700 hPa的风场图来看,2008年(图11a)为西南气流影响,水汽输送主要来自孟加拉湾,与来自北方的冷空气汇合,汇合带位于35°N附近,有利于雨雪天气的产生。2022年(图11b)的西南暖湿气流主要来自于南海,与来自北方的冷空气汇合于32°N附近,与2008年相比,冷暖空气交汇带偏南,来自北方的偏北气流也不如2008年强。

图11 2008年(a)、2022年(b)年初(1000～300 hPa)整层积分水汽输送及辐合辐散场(矢量为水汽输送,单位:kg·s-1·m-1,阴影区为水汽输送大小,单位:10-5kg·s-1·m-2)Fig.11 Whole-layer integrated moisture transport and divergence fields in early 2008(a) and 2022(b)(1000～300 hPa)(vector was water vapor transport , unit:kg·s-1·m-1; shaded area was water vapor transport size, unit:10-5kg·s-1·m-2)

2008年(图11a)贵州受西南气流影响,孟加拉湾—南海有一支西南气流向贵州输送水汽,与来自北方的冷空气于35°N附近汇合,在贵州有明显的水汽辐合存在,中心值达到了250×10-5kg·s-1·m-2,为贵州雨雪天气提供了有利的水汽条件。2022年(图11b)孟加拉湾水汽输送不明显,西南暖湿气流主要来自于南海,与来自北方的冷空气汇合于32°N附近,在贵州东南部也有明显的水汽辐合存在,中心值达到了200×10-5kg·s-1·m-2。与2008年相比,2022年冷暖空气交汇带偏南,来自北方的偏北气流也不如2008年强,水汽输送也略偏弱。

5 逆温分析

逆温层是冻雨形成并维持的必要天气条件之一,在逆温层之上,随着高度的升高,温度将下降。逆温层之下,低层和地面气温长时间低于0 ℃,为冰冻形成提供了有利的冷垫条件。

2008年(图12a)在贵州范围内,温度在垂直方向上呈“冷—暖—冷”的结构,逆温层位于700～850 hPa,中低层有等湿度的密集区存在,有利于冻雨的产生。2022年(图12b)过程逆温与2008年相比略偏弱,但低层湿度更大,有利于低温雨雪产生。

图12 2008年(a)、2022年(b)年初沿26°N温度、湿度纬向距平的经度—高度剖面(阴影区表示湿度,单位:%;等值线表示温度,单位:℃)Fig.12 Longitude-altitude profiles along 26 °N of temperature and humidity latitudes in early 2008(a) to 2022(b) (shaded areas indicate humidity, unit:%; contours indicate temperature,unit:℃)

2008年1月22日(图13a)贵州范围内开始出现逆温,东部逆温达到了5 ℃,整个过程出现了4次阶段性逆温,有3次逆温中心4 ℃,分别出现在1月22日、1月29日、2月10日,对应当日贵州省冻雨日数分别为61站、71站、31站,基本上都为各阶段冻雨日数最大值。2022年(图13b)逆温较2008年明显偏弱,2月5日东部边缘有1 ℃逆温,2月20—23日省的中东部地区有3 ℃逆温,其余阶段逆温不明显,过程中冻雨日数最大值为31站,出现在2月21日,远小于2008年2月1日的73站。

图13 2008年(a)、2022年(b)年初850hPa与700hPa温度差值沿26°N纬向时间剖面Fig.13 Zonal-time profiles along 26°N for the difference of temperatures between 850 hPa and 700 hPa in early 2008(a) and 2022(b)

6 结论

(1)2022年低温雨雪与2008年相比偏轻,气温偏低程度和冻雨、降雪日数与2008年相比均偏低偏少,尤其是冻雨站数与2008年相比明显偏少,但2022年最大雪深超过了2008年。

(2)2008和2022年低温雨雪天气的形成原因,共同点是:拉尼娜事件的影响;欧亚阻高异常偏强以及中亚、西亚低值系统活跃,持续大量暖湿空气向北输送水汽。不同点是:2008年低温雨雪过程中副高位置比2022年偏北偏西,持续时间长,海平面气压高压中心强度更大;2022年副高最强强度指数和面积指数都更强,但持续时间短,鄂霍次克海低涡强度偏弱。

(3)2008年和2022年低温雨雪期间,副高异常增强、北抬,阻塞高压形势稳固,北极明显升温,为2次雨雪冰冻灾害提供重要的环流背景。

(4)2008年低温雨雪天气过程的水汽输送主要来自孟加拉湾,2022年主要来自于南海,冷暖空气交汇带偏南,来自北方的偏北气流与2008年相比偏弱。贵州省温度层结在垂直方向上呈“冷—暖—冷”的结构,逆温层位于700～850 hPa之间,2022年逆温与2008年相比偏弱。