2016年怀化2次低温雨雪天气过程对比分析

张 昆，肖 昀，王起唤

(湖南省怀化市气象局，湖南 怀化 418000)

0 引言

低温雨雪天气是湖南省春、冬季主要灾害性天气之一。2008年初和2011年初怀化出现的持续低温雨雪天气对社会经济和公众生产生活产生了严重影响。大量专家学者近年来对不同低温雨雪灾害天气过程进行了分析总结，得出了不少有价值的结论。胡钰玲等[1]、张萍萍等[2]和张腾飞等[3]对不同雨雪天气过程进行了对比分析和诊断分析，总结了降雪天气成因和关键点。姚容等[4]、肖蕾等[5]和胡燕平等[6]分析了温度与降水相态的关系，对比他们结论，发现不同地方雨雪转换的条件存在差异。张俊利等[7]和黄小玉等[8]也对湖南省的雨雪天气进行了总结。但怀化地处湖南西部，为山地丘陵地形，比地势较平坦的中东部地市更难出现低温雨雪天气。2016年1月22—23日(以下简称“1.22”过程)和2016年3月9—10日(以下简称“3.9”过程)影响怀化的两次低温雨雪天气过程天气背景、物理条件如何？降水强度、相态变化等有何差异？雷达回波特征如何？通过天气实况、环流形势、物理量场和雷达回波以及地形等方面进行对比分析，可以深入总结怀化低温雨雪天气的成因，为今后怀化低温雨雪过程降水相态的识别、强度和落区的判断等提供预报着眼点和分析思路。

1 低温雨雪过程实况对比

“1.22”过程：具有影响时间短、范围广、多种降水相态并存、降雪明显和气温低等特点。22日08时—23日20时，全市11个县(市、区)均出现雨雪天气。过程中先后出现雨、雨夹雪、雪多种降水相态，天气变化复杂。其中22日20时—23日08时为主要降雪时段，怀化中部及中部略偏南地区出现积雪，过程最大积雪深度达1.6 cm(芷江和鹤城区)，过程最大累积雨量3.1 mm芷江。此次过程气温较低，全市各县最低气温均低于0 ℃，最低-1.3 ℃芷江。

“3.9”过程：具有影响时间短、范围广、多种降水相态并存和降雨量大等特点。3月9日08时—10日20时，除南部通道县外，其他10个县(市、区)均出现相态变化。过程中同样出现雨、雨夹雪以及雪，但降雪较弱，地面无积雪出现，雨量较大，其中9日夜间—10日08时前后为主要降雪时段。过程最大累积雨量芷江29.1 mm。低温均在0 ℃以上，最低洪江0.1 ℃。

对比发现，两次过程均具有影响范围广、持续时间短、多种降水相态并存等特点。“1.22”过程降雪明显，雨量较小，而“3.9”过程降雨明显，降雪较弱。“1.22”过程最低气温明显低于“3.9”过程。

2 环流形势对比

分析“1.22”过程，22日08时(图略)欧亚地区500 hPa中高纬呈西高东低形势，乌拉尔山及其以东地区为阻塞高压，贝加尔湖东南部为深厚冷涡，冷涡中心位于蒙古东部，中心强度达-48 ℃。我国中低纬为纬向环流，并不断有高原槽东移，700 hPa切变线位于湘西北，850 hPa切变线华南北部。怀化处于东移槽前700 hPa切变线和850 hPa切变线之间的上升运动区。西伯利亚地面冷高压中心达1 060 hPa，冷空气分裂南下，一股快速南下至华南，冷锋前沿位于华南沿海，怀化气温降至2 ℃左右，以降雨为主，北部出现雨夹雪。另一股冷空气滞留于河套以北地区，与之配合的副冷锋位于华北一带。22日20时(图1a)500 hPa冷涡中心东移至内蒙古北部，冷涡西侧横槽旋转南下引导强冷空气大举南侵，并与中低纬高原短波槽同位相叠加。700 hPa和850 hPa切变线快速南压至湘中偏北和华南沿海地区，急流较弱，怀化站700 hPa风速为14 m/s。第一股冷空气南压入海，第二股冷空气沿河套至长江中下游不断补充南下，影响湘中以北地区，怀化北中部出现降雪，夜间气温急剧下降至0 ℃以下。23日08时500 hPa冷涡中心向东南移动，底部槽压至湘西北，700 hPa切变线南压至湘中偏南地区，华南北部低空急流维持。西伯利亚冷高压扩大并增强至1 085 hPa，同时南压至内蒙古北部，华南中南部维持准静止锋，怀化北中部降雪停止，南部开始转雪或雨夹雪。23日20时500 hPa冷涡中心东南移至朝鲜半岛，横槽压至湘中，低层转为一致偏北气流。地面准静止锋入海，雨雪过程基本结束。

图1 综合图(a)2016年1月22日20时、(b)2016年3月9日20时Fig.1 Integrated graphics (a.20∶00 January 22ND,2016,b.20∶00 March 9TH,2016)

“3.9”过程，9日08时500 hPa欧亚地区中高纬呈现两槽一脊形势，西西伯利亚为高压脊控制，低涡位于鄂霍次克海，中心强度达-42 ℃，低涡西侧横槽伸至巴湖地区。我国中低纬环流平直，有弱高原槽东移。700 hPa急流轴位于华南中部，怀化本站风速为8 m/s，850 hPa切变线位于江南南部。地面强冷空气主体在贝加尔湖西部聚积，地面冷高压中心最强达1 060 hPa，地面冷锋压至华南北部，怀化气温在4 ℃以上，以降雨为主。9日20时横槽迅速转竖，并逐渐与高原槽同位相叠加，引导冷空气深入南方地区。700 hPa切变位于湘北，西南急流加强，怀化本站风速达16 m/s，850 hPa切变线位于华南北部，地面冷锋南压至华南沿海。怀化受高空槽以及切变线影响，夜间怀化出现降雪。10日08时500 hPa同位相叠加槽东移，怀化北部转为西北气流，中南部为西南风。700 hPa切变线已南压至湘中偏南，华南地区低空急流维持，850 hPa切变线南压至华南南部，怀化自北向南降水逐渐停止。

对比2次过程，“1.22”过程500 hPa中高纬呈西高东低形势，“3.9”过程500 hPa中高纬呈现两槽一脊形势。“1.22”过程横槽旋转南下，“3.9”过程横槽转竖与中低纬东移高原槽同位相叠加，造成怀化低温雨雪天气。2次过程中影响系统均包含有高空槽、低空急流、中低层切变线和地面冷锋。“1.22”过程500 hPa冷中心强度强于“3.9”过程，降雪更明显、气温更低。而“3.9”过程水汽输送更好，降雨更强。

3 两次过程探空数据对比

3.1 层结结构与雨雪相态变化关系

在有降水条件的情况下，层结结构决定了雨雪相态[4]，选取怀化站探空和地面数据对怀化站层结结构和雨雪相态变化关系进行分析。

表1 怀化层结结构与降水相态情况(单位：℃)Tab.1 Stratification structure and precipitation of Huaihua(unit：℃)

700 hPa温度和地面2 m气温对怀化地区预报降水相态有重要指示作用。降雨时，700 hPa温度在2 ℃以上，地面2 m气温在4 ℃以上；纯雪时，700 hPa温度在-2 ℃以下，地面2 m气温一般在1 ℃以下。这与姚容等[4]关注的层次(还包括850 hPa、地面)不同，700 hPa温度阈值(0 ℃以上)更高一些。由于雨夹雪出现时段短，且发生时无探空数据，故不作具体分析。

3.2 水汽分布与降水量级关系

水汽的垂直分布往往决定了降雨(雪)的量级。2次过程700 hPa比湿较其他层次均偏大，表明700 hPa的水汽输送最强，是2次过程的主要水汽来源，与陈红专等[9]研究结果一致。“3.9”过程各时次各层次比湿都大于“1.22”过程，表明水汽含量越大，越有利于降水的产生。水汽垂直伸展越高，降水越大。

表2 怀化站各层比湿与过程累积雨量Tab.2 Specific humidity in each level and accumulated rainfall in Huaihua

4 物理量场对比

4.1 水汽条件

水汽通量表征水汽的输送量，水汽通量散度则表征水汽辐合辐散程度。对比分析怀化区域平均水汽通量随时间演变(图略)发现，2次过程水汽输送中心均位于700～600 hPa。分析2次过程700 hPa水汽通量沿110°E的时间剖面(图2)，2次过程均出现水汽通量的明显加强，大值区前沿推进到29°N附近，为降水提供了充沛的水汽条件。“1.22”过程水汽通量中心值超过14 g·cm-1·hPa-1·s-1，而“3.9”过程水汽通量中心值均超过18 g·cm-1·hPa-1·s-1，这与“1.22”过程累积降水量小于“3.9”过程相对应。水汽通量大值区主要位于28°N以南区域，这也导致怀化中南部降水量大于北部。随着大值区南落，雨雪过程也自北向南停止。从2次过程700 hPa水汽通量散度沿110°E时间剖面图(图3)发现，2次过程水汽辐合强度均出现明显增大，与主要降雪时段配合较好。“1.22”过程水汽通量散度中心值达-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以上，而“3.9”过程水汽通量散度中心值达-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1以上，对应“3.9”过程降水量更大。负的大值区主要位于26～28°N之间，与怀化中南部降水量更大对应。表明中层水汽输送以及水汽辐合对雨雪过程发生发展、强度和落区有重要影响。

图2 700 hPa水汽通量(实线，单位为g·cm-1·hPa-1·S-1)和水汽通量散度(色斑，单位为10-5 g·cm-2·hPa-1·S-1)沿110°E时间剖面(a)2016年1月22日08时—24日08时，(b)2016年3月9日08时—11日08时Fig.2 Evolution of water vapor flux (solid line,units:g·cm-1·hPa-1·s-1)and water vapor flux divergence on 700 hPa (shaded,units:g·cm-1·hPa-1·s-1)along 110°E (a.from 08∶00 January 22nd to 08∶00 January 24th,2016,b.from 08∶00 March 9th to 08∶00 March 11th,2016)

4.2 动力条件

涡度是表征物体旋转程度的物理量，在对流层中层正涡度将导致低层辐合，引起上升运动。对比2次过程500 hPa涡度沿110°E时间演变(图3)发现，2次过程都有正涡度影响，“1.22”过程和“3.9”过程26～29°N 最大涡度值均为8×10-5s-1，都具有产生雨雪天气的动力条件。2次过程中南部涡度大于北部，导致南部降水量强于北部。因此涡度场分布对于较强降水的落区具有一定的指示意义。

图3 500 hPa涡度(色斑表示正值区域，单位为10-5 S-1)沿110°E时间剖面(a)2016年1月22日08时—24日08时，(b)2016年3月9日08时—11日08时Fig.3 Evolution of vorticity (shaded is positive value area,units:10-5·s-1)on 500 hPa along 110°E (a.From 08∶00 January 22nd To 08∶00 January 24th,2016,b.From 08∶00 March 9th To 08∶00 March 11th,2016)

4.3 温度条件

2次过程均表现有中高纬高空冷空气向低空渗透，在偏北风作用下，冷空气向中低纬输送，楔入中低纬暖湿气流下，一方面提供雨雪天气发生发展的动力条件，另一方面提供低温雨雪天气所需的温度条件。22日20时(图4a)，26～29°N低层到高空均低于0 ℃以下，对应怀化出现降雪。而3月9日20时(图4b)，26～28°N 700 hPa附近为0 ℃以上的暖湿气流控制，怀化此时还以降雨为主。22日20时-50 ℃冷中心明显偏南，低层偏北风也较3月9日20时大，即冷平流较强，导致“1.22”过程低温较低。

图4 温度叠加风场沿110°E垂直剖面(风矢代表垂直风场；等值线为温度，单位为℃，阴影表示0 ℃以上)(a)2016年1月22日20时，(b)2016年3月9日20时Fig.4 Temperature and wind vertical section along 110°e (vector is vertical wind field;contour is temperature,units:℃,shaded is value above 0 ℃;a.20∶00 January 22nd,2016,b.20∶00 March 9th,2016)

5 雷达回波分析

对比2次过程主要降水阶段组合反射率图(图5)，“1.22”过程主要以层状云降水回波为主，分布均匀，最大反射率因子值为20 dBz左右，成片状分布，且主要影响怀化中部，维持时间较长，造成怀化中部出现积雪。“3.9”过程前期降水以混合性降水回波为主(图5b)，且最大值超过了45 dBz，回波顶高较低，为低质心的高效率的降水回波，覆盖的范围较宽，且中低层在0 ℃以上，导致出现较强的降水。后期则转为层状云降水回波，持续时间短，故“3.9”过程以液态降水为主，地面无明显积雪。

图5 2次过程怀化多普勒雷达组合反射率图(a)2016年1月23日04时53分，(b)2016年3月10日01时01分，(c)2016年3月10日07时47分(单位：dBz)Fig.5 Graphics of huaihua doppler radar composite reflectivity of two weather processes (a.04∶53 January 23rd,2016,b.01∶01 March 10th,2016,c.07∶47 March 10th,2016，unit:dBz)

图6给出了两次过程主要降水时段2.4°仰角、100 km探测范围内的径向速度场。2次过程零速度线穿过测站，其中“1.22”过程60 km范围内零速度线与径向方向平行，可以识别出低层最大风速达20 m/s以上的“牛眼”特征，中层速度西南暖湿气流位于3 km以上。表明低层为强盛东北风且伸展较高，怀化以降雪为主。“3.9”过程前期低层同样出现“牛眼”特征，最大风速15 m/s，中层西南暖湿气流位于2.2 km以上，怀化以较强降雨为主。后期低层东北风加强且向上伸展，怀化转雪。对比发现，“3.9”过程冷空气强度和厚度均较“1.22”过程小，但中层暖湿空气较“1.22”过程厚，证实了深厚的强冷空气对“1.22”过程的降雪和低温、强暖湿气流带来的水汽对“3.9”过程的较强降水起着重要作用。

图6 2次过程怀化多普勒雷达径向速度图(a)2016年1月23日04时53分，(b)2016年3月10日01时01分，(c)2016年3月10日07时47分(单位：m/s)Fig.6 Graphics of huaihua doppler radar radial velocity of two weather processes (a.04∶53 January 23rd,2016,b.01∶01 March 10th,2016,c.07∶47 March 10th,2016，unit:m/s)

6 地形作用分析

怀化地处湖南西部，地貌轮廓自西南向北倾斜，呈一狭长地带，东西两侧高峻，南部突起，向中、北部倾斜，中南部海拔较北部海拔高，呈簸箕形，向北东敞口。冷空气主要从怀化东北部敞口进入，并在盆地内堆积，形成冷垫。对比2次降雪过程，地形对降雪相态以及降水强度有一定的影响。主要体现在3个方面：一是不同海拔温度条件异同，海拔越高，冷却条件越好，越有利于降雪的形成。“1.22”过程和“3.9”过程都是中部海拔较高的气温低于北部海拔低的区域，导致中部的降雪较明显，特别是“1.22”过程在中部出现明显积雪。二是阻挡冷空气南下，形成冷垫，冷空气越强，越有利于冷空气堆积，从而有利于降水在低层冻结，形成固态的降雪。三是地形的辐合抬升作用,“1.22”过程和“3.9”过程中低层东北风达16 m/s以上，东北风与西南侧的山地分布垂直，有利于风在山前辐合抬升，加强上升运动，中南部降水强于北部的实况也应征了这一结论。

图7 地面、850 hPa实况与地形叠加(a)2016年1月22日20时(b)2016年3月10日08时Fig.7 Overlay graphics of surface and 850 hPa observation data and terrain (a.20∶00 January 22rd,2016,b.08∶00 March 10th,2016)

7 结论

①“1.22”过程欧亚中高纬500 hPa呈西高东低形势，“3.9”过程呈两槽一脊形势。2次过程影响系统均包含有高空槽、低空急流、切变线和地面冷锋。“1.22”过程降雪更明显、气温更低。“3.9”过程水汽条件更好，降水更强。

②700 hPa温度和地面气温对预报怀化降水相态有重要指示作用。降雨时，700 hPa温度在2 ℃以上，地面2 m气温在4 ℃以上；纯雪时，700 hPa温度在-2 ℃以下，地面2 m气温一般在1 ℃。

③物理量场分析表明中层水汽输送、水汽辐合以及涡度场对雨雪过程发生发展、强度和落区具有指示意义。“1.22”过程中低层温度更低、冷平流更强，降雪更明显、低温更低。

④ 2次过程降雪阶段主要以层状云降水回波为主。深厚的强冷空气对“1.22”过程中的降雪和低温、强暖湿气流对“3.9”过程的较强降水起着重要作用。

⑤怀化复杂的簸箕形地形，对降雪相态以及降水强度有一定的影响。

需要指出的是，本文仅对2016年的2次低温雨雪过程进行了对比分析，其结论是否具有普适性，还需通过更多个例的对比研究来进一步予以验证。