山西省两次极端大暴雪过程对比分析

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2024-06-0900

摘要/Abstract

摘要：

为加深对极端暴雪的认识，揭示异常影响因子导致极端暴雪的可能性，利用气象观测资料和再分析资料，对2021年2月24日和2月27日至3月1日（分别简称“过程Ⅰ”和“过程Ⅱ”）山西两次大暴雪天气过程的极端性进行对比分析。结果表明：过程Ⅰ是一次对流性暴雪过程，由高原槽、地面倒槽和回流的共同作用引起；强烈的西南暖湿急流在“冷垫”上迅速爬升和对称不稳定共同导致潜在不稳定能量快速释放，造成过程降水范围集中、降雪强度大、持续时间短；过程中，冷空气迅速侵入，降水相态由雨迅速转为雪。过程Ⅱ是以稳定性为主的降雪过程，受高空槽、地面气旋和倒槽共同影响；在系统性冷空气侵入过程中，形成降水范围大、持续时间长的极端暴雪过程；此次降雪过程降水相态变化复杂。两次过程在降水开始前，环流形势、水汽输送机制、不稳定机制和上升运动分布特征存在显著差异。过程期间，局地比湿、700 hPa能量和上升运动均较历史同期异常偏大，这是极端天气出现的重要原因之一。两次过程降水中心均位于降水前6~12 h异常物理量中心的下游，水汽输送和湿层增厚也对降水开始时间有一定指示意义。降水相态的转换与温度的垂直分布和锋面结构密切相关。

关键词: 大暴雪, 极端性, 相态转化, 山西

Abstract:

In order to deepen the understanding of extreme snowfall and reveal the possibility of anomalous influencing factors leading to extreme snowfall events, the extremes of two major snowfall weather processes in Shanxi Province on February 24, 2021 and from February 27 to March 1 (referred to as “Process I” and “Process II”, respectively) were analyzed by using the meteorological observations and reanalysis data. The results show that Process Ⅰ was a convective snowfall process, caused by the combined influence of a plateau trough, a surface trough and a return flow. The rapid climb of the strong southwest warm and wet jet on the “cold pad” and the symmetric instability together led to the rapid release of potential unstable energy, resulting in a concentrated precipitation range, a large snowfall intensity and a short duration. During this process, cold air quickly invaded and the precipitation phase changed from rain to snow quickly. Process Ⅱ, on the other hand, was characterized primarily by stability, which was influenced by an upper-level trough, a surface cyclone and an inverted trough. During the systematic invasion of cold air, an extreme snowfall event was formed, with a large area of precipitation and a prolonged duration, and the phase changes during this snowfall process were complex. Significant differences were found in the circulation patterns, moisture transport mechanisms, instability mechanisms, and vertical motion characteristics before the precipitation of two snowfall processes. However, compared to the climatological averages, both processes exhibited anomalously high local relative humidity, 700 hPa energy, and vertical upward motion, which was identified as one of the key reasons for the occurrence of extreme weather. The precipitation centers of both events were located in the downstream of the anomalous physical quantity centers 6 to 12 hours before precipitation, and the moisture transport and the thickening of the moist layer were also provided some indication for the precipitation starting time. Additionally, the transition of precipitation phase was closely related to the vertical distribution of temperature and frontal structure.

Key words: heavy snowfall, extremeness, phase transition, Shanxi

中图分类号:

P458

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图/表 10

图1 2021年2月24日08：00—25日08：00（a）、2月27日08：00—3月1日08：00（b）累计降水量空间分布（单位：mm）

Fig.1 The spatial distribution of accumulated precipitation from 08：00 on February 24 to 08：00 on February 25 （a） and from 08：00 on February 27 to 08：00 on March 1 （b）， 2021 （Unit： mm）

表1 两次降雪过程实况特征对比

Tab.1 Comparison of the characteristics of the two snowfall processes

降雪过程	出现时间	是否突破极值	降水范围	降水性质	持续时间	相态转换	雷电	伴随天气
过程Ⅰ	2月下旬	是	山西南部	对流	8~15 h	快	有	雾
过程Ⅱ	2月下旬	是	山西全省	混合	27~32 h	慢	有	雾

图2 2021年2月24日08：00 500 hPa高度场（黑色实线，单位：dagpm）及其标准化距平场（填色）（a），海平面气压场（黑色实线，单位：hPa）及其标准化距平场（填色）（b）（棕色实线表示槽线，字母“D”、“G”分别表示低压、高压中心位置，红色实线包围区域为山西省，下同）

Fig.2 The 500 hPa geopotential height field （black solid lines， Unit： dagpm） and its standardized anomaly field （the color shaded）（a）， sea-level pressure field （black solid lines， Unit： hPa） and its standardized anomaly field （the color shaded）（b） at 08：00 on February 24， 2021 （Brown solid lines represent trough lines， the letters “D” and “G” denote the positions of low and high pressure centers respectively， and the area enclosed by the red solid line is Shanxi Province， the same as below）

图3 2021年2月27日14：00 500 hPa高度场（黑色实线，单位：dagpm）及其标准化距平场（填色）（a），海平面气压场（黑色实线，单位：hPa）及其标准化距平场（填色）（b）

Fig.3 The 500 hPa height field （black solid lines， Unit： dagpm） and its standardized anomaly field （the color shaded）（a）， sea-level pressure field （black solid lines， Unit： hPa） and its standardized anomaly field （the color shaded）（b） at 14：00 on February 27， 2021

图4 2021年2月24日08：00沿35.8°N（a）和2021年2月27日14：00沿37.9°N（b）的假相当位温（黑色实线，单位：K）、湿斜压对称不稳定（灰色填色，单位：10-6 m2·s-1·K·kg-1）及风场（风矢，单位：m·s-1）的经度-高度剖面（黑色三角为暴雪中心所在经度）

Fig.4 The longitude-height sections of the pseudo-equivalent potential temperature （black solid lines， Unit： K），wet baroclinic symmetric instability （the grey shaded， Unit： 10-6 m2·s-1·K·kg-1） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） along 35.8°N at 08：00 on February 24 （a） and along 37.9°N at 14：00 on February 27 （b）， 2021 （the black triangle represents the longitude of the center of the snowstorm）

图5 2021年2月24日16：00（a）、16：30（c）和2月28日16：00（b）、16：30（d）红外云图黑体亮温（a、b）及雷达组合反射率因子（c、d）

Fig.5 The black body temperature on infrared cloud images （a， b） and composite radar reflectivity factors （c， d） at 16：00 （a）， 16：30 （c） on February 24， 2021 and 16：00 （b）， 16：30 （d） on February 28， 2021

图6 过程Ⅰ（a）和过程Ⅱ（b）沿降水中心[过程Ⅰ（112.9°E， 35.8°N）、过程Ⅱ（113.7°E， 37.9°N）]的比湿（黑色实线，单位：g·kg-1）、水平水汽通量（灰色填色区）和经向垂直水汽通量（箭头）（单位：10-5 kg·m-1·hPa-1·s-1）的时间-高度剖面

Fig.6 The time-height sections of specific humidity （solid black lines， Unit： g·kg-1）， horizontal water vapor flux （the gray shaded area）， and meridional vertical water vapor flux （arrows）（Unit： 10-5 kg·m-1·hPa-1·s-1） along the precipitation centers of Process Ⅰ （112.9°E， 35.8°N）（a） and Process Ⅱ （113.7°E， 37.9°N）（b）

图7 过程Ⅰ（a）和过程Ⅱ（b）沿降水中心[过程Ⅰ（112.9°E， 35.8°N）、过程Ⅱ（113.7°E， 37.9°N）]的假相当位温（黑色实线，单位：K）和垂直速度（灰色填色区，单位：Pa·s-1）的时间-高度剖面

Fig.7 The time-height sections of the pseudo-equivalent potential temperature （solid black lines， Unit： K） and vertical velocity （the gray shaded， Unit： Pa·s-1） along the precipitation centers of the Process Ⅰ （112.9°E， 35.8°N）（a） and the Process Ⅱ （113.7°E， 37.9°N）（b）

图8 过程Ⅰ（a）和过程Ⅱ（b）500 hPa以下最大上升速度随时间演变（灰色矩形框表示过程降水时段）

Fig.8 The evolution of maximum ascending velocity under 500 hPa during the Process Ⅰ （a） and the Process Ⅱ （b）（the gray box represents the period of snowfall）

图9 2021年2月23—25日（a）、2月27日—3月1日（b）高平站（112.9°E，35.8°N）温度场（红线，单位：℃）、水平风场（风矢，单位：m·s-1）和相对湿度（填色，单位：%）的时间-高度剖面（两条竖线之间为降水时段）

Fig.9 The time-height sections of temperature （red lines， Unit： ℃）， horizontal wind field （wind vectors， Unit： m·s-1）， and relative humidity （the color shaded， Unit： %） at Gaoping Station （112.9°E， 35.8°N） from 23 to 25 February （a） and from 27 February to 1 March （b）， 2021 （Between the two vertical lines is the precipitation period）

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