• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2023, 41(3): 463-473 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0463

论文

印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响

张入财,1, 王君,2, 陈超辉3, 付伟基4, 魏璐璐5

1.中国人民解放军31308部队,四川 成都 610031

2.河南省气象学会,河南省气象科学研究所,河南 郑州 450003

3.国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410073

4.中国人民解放军96606部队,河南 洛阳 471000

5.河南省三门峡市气象局,河南 三门峡 472000

Influence of Indian double vortexes on a typical snowstorm event in the west of Qinghai-Tibet Plateau

ZHANG Rucai,1, WANG Jun,2, CHEN Chaohui3, FU Weiji4, WEI Lulu5

1. No. 31308 of PLA, Chengdu 610031, China

2. Henan Provincial Meteorological Society, Henan Institute of Meteorological Sciences, Zhengzhou 450003, China

3. College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

4. No. 96606 of PLA, Luoyang 471000, Henan, China

5. Sanmenxia Meteorological Office of Henan Province, Sanmenxia 472000, Henan, China

通讯作者: 王君(1974—),女,河南淅川人,高级工程师/副编审,主要从事应用气象研究。E-mail:1004937925@qq.com

责任编辑: 王涓力;校对:黄小燕

收稿日期: 2022-06-20   修回日期: 2022-08-3  

基金资助: 国家自然科学基金项目(42275169)

Received: 2022-06-20   Revised: 2022-08-3  

作者简介 About authors

张入财(1983—),男,重庆长寿人,高级工程师,硕士,主要从事高原灾害性天气预报技术研究。E-mail:zhangrc1021@163.com

摘要

利用地面气象观测数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年10月18—19日青藏高原西部暴雪过程进行综合分析,研究印度北部低涡对强降雪天气的贡献。结果表明:本次强降雪过程在南支槽东移和印度低涡异常活跃的背景下产生,南支槽前高空急流和印度北部东西向两个低涡为高原西部强降雪提供了有利的环流背景;降雪期间,印度北部至喜马拉雅山脉以南地区东南风低空急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,使得孟加拉湾水汽能够向西输送;生成于印度西北地区的对流层低涡系统一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于孟加拉湾的水汽在低涡东部聚集,另一方面增强低涡东部偏南气流与高原大地形之间的强迫作用,使得大量水汽能够源源不断地从对流层低层沿高原南坡陡峭地形向上爬升至高原,为强降雪天气提供充足水汽条件;高空位涡侵入是印度西北地区的低涡系统生成发展的重要原因。总的来看,印度北部的低涡系统在此次高原西部降雪天气中起了重要作用,在高原地区降雪预报业务中,有必要加强对低纬度地区对流层低层低涡系统的跟踪监测。

关键词: 暴雪; 南支槽; 双低涡; 位涡; 高低空急流

Abstract

Based on the conventional meteorological observations, the ERA5 (0.25°×0.25°) reanalysis data and FY-4A satellite cloud top brightness temperature data, the snow storm in the western Tibet from October 18 to 19, 2021 was analyzed, and the contribution of the low vortexes in northern India to the heavy snowfall was further studied. The results show that the heavy snowfall occurred under the background of the South Branch trough moving eastward and the abnormal activity of the Indian vortex, the high-level jet in front of the South Branch trough and the east-west double vortexes in northern India provided favorable circulation background for the strong snowfall in the west of the plateau. During this snowfall process, from northern India to the south of the Himalayas, the southeast low-level jet burst, establishing a water vapor transport channel from the bay of Bengal to the west, so that the water vapor in the bay of Bengal can be transported to the west. The low vortex system that generated in northwest India, on the one hand, made the water vapor from the bay of Bengal gather in the east of the low vortex and blocked its continuous transport westward. On the other hand, it enhanced the forcing effect between the southerly wind in the east of the low vortex and the plateau topography, so a large amount of water vapor can be continuously transported from the lower troposphere along the steep terrain on the southern slope of the plateau to the plateau, which provided sufficient water for the strong snowfall. The invasion of high-level potential vorticity is the main reason for the formation and development of the low vortex system in northwest India. In general, the low-level vortex system in the lower troposphere in northern India played a key role in the heavy snowfall process. In snow forecast in the plateau areas, it is necessary to strengthen tracking and monitoring of low vortex system in the lower troposphere in the low latitude.

Keywords: snow storm; the South Branch trough; double vortexes; potential vorticity; high and low level jets

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本文引用格式

张入财, 王君, 陈超辉, 付伟基, 魏璐璐. 印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响[J]. 干旱气象, 2023, 41(3): 463-473 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0463

ZHANG Rucai, WANG Jun, CHEN Chaohui, FU Weiji, WEI Lulu. Influence of Indian double vortexes on a typical snowstorm event in the west of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Arid Meteorology, 2023, 41(3): 463-473 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0463

引言

暴雪是青藏高原地区常见的灾害性天气(杨志刚等,2014;罗布坚参等,2016),通常伴随着低温大风,带来大面积、长时间积雪,会引起道路通行受阻,通信、电力等设施损坏,人员牲畜死亡等,对经济发展、人民生产生活以及军事活动等造成重大影响(郭城等,2012;王慧清等,2019)。受广阔地域、复杂地形及监测站点稀疏等方面限制,对降雪在高原不同区域的特征、影响系统、形成机制等方面的认识还有很多不足,对其进行准确预报依旧存在很大难度。

已有研究从环流分型、影响系统、水汽输送、地形作用及预报着眼点等多个角度对暴雪天气过程进行了深入分析和探讨(庄晓翠等,2016;卢秉红等,2016;索渺清和丁一汇,2014;杨淑华等,2021;柳龙生等,2015),针对高原地区暴雪也有很多研究成果。如余燕群等(2020)针对藏北地区的暴雪天气过程,将其环流形势分为印度低压型、北脊南槽型、阶梯槽型和巴尔喀什湖低槽型等4种,而在各种引起高原暴雪的环流形势中南支槽均起重要作用,孟加拉湾是高原上强降水的水汽源地之一(林志强等,2014;林志强,2016)。另外,青藏高原大地形作用和高层强辐散的抽吸效应对暴雪的产生具有重要作用(康志明等,2007)。

低纬度风暴系统对高原暴雪天气有重要影响,每年4—5月和10—11月为孟加拉湾风暴多发时期,风暴登陆后减弱为热带低压时,其外围云系携带充沛的水汽和能量沿西南风北上常造成高原暴雪(周倩等,2011;王敏等,2010);南支槽和孟加拉湾风暴的共同作用是低纬高原暴雨雪的重要原因,冬半年(10月至次年5月)孟加拉湾风暴常伴有南支槽存在(索渺清和丁一汇,2009;边巴卓嘎,2021)。以往研究主要集中在孟加拉湾风暴、风暴残留低涡等这类强系统(段旭和段玮,2015),对低纬度对流层低层的低涡等弱系统的研究相对较少。

青藏高原地区强降雪具有显著的地域性特征(林志强等,2014),大到暴雪日数最多的有两个区域:一个是南部边缘地区的喜马拉雅山南麓区域,另一个是那曲中东部与昌都西部地区。高原西部强降雪相对较少,但强降雪往往对该地区道路交通、经济民生及军事活动带来严重影响。目前对高原雪灾和强降雪天气的研究主要集中在高原东部牧区(过霁冰等,2012;马林等,2003;时兴合等,2007),对高原西部暴雪的环流特征和成因机理研究较少。因此,加强对高原西部强降雪的研究对高原灾害天气预报和气象服务有重要意义。2021年10月18—19日高原西部出现了区域性暴雪天气,本文从环流背景、印度中尺度低涡、低空急流、云图演变特征等方面分析这次暴雪过程,运用位涡诊断方法研究印度北部对流层低层中尺度低涡环流的发生发展机理,以期加深对低纬度对流层低层低涡系统的认识,为提高高原暴雪天气的预报预警能力提供一些参考。

1 资料与方法

所用资料包括:(1)2021年10月18—19日西藏地区国家气象站和区域自动气象站逐小时降水数据;(2)2021年10月16—21日FY-4A卫星可见光云图及云顶亮温数据,采用可见光云图定性分析降雪前后地面新增积雪厚度和积雪覆盖变化,云顶亮温数据用于分析中尺度低涡云团的生消演变;(3)2021年10月16—21日欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA5,水平分辨率0.25°×0.25°,时间间隔1 h),用于环流分析及物理量诊断。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS(2022)1873号的标准地图制作,底图无修改。文中所有时间均为北京时。

文中采用位涡诊断方法分析中尺度低涡发展机制。Hoskins等(1985)指出,一个高层正的位涡扰动移动到对流层低层或地面的斜压区上空时,位涡扰动会向下伸展,同时也会在斜压区激发出气旋性环流,导致正的位涡扰动出现。根据下滑倾斜涡度发展理论(詹姆斯·霍顿和格雷戈瑞·哈金,2019;寿绍文,2017),当具有高位涡的干侵入气流沿着等熵面从高层向低层下滑时,将使得中低层的垂直涡度发展,低涡加强。

P坐标系中,忽略垂直速度的水平变化,位涡(Potential Vorticity,PV)计算公式如下:

PV=-gζ+fθp+vpθx-upθy

式中:ζ(s-1)为相对涡度;f(s-1)为牵连涡度;g为重力加速度(取9.8 m·s-2);θ(K)为位温;uv (m·s-1)分别为水平风速的uv分量;p (hPa)为气压。

2 暴雪过程概述

2021年10月18—19日青藏高原西部出现大面积强降雪天气,部分地区出现大暴雪。从降雪过程前后可见光云图[图1(a)、(b)]中可以看出,降雪前(17日)高原西部积雪覆盖少,降雪过后(21日)积雪覆盖面积大幅增加,西藏西北部和西南部的大部分地区被新增积雪覆盖,喜马拉雅、喀喇昆仑、阿伊拉日居等山脉山脊及迎风坡积雪厚实,边境山口、达坂等地的部分区域积雪厚度达30 cm,道路积雪严重,造成新藏线受阻,车辆人员滞留。从累积降雪量[图1(c)]来看,西藏西部14站降雪量超过10.0 mm,5站降雪量超过30.0 mm,萨让站最大降雪量达53.7 mm,降雪量南多北少,超过10.0 mm降雪区向北覆盖到狮泉河、日土等地,较为少见。分析南部萨让、普兰和北边狮泉河、日土等4个典型代表站小时降雪量[图1(d)]可知,强降雪时段主要集中在18日08:00至19日08:00,降雪先从最南边普兰等地开始,然后向西向北覆盖到萨让、狮泉河、日土等地,南边普兰、萨让等地最大小时降雪量达5.0~7.0 mm,北边日土、狮泉河等地最大小时降雪量相对较小,为1.0~2.0 mm。由于狮泉河站位于高原西部中间位置,为便于分析,文中选其作为参考站分析各系统对高原降雪的影响。

图1

图1   2021年10月17日降雪前(a)和21日降雪后(b)的FY-4A卫星可见光云图(色标为反照率),10月18日08:00至19日20:00过程累积降雪量(单位:mm)(c),18—19日普兰、日土、狮泉河、萨让站逐小时降雪量(d)

(▲为狮泉河站所在位置。下同)

Fig.1   The FY-4A satellite visible cloud image (the shaded for albedo) before (a) and after (b) the snowfall occurrence on October 17 and 21, 2021, the accumulated snowfall (Unit: mm) from 08:00 on 18 to 20:00 on 19 October 2021 (c), and hourly snowfall evolution at Pulan, Ritu, Shiquanhe and Sarang stations from 18 to 19 October 2021(d)

(The ▲ refers to the Shiquanhe station. the same as below)


3 环流背景

10月16日200 hPa,中低纬度为一槽一脊环流形势,南亚高压中心位于孟加拉湾北部,青藏高原受高压脊控制,上游有一南支槽东移加深,槽前西南—东北向的高空急流也随之增强(图略)。随着南支槽东移,高原西部转受槽前西南气流影响,17日夜间,西藏阿里西部和南部边缘地区开始出现降雪。18日08:00,南支槽达最强,高空急流中心风速超过70 m·s-1,此时西藏西部地区位于急流入口区右侧,高空处于强辐散区,伴随降雪强度迅速增大[图2(a)]。19日08:00南支槽已大幅减弱,急流经向度转平,高原西部降雪强度明显减小[图2(b)]。

图2

图2   2021年10月18日(a、c)和19日(b、d)08:00 200 hPa(a、b)和500 hPa(c、d)位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)、温度(红色虚线,单位:℃)、风场(风矢与填色,单位:m·s-1

(棕色线为槽线)

Fig.2   Geopotential height (black contours, Unit: dagpm), temperature (red dotted isolines, Unit: ℃) and wind field (wind vectors and the color shaded, Unit: m·s-1) on 200 hPa (a, b) and 500 hPa (c, d) at 08:00 on 18 (a, c) and 19 (b, d) October 2021

(The brown line is trough)


16日500 hPa中低纬度环流形势与200 hPa相似,青藏高原受西太平洋副热带高压脊控制,588 dagpm线脊点已伸到90°E以西(图略)。17—18日上游南支槽东移,在冷暖平流作用下槽逐渐加深,高原西部开始转受槽前西南气流影响。18日08:00,南支槽底部已伸到25°N以南,从图2(c)可以看出,有两支气流在青藏高原西南部汇合,一支为南支槽前西南气流,另一支来自于副热带高压脊南侧孟加拉湾北部的东南气流,此时西藏西南部边缘地区的偏南风增大且超过20 m·s-1,这股强劲的偏南气流有利于水汽向高原输送,并在南支槽前西南气流的作用下,进一步输送到偏北地区,由此造成西藏阿里及藏北地区18日08:00至19日08:00的强降雪。19日08:00,副热带高压脊东退,南支槽槽区冷平流减弱[图2(d)];20:00南支槽大幅减弱,随着南支槽减弱东移,高原西部降雪也随之结束。

4 印度双低涡和低空急流演变特征

图3为印度和孟加拉湾地区对流层低层850 hPa(海拔约1 500 m)环流形势。可以看出,18日02:00,印度北部地区东西方向有2个低涡存在,分别为图3(a)中的C1和C2,其中低涡C1中心位于印度半岛西部(77°E,23°N)附近,低涡C2中心位于孟加拉湾北部(87°E,22°N)附近,此时低涡C1北侧以偏东风为主,青藏高原西南部边缘地区的偏南风分量较小,喜马拉雅山脉以南至双低涡以北为东南风低空急流区,该急流的存在有利于孟加拉湾水汽的向西输送。08:00[图3(b)],低涡C1以北至高原以南地区环流的气旋性扰动开始发展,高原南侧的东南风低空急流明显增强,风速大于12 m·s-1急流区连接成片,受气旋性扰动影响,低空急流在80°E以西有明显的气流转向,南风分量增强,南风的增强有利于与高原南坡大地形形成辐合,增强地形的抬升作用,使得低层水汽能够向上爬升。14:00[图3(c)],低涡C1减弱,高原边上(78°E,28°N)附近有一新的中尺度低涡C3生成,低涡C3与C2形成新的双低涡配置,高原以南地区的东南风低空急流进一步加强,急流中心最大风速增大到16 m·s-1。分析风场和湿度场可以看出,低涡C3的生成对低空急流和水汽的向西输送有明显的阻挡作用,急流在低涡C3东侧存在明显气流辐合,偏南风分量增大;低涡C3东西两侧有明显的干湿差异,东侧水汽含量大,比湿在14 g·kg-1以上,而西侧水汽含量小,比湿仅为6~12 g·kg-1。18日14:00至19日08:00,低涡C3稳定少动,高原以南地区维持强劲的低空急流,急流最大风速增大到20 m·s-1,其间孟加拉湾的巨量水汽沿低空急流输送到低涡C3东侧,并在高原南坡的地形辐合抬升作用下输送到高原西部,为强降雪提供了充足的水汽条件。19日08:00[图3(e)],低涡C2已从孟加拉湾北部地区向北深入到高原南侧,低空急流带随之大幅减弱;20:00[图3(f)],随着低涡C2和急流带均减弱消失,高原西部的降雪也随之结束。

图3

图3   2021年10月18日02:00(a)、08:00(b)、14:00(c)、20:00(d)与19日08:00(e)、20:00(f)850 hPa风场(箭头,单位:m·s-1)、风速(黑色等值线,单位:m·s-1)和比湿(填色,单位:g·kg-1

(C1、C2、C3为低涡中心位置;灰色阴影区为海拔大于1 500 m的高原区)

Fig.3   The 850 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1), wind speed (black isolines, Unit: m·s-1) and specific humidity (the color shaded, Unit: g·kg-1) at 02:00 (a), 08:00 (b), 14:00 (c) and 20:00 (d) on 18, and at 08:00 (e), 20:00 (f) on 19 October 2021

(The C1, C2 and C3 are low vortex center. Gray shadow refers to the plateau area with an altitude more than 1 500 meters)


综上所述,降雪期间印度北部地区对流层低层的低涡异常活跃,建立了东西方向的双低涡环流配置。印度北部至高原以南地区的低空东南风急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,降雪随着低空急流减弱而减弱。低涡C3的生成对高原西部降雪的增强有重要作用,一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于来自孟加拉湾的巨量水汽聚集在低涡东部;另一方面低涡东部偏南风增强了与高原南坡地形的辐合,在高原南坡大地形的强迫抬升作用下,大量水汽源源不断地输送上高原,为强降雪提供了充沛的水汽条件。

5 中尺度低涡云团演变特征

图4为FY-4A卫星云顶亮温分布。18日02:00[图4(a)],低涡C1和C2中心附近的对流云团发展旺盛,云顶亮温小于-80 ℃;高原西部地区为南支槽的带状云系,以层状云为主,云带相对破碎,云顶亮温约-40 ℃;08:00[图4(b)],低涡C1中心附近对流云团减弱,其北侧高原附近云团增强;14:00[图4(c)],随着南支槽的东移和低涡C3的生成,低涡云系与南支槽云系合并,南支槽云带大幅增强,云顶亮温最低在-56 ℃以下,受此影响高原西部狮泉河、日土等地降雪明显增强;20:00[图4(d)],低涡C3和C2的位置相对固定,C3云带有明显的偏心结构,其东侧对流云团发展旺盛,其间低涡云带与南支槽云带始终合并在一起,有利于低涡水汽向高原输送。19日08:00[图4(e)],南支槽云系与低涡云系已经分离,南支槽云系减弱,说明高层南支槽已开始减弱,此时高原西部的降雪已明显减小;20:00[图4(f)],南支槽带状云系和低涡C3云系均已减弱消散,高原西部的降雪过程结束。

图4

图4   2021年10月18日02:00(a)、08:00(b)、14:00(c)、20:00(d)与19日08:00(e)、20:00(f)FY-4A卫星云顶亮温(单位:℃)

(C1、C2、C3为低涡中心位置)

Fig.4   The FY-4A satellite cloud top brightness temperature (Unit: ℃) at 02:00 (a), 08:00 (b), 14:00 (c), 20:00 (d) on 18 and 08:00 (e), 20:00 (f) on 19 October 2021

(The C1, C2 and C3 are low vortex centers)


6 暴雪成因

从前面分析可知,印度西北部中尺度低涡C3的生成和发展是高原西部暴雪主要影响系统,下面重点分析该中尺度低涡特征、形成机理和高原暴雪产生的水汽、上升运动条件。

6.1 高低空位涡异常使中尺度低涡快速发展

分析中低层(900~700 hPa)位涡变化特征,发现中尺度低涡与其有很好的对应关系。18日02:00[图5(a)],印度北部的东西两侧分别有一个位涡中心,与中尺度低涡C1和C2对应,位涡中心值大于1.5×10-6 m2·K·s-1·kg-1;08:00[图5(b)],印度西部大于0.5×10-6 m2·K·s-1·kg-1的等位涡线向北伸展,已扩展到青藏高原西南部南侧;14:00[图5(c)],高原西南部南侧的位涡值快速增大,已形成独立的位涡中心,对应有中尺度低涡C3生成和发展,位涡中心值增大到1.5×10-6 m2·K·s-1·kg-1,而南部低涡C1对应位涡减弱,位涡中心值减小;20:00[图5(d)],低涡C3对应的位涡增强,而低涡C1附近的位涡中心已经消失。18日14:00至19日08:00,青藏高原南部低涡C3对应的位涡中心一直存在,位置稳定少动,在此期间高原西部和南部边缘出现了强降雪。19日该位涡中心沿高原南部边缘缓慢东移并逐渐减弱,至19日20:00,随着位涡中心消失,高原西部降雪也趋于结束。

图5

图5   2021年10月18日02:00(a)、08:00(b)、14:00(c)、20:00(d)900~700 hPa平均位涡(黑色等值线,单位:10-6 m2·K·s-1·kg-1)和800 hPa风场(风矢,单位:m·s-1

(灰色阴影区为海拔大于2 000 m的高原区)

Fig.5   The 900-700 hPa mean potential vorticity (black isolines, Unit: 10-6 m2·K·s-1·kg-1) and 800 hPa wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) at 02:00 (a), 08:00 (b), 14:00 (c), 20:00 (d) on 18 October 2021

(Gray shadow refers to the plateau area with an altitude more than 2 000 meters)


图6为高原南侧位涡、水平风和相对湿度沿28°N的纬向剖面。18日02:00[图6(a)],72°E以西的对流层高层有漏斗状的位涡异常大值区,大于1.0×10-6 m2·K·s-1·kg-1的高位涡向下伸展到500 hPa高度[图6(a)、(c)红色箭头所示],说明72°E以西的对流层高层系统发展强盛,并存在对流层顶折叠现象。18日白天,随着高空异常位涡区东移并向下渗透,78°E—82°E区域对流层低层的位涡扰动开始快速增强,08:00—14:00(图略),低层位涡中心值由0.5×10-6 m2·K·s-1·kg-1增大到1.5×10-6 m2·K·s-1·kg-1以上,18:00[图6(c)]低层位涡扰动进一步增强,中心值增大到2.0×10-6 m2·K·s-1·kg-1以上[图6(c)橙色箭头所示],此时高层位涡扰动区脱离主体有所减弱,但低层低涡已经生成,从14:00起850 hPa已形成较为完整的低涡环流[图3(c),中尺度低涡C3]。从相对湿度场[图6(b)、(d)]来看,高层和低层两个大位涡区为两块不同性质的位涡,高层相对湿度小于20%,空气干燥,中低层相对湿度达80%以上,空气潮湿。综合以上分析,在低涡初生阶段,高层位涡有明显扰动,高空大位涡东移并向下侵入使得低层低涡快速发展,表明高空位涡异常在低涡C3初生发展阶段的作用显著。

图6

图6   2021年10月18日02:00(a、b)、18:00(c、d)位涡(黑色等值线,单位:10-6 m2·K·s-1·kg-1)和uv水平风(风矢,单位:m·s-1)(a、c),相当位温(红色等值线,单位:K)和相对湿度(黑色等值线,单位:%)(b、d)沿28°N的纬向剖面

(灰色阴影区为地形;红色箭头指示位涡传播方向,橙色箭头指示低涡位置)

Fig.6   The zonal profiles of potential vorticity (black isolines, Unit: 10-6 m2·K·s-1·kg-1) and uv wind (wind vectors, Unit: m·s-1) (a, c), equivalent potential temperature (red isolines, Unit: K) and relative humidity (black isolines, Unit: %) (b, d) along 28°N at 02:00 (a, b) and 18:00 (c, d) on 18 October 2021

(The gray shaded is terrain, and the red arrow indicates the direction of potential vortex propagation, while the orange arrow indicates the position of the low vortex)


6.2 低空急流和地形抬升向高原输送大量水汽

低空急流不仅是强降水事件的水汽输送通道(Saulo et al.,2007),而且对暴雪也有触发作用。18日14:00[图7(a)],高原西南部边缘地区中尺度低涡生成后,大量水汽输送到高原西南部南侧,在山脚堆积,850 hPa形成水汽输送通量大值中心,最大值超过26×10-3 g·hPa-1·cm-1·s-1,此时高原南侧对流层低层的南风分量增大到16 m·s-1,从南风分量与垂直方向的合成风可以看到,低层水汽沿高原南坡快速爬升,上高原后继续向北输送,形成一条沿高原南坡从对流层低层倾斜向上输送至高原的水汽输送带,高原上最大水汽通量大于6×10-3 g·hPa-1·cm-1·s-1。从垂直速度[图7(b)]和散度[图7(c)]的经向剖面可以看到,高原南坡的地形抬升作用明显,高原南坡对流层低层有很强的地形辐合,形成强烈的上升运动,在450 hPa最大上升速度约5 Pa·s-1,最大上升高度达200 hPa。

图7

图7   2021年10月18日14:00过狮泉河站(80°E)的水汽通量(填色,单位:10-3g·hPa-1·cm-1·s-1)、v风速(黑色等值线,单位:m·s-1)与vw合成风矢量(箭头,w×10;单位:m·s-1)(a),垂直速度(b, 单位:10-1Pa·s-1)和散度(c, 单位:10-5s-1)的经向垂直剖面

(灰色阴影区为地形;▲为狮泉河站所在的纬度)

Fig.7   The meridional vertical profiles of water vapor flux (the color shaded, Unit: 10-3 g·hPa-1·cm-1·s-1), v wind speed (black isolines, Unit: m·s-1) and vw composed wind vector (arrows, w×10, Unit: m·s-1) (a), vertical velocity (b, Unit: 10-1Pa·s-1) and divergence (c, Unit: 10-5s-1) passing Shiquanhe station (80°E) at 14:00 on 18 October 2021

(The shaded is terrain, and the ▲refers to the latitude of Shiquanhe station)


6.3 南支槽前高空急流为大范围上升运动创造有利条件

17—18日,在南支槽东移抵近高原过程中,槽前高空急流明显增强。18日14:00[图8(a)]急流前部已移到狮泉河上空,急流轴位于250 hPa高度附近,急流核南风分量的速度增大且超过40 m·s-1。受高空急流的抽吸作用,高原上空形成大范围辐散。从图8(c)可以看出,急流轴及其东侧地区300 hPa高度以上有大片散度正值区,对应高层辐散,300 hPa以下散度以负值为主,对应低层辐合,从图7(c)散度的经向剖面也可看到,高原上空300~150 hPa范围内也有大片正值区,对应辐散。从图8(b)看出,500~200 hPa垂直速度为大片负值区,说明有大范围上升运动,这种高底层配置有利于强降雪的发生和发展。

图8

图8   2021年10月18日14:00过狮泉河站(32.5°N)的uv水平风(风矢)和v风速(黑色等值线)(a,单位:m · s-1),垂直速度(b,单位:10-1 Pa·s-1)与散度(c,单位:10-5s-1)的纬向垂直剖面

(▲为狮泉河站所在的经度)

Fig.8   The latitudinal vertical profiles of uv wind (wind vectors) and v wind speed (black isolines) (a, Unit: m·s-1), vertical velocity (b, Unit: 10-1Pa·s-1) and divergence (c, Unit: 10-5s-1) passing Shiquanhe station (32.5°N) at 14:00 on 18 October 2021

(The▲refers to the longitude of Shiquanhe station)


7 结论

针对2021年10月18—19日高原西部暴雪过程,从环流背景、印度中尺度低涡、低空急流、低涡云团演变、水汽和动力条件等方面分析了此次暴雪的成因,进一步探讨了其生成发展机理,主要结论如下:

(1)本次强降雪天气在南支槽东移和印度低涡异常活跃背景下产生。降雪开始前,南支槽加深,槽前高空急流增强,高原西部处于高空急流入口区右侧,高空存在强辐散,南支槽和高空急流共同作用既有利于高原西部地区上升运动增强,也有利于水汽向北输送。

(2)印度北部地区对流层低层低涡异常活跃,形成东西向双低涡配置,为孟加拉湾水汽向西输送提供了有利的环流条件。降雪期间,印度北部至高原以南地区东南风低空急流大爆发,建立了一条由孟加拉湾向西输送的水汽通道,有利于孟加拉湾水汽向西输送。

(3)印度西北部对流层低涡C3的生成在此次高原西部降雪天气中起到重要作用。一方面阻挡水汽继续向西输送,有利于孟加拉湾的水汽在低涡东部聚集;另一方面增强低涡东部偏南气流与高原大地形之间的强迫作用,使得大量水汽能够源源不断地从对流层低层沿高原南坡陡峭地形向上爬升至高原,为强降雪天气提供充足水汽条件。

(4)高空位涡侵入是印度西北部低涡发生发展的重要原因。在低涡初生阶段,高层位涡有明显扰动,高空大位涡东移并向下侵入使得低层低涡快速生成和发展。

本次强降雪过程有别于高原常见的强降雪环流模式(林志强,2016),也有别于孟加拉湾风暴残留系统带来的影响,低纬度对流层低层的低涡系统对高原地区强降雪过程起到了重要作用,在实际业务中需加强低纬度低涡系统的跟踪监测。

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采用1961 ~ 2010 年( 9 月至次年5 月) 新疆阿勒泰地区发生的70 场大到暴雪天气过程对应的高空、地面资料,应用统计法、天气学方法分析,分析了阿勒泰地区大到暴雪天气气候特征。结果表明, 1990 年代之前冷冬气候背景下,大到暴雪天气发生频次相对较少,之后的暖冬气候背景下发生频次较多。春秋季和2 月发生次数较少, 10 月在1990 年代发生频次突增; 冬季其它各月均在1970 年代最少, 12 月1990 年代最多,其它月2000 年代最多。大到暴雪主要发生在该地区的北部、东部,集中出现在11 ~ 12 月。500 hPa 图上,大到暴雪主要发生在2 脊1 槽的大尺度环流形势下; 低涡是形成大到暴雪天气的天气尺度影响系统; 阿勒泰地区处于其底部强锋区控制中; 中低纬度里、黒海地区为低槽区,并不断分裂短波东移北上,与低涡底部强锋区在该地区上空汇合,为大降雪的发生提供有利的环流背景。700 hPa 图上,在塔城、克拉玛依到阿勒泰站为较强的偏西( 或西南) 风的风速辐合; 850 hPa图上,在塔城、克拉玛依站与阿勒泰之间形成偏南( 西) 风与偏东风的切变线是大到暴雪天气的触发条件。地面图上,大到暴雪天气发生在蒙古高压后部、鞍型场、中亚低压、倒槽或气旋前部的减压、升温区域内。

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利用1955-2010年地面气象站积雪深度、 降水资料和NCEP再分析资料, 采用统计相关, 异常指数与相关矢等计算方法, 对2010年西南春旱区域性特征、 青藏高原积雪视热源特征进行了综合分析, 研究了西南春旱典型区域, 获得了影响西南地区春季降水的青藏高原积雪视热源关键区。对高原积雪关键区积雪深度与该区域大气视热源的相关性进行了综合分析, 发现青藏高原积雪关键区2月的视热源代表性最好。重点分析了青藏高原积雪关键区2月大气视热源与后期西南严重春旱区降水的异常指数年际变化及其相关关系, 结果表明, 冬季青藏高原积雪关键区积雪浅\, 整层大气视热源偏高, 有利于西南地区春季出现干燥的偏北气流, 导致我国西南地区春雨异常偏少。青藏高原积雪关键区视热源对我国西南春旱预测具有明显的指示意义。 

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利用常规天气资料和雷达资料对辽宁省2次不同影响系统暴雪过程的雷达回波特征及成因进行分析。结果表明:倒槽暴雪和蒙古气旋暴雪的雷达回波特征存在明显差异。倒槽暴雪时速度零线总体呈直线经过测站,风廓线上偏北风冷垫厚(1.5 km),强冷空气南下形成的强动力和持续降温作用触发降雪,虽然低层强冷空气下沉不利于降雪维持,但中层西南风增强和南北风径向辐合造成的辐合上升运动使得降雪维持并产生暴雪;在倒槽暴雪中,冷垫最厚、中低层西南风速最大提前于强降雪5 h,对暴雪预报预警有先兆意义。蒙古气旋暴雪降雪时速度零线由明显的“S”型迅速转为反“S”型,虽然风廓线上东北风冷垫浅薄,但由于降雪过程中总体维持偏南气流,有利于气旋暴雪产生;暖空气沿边界层冷垫的爬升增强了边界层动力作用;基本速度的旋转特征,表明冷暖空气交汇,辐合上升运动加强,当基本速度总体呈现偏北气流特征时降雪接近结束,这和倒槽暴雪明显不同, 倒槽暴雪降雪时基本速度始终维持偏北气流特征。

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利用1980-2010年西藏高原的逐日降水和积雪深度资料分析了该地区大到暴雪的时空分布特征,结果表明:西藏高原大到暴雪发生日数最多的区域为喜马拉雅山南坡的南部边缘地区和那曲中东部与昌都西部的藏北地区;全年都可发生大到暴雪天气,在季节分布上呈双峰特征,峰值出现在3-5月,次峰值出现在10月;近31年西藏高原年降雪频次总体呈减少趋势,减少速率约为每10年3.8站次。利用同期NCEP/NCAR的500 hPa高度场和风场再分析资料对48个西藏高原区域性的大到暴雪天气过程的环流形势进行分析,得到高原区域性强降雪主要环流形势分为5类,即:印度低压型、南北支槽型、巴尔喀什湖低压型、伊朗高压型和高原低涡-切变型;前冬(10-12月)大到暴雪过程主要以印度低压环流型为主,1月以巴尔喀什湖低压型为主,2月以南北支槽型为主,3月以伊朗高压型和南北支槽型为主,4月以高原低涡-切变型为主;在每类环流型中,南支槽都起着重要作用。

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