2010年一次致災暴風雨天氣過程分析

2010年一次致災暴風雨天氣過程分析

寒風是內(nèi)蒙古平原特別是牧場的一場嚴重的氣象災害。它通常伴隨著強烈的低溫和低溫氣候變化，這也會導致人畜傷亡。大風發(fā)生時，風速一般為7.8級，降雪量3mm，冷卻至8c。風、地形高、風、霜等。由于伴隨著強風寒潮出現(xiàn)的暴風雪天氣,發(fā)生的機會并不太多,內(nèi)蒙古平均每3年才有1次較嚴重的暴風雪天氣發(fā)生,它總是伴隨著寒潮災害和大風災害出現(xiàn),所以人們常把暴風雪作為寒潮、大風或者暴雪天氣來研究.許多學者針對中國北方暴雪天氣、寒潮天氣進行了研究[2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],而對暴風雪天氣發(fā)生時,高空、地面氣象要素時空分布特征分析、針對暴風雪成因的定量分析研究還較少.2010年1月3日內(nèi)蒙古中部陰山北麓及偏東地區(qū)(包頭市北部、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟西部)出現(xiàn)了大范圍的暴風雪天氣.暴風雪造成的吹雪、降溫,導致從哈爾濱開往包頭的1814次列車15節(jié)車廂被大雪掩埋,1400多名旅客被困10多個小時.列車行至集通線烏蘭察布市商都縣大東溝村附近受阻,列車正好處于低洼地,被暴風雪掩埋,雪深逾丈.本次致災暴風雪過程嚴重影響和危及了鐵路交通和人民生命財產(chǎn),是2010年的一次高影響天氣事件.本文針對這次暴風雪過程,利用實時觀測、NCEP/NCAR再分析等資料,對本次暴風雪天氣中氣象要素時空分布特征,強降雪和強風的成因進行診斷分析,揭示暴風雪發(fā)生的規(guī)律,為暴風雪預報提供參考依據(jù).1陰山南部陰山南部風濕地區(qū)2010年1月2日17:00至4日02:00內(nèi)蒙古包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟西部、南部、赤峰市出現(xiàn)大范圍降雪,部分地區(qū)出現(xiàn)大到暴雪.降雪量分別為:卓資10mm、興和9mm、集寧7mm、商都5mm.3日11:00開始陰山北麓及以東地區(qū)風力加大,14:00至20:00達到最強,瞬時風速烏拉特中旗達20m/s、化德達23m/s.3日14:00到17:00出現(xiàn)大范圍吹雪天氣(圖1),滿都拉、白云鄂博、呼和浩特、集寧、商都、察右后旗等地都出現(xiàn)了高吹雪,白云鄂博和察右后旗最小能見度只有200m,化德、察右后旗的吹雪持續(xù)到4日02:00.暴風雪后該地區(qū)普遍降溫12～14℃.2a3000hpa環(huán)流形勢場分析2010年1月2日20:00,500hPa高空歐亞大陸呈一槽一脊型(圖2a),在70°～80°E為一強盛的高壓脊,東亞大槽位于130°E附近,西高東低.亞庫次克海有阻塞高壓穩(wěn)定少動,貝加爾湖東側有東北冷渦活動,在西北氣流中位于薩彥嶺有一斜壓小槽東移發(fā)展.至3日08:00小槽并入東北冷渦發(fā)展加強,由于亞庫次克海阻塞高壓阻擋,東北冷渦南下并加深,內(nèi)蒙古中部40°N鋒區(qū)加強,出現(xiàn)了48m/s的急流中心.與之配合700hPa在110°E形成深槽,槽后強冷平流.850hPa內(nèi)蒙古河套北部生成一斜壓性低渦并發(fā)展.3日20:00東北冷渦繼續(xù)南下并開始填塞,槽區(qū)東移于4日08:00并入東亞大槽.與之配合700hPa斜壓槽減弱東移,850hPa低渦迅速填塞.地面圖上,2日20:00在河套西部地區(qū)有氣旋生成,北部冷高壓強盛,形成北高南低的形勢.3日02:00(圖2b),氣旋進一步發(fā)展東移形成河套氣旋,中心值為1010.0hPa,北部冷高壓不斷南下,等壓線變得更密集,河套至貝加爾湖之間的氣壓差達35hPa,陰山北麓出現(xiàn)小量降雪.3日08:00,河套氣旋有所北抬,而冷高壓維持南下,其間的氣壓梯度進一步增大,此時陰山北麓降雪增強.3日11:00開始冷高壓前沿侵入內(nèi)蒙古,地面風力加大,此時河套氣旋減弱.至3日14:00,隨著冷高壓的侵入,河套氣旋減弱為倒槽并南退,在梯度風的作用下,陰山北麓風力急劇增大,在氣壓梯度大的倒槽頂部a2010年1月2日20:00高空500hPa形勢場出現(xiàn)暴風雪天氣.暴風雪區(qū)隨倒槽東移,一直持續(xù)到4日02:00倒槽消失,冷高壓控制內(nèi)蒙古地區(qū).河套氣旋和北部冷高壓是暴風雪發(fā)生的主要影響系統(tǒng),河套氣旋的強烈發(fā)展形成了大到暴雪,冷高壓南侵,在河套氣旋與冷高壓之間形成較強的氣壓梯度,在氣壓梯度力的作用下形成了地面大風,造成暴風雪天氣.3風、波浪天氣中的氣象要素發(fā)展特征3.1日集寧站3日暴雨發(fā)生為了詳細分析暴風雪天氣發(fā)生過程中地面氣象要素演變特征,選取集寧、朱日和為代表站制作地面要素三線圖(圖3).集寧站從2日20:00開始地面氣壓呈下降趨勢,一直到3日11:00降至最低值,即從1026.2hPa降至1011.2hPa,地面氣壓急劇下降了15hPa;氣溫和露點溫度都穩(wěn)步上升,氣溫最高至-8℃.表明地面河套氣旋發(fā)展移近并影響本站,而降雪就發(fā)生于02:00至14:00的氣壓下降的過程中.該時段風力較小,溫度十分接近露點線,氣壓最低時降雪量最大,3日14:00降雪停止.降雪過后,氣壓從3日11:00的1011.2hPa上升至4日02:00的1033.0hPa,氣壓躍升21.8hPa.氣壓躍升過程表明冷高壓發(fā)展,冷空氣侵入,地面風力開始加強.3日14:00-20:00平均風力達10m/s,3日14:00開始出現(xiàn)吹雪,最低能見度為2km,同時氣溫開始下降,溫度露點線差值略有增大,但地面濕度保持較高,這可能與吹雪有關.3日20:00吹雪結束.集寧站的吹雪發(fā)生在較強降雪過程后(降雪已經(jīng)結束),地面風加強,氣壓躍升氣溫驟降時段里.朱日和站從2日17:00開始地面氣壓呈下降趨勢,一直到3日08:00降至最低值,即從1031.2hPa降至1010.2hPa,地面氣壓急劇下降了21hPa.主要降雪發(fā)生于3日02:00至11:00的氣壓下降的過程中,降雪量較大,與集寧站類似.不同的是朱日和站在強降雪過后,3日11:00-20:00,氣壓躍升,冷空氣侵入,氣溫驟降,地面風力加強,出現(xiàn)吹雪的時段里,降雪始終持續(xù),只是降雪量較小.朱日和站的吹雪發(fā)生在降雪過程中,較強降雪之后,地面風加強,氣壓躍升氣溫驟降時段里.可見,本次暴風雪過程發(fā)生在地面強降雪出現(xiàn)之后,地面氣壓躍升,氣溫驟降,風力加強的時段里.另外需要注意的是,集寧站暴風雪發(fā)生在降雪結束后,而朱日和站暴風雪發(fā)生在降雪過程中.因此,當前期有充足降雪的情況下,暴風雪可在有降雪的條件下發(fā)生也可以在無降雪的條件下發(fā)生.3.2單站探空結果選擇暴風雪發(fā)生區(qū)域的53463(呼和浩特)探空代表站進行分析.從2010年1月2日20:00,53463單站探空圖分析,降雪發(fā)生前從850hPa到400hPa溫度露點線十分接近表明濕層厚,風隨高度有明顯的順時針旋轉說明有暖平流.由3日08:00,53463單站探空圖(圖4a)可見,降雪發(fā)生時由于冷空氣從高層侵入濕層明顯變薄,溫度露點線接近層從850hPa到500hPa,同時降雪持續(xù)時地面溫度偏高,為-5℃,仍有暖平流存在.到3日20:00降雪結束時53463單站探空圖(圖4b)上,溫度露點線分開即溫度露點差增大,整層為西北風,風隨高度有逆時針旋轉表明整層有冷平流,即有冷空氣的侵入,這是發(fā)生吹雪的一個重要原因.從08:00和20:00兩個時次的各層次溫度對比可見(表1),對流層中低層降溫顯著,而高層降溫沒有那么強烈,850hPa降溫明顯高于700hPa和500hPa.從08:00和20:00的溫度平流剖面圖分析,冷平流中心位于700hPa層次.這一結果可能是強降雪凝結潛熱釋放所致,即強降雪凝結過程可能集中在700～500hPa層次中.4風雨交加的原因分析4.1由充填天氣形成的條件.暴風雪天氣的形成必須要有足量的降雪,較強的降雪是暴風雪天氣形成的必要條件.在本次暴風雪天氣過程中,河套氣旋的強烈發(fā)展,造成陰山北麓及其偏東地區(qū)出現(xiàn)大到暴雪,是形成暴風雪天氣的重要因素.4.1.1“暖濕氣流-自低”高、低空急流特征1月3日08:00,在300hPa高空全風速分布圖上(圖5a)存在一支較強的高空急流,急流走向為WWN-EES,從蒙古國西南部一直貫穿到內(nèi)蒙古中西部地區(qū),中心強度為60m/s.內(nèi)蒙古河套地區(qū)的降水區(qū)域恰處于高空急流出口區(qū)左前方的輻散區(qū),強烈的高層輻散抽吸作用使地面河套氣旋強烈發(fā)展,促進低空水汽輻合,加強了整層的上升運動.與之對應850hPa全風速圖上(圖5b),存在兩支低空急流.一支位于內(nèi)蒙古西部及蒙古國西南部的強西風急流,急流中心強度22m/s,急流前端西伸到內(nèi)蒙古河套地區(qū),配合著冷平流;另一支從四川盆地東側一直北伸到河北一帶的南風低空急流,急流中心風速大于14m/s,配合著暖平流.內(nèi)蒙古中部河套地區(qū)正好位于這支西南低空急流的左前方,它把南方的暖濕氣流不斷輸送到內(nèi)蒙古中部地區(qū)。本次降水的發(fā)生區(qū)域正好在冷、暖兩支低空急流的交匯處,對強降雪的發(fā)生有利.散度場特征對散度場的分析可見,2日20:00到3日08:00,河套地區(qū)850hPa散度中心值由-20×10-6/s增強到-40×10-6/s,這與河套氣旋的強烈發(fā)展相對應.另外,配合高空200hPa該地區(qū)為10×10-6/s的輻散.形成高層輻散低層輻合的形勢,這種高低空配置的抽吸作用,使上升運動得到發(fā)展加強,對強降雪的形成極為有利.對3日08:00散度場沿40.9°N緯向做垂直剖面圖(圖6a),分析發(fā)現(xiàn)同樣結論,降雪區(qū)103～118°E上空具有低層輻合和高層輻散的結構.在700hPa以下皆為輻合層,850hPa輻合最強達-30×10-6/s(圖6a),而500hPa以上輻散較弱,400hPa輻散中心強度為15×10-6/s.低層輻合明顯強于高層輻散,因此也說明了大到暴雪的產(chǎn)生主要是由中低層系統(tǒng)強烈發(fā)展所致.3日14:00(圖6b)輻合區(qū)東移至108～120°E,輻合層厚度基本保持不變,強度中心仍為850hPa的-30×10-6/s,即降雪仍在持續(xù).而西部100～108°E出現(xiàn)輻散區(qū),有下沉氣流產(chǎn)生,有動量下傳作用,這也正是內(nèi)蒙古河套西部開始產(chǎn)生強風的原因.同時值得關注在100～120°E區(qū)域存在一次級環(huán)流,其輻合上升支區(qū)域有降雪產(chǎn)生,而它的下沉支區(qū)域有強風的產(chǎn)生.垂直運動特征垂直運動使水汽冷卻凝結,是產(chǎn)生降雪的重要條件.在3日08:00沿40.9°N緯向的垂直速度剖面圖上(圖7a),分析表明,強降雪區(qū)正好處于強烈的上升運動區(qū)域,垂直運動最大中心位于700～400hPa層次上,最大垂直運動速度為600hPa上的0.045m/s,與上節(jié)估計的凝結層次基本一致,這支強上升運動是強降雪的重要條件.到3日14:00(圖7b),在113°E以西出現(xiàn)下沉運動,最大中心位于700hPa附近,最大下沉速度為-0.018m/s,上升運動區(qū)抬升至300hPa以上,上升運動最大中心位于150hPa上,最大垂直速度為0.015m/s.上升運動區(qū)抬升使降雪明顯減弱,低層的下沉運動區(qū)域在內(nèi)蒙古高原上造成強風,吹起暴風雪.4.1.2暴雨天氣影響天氣特征的對比分析水汽輸送特征根據(jù)天氣學原理,水汽局部地區(qū)變化項可以用下式表達:.包括:比濕平流項、比濕垂直輸送、凝結蒸發(fā)項、湍流擴散項.由于對流層低層的濕度對降水的貢獻最為重要,所以在預報工作中,用比濕平流來表示.一般分析850hPa或700hPa面上的等比濕線(或等露點線)和風場來判斷比濕平流的符號和大小.濕平流引起局地比濕增加,從實際分析可知,某地區(qū)在降水(特別是暴雨、暴雪)前,其低層的比濕有明顯的增加,而這種增加又主要是由水汽平流所引起的.因此,分析低層的水汽平流是降水預報中的一個重要內(nèi)容.3日08:00850hPa比濕場與流場的疊加圖(圖8),比濕線與流場有很好的疊加,流場上河套北部地區(qū)有明顯的輻合,而濕舌從孟灣和四川盆地一直北伸到內(nèi)蒙古河套地區(qū).因此低空的水汽和動力輻合是造成本次大暴雪天氣的重要條件.從水汽通量散度與流場疊加圖分析有同樣的結論,水汽通量散度在內(nèi)蒙古中部河套北部地區(qū)有一個輻合中心,強度達-10×10-7g/(s·cm2·hPa).說明中低層水汽和動力的輻合是造成內(nèi)蒙古中部大到暴雪天氣的重要條件.本地水汽特征對于像內(nèi)蒙古這樣的干旱地區(qū),強降雪的發(fā)生本地水汽也是非常重要的.選取53463站做單站探空相對濕度分析可知,大致在850hPa以上一直到600hPa相對濕度都在92%左右.在53463站的溫度對數(shù)壓力圖上(圖4a)可以看到從850hPa到500hPa溫度與露點線十分接近.說明對流層中低層濕度較大,非常有利于強降雪.4.2風因素4.2.1高空動能下傳及環(huán)流作用高空急流的存在及動量的下傳作用,對中緯度地面大風的形成至關重要.在3日20:00300hPa全風速與散度場上(圖9a),內(nèi)蒙古中部存在一支西北—東南向的高空急流,中心強度達64m/s.陰山北麓地區(qū)正處于高空急流入口區(qū)的左側輻合區(qū)中,高空輻合產(chǎn)生下沉運動,從而使動量下傳到對流層中低層,在對流層中低層產(chǎn)生強冷平流,進一步在冷平流和次級環(huán)流的作用下達到地面,造成地面大風.此時,地面已有較強降雪發(fā)生,大風吹起雪花形成暴風雪天氣.因此高空急流強盛結合動量下傳機制是內(nèi)蒙古地面大風形成的重要條件.為更好地分析動量下傳特點,制作了沿40.9°N緯向的全風速與流場剖面圖(圖9b).3日14:00,105°～115°E為整層的下沉氣流,這支下沉氣流是高空急流入口區(qū)的左側輻合區(qū)中產(chǎn)生下沉運動與對流層中低層次級環(huán)流下沉支的重疊,因此下沉運動基本可以到達近地層.在下沉氣流作用下全風速大值區(qū)風速等值線明顯下伸,高空的動量通過下沉運動輸送到低層甚至地面.動量下傳作用非常明顯,20m/s大值區(qū)下傳至850hPa,地面最大風速達到10～15m/s.3日14:00動量下傳作用最明顯的是110°E附近地區(qū),恰好是內(nèi)蒙古中部發(fā)生暴風雪的區(qū)域.4.2.2越界天氣分析從地面3h變壓分析可見,3日08:00河套東部地區(qū)仍處于負變壓中,此時河套東部地區(qū)暖濕空氣強盛,降雪加強,正變壓區(qū)在內(nèi)蒙古河套地區(qū)以西偏北地區(qū)中心值為5hPa,冷空氣造成了河套偏北地區(qū)大風沙塵暴天氣.到11:00零變壓線恰好位于集寧西北部,正變壓中心增強至6hPa,表明冷空氣開始侵入內(nèi)蒙古河套東部地區(qū).到3日14:00至20:00正變壓持續(xù)大值(6hPa),完全占據(jù)河套大部地區(qū)并繼續(xù)侵入內(nèi)蒙古中部.說明冷空氣強盛并持續(xù)南下,在其影響下發(fā)生暴風雪天氣.到23:00正變壓大值區(qū)消失,冷空氣南下趨勢減弱,暴風雪天氣停止.4.2.3日氣溫、煙氣變化鋒生作用是冷空氣加強并南下的結果.為了分析冷空氣何時達最強,計算了3日02:00,08:00,14:00,20:00滿都拉(53149)、蒙古國的賽汗敖包(44336)站與集寧(53480)的溫差(表2)和氣壓差(表3).結果表明3日02:00至14:00,氣溫水平梯度和氣壓水平梯度都明顯增大,說明集寧站與上游站之間鋒生顯著.在鋒生作用下,梯度風會不斷加強,將對集寧站及其上游出現(xiàn)大風天氣很有利.4.3陰山山脈內(nèi)v型鋼文化大風的形成區(qū)本次的暴風雪過程是發(fā)生在內(nèi)蒙古中部沿陰山山脈北麓及其東部地區(qū),是內(nèi)蒙古高原草原區(qū)域,地形較為平坦,是大風多發(fā)區(qū),對大風的形成較為有利.另外,其南部是東西向的陰山山脈與其東部東北—西南向的山脈相交,形