蔣大凱,閔錦忠,喬小湜

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.沈陽(yáng)中心氣象臺(tái),遼寧 沈陽(yáng) 110016)

一次東北南部特大暴雪的動(dòng)力機(jī)制分析

蔣大凱1,2,閔錦忠1,喬小湜1,2

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.沈陽(yáng)中心氣象臺(tái),遼寧 沈陽(yáng) 110016)

應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料和NCEP/NCAR再分析資料,分析了2007年3月3—4日東北南部特大暴雪的動(dòng)力機(jī)制,結(jié)果表明:850 hPa低渦切變線附近對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降雪中心,其輻合抬升作用最明顯,是本次過(guò)程的主要影響系統(tǒng)和成功預(yù)報(bào)的關(guān)鍵;渦度變率更能準(zhǔn)確反映出暴雪切變線生成、發(fā)展的物理機(jī)制,且對(duì)于強(qiáng)降雪中心的位置和強(qiáng)度變化具有一定的預(yù)報(bào)意義;在渦度變率的各影響項(xiàng)中,700～900 hPa正渦度區(qū)的強(qiáng)輻合項(xiàng)是正渦度傾向的主要強(qiáng)迫源,低層渦度增加,在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的作用下向上輸送,使系統(tǒng)發(fā)展,從動(dòng)力機(jī)制上進(jìn)一步說(shuō)明本次過(guò)程中主要影響系統(tǒng)的作用;渦度變率中絕對(duì)渦度平流項(xiàng)與各層高空槽移動(dòng)或強(qiáng)度變化有關(guān),反映了暴雪過(guò)程中各高度影響系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)變化;而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在低層一直產(chǎn)生負(fù)貢獻(xiàn),說(shuō)明上升運(yùn)動(dòng)在水平方向的不均勻形成負(fù)渦度傾向,不利于系統(tǒng)的發(fā)展。

特大暴雪;切變線;渦度變率;平流

0 引言

2007年3月3—5日遼寧省出現(xiàn)了1951年有完整氣象記錄以來(lái)最嚴(yán)重的暴風(fēng)雪和寒潮天氣,造成全省交通癱瘓,部分地區(qū)通訊和電力系統(tǒng)受損,引起社會(huì)極大關(guān)注。關(guān)于暴雪方面的研究,國(guó)外學(xué)者對(duì)暴雪中的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其發(fā)生展機(jī)理進(jìn)行了研究,結(jié)果表明歐美的降雪過(guò)程多與暖鋒鋒生(Schultz and Schumacher,1999)、條件對(duì)稱不穩(wěn)定引發(fā)的傾斜對(duì)流等因素有關(guān)(Emanuel,1983;Gaffin et al.,2003)。張小玲和程麟生(2000a)分析了高原暴雪的動(dòng)力演變特征,認(rèn)為局地渦度中心和渦度帶的生成和發(fā)展有預(yù)測(cè)切變線生成的先兆意義。趙桂香等(2007)對(duì)華北大到暴雪過(guò)程切變線開展了動(dòng)力診斷,發(fā)現(xiàn)正渦度區(qū)內(nèi)“正渦度核”對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)降雪的出現(xiàn)有指示意義,渦度變率較渦度更能準(zhǔn)確反映切變線發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制。王林等(2011)分析了湖北暴雪的近地面湍流動(dòng)能的變化。Fu et al.(2013)研究了我國(guó)南方暴風(fēng)雪過(guò)程中西風(fēng)動(dòng)量緯向平流的作用。崔宜少等(2008)、張勇等(2008)、苗春生等(2010)研究了山東半島冷流降雪的機(jī)制。楊文峰等(2012)分析了陜西暴雪的濕位渦變化。對(duì)于東北暴雪災(zāi)害性天氣過(guò)程,孫欣等(2011)研究了暴雪過(guò)程中層結(jié)狀態(tài)、低層鋒區(qū)與地面降水相態(tài)的關(guān)系;劉寧微等(2009)認(rèn)為地面氣旋北上帶來(lái)的南來(lái)倒槽是產(chǎn)生暴雪的天氣特征,低空急流輸送水汽和低層上升運(yùn)動(dòng)是增強(qiáng)降雪強(qiáng)度的有利條件;王亮等(2011)則對(duì)于本次暴雪過(guò)程的微物理過(guò)程進(jìn)行了分析,但對(duì)于本次東北南部歷史罕見特大暴雪的動(dòng)力機(jī)制沒有進(jìn)行深入討論。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,對(duì)于2007年3月3—5日特大暴雪過(guò)程的主要影響系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析,研究其動(dòng)力機(jī)制,尋找具有預(yù)報(bào)意義的特征,希望對(duì)于暴雪預(yù)報(bào)提供有益的參考。

1 降雪實(shí)況及環(huán)流特征分析

3月3日16時(shí)—5日06時(shí)(北京時(shí)間,下同),遼寧61個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站中有57個(gè)站降雪量達(dá)到20 mm以上,18個(gè)站達(dá)到50 mm以上,最大降雪量出現(xiàn)在鞍山市78 mm,為特大暴雪(圖1)。從積雪深度看,普遍在20 cm以上,其中沈陽(yáng)、鞍山、撫順、本溪、遼陽(yáng)、錦州積雪深度超過(guò)30 cm,最大在撫順市清原縣達(dá)到44 cm,由于大風(fēng)搬運(yùn)作用,部分地區(qū)積雪達(dá)1～2 m。本次過(guò)程最強(qiáng)降雪時(shí)段出現(xiàn)在4日02—14時(shí)。遼寧西部、中部、東部連成東西向暴雪帶,12 h有27個(gè)站降雪量超過(guò)10 mm,15個(gè)站達(dá)到暴雪橙色預(yù)警信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(6 h降雪量大于10 mm),1個(gè)站達(dá)到暴雪紅色預(yù)警信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(6 h降雪量大于15 mm)。

圖1 3月3日20時(shí)—4日20時(shí)遼寧省降雪量(單位：mm)Fig.1 Precipitation of snowstorm from 20:00 BST 3 March to 20:00 BST 4 March(units:mm)

分析此次過(guò)程的大尺度環(huán)流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)(圖2),強(qiáng)降雪前期3日20時(shí)200 hPa東北南部為弱高壓脊,脊線位于華北北部到遼寧西南部;500 hPa貝湖東北部出現(xiàn)-49 ℃的冷中心,北支槽發(fā)展東南下;同時(shí)河套南部南支槽前西南風(fēng)加大;700、850 hPa在河套地區(qū)東部和山東西部形成低渦,其東南部西南風(fēng)連續(xù)加大,形成西南急流,東北部出現(xiàn)東南、偏東急流,850 hPa暖式切變線在山東西部到遼寧西部。4日08時(shí)200 hPa脊線東移,遼寧西部仍有明顯的風(fēng)速輻散;500 hPa北支槽移至內(nèi)蒙東部到華北北部,南槽東移至江淮流域,高空鋒區(qū)南壓并呈東北—西南向;700 hPa切變移至遼寧西部,850 hPa低渦東北上,低渦東部西南、偏南急流加強(qiáng),成山頭偏南風(fēng)達(dá)到28 m/s,切變線伸展至遼寧中部,其東南側(cè)大連、丹東均出現(xiàn)20 m/s的東南急流,與切變線西北側(cè)的偏東、東北急流形成強(qiáng)輻合,出現(xiàn)特大暴雪。4日20時(shí)遼寧700 hPa以下均轉(zhuǎn)為東北風(fēng),強(qiáng)降水移至吉林、黑龍江東南部。

圖2 3月3—4日的系統(tǒng)配置圖(虛線:3月3日20時(shí)；實(shí)線：3月4日08時(shí)；藍(lán)色：500 hPa槽線；棕色:700 hPa切變線;紅色:850 hPa切變線;黑色:200 hPa脊線；D：3月3日20時(shí)—3月4日20時(shí)每6 h地面低壓中心,其隨時(shí)間向東北方向移動(dòng))Fig.2 The relative distribution of the axis of trough,ridge and horizontal wind shear on different levels on 3—4 March(dashed line:at 20：00 BST on 3 March;solid line:at 08：00 BST on 4 March；blue line:trough at 500 hPa;brown line:shear line at 700 hPa;red line:shear line at 850 hPa;black line:ridge line at 200 hPa;D:the 6 h center of surface low pressure from 20：00 BST 3 March to 20：00 BST 4 March,which moves northeast)

地面圖上3日20時(shí)江淮氣旋中心位于安徽南部,中心氣壓1 005 hPa,其頂部與華北倒槽合并,降水主要出現(xiàn)在倒槽頂部和冷高壓底部,遼西開始出現(xiàn)弱降水。4日02時(shí)江淮氣旋移至江蘇北部,中心氣壓1 004 hPa,山東海陽(yáng)3 h變壓達(dá)-5.2 hPa,預(yù)示未來(lái)江淮氣旋將向北偏東方向迅猛發(fā)展,此時(shí)遼寧西部已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)降雪;08時(shí)江淮氣旋移至山東半島,中心氣壓降至1 001 hPa,3 h變壓最大值在吉林臨江,為-4.6 hPa,預(yù)示江淮氣旋未來(lái)仍將向東北方向發(fā)展,同時(shí)冷高壓至蒙古國(guó)逐漸南壓,東北地區(qū)東北風(fēng)逐漸加大;氣旋東側(cè)東南風(fēng)(成山頭達(dá)到16 m/s)與氣旋頂部東北風(fēng)形成強(qiáng)輻合,遼寧省西部、中部降雪強(qiáng)度最大。14時(shí)氣旋中心移至黃海北部,中心氣壓達(dá)到最低,為998 hPa,此時(shí)遼寧東部降雪達(dá)到最強(qiáng),其它地區(qū)偏北風(fēng)均達(dá)到6級(jí),降雪減弱。4日20時(shí)氣旋中心已經(jīng)移至朝鮮半島,遼寧降雪基本結(jié)束。

本次暴雪過(guò)程的影響系統(tǒng)中地面為江淮氣旋,其東北象限降雪最強(qiáng),850、700 hPa為低渦切變線,500 hPa為西風(fēng)槽。由圖2可以看出,地面到500 hPa影響系統(tǒng)向西傾斜。在強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)850 hPa影響系統(tǒng)最為明顯,強(qiáng)降雪區(qū)域隨著850 hPa低渦切變線移動(dòng),且當(dāng)切變線發(fā)展時(shí),強(qiáng)降雪量級(jí)和區(qū)域也隨之增大。

2 渦度、散度場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)

渦度和散度是研究大氣動(dòng)力過(guò)程中兩個(gè)很重要的物理量,渦度描述大氣的空氣微團(tuán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度,對(duì)于中尺度以上的大氣運(yùn)動(dòng),垂直方向的渦度分量與天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),因此常常被用于度量天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度(陳忠明,2006),相應(yīng)的垂直渦度方程被用于診斷和分析天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化。散度表征大氣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的輻合和輻散,垂直速度是實(shí)際大氣中造成天氣現(xiàn)象的最直接的原因。下面先對(duì)本次暴雪過(guò)程中渦度及散度場(chǎng)結(jié)構(gòu)和垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行分析。

沿遼寧上空作渦度、散度、垂直速度剖面(圖3),分析垂直方向的動(dòng)力特征。3日20時(shí),對(duì)應(yīng)過(guò)程開始階段(圖3a),800 hPa以上負(fù)渦度增大,最大值在300～200 hPa,達(dá)到-5×10-5s-1;對(duì)應(yīng)有弱正散度(輻散)區(qū)配合,這種高層負(fù)渦度輻散有利于形成抽吸作用,使系統(tǒng)發(fā)展;800 hPa以下無(wú)正渦度輻合區(qū),上升運(yùn)動(dòng)不明顯;4日02時(shí),對(duì)應(yīng)過(guò)程發(fā)展階段(圖3b),700 hPa以上負(fù)渦度輻散區(qū)發(fā)展,最大值分別達(dá)到-7×10-5s-1、4×10-5s-1;而850 hPa附近出現(xiàn)明顯的正渦度區(qū)配合散度負(fù)值(輻合)區(qū),從地面到200 hPa為較深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū);4日08時(shí)(圖3c),550 hPa以上對(duì)應(yīng)的負(fù)渦度區(qū)和輻散區(qū)無(wú)明顯發(fā)展,而正渦度輻合區(qū)厚度迅速發(fā)展到900～550 hPa,強(qiáng)度大幅增強(qiáng),其正渦度、負(fù)散度最大值分別達(dá)到6×10-5s-1、-6×10-5s-1,相應(yīng)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)貫穿整個(gè)對(duì)流層,強(qiáng)中心在500～600 hPa,最大上升運(yùn)動(dòng)中心達(dá)到-13 Pa·s-1,深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)配合低層輻合高層輻散的耦合作用使強(qiáng)降雪系統(tǒng)發(fā)展到最強(qiáng)盛階段;4日14時(shí)(圖3d),低層700～800 hPa附近正渦度達(dá)到11×10-5s-1以上,但負(fù)散度區(qū)下降到700 hPa以下,其強(qiáng)度明顯減弱,且高層400 hPa以上轉(zhuǎn)為正渦度輻合區(qū),上升運(yùn)動(dòng)最大值亦下降到-8 Pa·s-1,強(qiáng)降雪系統(tǒng)東移。

圖3 暴雪帶區(qū)域面積平均的渦度(10-5 s-1)、散度(10-5 s-1)和垂直速度(10-3 hPa·s-1)的垂直廓線 a.3日20時(shí)；b.4日02時(shí)；c.4日08時(shí)；d.4日14時(shí)Fig.3 The vertical profiles of the vorticity(10-5 s-1),divergence(10-5 s-1) and vertical velocity(10-3 hPa·s-1) of regional area averaged in the snowstorm belt at (a)20:00 BST on 3 March,(b)02:00 BST on 4 March,(c)08:00 BST on 4 March and (d)14:00 BST on 4 March

國(guó)外科研人員在研究美國(guó)暴雪過(guò)程中發(fā)現(xiàn),降雪過(guò)程往往是低壓、氣旋、倒槽等低層天氣系統(tǒng)所引發(fā),例如,墨西哥灣氣旋東北上引發(fā)美國(guó)東部暴雪(Marwitz and Toth,1993)、2005年2月24—25日美國(guó)東海岸氣旋造成美國(guó)東北部暴雪(Moore et al.,2008)。從本次暴雪過(guò)程的渦度、散度、上升運(yùn)動(dòng)垂直分布來(lái)看,在過(guò)程開始階段對(duì)流層高層先出現(xiàn)明顯的負(fù)渦度輻散區(qū),低層無(wú)明顯正渦度輻合,過(guò)程發(fā)展到強(qiáng)盛階段高層負(fù)渦度輻散和低層850 hPa附近正渦度輻合均增大,但低層正渦度輻合發(fā)展最為迅速。應(yīng)用了非地轉(zhuǎn)濕Q矢量方程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),本次強(qiáng)降雪過(guò)程是在高層有利(輻散)的背景下,低層850 hPa附近系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展形成的。結(jié)合上文的討論,強(qiáng)降雪落區(qū)、強(qiáng)度的變化與850 hPa低渦切變線配合較好,即在對(duì)流層低層850 hPa低渦切變線是主要影響系統(tǒng),這與秦華鋒和金榮花(2008),研究結(jié)果相類似。下面重點(diǎn)分析850hPa低渦切變線和渦度場(chǎng)特點(diǎn)。

3 渦度場(chǎng)和低渦切變線與強(qiáng)降雪關(guān)系

3日20時(shí)(圖4a),切變線呈西南—東北向,從山東西部向河北東部、遼寧西部延伸,其東部偏南到東南風(fēng)將大量水汽輸送到遼寧西南部;正渦度大值區(qū)位于山東西部,中心超過(guò)12×10-5s-1,遼寧西部和南部為小于2×10-5s-1的弱正渦度區(qū),內(nèi)蒙東部到河北北部為狹長(zhǎng)負(fù)渦度帶。4日02時(shí)(圖4b),切變線向東移動(dòng)并向北伸展,遼寧西部出現(xiàn)4×10-5s-1以上的正渦度中心,強(qiáng)降雪開始;正渦度中心也東移發(fā)展,最大值加大到16×10-5s-1以上,內(nèi)蒙到河北的負(fù)渦度帶位置少動(dòng)。4日08時(shí)(圖4c),低渦切變線向東北繼續(xù)發(fā)展到吉林東部,遼寧西部、中部出現(xiàn)強(qiáng)降雪、南部出現(xiàn)強(qiáng)降水;正渦度中心東北移到大連南部,達(dá)到20×10-5s-1以上,遼寧中部正渦度迅速增加到8×10-5s-1以上,內(nèi)蒙東部的負(fù)渦度帶略有發(fā)展,這種正負(fù)渦度帶配置有利于切變線的移動(dòng)和發(fā)展,強(qiáng)降雪過(guò)程發(fā)展到強(qiáng)盛時(shí)期。4日14時(shí)(圖4d),低渦中心及切變線明顯東移,遼寧中部、東部、南部正渦度繼續(xù)明顯增大,均超過(guò)10×10-5s-1,中心在大連東部達(dá)到22×10-5s-1以上,同時(shí)負(fù)渦度帶也加強(qiáng)發(fā)展,遼寧東部出現(xiàn)強(qiáng)降雪,其他地區(qū)降雪明顯減弱。

圖4 850 hPa的流場(chǎng)(箭頭;單位:m/s)和渦度場(chǎng)(實(shí)線;單位:10-5 s-1)的分布(粗實(shí)線:850 hPa切變線) a.3日20時(shí)；b.4日02時(shí)；c.4日08時(shí)；d.4日14時(shí)Fig.4 Distribution of stream field (arrow;units:m/s) and vorticity field(solid line;units:10-5 s-1) at 850 hPa (thick solid line:shear line at 850 hPa) a.20:00 BST on 3 March;b.02:00 BST on 4 March;c.08:00 BST on 4 March;d.14:00 BST on 4 March

趙桂香等(2007)研究華北大到暴雪過(guò)程切變線的動(dòng)力診斷時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)正渦度大值區(qū)對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)降雪的出現(xiàn)有先兆指示意義。而本次過(guò)程在過(guò)程發(fā)展時(shí)段即3日20時(shí)—4日02時(shí),強(qiáng)降雪與850 hPa正渦度大值區(qū)同時(shí)出現(xiàn);4日08時(shí),降雪強(qiáng)度已達(dá)到最大,正渦度中心及大值區(qū)則繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng);14時(shí),降雪強(qiáng)度已經(jīng)開始減弱,正渦度中心及大值區(qū)的范圍才達(dá)到最大,即正渦度中心的發(fā)展同時(shí)或滯后于強(qiáng)降雪,強(qiáng)降雪落區(qū)出現(xiàn)在850 hPa正渦度大值區(qū)的東側(cè)低渦切變線附近。

4 渦度變率診斷分析

吳國(guó)雄(2001)、吳國(guó)雄和劉還珠(1999)指出,傳統(tǒng)的垂直渦度傾向方程是通過(guò)對(duì)動(dòng)量方程求旋度再點(diǎn)乘垂直單位矢量得到的,具有明顯的平面和動(dòng)力特征。在p坐標(biāo)系中的渦度方程為:

(1)

其中:ζh表示絕對(duì)渦度平流輸送項(xiàng);ζv表示渦度垂直輸送項(xiàng);ζd表示散度項(xiàng);ζc表示扭轉(zhuǎn)項(xiàng);ζs為總渦源或渦度局地傾向。

圖5 850 hPa渦度變率(10-9 s-2)的分布和演變 a.3日20時(shí);b.4日02時(shí);c.4日08時(shí);d.4日14時(shí)Fig.5 The distribution and evolution of total vorticity variability(10-9 s-2) at 850 hPa at (a)20:00 BST on 3 March,(b)02:00 BST on 4 March,(c)08:00 BST on 4 March and (d)14:00 BST on 4 March

分析850 hPa渦度傾向與強(qiáng)降雪關(guān)系(圖5),3日20時(shí),強(qiáng)降雪發(fā)生前,遼寧大部分地區(qū)即為正渦度傾向區(qū),西部還出現(xiàn)超過(guò)3×10-9s-2的正渦度傾向,表明未來(lái)遼寧大部正渦度將增加,有利于切變線發(fā)展,其中遼西的降雪條件最有利。4日02時(shí)遼寧西部正渦度傾向大幅增加,達(dá)到9×10-9s-2以上,表明未來(lái)850 hPa正渦度將迅速發(fā)展,輻合上升運(yùn)動(dòng)亦將明顯加強(qiáng),未來(lái)切變線附近(遼西)在水汽條件和強(qiáng)動(dòng)力條件配合下,開始出現(xiàn)強(qiáng)降雪;08時(shí)遼寧西部正渦度傾向中心東傳,中部正渦度傾向顯著增加,南部也出現(xiàn)了18×10-9s-2以上的渦度變率,切變線已經(jīng)貫穿遼寧,表明西部強(qiáng)降雪區(qū)將向中部移動(dòng),南部亦將出現(xiàn)強(qiáng)降水;14時(shí),遼寧東北部、東南部出現(xiàn)正渦度傾向大值區(qū),中心分別達(dá)到6×10-9s-2、12×10-9s-2,均較上一時(shí)刻有所減小,切變線已移至遼東,表明此時(shí)上遼東部分地區(qū)仍具有較強(qiáng)輻合動(dòng)力抬升作用,有較強(qiáng)降雪;而西部、中部開始出現(xiàn)-6×10-9s-2以上的負(fù)渦度傾向,說(shuō)明該地區(qū)輻合動(dòng)力抬升作用已明顯減弱,降雪強(qiáng)度也將大幅減小。

由上述分析,正渦度變率中心的移動(dòng)和加強(qiáng),對(duì)應(yīng)著切變線的移動(dòng)和發(fā)展,產(chǎn)生有利于暴雪的輻合動(dòng)力抬升條件,降雪處在增幅期;正渦度變率中心減弱時(shí),輻合動(dòng)力抬升作用雖然維持,但降雪已開始減弱;當(dāng)負(fù)渦度變率加強(qiáng)時(shí),輻合動(dòng)力抬升作用明顯減小,強(qiáng)降雪結(jié)束;即渦度變率較渦度更能提前而且準(zhǔn)確地反映暴雪切變線生成、發(fā)展的物理機(jī)制,對(duì)于強(qiáng)降雪中心的位置和強(qiáng)度變化有指示意義,這和張小玲和程麟生(2000b)研究高原暴雪得到的結(jié)論相似。

圖6 渦度變率及各強(qiáng)迫項(xiàng)的區(qū)域平均垂直廓線(單位:10-9 s-2) a.3日20時(shí)；b.4日02時(shí)；c.4日08時(shí)；d.4日14時(shí)Fig.6 Regional average vertical profiles of the total vorticity variability and their forcing terms(units:10-9 s-2) a.20:00 BST on 3 March;b.02:00 BST on 4 March;c.08:00 BST on 4 March;d.14:00 BST on 4 March

5 渦度變率各強(qiáng)迫項(xiàng)的影響分析

為了進(jìn)一步了解方程(1)中右端各項(xiàng)對(duì)總渦源ζs貢獻(xiàn)的相對(duì)大小及其演變和垂直結(jié)構(gòu),分別在切變線附近作了各項(xiàng)的暴雪區(qū)域面積平均的垂直廓線(圖6),分析暴雪區(qū)渦度變率垂直分布及各強(qiáng)迫項(xiàng)的影響。3日20時(shí)350～200 hPa為明顯負(fù)渦度傾向,其中絕對(duì)渦度平流項(xiàng)起到主要作用,表明高層反氣旋發(fā)展,加強(qiáng)高空輻散;在700～900 hPa附近渦度傾向?yàn)檎祬^(qū),最大渦度變率超過(guò)2×10-9s-2,其中絕對(duì)渦度平流輸送項(xiàng)和散度項(xiàng)均為正貢獻(xiàn),渦度垂直輸送項(xiàng)和扭轉(zhuǎn)項(xiàng)無(wú)明顯作用,表明低層700～900 hPa切變線系統(tǒng)東北上并發(fā)展輻合使局地渦度增加(朱乾根等,2000)(圖6a)。4日02時(shí)地面到700 hPa渦度傾向正值區(qū)加強(qiáng)(圖6b),中心位于800～900 hPa,渦度變率接近4×10-9s-2,主要是由于散度項(xiàng)的貢獻(xiàn),即正渦度區(qū)的強(qiáng)烈輻合;700 hPa以上在渦度變率各強(qiáng)迫項(xiàng)中絕對(duì)渦度平流項(xiàng)最顯著,700～500 hPa散度項(xiàng)和渦度垂直輸送項(xiàng)抵消了一部分負(fù)渦度傾向,500 hPa以上正渦度傾向最為顯著。4日08時(shí)700 hPa以下依然是正渦度區(qū)的輻合作用強(qiáng)迫正渦度傾向,并且垂直輸送項(xiàng)向?qū)α鲗又袑觽鬏?在和絕對(duì)渦度平流項(xiàng)共同作用下600 hPa達(dá)到7×10-9s-2以上的正渦度傾向,這樣對(duì)流層中低層(550～900 hPa)可以在1 h內(nèi)產(chǎn)生1.8×10-5～2.5×10-5s-1的正渦度,這一強(qiáng)正渦度傾向使中低層渦度大幅增加,對(duì)應(yīng)強(qiáng)降雪區(qū)切變線強(qiáng)烈發(fā)展。4日14時(shí)正渦度傾向明顯減小,在800 hPa以下和300～500 hPa均出現(xiàn)負(fù)渦度傾向,在渦度傾向各項(xiàng)中700 hPa以下,正渦度輻合作用還是正渦度傾向主要強(qiáng)迫源,而平流項(xiàng)和扭轉(zhuǎn)項(xiàng)強(qiáng)迫負(fù)渦度變率,一方面說(shuō)明低層高空槽減弱或過(guò)境,另一方面表明上升運(yùn)動(dòng)的水平分布不利于水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換。

綜上分析,在強(qiáng)降雪系統(tǒng)發(fā)展的各個(gè)階段低層(700～900 hPa)正渦度區(qū)的強(qiáng)輻合始終是正渦度傾向的主要強(qiáng)迫源,正是這一強(qiáng)迫項(xiàng)的維持,使得低層在3日20時(shí)—4日14時(shí)持續(xù)產(chǎn)生正渦度傾向,使局地渦度增加,這樣在垂直方向上渦度不均勻,然后由強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)向?qū)α鲗又袑虞斔?因北渦度的垂直輸送項(xiàng)也是降雪系統(tǒng)發(fā)展的另一重要原因。而絕對(duì)渦度平流項(xiàng)與各層高空槽移動(dòng)或強(qiáng)度變化有關(guān),而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)以產(chǎn)生負(fù)渦度傾向?yàn)橹?不利于系統(tǒng)的發(fā)展。

6 結(jié)論與討論

1)本次歷史罕見特大暴雪過(guò)程中斜壓性非常明顯(圖2),地面江淮氣旋和500 hPa高空槽東西相距1 500 km左右,所以在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中分析判斷和強(qiáng)降雪落區(qū)、強(qiáng)度變化最密切的主要影響系統(tǒng)極其重要。經(jīng)過(guò)對(duì)渦度、散度場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的分析表明,在高層輻散的背景下,低層850 hPa附近低渦切變線的輻合抬升機(jī)制最為明顯,因此本次過(guò)程中,850 hPa低渦切變線的預(yù)報(bào)最為關(guān)鍵。

2)在渦度和渦度變率分析中發(fā)現(xiàn)渦度變率更能準(zhǔn)確反映出暴雪切變線生成、發(fā)展的物理機(jī)制。當(dāng)正渦度變率中心加強(qiáng)時(shí),對(duì)應(yīng)著切變線的發(fā)展,降雪處在增幅期;正渦度變率中心減弱時(shí),對(duì)應(yīng)著切變線的減弱或東移,輻合動(dòng)力抬升作用雖然維持,但降雪已開始減弱;當(dāng)負(fù)渦度變率加強(qiáng)時(shí),輻合動(dòng)力抬升作用明顯減小,強(qiáng)降雪結(jié)束;即渦度變率對(duì)于強(qiáng)降雪中心的位置和強(qiáng)度變化具有一定的預(yù)報(bào)意義。

3)進(jìn)一步分析渦度變率的各影響項(xiàng),發(fā)現(xiàn)本次暴雪過(guò)程中700～900 hPa正渦度區(qū)的強(qiáng)輻合項(xiàng)始終是正渦度傾向的主要強(qiáng)迫源,低層局地渦度增加,造成渦度在垂直方向上的不均勻,在上升運(yùn)動(dòng)的作用下向上輸送,使系統(tǒng)發(fā)展。這從動(dòng)力機(jī)制上進(jìn)一步說(shuō)明本次過(guò)程中主要影響系統(tǒng)的作用。

4)渦度變率中絕對(duì)渦度平流項(xiàng)與各層高空槽移動(dòng)或強(qiáng)度變化有關(guān),反映了暴雪過(guò)程中各高度影響系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)的變化;而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在低層一直產(chǎn)生負(fù)貢獻(xiàn),說(shuō)明上升運(yùn)動(dòng)在水平方向的不均勻形成負(fù)渦度傾向,不利于系統(tǒng)的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

ThedynamicalmechanismanalysisofanextraordinarysnowstormoverthesouthofNortheast

JIANG Da-kai1,2,MIN Jin-zhong1,QIAO Xiao-shi1,2

(1.School of Atmoshperic Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Shenyang Central Meteorological Observatory,Shenyang 110016,China)

Based on regular observational data and NCEP/NCAR reanalysis data,the dynamical mechanism of an extraordinary snowstorm during 3—4 March 2007 over the south of Northeast China was analyzed.The results showed that the region around the shear line at 850 hPa,which played a significant role in convergence and lifting,corresponded to the center of the heavy snow and it was also the main influencing system and the key factor for the successful forecast of the event.Vorticity variability could not only reflect the physical mechanism of the formation and development of the snowstorm shear,but also predict the position and intensity of the heavy snowstorm.Among all the factors affecting vorticity,the strong convergence terms in positive voritcity regions at 700 hPa to 900 hPa was the main forcing source of positive voritcity tendency.When voritcity on lower level increased,it transported upwards and made the system develop,which illustrated the function of the main system dynamically.The absolute vorticity advection was related with the movement of trough and its intensity varieties on different levels,which reflected vertical changes of the influencing system on different levels during the snowstorm.The twisting term played a negative role on low level,which meant that the upwards movement distributed asymmetrically in horizontal direction which formed negative vorticity and it negatively affected the development of the snowstorm system.

extraordinary snowstorm;shear line;vorticity variability;advection

2011-11-21;改回日期2012-04-12

中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2011-007);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201006001)

閔錦忠,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹行〕叨葦?shù)值模擬,minjz@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111121001.

1674-7097(2014)05-0605-08

P461.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111121001

蔣大凱,閔錦忠,喬小湜.2014.一次東北南部特大暴雪的動(dòng)力機(jī)制分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(5):605-612.

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