李向紅 ，陸 虹，伍 靜，鄭傳新，周秀華，殷 超

(1.桂林市氣象局，廣西 桂林541001；2.廣西區(qū)氣候中心，廣西 南寧530022)

南方低溫冰凍災害出現(xiàn)的頻率不多，但歷時較長的低溫雨雪冰凍災害致使農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、交通運輸?shù)刃袠I(yè)遭受重創(chuàng)。低溫雨雪冰凍天氣對農(nóng)業(yè)方面可導致大量林木被毀，很多南方珍稀植物大量凍死，特別是導致甘蔗、香蕉等大面積凍害嚴重，嚴重影響廣西榨糖產(chǎn)業(yè)，還導致禽畜及魚類大量死亡，損失慘重。凍雨冰凍造成電網(wǎng)嚴重覆冰，導致電力設備掉閘、桿塔折倒斷線。低溫雨雪冰凍災害還導致公路道路結(jié)冰、列車晚點、機場航班延誤等。錢維宏[1]與陳海山等[2]的研究表明極端低溫的發(fā)生與天氣尺度瞬變波關(guān)系密切，天氣尺度瞬變波傳播發(fā)展可能是極端低溫發(fā)生的重要條件。利用歐洲中期天氣預報模式產(chǎn)品中850 hPa 溫度擾動的特性，成功提前預報出2011年初中國低溫凍雨天氣過程。 研究表明[3-4]強寒潮事件是在低頻震蕩背景下發(fā)生，南北波列偶合導致寒潮爆發(fā)。平流層環(huán)流的異常預測可能有助于提高歐亞大陸冬季低溫寒潮事件的預測能力，以及烏拉爾山阻塞高壓異常發(fā)展和冷空氣不斷向南爆發(fā)。北極濤動從正位向轉(zhuǎn)為負位相是北半球中緯度氣溫陡降的主要原因，中高緯度阻塞系統(tǒng)的交替建立崩潰導致氣溫變化[5]。另外，在強冷空氣的影響下，水汽條件和動力條件的較好配合也能造成強寒潮[6]。2008年初烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍茨克海阻高異常特征配置使得分裂出的小槽活動偏多，造成冷空氣活動頻繁并不斷南下補給，導致低溫雨雪冰凍[7-8]。逆溫層深厚是造成大范圍長期凍雨、冰凍的主要原因[9-10]。

2016年1月低溫雨雪的冷空氣強度比2008年1月低溫冰凍更強，但持續(xù)時間卻不如2008年1月過程，目前還沒有研究將這兩次強冷空氣的物理機制的差異性進行比較，特別是對南方低溫雨雪冰凍與孟加拉灣水汽輸送的關(guān)系研究的不多，本文將對兩次過程的大尺度環(huán)流特征、動力機制、水汽輸送進行對比研究。

1 研究地區(qū)與資料方法

1.1 研究地區(qū)概況

2008年1月13日到2月5日的不斷南下補充的強冷空氣，低溫冰凍持續(xù)時間長導致廣西 50年來最長的低溫冰凍期，冰凍普遍持續(xù)20 d之久，有些地區(qū)持續(xù)接近40 d(廣西資源縣)，出現(xiàn)霧凇、雨凇天氣，道路和電線結(jié)冰，造成交通要道中斷，電力癱瘓，林農(nóng)損失巨大。2016年1月23-28日強冷空氣導致雪線到達華南沿海，為近50年來最南雪線。2008年1月12日至2月10日低溫雨雪冰凍過程因災造成50年來低溫造成災情最大一次，廣西直接經(jīng)濟損失105.58億元，2016年1月23-28日雨雪冰凍過程廣西直接經(jīng)濟損失8 052萬元。

1.2 資料與方法

采用氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，美國氣象環(huán)境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作的全球NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù),格距是2.5°×2.5°，氣候平均采用1981-2010年30年平均。采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、物理量分析和動力診斷的方法研究，如采用渦度平流研究對高壓脊的維持加強，采用水汽通量散度研究對雨雪的可能性等。

為探討阻塞高壓的發(fā)展機制，采用大氣動力學中的渦度方程中的渦度強迫項，分析渦度平流向阻塞高壓的輸送[11]，研究2016年1月和2008年1月兩次強冷空氣影響期間，阻塞高壓上游渦度平流持續(xù)輸送，對阻塞高壓的影響。

JP=-J(φS,2φS)P，

(1)

式中：φ為流函數(shù)，2為拉普拉斯算子，S代表天氣尺度部分(緯向波數(shù)6～18波),P代表行星尺度部分(緯向波數(shù)0～4波)。

2 低溫災害對比

2008年以來廣西出現(xiàn)兩次影響最大的低溫雨雪冰凍過程，由于影響系統(tǒng)的不同，導致影響災害的特性有所不同。

2.1 2016年1月21-26日的強冷空氣過程導至廣西最南雪線

2016年1月21-26日的強冷空氣過程導致廣西最南雪線，降雪相態(tài)主要為飄雪。冷空氣過程導致整個廣西除北海市外，都出現(xiàn)了飄雪。降雪范圍廣，多地出現(xiàn)第一次降雪記錄，雪線為有氣象記錄以來最南的特點，雪線到達22°N以南的防城港，為50年來最南雪線。廣西南部的欽州、玉林、靈山、博白、北流、憑祥、防城港等7個市縣出現(xiàn)當?shù)赜袣庀笥^測記錄以來第一次降雪，陸川出現(xiàn)1956年以后第一次降雪，浦北出現(xiàn)1975年以后第一次降雪，南寧、邕寧、武鳴、上思、龍州、扶綏、蒼梧等地出現(xiàn)1983年以后第一次降雪。

2008年1月13日到2月5日的雨夾雪最南在廣西北部，桂林一帶，沒有到達廣西中部。

2.2 2016年1月21-26日的強冷空氣過程導致全區(qū)更低氣溫

兩次強冷空氣降溫幅度不同，2016年1月21-26日的強冷空氣過程導致的全區(qū)日平均溫度為1月24日全區(qū)平均最低氣溫1.3℃，是2003年后出現(xiàn)的最低值。2008年1月13日-2月3日強冷空氣過程導致的全區(qū)平均最低氣溫1.9℃,出現(xiàn)在2008年1月28日。

2016年1月21-26日過程表現(xiàn)為更低的最低氣溫：高寒山區(qū)-13～-5℃，桂北-6～3℃，桂中-2～2℃，桂南0～4℃。全區(qū)有258個鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫降至0℃以下，國家氣象站測到最低氣溫降至0℃以下有13站。1月24日岑溪、憑祥、東興、防城等4個站日平均氣溫破歷史最低紀錄。

2008年1月13日-2月3日過程表現(xiàn)為更低的平均氣溫，1月15日廣西各地先后出現(xiàn)了大幅度的降溫天氣，大部地區(qū)日平均氣溫下降幅度達8℃，共有63個縣市達到廣西寒潮標準。1月12日至2月20日，廣西各地平均氣溫1.2～11.7℃，比常年同期偏低3.7～5.7℃，全區(qū)所有縣市的平均氣溫均為建站以來同期最低值。全區(qū)平均氣溫6.8℃，比常年同期偏低4.8℃，偏低程度為建國以來同期第一位。

2.3 2016年1月21-26日低溫過程比2008年1月13日-2月3日低溫過程短，回升快

2008年1月14日至2月12日，全區(qū)平均氣溫連續(xù)30 d低于8℃，是建國以來持續(xù)時間最長的低溫天氣過程。2月13日以后至今，全區(qū)平均氣溫回升到8℃以上。截止2月20日，全區(qū)平均氣溫連續(xù)39 d低于12℃。凍雨、冰凍影響嚴重。桂北共有226站次出現(xiàn)冰凍，101站次出現(xiàn)凍雨，冰凍、凍雨最長連續(xù)日數(shù)分別為22d和21d。是廣西近50年來凍雨總站次最多、持續(xù)時間最長、影響最嚴重的一次過程。

圖1 2008年和2016年1月13日至2月5日的逐日平均氣溫和最低氣溫變化曲線

2.4 2008年1月冷空氣過程有更長的低溫冰凍

2008年1月13日到2月20日，桂北共有226站次出現(xiàn)冰凍，101站次出現(xiàn)凍雨，冰凍、凍雨最長連續(xù)日數(shù)分別為22 d和21 d。是廣西近50年來凍雨總站次最多、持續(xù)時間最長、影響最嚴重的一次過程。

2016年1月21-26日冷空氣過程在22-25日全區(qū)除北海市外的13個地市共68個市(縣、區(qū))出現(xiàn)雨夾雪及雪，部分地區(qū)有積雪、冰凍及道路結(jié)冰。但是冰凍時間不長，基本維持1～3 d。2016年除了資源22-23日有冰凍天氣，其余由于沒有明顯降水，低溫凍雨不明顯。

2.5 雨量

2008年1月降水范圍廣，陰雨日數(shù)多。1月中下旬，廣西各地降水量8.4～167.8 mm，與常年同期相比，大部地區(qū)偏多30%～50%。全區(qū)平均降水量63.2 mm，比常年同期偏多1.2倍，偏多程度為建國以來同期的第三位，僅次于1953年、1997年。1月中下旬大部地區(qū)降水日數(shù)為10～17 d，全區(qū)平均降水日數(shù)13 d，比常年同期偏多4 d。2016年冷空氣過程導致的雨雪大多為0.5 mm。

2.6 風

2016年1月冷空氣過程導致桂林等10個地市及北部灣海面出現(xiàn)8～9級偏北大風。2008年冷空氣過程的大風范圍和強度不如2016年冷空氣過程。

3 物理機制對比分析

3.1 環(huán)流形勢比較

相比于2008年1-2月低溫冰凍期間而言，2016年1月低溫冰凍期間烏拉爾山阻塞高壓異常偏強，2008年1月13日-2月5日(圖2a)與2016年1月21-26日(圖2b)低溫過程500 hPa高度場平均(實線)與歷年平均(陰影)對比,可見2016年1月21-26日高度場平均表明從高緯到低緯是兩槽一脊，從烏拉爾山以東到貝加爾湖是阻塞高壓脊區(qū)，烏拉爾山以西到巴倫支海，到里海為低壓槽區(qū)，另一低壓槽在鄂霍次克海到日本海和中國東北。是明顯的大槽大脊，這樣的移動性槽脊，有利于引導地面冷空氣迅速南下，而且可以到達低緯地區(qū)。2008年1月13日-2月5日的低溫過程500 hPa高度場平均(實線)與歷年平均(陰影)則不一樣，氣流較平緩，從圖2a上可見，鄂霍次克海低壓仍然存在，烏拉爾山東面到貝加爾湖的高壓較為平緩，而且高中緯存在反位向配置，期間經(jīng)歷了三次冷空氣南下的調(diào)整過程。

2016年1月21-26日(圖2b)低溫過程500hPa高度場平均(實線)與歷年平均(陰影)對比可見，歷年平均高度是比較平緩的，基本上是南高北低，而2016年1月21-26日就不一樣，明顯的兩槽一脊，得以引導地面強冷空氣南下。 同時在喀什湖到帕米爾高原一直到阿拉伯海都為同位向的高壓脊，切斷了水汽的東傳。2008年1月13日-2月5日的低溫過程500 hPa高度場平均(實線)與歷年平均(陰影)對比可見，烏拉爾山東面到貝加爾湖的高壓稍高于歷年平均，喀什湖經(jīng)帕米爾高原到阿拉伯海的高度比歷年平均高度要低，形成為低壓槽區(qū)，冷空氣在2008年1月13日-2月5日期間分了3次南下，同時，低緯阿拉伯海等高線較平直，有利于弱水汽持續(xù)東傳。

3.2 阻塞高壓強度比較

2008年1月13日-2月5日烏拉爾山東面到貝加爾湖北部有+12的正距平(圖3a)，阻塞高壓長期盤踞，而鄂霍次克海，新疆到中亞一帶為負高度距平，也達到-12 dagpm，形成低渦系統(tǒng)不斷影響，是反位相的配置。同時在中國東北到華東沿海到華南上空為正高度距平，這樣的形勢可以判斷冷空氣是沿東路南下，東路冷空氣容易形成回流陰雨天氣，天氣不易好轉(zhuǎn)，所以形成了長達40 d廣西低溫冰凍天氣。2016年1月21-26日低溫過程500 hPa高度場距平(圖3b)烏拉爾山以東到貝加爾湖以北，一直到喀什湖和帕米爾高原為高度正距平，烏拉爾山東面的500 hPa高度正距平達到+26 dagpm，在亞洲東岸和烏拉爾山西側(cè)為強的負距平，達到-12 dagpm，形成低槽，此為移動性槽脊,造成的低溫冰凍持續(xù)時間短，這樣的形勢，冷空氣應該是西路南下，強冷空氣直達大陸南部，導致華南近50年最南雪線。

圖2 低溫過程500 hPa平均位勢高度(實線)與歷年平均(陰影)(單位：dagpm)

圖3 低溫過程期間500 hPa平均位勢高度場(實線)和距平場(陰影)(單位：dagpm)

圖4 低溫過程850 hPa平均位勢高度場(實線)與距平(陰影)與(單位：dagpm)

圖5 低溫過程平均地面氣壓(等值線)與距平(陰影)(mb)

圖6 500 hPa天氣尺度波的平均渦度強迫項(陰影，單位：10-20s-2)和平均流場

圖7 850 hPa 水汽通量(陰影,單位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(實線,單位：10-5 kg·m-2·s-1)

850 hPa高度場多年平均分布(實線)和過程距平(陰影)比較(圖4)表明，多年的1月13日-2月5日850 hPa高度多年平均只在烏拉爾山東面到貝加爾湖有弱脊，而2008年1月13日-2月5日則在相同的范圍出現(xiàn)了+8 dagpm的正距平，可見冷空氣強度堆積在本區(qū)域是很強的。多年1月21-26日高度平均在烏拉爾山東面到貝加爾湖高度基本平直，但是2016年1月21-26日，在烏拉爾山東面到貝加爾湖之間出現(xiàn)+20 dagpm的正距平，可見冷空氣強度比2008年1月13日-2月5日更為強盛。

3.3 地面冷高壓強度比較

從低溫過程地面氣壓與距平對比圖(圖5)可見，1月13日-2月5日在貝加爾湖附近歷年平均氣壓只有1 032 mb,而2008年1月13日-2月5日在貝加爾湖有+12 mb的距平，也就達到1 044 mb。1月21-26日在烏拉爾山東面到貝加爾湖附近歷年平均氣壓只有1 016～1 032 mb，但是在2008年1月13日-2月5日地面氣壓距平達到+20 mb，就是1 052 mb。

3.4 負渦度平流輸送比較

根據(jù)文獻研究結(jié)果[11]，負渦度平流輸送加強阻塞高壓維持，天氣尺度波的渦度強迫對下游阻塞的建立、維持起到關(guān)鍵作用。北負南正的渦度強迫對下游偶極子阻塞起到重要作用，由于副渦度代表反氣旋，當負渦度被輸送到阻塞區(qū)域，可以使瀕臨崩潰的阻塞高壓重新建立、加強。為探討阻塞高壓的發(fā)展機制，利用式(1)計算了2016年1月和2008年1-2月兩次低溫冰凍過程期間500 hPa天氣尺度波的平均渦度強迫項。

圖6a為2008年500 hPa天氣尺度波的平均渦度強迫項，由圖6a可見，2008年1月13日-2月5日從歐洲到里海，經(jīng)咸海，經(jīng)伊朗高原到貝加爾湖有負渦度帶，在此期間有負渦度往烏拉爾山東部高壓內(nèi)部輸送，維持此阻塞高壓的加強、更迭。同時，在負渦度輸送帶的南側(cè)，也就是20°～40°N地區(qū)有緯向正渦度帶存在，在這個地區(qū)存在低壓槽活動，這種南北反位向的配置，有利于多波動活動。這種配置有利于長低溫冰凍天氣維持。在北極140°E附近有正渦度往東亞大槽輸送，導致東亞大槽的穩(wěn)定維持，引導地面冷空氣從東路進入廣西。這種配置有利于長低溫冰凍天氣維持。圖6b為2016年1月21-26日天氣尺度波的平均渦度強迫項和平均流場，由圖6b可見，2016年1月21-26日從巴倫支海新地島到烏拉爾山東面阻塞高壓有強的負渦度強迫輸入，導致阻塞高壓加強，但這種負渦度強迫輸入是間斷性的，無法持續(xù)。同時在烏拉爾山西面到里海，有正的渦度強迫輸入低壓槽，導致低壓槽加深、加強。

3.5 孟加拉灣水汽輸送比較

2008年1-2月南支槽活躍，從孟加拉灣到廣西存在西南低空急流，廣西位于低空急流的左側(cè)，同時西南低空急流將孟加拉灣的水汽持續(xù)不斷輸送到廣西上空，給凍雨的形成提供了水汽。2008年1月28日，全區(qū)出現(xiàn)了大范圍凍雨天氣，圖7a為2008年1月28日 850 hPa 水汽通量(陰影)及水汽通量散度(等值線)分布圖，從孟加拉灣到廣西上空有水汽通量輸送帶，水汽通量達到5 kg·m-1·s-1，在廣西上空的水汽通量散度達到-80 10-5kg·m-2·s-1。2016年2月24日是廣西雪線最南的一天，并沒有西南低空急流氣流影響廣西850 hPa，是為一致的偏北風控制廣西，在低層的850 hPa沒有水汽輸送到廣西，也沒有水汽輻合，所以，盡管在高層有少量水汽導致雪線偏南，但低溫冰凍持續(xù)時間并不長(圖7b)。

4 結(jié)語

針對2008年1月13日-2月5日和2016年1月21-26日兩次強冷空氣過程的災害及動力機制進行了對比，結(jié)果如下。

(1)2016年1月21-26日過程為移動性槽脊影響，新地島有強負渦度平流輸入高壓脊，但無法持續(xù)，所以阻塞高壓演變快、崩潰快，是強而持續(xù)時間短的低溫過程。而2008年1月13日-2月5日有負的渦度平流不斷輸入到烏拉爾山高壓脊，使得阻塞高壓不斷地建立、減弱、再建立，導致長低溫過程。

(2)冷空氣路徑也是不同的，2008年低溫過程冷空氣是東路南下，導致回流天氣，形成凍雨和長期冰凍。2016年過程冷空氣是西路南下，導致廣西50年來最南雪線，但是低溫冰凍只有1～2 d，持續(xù)時間不長。

(3)2008年過程降雨量明顯比2016年要大，是因為在2008年冷空氣影響期間從孟加拉灣到廣西上空有西南水汽的輸送，而2016年冷空氣影響期間，從南海到孟加拉灣都沒有水汽輸送到廣西。

(4)2016年地面冷空氣比2008年明顯偏強，冷空氣南下迅速，不利于降水發(fā)生。