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.pdf
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1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June,2023干旱气象Journal of Arid Meteorology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)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
2、资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年10月1819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
3、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;高低空急流文章编号:1006-7639(2023)03-0463-11 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0463中图分类号:P458.3 文献标志码:A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
4、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
5、)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 45 月和 1011 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张入财,王 君,陈超辉,等.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,202
6、3,41(3):463-473,ZHANG Rucai,WANG Jun,CHEN Chaohui,et al.Influence of Indian double vortexes on a typical snowstorm event in the west of Qinghai-Tibet Plateau J.Journal of Arid Meteorology,2023,41(3):463-473,DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0463收稿日期:2022-06-20;改回日期:2022-08-03基金项目:国家自然科学基金项目(422
7、75169)资助作者简介: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:。通信作者: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:。41 卷干旱气象雪(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
8、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1819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
9、,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1819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1621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1621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0.250.25,时间间隔 1 h),用于环流分析及物理量诊
10、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(Poten
11、tial Vorticity,PV)计算公式如下:PV=-g(+f)p+(vpx-upy)(1)式中:(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 ms-2);(K)为位温;u、v(ms-1)分别为水平风速的u、v分量;p(hPa)为气压。2暴雪过程概述2021年10月1819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
12、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5.07.0 mm,北边日土、狮泉河等地最大小时降雪量
13、相对较小,为1.02.0 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。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 ms-1,此时西藏西部地区位于急流入口区464第 3 期张入财等:印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响右侧,高空处于强辐散区
14、,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)。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 90E 以西(图略)。1718 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25N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 ms-1,这
15、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12021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
16、08:00至19日20:00过程累积降雪量(单位:mm)(c),1819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.1The 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 hour
17、ly 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)46541 卷干旱气象图3(a)中的C1和C2,其中低涡C1中心位于印度半岛西部(77E,23N)附近,低涡C2中心位于孟加拉湾北部(87E,22N)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
18、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 ms-1急流区连接成片,受气旋性扰动影响,低空急流在80E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(78E,28N)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 ms-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
19、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 gkg-1以上,而西侧水汽含量小,比湿仅为612 gkg-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 ms-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
20、原西部的降雪也随之结束。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图22021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:ms-1)(棕色线为槽线)Fig.2Geopotential height(black contours,Unit:dagpm),temperature(red dotted isolines,Unit:)and wind field(win
21、d vectors and the color shaded,Unit:ms-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)466第 3 期张入财等:印度双低涡对青藏高原西部一次典型暴雪过程的影响大爆发,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图32021年10月18日02:00(a)、08:00(b)、14:0
22、0(c)、20:00(d)与19日08:00(e)、20:00(f)850 hPa风场(箭头,单位:ms-1)、风速(黑色等值线,单位:ms-1)和比湿(填色,单位:gkg-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.3The 850 hPa wind field(arrows,Unit:ms-1),wind speed(black isolines,Unit:ms-1)and specific humidity(the color shaded,Unit:gkg-1)at 02:00(a),08:00(b),14:00(c)and 20:00(d
23、)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)46741 卷干旱气象聚集在低涡东部;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
24、),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),
25、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。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(900700 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
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