清远低温雨雪冰冻过程分析及预报.pdf

第 卷第 期 年 月广 东气 象 收稿日期：基金项目：广东省气象局科技项目基于 模型的金子山冰雪景观预报系统（）作者简介：陆德辉（年生），男，本科，工程师，主要从事天气预报工作。：陆德辉，林雪仪，梁钟清，等 清远低温雨雪冰冻过程分析及预报 广东气象，（）：清远低温雨雪冰冻过程分析及预报陆德辉，林雪仪，梁钟清，彭静漫（清远市气象局，广东清远 ；清远市清新区气象局，广东清远 ）摘要：利用地面、探空、双偏振雷达、卫星云团等常规气象观测资料，以及 再分析资料，对清远地区 年 月 至 日的低温雨雪冰冻过程的天气背景、成因、降水和特殊天气现象等进行分析，结果表明：该次连续降水和冰雪过程的成因具有前期基础气温低、环流形势稳定、冷暖空气长时间在清远上空交绥、中层水汽充足、垂直速度小、温度场与水汽配合、相变降温作用明显等特点，并针对雨夹雪、雨凇、道路结冰等特殊天气现象的预报技术提出“经验指标 模式预报”的预报思路。关键词：天气学；低温雨雪冰冻；高寒山区；预报思路；清远中图分类号：文献标志码：清远市位于广东省的中北部，属亚热带季风气候，冬季出现雨雪冰冻天气的次数较少，但影响较大。年 月 日至 月 日，清远出现了历史罕见的低温雨雪冰冻极端天气过程，给农业、交通、供电和人民群众生活等造成了严重的影响。年 月 日 日，受“霸王”级寒潮影响，全市都下了雨夹雪，高寒山区出现了小雪、冻雨、冰冻和道路结冰，给农业、交通和人民群众生活等造成了较大的影响。另外，年 月连山县金子山景区获授“连山金子山岭南赏雪胜地”生态气候品牌，冰雪旅游成了清远市冬季旅游的新热点，对冰雪的预报要求越来越精细精准。多年来，针对华南地区低温雨雪冰冻天气的研究已得出不少成果 ，如吴乃庚等 研究发现 年持续低温雨雪冰冻天气过程与“拉尼娜”事件背景下大气环流异常密切相关，在“北脊南槽”和西太平洋副高偏北偏强的形势下，冷暖空气在我国南方地区频繁交汇，使对流层中低层形成逆温层和局地经向环流产生异常，造成持续低温雨雪冰冻过程；张东等 从降雪的温度条件、动力和水汽条件等方面对 年广东近 年一次最大范围的降雪过程进行分析，提出了从温度垂直结构预报雨雪相态的大致思路；曾琮等 研究表明寒潮和强冷空气活动多的年份一般出现在中等或强的 期间。但也有不同研究结果，如潘巧英等 研究表明 年罕见低温雨雪冰冻过程就是发生在极强厄尔尼诺事件和极涡中心偏南偏强的气候背景下；宗海锋等 认为充沛的水汽供应和大范围强烈的水汽辐合是低温 雨雪灾害事件和低温 雨雪 冰冻灾害事件发生的关键条件，而逆温层和冷垫则是低温 冰冻灾害事件、低温 雨雪 冰冻灾害事件发生的必要条件。本研究主要对 年 月清远低温雨雪过程的特征进行分析，及对预报过程复盘反思，初步提出预报思路改进方法，以期进一步提高清远北部高寒山区特定地点冰雪天气的预报准确率和提前量。过程概况 年 月 日，清远地区出现 年以来最强的阴雨寒冷过程。该次过程具有“低温范围广、高寒山区冰雪天气明显、雨势平缓均匀但累计雨量大”的特点。月 日凌晨到 日夜间全市出现持续性降水，各站 的累计雨量平均达到 ，全市共有 个区域自动站录得累计超过 的降水（占 ），其中清新区太平镇龙湾村录得过程最大累计雨量 （图 ，北京时，下同）。日到 日早晨，清远市全境出现低于 的低温天气；日各地最低气温降至 （高寒山区最低气温 ，其中阳山秤架乡太平洞石坑崆出现全省最低气温 ）（图 ）。另外，日起到 日，北部高寒山区出现了持续的冻雨、雨夹雪和道路结冰。连州潭岭水库、南风坳等地出现明显积雪现象，冻雨导致“三连一阳”的山区出现雨凇冰挂，还导致连州、连山等地的高寒山区出现持续道路结冰现象。图 年 月 日 ：日 ：累计雨量（）和 日最低气温（）环流与成因分析 降水分析该次过程降水持续了 （年 月 日），雨势平缓均匀但累计雨量大，全市最大累计降雨量为 ，最大小时雨量为 ，平均雨强为 到 。该次过程的环流形势上，高纬地区以经向环流为主，低纬地区以纬向环流为主。中高纬地区为两槽一脊，低纬地区呈两脊一槽的反位相分布，亚洲中部呈北脊南槽的稳定环流形势（图 ）；副热带高压脊线在 附近，异常偏强偏北，常年 月副高脊线才移到 附近 ；副高偏强偏北，导致南支槽东移缓慢，南支槽前西南气流，将热带海洋的暖湿水汽持续输送至江南和华南上空。东北冷涡转动引导冷空气不断南下，与南支槽前西南暖湿气流交绥于江南到华南一带形成锋面降水，由于环流形势稳定，导致锋面降水持续时间长。华南上空存在一支风速为 左右的西南急流。同时，卫星云图（图 ）的演变显示，正是孟湾东部的热带扰动云团消散后沿着中层的这支西南急流给华南上空提供了主要的水汽来源。图 年 月 日 ：环流形势（）和卫星红外云图（）该次过程是受强冷空气影响，冷垫较厚、层结稳定，其降水的动力机制为锋面抬升型，属于天气尺度，动力条件一般。从 再分析资料反演的 、和 的平均垂直速度（图略）来看，均显示清远上空平均垂直速度不大，如 年 月 日 平均垂直速度为 ；而在 年的相似例子中平均垂直速度为 ，相应地平均雨强也较大。比较中低层水汽条件（图略），本地的比湿为 ，为 ，显然，该次过程中水汽的主要贡献层在 。第 期陆德辉等：清远低温雨雪冰冻过程分析及预报综上所述，稳定的环流形势、充足的中层水汽输送导致该次过程降水持续时间长、累计雨量大；而动力条件相对较弱导致该次过程雨势比较平缓均匀。另外，水汽贡献层偏高，而平时预报员一般习惯用 的水汽来预测，容易忽略分析 水汽，因此降水预报容易出现偏差。特殊天气现象分析月 到 日，清远北部高寒山区出现了持续的冻雨、雨夹雪和道路结冰天气。从月 日起，清远市频繁受冷空气影响，平均气温创 年来新低。据统计，年 月 日到 月 日，全市平均气温 ，较历史同期偏低 ，为 年以来最低。同时，冷空气到来前的持续降水也使清远市的基础气温较低。根据天气学原理，产生雨凇时大气的垂直结构分为冰晶层、暖层、和冷层，其中冰晶层里 一般要达到 到 ，暖层中有暖湿平流。从距离清远北部最近的郴州探空的 日 ：层结曲线（图 ）来看，与雨凇发生时的层结结构高度吻合，有利于出现冻雨形成雨凇。同时，从 日 ：的温线图（图略）可见 和 的 线已经位于清远北部地区。图 月 日 ：郴州探空层结曲线利用连州双偏振雷达对 日 ：的降水粒子相态分类产品分析（图 ），显示雨雪分界线向雷达站收缩，即雨雪分界线高度下降，说明双偏振雷达有效监测到雨雪转换的相态变化过程。随着冷空气不断补充，气温继续下降，线进一步南压，日 ：的郴州探空显示融化层减薄到近于消失，有利于 日出现的降水更接近于纯雪。根据南风坳监控视频资料可以看出，月 至 日清远北部高寒山区已完成了从雨 冻雨 雨夹雪 纯雪的相态变化，且 日积雪较 日更明显。图 连州双偏振雷达 月 日 ：的粒子相态分类产品 预报偏差分析该次天气过程能提前较准确预报出降水和雨雪冰冻天气，并且及时发布相应的预警信号和启动应急响应，预报服务效果总体较好，但仍存在一些不足。前期略低估了降水量，主降水时间有偏差各家模式前期都把主要降水时段报在 日，针对 日的降水各家模式早期预报偏小，临近时才逐渐往大调整，但对清远北部高寒山区一直预报严重偏小（尤其 模式始终预报小雨量级）（图 ）。相对而言，在该次过程预报中 模式最为稳定，提前 预报出了局部暴雨量级（图 ）。受模式影响，主观对 日的降水预报前期总体偏小（表 ），直到 日模式往大的方向调整的趋势稳定时，提前 把对 日的预报调整正确（图 ）。图 各家模式对清远市 日雨量预报（）以及 月 日清远市雨量实况（）广东气象第 卷 表 月 日预报员对 日清远的降水预报预报日期对 日预报结论 日小雨转阴天 日小到中雨 日小到中雨 日中到大雨局部暴雨主观对 日降水的预报偏差主要来源于对 切变线附近风场的理解偏差。模式预报 日 ：切变线已南压至清远南部；按业务常规思路认为清远大部已受北风控制，水汽条件转差，降水将减弱。实况表明，把风场看成一个平面来考虑是欠妥的，因为结合温度场来看，实际上清远地区此时处于锋区之中，根据压高公式：，气压随高度递减的快慢主要决定于空气的密度 。图 中 等压面上的 、个点，由于气柱密度差异，水平高度也存在差异，因此图 中的南北风场并非处在同一水平面上，不是北风把南风压制到沿海，而是南风在北风之上爬升。按照锋面降水物理机制，清远（点）上空既有锋面抬升作用下暖湿空气绝热冷却凝结造成的降水；也存在 锋区内较高露点的空气遇到较低气温的空气直接凝结而成的降水。伴随着 锋区维持在清远上空，上的西南急流也逐渐加强（据热成风原理，与 锋区接近有关），不断向清远上空输送着暖湿空气并存在水汽辐合，因此，在 锋区内的冷暖空气混合降水与锋区之上暖湿空气抬升形成降水的共同作用下，导致了 日清远市较强的降水。（蓝色圆圈为 、个点的位置）图 月 日 ：温度场（等值线，单位：）和风场（风向杆，单位：）（）；锋面降水物理机制示意图（）对高寒山区道路积雪结冰程度有所低估各家模式对 日 线的位置预报均较实况偏北，且 日前存在较大分歧，日后才趋于一致，均预报 线可南压至清远，其中 模式最稳定，不仅从 日起一直预报 零度线可南压至清远，且预报位置最接近实况。主观预报在 日已预报北部高寒山区有冻雨、雨夹雪和轻微道路结冰，但 日针对降水强度做出调整时并未对高寒山区道路积雪结冰程度作调整，而实况是 日起到 日，北部高寒山区出现了持续的较强的冻雨、雨夹雪和道路结冰现象。原因主要有 点：一是前期对北部降水估计偏小；二是模式对 温度场的 线位置预报的分歧较大，给预报员造成干扰；三是由于北部高寒山区缺乏地表温度等监测仪器，预报员难以获取地表温度数据。因此，针对类似情况，应从防御风险的角度出发，根据降水和气温配置的组合可能性思考最坏的情形，不断滚动订正预报结论。另外，如在南风坳等道路易结冰的地段加装地表温度、积雪积冰深度等监测仪器，克服视频监测在夜间观测难的缺点，有利于及时发布道路结冰预警。冰雪预报技术改进思路近年来，冰雪游成了清远市北部高寒山区的第 期陆德辉等：清远低温雨雪冰冻过程分析及预报热点，提前 以上的冰雪预报对旅游有较大的促进作用，因此针对雨夹雪、雨凇、道路结冰等特殊天气现象的预报需求较以往更大，要求更高。经过近几年对预报特定地点、特定海拔高度冰雪特殊天气现象的总结探索，得出“经验指标 模式预报”为主的改进思路。清远北部高寒山区属于南岭山脉，海拔高度与湖南南岳站（）较为接近，广东省天气预报技术手册 中关于弱冷空气能否翻越南岭影响广东的判据有以南岳站作为指标站的方法 。同理，由于海拔高度相近，对于清远北部高寒山区的雨雪等特殊天气的预报，利用南岳站作为指标站有较好的指示作用。据多年观测统计总结的经验：一般湖南南岳站气温低于 ，且有水汽条件配合，则清远市南风坳等高寒山区会出现雨凇、道路结冰等特殊天气现象。根据此经验，当南岳站出现气温低于 的实况时，结合水汽条件分析，可至少提前 预测出清远北部山区出现雨凇、道路结冰等特殊天气现象。如该次过程中 日早晨南岳站气温开始低于 ，日早晨清远北部高寒山区便出现了雨夹雪、道路结冰等特殊天气现象。再结合利用 交互式箱线图得到南岳未来 的模式预报，有望提前 预报雨凇、道路结冰等特殊天气现象。预报中需要注意的问题该次锋面降水和冰雪过程的成因和特点主要有北脊南槽的稳定环流形势使冷暖空气长时间在清远上空交绥、垂直速度较小、中层水汽条件充足；基础气温低、低层零度线南压到清远北部、温度场与水汽配合、相变降温作用明显。该次过程预报服务总体较好，但仍需提高站位，坚持“人民至上、生命至上”，从防御风险的角度出发，防范最坏的可能情况，及时滚动订正预报结论。）锋面降水情况下，需要结合温度场分析各层锋区位置，需要充分考虑中层水汽条件；）高寒山区道路积雪结冰预报，需要充分考虑降水和温度场配置的各种组合可能性；）通过建立“经验指标 模式预报”，有望提升冰雪等特殊天气的预报提前量和精细程度；）观测方面，建议在道路易结冰的地段加装地表温度、积雪积冰深度等监测仪器，以利于及时发布道路结冰预警。需要特别指出的是，年 月在清远的低温雨雪冰冻天气过程，降雪强度历史罕见，在背景成因分析、检验等方面，如“拉尼娜”事件与该次极端天气过程的作用机理；特殊山地地形对雨雪冰冻形成的物理过程；如何订正模式误差；新预报思路在未来冰雪预报中的进一步检验等，仍需要进一步做大量的工作。致谢：感谢韦翠、李少远、保鸿燕等在下载 再分析资料、雷达数据等方面的帮助；感谢李路遥在修改图片上的帮助！参考文献：吴乃庚，林良勋，李天然，等 年初广东罕见低温雨雪冰冻天气的成因初探 广东气象，（）：张东，张华龙，翟志宏 广东近 年一次最大范围的降雪过程分析 广东气象，（）：林良勋，冯业荣，黄忠，等 广东省天气预报技术手册 北京：气象出版社，张录青，李丽，饶纲伟 年初粤北罕见的低温雨雪冰冻天气过程分析 广东气象，（）：吴乃庚，邓文剑，林良勋，等 年春节期间广东罕见低温阴雨天气特点及成因 广东气象，（）：吴兑 关于冻雨和雨凇、雾凇之我见 广东气象，（）：，曾琮，谢炯光 广东省寒潮、强冷空气的气候特征及与 的关系 广东气象，（）：潘巧英，余广昌，郭瑞玲，等 年初佛山市低温雨雪天气过程的成因分析 广东气象，（）：宗海锋，布和朝鲁，彭京备，等 中国南方大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件：客观识别方法及关键特征 大气科学，（）：广东气象第 卷 ，（，；，）：，：；，；，；檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰 （上接第 页），（，；，；，；，）：，：；第 期陆德辉等：清远低温雨雪冰冻过程分析及预报