贵阳机场重级冻雨凝冻天气过程特征分析.pdf

JournalAviationUniversity72Vol.34No.5ofChinaFlightofCivilSept.2023飞行学院学报中国民航贵阳机场重级冻雨凝冻天气过程特征分析刘烈霜（西南地区空管局气象中心四川成都610200)摘要：本文选取贵阳机场重级冻雨凝冻年中两次典型的天气过程进行客观诊断分析，结果表明：贵阳机场及贵州中部地区持续性强冻雨天气过程有一定共性。高纬区都有明显的“2 型”阻塞形势存在，中层以西南气（急）流为主，有利于冻雨区持续的水汽输送，低层切变线和地面云贵静止锋长时间存在。由南向北伸展的“暖舌”、“湿舌”脊线几乎重合在一起，显示了降水区温湿一致的特性。低层能量锋区明显，地形对锋区的阻挡作用明显，准静止锋的维持与冻雨的长时间维持密切相关。关键词：贵阳机场冻雨凝冻云贵准静止锋Characteristics Analysis of Freezing Weather Process of Heavy Freezing Rain at Guiyang AirportLiu Lieshuang(Meteorological Center of Southwest Air Traffic Control Bureau,Chengdu,610200,Sichuan,China)Abstract:Two typical freezing weather processes of heavy freezing rain at Guiyang Airport areselected for objective diagnosis and analysis.The results show that there are some commonalities in theprocess of persistent heavy freezing rain in Guiyang Airport and central Guizhou.There is a clear Qtype blocking situation in high latitude areas.The middle layer is dominated by southwest airflow or jetstream,which is conducive to the continuous water vapor transport in the freezing rain area.The low levelshear line and the ground Yungui stationary front exist for a long time.The ridge lines of warm tongueand wet tongue extending from south to north are almost coincident with each other,which shows thatthe temperature and humidity in the rainfall area are consistent.The energy front zone is obvious at lowlevel,and the terrain has obvious blocking effect on the front zone.The maintenance of Yungui quasi-stationary front is closely related to the long-term maintenance of freezing rain.Keywords:GuiyangAirportFreezingrainYunguiquasi-stationaryfront1引言冬季，受极地气团或变性极地气团的影响，我国频繁遭受冷空气或寒潮天气影响。某些年份冬半年我国部分地区有可能发生暴雪、低温、冰冻极端天气事件。我国历史上出现严重低温暴雪冰冻灾害的有1954年12 月至19 5 5 年1月、19 5 7 年1-2 月等 。2008年1月我国南方遭遇了19 5 0 年以来罕见的持续低温、雨雪、冰冻天气，经多方评估是百年不遇的特大气象灾害。致10 0 余人死亡，直接经济损失15 0 0 多亿元 2 。贵州省是受灾最重的省份之一。针对这次极端天气事件，国内许多学者进行了研究分析 3-10 。贵阳机场在1月中旬至2 月初，连续多日因冻雨导致的严重道面积冰关闭机场，造成了春运期间大面积的航班延误、取消。2011年1月，贵州省再次遭受冻雨凝冻天气灾害，虽然在持续时间和强度上略弱于2 0 0 8 年，但仍对民航运行造成了严重影响。近年来，在2 0 18 年1月2 5-2 7 日，2 0 2 0 年12 月13-17 日，贵阳机场虽然也出现了阶段性的冻雨天气，但在凝冻强度和影响方面都难以与2 0 0 8 年和2 0 11年冻雨过程相比。本文将着重对比分析2 0 0 8 年和2 0 11年贵阳机场两次较典型的冻雨天气过程，试图寻找出两次过程中的相似点，为做好民航冻雨预报预警提供更多参考。2资料和方法本文主要应用国家气象局下发的高空、地面常规填图资料，研究使用郑永光等（2 0 0 2）的客观分析诊断图形系统。客观分析采用Gressman逐步订正JourmalAviationofCivilofChinaUniversityFlightVol.34No.573中国民航Sept.2023飞行学院学报法，分析范围高空以10 6 E、3 5 N为中心，网格距为10 0 km，地面以10 6 E、3 0 N为中心，网格距为30km。对基本气象要素如位势高度(H)、风场、温度(T)及地面气压场、风场等进行分析，同时计算表征中尺度系统特征的物理量如涡度()、散度(Div)、P坐标垂直速度(o)、水汽通量散度以及温度平流等并进行诊断分析。2.1天气过程概述和个例选取2008年1月低温雨雪冰冻灾害主要由4 次天气过程造成，发生时间段分别为1月10-16 日、18-2 2日、2 5-2 8 日、3 1-2 月2 日。贵阳机场1月2 1日起至2 月1日，机场适航时段逐日减少，夜间基本关闭。冻雨造成停场飞机结冰，机场跑道、滑行道、联络道结冰，两次除冰间隔期间，夜间冰层积冰最厚处达6 mm。每日受影响航班突破百架次，最高为1月2 9 日的13 8 架次，占到当天贵阳机场进出港航班的7 成以上。从过程强度和影响严重程度来看，第三次过程最为显著，本文选取该次过程进行分析。2011年1月冻雨凝冻开始于1月1日，也由4次主要天气过程组成，发生时间段分别为1月1-4日；1月6-10 日；1月17-2 2 日和1月2 7-3 1日，其中第二、三次过程是冻雨和雪互相转化的混合降水过程。4 次过程中以第一次为最强，1月2 日，全省出现冻雨天气的县市区达6 2 个，道路结冰和电线积冰严重。据贵阳国家基准气候观测站1月3 日2 0 时数据显示，结冰厚度已达3 9 mm，开阳县达4 6 mm。1月2 日造成共5 9 架次航班取消。本文选取第一次天气过程进行分析。根据两次过程的发生时间，本文选取2 0 0 8 年1月2 6 日0 0 时至2 9 日0 0 时（世界时，下同）和2 0 11年1月1日0 0 时至4 日0 0 时国家气象局下发的相应时次地面、高空常规气象资料进行客观诊断分析。2.2过程天气形势分析图1是经过合成后的两次过程5 0 0 hPa、7 0 0 h Pa和8 5 0 hPa的平均位势高度和风场图。由图1（a）、（b）、（c）可见，2 0 0 8 年1月2 6-2 9 日过程（下文简称 0 8.1 过程）5 0 0 hPa欧亚高纬地区为两槽一脊型，存在明显的阻塞形势，阻高脊线从我国的新疆地区一直向北延伸至中西伯利亚地区。中低纬从青藏高原以西至孟加拉湾西部有一深槽，贵阳地区是槽前西南气流主导；7 0 0 hPa显示过程中都是稳定的槽前西南气流控制；8 5 0 hPa从安徽一湖南中部一贵州南部有一明显的切变线，贵州省中北部为东北方向回流的冷空气控制。图1（d）、（e）、（f)显示，2 0 11年1月1-4 日过程（下文简称 11.1 过程）5 0 0 hPa高纬阻塞形势更为明显，位于巴尔喀什湖以西的高压脊线随纬度向东倾斜，并在我国新疆以北形成一切断低压，中纬度则是西风气流之上叠加有一系列的短波小槽；7 0 0 hPa四川东部至贵州西部有槽维持，贵州全省依然是槽前西南气流主导；低层8 5 0 hPa上贵州省受东偏东南气流影响，在贵州南部向东延伸至湖南南部有一暖式切变线。由天气形势分析可以看出，“0 8.1 过程和11.1过程具有很多相似性。两次过程高层5 0 0 hPa高纬区都有明显的“型 阻塞形势存在，这种稳定形势的出现，有利于下游地区出现长时间的单调天气。而不断东移的西风带槽和短波系统为我国南方长时间的雨雪天气提供动力支持。7 0 0 hPa两次过程都是以西南气流为主，表明中层有较好的水汽输送；8 5 0hPa长江中下游延伸至贵州中南部的切变线的维持有利于地面云贵静止锋的长时间存在，是两次过程中最直接的影响系统。3要素场诊断分析3.1水汽通量与风速场分析图2 是“0 8.1 过程和 11.1 过程期间合成的平均水汽通量矢量和风速场。由图2（a）、（b）所示，“08.1过程期间7 0 0 hPa上我国南方从云南贵州一江西浙江的长江中下游地区，存在明显的西南东北走向的高速水汽输送带。这条输送带的中心是最大风速超过2 6 m/s的低空西南急流轴，水汽通量大值区基本与急流轴区重合，显示了低空急流在水汽输送方面起到的主导性作用。孟加拉湾是主要的水汽源地。水汽通量大值区影响的云南南部、贵州大部、湖南、江西、浙江大部也是此次过程雨量最强，受影响最重的地区。8 5 0 hPa主要的水汽源地是我国南海和孟加拉湾。两地洋面向北输送了大量水汽至我国南方长江中下游。大于14 m/s的低空急流轴区主要位于华南广西、广东一带。贵阳区域位于8 5 0 hPa低空急流的北侧，有东北方向的弱水汽通量。图2（c）、（d）是 11.1 过程中低层的水汽通量和风速场分析。由分析可见，7 0 0 hPa大于2 0 m/s的低空急流轴区依然明显，但风速值相对“0 8.1 过程小，风JournalAviationVol.34No.5ofChinaUniversity74FlightofCivilSept.2023中国民航飞行学院学报速大值中心也偏西，位于贵州东南一广西交界地区；水汽通量输送以西南和偏西气流为主，主要的水汽源地是孟加拉湾；8 5 0 hPa风速较 0 8.1 过程更小，中心风速值为9 m/s，中心位于广西东南部与越南交界处；水汽通量的输送以东南和偏南气流为主，水汽的源地主要是我国南海洋面以及孟加拉湾以西洋面，贵阳地区以偏南和东南的水汽输送为主。2008年1月2 G-29日周500Pa均位势高度35N308年1月2 6-2 9 日700hPa巧均位势高度35N2008年1月2 6-2 9 日8 5 0 g平均位势高度50N3034032060708090100110120Ea95100105110115Eb951(X)105110115EC2011年1352011年1月8 4 日7 0 0 iP平均位势高日850lP50N303040302520420120Ede56070809010011095100105110115E95100105110115E图12 0 0 8 年1月2 6-2 9 日5 0 0 hPa（a）、7 0 0 h Pa（b）、8 5 0 h Pa（c）和2 0 11年1月1-4 日500hPa(d)、7 0 0 h Pa(e)、8 5 0 h Pa(f)平均位势高度(单位:gpm)和风场通过两次过程的对比分析可见，低空急流在两次过程的水汽输送中所起的作用是显著的。水汽输送的大值区与风速大值中心以及主要降水区存在很好的对应关系；“11.1 过程的急流强度和水汽通量强度明显小于“0 8.1 过程，急流中心基本位于贵州东南，故“11.1 过程的降水强度和影响范围也远小于“0 8.1 过程。3.2温湿垂直剖面特征图3 分别是0 8.1 过程和11.1 过程沿10 6 E平均的温度、比湿的垂直剖面分析。由图3(a)可见，“08.1过程高空从南至北延伸出一条明显的暖舌，0层高度达到了6 0 0 hPa附近，2 2 N至2 8 N存在深厚的逆温层，逆温层高度达到了4 km。贵阳(106E,26N)地面至7 0 0 hPa高度为低于0 的冷层，7 0 0 hPa至6 0 0 hPa附近是一高于0 的融化层，其上则为0 以下的更冷层。因此贵阳上空由地面至高空形成了冷（低于0，薄）-逆温-暖（高于0，融化层）-冷（低于0，深厚）的典型冻雨天气垂直结构。同时，由比湿分析可见，水汽基本集中于400hPa以下高度中，贵阳上空8 5 0-6 0 0 hPa之间比湿值最大，超过了4 g/kg。从比湿值的垂直分布来看，400hPa以下高度含有造成降水的足够的水汽条件，融化层的高比湿也表明过程具备造成冻雨的大量过冷却水滴的产生机制。图3(b)显示，“11.1 过程中，贵阳（10 6 E,26N)上空0 层高度位于7 0 0 hPa附近，7 0 0 hPa下有逆温层存在，但相比“0 8.1 过程弱得多，融化层不太明显。水汽集中在5 0 0 hPa高度下，为过程降水提供了充足的水汽。图3(a)、(b)中显示的另一个明显特征为由南向北伸展的“暖舌”、“湿舌”脊线几乎重合在一起，显示了降水区温湿一致的特性，“0 8.1 过程中这种特征尤为明显，且“暖舌”、“湿舌”都较“11.1 过程更强，这种特征是否与产生冻雨的强度有关系还需要更多个例的验证。JournalofAviationUniversity75ChinaFlightofCivilVol.34No.5飞行学院学报中国民航Sept.202335N2008年1月2 6-2 9 日7o0hPn35NF008年1月2 0-2 2 日8 5 0 1P水通草930302525202015a1595100105110115E95100105110115E35NE2011年1月35N2011年1H1-4日B5ohpa平均汽通303025252020d15C1595100105110115E95100105110115E图2 2 0 0 8 年1月2 6-2 9 日7 0 0 hPa（a）、8 5 0 h Pa（b）和2 0 11年1月1-4 日7 0 0 hPa（c）、8 5 0 h Pa（d）合成平均的风速场（单位：m/s）和水汽通量矢量1001610020080126-20110101-6-29日0Sectianlon(1o6)平均比湿温度04日80150561415014646456200200124848250(edDanssad40250(edDanssat104010300300488408164004006-2.4500500-164470070028508502b36N3432#3028262422201816a36N34323028262422201816图3 2 0 0 8 年1月2 6-2 9 日（a）、2 0 11年1月1-4 日（b）沿10 6 E平均的比湿（单位：g/kg）、温度(单位：)垂直剖面3.3温度平流分析为了解温度平流在冻雨过程中的作用，本文对温度平流和垂直环流场进行了分析。如图4 所示，“08.1过程和 11.1 过程沿10 6 E垂直剖面上，温度平流的分布是较为相似的，即贴地层为弱的冷平流，由低层到高层分别是一层暖平流层，之上叠加冷平流层，高空为暖平流层的配置。图4(a)显示，“0 8.1 过程中，在2 km以下的贴地层为弱冷平流，随高度增加，一北一南分别有两个暖平流中心位于（3 0 N，4 k m），中心值大于3 0*105C/s，和（2 3 N,2km），中心值大于10*10-5 C/s;在其高度以上为冷平流层，冷平流中心位于(2 7 N,7km），中心值大于-2 0*10-5 C/s；此层之上是更为深厚强大的一暖平流层，两个中心分别位于（2 9 N，9km），中心值大于7 0*10-5 C/s和（2 5 N，8 k m），中心值约为2 5*10-5 C/s。由图中还可看出，两层的暖中心基本为上下对称分布。结合垂直环流分布可见，在暖平流层，气流从南向北运动，在2 9-3 0 N上下暖平流层联通，气流转而向上运动，在冷平流层有较弱的下沉运动。图4(b)11.1过程中暖平流强度弱于“0 8.1 过程。但上下两层暖平流层已连为整体，冷平流中心位于（2 7 N,6km）处，中心强度-11*10-5 C/s；垂直运动显示，2 4 N以南整层以下沉运动为主，在2 6-32N转为上升运动，由南向北形成了一个完整的闭合环流圈，在暖平流越强的区域上升运动也越强。由以上分析可见，在暖平流的作用下，空气受热上升；冷平流影响下空气遇冷下降，在贵阳上空形成类似锋面附近的垂直环流运动，对冻雨天气过程的维持是有利的。同时，冷暖平流层的上下配置，JournalAviationUniversityVol.34 No.5ofChinaFlightofCivil76Sept.2023飞行学院学报中国民航也有利于冻雨所需的温度层结结构的维持，从而对冻雨的发展起推动作用。“11.1 过程中冷暖平流均较“0 8.1过程弱，冻雨所需的层结结构容易被破坏，故“11.1过程冻雨强度远小于“0 8.1 过程。100F2008年1月2 6-2 9 日温度平流161002011年H1REC316CrossSect1on(106)15014150142001220012250(edu)amssal(nduDamssad102501030030088400400650050004700700285085021836N34323028262422201816a100036V343230282624222001816b图4 2 0 0 8 年1月2 6-2 9 日（a）、2 0 11年1月1-4 日（b）沿10 6 E平均的温度平流（单位：10-5 C/s）和垂直环流剖面图3.4静止锋层结特征分析云贵准静止锋是“0 8.1 和“11.1 冻雨过程主要的影响系统。图5 是两次过程中平均相当位温和水汽通量沿10 6 E的垂直剖面图。从相当位温的分析可以看到，两次过程在5 0 0 hPa下的中低层都有明显的锋区(2 8 0 K-320K)。水汽沿着锋面爬升，在6 0 0hPa附近，2 4-2 6 N水汽达到大值，“0 8.1 过程水汽通量中心值达到13*10-3 m/s以上，“11.1过程达9*10-3m/s以上。0 8.1 过程相当位温等值线更为密集，显示静止锋更加强劲，对“0 8.1 长时间冻雨的维持是有利的。1610020110101001610020080126003603601501415037014203503603502001212330330(eDartad25010300320300320834084004004063106500310500300330300442907007002902802850285018825106036N341323028262422201816a360N34323028262422201816b图5 2 0 0 8 年1月2 6-2 9 日（a）、2 0 11年1月1-4 日（b）沿10 6 E平均的相当位温(单位：K)和水汽通量大小（单位：10-3 m/s）垂直剖面图4结论本文对2 0 0 8 年和2 0 11年1月贵阳地区两次典型的冻雨凝冻天气进行了客观诊断分析，结果表明：（1）天气形势分析显示，“0 8.1 过程和 11.1 过程5 0 0 hPa高纬区都有明显的“Q型 阻塞形势存在，有利于下游地区出现长时间的单调天气，西风带不断东移的短波系统引导冷空气不断南下，为冻雨过程的持续提供动力条件。7 0 0 hPa以西南气流为主，表明中层有较好的水汽输送；8 5 0 hPa长江中下游延伸至贵州中南部的切变线的维持有利于地面云贵静止锋的长时间存在，是两次过程中最直接的影响系统。(2)低空急流在两次过程中的水汽输送中所起的作用是显著的。水汽输送的大值区与风速大值中心以及主要降水区存在很好的对应关系；（3）地面至高空形成了冷（低于0，薄）-逆温-暖（高于0，融化层）-冷（低于0，深厚）的典型冻雨天气垂直结构。由南向北伸展的“暖舌”、“湿舌”脊线几乎重合在一起，显示了降水区温湿一致的特性。（4）温度平流的分布是较为相似的，即贴地层为弱的冷平流，由低层到高层分别是一层暖平流层，之上叠加冷平流层，高空为暖平流层的配置。（5）低层能量锋区明显，地形对锋区的阻挡作用明显，准静止锋的维持与冻雨的长时间维持密切相关。水汽沿着锋面爬升，使得降水区一直有充分的成云致雨的条件，也为冻雨的发展起到推动作用。JournalAviationUniversityofChinaFlightofCivil77Vol.34 No.5飞行学院学报中国民航Sept.2023参考文献1中国气象局中国气象灾害年鉴(2 0 0 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