2009年秋末山西大暴雪天气过程分析

田淑欣;田欣辉;亢晋芳;郝建萍;朱保平

【摘 要】利用高空、地面和卫星云图资料,对2009年11月9-12日山西出现的有气象记录以来最强的一场大暴雪天气过程进行综合分析.结果表明:高空强盛的西南气流和低层东北气流以及地面回流为暴雪过程提供了有利的流场配置,500hPa阶梯槽和700hPa切变线是主要影响系统,低空急流的持续及水汽的辐合为这次暴雪提供了充足的水汽,卫星云图上云顶亮温值小于等于-50℃的低值区与强降雪落区有着很好的对应关系.%A severe snowstorm occurred between 9 and 12 November 2009 in Shanxi Province, which was the strongest snowstorm since meteorological records began. The snowfall in most parts of the province was in the range of 10 to 66 mm, and that at 86 counties (cities) reached the maximum for the same period in history. Both upper-and lower-level meteorological observation data and satellite images were used in the comprehensive analysis of the process. The results show: the strong southwest flow at upper levels,the northeast air at lower levels, and the returnflow on the surface provided jointly a favorable circulation condition for this snowstorm. The 500 hPa trough and 700 hPa shear line were the major influencing systems. The continued moisture convergence from the low-level jet provided sufficient water vapor. In satellite images, the low-value areas with TBB being lower than -50 ℃ and the heavy snow fall areas had a good correspondence relationship. 【期刊名称】《气象科技》

【年(卷),期】2011(039)003 【总页数】7页(P295-301)

【关键词】暴雪;低空急流;水汽辐合;云顶亮温 【作 者】田淑欣;田欣辉;亢晋芳;郝建萍;朱保平

【作者单位】山西省气象台,太原030006;山西省太原市气象局,太原030000;山西省太原市小店区气象局,太原030032;山西省气象台,太原030006;山西省气象局,太原030006 【正文语种】中 文

暴雪是山西灾害性天气之一。多年来,气象科技工作者曾对暴雪天气做过较多的研究[110],然而对大范围持续性特大暴雪的研究仍是一个比较薄弱的环节。2009年11月9—12日山西出现了大暴雪过程。此次暴雪过程影响范围广,强度大,呈现出南部大、中部特大和北部略小的特征,造成了严重的积雪和道路结冰现象,在历史上极为罕见。本文利用常规实测资料和数值预报产品对此次过程进行综合分析,探讨其成因,总结预报经验,旨在为今后类似极端灾害性天气预报提供参考依据。 2009年11月9日08:00至12日20:00,山西遭遇了有气象记录以来最强的一场大暴雪天气过程,降水历时84 h,降水性质为雨—雨夹雪—暴雪。9日夜间全省为小雨或雨夹雪,随着冷空气由北向南推进,10日08:00开始全省自北向南转为雪。强降雪过程主要出现在10日08:00至12日08:00(图1)。全省过程雨(雪)量除山西北部的天镇、保德2个县市不足10 mm外,其余县市均在 10～66 mm之间,中部地区降雪量最大,特别是阳泉、平定分别为66.1 mm、60.9 mm。有86个县市出现历史同期最大值,18个县市出现历史同期次大值。山西中部的盂县、平定、盂县、阳泉、文水、寿阳、左权、昔阳、祁县、太原等均为建站以来的最大值。中部强降

雪出现在10日08:00至11日08:00,中心强度由西向东增大、南部强降雪主要出现在10日20:00至 12日 08:00(图 2)。

这与强盛的东路冷空气由北向南活动有关。12日全省积雪深度在3～48 cm之间,有48个站积雪深度突破历史极值。此次暴雪过程历时长、强度大、影响范围广,实属历史罕见。持续的暴雪天气造成积雪、道路结冰和能见度降低等现象,给山西省交通、农牧业、城市基础设施、人民群众生活秩序等造成严重的灾害和威胁。部分地区停电、水、气、暖,学校停课;机场关闭25.5 h,为机场建成以来最长记录,16条高速公路全部封闭,省内部分铁路、公交晚点,树木断裂、高压电线掉闸,农作物受灾,农业生产设施受损。数千房屋损毁、上万座温室大棚倒塌、畜禽养殖基地受损,大面积干果经济林和蔬菜受灾,经济损失十分严重。

分析逐日500 hPa环流形势可知(图3),此次大暴雪过程发生在大气环流调整时期。7日前,乌拉尔山形成阻塞高压,40°N以北欧亚中高纬为东西向低压带,低压中心位于贝加尔湖北侧,锋区位于50°N以北,山西省处在此锋区下的低层暖区内,全省气温异常偏高,7—8日全省大部分地区最高气温达20℃以上(入冬最高值),为强降水积累了能量。7日后,原在贝加尔湖北侧的低涡发展东移到鄂霍次克海附近,仍有-44℃冷中心配合,在低涡后部贝加尔湖—巴尔喀什湖一带有横槽维持少动,来自西伯利亚的冷空气在此横槽区堆积。由于乌拉尔山阻塞高压脊不断发展,伸展到高纬度极地地区,携带偏北气流造成冷空气南下到横槽区进一步堆积,冷中心达-57℃。9日,乌拉尔山阻塞高压崩溃,其脊顶向东拐到贝加尔湖附近,形成高压脊,在高压脊南侧的横槽区切断出一个冷低涡(涡中心5360 gpm),原在里海至巴尔喀什湖的低值系统东移,与低纬度南支槽合并,并在巴尔喀什湖与切断冷低涡形成南北向低涡大槽。巴尔喀什湖大槽不断出小槽并由西向东扰动,锋区进一步南压至40°N以北,低层河套到山西省为0～8℃的暖脊控制,形成了不稳定层结,9日夜间山西省北中部出现了冬季少见的雷阵雨天气。10—11日,巴尔喀什湖槽后有大于等于32 m·s-1的偏北

气流向槽区不断输送冷空气,槽前有从极地的短波槽携带冷空气由东向西移进山西省,同时,贝加尔湖高脊发展,使极地冷空气沿脊前西北气流南下到我国东北地区。 对应地面图上,9日08:00开始,维持在蒙古国庞大的地面冷高压(中心强度为1050 hPa)在东移过程中,受高空引导气流影响不断向东南方向移动;9日14:00河套倒槽形成,冷高压坝不断向西南方向伸展,冷空气从渤海一带流向华北,形成回流形势,山西处在回流高压底前部,此形势维持到11日14:00,为大范围持续性强降雪的形成提供了极为有利的条件。11日20:00,随着西路冷空气东移,东西两路冷空气在河套合并,12日08:00转为南北向冷锋向东移去,全省降雪开始减弱、结束。

图4为2009年11月10日20:00降雪综合配置图。总之,此次大暴雪天气过程是由于500 hPa不断的短波槽、低层切变线和地面回流形势共同影响所致,大暴雪区位于700 hPa切变线东南侧和低空西南急流出口区西北侧,其南风分量对降雪强度的贡献尤为明显。

低空急流是动量、热量和水汽的高度集中带,对中纬度暴雨雪的产生具有重要意义。因此,低空急流的分析对暴雪落区预报具有重要意义。

分析700 hPa 9日08:00至12日08:00各时次的形势可知,9日08:00,通向山西省的急流轴还未生成,从孟加拉湾到南海为东西向高压带状分布。9日20:00,孟加拉湾高压断裂为两个小高压,其中一个位于南海,在南海的西侧顺偏西风东移,然后顺西南风北上,青海湖附近有低涡生成,在低涡后部沿成都—延安—山西省西部有大于等于10 m·s-1强暖湿气流,宽度很窄。10日08:00,西北涡生成,并伴随有切变线,其横切变线从河套中部伸向山西省忻州地区,同时南海来的西南急流与原在成都东移北上的西南急流通道打通,强风轴迅速北上至横切变线南侧,最大速度中心亦同时沿强风轴北上,中心最大风速由原6 m·s-1增至16 m·s-1,位于陕西平凉附近。到10日20:00,急流宽度迅速加大约5个经距(图5),切变线仍在山西省维持,低空西南急流北上将大量水汽输送到切变线以南地区的上空,形成深厚湿层。此时850 hPa强

烈的东北冷湿气流向山西省中部灌入,强烈而持续的暖湿西南气流和冷湿东北气流在中南部上空耦合加强,导致10日中部大部和南部部分地区出现强降雪。11日08:00,随着西路冷空气东南下,低涡消失,但切变线仍稳定维持,山西省处于东高西低的强西南气流里,切变线南侧的急流南压至山西省南部,强风轴也南压,太原西南风速由14 m·s-1减小到4 m·s-1。南海到山西省的急流通道断开,强西南气流沿高脊后部3040 gpm线从重庆向山西省南部输送,急流轴上最大风速仍有12 m·s-1,位于陕西南郑—河南南阳一带,可见急流宽度仍较宽,850 hPa(强烈)的东北冷湿气流依然存在,但输送路径也向南压到邢台以南到山西省南部地区,造成南部大部分地区11日出现暴雪。12日08:00,随着西风槽的快速东移,西南急流带向东移到115°E附近,山西强降雪结束。

10日,贝加尔湖到蒙古国有中心强度为1560 gpm的闭合高压,其高脊前有大于等于12 m·s-1的西北急流由东北转向沿渤海经石家庄到山西省中部,形成一支大于等于12 m·s-1的东北急流轴,轴上最大风速出现在石家庄,达18 m·s-1,太原为4 m·s-1的东北风,风速在太原附近辐合。随蒙古冷高压南压,东北急流进一步加强,且急流宽度加大,急流头伸向山西省中部地区,此时加强的冷湿东北气流与北上的西南暖湿气流在中南部上空交汇,使降雪量加大。10日20:00至11日,发展强盛的东北急流仍在山西省维持,急流轴逐渐南压在济南到郑州一带,最大风速出现在济南,达16 m·s-1,山西省中南部的东部处在东北急流的出口处,此处的冷湿东北气流与不断北上的西南暖湿气流交汇,降雪量进一步增大。12日08:00,强盛的东北急流随冷空气南下转为东南急流影响江淮地区。

综上所述,11月10日08:00至12日08:00,山西中低层长时间维持西南急流和东北急流且存在明显风速辐合,位于切变线南侧的强盛西南气流将热带地区的暖湿空气输送到暴雪区上空,使大气湿度加大,导致降雪强度加剧。西南风的南风分量对降雪强度的贡献尤为明显。两支急流的维持和发展,促进了上升运动,加大了降雪量级,

急流轴的移动位置与降雪落区有着很好的对应关系。 4.1.1 水汽通量场

水汽的来源与输送直接关系到降雪强度的大小。以700 hPa层为例进行分析,可看到在强降雪期间有明显的水汽输入和辐合,非常有利于降雪的发生、发展。降雪发展时期(10日20:00),在青海湖低涡后部,有一条从海南经南宁到贵阳、再到重庆、西安到山西的带状水汽通道(图略),其方向先是东南—西北向 ,水汽通量中心强度达 800(单位:g·m-1·hPa-1·s-1,下同),11日20:00转为东北—西南向,中心强度有所减弱,但仍达到600。而中南部正好位于上述水汽通量大值区的东南侧,且水汽通量值一直维持在300～800。从强降雪开始到结束,水汽输送带一直维持,表明南海或低纬是此次降雪的主要水汽源地。强降雪落区位于水汽通量大值区的东南侧。 4.1.2 温度露点差与比湿场

通过对对流层中低层 500 hPa、700 hPa、850 hPa温度露点差(T-T d)和比湿(图略)分析可知,10—11日,3层(T-T d)≤1℃的重叠湿区已覆盖山西。10日08:00,700 hPa山西中南部比湿在4～5.5 g·kg-1之间,从成都经西安伸向山西有一比湿大于等于8 g·kg-1的湿舌,且湿舌逐渐加宽,11日高比湿仍在中南部维持,湿舌仍较宽。山西上空持续维持深厚高湿区及高比湿,并有较宽的湿舌相伴,表明暴雪区水汽供应充足而稳定,大气已呈深厚准饱和状态。 4.2.1 散度场

分析暴雪时段散度场演变可知,10日08:00太原以北为辐散区、以为南辐合区,这种结构主要存在于500 hPa以下,辐合中心位于700 hPa附近,中心强度为-5.8(单位:10-5 s-1,下同),同时,辐散位于400 hPa以上,中心强度为 +12,11日 20:00,暴雪区上空中低层辐合、高层辐散均达到最强。850～500 hPa辐合区内太原达-23,400 hPa以上辐散区内太原达+30(图6a),山西中南部地区降雪明显增强。12日20:00,山西上空散度变为正值,降水逐渐结束。以上分析表明,低空辐合和高层辐

散区的叠加加强了暴雪区上空形成强烈的垂直上升运动,为强降雪的产生提供了有利的动力条件。 4.2.2 涡度平流

由暴雪区上空涡度平流可知,低层为负涡度平流,高层为正涡度平流。10日08:00,负涡度平流大致位于850 hPa以下,其强度较弱,700 hPa以上为正涡度平流,随着高低层正负涡度平流增大,20:00,强降雪中心(太原—阳泉)低层850 hPa涡度平流值为-2.3(单位:10-6 s-1,下同),高层 250 hPa为30(图6b),500 hPa有强正涡度平流自西向东移经暴雪区,对应降雪强度增大。综上所述,在暴雪区维持低层负涡度平流、中高层正涡度平流的结构,有利于高层反气旋性涡旋环流、低层气旋性涡旋环流的增强,当500 hPa有强正涡度平流自西向东移动时,有利于上升运动的发展和低层气旋性辐合加强。 4.2.3 垂直速度

9日08:00,850～500 hPa全省均为下沉气流,10—11日山西上空基本维持上升运动。这里只分析中南部地区700 hPa层速度变化对降雪的影响。10日08:00太原以南为-5～-7(单位:10-5 hPa·s-1,下同)的上升运动区,最大速度中心位于中部地区,随着低空西南气流的增强,到20:00,山西中南部上空为强烈的上升气流所控制,其垂直速度增大到-8～-17,400～500 hPa垂直速度为-9～-19之间(图6c)。可见深厚的上升运动比08:00猛烈增强。12 h内(10日白天),山西中南部出现大范围暴雪,中部降雪量最大为阳泉(35 mm)。11日08:00—20:00,山西境内上升运动有所减弱。但中南部上空仍有垂直速度小于-8的上升运动区,最大上升速度区由中部向南部减小,对应强降雪区主要发生在山西省南部,12日08:00—20:00,上升运动中心向东移去,山西上空为下沉运动所控制,降雪随之结束。由此可知,强降雪落区与深厚的上升运动有很好的对应关系。

分析逐时红外云图可以看到暴雪云团的移动路径和演变情况。此次暴雪过程主要由

3条不同天气尺度的云带先后影响山西造成(图7,见文后彩图),其位置在10日02:00分别位于河套到山西省北中部(简称云带 ①)、哈密附近(简称云带 ②)、80°E、35°～40°N(简称云带 ③)。

10日02:00暴雪影响的原始云带①位于陕西和山西交界处,形状呈块状分布的散乱云团,在东移过程中合并加强成强对流云团,主要分布在山西省北中部和河套地区,其云顶亮温达到了盛夏强对流或冰雹的亮温值(-57～-61℃),未来6 h在山西省北中部出现了分布不均的阵雨或雷阵雨,西部部分县市降了中雷阵雨,这种雷暴天气在冬季出现是少见的。10日08:00,低层冷空气侵入,对流云团减弱,但忻州到中部地区被切变线云系覆盖。由于低纬度西南气流的输送作用,整个云体南北向扩展覆盖全省,在河套榆林—延安的强降水云团沿切变线南侧进入山西省中部地区,使中部云层增厚,09:00前后,云系向东发展到鼎盛,中部到石家庄云顶亮温达-54～-51℃,到14:00,6 h最大降雪量出现在最低亮温中心的太原(14 mm)、阳泉(19 mm)、石家庄(22 mm)。14:00—20:00,影响山西中部强降雪云团东移缓慢,造成中部连续性强降雪出现,20:00后,中部上空出现云层变薄,云系,强降雪略有减弱,但全省仍被中低层云系覆盖,11日01:00,强云团主要分布在山西省中部地区的东部和南部地区,未来6 h,强云团向东发展,云层增厚密实,长治云顶亮温达-57℃,对应雪量增大,南部降雪开始加强,同时云带②快速东移10个经距以上,11日08:00,云带①移出山西省,呈南北向带状分布的云带②东移到山西省境内,尔后继续东移发展成天气尺度云带,11日13:00强中心位于中南部西部地区,未来6 h强云团快速向东移出山西省,在75°E、35°～40°N云带③在东移过程中发展成西风槽云带并已移到河套内,20:00,呈西北—东南向块状分布的云带③进入山西省南部的西南地区,其云体宽5个纬度、长10个经度,自西南向东北方向移动,12日01:00,南部云顶亮温达最低值(-59～-51℃)并向北逐渐增大,临汾、运城、长治出现闭合亮温中心,其最低亮温值达-59～-56℃,南部雪量进一步增大,未来6 h云带③向东北方向移去,影响山西大

部,12日08:00,云带③向东北方向快速移出,山西降雪由南向北减弱停止。 对11月9—12日台指导预报和日本数值预报产品检验分析表明,在强降雪时段(10日08:00至11日08:00、11日08:00至12日08:00)内,台指导预报及日本传真图24 h降水量预报在范围和强度落区上基本一致,台指导预报的降雪量级预报更接近实况。对本次强降雪台指导预报不论在时间、预报量级和落区上提供了很好的参考作用。

本次强降雪天气过程,欧洲中心数值预报场的500 hPa和地面形势以及温度场预报产品都起到了很好的指导作用。早在7天前的11月4日20:00就报出8—11日山西气温持续下降,降温幅度最大出现在10—11日,实况11日全省最高气温在0～-7℃。11月5日(提前5天)预报出9日20—10日20:00在巴尔喀什湖有南北大槽出现,槽前有短波槽东移影响山西省,同时又报出有利于降雪天气的地面回流形势,为这次强降雪天气预报提供了重要参考。

(1)大暴雪过程是在有利的天气背景下发生的,500 hPa不断的短波槽和低层切变线是主要影响系统,大暴雪区位于700 hPa切变线东南侧和低空西南急流出口区西北侧,其南风分量对降雪强度的贡献尤为明显,地面回流形势的维持也为大范围持续性强降雪的形成提供了有利条件。

(2)此次暴雪过程的水汽主要是来自中国南海、低槽前部和切变线南侧的强盛西南气流向山西省中南部的输送。

(3)中低层辐合和高层辐散的垂直结构加强了暴雪区上空的垂直上升运动,为山西暴雪的产生提供了有利的动力条件;强降雪落区与深厚的上升运动有很好的对应关系。 (4)在暴雪区上空持续维持低层负涡度平流、中高层正涡度平流的垂直结构,有利于高层反气旋性涡旋环流、低层气旋性涡旋环流的增强,从而促使上升运动的发展和低层气旋性辐合加强。

(5)对这次强降雪天气过程,欧洲中心数值预报提前5天预报了冷空气活动强度和有

利的大气环流背景;台指导预报在预报量级和落区上提供了很好的参考作用。

【相关文献】

[1]山西省气象局.山西天气预报手册[M].北京:气象出版社,1987.

[2]阿衣夏木·尼亚孜,孔期,杨贵名.2005年11月哈密暴雪天气过程的诊断分析[J].气象,2007,33(6):67-74.

[3]赵桂香.一次回流与倒槽共同作用产生的暴雪天气分析[J].气象,2007,33(11):41-48. [4]汪高明,徐双柱.对2003—2005年荆门市4次暴雪天气过程的诊断分析[J].湖北气象,2005,24(4):13-15.

[5]矫梅燕,毕宝贵,鲍媛媛,等.2003年7月3—4日淮河流域大暴雨结构和维持机制分析[J].大气科学,2006,30(3):475-490.

[6]丁一汇.高等天气学[M].北京:气象出版社,2005:443-452.

[7]陈传雷,蒋大凯,陈燕秋,等.2007年3月3-5日辽宁特大暴雪过程物理量诊断分析[J].气象与环境学报,2007,23(5):5-596.

[8]高松影,孙连强,刘天伟,等.辽宁省特大暴风雪(雨)极端天气个例诊断分析[J].气象科技,2009,37(2):175-780.

[9]王希娟,时兴合,徐亮,等.青海南部地区初冬雪灾变化及环流特征[J].气象科技,2007,35(3):345-350. [10]周淑玲,闫淑莲.威海市冬季暴雪的天气气候特征[J].气象科技,2003,31(3):183-186.