渤海海效应暴雪的多尺度研究

【摘要】：渤海海效应降雪是指冷空气流经渤海暖海面后产生的降雪,包括海面上的和陆上的,以山东半岛最为显著。因其产生在对流层低层西北冷平流条件下,所以地方预报员通常称之为冷流降雪,相应的暴雪称为冷流暴雪。渤海海效应降雪的产生条件和发展机制与其它降雪有明显区别,而且山东半岛的海效应暴雪水平尺度接近于中-γ尺度,通常局限于1～2个县级观测站范围内,这种特征给降雪精细化预报带来巨大挑战,当前准确预报窄降雪带的开始、落区、强度、移动和持续时间是很困难的。为深入认识渤海海效应暴雪的发生发展机制,本文选取了2005年12月山东半岛罕见持续性海效应暴雪(共有7个暴雪日)和2008年12月4～6日(1个暴雪日)的异常强海效应暴雪天气过程,利用测站降雪量、常规天气图、自动气象站、多普勒天气雷达资料、MODIS可见光云图、NCEP/NCAR逐日6h再分析资料等综合资料,通过天气学分析、诊断分析、数值模拟、雷达风场反演等手段,进行了较为系统的研究,着重研究了渤海海效应暴雪的多尺度作用,取得了一些对预报业务有意义的结果: 1.渤海海效应暴雪的环流背景特点:8个暴雪日的环流形势分析表明:(1)渤海海效应暴雪发生在对流层低层为西北冷平流形势下。500hPa在贝加尔湖以东的中纬度地区为低压区,一般存在低槽;850hPa及其以下层次渤海及山东半岛上空为低槽后西北气流,等温线呈东北-西南向,等高线与等温线近乎垂直,存在强冷平流。在这种形势有利的高空形势下,强冷空气入侵渤海和山东半岛区域。地面气压场上,低压中心位于日本海,冷锋已经越过山东半岛,渤海和山东半岛处在庞大的冷高压控制之下。高空低槽处在地面冷锋之后,槽后倾明显。(2)渤海海效应暴雪的持续性取决于环流形势是否有利于强冷空气在短时间内频繁出现。2005年12月的持续性暴雪出现了阻塞形势,使得贝加尔湖以东的中纬度地区长时间维持低压区,造成了多次强冷空气从不同路径影响渤海和山东半岛,从而在数日内产生持续性海效应暴雪。而2008年12月的暴雪过程仅有一次冷空气影响造成1个暴雪日。 2.海效应暴雪的热力特征:(1)本文研究表明12月暴雪发生时山东半岛成山头站850hPa的温度均低于-12℃。(2)渤海海效应暴雪发生在边界层内,浅层对流是其重要热力特征,当强冷空气流经渤海时,暖海面通过湍流交换作用向冷空气底层输送热量和水汽,使得低层增温增湿,产生对流层中上层干冷低层暖湿的对流性不稳定层结,其不稳定能量主要集中于850hPa以下。(3)冷空气的强弱影响渤海及山东半岛地区的垂直热力结构,导致降雪强度在不同时段存在显著差异。海气温差与热通量成正比,初期冷空气弱,海面上空的暖湿层浅薄,不稳定能量弱;中后期冷空气强盛,对流层中低层的垂直温差大,暖湿层较为深厚,不稳定能量增强,导致降雪强度和降雪量大。(4)强降雪发生在对流层低层相当位温脊线附近,以850～950hPa之间的相当位温表现最为显著。 3.海效应暴雪的动力特征:(1)物理量场诊断分析表明,海效应暴雪产生时,对流层低层辐合上升、中高层辐散,上升运动一般局限于850hPa以下,最高不超过700hPa,这与大范围暴雪和夏季暴雨深厚的上升运动有明显区别。(2)由于陆地的摩擦和低山丘陵的抬升作用,山东半岛北部沿海存在风向风速的辐合,上升运动增强,从而导致降雪云登陆后增强,暴雪发生在北部沿海地区。(3)海效应暴雪发生过程中,还存在天气尺度的动力强迫上升运动与低层地形产生的辐合上升运动相叠加,表现为500hPa低槽过境时,槽前正涡度平流增强使得低空产生质量补偿辐合上升,从而使得降雪增强,最强降雪就出现在低槽过境前后。(4)海效应降雪的水汽来源于渤海,低层西北气流将渤海的水汽输送到山东半岛,强水汽辐合位于超低层(925hPa高度以下),这与其它降雪是由高空西南气流输送来自于孟加拉湾、印度洋或由东南气流输送来自黄海和东海的水汽有显著区别。 4.海效应暴雪的中尺度特征:采用烟台多普勒天气雷达反射率因子和径向速度定性分析、EVAP雷达风场反演和RAMS数值模拟获得的资料,揭示了海效应暴雪的中尺度特征。(1)海效应暴雪发生时,对流层低层水平风场存在东北风和西北风之间的切变线,切变线的位置决定了暴雪的落区。(2)雷达径向速度上长生命史的逆风区存在时,有中尺度垂直环流存在,同时水平风场上还有东北风与西北风、西北风和西南风之间的中尺度切变线。(3)暴雪落区分布形态有显著差异,在雷达径向速度上显示出四种暴雪空间分布型:L型,单线型,双线型和宽广型,分别对应于不同的水平流场。 5.海效应暴雪的微物理过程:中尺度数值模拟结果表明,渤海海效应暴雪存在微物理作用。降雪的微物理过程表现在两方面:西风槽前产生的中云和冷空气流经渤海暖海面时形成的海效应低云在垂直叠置时发生“播撒-反馈”作用,前者从上层播撒冰晶和雪晶到下层的低云中,使得海效应降雪增强,“播撒-反馈”发生在500hPa过境之前;另一个有利因素是环境温度,由于冷空气强,云中温度低于-10℃,有利于树枝状冰晶的增长。 6.地形对渤海海效应降雪的影响。利用实测降雪量、自动气象站风场、数值模拟结果初步分析了山东半岛东西向的低山丘陵地形对降雪的影响,发现近地面西北风从渤海吹向山东半岛北部沿海时,风向转为西西北风,风速减小,从而造成风向风速在低山丘陵北部的辐合上升运动;而山南则相反。这正是造成降雪量的分布以低山丘陵为分水岭(山北沿海降雪量大,山南显著减少)的重要原因。 7.海效应暴雪的多尺度作用概念模型:以上分析表明,在有利的大尺度和天气尺度环流背景下,强冷空气从西北方向流经渤海时,暖海面向上输送热量和水汽,使得对流层低层增温增湿,从而产生上干冷下暖湿的不稳定大气层结。在地形影响下,对流层低层产生中尺度切变线,触发不稳定能量释放,在渤海中东部和山东半岛产生海效应降雪。当高空低槽发展加深过境时,一方面,低槽东移过程中引导冷空气向南爆发,气温进一步下降,造成海面上空温湿场垂直差异更大,形成更强的不稳定大气层结;另一方面,槽前正涡度平流增强使得低空产生质量补偿辐合上升,为降雪提供了有利的动力条件;同时,槽前形成的中云与海效应低云产生“播撒-反馈”的微物理机制,使得海效应低云中冰晶和雪晶增多,这三种作用相叠加,可产生强海效应降雪,最强降雪时段就出现在高空槽过境前后。可见,渤海海效应暴雪实际上存在大尺度、天气尺度、中尺度、云尺度微物理过程和海洋效应的共同作用,是动力、热力和微物理过程相结合的产物。 8.海效应暴雪的预报着眼点:基于以上研究成果,凝炼出渤海海效应暴雪的预报着眼点: (1)从气候角度来看,渤海海效应暴雪集中出现于11月中下旬和12月中上旬,尤以12月份居多,因此在此期间,只要有强冷空气影响,就应考虑山东半岛有出现海效应暴雪的可能性。 (2)对于一次冷空气过程,首先看环流形势是否有利强冷空气入侵且产生强海效应降雪。渤海海效应暴雪产生的典型环流形势特征为:500hPa上我国东北至日本海有低涡存在,各层有冷平流,地面图上强大的冷高压控制我国中东部地区,预示着将有强冷空气入侵渤海。如果850hPa以下层次渤海和山东半岛地区为西北冷平流,地面图上日本海附近有低压中心,冷锋已过山东半岛移至朝鲜半岛和东海,可能产生强海效应降雪。 (3)冷空气强度:山东半岛东部850hPa的温度低于-12℃是12月份产生渤海海效应暴雪的必要条件。 (4)对流层低层水平风场:是否存在东北风与西北风之间的切变线,切变线影响降雪强度和落区。可通过多普勒天气雷达的径向速度、自动气象站风场及中尺度模式的风场产品进行分析。 (5)500hPa低槽:强降雪时段发生在500hPa低槽过境前后。低槽发展越深、后倾越明显,对产生强降雪越有利。可用位涡的演变分析低槽的发展和移动,从而间接分析冷空气加强和天气尺度产生强迫上升运动的影响时间。 (6)是否出现持续性暴雪:从大尺度背景场分析是否有阻塞形势出现,阻塞高压在建立、维持和崩溃的演变过程中,会有强冷空气频繁影响渤海和山东半岛地区,如果满足条件(2)和(3),则会在短时间内多次出现海效应暴雪。