2012年11月10日辽西地区冷涡暴雪的动力条件分析

引言

冬季北方地区的暴雪灾害是我国主要天气气候事件，会给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。2007年3月3—5日辽宁省大部分地区出现自1951年有完整气象记录以来最严重的暴雪和大风天气过程，最大降雪量78mm，最大积雪深度44cm，暴风雪导致多个城市停水、停电、停气，全省各地机场和高速公路全线封闭、铁路中断运行、沿海所有运输船舶全部停航，灾害造成13人死亡，直接经济损失达146亿元，全省农业、渔业遭受的损失最为严重，其中有448536栋冷暖大棚倒塌或严重受损，直接经济损失约88.3亿元，占总经济损失的60.5%。因此对暴雪天气的成因和维持机制等进行研究、提高暴雪天气的预报准确率有重要意义[1-3]。

暴雪天气出现要有强烈的上升运动，需要较好的动力条件，国内很多学者对于暴雪天气成因的动力条件进行了研究：赵桂香 等[4]通过对一次华北切变线造成的暴雪天气进行分析，发现暴雪区上空从低层到高层存在的湿位涡负值中心是造成中低层涡度变率增大及暴雪增幅的重要原因；马新荣 等[5]、宋喜军 等[6]分析青藏高原和河北的暴雪过程，分别指出强降雪发生在中层大气湿对称不稳定(MPV<0)的背景下；池再香 等[7]和盛春岩 等[8]均指出对称不稳定判据能较好地反映出气旋降水中的强降水区的分布和移向，可作为暴雪等强降水落区预报的一个判据；蒋大凯 等[9]指出与850hPa切变线相伴的正涡度中心先于强降雪出现，具有预报意义；张元春 等[10]在模拟华北一次暴雪过程时发现对流层中低层的涡旋形成之后，高空位涡的强迫使得中低层的低涡系统进一步加强、发展；吴岩 等[11]对一次暴雪过程的分析中指出低层上升运动位于正涡度区内，并与暴雪的时空演变基本一致。然而以上研究均是对由低空切变或地面气旋引发的暴雪天气进行分析，可是对辽宁地区来说，高空冷涡是一个较常见的天气系统，冬季常会给辽宁地区带来降雪天气，但冷涡造成的东北地区暴雪的研究还较少，对冷涡暴雪天气形成的机制还不是很了解，因此对本次由高空冷涡引发的暴雪天气的动力条件进行分析，可以分析出冷涡暴雪天气同切变线暴雪的不同之处，进一步完善暴雪天气的预报方法，有着重要的意义。

1　资料和方法

1.1　资料来源

本文主要使用2012年11月10日08时(北京时，下同)至11日20时中国气象局下发的高低空观测资料和辽宁省气象局国家级自动气象站1h降雪量观测资料对此次过程的环流形势和天气实况进行分析，利用NCEP/NCAR再分析资料对降雪过程的动力条件进行分析。NCEP/NCAR再分析资料为6h间隔1°×1°。

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1.2　分析方法

由P坐标下大气运动学方程组的水平运动方程推出的垂直方向上的涡度方程[10]为:

 

 

850hPa环流场上，10日08时冷涡中心和低槽位于700hPa位置的前方，此外在安徽北部也存在一个低涡，辽西地区为南风；20时(图1c)，冷涡、槽线向东移动并加强，与南部的低涡连接，形成一条从华北东部经山东半岛一直延伸到黄海的低槽，辽西位于槽前，西南风和东南风的辐合较700hPa更加明显，同时东南风风速辐合也很强，为降雪提供了很好的动力和水汽条件；11日02时，槽线向东移动，辽西地区形成一个低涡，此处降雪也达到最强，降雪区西部已转为西北风，降雪从西向东开始减弱；08时，辽西低涡向东北方向移动到辽宁北部，辽西地区西北风风速增大，暴雪区除东北部的北票站外降雪均减弱。

通过这一流程，我们注意到第五点“建立起通用的工作平台”、第六点“建立使用服务、呈现服务的工具”、第七点“建立起岸基对于提供服务所必要的基础设施”，将是MS服务的基础及核心。

(1)

分析500hPa的涡度场发现，10日08时和14时，暴雪区上空均为负涡度区。到20时(图2a)，500hPa正涡度中心位于河北南部，中心强度为20×10-5s-1，正涡度区的脊向东北方向伸展，在118～120°E 41～43°N处存在一个中心最大涡度为5×10-5s-1的正涡度区，暴雪区位于其东侧；从700hPa风场上可以看出，500hPa正涡度中心和北部的正涡度区分别对应着700hPa的切变线和风向辐合区。到11日02时(图2b)，随着冷涡中心的东北移动发展，正涡度中心移到河北东北部，中心强度加强为25×10-5s-1的中心，北部的弱正涡度区东移到辽宁中部，暴雪区处在正涡度脊的前部，而在700hPa风场上，辐合线与冷涡结合，变成东西向的切变线，位于河北东部到辽宁西部一带，而辽西地区的东南风转为西南风，降雪开始减弱，但北票站仍在东南风控制下，强降雪还在持续。之后，冷涡中心继续东北方向移动，500hPa正涡度中心和700hPa风场辐合中心均位于辽西，强降雪基本停止。

在P坐标系中，忽略ω的水平变化，湿位涡的表达式为：

 

(2)

为能更清楚地体现湿位涡及其组成部分与强降水的关系，可将湿位涡分为两部分，湿牵连位涡(MPVam)和湿相对位涡(MPVre)：

 

(3)

 

(4)

外卖是大多数年青上班族的午餐首选，因为午休时间短，又懒得下楼买，只得叫外卖。可是现在外卖的质量情况堪忧，如何才能健康吃外卖呢？

 

(5)

 

(6)

湿牵连位涡是大气静止时的湿位涡，可以说是大气的背景湿位涡场，由于f变化较为单一，在分析计算结果时发现，湿相对位涡与降水的关系更为直接，所以主要讨论湿相对位涡及其组成部分在暴雪发展过程中的演变特征[4]。并且本文接下来所计算分析的湿相对位涡为表述方便，称之为湿位涡。

湿相对位涡又由两部分组成，正压部分(MPVre1)和斜压部分(MPVre2)：

本文应用以上资料和方法，计算各层次涡度变率、湿位涡等物理量，对2012年11月10—11日出现在辽宁西部的一次暴雪到大暴雪天气的动力条件进行分析，以期找出对高空冷涡暴雪天气预报有意义的方法或依据。

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2　暴雪概况

2012年11月10日傍晚至11日午后，辽宁省出现一次雨雪天气过程，按照业务规定(若雨雪均出现时24h的总降水量≥10.0mm且雪深达≥10.0cm时才属于暴雪)，辽宁西部的朝阳市区和葫芦岛市建昌县出现暴雪或大暴雪天气，上述地区过程降水量17.5～35.1mm，其中降雪量17.5～26.3mm，最大降雪量出现在北票站，最大积雪深度23.0cm，出现在朝阳站。强降雪及积雪给当地的农业设施和城市交通、供电等造成了很大影响。

以出现积雪深度的时刻作为降雪时刻，统计本次过程中各站每6h的降雪量和最大积雪深度(表1和表2)，发现降雪开始于10日17时的凌源(119.35°E，41.23°N)，主要降雪时段位于10日20时到11日02时，最强降雪出现在喀左站(119.72°E，41.08°N)，为17.6mm/6h，其中11日02时出现5.0mm/h的降雪；之后降雪逐渐减弱，只有位于暴雪区东北部的北票降雪继续加强，最终在17时前后降雪结束。

表1　2012年11月10日20时-11日20时暴雪区各站6h降雪量/mm

  

时间朝阳建平凌源喀左北票羊山建昌10日20时2.411日02时15.015.010.117.67.915.213.311日08时2.52.21.61.411.83.53.011日14时4.22.63.43.56.52.44.211日20时3.90.30.40.11.60.1合计25.620.117.522.926.322.720.6

表2　2012年11月10日20时-11日20时暴雪区各站6h最大积雪深度/cm

  

时间朝阳建平凌源喀左北票羊山建昌10日20时4.211日02时11.27.011.910.34.07.09.511日08时12.011.117.110.66.57.611.511日14时23.016.022.514.114.97.815.5

3　环流形势特征

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700hPa环流场上，10日08时冷涡中心位于中蒙边境、500hPa中心前部，低槽从冷涡中心延伸到河套地区以南，辽宁西部处在西南急流上；20时(图1b)冷涡中心向东移动，低槽移到河北南部，辽西地区处在偏南风和东南风的辐合区内，降雪开始出现；到11日02时，冷涡中心移动到河北省东北部，在冷涡前部的辽西地区形成一条暖式切变线，切变线南北两侧分别为西南风和东南风，辽西地区的降雪达到最强；08时冷涡中心移动到辽宁西部，降雪逐渐减弱。

维果斯基的“最近发展区”理论提出，学生有两个层次的发展水平：一种是现有的发展水平，另一种是学生在获得外界帮助的条件下所能激发的潜在发展水平。两种水平间的差距构成了“最近发展区”[1]。可见，学生的阶段性认知能力会受到“最近发展区”的限制，每个学生的最近发展区不同，因而他们对新知识的需求也不尽相同或者说他们的接受能力层次不一。

=ζh+ζv+ζd+ζc=ζs

对应的地面图上，10日08时地面蒙古气旋中心位于内蒙古中部，同时在江南一带存在一个江淮气旋；20时(图1d)蒙古气旋东移，同时江淮气旋及其倒槽也北移，倒槽和蒙古气旋冷锋在辽西一带结合，降雪开始加强，在10日夜间地面倒槽前的暖湿气流与冷锋带来的冷空气交汇产生了暴雪；11日02时两个低压系统结合，在辽东半岛处加强成一个气旋，之后气旋先北移后向东北方向移动，辽西地区处在冷锋后，降雪仍持续，但强度已减弱。

近些年物流业的高效发展，物流配送对企业供应链的运营起着至关重要的作用，零售行业对物流配送也提出了更高的要求。零售行业主要是配送成本低、利润低、批量小、种类多的商品。零售行业基本上以日用百货、食品、服装、杂货等价值不高的商品居多，特点就是利润率比较低，但周转速度非常快，这种新型业态也是广大消费者所熟知和需要的。零售业必须在物流配送上下功夫，以物流配送的高效，优化整个供应链，以降低企业的经营成本，所以，高效运作的零售配送中心非常重要。

这次暴雪过程发生在稳定的环流背景下，地面有江淮气旋倒槽向北发展同南下的蒙古气旋冷锋结合，而高空的冷涡则是主要的影响系统，强降雪就出现在冷涡中心前的暖式切变线附近，而且700hPa的南风急流和850hPa的东南风急流也为本次暴雪过程提供了充沛的水汽。

  

图1　2012年11月10日20时500hPa(a)、700hPa(b)、850hPa(c)和地面(d)形势图

4　暴雪的动力学诊断分析

4.1　涡度场特征

涡度是度量无限小的空气质块旋转程度和方向的物理量，因为大气基本做水平运动，所以主要分析在水平面上的旋转，即指向垂直方向的涡度分量[12]。涡度场的演变与天气系统的发生、发展密切相关。

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式(1)中，ζh、ζv、ζd和ζc分别表示绝对涡度平流输送项、涡度垂直输送项、散度项和扭转项，ζs为涡度变率，涡度变率正负分布及大小由绝对涡度平流输送项涡度垂直输送项、散度项和扭转项共同作用所决定。

分析此次天气过程的环流形势，500hPa中纬环流形势为两脊一涡型，高空冷涡及低槽位于贝加尔湖到长江中游，两脊分别位于新疆北部和东北地区。10日08时500hPa冷涡中心位于蒙古国中部，中心强度为538dagpm；到20时(图1a)冷涡中心东南移到中蒙边境一带，并且强度加强到535dagpm，高空槽位于华北地区中部，引导冷空气南下，辽西地区位于槽前西南气流影响下，西南风风速中心位于暴雪区，表明有暖湿空气不断输送并与冷空气交汇产生降雪，同时强风速带引起低层上升运动增强，导致降雪增强；到11日02时冷涡中心快速移动到山西北部，中心强度也加强到532dagpm，冷空气随高空槽移到河北西部，辽西地区由西南气流转为偏南气流，暴雪区风速减弱，造成上升运动减弱，降雪强度降低；08时冷涡中心东移到河北东部，没有继续南下，中心强度加强为527dagpm，辽西地区位于冷涡中心附近，转为东南风，风速继续减弱；到14时，高空冷涡中心东北方向移动到辽宁中部，辽西位于冷涡后部，转为西北风，降雪逐渐停止。

图2　11月10日20时至11日02时500hPa涡度(实线，单位：10-5s-1)和700hPa风场

(a)10日20时，(b)11日02时

此外，沿着暴雪区上空41°N分别做涡度、垂直速度的剖面图，在10日20时(图3a)，暴雪区上空的正涡度区自低到高向西倾斜，共存在两个正涡度中心，一个位于115°E处高空300hPa，另一个位于暴雪区上空600hPa处，在正涡度区的东侧为负涡度区；垂直速度场中分别有上升运动区同正涡度中心配合，位于正涡度中心的下方，也向西倾斜，西侧的上升运动区强度稍弱，位于118°E上空700hPa处，与辐合线的位置向对应，暴雪区处在其东侧，强降雪开始出现。到11日02时(图3b)，两个正涡度中心东移的同时也向低空下传，分别移到450hPa和850hPa，强度也有所加强，正涡度区仍呈倾斜分布，但中层涡度减弱；垂直速度场上，上升运动区也随着正涡度中心移动，西侧的上升运动中心在119°E上空650hPa处，强度为-2×10-2hPa·s-1，正好位于暴雪区上空切变线处，因此最大的降雪强度出现在此时，另外一个上升运动中心位于底层正涡度中心前的800hPa附近，北票站处在底层正涡度中心和上升运动中心处，因此强降雪也还持续。到11日08时(图略)，倾斜的正涡度区消失，中层转为负涡度，高层的正涡度下移到500hPa，强度略有加强，底层的正涡度中心东移出暴雪区，同时向高处移动；上升运动区东移合并，移出暴雪区，强降雪基本结束。

通过以上分析可以看到，本次暴雪过程主要发生在对流层中层南北向辐合线同冷涡结合的过程中，暴雪落区处在500hPa正涡度中心前部和700hPa东南风的范围内，在垂直方向上看，强降雪发生在高低空正涡度中心向下传的过程，当低空的正涡度中心移出暴雪区并向高空发展时强降雪也趋于结束，涡度中心下方的上升运动区的发展增强对强降雪的增幅起到了很大作用。

图3　11月10日20时(a)至11日02时(b)沿41°N的涡度(实线，单位：10-5s-1)、垂直速度

(阴影，单位：10-2hPa·s-1)垂直剖面

4.2　涡度变率

分析700hPa的涡度变率，10日14时(图4a)暴雪发生前，华北地区几乎均为正涡度倾向区，中心分别位于河北南部和河北辽宁交界一带，表明未来上述地区正涡度将增加，而且正涡度变率中心正好对应着下个时次辐合线和切变线的位置。到20时(图4b)，正涡度倾向区明显加强，中心位于120°E、41°N处，强度达到15×10-9s-2，表明700hPa辐合上升运动大幅加强，利于低涡和切变线的形成与发展，产生有利于暴雪的动力条件，同时配合良好的水汽条件，辽西地区的降雪为加强趋势；此时的河北东部为负涡度变率区。到11日02时(图4c)，正涡度变率中心移到辽宁中部，暴雪区除北票外其他地区均位于负涡度变率区，除北票外其他地区降雪明显减弱。

分析可知，正涡度区及其中心的生成与发展受总涡度变率的影响，正涡度变率加强时，有利于低涡和切变线发展并向正涡度变率大值区方向移动，产生有利于暴雪的动力条件，降雪强度加强，反之，当负涡度变率加强时，动力作用减弱，降雪强度也减弱。

4.3　湿位涡分析

通过对各个层次湿位涡的分析发现，对称不稳定区域主要位于对流层中层，因此对500hPa的湿位涡场进行主要分析。10日14时(图4a)，在华北北部和辽宁一带，湿位涡负值区零星分布，范围和强度都很弱；到20时(图4b)，湿位涡负值区位于冷涡中心前的河北东部地区，中心强度为-0.4PVU，在冷涡中心到冷涡南部为一条明显的正值带；到11日02时(图4c)，受高空冷涡移动的影响，湿位涡正值带南端东移的同时也开始北抬，而负值区也随着向东北方向移动，并且范围扩大，中心位于辽宁西部，中心强度增强到-0.6PVU；到11日08时(图4d)，南端的正值中心继续东北移动，暴雪区几乎全被正值区控制，负值区也向北移动，中心移到北票一带，中心强度减弱为-0.4PVU。可以发现，500hPa的湿位涡负值区和暴雪区有很好的对应。

同时从500hPa湿位涡和700hPa涡度变率叠加图来看，湿位涡负值中心和前一时刻涡度变率正值中心的位置比较一致，为找出两者之间的作用机制，沿41°N对湿位涡和涡度变率做高度剖面的分析。

从11月10日20时和11日02时沿41°N的湿位涡垂直剖面来看，10日20时(图5a)，暴雪区119°E上空350～400hPa处为弱的负值区，中心强度达到-0.2PVU，500hPa以下为正的湿位涡区；在同时刻的涡度变率场上，暴雪区上空650～900hPa为正涡度变率区，中心位于120～121°E上空700～850hPa处，强度为15×10-9s-2，表明未来6h内暴雪区上空对流层低层涡度将会增加。到11日02时(图5b)，暴雪区上空的湿位涡负值区向下发展，中心位于121°E上空450～650hPa处，强度增大到-0.6PVU，对流层低层的涡度变率转为负值区，但暴雪区东部122°E上空仍为正值区，说明暴雪区西部的涡度将减小，东部的涡度仍将继续增加。到11日08时，湿位涡负值区继续东移下压，中心位于122°E上空550～700hPa间，强度加强到-0.8PVU，此时对流层低层的涡度变率均为负值或很小的正值。

  

图4　11月10日14时至11日08时700hPa涡度变率(实线，单位：10-9s-2)和

 

500hPa湿位涡(阴影,单位：PVU为10-6m2·s-1·K·kg-1)

 

(a)10日14时，(b)10日20时，(c)11日02时，(d)11日08时

  

图5　11月10日20时(a)和11日02时(b)沿41°N纬向涡度变率(实线，单位:×10-9s-2)、

 

纬向湿位涡(阴影,单位:PVU为10-6m2·s-1·K·kg-1)垂直剖面

同时对湿位涡正压项和斜压项分别进行计算发现，湿位涡负值区主要以斜压项为主。湿位涡斜压项是由风的垂直切变和假相当位温的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性。在10日20时，暴雪区上空几乎都为斜压项负值区，负值区中心位于116～118°E上空400～500hPa处；到11日02时，中层的斜压项中心东移并下压到500hPa，并且强度从-0.8PVU加强到-1.2PVU。

通过以上分析发现，在垂直方向上，湿位涡负值中心与前一时次低层涡度变率中心的位置对应的比较一致，在湿位涡中心向下发展、向东移动的过程中，低层的涡度存在显著增加，而这种低层涡度的增加主要是由湿位涡斜压项，即风的垂直切变和大气湿斜压性引起的。

5　小结

(1)这次暴雪过程中高空冷涡是主要的影响系统，强降雪就出现在对流中层冷涡中心前部的风向辐合区和暖式切变线南部，地面对应有江淮气旋倒槽向北发展同南下的蒙古气旋冷锋结合。

(2)暴雪落区处在500hPa正涡度中心前部，暴雪发生在垂直方向上高低空正涡度中心向下传的过程中，当低空的正涡度中心移出暴雪区并向高空发展时强降雪也趋于结束。

(3)高空涡度中心下方强烈的上升运动，对暴雪的增幅起到了很大作用。

(4)本次暴雪中，500hPa的湿位涡负值区和暴雪区有很好的对应关系，强降雪就位于负值中心附近，湿位涡中心强度的变化趋势可以很好的表征降雪强度的变化；在垂直方向上，湿位涡中心向下发展、向东移动的过程中，低层的涡度存在显著增加，导致上升运动的增强，而这种低层涡度的增加主要是由湿位涡斜压项，即风的垂直切变和大气湿斜压性引起的。

本文仅是从涡度方程和湿位涡等角度分析了本次暴雪过程中的动力条件，发现了一些物理量，如对流层中层的湿位涡负值区和前一时次低层的正涡度变率区等，与强降雪的对应关系很好，但能否在预报中应用，还需要对多次暴雪天气过程进行进一步分析。

参考文献

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