延安市位于陕西省北部, 地处黄河中游, 地貌以黄土高原、丘陵为主。地势西北高东南低, 平均海拔1 200 m左右, 属高原大陆性季风气候, 北部属半干旱地区, 南部属半湿润地区, 冬季寒冷干燥, 维持期长;春季气温快升多变, 易有霜冻, 多大风、风沙、浮尘天气, 常有春旱;夏季温热, 雨量集中, 间有伏旱, 多雷阵雨冰雹天气;秋季气温速降, 多雾, 早霜出现, 有阴雨天气。延安市年平均气温9.9℃, 年均降水量550 mm, 降水量年内分配不均, 多集中在夏季, 呈现出夏多冬少、秋多春少的特点, 其中冬季受寒冷干燥的冬季风控制, 降水稀少, 季平均降水量13 mm, 约占全年总降水量的2%。冬季降水以降雪为主, 为春季作物生长提供有利的水分条件, 所以冬季有无降水或降水量多少对来年作物生长影响很大。
降雪天气是延安市冬半年最重要的天气之一, 它的出现常给交通、电力、通信、工农业生产和人民生活造成严重影响。因此对降雪天气的基础性分析研究尤为重要。近年来, 我国气象工作者对降雪的环流背景和影响因子等方面的研究已有了很大的进展, 得到不少有益启示, 陕西省气象工作者对陕西省冬季降雪也做了一些分析和研究。例如王川等对陕西省54年连阴雪天气气候概况及特征做了详尽的分析, 建立了陕西省连阴雪天气资料库;方建刚等总结了异常低温阴雪天气发生发展的环流特征, 为天气预报提供了有益的预报思路;郭大梅等分析了陕西省中部一次局地暴雪天气过程, 探讨了暴雪天气的内部结构和形成机理;王丹等对比分析了2011年冬季陕西省两次降雪过程, 研究了陕西省冬季降雪的环流形势和物理量特征。由此可见, 省内对于降雪天气的研究主要是从气候学及动力热力等天气学角度进行分析和诊断[1,2,3,4]。本文将在前人研究的基础上, 利用实况资料研究延安市冬季降雪气候特征及天气环流形势和物理量特征, 以提高冬季降雪预报水平。
本文采用延安市1981—2015年12个台站 (黄陵站缺数据, 故不采用) 每年12月至次年2月地面和高空常规观测资料, 自动站日降水资料。以1月、2月和12月3个月的降雪量总和代表本年的降雪量。采用的分析方法为线性趋势分析法、统计分析法。
统计分析1981—2015年延安市冬季平均降雪量数据可知, 近35 a冬季平均降雪量为12.5 mm, 冬季平均降雪量整体呈现明显的上升变化趋势 (图1) , 气候倾向率为2.089 mm/10 a;年平均降雪量最大值是32.9 mm, 出现在1989年, 年平均降雪量最小值为0.94 mm, 出现于1992年, 最大值与最小值之间相差31.96 mm。从1981—2015年冬季年平均降雪量距平中可以看出 (图略) , 延安市冬季年平均降雪量正距平有14 a, 负距平为21 a。其中20世纪80年代冬季属于降水偏少期, 年平均降雪量除1989年和1990年以外, 其余均为负距平;20世纪90年代属于近35 a中冬季降水量最少期, 除1994年 (20.1 mm) 外, 10 a中负距平为9 a;进入21世纪以来, 延安市冬季年平均降雪量呈现逐年上升变化, 平均降雪量为15.7 mm, 这种冬季降雪量趋于增多的变化趋势同全球气温变化导致极端天气气候事件频发、多发现象有关。
分析1981—2015年延安市冬季月平均降雪量 (图2) 可以看出, 延安市冬季月平均降雪量最多的月份是2月, 为6.2 mm, 占全年总降雪量48%;其次是1月, 月平均降雪量为3.7 mm, 占全年总降雪量28%;12月平均降雪量相对最少, 只有3.1 mm, 占全年总降雪量24%。分析12个站点冬季降雪量的月分布特征可知, 1月平均降雪量最大的是洛川, 达到6.3 mm;其次是宜川和黄龙, 均为3.9 mm;平均降雪量最少的是吴旗, 仅有2.5 mm;洛川与吴旗降雪量相差较大, 是其2.5倍;2月平均降雪量最大的仍是洛川, 达10.5 mm;其次是黄龙, 为7.6 mm;平均降雪量最少的是吴旗, 仅有3.9 mm;洛川与吴旗降雪量相差较大, 达到了6.6 mm;12月平均降雪量最大的仍是洛川, 达5.2 mm;其次是黄龙, 为3.6 mm;平均降雪量最少的是子长, 仅有2.2 mm;洛川与子长降雪量相差较大, 达到了3.0 mm。
图3给出了1981—2015年延安冬季12个站点年平均降雪量, 可以看出北部降雪量达8.8~12.5 mm, 南部除洛川22.0 mm外, 其他站降雪量达13~15 mm。降雪量最小吴起, 最大洛川, 两站降雪量相差达13.2 mm。降雪量呈现从北向南逐渐增多的特征。
形成大雪天气的环境场具有一定的共性和差异性, 充足的水汽供应、冷空气的大举南下, 以及对流层中低层存在0℃以下的温度层结是产生大雪的先决条件, 因此大雪是形成在特定的环流背景下。以下将重点分析造成延安市大雪的天气尺度系统环流特征。
延安市降雪发生时, 降水相态变化简单, 降雪量和积雪深度线性相关性较好。因此在大雪的选取标准就只考虑降水量这一个特征量。文中以延安市范围内1站以上日降雪量≥5 mm作为一个大雪日。通过普查1981—2015年35 a冬半年 (12月-次年2月) 降水资料及有关历史天气图, 选取满足上述标准的大雪过程共42次。同时对这42次大雪天气过程中500 h Pa环流形势综合分析, 总结出了4种大雪天气环流形势, 即两槽一脊型、两脊一槽型、横槽转竖型和纬向波动型。
欧亚中高纬度上空为两槽一脊型, 高压脊脊线位于110°E附近, 两槽分别在60°~70°E和120°~140°E地区, 中低纬度青藏高原北侧多短波槽活动, 槽后西北气流引导冷空气南下, 造成延安市大雪天气过程。
乌拉尔山附近维持一高压脊, 贝加尔湖以西为庞大的冷低压。其宽大的东亚大槽位于80°~100°E, 大槽南段不断有小股冷空气分裂南下, 在青藏高原北部形成短波槽, 当高压脊在中亚地区加强时, 脊前西北气流引导冷空气南下, 促使西亚槽加深南压, 槽底不断分裂冷空气东移南下, 槽前有西南暖湿气流, 冷暖气流在延安市上空交汇, 造成延安市大雪天气。
欧亚中高纬度上空为一脊一槽型, 乌拉尔山附近为高压脊, 乌拉尔山以东到贝湖以东为低槽区。通常在西西伯利亚到黑海为高压脊, 脊线呈东北西南向, 高压中心位于50°~60°N, 60°~80°E, 脊前横槽位于蒙古东北部到新疆西北部, 冷空气在横槽内聚积, 使横槽南侧形成强大的锋区, 当高脊向东北方向发展时, 脊前的东北气流不断引导冷空气补充到横槽中, 此时横槽多次分裂小槽东移, 并携带一股股冷空气向东南方向移动, 或在横槽转向过程中携带冷空气南下, 影响延安。暖湿空气随着西南气流或偏东气流北带入我市, 随着高压崩溃, 横槽转竖, 冷空气爆发南下, 造成延安大范围的大雪天气过程。
亚洲中高纬度地区上空维持一宽广的低压区, 中纬度上空以纬向环流为主, 在低压侧西南部, 蒙古到西伯利亚有较强的冷空气堆积, 延安市上空以平直的西风气流为主, 锋区较强, 多短波槽移动且东移迅速。当中纬度槽脊与青藏高原北侧短波槽脊同位相叠加时, 经向度加强, 槽后西北气流引导冷空气南下, 与西南暖湿气流结合, 造成延安市大雪天气过程。
2007年12月23—24日延安市出现一次中到大雪天气过程, 局地大到暴雪, 降雪量最大洛川8 mm, 最小吴起2 mm, 降雪开始于23日08:00, 24日17:00结束。
2012年1月19—21日, 延安出现一次明显降雪过程, 全市降雪量达0.7~7.5 mm, 19日降雪开始, 以小雪为主, 20日延安南部降雪明显增强, 部分地方出现5 mm以上降雪, 最大宜川7.5 mm, 21日, 降雪结束, 天气开始转晴。
500 h Pa高空冷空气条件对延安市降雪有重要影响, 从图4来看, 2007年12月23—24日, 欧亚中高纬度上空为两槽一脊, 高压脊脊线位于110°E附近, 两槽分别在60°~70°E和120°~140°E地区, 河套北部受弱脊控制, 河套西部青藏高原北侧有短波槽下滑, 槽后西北气流引导冷空气南下, 在延安市上空与西南暖湿气流交汇, 造成大范围的中到大雪天气过程。1月19—21日, 中高纬度乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖切断低压和贝加尔湖-巴尔喀什湖-里海一线横槽稳定维持, 为延安市降雪提供了充分的冷空气输送条件。阻塞高压脊前大量冷空气堆积南下, 在贝加尔湖-巴尔喀什湖-里海一线形成横槽, 横槽南压至我国新疆地区, 横槽底部小股冷空气不断以小波的形势分裂出去, 到达延安市境内, 切断低压位于黑龙江北部, 在我国北方地区形成明显的锋区。两次过程中均有明显冷空气南压影响延安市。
充沛的水汽条件对大降雪天气的形成具有重要作用, 从两次过程的高空资料来看, 区别在于2012年1月19—21日降雪过程中有西南气流和偏东气流两条水汽输送通道, 而2007年12月23—24降雪过程只有西南气流水汽通道, 同时受高空冷空气影响, 降雪水汽条件存在显著差异。
2012年1月19—21日, 700 h Pa, 西南气流将孟加拉湾的水汽输送至延安南部, 与南下的偏西北冷空气在此交汇。850 h Pa, 偏东气流将黄、渤海的水汽输送至延安市南部, 水汽通量在1~4 g/ (h Pa·cm·s) , 同时, 源自孟加拉湾的西南气流仍然较为强盛, 水汽输送途中与偏东气流交汇。偏东冷空气自东北南下回流到延安市, 对暖湿气流的抬升作用以及与西南暖湿气流的切变辐合, 是促进降雪增大的关键。这两条水汽通道为延安南部大到暴雪提供了适宜的水汽条件, 如图5所示, 700 h Pa, 延安市相对湿度呈东北西南向, 为75%~85%。相比之下, 2007年12月23—24日, 700 h Pa和850 h Pa西南气流将孟加拉湾水汽输送至延安市上空, 对应于700 h Pa和850 h Pa相对湿度均由南向北伸展, 达85%以上, 此暖湿气流与南下的冷空气在延安市上空交汇, 产生延安市大范围的强降雪过程。
两次降雪过程在1 000~300 h Pa有明显的垂直上升运动, 为降雪的发生发展提供了动力机制。1月19—21日, 延安地区上升运动条件偏弱, 中心强度为-0.10 h Pa/s, 但是中心位置在925 h Pa近地面层附近。这与低层对偏东风对暖湿气流的拦截和抬升作用, 促进了上升运动的产生和维持有关。相比之下, 2007年12月23—24日降雪过程中, 延安地区上升运动在23日08:00到23日20:00明显增强, 中心位置位于23日20:00提高至400~600 h Pa, 这可能与低层西南风增强, 促进了上升运动的发展有关。
200 7年1 2月2 3—2 4日的降雪过程预报着眼点:5 0 0 h P a环流形势为两槽一脊, 高原北侧多短波槽活动, 充分的水汽输送和高空辐散、低空辐合的动力条件是形成此次强降雪天气的重要原因。中低层西南暖湿气流和高空西北气流在延安市上空交汇为降雪天气提供了很好的环境条件, 其中低层暖湿气流增强是大降雪出现的关键。
2012年1月19—21日降雪过程预报着眼点:500 h Pa环流形势为横槽转竖, 贝加尔湖-巴尔喀什湖-里海一线横槽引导的冷空气与低层西南风气流, 偏东风气流在延安市南部上空交汇, 为大降雪的出现提供了良好的环境条件, 充分的水汽输送和高空辐散、低空辐合的动力条件是此次降雪出现的重要原因。偏东暖湿气流和东北冷湿气流是降雪增大的关键。
第一, 延安市降雪集中在冬半年 (12月-次年2月) , 冬季平均降雪量为12.5 mm, 降雪量呈增多趋势, 冬季平均降雪量最多的月份是2月, 其次是1月, 降雪量呈现从北向南逐渐增多的特征。
第二, 通过对42次产生延安市大雪天气过程的500 h Pa环流形势统计分析得出, 延安市出现大雪天气的环流形势有4种, 即两槽一脊型、两脊一槽型、横槽转竖型和纬向波动型。
第三, 通过对比分析2007年12月23—24日和2012年1月19—21日降雪过程得知, 500 h Pa, 2007年12月23—24日, 延安市降雪的冷空气来自于高原短波槽输送, 1月19—21日中高纬度乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖切断低压和贝加尔湖-巴尔喀什湖-里海一线横槽稳定维持, 为延安市降雪提供了充分的冷空气输送条件, 这两次过程均有明显的冷空气作用。
第四, 2007年12月23—24日的降雪过程中水汽输送通道为700 h Pa和850 h Pa上的西南气流, 并且该西南风在降雪过程中明显增大, 是产生大降雪的关键因素。后一次降雪过程中有700 h Pa西南气流和850 h Pa偏东气流两条水汽输送通道, 其中, 偏东冷空气自东北向南下回流到对暖湿气流的抬升作用以及与西南暖湿气流的切变辐合, 是促进降雪增大的关键。
第五, 两次降雪过程都有明显的上升运动, 这是形成降雪的基本动力条件。同时两次过程都有深厚的湿层与之配合, 这也是两次过程降水量较大的原因。
第六, 2007年12月23—24日的降雪过程预报着眼点:500 h Pa环流形势为两槽一脊, 高原北侧多短波槽活动, 充分的水汽输送和高空辐散、低空辐合的动力条件是形成2007年12月23—24日强降雪天气的重要原因;中低层西南暖湿气流和高空西北气流在延安市上空交汇为降雪天气提供了很好的环境条件, 其中低层暖湿气流增强是大降雪出现的关键。2012年1月19-21日降雪过程预报着眼点:500 h Pa环流形势为横槽转竖, 贝加尔湖-巴尔喀什湖-里海一线横槽引导的冷空气与低层西南风气流, 偏东风气流在延安市南部上空交汇, 为大降雪的出现提供了良好的环境条件, 充分的水汽输送和高空辐散、低空辐合的动力条件是2012年1月19—21日降雪出现的重要原因。偏东暖湿气流和东北冷湿气流是降雪增大的关键。
摘要：利用1981—2015年近35a延安市12个台站每年12月至次年2月常规地面和高空观测资料、自动站日降水资料, 采用线性趋势分析法、统计分析法, 分析延安市冬季降雪天气环流特征和物理量, 以提高冬季降雪预报水平。
关键词：冬季降雪,气候特征,天气形势,延安市
[1] 李博渊, 王定定, 庄晓翠.阿勒泰地区一次强寒潮天气成因分析[J].陕西气象, 2015 (6) :1-6.
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