贵州冻雨形成的环境条件及其物理过程的数值模拟和诊断分析研究

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通过对2008年和2011年贵州冻雨过程的观测、动力诊断分析和数值模拟,发现这两次过程中的贵州冻雨并不符合以往台站提出的三层融化机制,而表现出以两层暖云降水机制为主的结构特征。贵州冻雨发生时,准静止锋暖区低层存在大量云水和雨水,冰晶和雪粒子则位于暖区北侧的冷区中,冻雨区上空几乎不存在固体降水粒子。在云贵准静止锋影响下,这两次过程的贵州冻雨表现出比较特殊的两层模式。是否贵州冻雨以两层暖云模式为主,还需要对大量的贵州冻雨个例分析来进行验证。  分析了2008年和2011年冻雨环流的异同,其中相同之处为:冻雨发生时,高空都有极涡和强的阻塞形势维持,高低空急流也维持或加强,中低层水汽输送辐合强烈,中纬平直西风气流上有小扰动出现,近地面有云贵准静止锋维持,锋区有明显的逆温和暖区存在;不同之处为:2008年1月亚洲高纬地区具有异常的“西高东低”环流形势,有利于寒冷空气从西伯利亚分裂南下。中纬的大气环流则表现为“西低东高”的异常形势,易于暖湿空气向北输送。因此,2008年1月我国华北以及长江流域以南地区都发生了大规模雨雪冰冻天气。2011年1月,鄂霍次克海附近极涡增强明显,阻高也较2008年的阻高形势增强,但高度距平分布表现为“北高南低”的异常环流形势,这会阻挡或影响暖湿空气北上,所以2011年1月的冻雨主要分布在我国南方地区。  动力诊断表明:贵州冻雨发生期间,往往伴有高空急流和低空急流的加强。低空急流输送的西南暖湿气流为贵州地区提供了相对暖湿的环境和逆温顶部的增温效应。同时,低空急流输送的水汽以及低层水汽辐合为贵州冻雨的发生提供了充沛的环境水汽条件。冻雨发生时,水汽通量辐合区基本在700 hPa以下,辐合中心高度位于850 hPa附近,低空水汽辐合加强有利于冻雨加强。对云贵准静止锋的结构特征尤其是静止锋上的次级环流进行的研究揭示出贵州冻雨区上空存在着中高和低层两个垂直环流圈,这两个垂直环流圈相互抑制,阻碍了低层强对流的发生。低层水平风场的辐合对冻雨过程的发展和维持有较显著的影响,但是低层辐合强度并不直接影响冻雨强度。贵州冻雨的散度场在垂直方向有低空辐合、中低空辐散、中高空辐合以及高空辐散的分布特征。当水平散度从低层到高层依次出现明显的辐合-辐散-辐合-辐散的相间分布时(这种分布与锋面上的两个环流圈有关),有利于冻雨的发生。  分析还表明:云贵准静止锋是较浅薄的天气系统。锋上存在明显的逆温结构,逆温层高度可达700hPa。贵州冻雨发生在0℃附近逆温、高湿的环境中。云贵准静止锋的存在为冻雨天气的发生提供了有利的温度层结和水汽条件。贵州冻雨发生时大气低层有明显的逆温层存在,其分布范围和强度分别与冻雨区域和冻雨强度有一定的对应关系,可以作为冻雨的识别特征之一。  锋生函数诊断分析表明:水平风场的辐合导致广义位温梯度增加,从而低层近地面出现锋生。大气0℃等温线附近,锋生和锋消的相对强弱影响着0℃等温线的空间分布。在两者合适的配置下,当0℃等温线表现出逆温特征时,地面会发生冻雨。广义湿位涡的诊断表明:冻雨中心通常位于广义湿位涡的异常高值区,广义湿位涡能够较好地反映出冻雨系统的发展变化,对冻雨雨区有一定的指示意义。在准静止锋背景下,广义湿位涡正压项GMPV1的垂直分布特征为低层准静止锋区内有正值带,其上是负值区。与此相反,广义湿位涡斜压项GMPV2的垂直分布为上正下负(位于低层的GMPV2负值中心以及位于中层的正值中心),其垂直积分后的异常高值区与地面冻雨落区有较好的对应,可识别冻雨落区。  对冻雨区暖层维持原因的研究表明:贵州冻雨区上空存在着两个垂直环流圈,不同于一般暴雨过程中高、低空垂直环流相互耦合的情况,冻雨区上空的两个垂直环流圈相互抑制:低层垂直环流圈利于近地面冷层和其上暖层的维持,而中高层垂直环流圈的下沉支可延伸至对流层中层,在一定程度上阻碍了冻雨区上空低层垂直环流的发展,既抑制了低层强对流的发生,也有利于静止锋上暖区的维持,暖层的维持和增厚有利于冻雨发生。利用气压扰动诊断方程,从气团受力角度继续分析了冻雨区暖层长期稳定维持的原因,结果表明,虽然暖层内有向上的浮力作用,但却存在向下的扰动气压梯度力与之平衡,使暖区内不会产生明显的上升运动。同时,由于近地面是冷层,暖区也不会向下运动。因此,暖区得以稳定维持,为冻雨发生提供了有利的环境暖层条件,利于冻雨的形成。
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