华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析.pdf

研究论文第17 卷第5期沙漠与绿洲气象2023年10 月Desert and Oasis Meteorology刘正，文军，王宗敏.华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析J沙漠与绿洲气象，2 0 2 3，17（5）：47-55.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.006开放科学（资源服务）标识码（OSID）：华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析刘正12,文军12,王宗敏3.4.5（1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都6 10 2 2 5;2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都6 10 2 2 5；3.中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室，河北保定0 7 18 0 0；4.河北省气象与生态环境重点实验室，河北石家庄0 50 0 2 1;5.河北省气候中心，河北石家庄0 50 0 2 1）摘要：针对2 0 18 年4月35日东北冷空气回流到京津冀地区造成复杂相态降水过程典型华北回流天气个例，利用ERA5再分析资料和MICAPS地面资料，详细分析了冷空气路径、形态、对降水范围及相态的影响。结果表明：回流冷空气对京津冀地区的影响可分为4个阶段，即低层冷舌侵入、沿山堆积扩散、增强维持、变性消散阶段。（1）低层冷舌侵入阶段，冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区，冷舌在不同高度位置不同；冷舌在垂直方向位于干、湿过渡区，降水粒子经冷舌下方干区蒸发，造成阴天无降水天气。（2）沿山堆积扩散阶段，低层冷空气遇太行山堆积并向南北以扇形扩散，较高层次冷空气西边界扩散至太行山山区；燕山南部、太行山东部存在深厚湿层，且温度较低，出现降雪；距离山脉较近的平原地区出现雨夹雪或雪；距离山脉较远的平原地区无降水。（3）增强维持阶段，冷空气强度达到最强，范围达到最大；深厚湿层从太行山、燕山向平原扩展，降水范围扩大，降水相态主要取决于近地面温度。（4）冷空气变性消散阶段，较高层次回暖先于较低层次，冷空气变性消失，降水趋于结束。关键词：华北回流；冷空气；路径；降水相态中图分类号：P448;P458.121文献标识码：A文章编号：10 0 2-0 7 99(2 0 2 3）0 5-0 0 47-0 9河北省冬春过渡期间容易出现降水相态的变化，包含雪、雨夹雪、冰粒等复杂相态。降水相态一直是降水预报中的难点1-1,受到众多学者和预报员的关注16-8。河北省所处的华北地区在冬春季的降水，以回流降水最为常见19-10。冷空气从东北平原南下，途经渤海，向西回流到华北平原，产生华北回流的天气形势1-13。张守保等4普查近2 0 年华北回流天气个例，根据50 0 hPa环流形势将环流天气形势分为两槽一脊型和高纬低压型。张迎新等9发现河北中收稿日期：2 0 2 2-10-14；修回日期：2 0 2 3-0 1-30作者简介：刘正（1996 一），男，硕士研究生，主要从事天气预报与气候变化研究。E-mail：Et h a n L Z 12 6.c o m通信作者：文军（196 4一），男，教授，主要从事陆面过程与卫星遥感研究。E-mail:南部地区的回流天气中，来自东北的低层偏东气流，在降水中起“冷垫”作用。杨杰等15发现承德冬季回流型强降雪的环流形势为8 50 hPa以下呈东北风，来自东北平原的冷空气输送到降雪区形成冷垫，850hPa以上为暖湿西南风。雨雪转换或暴雪天气对农林业生产和交通运输产生严重影响。河北省是冬季冻害多发区域，强降雪天气产生的次生灾害一冻害会对花期梨果和冬小麦造成严重危害。河北作为冬小麦生产大省，冬小麦在越冬或者返青期间由于持续低温导致冻害7。道路结冰、积雪等灾害性天气严重威胁交通运输安全，冰雪是仅次于雾的对河北高速通行影响严重的灾害性天气18。王洁等19 分析2 0 132 0 17 年河北省高速公路交通事故数据发现以雨夹雪和降雪为主的47研究论文天气现象中，有8 2.6%交通事故发生在降雪过程中，雪天事故会造成巨大损失。2018年4月3日0 8 时一5日0 8 时，在从东北平原回流到华北的冷空气和西来槽共同影响下，京津冀地区、山西东部、山东北部发生一次大范围降水过程，并且伴有快速的雨雪相态转换，是一个典型的华北回流降水天气。本文从降水实况、天气形势、回流冷空气路径、形态、影响范围，以及回流冷空气对降水相态的影响等方面分析此次降水过程，并给出冷空气影响过程的概念模型，以加深对此类天气过程的认识。1降水实况及天气形势1.1降水实况2018年4月4日0 8 时5日0 8 时（北京时，下同），京津冀、山西东部、山东北部出现大范围降雨、雨夹雪、降雪天气，其中河北省张家口中南部达到暴雪以上量级，降水中心河北省阳原站2 4h降雪量达21.7mm。这是一次典型的冷空气从东北平原回流到京津冀地区，具有复杂相态降水的华北回流天气过程。1.2天气形势2018年4月4日0 8 时对流层高层（2 0 0 hPa），中纬度地区（40 50 N）环流较为平直，有一支东西走向的西风急流，风速 40 m/s，京津冀地区位于高空急流中心的右前方。京津冀地区上游（95 115E）存在明显的冷平流。对流层中层（50 0 hPa），西风急流的风速超过2 5m/s，同时存在明显锋区。鄂霍茨克海存在一低涡系统，其南部低槽向西南延伸至内蒙古东部，槽后为显著冷平流，影响京津冀地区。西风带40 N附近短波槽东移加强。对流层中低层，环流经向度加大，冷暖平流加强。7 0 0 hPa鄂霍茨克低涡后部高压脊明显，低涡向西南延伸的低槽所对应的平直锋区和冷平流更加显著。对应50 0 hPa短波槽，黄河河套地区为明显的高空槽。8 50 hPa鄂霍茨克低涡后部，即内蒙古东部，形成呈闭合高压中心的蒙古高压。鄂霍茨克低涡后部、蒙古高压前部的冷平流愈加显著，冷空气经东北平原、渤海，以东北、偏东气流形势灌人京津冀地区，形成华北回流天气，带来降温及复杂相态的降水。2回流冷空气的路径及其对降水相态的影响鄂霍茨克低涡后部、蒙古高压前部的冷空气，经东北平原、渤海到达京津冀地区，由于太行山脉、燕48沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology山山脉的阻挡，冷空气路径、堆积形式及对降水相态的影响，随时间不断变化。利用ECMWF的ERA50.250.25再分析资料，分析从冷空气开始侵人京津冀地区（2 0 18 年4月3日0 8 时）到回流冷空气影响结束（4月5日15时），共55h，回流冷空气对京津冀地区影响，可分为以下4个阶段：（1）低层冷舌侵入：3日0 8 时一4日10 时，时间约2 6 h；（2）沿山堆积扩散：4日10 时17 时，时间约7 h；（3）增强维持：4日17 时一2 2 时，时间约5h；（4）变性消散：4日2 2 时5日15时，时间约17 h。2.1低层冷舌侵人阶段由4月3日14时50 0、7 0 0、8 50.9 2 5hPa气温场、流场（图1）为代表分析冷空气侵入阶段特点。850925hPa冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵人京津冀地区。两层不同的是，92 5hPa冷舌位置偏东，位于渤海到河北东部，受山东泰山的影响，舌面变窄伸向河南北部；8 50 hPa冷舌位置偏西，位于河北中部，相对于92 5hPa舌面变窄不明显；92 5hPa温度高于8 50 hPa。7 0 0 h Pa 京津冀地区为西南风、暖平流；50 0 hPa为西南偏西风、弱的暖平流。为详细分析侵人京津冀冷空气结构特征，沿图1中黑色实线AB、C D 给出温度、相对湿度垂直部面（图2）。图2 a、2 c 两座山分别为燕山东端和太行山南端，图2 b、2 d 两座山分别为太行山北端和泰山。图2 a为沿AB、由东北平原经燕山东端到达京津冀的温度面。如图2 中黑色曲线所示，冷空气侵人活动主要发生在8 0 0 9 2 5hPa，京津冀冷舌高度在90 0 hPa上下。冷舌伸到太行山时，由于受到阻挡而上翘。在冷舌之上，即8 0 0 hPa之上，为明显的逆温层。由沿AB的相对湿度面图（图2 c）可知，冷舌之下相对湿度在40%以下，但是在冷舌之上为深厚湿层（相对湿度 8 0%，下同），甚至达到饱和，厚度达150hPa（约10 0 0 m），冷舌位于干、湿过渡区。这样的湿层分布，有可能造成冷舌之上出现凝结，但降水粒子下降过程中由于蒸发，导致京津冀地区天空状况为阴但没有降水的情况。图2 b、2 d 为沿CD、垂直于冷舌的温度、相对湿度剖面，冷舌明显的西倾（图2 b中黑色实线所示），这与前文8 50 hPa冷舌位置偏西、9 2 5hPa冷舌位置偏东现象一致。冷舌厚度主要在7 50 92 5hPa。由相对湿度部面（图2 d）可知，在太行山区，冷舌进入深厚湿区；而在太行山以东、山东泰山以西，冷舌位于干、湿过渡区，冷舌以下为湿度 40%的干层，以上为厚度10 0 0 m左右的湿层。第17 卷第5期2023年10 月刘正等：华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析由2 0 18 年4月3日14时MICAPS地面填图可知，京津冀位于冷高压底部，为偏东风。冷高压的形成和冷空气侵人直接相关。由当时的卫星云图可知50N-a500hPa48N-46N-44N420N40N38N-36N-50N850hPa48N-460N44N-42N-40N-38N-36N图12018年4月3日14时不同高度的气温场（红色等值线，单位：）和流场（白色流线）（a、b、c 分别为50 0、7 0 0、8 50 92 5hPa，黑色实线AB、CD 表示剖面位置）a12550108507608501000500C京津冀上空有云层覆盖。地面观测无降水，证实了前文分析的由于降水粒子下降过程中蒸发导致天空为阴但没有降水的情况。50Nb.700 hPa48N46N440N42N40N38N36NB112E114E116E118E120E122E124E112E114E116E118E120E122E124E30221000106001000A-BiE高/kmm2000B1500112E114E1169E118E120E122E124E50Nd925hPa489N460N44N42N400N380N36112E114E116E118E120E122E124E5G0b504/7601600d10005000B2te加C-DiE/kmSO062400820e101240050007004000650100二&8507000图2 2 0 18 年4月3日14时沿图1中AB、CD 的温度（单位：）、相对湿度（单位：%）的垂直剖面00福650751003003004000/20004001040A-BRE离/km（深蓝色阴影表示地形，黑线为温度剖面中温度槽线）100010020040nC-DE离/km50060070049研究论文2.2沿山堆积扩散阶段以4月4日14时为代表，分析此阶段冷空气影响路径、形态等。图3为4月4日14时50 0、7 0 0、850、92 5h Pa 气温场、流场。8 50、92 5hPa在水平方向冷空气不再呈现冷舌形态，92 5hPa冷空气以偏东风进人河北，遇太行山开始堆积，并沿山向南、北以扇形扩散，主要集中于太行山沿山至河北中部一带。8 50 hPa冷空气同样集中于河北中部，但是其西边界扩展至太行山山区。50 0、7 0 0 hPa京津冀地区仍为西南风和暖平流。为分析扩散阶段冷空气结构特征，沿图3中黑色实线AB、CD 给出温度、相对湿度垂直剖面（图4）。图4a、4c 山脉为燕山西段，图4b、4d 山脉为太行山。由沿A-B、由燕山西段到河北南部的温度剖面（图4a）可知，冷空气中心高度由燕山山脉到河北平原逐渐降低，山区高于平原，说明冷空气在向北扩展。由沿CD、太行山区到渤海的温度剖面（图4b）可50Na500hPa48N46N44N-429N-40N-38N36N50Nc850hPa48N46N44N42N40N38N36N图32 0 18 年4月4日14时50 0 hPa（a）7 0 0 h Pa(b）、8 50 h Pa(c）和92 5hPa(d）气温场（红色等值线，单50沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology以看到，冷舌不再西倾，转为近似水平。冷空气中心位于太行山区，-8 中心位于山区8 0 0 hPa（1600m）上下，说明冷空气向太行山区的堆积和抬升。冷空气扩散阶段，相对湿度分布特点不同于侵入阶段。侵人阶段，冷舌在垂直方向基本位于干、湿过渡区，而在扩散阶段，在燕山南部、太行山东部为深厚湿层，甚至饱和层，这与冷空气扩散遇到山脉阻挡而升有关。此阶段在远离山脉的平原地区，低层空气依然较干。在燕山西段、太行山区，气温均在-8 -4，且相对湿度为饱和，降水相态为雪。在距离山脉较近的平原地区，92 5 10 0 0 hPa气温为0 4，降水相态为雨夹雪或雪。在距离山脉较远的平原地区，由于低层相对湿度小，降水粒子未到达地面就被蒸发，无降水。这样的降水相态分布，可由4日14时地面实况（图5）得到证实。50Nb700hPa48N46N44N42N40N38N36N112E114E116E118E120E122E124E50Nd925hPa48N46N44N42N40N38N36N112E114E116E118E120E122E124E位：）流场（白色流线）（黑色实线AB、CD 表示面位置）第17 卷第5期2023年10 月to200015001000112E114E116E118E120E122E124E500112E114E116E118E120E122E124E刘正等：华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析50685$5916005550014O0C/450000e30890A-BE/kamb100500550400012C-DE/km10300080000/00300501000图42 0 18 年4月4日14时沿图4中ABCD黑色实线的温度（单位：）、相对湿度（单位：%）的垂直剖面图5为2 0 18 年4月4日14时MICAPS地面上-5、9 2 5hPa上-2 范围控制整个河北平原；填图。图中降水相态分布和冷空气沿山扩散有关。（3）92 5h Pa 河北中部出现反气旋中心，8 50 hPa气由图中风场还可以在地面上直接看到，冷空气自渤流出现反气旋式弯曲。50 0、7 0 0 hPa京津冀地区依海吹进京津冀地区后到达太行山向南北两个方向然为西南风和暖平流。的扩散。同样，为分析此阶段冷空气结构特征，沿图6 中2.3土增强维持阶段回流冷空气经过侵人、沿山扩散，进人第三阶段，即冷空气维持阶段。图6 为此阶段代表时刻即4日2 0 时的50 0、7 0 0、8 50、92 5hPa气温场、流场。由图6 可知，此阶段相较堆积扩散阶段，有3个特点：（1)冷空气强度达到最强，8 50 hPa冷中心温度达到-8,92 5h Pa 冷中心温度达到-4；（2）随着冷空气的持续堆积，冷空气范围达到最大，8 50 hPa120F2102图52 0 18 年4月4日14时MICAPS地面填图/1000130313020024162530A-B距离kn（深蓝色阴影表示地形，黑线为温度剖面中温度槽线）40N1026403100黑色实线AB、CD 给出温度、相对湿度垂直剖面（图7）。同图4，图7 a、7 c 山脉为燕山西段，图7 b、7 d 山脉为太行山。由沿AB、由燕山西段到河北南部的温度剖面（图7 a），以及沿CD、太行山区到渤海的温度剖面（图4b）可知，冷空气中心向南、向东扩展，高度略有拾升，冷空气中心强度变化不大，仍维持在-8 -10。河北中部92 5hPa以下气温下降明显，降幅达4。由沿AB.CD的两个相对湿度剖面，可以看到深厚湿层向南、向东扩展，预示着降水范围的扩大。2018年4月4日2 0 时降水范围扩大到京津冀乃至山东地区，降水相态有雪、雨夹雪和雨。京津冀地区地面气温在0.5 5，由图6 d可以看到92 5hPa温度为-3-4，因此地面降水相态主要取决于近地面温度。比较14和2 0 时2 个时次的气压场（图5），京津冀地区均为高压控制，气压值变化不大，说明这个时段高压维持。2.4变性消散阶段随着低层偏西气流的建立，回流冷空气影响进入最后阶段，即变性消散阶段，该阶段代表时次为5203400C-D距离/km5007080051研究论文50N-a500hPa48N460N44N42N400N38N-36N-500Nc850hPa48N469N44N沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology50Nb700hPa48N-46N44N42N40N38N36N112E114E116E118E120E122E124E50Nd925hPa48N46N44N第17 卷第5期2023年10 月m2001500112E114E116E118E120E122E124E1000500042N40N38N36N图62018年4月4日2 0 时不同高度的气温场（红色等值线，单位：）、流场（白色流线）（a、b.c、d 分别为50 0、7 0 0 8 50、92 5hPa；黑色实线AB、CD 表示剖面位置）550750350C500550800550/7508509001000图7 2 0 18 年4月4日2 0 时沿图7 中AB、CD 黑色实线的温度（单位：）相对湿度（单位：%）的垂直剖面日11时。此阶段的特点是高层减弱早于低层，比较4迅速回暖，冷中心消失，92 5hPa仍存在-4的冷中日2 0 时（图6）和5日11时的8 50 和92 5hPa的温心，但其位置东移至天津地区。度场、流场，可知，两层均建立了偏西气流，8 50 hPa5日11时，京津冀地区地面风转为偏南或西南5242N40N38N36N112E114E116E118E120E122E124E40002300020001000100200200112E114E116E118E120E122E124E-12-1040075829095095030040A-BiE离/km30400A-BE商/oD（深蓝色阴影表示地形，黑线为温度剖面中温度槽线）120070040500070000000001002400950030G310/单/6200013002C-DE高/Em20030C-DRE商/m3004005002000620刘正等：华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析风，降水趋于结束。3回流冷空气的路径及范围演变概念模型给出回流冷空气影响京津冀地区4个阶段的概念模型（图8）。在低层冷舌侵人阶段，8 50、92 5hPa冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区。925hPa冷舌位置偏东，位于河北东部；8 50 hPa冷舌位置偏西，位于河北中部。在冷空气沿山堆积扩散阶段，92 5hPa冷空气以偏东风进入河北，遇太行山堆积并向南北以扇形式扩散，主要集中于太行山沿山至河北中部一带；8 50 hPa冷空气同样集中于河北中部，但是其西边界扩散至太行山山区。在冷空气增强维持阶段，冷空气强度达到最强，范围达到最大，控制整个河北平原，92 5hPa河北中部出现反气旋中心，8 50 hPa气流出现反气旋式弯曲。上述3个阶段50 0、7 0 0 hPa京津冀地区维持西南风和暖平流。在冷空气影响消失阶段，8 50、92 5hPa均建立了偏西气流，8 50 hPa回暖迅速，冷中心消失，92 5hPa仍存在冷中心，但其位置东移。4结论以2 0 18 年4月35日东北冷空气回流到京津2000E20045704N冀地区造成复杂相态降水过程为例，分析冷空气路径、形态、影响等，得出以下主要结论：（1）回流冷空气对京津冀地区的影响，可分为4个阶段：低层冷舌侵人、沿山堆积扩散、增强维持、变性消散阶段。（2）在低层冷舌侵人阶段，冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区，冷舌在不同高度位置不同，低层位置偏东。沿山堆积扩散阶段，低层冷空气遇太行山堆积，同时沿山向南北以扇形形式扩散，较高层次冷空气西边界扩散至太行山山区。增强维持阶段，冷空气强度达到最强，范围达到最大，控制整个河北平原。变性消散阶段，较高层次回暖先于较低层次，冷空气变性消散。（3）低层冷舌侵人阶段，冷舌在垂直方向位于干、湿过渡区，降水粒子经冷舌下方干区蒸发，造成阴天无降水天气。沿山堆积扩散，燕山南部、太行山东部存在深厚湿层，且温度较低，易出现降雪；在距离山脉较近的平原地区，易出现雨夹雪或雪：在距离山脉较远的平原地区，无降水。增强维持阶段，深厚湿层从太行山、燕山向平原扩展，降水范围扩大，降水相态主要取决于近地面温度。变性消散阶段，降水趋于结束。20001004344N4241N4ON407743736N净空气加强能特本移价技30020045N441N4ON39N24维冷空气变性博散胎段200010045744*N43422N1436N5图8 22018年4月3一5日回流冷空气影响京津冀地区4个阶段的概念模型（a 为低层冷舌侵人阶段，b为冷空气沿山堆积扩散阶段，c为冷空气加强维持东移阶段，d为冷空气变性消散阶段；不同颜色带箭头曲线表示不同高度流线，黄色曲线表示92 5hPa等温线，紫色虚线表示8 50 hPa等温线）EE120EE53研究论文需要强调的是，本文分析讨论了一次典型的华北回流冷空气路径形态对京津冀降水相态影响的个例，得到了一些能体现其规律的特征，但要深人认识此类天气过程的演变机理，尚需要对更多实例进行深人分析和总结。参考文献：】姬雪帅，王丽婧，郭宏，等.基于多源观测资料对张家口一次雨雪天气降水相态特征的分析J.千旱气象，2 0 2 2，40(3):507-515.2张丽，徐朋飞，吴胜平，等.安庆市降水相态识别判据研究气象与环境学报，2 0 18,341)：30-37.3】李江波，李根娥，裴雨杰，等。一次春季强寒潮的降水相态变化分析气象，2 0 0 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data and MICAPS ground data,we analyzed the cold air path,structure,impacton precipitation area and precipitation type in detail.The analysis shows that the influence of returningflow can be divided into four stages:lower layer cold air tongue intrusion,cold air heaping andspreading along the mountain,strengthening and maintaining,weakening and disappearing.(1)In thecold air tongue intrusion stage,cold air intruded into Beijing,Tianjin and Hebei region via theNortheast Plain and Bohai Sea in the form of cold air tongue,with locations differ in different height.The cold air tongue is located in the dry-wet transition height vertically.Precipitation particlesevaporate through the dry range under the cold air tongue,resulting in cloudy days withoutprecipitation.(2)During the cold air heaping and spreading along the mountain stage,the lower cold airspread in a fan-shaped form along the Taihang Mountains to the north and south,and the higher coldair west boundary spread to the inner Taihang Mountains.There are deep wet layers in the southernpart of Yanshan and the eastern part of Taihang Mountains with low temperature which causedsnowfall weather.Plain areas near the mountain ranges,there is snowfall or rainfall.There is noprecipitation in plain areas far from the mountain ranges.(3)During the strengthening and maintainingstage of cold air,the intensity and scope of cold air reach the maximum.The deep wet layer extendedfrom Taihang Mountains and Yanshan Mountains to the plains,and the precipitation area expanded.Thephase type of precipitation mainly depends on the near surface temperature.(4)In the stage of cold airdenaturation and dissipation,the higher level warmed up before the lower level,the cold airdenaturation disappears,and precipitation tends to end.Key words returning flow in north China;cold air;path;precipitation type55