2022 年廣西兩次低溫雨雪冰凍過程分析

李生艷，梁嘉穎，覃皓，董雪晗，黃 晴，劉國忠

（廣西壯族自治區氣象臺，南寧 530022）

低溫雨雪冰凍天氣是華南地區冬季主要災害天氣之一，廣西地處南疆，持續時間較長的低溫雨雪冰凍天氣對農林漁牧業、水利、電力、交通和民眾生活等造成嚴重影響［1-2］。近年來，在氣候變暖背景下，低溫雨雪冰凍天氣時有發生，2008、2011、2016 年冬季我國南方均發生較嚴重的低溫雨雪冰凍天氣，其中2008 年過程強度、影響范圍、持續時間、造成災害為歷史罕見。針對低溫雨雪冰凍過程，國內學者從氣候環流背景、天氣動力成因、大氣層結、環境場特征及數值預報產品性能等方面進行大量研究［3-9］。預報一線工作者對廣西低溫雨雪冰凍天氣成因及預報技術進行分析研究［10-14］。李向紅等［15］對影響廣西兩次低溫災害及物理機制進行對比分析。賴珍權等［16］對2016 年初廣西罕見的一次低溫雨雪冰凍災害天氣的成因進行診斷分析。目前針對發生在同一氣候背景下，廣西長時間低溫雨雪冰凍天氣過程物理機制分析的研究少見，有必要開展進一步研究。

2022 年1 月28 日至2 月25 日，廣西出現大范圍持續低溫雨雪冰凍天氣，低溫持續時間長，降水量歷史同期最多，降雪范圍大，是2009 年來最嚴重的低溫雨雪冰凍過程。期間共出現5 次不同程度的低溫雨雪冰凍過程，其中1 月28 日—2 月5 日和2 月18—25 日為兩次較長時間的低溫雨雪冰凍天氣過程，過程期間出現多種災害性天氣，包括強降溫及嚴重低溫、暴雨、雪、雨夾雪、凍雨、冰粒、冰凍、霜凍及偏北大風等。持續低溫雨雪冰凍天氣對全區農林漁牧業造成嚴重影響，部分水陸交通管制，電力啟動應急處置，災情嚴重，據廣西壯族自治區應急管理廳統計，直接經濟損失超3.8 億元。本研究應用常規觀測資料和NCEP／NCAR 再分析資料，對上述兩次低溫雨雪冰凍天氣過程進行分析，探討廣西低溫雨雪冰凍天氣過程的降溫機制及冬季暴雨產生機制，以期為今后的低溫雨雪冰凍天氣過程預報提供有益的思路和方法。

1 資料與方法

（1）降雨量和氣溫資料來自國家地面氣象觀測站和廣西區域氣象觀測站資料，雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等天氣實況來自國家地面氣象觀測站，再補充廣西氣象部門及社會報告；利用上述資料對低溫雨雪冰凍實況進行統計分析。

（2）利用高空、地面常規觀測及雷達資料，通過天氣診斷方法，分析低溫雨雪冰凍天氣成因。

（3）采用美國環境預報中心和國家大氣研究中心（NCEP／NCAR）逐日再分析資料，分辨率2.5°×2.5°。利用溫度傾向方程對降溫機制進行診斷:

式中，γd和γ 分別為干空氣和環境溫度遞減率，cp為定壓比熱容為溫度局地變化項，將后一日與當日的溫度做差得到，表征當日的溫度局地變化為溫度平流項，反映冷暖空氣水平運動引起的局地溫度變化；ω（γd-γ）為垂直輸送項，反映由垂直運動帶來的絕熱膨脹冷卻或絕熱壓縮增溫為非絕熱加熱項，包含輻射、湍流交換、水汽相變等過程，由其他三項倒推得到。

2 結果與分析

2.1 低溫雨雪冰凍實況

1 月28 日—2 月5 日（過程1，下同），桂北、桂東出現80 站日雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等凝凍天氣（表1），其中30 日08 時—31 日08 時雨雪冰凍范圍最大。降雨主要出現在1 月27 日20 時—2 月3 日20 時（圖1a），最強降雨出現在1 月30 日20 時—31日20 時（圖1b），桂中、桂南部分地區出現中到大雨，局部暴雨。降溫主要出現在28—29 日，桂西、桂南降溫6～10 ℃，局部12 ℃以上，桂東北降溫2～6 ℃，過程最低氣溫出現在31 日凌晨，高寒山區為-6～0 ℃，桂北為1～4 ℃，桂南為5～9 ℃。

圖1 2022 年廣西兩次低溫雨雪冰凍過程降雨實況圖

表1 兩次過程逐日（08 時—08 時）凝凍天氣站數統計

2 月18—25 日（過程2，下同），桂北、桂東出現154 站日雪、雨夾雪、凍雨或冰凍等凝凍天氣（表1），其中22 日08 時—23 日08 時雨雪冰凍范圍最大。降雨主要出現在2 月17 日20 時—23 日20 時（圖1c），其中2 月18 日20 時—19 日20 時降雨最強（圖1d），桂中、桂南大部出現大到暴雨，局部大暴雨。降溫主要出現在18—20 日，桂西、桂南降溫6～12 ℃，局部13 ℃以上，桂東北降溫4～6 ℃。過程最低氣溫出現在23 日凌晨，高寒山區-8～-1 ℃，桂北0～4 ℃，桂南4～7 ℃。過程2 雨雪范圍更廣、強度更強；降溫幅度更大，最低氣溫更低，集中降溫時段更長。

2.2 雨雪冰凍及冬季暴雨成因分析

2.2.1 環流背景及影響系統

1 月27 日—2 月24 日500 hPa 平均高度與距平場上，亞洲中高緯西高東低，冷渦偏南，中高緯的經向環流分布有利于冷空氣連續不斷補充南下影響華南地區；同時，孟加拉灣高度明顯偏低，有利于南支波動活躍偏強，西南暖濕氣流持續向江南、華南輸送，有利廣西降水持續。850 hPa 南北風均偏強，冷暖氣團長時間在廣西交綏。地面冷高壓控制歐亞大陸，冷高中心明顯偏南偏強，準靜止鋒位于華南沿海，有利于低空暖空氣沿鋒面爬升，形成持續低溫雨雪冰凍天氣。

在有利的環流背景下，過程1 廣西有3 次南支槽配合北支槽東移影響過程，其中1 月27—29 日為南支深槽緩慢東移（圖2a）；850 hPa 切變線先南移后北抬并再次南壓，伴有偏南急流加強；1 月29 日20 時850 hPa 鋒區最強達16 ℃·（10 緯距）-1，低空急流在31 日20 時最強達18 m·s-1，0 ℃線在桂北擺動；地面有3 股冷空氣影響廣西（圖略），其中1 月27—29 日冷空氣最強，過程冷高壓中心4 日08 時最強達1 070 hPa，中心位于蒙古國西北部。

圖2 500 hPa 和850 hPa 天氣系統演變圖

過程2 廣西有2 次南支槽配合北支深槽東移影響過程，其中2 月17—19 日蒙古橫槽轉豎加深東移（圖2b）；850 hPa 切變線在廣西擺動，偏南急流異常加強；2 月19 日08 時低空急流和鋒區最強，分別達14 m·s-1、20 ℃·（10 緯距）-1，0 ℃線在桂中、桂南擺動；地面有2 股冷空氣影響廣西（圖略），冷高壓中心2 月18 日08 時最強達1 062.5 hPa，中心位于蒙古國西北部。

兩次過程相似點是:南支活躍、東移緩慢，急流軸穿過廣西；切變線長時間在廣西擺動，鋒區強，切變線南側偏南急流強，低空急流最強時段對應強降水時段；蒙古冷高不斷分裂冷空氣南下影響廣西，冷高壓中心強。不同點是:過程1 南支槽深，北支偏北偏弱；低空急流在中后期顯著加強，0 ℃線位置偏北；冷空氣南移速度慢，冷高壓中心強，冷空氣主體偏北。過程2 南支槽移速偏慢，東亞槽偏強偏南；低空急流前期強，鋒區強，0 ℃線位置偏南；冷空氣南移速度快，冷空氣主體偏南。

兩次過程較強降水，高空急流起到重要作用。過程強降水時段200 hPa 風場上高空西風急流顯著增強，廣西處于高空急流南下側輻散區，有強的風垂直切變和水平切變；高空西風急流引起的對稱不穩定有利于中尺度上升運動加強。過程2 的風水平切變更強，對應產生的降水更強，范圍更大。

2.2.2 環境條件

2.2.2.1 大氣層結特征

選取兩次過程桂林、梧州站探空曲線進行分析，兩次過程均有厚的濕層，低層存在逆溫層，風隨高度順轉，有較強暖平流，桂林探空0.5～2 km 高度存在冷層。二者溫濕層結存在一些差異，1 月31 日08時，濕層伸展高度集中在中下層，桂林濕層伸展到6 600 m 高度，500 hPa 溫度達-14 ℃，冰晶層??；融化層位于2～3 km 高度，厚度約1 km，融化層也薄。2月19 日濕層深厚，桂林濕層伸展到對流層上層，冰晶含量多；融化層位于2～4 km 高度，厚度2 km，融化層較厚，桂北特殊的溫濕層結導致降水相態復雜。梧州700 hPa 以下的溫度均高于0 ℃，實況表現為強降雨。

2.2.2.2 水汽條件

兩次過程廣西濕層較深厚，為雨雪產生提供較好的水汽條件。過程15 g·kg-1比濕線伸展高度維持在700hPa 附近，低層比濕達到10 g·kg-1。過程2 在19—20 日強降雨時段，5 g·kg-1比濕線伸展到500 hPa 附近，低層桂南比濕達到13 g·kg-1。比濕變化與降水強度、范圍大小相對應。從水汽通量來看，兩次過程水汽輸送來自于孟加拉灣和南海，過程2 低層水汽通量中心值始終超過18 g·cm-1·hPa-1·s-1，來自孟加拉灣和南海的充足水汽接力輸送，使其降雨強度更強，范圍更廣。

2.2.2.3 動力條件

兩次過程假相當位溫在低層存在明顯的等值線密集區，并隨高度向冷空氣一側傾斜，說明有冷空氣不斷從北邊侵入，冷空氣勢力較強，地面鋒區位于21°N 附近，在近地面的鋒區坡度均明顯增大，有利于鋒區的加強和冰凍雨雪天氣的發生。鋒區之上，低層強暖濕氣流沿鋒面爬升，1 月31 日廣西上升運動最強位于700 hPa，中心達-1.5 Pa·s-1；2 月19 日廣西上升運動最強位于600 hPa，中心達-2.4 Pa·s-1，明顯上升運動區可伸展到300 hPa，整層上升運動且更強，這也是后者降雨更強原因之一。

2.2.3 雷達回波特征

分析兩次過程主要雨雪時段雷達回波可知，1月31 日，廣西有多條平行窄帶回波自西南向東北移動，最強達40 dBZ，最大小時雨量16 mm，零度層亮帶不明顯。2 月18—20 日，較強回波在廣西維持時間長，強回波主要位于桂南、桂東。18 日多條平行窄帶回波自西南向東北移動，19—20 日為層狀云積云混合降水回波，最強達50 dBZ，強回波高度在5 km以下，最大小時雨量32 mm，零度層亮帶特征明顯，零度層高度桂北約3 km，桂南約4.5km。表明冬季強降水發生在弱條件對稱不穩定層結條件下。過程2較厚的融化層更有利于暴雨產生。

2.3 降溫機制分析

由區域平均各項時間演變可以看到，過程1 降溫主要受冷平流和垂直輸送（上升絕熱冷卻，下同）的共同作用。其中，冷平流的影響集中在近地面層925 hPa 以下（圖3b），在850 hPa 以上仍為暖平流（圖3a），表明冷空氣厚度較為淺薄。垂直輸送項則表現為高度越高作用越明顯。整個過程非絕熱加熱項均起到增溫的作用，但不足以抵消溫度平流和垂直輸送帶來的冷卻。后期冷平流和垂直輸送的作用逐漸減弱，溫度回升。

圖3 區域平均（103～112°E，21～27°N）的各項時間序列（紫色、藍色、黃色和紅色線分別為溫度局地變化項、溫度平流項、垂直輸送項和非絕熱加熱項，單位：10－5 K·s－1）

過程2 降溫同樣是由冷平流和垂直輸送主導，而非絕熱加熱項仍然起到增溫作用。不同的是，此次過程冷平流的影響可以達到850 hPa，表明冷空氣更為深厚（圖3c）。垂直輸送項在降溫前期貢獻較大，后期逐漸由上升絕熱冷卻轉為下沉絕熱膨脹，促使溫度回升（圖3d）。值得注意的是，溫度平流項和非絕熱加熱項均在19 日達到極值，此時為廣西降水最強時段，達到暴雨量級，表明冷空氣活動造成降水的作用顯著，伴有明顯的水汽潛熱釋放。

進一步選取兩次過程具有典型特征的時段進行分析，分別選取降溫最強的1 月28 日以及降水最強的2 月19 日。

1 月28 日，溫度局地變化項呈現廣西1 000～700 hPa 均為-7～-3 ℃的降溫。近地面層廣西受偏北風控制，為一致的冷平流，而在850～700 hPa 則轉為偏南風，帶來暖平流，冷空氣較為淺薄。垂直輸送項上，1 000～700 hPa 廣西均處于上升運動區，上升絕熱膨脹導致冷卻降溫。同時，隨著高度增高，上升運動增強，降溫效應更為顯著。此外，還可以看到強上升區位于桂西北，與當天較強降水的落區相對應。非絕熱加熱的作用桂西北強于桂東南，這也與桂西北降水較強密切相關，降水帶來更多的潛熱釋放，這一特征在850 hPa 以上的高度更為明顯。

2 月19 日，廣西1 000～700 hPa 為-7～-1 ℃的降溫，此時1 000～850 hPa 均為冷平流控制，700 hPa 才轉為偏南風帶來的暖平流，冷空氣較1 月的過程略深厚。冷暖空氣在桂南交匯，造成較強降水，強上升區位于冷墊之上（850 hPa 以上）桂南一帶，上升絕熱膨脹導致明顯的冷卻降溫。同時，桂南較強降水對應更多的潛熱釋放，降水落區與較強非絕熱加熱區在中層對應更好，表明中層潛熱加熱作用占非絕熱加熱較大比重，這與水汽相變集中在中層有一定聯系。

3 結論和討論

通過對2022 年初廣西兩次低溫雨雪冰凍天氣過程進行分析，得到主要結論如下:

（1）亞洲中高緯穩定的西高東低異常經向環流和活躍的南支波動，使冷暖氣團長時間在廣西交綏，造成廣西兩次較長時間的持續低溫雨雪冰凍天氣。

（2）過程2 較比過程1 雨雪范圍廣、強度強，主要由于過程2 具有更好的動力、水汽條件和冷空氣勢力偏強。兩次過程濕層均伸展到500 hPa 以上，存在冰晶層，2～4 km 高度有融化層，0.5～2 km 高度存在冷層，特殊的溫濕層結導致降水相態復雜；冬季強降水發生在弱條件對稱不穩定層結條件下。

（3）廣西雨雪冰凍及冬季暴雨的成因為:①500 hPa 北支槽和南支槽同時活躍，冷暖空氣對峙明顯，華南形成強鋒區；②低層切變線在廣西擺動，切變線南側強偏南急流將南海北部和孟加拉灣水汽輸送到廣西上空，切變線南側、急流前端形成水汽輻合，產生雨雪冰凍天氣；③前期冷空氣影響，低空急流在冷墊上爬升，是高濕低能穩定層結條件下以穩定性降水為主的混合降水，局地對流較強；④200hPa 高空西風急流引起的對稱不穩定有利于中尺度上升運動加強；⑤強的動力、水汽條件和冷空氣配合，產生冬季暴雨。

（4）兩次過程降溫主要受冷平流和垂直輸送（上升絕熱冷卻）的共同作用，非絕熱加熱項均起到增溫的作用。過程2 較過程1 冷平流更為深厚，中層潛熱加熱作用較明顯，與水汽相變有一定聯系。在業務中溫度預報既要考慮冷平流和上升絕熱冷卻的降溫作用，也要考慮水汽相變的潛熱加熱作用。

在“拉尼娜”事件氣候背景下，南方易出現嚴重低溫雨雪過程，這兩次過程與此前2008 年、2016 年廣西罕見低溫雨雪天氣相比，大氣環流、溫濕層結、降水相態和強度以及降溫程度均有一定差別，低溫雨雪冰凍形成物理過程及其預報預測技術仍有待進一步研究。