普洱市冬季低溫冷害天氣過程研究

王 飛,王曉君,姚自偉,高正南,何泉威

(1.云南省普洱市氣象臺,云南 普洱 665000;2.云南省普洱市人工影響天氣中心,云南 普洱 665000)

0 引言

普洱市位于云南西南部,地處22°02′～24°50′N,99°09′～102°19′E,境內群山起伏,山地面積占98.3%;北回歸線橫穿普洱市中部,受地形、海拔影響,垂直氣候特點明顯;影響云南的冷空氣只有強度較強時才有可能翻越哀牢山脈影響普洱地區。由于普洱市氣候常年偏暖,種植了面積、產量和產值均居全國第一的咖啡等熱帶作物,因而普洱市對低溫冷害的防御能力顯著偏弱,例如1999年12月23—30日低溫冷害天氣造成普洱市經濟損失達當年GDP的16.29%。因此,開展普洱市低溫冷害天氣的研究,對于做好氣象防災減災工作具有十分重要的科學意義和現實意義。

研究表明[1-2],發生在我國的寒潮天氣北方較多,其次是中國東部的江南地區。單就南方地區而言[3-9],冷空氣影響最頻繁的時段為12月—次年1月,一般沿西路、中路、東路及東路加西路4條路徑南下影響我國南方地區,而影響地處低緯高原云南的冷空氣在強度和路徑等方面與我國東部和北部地區不同。研究發現[10-12],云南寒潮影響強度及頻次都較全國大部偏弱、偏少,南下影響云南的冷空氣主要有西北、東北和偏東3條路徑。當前已有一些學者對云南的低溫冷害天氣進行了研究[13-22],結果表明云南的寒潮天氣主要集中在東部和北部,西南部地區最少,因此很多有關低溫冷害天氣的研究也主要針對云南東部地區。這些研究對云南西南地區的低溫冷害天氣的預報有一定的指導意義,但針對性不夠強,缺乏定量化的指標;同時云南西南地區低溫冷害天氣發生的規律、形成原因等尚不清晰。因此,有必要進一步開展普洱市低溫冷害天氣形成原因的研究,加深對低溫冷害天氣背景的認識。

1 資料與方法

所用資料為1999—2020年冬季(12月—次年2月)的常規高空觀測資料,175個地面氣溫觀測站資料,再分析資料(ECMWF提供的空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 h的再分析資料;NCEP/NCAR提供的空間分辨率為2.5°×2.5°,時間分辨率為1 d的再分析資料),氣象災害管理系統的災情信息以及其他補充資料;氣候平均值定義為1981—2010年的平均值。

將達到以下任意2個以上標準的過程定義為1次低溫冷害天氣過程:(1)普洱市受冷空氣影響,全市20%氣象觀測站出現日最低氣溫≤5 ℃;(2)普洱市任意縣(區)高海拔地區出現降雪,或者霜凍;(3)低溫天氣造成全市60萬元以上的直接經濟損失。根據上述標準共挑選出10次低溫冷害天氣過程;根據過程相伴出現的不同天氣現象的發生時間對其分型;將每種類型的每次過程開始、最強、結束對應時段進行合成分析。

2 結果分析

2.1 普洱市低溫冷害天氣過程概述

1999—2020年冬季普洱市共出現10次低溫冷害天氣過程;其中1999年、2013年和2016年的低溫冷害影響最大,經濟損失均超過50 000萬元(表1)。

從1960—2020年冬季普洱市平均氣溫變化可知氣溫年代際正距平時期的1995年(-0.3 ℃)、1996年(-0.01 ℃)、1999年(-0.1 ℃)和2013年(-0.1 ℃)普洱市冬季平均氣溫均偏低(圖1),表明普洱市低溫冷害天氣非常值得研究。

圖1 1960—2020年冬季普洱市10縣(區)平均氣溫距平變化Fig.1 Average temperature anomalies of 10 counties(districts)in Pu'er City in winter from 1960 to 2020

2.2 低溫冷害天氣過程的分型分析

低溫冷害天氣均與冷空氣活動有關,其表現形式有一定的差異,大氣環流形勢的變化也有所不同。根據10次低溫冷害天氣過程相伴出現的不同天氣現象及其發展演變特征,將低溫冷害天氣分為3種類型:Ⅰ型以低溫雨雪天氣為主;Ⅱ型過程開始至最強階段以低溫雨雪天氣為主,最強至趨于結束階段出現霜凍災害;Ⅲ型以低溫霜凍災害為主。

2.2.1 Ⅰ型低溫冷害天氣過程分析 10次低溫冷害天氣過程中有2次屬于Ⅰ型,過程受南支槽和冷空氣共同影響,以低溫雨雪天氣為主,850 hPa上溫度低于8 ℃和4 ℃的區域分別控制普洱市2～3 d和1～2 d(表2)。

表2 Ⅰ型低溫冷害天氣過程影響系統、低溫變化以及天氣現象Tab.2 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅰ cold weather cases

圖2給出了Ⅰ型低溫冷害天氣高低層大氣環流分布。過程開始時,500 hPa高空圖上歐亞中高緯度為一槽一脊模態,歐洲東部至亞洲為強盛的高壓脊區,東亞大槽以橫槽呈現,850 hPa上東北風已開始影響云南地區并進入普洱市東部;海平面氣壓場上云南地區形成東高西低、北高南低的形勢,且東部為大范圍的正變壓,這有利于冷空氣進入普洱地區;此時850 hPa上8 ℃等溫線位于普洱地區東部(圖2a～2c)。過程最強階段,強盛的高壓脊區減弱位置偏西,東亞大槽轉豎入海,東亞地區形成階梯槽,850 hPa上東北風加強影響普洱地區并延伸到中南半島北部,云南地區海平面氣壓場上北高南低、東高西低形勢更為明顯,且東部更為明顯的大范圍正變壓出現變壓中心,普洱地區處于正變壓區,說明冷空氣已大舉南下并有后續冷空氣的補充;同時孟加拉灣南支槽加深,將水汽輸送至云南;此時850 hPa上8 ℃等溫線控制云南大部地區,普洱市位于0～4 ℃等溫線之間,較強的低溫雨雪天氣過程開始形成(圖2d～2f)。過程趨于結束階段,強盛的高壓脊區位于歐洲東部至亞洲西部,東亞階梯槽消散;普洱地區低空由東北風轉為東南風控制,云南地區海平面氣壓場上北高南低、東高西低的形勢減弱,且包括普洱的大部地區轉為負變壓區,南支槽加強且位置偏南;這說明后期冷空氣補充減弱,來自熱帶地區的水汽輸送逐漸增強(圖2g～2i)。

值得關注的是,普洱地區上空850 hPa出現持續東北風,同時溫度<8 ℃時,全市現有氣溫監測站中22%～86%的站點日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),表明當對流層低層有持續東北風、溫度<8 ℃時,普洱市出現低溫冷害天氣的可能性較大。

圖3給出了普洱區域(22°～25°N,99°～102.5°E)Ⅰ型低溫冷害天氣過程相對濕度和垂直速度高度剖面,可看出850～600 hPa相對濕度較大且垂直變化較小,過程開始到最強階段整層大氣以上升運動為主,對低溫雨雪天氣的出現較為有利;過程趨于結束階段上升運動明顯減弱,但濕度較大使得天空狀況較差,夜間輻射降溫不明顯,不利于霜凍的形成。

圖3 普洱區域Ⅰ型低溫冷害天氣過程相對濕度(單位:%)和垂直速度(單位:Pa·s-1)高度剖面合成圖Fig.3 Synthetic diagram of the relative humidity(unit:%) and vertical velocity (unit: Pa·s-1) height profile in Pu'er area during type I cold weather cases

基于以上分析,Ⅰ型低溫冷害天氣過程開始至最強階段受南支槽和冷空氣配合影響,抬升條件和水汽條件較好有利于低溫雨雪天氣的出現;趨于結束階段冷空氣補充減弱,南支槽有所加強位置偏南,西南氣流水汽輸送使得天空狀況較差,夜間輻射降溫不明顯,不利于低溫霜凍天氣出現。

2.2.2 Ⅱ型低溫冷害天氣過程分析 4次Ⅱ型低溫冷害天氣過程同樣受南支槽和冷空氣共同影響,過程開始至最強階段出現低溫雨雪,最強至趨于結束階段出現霜凍,850 hPa溫度<8 ℃和<4 ℃的區域分別控制普洱市3～6 d和0～3 d(表3)。

表3 Ⅱ型低溫冷害天氣過程影響系統、低溫變化以及天氣現象Tab.3 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅱ cold weather cases

圖4給出了Ⅱ型低溫冷害天氣高低層大氣環流分布。過程開始時,500 hPa高空圖上歐亞中高緯度為兩槽一脊模態,歐洲東部至亞洲為強盛的高壓脊區,與Ⅰ型不同的是東亞大槽偏淺,云南地區受南支槽前西南氣流影響,850 hPa東北風建立并影響云南東部;海平面氣壓場上云南地區北高南低的形勢較為明顯,北部為較明顯的正變壓,同樣有利于冷空氣進入云南并進一步影響普洱地區;此時850 hPa上8 ℃等溫線位于普洱地區東部(圖4a～4c)。

過程最強階段,強盛的高壓脊區緩慢東移,東亞地區未出現階梯槽,云南地區處于南支槽后西北氣流中,850 hPa東北風加強影響普洱地區并延伸到中南半島北部;云南地區海平面氣壓場上北高南低的形勢維持,中部以西以南包括普洱地區為較大范圍的正變壓,說明此階段受冷空氣影響,且處于下沉區;此時850 hPa上8 ℃等溫線控制普洱地區,南支槽移速快,南支槽影響時段形成較強的低溫雨雪,南支槽過境后,夜間容易產生較強的晴空輻射,形成霜凍天氣(圖4d～4f)。

過程趨于結束階段,強盛的高壓脊區繼續緩慢東移,云南地區轉為較平直西風控制,普洱地區850 hPa西北風轉為偏東風,云南地區海平面氣壓場上北高南低的形勢減弱且包括普洱的大部地區轉為負變壓區,說明此時冷空氣和下沉氣流均明顯減弱,霜凍天氣減弱趨于結束(圖4j～4i)。

值得注意的是,普洱地區上空850 hPa出現持續東北風,同時溫度<8 ℃時,普洱市現有氣溫監測站中76%～99%的站點日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),同樣表明當對流層低層850 hPa出現持續東北風、溫度<8 ℃時,普洱市出現低溫冷害天氣的可能性較大。

圖5給出了普洱區域(22～25°N,99～102.5°E)Ⅱ型低溫冷害天氣過程相對濕度和垂直速度高度剖面?？煽闯鲞^程開始到最強階段,850～700 hPa相對濕度較大且垂直變化較小,整層大氣以上升運動為主,對出現低溫雨雪天氣較為有利;過程最強階段到趨于結束階段相對濕度明顯下降,整層大氣由上升運動轉為下沉運動,使得天空迅速轉晴,夜間輻射降溫明顯,非常利于霜凍的形成;過程結束時,中高層轉為上升運動,且濕度增大。

基于以上分析,Ⅱ型低溫冷害天氣過程開始至最強階段受南支槽和冷空氣配合影響,抬升條件和水汽條件較好有利于低溫雨雪天氣的出現;最強階段到趨于結束階段南支槽快速出境,受冷空氣和槽后下沉氣流影響,夜間輻射降溫明顯,利于霜凍天氣出現。

2.2.3 Ⅲ型低溫冷害天氣過程分析 10次低溫冷害天氣過程中有4次過程屬于Ⅲ型,此類過程受冷空氣影響,無南支槽配合,以霜凍天氣為主,850 hPa溫度<8 ℃區域控制普洱市2～7 d,溫度<4 ℃區域控制普洱市0～3 d(表4)。

表4 Ⅲ型低溫冷害天氣過程影響系統、低溫變化以及天氣現象Tab.4 Influence system, low temperature variation and weather of type Ⅲ cold weather cases

圖6給出了Ⅲ型低溫冷害天氣高低層大氣環流分布。過程開始時,500 hPa高空圖上歐亞中高緯度表現為兩槽一脊模態,歐洲東部至亞洲西部為較強盛的高壓脊區,云南地區為脊前西北氣流控制,850 hPa東北風建立影響普洱地區,并延伸到中南半島北部;云南地區海平面氣壓場上北高南低、東高西低的形勢較為明顯,且包括普洱的大部地區處于正變壓區;此時850 hPa上8 ℃等溫線已控制普洱東部地區(圖6a～6c)。

圖6 同圖2,但為Ⅲ型低溫冷害天氣過程高低層大氣環流分布Fig.6 Same as fig.2, but for the Distribution of atmospheric circulation in upper and lower layers of type Ⅲ cold weather cases

過程最強階段,高壓脊東移,云南地區仍處于脊前西北氣流中,普洱地區850 hPa東北風持續;云南地區海平面氣壓場上北高南低、東高西低的形勢維持,正變壓減弱范圍減小,說明此時段冷空氣持續影響但脊前下沉氣流有所減弱;850 hPa上8 ℃等溫線仍控制普洱地區(圖6d～6f)。

過程趨于結束階段,整個中高緯度地區轉為較平直西風氣流,對應云南地區轉為平直西風控制;普洱地區850 hPa東北風轉為偏南風,云南地區海平面氣壓場上北高南低、東高西低的形勢減弱,且包括普洱的大部地區處于負變壓區;850 hPa上氣溫升到8 ℃以上,霜凍天氣結束(圖6g～6i)。

與Ⅰ型和Ⅱ型一樣,普洱地區上空850 hPa出現持續東北風并且溫度<8 ℃時,全市現有氣溫監測站中20%～100%的站點日最低氣溫降到了5 ℃以下(表1),這一致表明當對流層低層出現持續東北風并且溫度<8 ℃時,普洱市出現低溫冷害天氣的可能性較大。因此上述風場特征和溫度閾值可以作為普洱市低溫冷害天氣出現的重要指標。

圖7給出了普洱區域(22°～25°N,99°～102.5°E)Ⅲ型低溫冷害天氣過程相對濕度和垂直速度高度剖面?？煽闯稣麄€過程相對濕度均較小,整層大氣以下沉運動為主,有利于晴空持續及較強的夜間晴空輻射,導致霜凍天氣過程出現。

圖7 同圖3,但為Ⅲ型低溫冷害天氣過程相對濕度和垂直速度Fig.7 Same as fig.3, but for the relative humidity and vertical velocity of type Ⅲ cold weather cases

基于以上分析,Ⅲ型低溫冷害天氣過程主要是由于冷空氣影響所致,無南支槽配合,較差的水汽條件加之脊前西北氣流下沉引起了較強的夜間晴空輻射,導致出現霜凍天氣過程。

綜上,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型低溫冷害天氣過程的高低層環流變化有明顯差異,其中最重要的是冷空氣和南支槽的配置及其變化。冷空氣影響是3類低溫冷害天氣過程的共同特征,但環流變化的表現形式卻有所不同:Ⅰ型過程歐亞中高緯度為一槽一脊模態,高壓脊區強盛,東亞地區形成階梯槽,過程中不斷有冷空氣補充南下;Ⅱ型過程歐亞中高緯度為兩槽一脊模態,高壓脊區強盛利于強冷空氣南下,東亞未形成階梯槽補充冷空氣,利于南支槽東移轉為西北氣流控制;Ⅲ型過程中高緯度表現為兩槽一脊模態,高壓脊較強利于脊前西北氣流下沉影響。南支槽的配合與否是普洱市不同類型低溫冷害天氣產生的關鍵,Ⅰ型過程南支槽穩定維持,槽前西南氣流水汽輸送加上穩定南下冷空氣的配合影響,導致低溫雨雪天氣的形成;Ⅱ型過程南支槽為東移型,過程開始至最強階段南支槽配合冷空氣造成低溫雨雪天氣,過程最強至趨于結束階段南支槽東移,槽后較強的西北下沉氣流配合冷空氣影響,導致霜凍的出現;Ⅲ型過程冷空氣影響,受脊前的西北氣流控制,天空轉晴,利于霜凍出現。此外,普洱市上空850 hPa出現持續東北風、溫度<8 ℃,可以作為低溫冷害,包括低溫雨雪或低溫霜凍產生的重要指標。

3 結論

(1)根據低溫冷害天氣過程相伴出現的不同天氣現象,普洱市的低溫冷害天氣過程可以分為3類:低溫雨雪型(Ⅰ型)、低溫雨雪和低溫霜凍型(Ⅱ型)、低溫霜凍型(Ⅲ型)。

(2)不同類型低溫冷害天氣過程對應的高低層大氣環流配置不同。Ⅰ型發生時500 hPa上歐亞中高緯度表現為一槽一脊模態,東亞大槽由橫轉豎形成階梯槽,伴有南支槽配合影響,環流穩定;Ⅱ型出現時歐亞中低緯度500 hPa形勢表現為兩槽一脊模態,東亞大槽偏淺,南支槽為快速東移型;Ⅲ型中高緯度500 hPa形勢表現為兩槽一脊模態,高壓脊較強利于脊前西北氣流下沉,無南支槽配合。

(3)普洱市上空850 hPa出現持續東北風、溫度<8 ℃,可以作為低溫冷害,包括低溫雨雪或低溫霜凍產生的重要指標。