2007年一次大天氣過程成因分析

2007年一次大天氣過程成因分析

1資料及分析方法2007年11月6日至9日，吉林省遭遇了一場嚴重的風暴。這場風暴最集中在6日20:00至8日14:00之間。吉林省中部29個氣象站觀測到能見度約1000米的211次。在嚴重的情況下，90個氣象站的能見度不到1000米，農(nóng)業(yè)安等許多站的能見度不到50米。吉林空管分局根據(jù)霧情采取了有力措施,但是,一連幾日不散的霧天,特別是8日,全天能見度≤100m,嚴重影響了航空活動,共有78架次航班延誤或取消,近千名旅客滯留機場。1.2資料及分析方法采用吉林省中部29個氣象臺站和龍嘉機場的地面、高空、雷達、衛(wèi)星云圖等資料,從7個側(cè)面分析大霧氣象條件及其成因,采用MICAPS預報制作系統(tǒng)工具分析低空的變溫場,分析濕度的前后變化特點,用T-lnP資料和風垂直剖面分析大氣溫度層結的特點。采用本機場的觀測資料,分析氣象要素的演變特點。采用長春新一代雷達觀測資料分析強度場和速度場的大霧表現(xiàn)。2南來暖濕空氣的大氣形勢分析2.1整層大氣濕度條件分析從7日08時長春的探空T-lnP圖看出,在地面到300hPa之間大約9000m厚度層里,氣溫狀態(tài)曲線和露點狀態(tài)曲線之間非常貼近,說明溫度和露點相差很小,表明空氣特別潮濕,垂直方向的濕層很深,這種整個對流層的潮濕條件很少見。2.2大氣狀態(tài)和低層逆溫條件分析T-lnP圖上狀態(tài)曲線全部位于層結曲線的左側(cè),表明大氣呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。本次大霧過程中,低層逆溫的“蓋”效應再次表現(xiàn)出來,在925hPa層以下的近地氣層內(nèi),表現(xiàn)為等溫,說明在整層高濕度的條件下,足夠的等溫厚度同樣是形成大霧的有利條件。2.3天氣形勢條件分析2.3.1暖濕空氣輸送造成吉林省升溫升濕大霧天氣過程早期的5-6日,低空呈現(xiàn)明顯的增溫,從黃河下游經(jīng)由渤海到遼東半島一線,出現(xiàn)大范圍升溫帶,這些經(jīng)由海洋的暖濕空氣,在低空槽前的西南風作用下,不斷向東北地區(qū)輸送,暖濕空氣的輸送作用,促使東北地區(qū)低空的溫度場出現(xiàn)了暖脊,6日08時長春850hPa前36小時變化反應了這種暖濕輸送的效果,氣溫上升4℃,溫度露點差減小9℃,表現(xiàn)為升溫升濕,為凝結成大霧提供了水汽基礎條件。2.3.2天氣系統(tǒng)位置和強度分析6日08時,地面等壓線特別稀疏(見圖1),東北地區(qū)幾乎只有一根等壓線,氣壓梯度小,風速小,說明東移低壓后部冷空氣微弱,水平方向的熱量交換不活躍。此時,渤海灣方向已經(jīng)有多個氣象臺站出現(xiàn)霧,高空引導氣流將暖濕空氣向吉林省輸送。700hPa的天氣形勢和地面差別不大,庫頁島的低壓后部沒有強烈冷空氣尾隨。大陸高壓的主體位于貝加爾湖一帶,不具備深冬才有的沖擊式爆發(fā)冷空氣。冷平流微弱,等壓線稀疏,使得風場保持足夠時間長度的微弱偏北風狀態(tài),既起到了對暖濕空氣的冷卻作用,又不至于把低層的暖脊很快地破壞掉。2.3.3“慢”冷卻的作用微弱的冷空氣條件延長了暖濕空氣的冷卻時間。南來的暖濕空氣從低空的槽前進入到東北地區(qū)之后,在北方初冬已經(jīng)變冷的地面和弱冷平流共同作用下,主要以熱傳導的方式和地面之間進行熱量交換,從而得到了慢速度降溫的機會,表現(xiàn)為停滯性冷卻凝結,地面日較差特別小,造成連日的霧天。大霧期間,低空24小時變溫則與大霧之前增溫的變化相反,變?yōu)樨撎?地面氣溫也隨之逐漸降低下來,說明在北方地面的冷卻和弱冷平流的共同作用下,南來暖濕空氣最終發(fā)生了變性(見圖2)。2.4衛(wèi)星云圖分析6日20時的FY-2衛(wèi)星紅外圖像上,云霧區(qū)域從內(nèi)蒙、遼寧、吉林三省(區(qū))交界位置穿過遼東半島、山東半島,繼續(xù)向西南方向延伸。內(nèi)蒙、遼寧、吉林三省(區(qū))交界位置云霧主體帶有紅色溫標結構,說明內(nèi)部結構不均勻(見圖3)。隨著云霧主體在移動中受到弱冷平流的作用,特別是受到吉林省上空高壓環(huán)流的下沉作用,使云內(nèi)對流受到抑制,云霧頂部高度不斷降低,到了12小時后的08時,紅色色溫結構完全消失,云霧主體內(nèi)部變得特別均勻,吉林省隨之轉(zhuǎn)入了大霧階段。2.5低空風對擴散的影響分析從垂直方向上高空風連續(xù)變化看出,7日08時-7日20時-8日08時,長春低空有大約2000m厚度的順時針向外吹的環(huán)流結構,根據(jù)天氣學原理判斷,這個環(huán)流造成了空氣下沉,直接向下輸送高空深厚而潮濕的空氣,7日20時距地1500m氣層竟然無風,出現(xiàn)靜穩(wěn)現(xiàn)象(見圖4),致使入冬取暖排放物被限制和束縛在閉合環(huán)流高度下部,受到下沉氣流壓迫,失去了必要的向上擴散空間。2.6本場地面氣象要素變化分析受等壓線稀疏和高壓環(huán)流下沉的共同影響,龍嘉機場大霧階段的風速很小,6日的大霧出現(xiàn)前1小時,地面風速減小到靜穩(wěn)狀態(tài),大霧開始的前3小時(16-18時)風速的和僅有1m/s。18時以及之后的8小時,完全處在連續(xù)性大霧階段,8小時的風速總和僅僅1m/s。與此相反,對應淺霧開始時間前后各8小時的各個小時風速卻分別在3m/s以上。地面風速說明,當3個小時之和超過7m/s,霧就很難出現(xiàn)和維持下去,風速加大,會加強垂直方向的混合作用,導致逆溫結構的底層低溫空氣和懸在空中的暖空氣加速混合,逆溫結構就被破壞掉,霧也就隨之消散了。2.6.2大霧出現(xiàn)前后4個氣象要素的連續(xù)變化本文采用龍嘉機場的4個氣象要素,分別是大霧起始前追后續(xù)各8個小時逐小時的風速、T-Td、氣壓和氣溫的3小時滑動變化量。采用了某次觀測值減去前3個小時氣象要素平均值所得的差值,差值等于0代表保持前3小時狀態(tài),差值曲線下降說明要素值在減小,大霧形成之前,風速逐漸減小,T-Td也隨之減小,大霧形成之后,彼此穩(wěn)定少變,氣溫變化量在進入大霧階段之前快速下降,在大霧形成前8小時已經(jīng)開始,進入大霧階段的時候,氣溫變量已經(jīng)下降到最小值,說明氣溫的變化起到促進凝結的作用。大霧開始之后,氣溫下降幅度逐漸減小,并且和T-Td的穩(wěn)定小值狀態(tài)相配合,說明在空氣基本達到飽和的狀態(tài)下,氣溫受到凝結潛熱的作用有所回升,氣溫的上述變化,通過氣壓的變化得到了進一步印證。氣壓在大霧生成之前略有升高,跟氣溫變量進入大霧階段之前加快減小相互配合,體現(xiàn)氣溫下降導致空氣密度增大促使氣壓隨之增高的匹配關系,即降溫升壓關系(這一時段的風速減小體現(xiàn)了降溫升壓的作用)。進入大霧階段之后,氣壓上升平緩,出現(xiàn)了拐點,隨后略有下降,時間上和大霧開始之后氣溫下降幅度逐漸減小走勢相互搭配,說明大霧的潛熱補償了氣溫的白天下降,引起了溫度回升性空氣膨脹,從而止住了氣壓的上升,于是,在進入大霧階段之后氣溫和氣壓呈現(xiàn)“降溫幅度變小,氣壓上升到拐點之后轉(zhuǎn)為略有下降”的特點。分析其原因主要是降溫幅度變小從中起了雙重作用,一是大霧形成之前之后,雖然降溫幅度大小有別,但降溫本身抑制了蒸發(fā)活動,對水汽壓增大起到了保護作用,從而維持了高濕度狀態(tài);二是降溫的幅度在大霧形成后逐漸變小,不僅避免了快速降溫導致的氣壓突然猛升而破壞成霧環(huán)境,而且通過潛熱釋放的途徑導致空氣膨脹而氣壓略有下降,在當時接近飽和的環(huán)境下,氣壓下降相對于水汽壓來說,起到分數(shù)的分子不變而分母變小的等效作用,促使水汽壓增大,有利于空氣保持住接近于飽和狀態(tài),維持了大霧持續(xù)。2.7新一代天氣雷達對探測信息分析有研究認為,當反射強度達到18dBz時,地面開始有降水。本次大霧天氣過程中,長春新一代雷達陸續(xù)監(jiān)測到18dBz以上的回波。在8日4時58分的圖像(圖5)上,除固定地物以外,農(nóng)安—德惠—榆樹區(qū)域出現(xiàn)成片氣象回波,反射強度超過18dBz,表明近地面層空氣接近飽和狀態(tài)。當把強度場圖像轉(zhuǎn)換成徑向速度場圖像看到,徑向速度為0(見圖6),完全不具備降水回波的移動性特征。根據(jù)回波18dBz反應很高的含水量、徑向速度為0兩個特點來判斷,所看到的成片回波就是霧。霧濃與不濃和垂直厚度關系密切,已知多數(shù)冬季霧的厚度大約在400m左右,平流霧的最高高度約為500m。而在8日4時58分的0.50仰角實時圖像上,通過波束高度判斷,得知距離雷達60km霧區(qū)當中的農(nóng)安縣的霧層高度到達1100m。因為波束高度是圓錐面上距離地面的高度,錐面以上還有一部分,圓錐面所在高度并非是霧層頂部,所以,實際霧層厚度超過1100m。也就是說,這次霧的厚度至少相當于常見霧層厚度的2倍,垂直厚度較為罕見。綜合以上情況分析,回波含水量很高、徑向速度為0、垂直厚度超常規(guī)、霧承載層風速小、有逆溫、整層潮濕,判斷所觀測到的回波不是地物,而是含水量很高的大霧。觀測實況表明,05時農(nóng)安的能見度僅100m,農(nóng)安—德惠一帶風速為零,表明新一代雷達探測并確認了大霧。2.7.2霧和降水共存情況下的新一代雷達回波區(qū)分在8日16時37分的強度場圖像和速度場圖像上,東北象限和東南象限各有氣象回波,東北象限的回波強度遠遠超出了地面出現(xiàn)降水閾值的18dBz。與強度場對應的速度場上,東北象限的速度趨近于0,說明反射物基本不動,東南象限的速度<0,說明具有大自然降水現(xiàn)象的移動特征,由此判斷東北象限是霧。這就是后來造成龍嘉機場傍晚前后超低能見度的那團霧。3式大風的天氣特征為3.1這場大霧天氣,是暖濕空氣從低層進入到庫頁島低壓后部和貝加爾湖高壓前部位置,在初冬已經(jīng)變冷的北方下墊面和利于冷卻凝結的大氣垂直結構共同作用下產(chǎn)生的。冷暖交匯,西南方向移來的云霧主體高度逐漸降低、變性,出現(xiàn)了煙、霧、霾及其混合現(xiàn)象。成因條件時間上和入冬取暖排放開始期的足夠凝結核條件配合,地域上和東北區(qū)大城市長春市重疊,造成能見度降低到極限、航班取消等麻煩。3.2低層暖濕空氣的遠距離輸送、均壓場地面形勢和弱冷平流是形成本次大霧的基礎性條件。表現(xiàn)在云系位置和分布軸向上;表現(xiàn)在前期低層暖脊和24小時正變溫的相互配合;表現(xiàn)在大霧階段的低空變溫為負值。因為冷平流條件微弱,使潮濕空氣消耗很慢,造成大霧連日不退。3.3整層潮濕、低層有逆溫或等溫,垂直方向有高壓性環(huán)流等,潮濕層非常深厚,達到300hPa層。這是形成大霧的核心條件。當層結性條件發(fā)生相反方向變化,大霧天氣過程走向結束,大霧結束前,長春市處在低空高壓環(huán)流的后部,偏北風風力加大,高空的溫度露點差也出現(xiàn)加大(見圖7)。3.4大霧出現(xiàn)前后4個氣象要素的連續(xù)變化表明,風速和濕度的關系密切,溫度變化和濕度變化是相互配合關系,多數(shù)的超低能見度時段出現(xiàn)了“降溫幅度變小,氣壓略有下降”的特點。這說明氣壓的下降同樣有利于冷卻凝結。3.5統(tǒng)一衡量等溫和逆溫情況的遞減率分析方法根據(jù)長春市近地面層出現(xiàn)等溫情況,計算了氣溫隨高度遞減率,從中看出,低能見度臺站占考察臺站總數(shù)比例大的時段,也正是氣溫垂直遞減率漸漸變小的時段,當氣溫遞減率變到最小,空間方向的冷暖之間過渡已經(jīng)不明顯,南方來的暖空氣完成了變性過程,隨后,遞減率恢復到出現(xiàn)大霧之前的水平,大霧天氣結束,說明遞減率和霧之間存在對應關系。3.6新一代雷達在監(jiān)測大霧方面有所作為。利用新一代雷達監(jiān)測資料,分析強度場和