加拿大魁北克省蒙特利尔冻雨事件的天气尺度分析外文翻译资料

 2022-11-29 15:33:04

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加拿大魁北克省蒙特利尔冻雨事件的天气尺度分析

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吉娜雷斯勒，阿塔拉，约翰加库姆

加拿大魁北克省蒙特利尔麦吉尔大学大气与海洋科学系

摘要：冻雨是一种主要环境灾害，特别是对位于加拿大魁北克南部的圣劳伦斯河山谷（SLRV）沿岸尤为常见。对于像蒙特利尔这样的大城市来说，严重的冻雨事件可以对人们财产、贸易产生严重影响。在这个研究中，介绍了1979 -2008年46个长期综合分析的冻雨事件，以确定关键的天气尺度结构和蒙特利尔冻雨事件前兆。基于观测到的500 hPa高度的结构，这些事件是手动分为三种类型：西部，中部，东部，这取决于500 hPa槽轴的位置和倾斜度。西部事件的特点是在蒙特利尔下游有强烈的地面反气旋，一个向北延伸到五大湖的倒槽，以及一个位于魁北克省准静止的地转地区锋生。中部事件的特点是一种气旋-反气旋对模式 ，表现为延伸到安大略南部的更深的地面槽和在魁北克省强大的静止反气旋。东部事件的特征是一个短暂的明确的气旋和一个较弱的下游反气旋。在所有情况下，冷的东北风主要由SLRV引导压力驱动通道。东北风表面风与低层SLRV内部的温度逆温有关。此外，西部事件往往会有较长时间的弱降水，而东部地区的降水持续时间更短的密集降水。这项研究的结果可能

帮助预报员识别和了解蒙特利尔的天气尺度结构和冻雨前兆。

1.引言

a. 动机

冻雨是冬季最严重的危害之一（多尔 2003）。小的结冰积累可以使人行道和道路危险，而严重的事件造成停电和重大财产损失。虽然重大的冻雨事件比较少见（亨森和斯图尔特2007），但它们是所有加拿大水文气象灾害中耗费最大的（多尔 2003）。1998年的冰雪风暴是悲剧性的提醒，80至100毫米的冻雨落在蒙特利尔地区（米尔顿和布尔克 1999）。这个前所未有的事件造成数百万棵树和12万公里电线和电话线倾倒（里根 1998）。在魁北克，有100万人无电可用，有10万人不得不在避难所寻求庇护，21人死亡（里根 1998；加拿大统计局，1998）。虽然冻雨影响加拿大很多地方，但沿着位于魁北克南部的圣劳伦斯河谷（SLRV）尤其普遍（麦凯和汤普森 1969）。虽然预报员密切监视可能会产生冻雨的天气系统，但是这些中尺度性质事件使得确切的位置和严重性难以达到预测。

冰冻降水可能通过两种微物理过程。第一个被称为融化过程，“当冰晶从高处落入温度升高的暖层（ge;0℃）。等到完全融化，水滴继续降落至一个低层次的冰点以下的层次变为过冷状态。过冷液滴然后接触到地表上的物体冻结（福布斯等，1987；马特内等人 1993）。第二个过程，为过冷的暖雨过程（霍夫曼和诺曼 1988），液滴由于碰撞合并，发生时往往没有一个事先存在的暖层。融化过程通常与冻雨的形成有关雨水（水滴直径大于0.5 mm），而暖雨过程与冰冻的毛毛雨（液滴直径小于0.5 mm）有关。由于这些过程可能会发生于不同的天气尺度环境中，本研究将重点关注只有观察冻雨事件。SLRV是一个在加拿大唯一发生冻雨比发生冻毛毛雨较多或者可与之相比的地方（斯图尔特和艾萨克 1999）。

目前，存在一些与冻雨有关的天气尺度天气模式的类型和频率的研究。大多数研究使用手动分类方法来检验这种关系。伯恩斯坦等人（1998）使用了一个美国大陆3年的数据集来进行分析调查冰冻降水的地点与地表面特征的相关性，如锋面，低压中心和不同起源的空气块。作者发现冻雨最常发生在活跃或静止暖锋的前方，且为北极和东部海岸的气团。罗贝尔等人（2001）也使用了一种手动分类方法来检验在美国的1970-94年期间发生的411次冬季风暴。他们确定了七个在落基山东部发生冰冻降水事件相关的原型天气模式。百分之七十四的冰冻降水事件发生在四种不同的地面天气模式中的一种：（a）北极锋，（b）气旋的暖锋闭合区（c）气旋-反气旋耦合，（d）反气旋的西部象限。另外三个模式（反气旋阻拦东海岸冷空气，沿海气旋的空气阻拦，以及冷空气捕获--在接近大陆气旋时）与沿阿巴拉契亚山脉冻结降水有关。

近年来，许多研究人员转向了自动嵌入程序来分类事件。程等人（2004）使用主成分和判别函数分析来确定发生在安大略省（CYOW）渥太华冻雨事件有关的天气尺度天气模式。他们发现了四种表层模式占据持续大于或等于6小时的冻雨事件的92％，四种类型中的每一种都是在结构上与由罗贝尔等人（2001年）确定的结构类似，冻雨频率最高发生在气旋-反气旋对模式中。

我们对蒙特利尔冻雨事件有关天气尺度天气模式的理解主要来自案例研究分析（例如，希古奇等人，2000；亨森等人，2007）。米尔顿和布尔克（1999年）概述了SLRV中的冻雨产生的四个必要组成：（a）气团含有足够的水分，（b）潜在的中尺度或天气尺度上升，（c）恒定的暖空气流入，（d）低层次的低于冰点的空气。

米尔顿和布尔克描述的条件（1999）在安大略省东部或魁北克西部的地面气旋经常出现，伴随南风的地转气流为蒙特利尔地区带来温暖、潮湿空气。在拉布拉多或魁北克东部的静止反气旋将提供冷空气，这对于维持表面上的次冻结层是必要的（米尔顿和布尔克 1999）。

这些条件由SLRV的地形局部增强（图1）。SLRV走向为西南-东北方向 ，从安大略湖延伸出去，经过蒙特利尔，到达加斯佩半岛附近的圣劳伦斯海湾。特定条件下，在蒙特利尔东北部有高压存在，西南部有低压存在（如上述条件），因此有强压力梯度力（PGF）沿着山谷。如果PGF足够强大，风就可以在SLRV内部沿山谷将通向低压，即使在地转风向时，气压梯度力也垂直于谷轴线。这种类型的模式，称为压力驱动通道，是蒙特利尔地区东北风表层风占主导地位的生成机制（卡拉雷等2009;拉兹等2012）。斯图尔特和艾萨克（1999）发现几乎所有的蒙特利尔冻结降水事件报道都是东北风的表面风。此外，罗伯和加库姆（2003年）表明在1998年的冰暴期间一个锋生点由压力驱动冷的东北风的表面风和具有温暖的地转南风提供。他们发现，这个谷地增强锋生是事件过程中降水量增加的根本原因。使用模型敏感性估计，罗伯和加库姆（2003）表明，在没有SLRV 地形，蒙特利尔地区的总冻雨量在初次和第二次降水事件中分别会减少12.1％和16.5％。

b.目标

以前在冻雨方面所做的大部分工作都有专注于三个领域之一：气候学分析（例如，斯图尔特和艾萨克 1999），进行个别案例研究（例如，福布斯等1987；罗伯和加库姆 2001），或者开发统计方法来提高预测。很少有研究对加拿大的冻雨事件进行了全面的天气尺度分析，因此在魁北克省冻雨的天气尺度分析仍然较少。

鉴于SLRV内冻雨的危险性和准确预报的重要性，需要开展更多工作来了解大气环境以及与这些事件有关的前期特征。罗伯和加库姆（2003）指出，导致蒙特利尔冻雨的中尺度过程通常由天气尺度的压力场控制。因此，这项研究的主要目的是对蒙特利尔发生典型的冻雨事件前进行检查并记录相关的天气尺度特征。这是通过对1979至2008年期间报告的最严重事件进行手动天气分类。研究了每种冻雨事件的天气尺度动力特征以及湿度场，降水率和总体积累。这项研究的一个目标是使当地预报员能够识别每种类型的冻雨事件，提供事件因果关系，演变和严重程度的进一步洞察，并有助于改善SLRV中的冻雨预测。

该论文的概要如下：第2节描述此次分析研究的数据和方法，在第3节中，介绍了蒙特利尔冻雨分析的综合结果和降水分析，第4节给出了结论性讨论。

  1. 数据和方法

a.数据

位于魁北克省蒙特利尔（Dorval）的皮埃尔·埃利奥特·特鲁多国际机场（CYUL）每小时地面观测数据是从加拿大环境部的加拿大气候资料数字档案库中检索的，时间为1979 - 2008年的七个冬季月份（十月至四月）。通过数据访问集成（DAI）在线目录[可在http://loki.qc.ec.gc.ca/DAI/; DAI（2010）]获得加拿大环境部在同一时间段CYUL6小时总降水量值。

图1 SLRV的海拔图，使用大于1弧分（ETOP1）的区域数据绘制全球地形模式（该星代表蒙特利尔（CYUL）的位置）

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选择1979年至2008年的时间段是因为可用国家环境预测中心（NCEP）北美再分析（NARR）数据集。NARR是一个长期的高分辨率数据集，用于研究与气候有关的和与水文有关的现象。NARR采用NCEP北美中尺度模式（NAM）,分辨率为32千米，垂直层数为45，每3小时进行一次分析。本研究中的大部分计算和分析使用通用气象软件包5.7.11版进行和显示。

b.事件的定义

使用加拿大环境部每小时的地面观测资料，我们确定了200次发生在CYUL持续或接近连续冻雨的事件。在这种情况下“接近连续”意味着每小时冻雨之间少于连续六小时的非冻结雨量观测。在这种情况下，连续观测意味着在冻雨观测之间没有非冻结雨水观测雨量观测。在这些事件中，有163个被认为是完全独立的，被定义为在每个事件之间至少有3天的非冻结雨观测。

1979 - 2008年的小时地表观测表明，CYUL每年接收约28小时的冻雨。1979年至2008年期间的所有冻雨观测发生在11月至4月之间，12月份（8.73小时/年）和1月份（7.23小时/年）发生率最高。在某些机场，包括CYUL，冻雨也会按小时计算其下降率。下降速率分为轻度（lt;2.5 mm/h），中度（2.5-7.5 mm/h）或重度（gt;7.5 mm/h）。在1979 - 2008年的时间段内，报告所有冻雨观测轻度为98％（850项报告中有835项）。

从理论上讲，事件的严重程度应该来自总冰积累量的测量。但是，与雨雪相反，在加拿大不能直接测量结冰雨积累。液体积聚总量中包括冻雨累积量。因此，通常会推断冻雨量从降雨率。在这项研究中，由于冻雨的主要强度是轻微的，所以只有在严重程度不同的情况下才会使用冻雨小时数。事件持续时间定义为从第一次冻雨报告到最后一次的小时数，其间可能有非冻结雨量观测。

图2 每个冻雨事件小时数直方图

CYUL的冻雨事件通常是短暂的。如图2所示，每个事件的冻雨时间分布显示了小时数

增加，冻雨事件频率呈指数下降，每次冻雨事件冻雨时间中位数为3。可以推测短时冻雨事件性质的背后的原因。表面的暖空气平流可能是一个限制因素，因为许多冻雨事件都与暖锋通道有关。（伯恩斯坦等，1998；罗贝尔等，2001）。当水平平流较弱时，斯图尔特（1985）认为潜热交换可能会导致冻雨的短暂性。由于高处的冰晶通过高温层落下，它们融化，吸收潜热并冷却周围环境。在没有热平流的情况下，冰晶的持续融化最终会将暖层冷却到0℃。类似地，地表面上过冷水滴的再冻结会释放潜热，使冷层升温至0℃。这个过程将最终破坏温度逆温，并且冻雨将改变为另一种形式的降水（斯图尔特 1985；布等人，2000）。

所有事件中有百分之七十五的冻雨时间少于6小时。因此，在本研究中，我们将长时间事件定义为每个事件具有6小时的冻雨观测值。丝膜（2000）和程等人（2004）也用一个6小时的阈值分别定义了大湖地区和渥太华地区的长时间冻雨事件。根据这个定义，在1979 - 2008年期间，在CYUL有46个长时间事件。事件发生时间（以下简称t = 0 h）定义为每次事件首次冻雨观测的时间。对于不连续冻雨事件（在冻雨观测之间超过连续六个小时的非冻结雨观测），起始时间被定义为长时间冻雨的开始时间（连续冻雨大于6小时）。在综合分析中，将起始时间四舍五入到最接近的3小时间隔以对应于NARR数据集中使用的时间步长。

c.手动天气分区

对于每个长时间事件，分析500 hPa高度、500 hPa涡度和海平面气压（SLP）场。根据观测到的500 hPa高度的结构，根据t=0 h北美500 hPa长波槽的位置和倾斜（图3），使用手动天气分类将事件划分为西，中，东三种类型。以这种方式划分事件将确保控制环境的大规模过程在每种类型中都是一致的。大尺度特征还可以对动力驱动地表特征、垂直运动的不同机制以及特征在整个大陆移动的速度的提供深入了解。此外，环境的大尺度结构的差异可能会影响某些事件类型的可预测性。

图3 t=0时（a）西部事件，（b）中部事件，（c）东部事件500 hPa槽轴位置和方向

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主要划分标准是长波500 hPa槽线轴的位置。西部事件（n=10）的特征是西部的长波槽在美国西部的三分之一（落基山前线以西）（图3a）。中部事件（n=16）的特点是美国中部的长波槽（图3b），且在西海岸建立了脊，而在西部事件中没有出过脊。东部事件（n =20）的特征是大约在95°W的长波槽（图3c）。选择95°W线是因为95°W以西的大部分槽轴都是正向倾斜的，而95°W以东的大部分槽轴都是中性或负向倾斜的。槽轴位于95°W附近的事件根据轴的倾斜度分区。具有95°W附近的中性或负倾斜长波槽轴的事件被认为是东事件，具有正倾斜的长波槽轴的事件被视为中心事件。将槽的倾斜被用作为东部和中部事件之间的划分依据，因为所有明确的东部事件都有一个负倾斜槽（图3b）。西部和中部不需要任何决定事件（图3a，b）。划分事件时不考虑短波涡量最大值。

手动天气分类的主要弱点是该方法的内在主观性。还有一个问题，即分区是否是可重复的。在本研究中，分区标准尽可能地客观化，同时仍然依赖于对高层大气动力学的理解。虽然少数例子可以由客观观察者归为中部或东部事件，但这些少数例子的天气类型的选择不会对影响结果有显著影响。
为了可视化每种天气类型的平均值和分布情况，图4显示了500 hPa气压场的558位势十米等高线的意大利面图。中心事件表现出最大的可变性，这表明更多的模糊会影响第3节讨论的这一类别的综合诊断。

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  1. 结论
  2. 持续时

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