華北南部一次暴雪過程的診斷分析

田志廣 段宇輝 張 南

（河北省氣象臺，河北 石家莊 050021）

0 引言

華北地區(qū)暴雪災(zāi)害主要發(fā)生在初冬、初春的過渡季節(jié)，受雪災(zāi)影響，高速公路封閉、機場部分航班延誤，對交通安全和經(jīng)濟損失造成巨大影響。近年來，對于華北暴雪的研究引起了許多氣象專家的關(guān)注，對其發(fā)生、發(fā)展的物理機制、回流冷空氣性質(zhì)等方面開展了大量工作[1-6]。結(jié)果表明，連續(xù)降雪期間華北地區(qū)始終處于鋒區(qū)中，存在低空幅合、高空幅散的散度場垂直分布結(jié)構(gòu)，且動力鋒生機制在暴雪過程中有重要作用。張迎新[7]研究發(fā)現(xiàn)：邊界層和中低層風(fēng)速加大與降水加強有很好的對應(yīng)關(guān)系，且在邊界層頂高度上下出現(xiàn)淺薄的冷平流后，邊界層內(nèi)東北風(fēng)變得有組織且風(fēng)速增大。翟亮[8]等通過對2009年2次不同類型降雪天氣過程中海淀邊界層風(fēng)廓線數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，700hPa以上出現(xiàn)冷平流或者冷平流加強且高度降低，也是降雪即將開始的一個特征，同時底層偏東氣流里風(fēng)速突然加強的現(xiàn)象對短時臨近預(yù)報中預(yù)報降雪的起始時間有參考價值。位于40°N以北的高空槽東移引起中低層大量的冷空氣南下，此冷空氣經(jīng)渤海侵入華北平原，低層風(fēng)場上表現(xiàn)為大于12m/s的東北風(fēng)急流。為了揭示本次過程中900hPa以下的東北風(fēng)急流在華北南部暴雪的影響機理和風(fēng)廓線測風(fēng)監(jiān)測到的東北風(fēng)急流和溫度平流的指示意義，本文利用風(fēng)廓線資料、探空資料、NCEP1°×1°逐6小時再分析資料和常規(guī)觀測資料等對2011年11月29～30日華北南部的暴雪天氣進行分析。

1 實況分析

2011年11月29～30日，受低槽冷鋒、低空切變線配合東北風(fēng)冷空氣影響，河北省中南部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍雨轉(zhuǎn)雪而形成的暴雪天氣。和區(qū)域性大范圍暴雪相比，本次暴雪具有局地性強、持續(xù)時間相對較短、雨強大等特點，且降雪前和降雪后的兩天，華北中南部地區(qū)還出現(xiàn)了大范圍的大霧天氣，甚至個別縣市能見度不足50m，這種“雪后霧”天氣造成了較大的危害。

從11月29日早晨開始，河北省中南部地區(qū)自西向東先后出現(xiàn)雨雪天氣，29 日 11：00（北京時，下同）之前以降雨為主，11：00～12：00 轉(zhuǎn)為雨夾雪，12：00 之后為降雪。主要降雪時段為 29 日 14：00～20：00，保定、滄州以南地區(qū)降大到暴雪，其中石家莊、衡水中南部、邢臺、邯鄲有45縣市降暴雪，邢臺市區(qū)最大降雪量為28.7mm（圖1a）；河北中南部地區(qū)有21個縣市積雪深度超過10cm，邢臺市區(qū)積雪深度最大為42.2cm（圖 1b）。

2 大尺度環(huán)流特征

據(jù)統(tǒng)計，華北地區(qū)的暴雪過程可分為三類：冷渦類、低槽冷鋒類和回流冷鋒類，這次暴雪過程可歸屬于低槽冷鋒類暴雪：500hPa西風(fēng)槽、西南低空急流，配合低層切變線和東北氣流的冷墊抬升，地面上存在冷鋒和倒槽，是這次暴雪過程的主要影響系統(tǒng)。

圖1 2011年11月29日08：00～30日08：00河北省降雪總量（a）和積雪深度（b）（單位：mm）Fig.1 Total snowfall from 08:00 on 29 to 08:00 on 30(a)and snow depth at 08:00 on 30(b)November 2011 in Hebei Province.Unit:mm

2.1 天氣形勢

11月29日08：00 500hPa上（圖略），亞歐中高緯地區(qū)為二槽一脊型，河套地區(qū)有西風(fēng)槽東移發(fā)展，華北處于槽前西南暖濕氣流。對應(yīng)700hPa圖上（圖略），西風(fēng)帶短波槽與南支槽同位相疊加，形成的槽前西南風(fēng)低空急流的北端已經(jīng)發(fā)展到河南中部，東北-西南走向的低空切變線位于華北西部。850hPa及以下層次，東北地區(qū)南下冷空氣以偏東氣流影響華北，東北風(fēng)急流風(fēng)速達12～16m/s。地面圖上（圖略）北高南低，北部冷中心強度達到1047.5帕，華北西部有地面倒槽發(fā)展并維持。

2.2 低空西南急流

大的降水都必須有充沛的水汽和能量的輸送，低空急流是動量、熱量和水汽的高度集中帶，對中緯度暴雪的產(chǎn)生具有重要意義。暴雪發(fā)生前，華北南部始終處于700hPa垂直速度大值區(qū)和風(fēng)速達16～20m/s的西南低空急流（圖2）的左前側(cè)，同時兩支高空急流交匯右側(cè)的強幅散區(qū)、700hPa切變線風(fēng)速幅合區(qū)與暴雪落區(qū)密切相關(guān)，該層的垂直上升區(qū)位于低空急流的中心區(qū)和急流移向前方的風(fēng)速幅合區(qū)附近，表明大尺度環(huán)流背景有利于觸發(fā)大范圍的上升運動，西南低空急流是華北南部地區(qū)低槽冷鋒暴雪的主要水汽輸送通道。

圖2 2011年11月29日14時700hPa垂直速度與低空西南急流陰影區(qū)：風(fēng)速≥12m/sFig.2 Vertical velocity and low level jet area on 700hPa at 14:00 on 29 November 2011.Shaded area:Wind speed≥12m/s

2.3東北冷空氣的動力抬升

從圖3（a）中可以明顯看到，垂直環(huán)流有明顯的斜升，次級環(huán)流的上升支有兩部分：西南風(fēng)低空急流前側(cè)500hPa上出現(xiàn)了-1.6Pa/s的傾斜上升區(qū)；在700hPa西南低空急流的低層出現(xiàn)了-1.6Pa/s的上升中心，同時在850hPa以下同樣存在一個超過12m/s的偏東風(fēng)的大風(fēng)速核，由于低層?xùn)|風(fēng)回流的存在，使得垂直環(huán)流出現(xiàn)了傾斜結(jié)構(gòu)，低層水汽輸送在華北南部開始堆積和強迫抬升，產(chǎn)生強烈的幅合上升運動。這與“850hPa以下強盛的東北氣流與700hPa以上的西南氣流相互作用，加強了垂直切變而形成較強的動力抬升[9]”是一致的。

東北冷空氣的強迫抬升和地形抬升是本次暴雪過程的動力機制。從西南—東北走向的流場高度剖面（圖3b）中可以清楚看到，由于太行山地形對東北冷空氣的阻擋作用，太行山山前東北冷空氣的堆積,造成厚度增加，使得中低層的西南低空急流爬升，加強了垂直上升運動，從而使降雪強度增強。

2.4 過渡季節(jié)與隆冬季節(jié)暴雪過程的對比

本文還對比分析了表1中7次華北暴雪過程中的最大上升速度、比濕及對應(yīng)層次，可以發(fā)現(xiàn)，最大垂直速度≥-0.8Pa/s的暴雪過程，都發(fā)生在過渡季節(jié)，伴隨有明顯的雨雪轉(zhuǎn)換。本次過程中最大上升速度達到了-1.6Pa/s，同樣發(fā)生在秋冬過渡季節(jié)的雨轉(zhuǎn)雪，這在華北出現(xiàn)的低槽冷鋒類暴雪過程中是很罕見的。從過渡季節(jié)與隆冬季節(jié)暴雪過程的水汽條件進行對比分析發(fā)現(xiàn)：本次暴雪過程的最大比濕達到了4.0g/kg，同樣在過渡季節(jié)發(fā)生暴雪過程的比濕都在3.5g/kg以上，其中2009年11月華北南部區(qū)域性暴雪的最大比濕達到了6g/kg，與隆冬季節(jié)發(fā)生暴雪的比濕在3g/kg以下相比，較為充沛的水汽含量是過渡季節(jié)發(fā)生區(qū)域性暴雪的有利條件。

圖3 2011年11月29日14：00沿116°E垂直速度與低空急流的剖面(陰影區(qū)：20m/s≥風(fēng)速≥12m/s)(a)沿（36°N，113°E）到（40°N，120°E）方向流線的剖面 (b)Fig.3 Cross-section of vertical velocity and low level jet along 116°E at 14:00 on 29 November 2011.Shaded area:20m/s≥Wind speed≥12m/s.(a)Cross-section of stream along （36°N，113°E）to（40°N，120°E）.(b)

表1 華北7次暴雪過程的最大上升速度和比濕Tab.1 Vertical velocity and specific humidity on snowstorm process in north china

圖4 邢臺站探空比濕（圖a）和溫度（圖b）的高度-時間剖面Fig.4 Height-time cross-section of specific humidity（a） and temperature(b)in Xingtai

3 東北冷空氣的干冷性質(zhì)

東北南下的東北路徑冷空氣流經(jīng)渤海后影響華北，在對其干冷還是濕冷性質(zhì)的方面，許多專家做了大量的研究工作，其中張迎新等[10]研究發(fā)現(xiàn),低層?xùn)|北南下的冷空氣，雖然流經(jīng)渤海，但其仍是比較干冷的。作為本次降雪過程中雪量最大的邢臺站，通過對其探空資料的分析來研究本次過程偏東冷空氣的性質(zhì)，更有說服力。

從整個降雪過程分析，邢臺單站出現(xiàn)降雪前，圖4（a）上850hPa及以下的東南風(fēng)逆轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，并增強到12m/s，低層的比濕由925hPa上的4g/kg迅速減小到850hPa的1g/kg以下，垂直結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了濕-干-濕的不同層結(jié)結(jié)構(gòu)，其中低空西南急流伴隨的3g/kg的水汽輸送帶集中在700hPa附近，29日中午前后降雪開始，形成華北南部的暴雪；29日20時，東北風(fēng)依然維持，由于700hPa西南風(fēng)順轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，導(dǎo)致上述濕層結(jié)構(gòu)消失，降雪減弱結(jié)束。同樣在溫度的高度-時間剖面圖上（圖4b），強降雪前，東北風(fēng)的增強使得低層溫度明顯降低，東北氣流的冷墊抬升使相對暖濕的西南氣流爬升，并在東北風(fēng)急流上部850hPa～700hPa出現(xiàn)了明顯的逆溫或等溫的層結(jié)結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本次過程經(jīng)渤海影響華北南部的偏東冷空氣是相對干冷的性質(zhì)，主要的水汽來源于700hPa附近低空急流的水汽輸送。針對本次過程，降雪開始前，850hPa以下東北風(fēng)的增強和850hPa～700hPa逆溫層的出現(xiàn)，對暴雪的出現(xiàn)有明確的指示意義。

4 唐山風(fēng)廓線測風(fēng)計算的溫度平流特征分析

由于溫度平流是造成大尺度垂直運動和天氣系統(tǒng)發(fā)展的動力學(xué)因子之一，且風(fēng)廓線雷達測風(fēng)技術(shù)彌補了有球探測方式的不足，因此由風(fēng)廓線資料推算溫度平流可以作為診斷天氣和形勢演變的依據(jù)[11]，具體溫度平流的計算公式如下[12]：

在熱成風(fēng)假定條件下，設(shè)等壓面P1和P2上風(fēng)向風(fēng)速分別為（V1，θ1）、（V2，θ2），其中：ΔP＝P1-P2，p＝(P1-P2)/2，f為科氏參數(shù)，Rd為空氣氣體常數(shù)。

唐山（圖5中方框）是偏東路徑冷空氣南下過程的必經(jīng)之路，由于華北暴雪前地面會較長時間維持東北氣流，通過分析地面自動站逐小時風(fēng)場和流線可以看出，降雪時的地面風(fēng)場的幅合抬升也不明顯，并且圖5中的相對濕度的分布也能看出，在東北風(fēng)冷空氣影響下，華北地區(qū)的相對濕度自西南向東北的逐漸減小，與東北急流的干冷性質(zhì)的結(jié)論是一致的，但對暴雪的預(yù)報意義相對較小。因此對本次過程嘗試通過分析唐山站風(fēng)廓線監(jiān)測到的偏東風(fēng)急流和計算的溫度平流變化，分析是否對降雪的提前量有指示意義。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：計算得到的溫度平流在29日 11：00的1100m高空開始出現(xiàn)了-0.8×10-4℃/s的冷平流區(qū)，并隨著系統(tǒng)發(fā)展，冷平流逐漸增強，最大達了-2.0×10-4℃/s的冷平流大值區(qū)，并且冷平流中心出現(xiàn)了明顯下降，這與華北南部的最大降水時段主要集中在14：00～17：00的時間也是一致的。因此，唐山風(fēng)廓線儀測風(fēng)計算的冷平流大值中心與暴雪區(qū)發(fā)生時段有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 2011年11月29日11：00自動站風(fēng)場（單位：m·s-1）和相對濕度（單位：%）,方框：唐山風(fēng)廓線Fig.5 Wind field(unit:m·s-1)and relative humidity(unit:%)at AWS at 11:00 on 29 November 2011，box:wind profile radar of Tangshan

圖6 2011年11月29日12：00～18：00，唐山風(fēng)廓線計算溫度平流（單位：10-4℃/s），陰影區(qū)：冷平流Fig.6 Temperature advections of Tangshan weather station from 12:00～18：00 on 29 November 2011(unit:10-4℃/s).Shaded area:cold advection

5 結(jié)論與討論

通過對2011年11月29日華北南部的低槽冷鋒類暴雪天氣的分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）本次暴雪過程的主要影響系統(tǒng)是西風(fēng)槽、700hPa切變線和低層的偏東風(fēng)急流。兩支高空急流交匯右側(cè)的強幅散區(qū)、低層偏南低空急流左前側(cè)、700hPa切變線風(fēng)速幅合區(qū)為本次暴雪的落區(qū)。

（2）經(jīng)渤海影響華北南部的東北冷空氣是相對干冷的性質(zhì)，主要的水汽來源于700hPa附近低空急流的水汽輸送。針對本次過程，降雪開始前，850hPa以下東北風(fēng)急流的增強和850hPa—700hPa逆溫層的出現(xiàn)，對暴雪的出現(xiàn)有明確的指示意義。

（3）唐山風(fēng)廓線儀測風(fēng)計算的溫度平流變化及監(jiān)測到東北風(fēng)急流的出現(xiàn)對華北南部暴雪有重要聯(lián)系，冷平流大值中心較暴雪區(qū)發(fā)生時段有很好的對應(yīng)關(guān)系。

［1］王迎春,錢婷婷,鄭永光.北京連續(xù)降雪過程分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2004,15(1):58-65.

［2］張迎新,侯瑞欽,張守保.回流暴雪過程的診斷分析和數(shù)值實驗[J].氣象,2007,33(9):25-32.

［3］劉寧微,齊琳琳,韓江文.北上低渦引發(fā)遼寧歷史罕見暴雪天氣過程的分析[J].大氣科學(xué),2009,33(2):275-284.

［4］張曉東.唐山一次暴雪天氣過程的診斷分析[J].干旱氣象,2009,27(2):135-141.

［5］古紅萍,馬舒慶,王迎春.邊界層風(fēng)廓線雷達資料在北京夏季強降水天氣分析中的應(yīng)用[J].氣象科技,2008,36(3):300-303.

［6］楊波,魏東.二次開發(fā)風(fēng)廓線探測資料及其在天氣預(yù)報中的應(yīng)用[J].氣象科技,2010,38(4):413-417.

［7］張迎新,張守保,裴宇杰,等.2009年11月華北暴雪過程的診斷分析[J].高原氣象,2011,30(5):1204-1212.

［8］翟亮,王令,劉文軍.兩次降雪天氣過程預(yù)報中邊界層風(fēng)廓線雷達資料的應(yīng)用[J].氣象科技,2012,40(5):783-788.

［9］王清川,壽紹文,霍東升.河北省廊坊市一次初冬雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過程分析[J].干旱氣象,2011,29(1):62-68.

［10］張迎新,張守保.華北平原回流天氣的結(jié)構(gòu)特征[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報,2006,29(1):107-113.

［11］章國材,矯梅燕,李延香,等.現(xiàn)代天氣預(yù)報技術(shù)和方法[M].北京:氣象出版社,2007:89-90.

［12］翟亮.北京奧運期間一次暴雨過程風(fēng)廓線資料特征[J].氣象,2008,34（SI）:26-31.