2018年4月烏魯木齊市一次雨雪天氣過程分析*

張 鑫，王智楷，樓俊偉，許浩翊

（1.新疆石河子氣象局莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；2.四川省德陽市中江縣氣象局；3.浙江省金華市武義縣氣象局）

1 引言

1.1 課題背景

寒潮天氣過程是一種冷空氣大范圍活動的過程，其主要特征是大幅度降溫和大風，有時還伴隨有雨、雪、雨凇或霜凍出現[1]。早在20 世紀50 年代我國就已經有不少學者對寒潮類型進行過研究，他們通過對冷空氣的傳播、冷高壓的結構、環(huán)流形勢場等進行研究，得出了經典的東亞寒潮理論。近年來，國內外有許多學者從高空急流、低層鋒生、環(huán)流形勢等方面對我國的各種寒潮天氣做了診斷分析及原理研究，并取得了重要的成果[2-4]。很多學者通過對低層冷平流、垂直速度、假相當位溫等物理量對寒潮天氣進行診斷分析，清楚的講明了眾多物理量與寒潮天氣之間的聯系[5-7]。本文利用常規(guī)氣象資料以及ECMWF 再分析數據，對2018 年4 月發(fā)生在新疆烏魯木齊市的一次雨雪天氣過程進行了診斷分析，旨在提高和了解新疆地區(qū)寒潮發(fā)生的一般規(guī)律，以為新疆的寒潮預報工作提供參考。

1.2 烏魯木齊市地理概況

烏魯木齊地處東經 86°37'33 ～ 88°58'24， 北緯42°45'32 ～ 45°08'00，位于中國西北部、新疆中部、亞歐大陸中心，地處天山山脈中段以北、準噶爾盆地南緣。烏魯木齊地勢復雜，各地間起伏相差較大，山地面積廣闊，占總面積50%以上，北部平原不到總面積的1/10。南部、東北部較高，中部、北部較低，自然坡度為12‰ ～15‰。 烏魯木齊海拔高度在580 ～920 m 之間，市區(qū)平均海拔高度800 m，天山博格達峰頂為烏魯木齊最高點，海拔高度達5 445 m；最低點處在猛進水庫的大渠南側，海拔490.6 m。兩地水平相距75 km，海拔高度相差4 954.4 m。

烏魯木齊市區(qū)三面環(huán)山，北部平原開闊。東部有博達山、喀拉塔格山、東山；西部有喀拉扎山、西山；南部有伊連哈比爾尕山東段（天格爾山）、土格達坂塔格等。烏魯木齊地勢由東南向西北逐漸降低，大致可以分為3 個階級：第一級為山地，海拔在2 500 ～3 000 m或更高；第二級為丘陵與山間盆地，海拔在1 000 ～2 000 m；第三級為平原，海拔在600 m以下。

1.3 研究方法

利用micaps 常規(guī)氣象數據和ECMWF 再分析資料，結合環(huán)流形勢分析，溫度平流、水汽、動力條件等物理量分析，對此次烏魯木齊雨雪天氣過程進行一次綜合性診斷分析。

2 天氣實況

2018年4月11 日至12 日，新疆北疆發(fā)生了一次大范圍寒潮天氣過程，寒潮天氣為北疆大部分地區(qū)帶來不同程度的降雨、雨夾雪或雪。本次寒潮天氣過程強降水落區(qū)主要位于烏魯木齊市及其南部山區(qū)，烏魯木齊于11 日11 時開始降雨，14 時轉為降雪，總降水量達到24.1 mm。

3 環(huán)流形勢分析

3.1 環(huán)流形勢演變

對500 hPa環(huán)流形式進行分析，結果表明，4月10日20時亞歐范圍內整體為經向環(huán)流，歐洲東部和西伯利亞中部受高壓脊控制，西西伯利亞至亞洲中部存在多個短波槽，新疆處于槽前脊后。受巴倫支海冷空氣南下影響，東歐脊逐漸向南衰退，推動西西伯利亞低槽向東移動，鋒區(qū)得到加強，且受下游脊的阻擋作用，西西伯利亞低槽向南加深，冷空氣在新疆西北堆積。11日08時冷空氣持續(xù)補充，西西伯利亞低槽繼續(xù)加深東移，東歐脊向東衰退，此時冷空氣已進入新疆，影響北疆大部分地區(qū)產生降水降溫天氣。11日20時里海上空高壓脊向東發(fā)展并擴大，脊前分裂出多個短波槽影響南疆地區(qū)出現降水大風天氣。南北疆短波槽匯合使北疆沿天山一帶出現強降水。12日08時，隨著西西伯利亞低槽及南疆短波槽東移南下移出新疆，此次伴隨降水、降溫、大風的天氣過程趨于結束。

地面冷高壓中心以西北路徑移動，影響新疆時中心強度基本維持在1 035 ～1 040 hPa之間。 10日20時來自里海、咸海的冷空氣對冷高壓進行補充，冷空氣在新疆以西堆積。11日08時，冷高壓快速東移南下，冷鋒開始入侵新疆西部，為部分地區(qū)帶來寒潮天氣。 11日20時，冷高壓繼續(xù)加強，對應的冷鋒也因受天山地形的影響，形成準靜止鋒，由于鋒面移動很慢，有利于天山中部兩側的降水發(fā)展。 12日08時冷高壓東移離開新疆，寒潮趨于結束。

3.2 高低空配置

11日14時，300 hPa 西南急流尺度很大，由南向北貫穿北緯40 ～50°，急流中心風速超過50 m/s，其穿過天山中部一帶時有明顯的分流，烏魯木齊上空正處于該分流區(qū)中，輻散下沉作用強盛。 500 hPa西西伯利亞低槽進入北疆，中亞短波槽與其配合，經向環(huán)流進一步發(fā)展加強，北方的冷空氣與來自南方的暖濕氣流交匯劇烈，槽前強冷鋒長時間控制北疆大部地區(qū)。 700 hPa 有 2 支偏西急流，位于 45°N 附近，兩者風向輻合，有利于輸送并匯集來自偏西路徑的水汽于北疆沿天山一帶，天山中部存在風切變，有利于中低層輻合上升運動，為烏魯木齊強雨雪天氣過程水汽集中提供條件。850 hPa位于天山中部以北有大范圍飽和濕區(qū)（相對濕度大于90%），且飽和濕區(qū)范圍內有4 g/kg的比濕，水汽凝結條件與濕度條件較好，低層水汽旺盛，且天山中部一帶為強的偏北急流，急流走向與等溫線夾角大，冷平流強盛，有利于雨轉雪，同時低空急流遇天山地形阻擋后抬升又進一步增強了低層垂直上升運動。溫度場上0 ℃線已快速進入北疆，烏魯木齊附近溫度已達-2 ℃左右，冷鋒已移至天山北坡，并受天山地形影響長時間在天山以北滯留，地面加壓迅速，天山北坡一帶最大3 h變壓達正5 hPa。本次天氣過程中，冷空氣經西北路徑進入新疆，水汽條件充沛，300 hPa 高空急流，5 00 hPa低槽區(qū)，配合700 hPa 切變線和850 hPa 的偏北氣流以及地面冷鋒在烏魯木齊附近高低層疊加，加上天山地形的影響，為此次烏魯木齊雨轉雪天氣提供了有利的動力條件。

4 溫度平流分析

分析北疆上空850 hPa到500 hPa的溫度平流，結果表明，烏魯木齊本次雨雪天氣過程伴隨較強冷平流入侵。 4月10日20時（降水前），以700 hPa為例，此時新疆北部有較強冷平流，烏魯木齊以西有較強暖平流；11日08時，冷平流迅速加強并南下，影響南疆西部地區(qū)；11日20時，冷平流快速東移北上控制了北疆大部地區(qū)，同時烏拉爾山以東的較強暖平流南下至北疆西部邊境線附近；12 日08 時，北疆冷平流強度有所減弱，范圍減小并東移至北疆東部地區(qū)，隨后東移離開新疆，暖平流迅速減弱并開始進入北疆地區(qū)。

5 溫濕風隨時間的演變

為了解此次雨雪天氣過程中烏魯木齊地區(qū)高空各層濕度、溫度和風隨時間的演變情況，對烏魯木齊44°N，87°E這一點作溫度、相對濕度與風場三者結合的高度-時間剖面圖進行分析（圖1），可以看出：10 日02 時至10 日14 時近地層相對濕度多大于80%，高層500 hPa 以上相對濕度多大于90%，降雪開始前低層與高層水汽條件充分；9 日20 時至10日08時中層600 hPa以下均為西北風，冷平流持續(xù)輸送，受冷平流影響，500 hPa高度層以下溫度大幅下降，為后期雨雪天氣提供降溫條件。 11 日14 時（降雪開始時段）高層500 hPa 至300 hPa 相對濕度均達到90%以上，水汽條件強盛，有利于降雪持續(xù)進行。

6 物理量診斷分析

6.1 水汽條件

6.1.1 水汽通量分析

此次雨雪天氣過程的水汽輸送主要為西南路徑，其水汽源地為阿拉伯海，由低渦帶至新疆，且水汽條件主要存在于低層700 hPa及以下。分析700 hPa水汽通量可知造成此次天氣的水汽主要由兩部分組成，主體由低渦攜帶，最大水汽通量達 6 g/（hPa·cm·s），水汽條件旺盛，由于受到天山山脈的阻擋抬升作用對天山北坡帶來大量降水；另一部分水汽則由低渦東北部的短波提供，最大水汽通量為 3 g/（hPa·cm·s），這些水汽沿天山南部向東移動，于11日中午在天山中部與北疆大量水汽匯合，烏魯木齊爆發(fā)強降水。之后經匯合后的水汽隨偏西氣流繼續(xù)東移，于12日白天移出新疆，降水趨于結束。

圖2 2018年4月11日08時垂直速度（陰影區(qū)）與風場沿 87°E 的剖面

6.1.2 水汽通量散度分析

分析烏魯木齊雨雪時段低層水汽通量散度情況，表現為低層水汽輻合明顯。 700 hPa高度層上，11日08時北疆大部地區(qū)水汽通量散度均為負，即為水汽輻合區(qū)，此時最大水汽輻合中心位于塔城地區(qū)東部，烏魯木齊水汽通量散度值達-6×10-6g/（hPa·cm2·s），低層水汽輻合強盛，為后期雨雪天氣提供水汽條件。

6.2 動力條件

6.2.1 垂直運動分析

分析烏魯木齊此次雨雪天氣過程的垂直運動特征（圖2），結果表明，降雪開始前，天山北坡300 hPa以下均為上升運動，烏魯木齊南部山區(qū)高層上升運動尤為強烈，且低層800 hPa附近存在明顯的渦旋，表明西北氣流遇到天山山脈阻擋后在天山北坡被迫抬升，這種垂直結構為后期烏魯木齊雨轉雪的發(fā)生和增強提供了動力支持。

圖3 2018年4月9日至13日在烏魯木齊 44°N，87°E 散度的高度 - 時間剖面

6.2.2 散度分析

沿烏魯木齊 87°E，44°N 作散度的高度 - 時間剖面圖進行分析（圖3），結果可知，降雪開始前，10日14 時烏魯木齊高層400 ～250 hPa 存在明顯的強輻散區(qū)，輻散中心在300 hPa 附近，中心值達到3×10-5/s，其下700 ～400 hPa高度層為強輻合區(qū)，輻合中心位于550 hPa附近，中心值達到-3×10-5/s。11日08時后低層輻合、高層輻散持續(xù)維持，11日14時高層400 hPa以上為強輻散區(qū)，輻散中心位于300 hPa附近，中心值達到2×10-5/s，到12日02時低層輻合中心位于700 hPa 附近，中心值達到-2×10-5/s。此次天氣過程低層輻合、高層輻散的高低空配置十分明顯，這種次級環(huán)流的抽吸作用有利于大氣的上升運動和水汽在中上層的匯聚與抬升，進而產生降水。

7 寒潮成因總結

（1）此次烏魯木齊市雨雪天氣過程是在東歐脊向東南衰退，推動西西伯利亞低槽東移南下，同時南支低槽東移共同配合下產生的。 （2）本次天氣過程中冷空氣經西北路徑進入新疆，水汽條件充沛，300 hPa高空急流，500 hPa低槽區(qū)，配合700 hPa切變線和850 hPa 的偏北氣流以及地面冷鋒在烏魯木齊附近高低層疊加，加上天山地形的影響，為此次烏魯木齊雨轉雪天氣提供了有利的動力條件。 （3）雨雪區(qū)上空具備較好的動力抬升條件，低層輻合、高層輻散的高低空配置有利于上升運動的發(fā)展。暴雪過程中有較強的冷暖空氣交匯，造成斜壓不穩(wěn)定增強，有利于對流的產生和水汽凝結。 （4）此次雨雪天氣過程的水汽輸送主要為西南路徑，其水汽源地為阿拉伯海，由低渦帶至新疆，且水汽條件主要存在于低層700 hPa及以下。水汽主要由兩部分組成，主體由低渦攜帶，另一部分則由低渦東北部的短波提供，過程中低層水汽輻合明顯。