2018年1月2—4日陜西回流暴雪環(huán)流特征及成因分析

彭 力

(銅川市氣象局，陜西銅川 727031)

暴雪作為北方冬季一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，其出現(xiàn)概率較小，預(yù)報難度較大，常伴有結(jié)冰、低溫凍害等其他氣象災(zāi)害，往往給設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通運輸、人民生命財產(chǎn)安全等帶來不利影響。大量專家學(xué)者對近年來北方暴雪災(zāi)害天氣的預(yù)報及成因進(jìn)行了總結(jié)分析，得出了不少有價值的結(jié)論?？抵久鞯萚1]對西藏高原特大暴雪成因進(jìn)行分析,認(rèn)為不穩(wěn)定大氣層結(jié)、高層強輻散的抽吸效應(yīng)對特大暴雪的發(fā)生起重要作用；黃海波等[2]對新疆暴雪天氣研究指出,西南急流誘發(fā)的強上升運動和對流層低層天氣尺度系統(tǒng)之間強烈的相互作用是暴雪形成的動力因子；莊曉翠等[3]對新疆西部暴雪個例中尺度研究指出，低空急流的厚度與降雪量呈顯著正相關(guān)；孫仲毅等[4]對河南一次暴雪天氣診斷分析，表明中低層輻合、高層輻散結(jié)構(gòu)有利于低層垂直上升運動的持續(xù)加強；趙桂香等[5]對2004年華北大到暴雪過程進(jìn)行了診斷分析,認(rèn)為暴雪過程與中尺度切變線的發(fā)展和東移直接關(guān)聯(lián)；王迎春等[6]對北京連續(xù)降雪個例進(jìn)行分析指出，華北地區(qū)近地面層存在淺薄冷空氣，暖濕空氣在冷空氣墊上爬升造成降雪。這些結(jié)論和成果對暴雨成因和機理研究具有重要意義。此外，一些學(xué)者[7-10]研究了華北等地回流暴雪天氣結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為回流暴雪過程中高低空急流有非常重要的作用，中低層暖濕氣流在干冷空氣墊上輻合抬升，促使上升運動加強，造成異常強暴雪天氣；顧佳佳、李津等[11-12]在例診斷分析的基礎(chǔ)上給出了對應(yīng)暴雪天氣的三維物理模型。這些結(jié)論和成果對暴雪成因和機理研究具有重要參考意義。降雪天氣在陜西冬季極易出現(xiàn)，但是陜西發(fā)生暴雪天氣較少，研究也較少，缺乏概念模型的總結(jié)。本文以2018年1月陜西中部一次回流暴雪為例，圍繞回流暴雪天氣的環(huán)流、水汽、動力、鋒生等方面加以分析探討，總結(jié)此次回流暴雪的環(huán)流概念模型，以期加深對陜西回流天氣成因的認(rèn)識。

1 暴雪天氣實況

2018年1月2日08：00至4日20：00，陜西出現(xiàn)近年來罕見的區(qū)域性暴雪天氣，降水量在0.1～23.2 mm(圖1)。2日14時開始，陜西中南部自西向東逐漸出現(xiàn)降雪，3日08：00—4日08：00降雪強度逐漸增大，降雪超過10 mm的區(qū)域集中在關(guān)中大部分地區(qū)，降雪量在10.0～22.0 mm，共42個國家站出現(xiàn)暴雪，4日08：00，關(guān)中大部分地區(qū)積雪深度為8～23 cm，最大為蒲城站，4日08：00—20：00降雪強度逐漸減弱，趨于結(jié)束。強降雪出現(xiàn)在3日20：00至4日08：00，多站12 h降雪量達(dá)10 mm以上。

圖1 2018-01-02T08:00—01-04T20:00陜西累積降雪量(單位為mm)

2 環(huán)流特征

2日20：00至3日08：00，500 hPa天氣圖上新疆北部冷渦穩(wěn)定少動，冷渦底部分裂短波東移，南支槽發(fā)展；700 hPa上高原東部低渦環(huán)流維持，偏南風(fēng)急流向陜西中南部輸送水汽，在關(guān)中地區(qū)形成輻合；850 hPa上河套北部冷空氣南壓，強的東北氣流將東北地區(qū)冷空向南輸送；地面圖上陜西位于蒙古冷高壓底部偏東風(fēng)氣流中，冷空氣在華北南部—陜西中南部形成回流，大氣低層溫度不斷降低，形成冷的下墊面，低層冷空氣與850 hPa東北氣流配合，楔入700 hPa暖濕氣流下方，加速上升運動，關(guān)中地區(qū)降雪逐漸加強。

3日20：00 (圖2)，500 hPa上冷渦底部分裂出的短波槽與南支槽東移加深；700 hPa偏南風(fēng)急流加強，關(guān)中西部存在明顯的切變線，關(guān)中北部為明顯的風(fēng)速輻合帶；850 hPa(圖略)上河南省上空東風(fēng)急流增大,陜西中南部為東風(fēng)急流的輻合區(qū)。來自西南的暖濕氣流與東北地區(qū)回流的冷空氣在關(guān)中大部分地區(qū)交匯，配合700 hPa切變線與500 hPa高空槽，關(guān)中大部分地區(qū)造成強烈的輻合上升；4日08:00 500 hPa西風(fēng)槽移出，700 hPa偏南風(fēng)急流減弱，850 hPa東風(fēng)急流減小，降雪強度減弱；4日20：00，500 hPa高空槽移出，700 hPa轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，低層?xùn)|風(fēng)消失，降雪結(jié)束。2日08：00至4日20：00，200 hPa陜西上空存在大于30 m/s高空急流，暴雪發(fā)生時段，高空急流通風(fēng)抽吸作用，加速了上升運動的發(fā)展。

圖2 2018-01-03T20：00中尺度綜合分析(陰影為暴雪區(qū),單實線為500 hPa槽線,雙實線為700 hPa切變線,鋸齒線為850 hPa、700 hPa飽和濕區(qū)，箭頭線代表200 hPa、700 hPa、850 hPa急流)

3 水汽特征分析

此次暴雪天氣，中低空偏南風(fēng)急流為暴雪提供了充足的水汽供應(yīng)。暴雪發(fā)生前，2日08：00至3日08：00，500 hPa位于陜西西部的西南風(fēng)急流逐漸加強，西安探空站西南風(fēng)從20 m/s增大到32 m/s，700 hPa上偏南風(fēng)從6 m/s增大到14 m/s，偏南風(fēng)急流的加強和維持為暴雪發(fā)生提供了充足的水汽條件。分析3日夜間最大降雪量蒲城站(35°N、109.6°E)的水汽通量、水汽通量散度演變(圖3)，可以看到暴雪前期，暴雪區(qū)上空低層到高層一直存在水汽輸送，3日08：00后隨著中低空偏南急流加強，水汽輸送加大。3日08：00至4日08：00，水汽輸送十分明顯，水汽輸送中心位于600～500 hPa, 中心值超過5 g/(cm·hPa·s)，正好對應(yīng)暴雪發(fā)生時段,表明了中層水汽輸送對暴雪的作用。暴雪前期，水汽通量輻合主要位于925～850 hPa,3日08：00之后，西南風(fēng)急流在低層冷空氣墊上爬升，水汽的輻合中心抬升到500 hPa附近，輻合強度增大，中心強度增大到-10×10-8g/(cm2·hPa·s),且在3日夜間到4日凌晨一直維持。4日02：00，500 hPa水汽通量散度場疊加風(fēng)場圖(圖略)上,關(guān)中大部分地區(qū)為水汽通量輻合中心，偏南風(fēng)急流為陜西中部提供水汽輸送；中層較強的水汽輸送以及持續(xù)的水汽輻合為陜西中部暴雪發(fā)生起到了增幅作用。

圖3 2018-01-02—04蒲城(35°N、109.6°E)水汽通量(實線,單位為g/(cm·hPa·s)及水汽通量散度(陰影,單位為10-8 g/(cm2·hPa·s)剖面

4 動力條件分析

降雪開始后，陜西中部850 hPa之下受冷高壓前偏東風(fēng)回流冷空氣影響，低層溫度不斷降低，陜西以東河南上空偏東風(fēng)不斷增大，低層冷空氣在陜西中部輻合堆積，冷墊作用明顯；中高層受偏南風(fēng)影響，暖濕氣流在冷空氣上爬升，上升運動隨之加強。溫度疊加風(fēng)的剖面圖上(圖略)，暴雪開始后，暴雪區(qū)(106～110°E)上空偏南暖濕急流在偏東風(fēng)急流上爬升，配合700 hPa切變線，上升運動進(jìn)一步加強。散度剖面圖上，3日20時(圖略)開始，中低層輻合，高層輻散；4日02時(圖4)，中低層輻合，高層輻散達(dá)到最大。暴雪開始后，從低層至200 hPa均為上升區(qū)，4日02時上升運動達(dá)到最強，大的上升區(qū)位于600～300 hPa，中心值達(dá)到-8×10-3hPa/s,強烈的上升運動將低層水汽輸送到高層，有利于暴雪的發(fā)生。在暴雪發(fā)生時，暖濕急流空氣在低層冷墊上爬升輻合，高空急流通風(fēng)抽吸，加速上升運動發(fā)展，為暴雪發(fā)生發(fā)展提供有利的動力條件。

5 熱力條件診斷分析

5.1 冷空氣作用

從溫度平流沿109.6°E經(jīng)向剖面發(fā)現(xiàn)，2日08時至3日08時，河套北部高空冷空氣向低層滲透，在偏北風(fēng)作用下，冷空氣向暴雪區(qū)輸送。3日08時溫度平流經(jīng)向剖面圖(圖略)上，40～45°N的冷平流達(dá)到-24×10-5℃/s，850 hPa以上受西南暖平流影響，暖平流中心位于700～500 hPa，850 hPa以下為冷平流。沿35°N溫度平流緯向剖面發(fā)現(xiàn)，暴雪發(fā)生前，850 hPa以下存在一支自東向西輸送的冷空氣，這路冷空氣是由高空冷空氣下沉南壓，受低層偏東風(fēng)回流影響所致。3日08時溫度平流緯向剖面(圖5)圖上，暴雪區(qū)溫度平流達(dá)到-8×10-5℃·s-1，暴雪區(qū)上空存在東風(fēng)急流風(fēng)速輻合，冷平流的持續(xù)輸送，850 hPa溫度不斷降低。此次暴雪過程的冷空氣主要來自中高緯，高空冷空氣下沉，在偏北風(fēng)作用下南壓，與低層偏東風(fēng)急流在暴雪區(qū)輻合堆積，形成冷墊楔入暖濕氣流下，加速氣流抬升。

圖4 2018-01-04T02沿109.6°E垂直速度(陰影區(qū),單位為10-3 hPa/s)及散度(等值線,單位為10-5 s-1)剖面

圖5 2018-01-03T08沿35°N溫度平流疊加風(fēng)場垂直剖面(風(fēng)矢代表風(fēng)場,單位為m/s；等值線為溫度平流,單位為10-5 ℃/s,陰影為冷平流)

5.2 鋒生及次級環(huán)流

4日02時從假相當(dāng)位溫經(jīng)向剖面(圖略)發(fā)現(xiàn)，低層θse的低值區(qū)楔入中高層θse的高值區(qū)，850 hPa以上θse向冷區(qū)傾斜，在暴雪區(qū)上空850～400 hPaθse線最為密集，表明在暴雪發(fā)生時，中高層暖濕急流與低層冷空氣在陜西中北部相遇，形成對峙。

鋒生函數(shù)可以從定量的角度來分析具體的天氣現(xiàn)象、氣象要素的變化狀況,鋒生函數(shù)大于0時表示鋒生。李兆慧等[13]對武漢一次暴雪天氣的分析表明，鋒生、鋒消變化與降雪天氣的出現(xiàn)和停止一致，鋒面次級環(huán)流產(chǎn)生，與暴雪的出現(xiàn)和停止相關(guān)。2日夜間起，冷暖空氣交匯，在暴雪區(qū)上空出現(xiàn)鋒生，冷空氣下沉南壓，鋒生函數(shù)F逐漸增大，4日02時(圖6)，暴雪區(qū)上空850～400 hPa存在強的鋒生，500 hPa鋒生中心強度達(dá)到12×10-10g·K/(m·s)，鋒區(qū)隨高度向北側(cè)冷區(qū)傾斜，向上延伸到200 hPa，與暴雪區(qū)上空假相當(dāng)位溫密集帶一致。鋒區(qū)南側(cè)為爬升的暖濕氣流，鋒區(qū)北側(cè)冷空氣下沉，受低層偏北風(fēng)影響，在暴雪區(qū)輻合堆積，形成冷墊，楔入西南暖濕急流下，加速暖濕氣流抬升，暴雪區(qū)上空形成了閉合的鋒區(qū)次級環(huán)流，次級環(huán)流加速了上升運動發(fā)展，降雪強度隨之加大。4日08時，鋒區(qū)南壓，次級環(huán)流消失，上升運動減弱，降雪逐漸較小。鋒生及鋒生產(chǎn)生的次級環(huán)流加速了暴雪區(qū)上空上升運動的發(fā)展，加強了冷暖氣流的交匯對峙，是夜間暴雪發(fā)生的重要原因。

圖6 2018-01-04T02沿109.6°E鋒生函數(shù)(陰影,單位為10-10 g·K/(m·s)、垂直速度(等值線,單位為10-3 hPa/s)、風(fēng)場(風(fēng)矢,單位為m/s)垂直剖面(黑色粗線代表暴雪區(qū)，箭頭代表環(huán)流的冷暖空氣,黑色環(huán)狀虛線代表鋒區(qū)次級環(huán)流)

6 云頂亮溫演變特征

分析此次暴雪過程中相當(dāng)黑體亮溫演變，2日08時，受高原槽東移和低層低渦切變影響，有一tBB≤-30 ℃的帶狀云系從隴東延伸至山西南部，高空槽前抬升和低層切輻合上升，帶狀云系不斷發(fā)展；2日14時(圖7a)，帶狀云系覆蓋關(guān)中大部分地區(qū)，此時關(guān)中西部降雪已經(jīng)開始；20時(圖7b)帶狀云系面積擴(kuò)大，云團(tuán)發(fā)展，tBB≤-40 ℃的中心控制陜西中南部。2日20時至3日08時，南支槽和西風(fēng)槽東移發(fā)展，700 hPa上偏南風(fēng)加大，在低層冷空氣上爬升，帶狀云系繼續(xù)發(fā)展。3日08時(圖7c)帶狀云系覆蓋陜西大部分地區(qū)，西南風(fēng)輻合抬升，陜西西南部有中心強度tBB≤-45 ℃的帶狀云系發(fā)展，云系中有tBB≤-50 ℃的強中心存在，西南風(fēng)作用下強的帶狀云系不斷向東北方向移動。南支槽和西風(fēng)槽東移加深，低層偏東風(fēng)急流楔入暖濕急流下，冷暖空氣在關(guān)中及關(guān)中北部交匯，20時(圖7d)陜西中南部大部分地區(qū)被tBB≤-45 ℃的帶狀云系覆蓋，云系中存在大面積的tBB≤-50 ℃的強中心,中心強度最大tBB≤-55 ℃；3日夜間帶狀云系中的強中心從陜西中部自西向東移動。4日05時(圖7e)，tBB≤-45 ℃的強中心移出陜西。4日08時，西風(fēng)槽移出陜西，700 hPa南風(fēng)減弱，tBB≤-30 ℃的帶狀云系覆蓋陜西關(guān)中、陜南地區(qū)，降雪強度減小。4日14時(圖7f)，tBB≤-30 ℃的帶狀云系移出陜西，降雪結(jié)束?？梢钥闯龃舜侮兾鞅┭┻^程是由帶狀云系自陜西西南東移加強所致，系統(tǒng)加深，輻合上升運動加強，帶狀云系強中心不斷加強，是產(chǎn)生暴雪的原因。tBB≤-30 ℃的冷云帶出現(xiàn)時對應(yīng)降雪，tBB≤-50 ℃的強冷云帶出現(xiàn)時對應(yīng)著強降雪，3日夜間陜西暴雪區(qū)位于帶狀云系中tBB≤-50 ℃的強中心移過的區(qū)域。

7 三維環(huán)流特征

分析此次暴雪發(fā)生前后環(huán)流形勢，綜合水汽、熱力、動力條件特征分析，總結(jié)了此次暴雪天氣的環(huán)流特征(圖8)。高層冷空氣逐漸下沉，在偏北風(fēng)和低層?xùn)|風(fēng)急流作用下，在暴雪區(qū)低空輻合堆積，形成冷墊；700～500 hPa南支槽與西風(fēng)槽東移加深，槽前強盛的西南風(fēng)急流在冷空氣墊上爬升，為暴雪發(fā)生提供了充足水汽供應(yīng)，低層切變和高空槽前的輻合，加速了水汽的聚集。高空急流在暴雪區(qū)上空通風(fēng)抽吸，加強了高層輻散、中低層輻合，上升運動的發(fā)展。中高層暖濕急流與低層冷空氣在暴雪區(qū)上空對峙，形成了明顯鋒區(qū)，鋒區(qū)兩側(cè)明顯的次級環(huán)流，加速了暴雪區(qū)上空上升運動的發(fā)展，是暴雪發(fā)生的重要原因。

圖7 2018年1月相當(dāng)黑體亮溫(TBB)演變(a 2日14時，b 2日20時，c 3日08，d 3日20，e 4日05時，f 4日14時)

圖8 陜西中部暴雪過程三維空間環(huán)流特征

8 小結(jié)

(1) 此次暴雪，發(fā)生在西風(fēng)槽與南支槽東移合并的大尺度環(huán)流背景下，850 hPa偏東風(fēng)急流楔入700 hPa偏南暖濕急流下，配合低層切變線與高空槽疊加，造成冷暖空氣在陜西上空交匯。

(2) 偏南風(fēng)急流為暴雪區(qū)提供了充足的水汽供應(yīng)，暴雪區(qū)上空持續(xù)的水汽輻合，為暴雪發(fā)生提供了充足的水汽條件。高空冷空氣下沉南壓，在低層偏東風(fēng)作用下，在陜西中南部形成冷墊；暖濕急流在冷墊上爬升，配合高空急流的通風(fēng)抽吸作用，加速上升運動發(fā)展，將低層水汽輸送到高層，為暴雪發(fā)生提供了充足的動力和能量條件。

(3) 中高層暖濕急流與低層冷空氣在陜西中北部對峙，暴雪區(qū)上空形成明顯鋒區(qū)。鋒區(qū)次級環(huán)流加速了暴雪區(qū)上升運動的發(fā)展，為降雪起到增幅作用，是暴雪發(fā)生的重要原因。

(4) 暴雪發(fā)生時段，帶狀云系逐漸東移并不斷加強，暴雪區(qū)位于帶狀云系中tBB≤-50 ℃的強中心移過的區(qū)域。