呼倫貝爾東南部與齊齊哈爾地區(qū)2020 年4 月20-21 日極端降雪天氣成因分析

姜鳳友

（呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008）

1 引言

冬春季北方地區(qū)的暴雪災(zāi)害是我國(guó)主要天氣氣候事件， 會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失；因此對(duì)暴雪天氣的成因和維持機(jī)制等進(jìn)行研究、提高暴雪天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有重要意義； 呼倫貝爾地區(qū)地處我國(guó)東北部， 特別是東部與黑龍江省西部相鄰， 經(jīng)統(tǒng)計(jì)東北冷渦是呼倫貝爾及齊齊哈爾地區(qū)主要的降水影響系統(tǒng)； 東北冷渦是一個(gè)深厚的天氣系統(tǒng)，一般可以維持3-5 d，在其持續(xù)控制下，能造成大范圍區(qū)域持續(xù)性降水［1-4］。 2020 年4 月19-21 日深厚的東北冷渦及強(qiáng)盛的地面氣旋相互作用， 呼倫貝爾市中東部及齊齊哈爾地區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的雨雪天氣過程。 19 日夜間降水由雨轉(zhuǎn)雪，20 日08 時(shí)-21日08 時(shí)是降雪最強(qiáng)時(shí)段，齊齊哈爾市、扎蘭屯市特大暴雪，阿榮旗、甘南縣大暴雪，富裕縣、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗、小二溝鎮(zhèn)暴雪。 公路交通嚴(yán)重受阻，多起車輛被困雪中， 多處種植大棚、 暖窖被大雪壓塌。 本文利用Micaps 數(shù)據(jù)、GPS-MET 水汽、 雷達(dá)資料，對(duì)天氣系統(tǒng)演變及強(qiáng)降雪主要成因進(jìn)行分析，著重分析降雪發(fā)生時(shí)動(dòng)力條件、水汽條件等物理參數(shù)，雷達(dá)產(chǎn)品特征，闡述強(qiáng)降雪天氣形成的機(jī)理，提升大家對(duì)東北冷渦天氣系統(tǒng)高低空配置的認(rèn)識(shí)， 為暴雪天氣預(yù)報(bào)提供一定的參考依據(jù)。

2 天氣實(shí)況

受東北冷渦及地面氣旋影響，2020 年4 月19-21 日呼倫貝爾市中東部及齊齊哈爾地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)降水天氣，19 日下午至20 日08 時(shí)降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雨夾雪到雪。 20 日08 時(shí)-21 日08 時(shí)持續(xù)降雪，扎蘭屯市、阿榮旗、齊齊哈爾市小時(shí)降雪量都在1 mm 左右，最大小時(shí)降雪量出現(xiàn)在扎蘭屯市21 日06 時(shí)2.2 mm。 24 h 扎蘭屯市、齊齊哈爾市特大暴雪，降雪量33.9 mm、31.1 mm，突破歷史極值；阿榮旗、甘南縣大暴雪，降雪量27.9 mm、26.6 mm，突破歷史同期極值；富?？h、小二溝鎮(zhèn)、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗暴雪，降雪量分別為17.3 mm、13.0 mm 和12.6 mm。

3 天氣系統(tǒng)演變

3.1 500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)

20 日20 時(shí)500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)顯示，東北冷渦區(qū)位勢(shì)高度明顯低于距平場(chǎng)， 冷渦中心區(qū)高度比平均場(chǎng)偏低60 gpm，東北冷渦強(qiáng)度較強(qiáng)；上游烏拉爾山高脊北挺至極地，位勢(shì)高度明顯高于距平場(chǎng)，脊區(qū)高度比平均場(chǎng)偏高80 gpm， 脊前西北氣流引導(dǎo)冷空氣東南下進(jìn)入冷渦， 使得冷圖1500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)圓圈區(qū)為低渦、三角區(qū)為脊區(qū)渦維持或加強(qiáng)；下游鄂霍次克海高脊，位勢(shì)高度明顯高于距平場(chǎng)，脊區(qū)高度比平均場(chǎng)偏高60 gpm， 對(duì)東北冷渦起到阻擋作用,使東北冷渦穩(wěn)定少動(dòng)（圖1）。

3.2 高空天氣系統(tǒng)

19 日20 時(shí)500 hPa 在貝加爾湖至呼倫貝爾市之間為一較深厚的高空槽，溫度槽落后于高度槽，在槽后偏北氣流引導(dǎo)下，冷空氣不斷向槽區(qū)輸送，促使系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展；至20 日08 時(shí)高空槽加強(qiáng)為冷渦，中心位于呼倫貝爾市西部，中心值528 dagpm，渦后有-40 ℃的冷中心（圖1a）；至20 日20 時(shí)冷渦東南掉，中心位于吉林省西部，中心值528 dagpm，冷渦等高線由2 根閉合增加為3 根； 至21 日08 時(shí)冷渦東移，中心位于吉林省東部，中心值下降為520 dagpm，冷渦等高線由3 根閉合增加為5 根（圖1b），說明冷渦非常深厚。

圖1 （a）20 日08 時(shí)（b）21 日08 時(shí)500 hPa 環(huán)流場(chǎng)

圖2 （a）20 日08 時(shí)（b）21 日08 時(shí)850 hPa 環(huán)流場(chǎng)

19 日20 時(shí)850 hPa 東北冷渦，中心位于興安盟東部， 中心值140 dagpm， 對(duì)應(yīng)500 hPa 槽前，與500hPa 相比系統(tǒng)后傾明顯，處于發(fā)展階段；至20 日08 時(shí)冷渦略東移且明顯加強(qiáng)， 中心值下降到132 dagpm，系統(tǒng)仍后傾明顯，將繼續(xù)發(fā)展（圖2a）；至20日20 時(shí)冷渦東北上，中心位于黑龍江省中部；至21日08 時(shí)冷渦略西退且加強(qiáng)， 中心值下降為128 dagpm（圖2b），與500 hPa 相比冷渦位置基本重合，說明冷渦非常深厚，系統(tǒng)達(dá)到強(qiáng)盛階段。

3.3 地面天氣系統(tǒng)

20 日08 時(shí)地面天氣圖，氣旋中心位于吉林省東部， 氣壓1000.0 hPa， 強(qiáng)降雪區(qū)位于氣旋頂后部；20日20 時(shí)氣旋略東移北上，21 日08 時(shí)氣旋略西退南壓。 從20 日08 時(shí)至21 日08 時(shí)24 h 氣旋中心移動(dòng)路線可以看出，氣旋先東移北上再西退南壓，24 h 內(nèi)位置及強(qiáng)度都變化不大， 這也是產(chǎn)生大量級(jí)降雪的一個(gè)重要原因。

4 成因分析

4.1 高、低空急流

降雪時(shí)段地面氣旋上空存在高空急流和低空急流（圖3），高低空急流的耦合作業(yè)使降雪加強(qiáng)，強(qiáng)降雪區(qū)在急流出口區(qū)的左側(cè)， 高空急流的輻散抽吸作業(yè)使地面氣旋不斷維持或加強(qiáng)， 低空急流不斷將暖濕空氣向降雪區(qū)輸送，提供水汽和能量，強(qiáng)降雪區(qū)位于顯著濕區(qū)內(nèi)。

4.2 水汽條件分析

充足的水汽是產(chǎn)生暴雪最主要的條件之一，暴雪發(fā)生不但要求有豐富的局地水汽條件， 還要有源源不斷的水汽進(jìn)行補(bǔ)充［5］，在整個(gè)降雪時(shí)段850 hPa一直有偏南低空急流向降雪區(qū)輸送水汽。 渤海至強(qiáng)降雪區(qū)一直有一條水汽通量大值區(qū)， 與低空急流吻合，在強(qiáng)降雪區(qū)附近達(dá)到3 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通量散度達(dá)到-4×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1（圖略）。 比濕是空氣中水汽的絕對(duì)含量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)暴雪天氣過程，850 hPa 比濕要達(dá)到2 g·kg-1［6］， 通過對(duì)20 日20 時(shí)850 hPa 比濕場(chǎng)分析得出（圖略），此次強(qiáng)降雪天氣比濕達(dá)到3 g·kg-1。

圖5 20 日08 時(shí)200 hPa、850 hPa 急流與顯著濕區(qū)

對(duì)齊齊哈爾站20 日20 時(shí)探空?qǐng)D進(jìn)行分析，對(duì)流層中低層（925-650 hPa）溫度與露點(diǎn)線幾乎重合，特別是925-850 hPa 有較厚的逆溫層、 氣溫由-8 ℃上升到-1 ℃， 氣溫上升使得大氣飽和時(shí)水汽含量明顯增加，為強(qiáng)降雪提供更充分的水汽。 850 hPa 以上為偏南風(fēng)，850-925 hPa 為東北風(fēng)， 暖濕氣流的輸送形成逆溫層，風(fēng)場(chǎng)切變明顯，有利于降水的產(chǎn)生。

4.3 動(dòng)力條件分析

4.3.1 散度

20 日20 時(shí)925 hPa 散度場(chǎng), 東北地區(qū)哈爾濱市為輻合中心，強(qiáng)降雪區(qū)散度值達(dá)到-12×10-5s-1以上；700 hPa 強(qiáng)降雪區(qū)散度值減弱為-6×10-5s-1(圖略)，至500 hPa 以上散度值轉(zhuǎn)為正值且數(shù)值明顯小于低層散度值，這種低層輻合高層輻散的形勢(shì)，有利于地面氣旋的發(fā)展加強(qiáng)， 且低層輻合明顯強(qiáng)于高層輻散的現(xiàn)象說明， 此次降雪主要是由中低層系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展所致。

4.3.2 垂直速度

冷渦中心及東南部下方的暖濕空氣對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的發(fā)展增強(qiáng),將對(duì)強(qiáng)降雪的增幅起到很大作用［7］。 在對(duì)20 日20 時(shí)925 hPa 垂直速度場(chǎng)的分析中得出, 冷渦的中心附近吉林省中部為上升運(yùn)動(dòng)中心，在強(qiáng)降雪區(qū)垂直速度達(dá)到-8×10-2Pa·s-1以上；700 hPa強(qiáng)降雪區(qū)垂直速度減弱為-4×10-2Pa·s-1，至500 hPa以上垂直速度值轉(zhuǎn)為正值， 這種低層較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)， 為本次強(qiáng)降雪的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件(圖略)。

5 雷達(dá)資料分析

20 日15 時(shí)34 分從齊齊哈爾雷達(dá)資料分析，強(qiáng)降雪地區(qū)回波強(qiáng)度在20-25 dBz；降雪期間一直有均勻的絮狀回波存在，最大反射率因子為30 dBz，對(duì)于降雪來說，回波強(qiáng)度較強(qiáng)。 在整個(gè)降雪過程中反射率因子回波強(qiáng)度梯度較小，回波分布比較均勻。 沿著扎蘭屯至阿榮旗（123.64°E 48.14°N-122.46°E 47.82°N)回波較強(qiáng)的地方做雷達(dá)反射率剖面， 看出回波頂高度在3 m 左右的，強(qiáng)回波高度在1-2 km 左右，說明主要降雪云層在850-700 hPa 高度，這正是水汽豐富的地區(qū)。

6 GPS-MET 水汽與降水的關(guān)系

呼倫貝爾市10 個(gè)GPS-MET 水汽觀測(cè)站， 其中在這次降雪過程中扎蘭屯、 小二溝站達(dá)到暴雪及以上，通過對(duì)這兩站PWV 與對(duì)應(yīng)降水量的演變過程進(jìn)行分析， 扎蘭屯市PWV 從19 日08 時(shí)9.8 mm 上升到17 時(shí)15.8 mm，上升了6 mm，開始出現(xiàn)降水；在降水前期19 日17-20 時(shí)為雨轉(zhuǎn)雨夾雪，19 日20 時(shí)-20日02 時(shí)為雨夾雪轉(zhuǎn)雪， 期間PWV 逐漸下降；20 日08 時(shí)-21 日07 時(shí)PWV 波動(dòng)幅度較小， 整個(gè)降水期間小時(shí)降水量都在1 mm 左右，但可以看出雨或雨夾雪時(shí)PWV 要比雪大一些。 小二溝PWV 從19 日14時(shí)13.8 mm 下降到23 時(shí)10.4 mm， 下降了3.4 mm，開始出現(xiàn)降雪；19 日23 時(shí)-21 日08 時(shí)PWV 波動(dòng)幅度較小，整個(gè)降水期間小時(shí)降水量都在1 mm 以下且有的時(shí)段沒有降水。 兩站對(duì)比可以看出扎蘭屯站PWV 持續(xù)上升一段時(shí)間出現(xiàn)降水，而小二溝站PWV下降一段時(shí)間出現(xiàn)降水；降水期間小二溝站PWV 比扎蘭屯站略大，但是降水量卻比扎蘭屯站??；所以可以初步得出，PWV 與降水沒有必然聯(lián)系，PWV 達(dá)到一定值后， 能否降水及量級(jí)大小還要有其他條件配合。

7 結(jié)論

（1）上游強(qiáng)盛的烏拉爾山高脊，引導(dǎo)冷空氣不斷流向東北冷渦，下游強(qiáng)盛的鄂霍次克海高脊，對(duì)東北冷渦東移起到阻擋作用，所以東北冷渦穩(wěn)定少動(dòng)。

（2）深厚的東北冷渦與地面穩(wěn)定少動(dòng)的氣旋相互作用，導(dǎo)致降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，是極端降雪產(chǎn)生的原因。

（3）降雪期間有持續(xù)的低空急流向降雪輸送水汽，925-850 hPa 有較厚的逆溫層、 氣溫由-8 ℃上升到-1 ℃，使大氣飽和時(shí)水汽含量明顯增加。

（4）強(qiáng)降雪區(qū)850 hPa 比濕達(dá)到3 g·kg-1，明顯大于暴雪預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)2 g·kg-1。

（5）動(dòng)力條件方面低層較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，為本次強(qiáng)降雪的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件;低層輻合高層輻散，且低層輻合明顯強(qiáng)于高層輻散,說明此次降雪主要是由中低層系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展所致。

（6）PWV 與降水沒有必然聯(lián)系，PWV 達(dá)到一定值后，能否降水及量級(jí)大小還要有其他條件配合。