蒙古氣旋影響下一次大范圍降雪天氣過程成因診斷分析

王常順 王慧清

(1.呼倫貝爾學(xué)院農(nóng)林學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008 2.呼倫貝爾市氣象局 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

前言

呼倫貝爾市位于祖國的最北端，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短暫涼爽。大興安嶺橫亙境內(nèi)，將呼倫貝爾劃分為三個(gè)區(qū)域，嶺東和松嫩平原相接，主要以農(nóng)業(yè)為主，稱為農(nóng)區(qū)；嶺西屬于蒙古高原的一部分，主要以草原為主，稱為牧區(qū)；大興安嶺地區(qū)則稱為林區(qū)。呼倫貝爾市是我國畜牧業(yè)主要分布區(qū)域之一，冬春季大范圍的降雪對(duì)畜牧業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和人民生活等造成了較大的影響，是制約呼倫貝爾市畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要致災(zāi)因子。

2016年3月4日-3月5日，呼倫貝爾市出現(xiàn)了一次明顯的降雪天氣過程，扎蘭屯、阿榮旗、莫旗、鄂倫春、圖里河、牙克石、博克圖降大雪；滿洲里、陳旗、海拉爾、鄂溫克、小二溝、根河降中雪；新右旗、新左旗和額爾古納市降小雪。其中，牙克石市、鄂倫春旗和博克圖12h降雪量達(dá)到暴雪量級(jí)。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、Micaps資料、衛(wèi)星資料、雷達(dá)資料，著重分析中到大雪發(fā)生時(shí)動(dòng)力條件、熱力條件、水汽條件等物理參數(shù)及雷達(dá)特征，以認(rèn)識(shí)降雪天氣形成的機(jī)理，為呼倫貝爾市預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供一定的參考依據(jù)，以期提高呼倫貝爾市大雪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 降雪實(shí)況

受蒙古冷渦影響，2016年3月4日09時(shí)至3月5日08時(shí)呼倫貝爾市出現(xiàn)大范圍降雪天氣。從4日12時(shí)開始，呼倫貝爾市范圍內(nèi)自西向東逐漸出現(xiàn)降雪。4日16時(shí)降雪開始加強(qiáng)，到夜間22時(shí)降雪達(dá)到第一個(gè)峰值(圖1a)，呼倫貝爾市小時(shí)總降雪量為7.1mm，之后降雪略有減小，次日02時(shí)又開始加強(qiáng)，次日03時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值，呼倫貝爾市小時(shí)總降雪量為6.3mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，呼倫貝爾市24h平均降雪量為4.7mm。扎蘭屯、阿榮旗、莫旗、鄂倫春、圖里河、牙克石、博克圖24h內(nèi)降大雪，降雪量為5.0mm～9.0mm；滿洲里、陳旗、海拉爾、鄂溫克、小二溝、根河24h內(nèi)降中雪，降雪量為3.3mm～4.7mm；其他3個(gè)觀測(cè)站24h降小雪，降雪量為0.8mm～1.3mm。其中，牙克石市、鄂倫春旗和博克圖12h降雪量分別為8.7mm、7.4mm和8.7mm，達(dá)到暴雪量級(jí)。(圖1b，表1)。

圖1 2016年3月4日09時(shí)至3月5日08時(shí)小時(shí)降雪量 (a)、 24h降雪量(b)實(shí)況分布圖(單位：mm)

表1 2016年3月4日09時(shí)～3月5日08時(shí)降雪量及積雪深度

注：雪量單位：mm，積雪深度單位：cm

2 環(huán)流背景

500hPa圖上，整個(gè)歐亞大陸為一槽兩脊型，西部的高壓脊較東部高壓脊發(fā)展強(qiáng)盛。2日20時(shí)(圖略)，烏拉爾山以西存在阻塞高脊，脊線位于50°E附近，高脊發(fā)展強(qiáng)盛，脊頂北挺到60°N以北，振幅≥15個(gè)緯距，極地冷渦位于80-140°E、70°N附近，冷渦中心分裂為二，分別位于90°E 、70°N和130°E 、70°N附近，位于90°E 、70°N附近冷渦底部分裂出冷槽向南伸到巴爾喀什湖地區(qū)。隨著冷空氣不斷加強(qiáng)，冷渦西側(cè)與烏拉爾山高脊之間的西北急流推動(dòng)冷渦東移南下，渦后冷平流使得冷渦底部分裂出的冷槽的斜壓性加強(qiáng)，有利于冷槽的發(fā)展。24h后，烏拉爾山以西的高壓脊位置少動(dòng)，經(jīng)向度加大，脊頂北挺到70°N以北。極地冷渦沿著脊前西北氣流不斷下滑南亞，其底部分裂出的冷槽東移至薩彥嶺以東，開始影響我國西北地區(qū)，呼倫貝爾市受下游高壓脊的影響。4日20時(shí)(圖2a)，低槽進(jìn)一步東移，到達(dá)蒙古國東部地區(qū)，冷槽有明顯的斜壓性，槽后冷平流使得冷槽進(jìn)一步發(fā)展加深，呼倫貝爾市受槽前西南氣流影響。槽前的暖平流促使下游高脊發(fā)展，形成阻塞高脊，對(duì)冷槽在呼倫貝爾市上空長(zhǎng)時(shí)間停留是非常有利的，從而導(dǎo)致降雪維持。700hPa上(圖2b)，在蒙古國東部為一低渦，低渦前部已壓在呼倫貝爾市西部，呼倫貝爾市主體處于低渦前部西南氣流影響下，低渦位置與500hPa冷槽同位相疊加。850hPa圖上(圖2c)，呼倫貝爾市同樣受低渦影響，其前部的暖濕氣流順著西南風(fēng)源源不斷輸送到呼倫貝爾市上空。

圖2 2016年3月4日20時(shí)500hPa(a)、700hPa(b)、 850hPa(c)高空形勢(shì)圖

3 主要影響系統(tǒng)

海平面氣壓場(chǎng)上，2日20時(shí)(圖略)，在巴爾喀什湖、薩彥嶺以東一帶為一弱高壓系統(tǒng)，蒙古國中部為一閉合低壓，但是強(qiáng)度較弱，只有一根閉合等壓線，中心值為1010hPa。3日20時(shí)，位于巴爾喀什湖、薩彥嶺以東一帶的弱高壓不斷加強(qiáng)為一強(qiáng)盛的高壓系統(tǒng)，中心值達(dá)1045hPa。其前部位于蒙古國中部的低壓系統(tǒng)也不斷加強(qiáng)，形成3根閉合等壓線，中心值為1007.5 hPa。此時(shí)，呼倫貝爾市受下游地區(qū)弱高壓的控制。4日14時(shí)(圖3a)，高壓繼續(xù)東移到薩彥嶺以東蒙古國境內(nèi)，同時(shí)，蒙古氣旋也進(jìn)一步東移，強(qiáng)度加強(qiáng)，呼倫貝爾市處于其前部外圍控制下，受其影響，呼倫貝爾市西部地區(qū)開始出現(xiàn)降雪天氣。4日20時(shí)(圖3b),系統(tǒng)進(jìn)一步東移，中心壓到呼倫貝爾市西部，此時(shí)，降雪范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，降雪強(qiáng)度也加大。之后，蒙古氣旋不斷加強(qiáng)，受下游系統(tǒng)的阻擋在呼倫貝爾市上空停留打轉(zhuǎn)，給呼倫貝爾市帶來持續(xù)性降雪天氣。

此次降雪過程中，蒙古氣旋的移動(dòng)路徑呈“U”字型(圖3c)。自其在蒙古國中部形成起，先東移南壓，影響內(nèi)蒙古中部地區(qū)，之后東移北上，開始影響呼倫貝爾市，給呼倫貝爾市帶來大范圍降雪天氣。受下游阻塞高壓的影響，其在呼倫貝爾市上空持續(xù)停留打轉(zhuǎn)，使得降雪得以維持，是造成此次中到大雪天氣的主要原因之一。

圖3 2016年3月4日14時(shí)(a)、20時(shí)(b)海平面氣壓場(chǎng)及蒙古氣旋移動(dòng)路徑圖(c)

4 成因分析

4.1 動(dòng)力條件

4.1.1 散度場(chǎng)特征

在對(duì)散度場(chǎng)的分析中可以看出(圖5a,b),2016年3月4日20時(shí)呼倫貝爾市850hPa散度中心值為-10×10-5s-1，配合高空500hPa上為散度正值區(qū)，中心值達(dá)到9×10-5s-1，這種高層輻散低層輻合的形勢(shì)，使上升運(yùn)動(dòng)得以發(fā)展加強(qiáng)，對(duì)降雪的形成極為有利。分析4日20時(shí)散度場(chǎng)空間垂直剖面圖(圖5c)發(fā)現(xiàn)：呼倫貝爾市西部115-120oE(此時(shí)已出現(xiàn)降雪)上空同樣表現(xiàn)為高層正值、低層負(fù)值的形勢(shì)。輻合在900hPa附近達(dá)到最強(qiáng)，中心值為-12×10-5s-1；輻散中心出現(xiàn)在400hPa附近，強(qiáng)度較弱為8×10-5·s-1。這種低層輻合明顯強(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。而呼倫貝爾市東部地區(qū)121～125oE(此時(shí)還未出現(xiàn)降雪)上空具有與西部地區(qū)相反的結(jié)構(gòu)，有下沉氣流產(chǎn)生。這樣在垂直方向上形成了次級(jí)環(huán)流，其上升支區(qū)域有降雪產(chǎn)生，而下沉支區(qū)域降雪還未出現(xiàn)。隨著系統(tǒng)東移北上，降雪區(qū)域也逐漸東移。

圖5 2016年3月4日20時(shí)500hPa(a)、850hPa(b)散度場(chǎng)(10-6s-1)及散度場(chǎng)空間垂直剖面圖(c)

4.1.2 垂直運(yùn)動(dòng)特征

垂直運(yùn)動(dòng)使水汽冷卻凝結(jié)，是產(chǎn)生降雪的重要條件。2016年3月4日20時(shí)呼倫貝爾市上空從低層到高層為一致的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，700hPa垂直速度中心值為-28 Pa· s-1(圖6a)，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展強(qiáng)烈，為本次強(qiáng)降雪的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件。在4日20時(shí)垂直速度空間剖面圖上(圖6b)，開始產(chǎn)生降雪的區(qū)域上空整層均處于強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)中，垂直運(yùn)動(dòng)最大中心位于700～400hPa層次上，這支強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)是降雪的重要條件。未產(chǎn)生降雪的區(qū)域上空整層均處于下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)中，最大中心也位于700～400hPa層次上。從垂直速度空間剖面圖上也可看出在垂直方向上存在一次級(jí)環(huán)流，其輻合上升支區(qū)域有降雪產(chǎn)生，而它的下沉支區(qū)域降雪還未出現(xiàn)。

圖6 2016年3月4日20時(shí)700hPa(a)垂直速度場(chǎng)(Pa·s-1)及垂直速度場(chǎng)空間垂直剖面圖(b)

4.1.3渦度平流分析

本次降雪天氣發(fā)生時(shí)呼倫貝爾市恰好處在500hPa槽前的正渦度平流區(qū)中，且正渦度平流區(qū)與地面蒙古氣旋在垂直方向上疊置，這樣就使得地面的低壓系統(tǒng)獲得動(dòng)力性發(fā)展，從而加深加強(qiáng)，這在一定程度上也進(jìn)一步加強(qiáng)了本次降雪天氣(圖7)。

圖7 2016年3月4日20時(shí)500hPa高度場(chǎng)和渦度平流場(chǎng)疊加(黑線為高度場(chǎng)，紅線為渦度平流)

4.2 水汽條件

4.2.1 水汽輸送特征

從圖8a中可見，此次降水的水汽通道有兩條，一條是西南路徑，水汽通量大值區(qū)位于孟加拉灣，中心值為8g·s-1cm-1，配合西南氣流將水氣輸送到呼倫貝爾市上空，一條是偏南路徑，水汽通量大值區(qū)位于渤海灣，中心值為6g·s-1cm-1，配合偏南氣流將水氣輸送到呼倫貝爾市。850hPa上比濕線與流線有較好的疊加，同時(shí)在呼倫貝爾市西部偏西地區(qū)存在明顯的流場(chǎng)輻合，濕舌從孟加拉灣及渤海灣一直北伸到呼倫貝爾市西部，說明降雪發(fā)生時(shí)呼倫貝爾市上空有水汽的堆積，也說明西南低空急流對(duì)水汽輸送起重要作用(圖8b)。因此，低空的水汽和動(dòng)力輻合是造成本次大雪天氣的重要條件。

從水汽通量散度與流場(chǎng)疊加圖(圖8c)分析知，自孟加拉灣的水汽源源不斷地輸送到呼倫貝爾市上空，水汽通量散度在呼倫貝爾市西部偏西地區(qū)有一個(gè)明顯的輻合區(qū)，大值中心強(qiáng)度達(dá)-9×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1。風(fēng)場(chǎng)輻合中心與水汽輻合中心基本重合，這說明水汽伴隨西南氣流源源不斷地向呼倫貝爾市輸送并在呼倫貝爾市上空堆積，也說明水汽和動(dòng)力的輻合是造成本次大到暴雪天氣的重要條件。

圖8 2016年3月4日20時(shí)850hPa水汽通量和流場(chǎng)(a); 比濕和流場(chǎng)(b); 水汽通量散度和流場(chǎng)(c)

4.2.2本地水汽特征

圖9 2016年3月4日20時(shí)50527站單站探空相對(duì)濕度分析圖(a)及溫度對(duì)數(shù)壓力圖(b)

水汽源源不斷輸送補(bǔ)充對(duì)強(qiáng)降雪的發(fā)生有重要作用，然而本地水汽的作用也不可忽視。從海拉爾站(50527)探空相對(duì)濕度分析圖(圖9a)中可以看出，降雪發(fā)生時(shí)中低層(850hPa-600hPa)相對(duì)濕度基本在90%-100%之間，這表明降雪發(fā)生時(shí)呼倫貝爾市上空水汽充足。海拉爾站(50527)溫度對(duì)數(shù)壓力圖上(圖9b)顯示，對(duì)流層中低層(925hPa-600hPa)溫度與露點(diǎn)線幾乎重合，這也說明強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)呼倫貝爾市上空濕層深厚，水汽基本達(dá)到飽和，為強(qiáng)降雪提供了有利的水汽條件。

5 雷達(dá)特征

圖11 2016年3月4日50527雷達(dá)站15時(shí)(a)、16時(shí)(b)、21時(shí)(c)、22時(shí)(d)組合反射率因子

海拉爾降雪比較集中的時(shí)段主要集中在15時(shí)、21時(shí)和22時(shí)，選取了海拉爾雷達(dá)站降雪集中時(shí)段的組合反射率因子(圖11)。從圖中可以看出，本次降雪剛發(fā)生時(shí)(圖11a、b)，在呼倫貝爾市上空一直有均勻的絮狀回波存在，最大反射率因子為30dBz，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，為層狀云降水回波。隨著時(shí)間的推移(圖11c)，出現(xiàn)一條近東西向的強(qiáng)回波帶，比較整齊，之后回波面積逐漸擴(kuò)大(圖11d)，強(qiáng)度略有加強(qiáng)，降雪強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。在西南氣流的推動(dòng)下，強(qiáng)回波不斷東北移，降雪區(qū)域也向呼倫貝爾市北部不斷推進(jìn)，海拉爾周圍降雪逐漸減弱。

小結(jié)

通過對(duì)2016年3月4日-5日發(fā)生在呼倫貝爾市境內(nèi)一次大范圍降雪天氣的成因進(jìn)行診斷分析，得到如下結(jié)論：

⑴本次降雪過程的主要影響天氣系統(tǒng)是500hPa低槽、烏拉爾山高壓脊以及日本海阻塞高壓。

⑵在700hPa圖上，在蒙古國東部為一低渦，呼倫貝爾市主體處于低渦前部西南氣流影響下，低渦位置與500hPa冷槽同位相疊加。

⑶本次降雪過程的主要影響系統(tǒng)是蒙古氣旋，其移動(dòng)路徑呈“U”字型。

⑷動(dòng)力條件方面，高層輻散低層輻合的高低空配置，再加上高空槽前的正渦度平流與地面蒙古氣旋在垂直方向上疊置，使上升運(yùn)動(dòng)得以發(fā)展加強(qiáng)，地面的低壓系統(tǒng)獲得動(dòng)力性發(fā)展在一定程度上進(jìn)一步加強(qiáng)了本次降雪天氣。

⑸850hPa上存在一支西南低空急流，配合比濕≥2g/Kg；水汽通量散度-9×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1，西南低空急流使得低緯度水汽源源不斷向呼倫貝爾市輸送并使得水汽在呼倫貝爾市上空輻合堆積，有利于降雪的產(chǎn)生。本次降雪發(fā)生時(shí)本地水汽也起了很重要的作用。

⑹本次降雪發(fā)生時(shí)，在呼倫貝爾市上空有最大反射率因子為30dBz且均勻分布的層狀云降水回波存在。