豫西一次致災(zāi)暴雪天氣診斷分析

許方璐 陳紅霞

摘 要：利用常規(guī)氣象資料和NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析資料，從天氣形勢(shì)、物理量場(chǎng)等方面分析了2018年1月4日豫西地區(qū)暴雪的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明：這次暴雪屬于典型的南支槽前西南急流配合地面東路冷空氣共同作用的結(jié)果;中低層正渦度、高層負(fù)渦度，渦度帶隨高度向北傾斜，散度場(chǎng)上中低層輻合、高層輻散，這種配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，為暴雪的產(chǎn)生提供了動(dòng)力條件;中低層的水汽通量散度、上游水汽輻合區(qū)的強(qiáng)度和移動(dòng)方向?qū)笛┞鋮^(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)有一定的指示意義;豫西上空有明顯的鋒生帶自北向南移動(dòng)，在南部的穩(wěn)定維持有助于暴雪的產(chǎn)生，與暴雪帶對(duì)應(yīng)較好;鋒生函數(shù)主要受水平散度項(xiàng)的影響，水平風(fēng)場(chǎng)的輻合作用既有利于鋒生，又有利于南方暖濕氣流匯聚到暴雪區(qū)，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升有助于暴雪的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：暴雪;西南急流;水汽通量散度;鋒生函數(shù)

中圖分類號(hào)：P458.121.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）22-0129-06

Abstract： Using conventional observations and NCEP CFSv2 global 0.5°×0.5° final-analysis data， the circulation feature and physical quantity field of a heavy snowfall event in Luoyang on January 3 in 2018 were analyzed. The results show that this heavy snowfall event in Luoyang belonged to typical transverse trough circulation background field， the conversion of transverse trough into perpendicular trough would guide cold airflow into Henan. The relative vorticity was positive in the middle-low troposphere and negative in the upper troposphere. The relative vorticity band tilted towards the north in the vertical direction. The vertical structure of convergence at low level and divergence in upper level caused to persist increase of ascending motion， thus provided dynamic condition for heavy snowfall. The moisture flux divergence field in the middle-low troposphere had better implications of the areas and strength of heavy snowfall. The frontogenesis band had moved from north to south over Luoyang， the stable maintenance of frontogenesis in the south of Luoyang was conducive to the development of heavy snowfall. The frontogenesis band had a good prediction of the heavy snowfall areas. Frontogenesis function was mainly affected by the divergence term. The convergence of horizontal wind field was conducive to frontogenesis and moisture convergence， thus warmer and wetter airflow tilting upward along the front could be conducive to the development of heavy snowfall.

Keywords： heavy snowfall;transverse trough;moisture flux divergence;frontogenesis function

豫西地處河南省西部，為秦嶺東延的余脈，多山區(qū)和丘陵。暴雪是豫西山區(qū)冬季主要的災(zāi)害性天氣之一，常常伴隨著寒潮、大風(fēng)、低溫等天氣，嚴(yán)重影響交通、運(yùn)輸和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。對(duì)于暴雪天氣，歐美一些研究指出，暴雪多與溫帶氣旋和暖濕輸送帶有關(guān)[1-2]。在日本，研究者認(rèn)為降雪多與東亞大陸出海后發(fā)生發(fā)展的低壓系統(tǒng)有關(guān)[3]。我國(guó)對(duì)暴雪的研究也取得了一定的成就。劉志勇等[4]對(duì)湖北一次區(qū)域性暴雪進(jìn)行研究，并指出高空東移小槽、中低層切變線和地面冷鋒是其主要影響系統(tǒng)。王新敏等[5]根據(jù)暴雪的天氣形勢(shì)特征，將河南省暴雪分為橫槽型、不穩(wěn)定小槽發(fā)展型和兩槽一脊三種類型。孫仲毅[6]等通過(guò)對(duì)河南北部暴雪天氣的物理量診斷分析指出，中低層正渦度、中高層負(fù)渦度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定維持為降雪提供了動(dòng)力條件。冷暖空氣穩(wěn)定對(duì)峙是造成暴雪持續(xù)、增幅的重要原因之一。杜麗婭[7]從雷達(dá)速度圖分析暴雪過(guò)程時(shí)指出，中層西南急流和超低空東北風(fēng)急流的長(zhǎng)時(shí)間維持是暴雪產(chǎn)生的重要原因。李津等[8]利用鋒生函數(shù)、能量收支和水汽輸送等物理量，深入探討了暴雪形成的原因。邵宇翔等[9]利用濕位渦分析了斜壓項(xiàng)MPV2與降雪落區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文利用高分辨率的再分析資料，通過(guò)對(duì)物理量場(chǎng)的演變，分析豫西地區(qū)暴雪發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理及與暴雪中心的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，以期提高對(duì)此類暴雪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，更好地為政府提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 降雪實(shí)況及主要災(zāi)情

2018年1月3—4日，河南省西部出現(xiàn)了一次明顯降雪天氣過(guò)程，過(guò)程降雪量如下：東邊的偃師最小，僅有5.7 mm（雪深6 cm），南邊的嵩縣最大，為25.7 mm（雪深21 cm），積雪深度范圍在6～21 cm;4日降雪量（3日20：00至4日20：00）除偃師外，其他縣在10.3～17.8 mm，達(dá)到暴雪，暴雪中心在偏南山區(qū)的欒川-嵩縣-汝陽(yáng)一帶。降雪集中時(shí)段在3日17：00至4日08：00，其中，6 h最大降雪量出現(xiàn)的欒川，為8.8 mm，時(shí)間為4日02：00—08：00，3 h最大降雪量出現(xiàn)在嵩縣，為7.5 mm，出現(xiàn)時(shí)間為3日17：00—20：00。對(duì)于降雪強(qiáng)度，南邊明顯強(qiáng)于北邊且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

此次降雪對(duì)交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)施農(nóng)業(yè)及居民生活等帶來(lái)較大影響和危害。據(jù)民政局救災(zāi)辦統(tǒng)計(jì)，嵩縣、洛寧、欒川、靈寶4個(gè)縣19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)365人受災(zāi)，嚴(yán)重?fù)p壞房屋、大棚數(shù)間，造成直接經(jīng)濟(jì)損失282.26萬(wàn)元。

2 大尺度環(huán)流背景及影響系統(tǒng)分析

2018年3日08：00，500 hPa上（圖略），河套以北貝加爾湖以南為寬廣的東西帶狀的緯向環(huán)流，河北省南部到河南省東部為弱高壓脊，孟加拉灣到四川盆地再到陜西省南部一線為南支槽前西南急流所控制，河南省西部上空為西南偏西氣流;20：00，西南急流加強(qiáng)，恩施風(fēng)速最大，為46 m·s?1，風(fēng)速最小的安康也有22 m·s-1。4日08：00，高壓脊明顯東移到沿海，槽線位于山西省南部、陜西省南部到四川省南部一線，槽前西南急流將充沛的水汽輸送至河南省的大部地區(qū)。

2018年3日08：00，700 hPa上，西北-東南向的弱高壓脊位于河套地區(qū)、山西省南部、河南省東部、山東省到沿海一線，新疆有一低渦，西南急流已到長(zhǎng)江流域，但10～12 m·s?1的風(fēng)速輻合帶在河南省南部，陜西省南部到河南省西部有東西向弱切變線存在;20：00，高壓脊東移，切邊線向東伸展，南側(cè)的漢中-盧氏-南陽(yáng)-鄭州一線西南風(fēng)速為4～8 m·s?1，其上游的宜賓、沙坪壩、恩施、宜昌風(fēng)速在18～22 m·s?1，存在強(qiáng)的風(fēng)速輻合。4日08：00，陜西省南部轉(zhuǎn)偏西風(fēng)，西南急流明顯東移。850 hPa始終處貝加爾湖經(jīng)河套到淮河流域的高壓底部一致的偏東氣流中。

3日14：00地面圖上（圖略），在貝加爾湖西南堆積的強(qiáng)冷空氣（高壓中心1 089 hPa）經(jīng)河套地區(qū)、河南省等地已擴(kuò)散到長(zhǎng)江流域及其以南的廣大地區(qū)，豫西偏南山區(qū)的盧氏、靈寶、欒川、嵩縣等地的溫度降至-4 ℃，降溫幅度達(dá)6 ℃，加壓8 hPa，河南省上空轉(zhuǎn)受一致的偏東風(fēng)，說(shuō)明有冷空氣補(bǔ)充擴(kuò)散南下。11：00—14：00豫西南部山區(qū)首先出現(xiàn)小雪，17：00開(kāi)始出現(xiàn)大范圍降雪，自南向北展開(kāi)。降雪期間強(qiáng)冷空氣中心位置略有東南移，始終維持東北到東風(fēng)。4日上午降雪逐漸結(jié)束。

綜上所述，高空南支槽、中層切變線及地面東路強(qiáng)冷空氣是此次暴雪的主要影響系統(tǒng);高空西南急流在豫西南部形成的強(qiáng)輻合帶及地面東風(fēng)輻合對(duì)豫西南部暴雪有較大貢獻(xiàn)。

3 物理量診斷分析

NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析資料被廣泛用于數(shù)值模式及天氣、氣候的診斷分析研究中[10]。下面利用再分析資料對(duì)此次暴雪的動(dòng)力、水汽和鋒生函數(shù)等物理量場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.1 渦度和散度

由強(qiáng)降雪時(shí)刻渦度的經(jīng)向和緯向垂直剖面圖（見(jiàn)圖1）可以看出，洛陽(yáng)上空（112.27°E，34.41°N，下同）在700～300 hPa正負(fù)渦度區(qū)交替出現(xiàn)，垂直方向上渦度帶隨高度向北傾斜;由垂直方向合成風(fēng)矢量可以看出（見(jiàn)圖1），700 hPa以下為東風(fēng)，以上為西風(fēng)，高空西風(fēng)分量明顯大于低層?xùn)|風(fēng)分量，洛陽(yáng)上空有傾斜上升運(yùn)動(dòng)，中高層的上升運(yùn)動(dòng)明顯強(qiáng)于低層。同樣，由強(qiáng)降雪時(shí)刻散度的經(jīng)向和緯向垂直剖面圖（圖略）也可以看出，500 hPa以下為輻合區(qū)，以上為輻散區(qū)，垂直方向上輻合輻散帶隨高度也向北傾斜。

綜上所述，洛陽(yáng)上空中低層正渦度區(qū)、高層負(fù)渦度區(qū)及強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)位于對(duì)流層中高層的這種配置，可促使中低層氣旋性渦度環(huán)流增強(qiáng)。散度在中低層輻合，高層輻散也有助于上升運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定維持，從而為暴雪的產(chǎn)生提供動(dòng)力條件。

3.2 水汽通量散度

暴雪過(guò)程只有動(dòng)力抬升條件還不夠，還需要充沛的水汽供應(yīng)。水汽通量散度可以用來(lái)診斷強(qiáng)降水的落區(qū)和強(qiáng)度。水汽通量散度值為正表示有水汽流失，為負(fù)表示有水汽積聚[11]。

分析500～600 hPa水汽通量散度的時(shí)間演變（見(jiàn)圖2）可以看出：3日08：00—14：00，洛陽(yáng)上空大部分地區(qū)為正的水汽通量散度，與南支槽前的西南氣流受到高壓脊阻擋有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但陜西省南部到南陽(yáng)西部一帶有負(fù)的水汽通量散度，影響欒川和嵩縣出現(xiàn)小雪;對(duì)比分析3日20：00、4日02：00水汽通量散度的演變，洛陽(yáng)暴雪正是由于上游大范圍的水汽輻合東移至洛陽(yáng)上空所致，且中心強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，由-3.47×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1增大到-9.42×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1，充分說(shuō)明這一時(shí)段降雪最強(qiáng)。4日14：00，洛陽(yáng)轉(zhuǎn)受西北氣流控制，水汽通量散度為正值區(qū)，暴雪結(jié)束。

綜上所述，分析上游對(duì)流層中低層水汽通量散度的強(qiáng)度和移動(dòng)路徑對(duì)于預(yù)報(bào)洛陽(yáng)地區(qū)的降雪落區(qū)和強(qiáng)度有很好的指示意義。

3.3 假相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)

假相當(dāng)位溫（[θse]）是能夠綜合反映溫度和濕度的物理量，可用它來(lái)分析大氣的溫濕狀況。[θse]高值區(qū)代表高溫、高濕度區(qū)，低值區(qū)代表低溫、低濕區(qū)[12]。從強(qiáng)降雪時(shí)刻假相當(dāng)位溫的垂直剖面圖[見(jiàn)圖3（a）]可以看出，洛陽(yáng)上空為等假相當(dāng)位溫密集帶且隨高度向北傾斜，有鋒面存在。對(duì)流層低層（700 hPa以下，下同）為低值區(qū)，對(duì)流層中層（500～700 hPa）為高值區(qū)，[?θse/?<0]，說(shuō)明對(duì)流層中低層為大氣穩(wěn)定層結(jié)。從溫度的垂直剖面[見(jiàn)圖3（b）]也可以看出，洛陽(yáng)上空對(duì)流層低層有強(qiáng)冷空氣堆積，近地面層的溫度在-5 ℃以下，有利于降雪的產(chǎn)生。

為了分析洛陽(yáng)上空鋒面發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，引入鋒生函數(shù)F，其表達(dá)式為[13-14]：

式中：[F1]、[F2]、[F3]和[F4]分別為非絕熱加熱項(xiàng)、水平輻散項(xiàng)、水平變形項(xiàng)和垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)的傾斜項(xiàng)。選取具有代表性的600 hPa水平輻散項(xiàng)[F2]和水平變形項(xiàng)[F3]進(jìn)行分析。

從豫西暴雪過(guò)程鋒生函數(shù)及其各項(xiàng)的時(shí)間演變情況（見(jiàn)圖4）可以看出，3日20：00，山西南部到豫北及豫西南部到豫南分別有總鋒生函數(shù)正值帶，說(shuō)明有鋒生作用，豫西大范圍降雪開(kāi)始，水平散度項(xiàng)主要作用于豫西南部。4日02：00為降雪最強(qiáng)時(shí)刻，總鋒生函數(shù)正值帶位于陜南、豫西南部到漯河一線，正值明顯增大，水平散度項(xiàng)[F2]的貢獻(xiàn)最大，南部為鋒生區(qū)，與暴雪區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4日08：00，強(qiáng)降雪維持，南部仍然為強(qiáng)的總鋒生函數(shù)正值帶，有強(qiáng)烈的鋒生作用。4日14：00位洛陽(yáng)降雪結(jié)束時(shí)刻，總鋒生函數(shù)正值帶快速向東南移動(dòng)到信陽(yáng)地區(qū)，洛陽(yáng)處于鋒后，水平散度項(xiàng)在豫西上空基本為零，水平變形項(xiàng)為弱的正值，鋒生作用很弱。

從以上分析可知，暴雪過(guò)程中豫西上空為假相當(dāng)位溫密集帶且隨高度向北傾斜，有鋒面存在;干冷空氣從對(duì)流層低層侵入，起到了冷墊的作用。強(qiáng)鋒生帶在豫西南部的穩(wěn)定維持有助于暴雪的產(chǎn)生，與暴雪帶有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;暴雪過(guò)程中，鋒生函數(shù)主要受水平散度項(xiàng)的影響;水平風(fēng)場(chǎng)的輻合作用既有利于鋒生，又有利于將南方暖濕氣流匯聚到暴雪區(qū)，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升利于暴雪的產(chǎn)生。

4 結(jié)論與討論

①此次暴雪為典型的橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)冷空氣南下和來(lái)自孟加拉灣南支槽前西南氣流在洛陽(yáng)上空交匯所致，同時(shí)槽前暖濕氣流受低層強(qiáng)冷空氣（一致的東風(fēng)）的抬升利于降雪的產(chǎn)生。

②洛陽(yáng)上空中低層正渦度高層為負(fù)渦度，正負(fù)渦度帶隨高度向北傾斜;700 hPa以下為東風(fēng)，以上為西風(fēng)，西風(fēng)分量明顯強(qiáng)于東風(fēng)分量，氣流呈傾斜上升運(yùn)動(dòng);散度場(chǎng)特征表現(xiàn)為中低層輻合，高層輻散。上述配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定維持，為暴雪的產(chǎn)生提供了動(dòng)力條件。

③分析對(duì)流層中低層的水汽通量散度，判斷上游水汽輻合區(qū)的強(qiáng)度和移動(dòng)情況，對(duì)下游降雪落區(qū)和強(qiáng)度有較好的指示意義。水汽通量散度的演變過(guò)程解釋了預(yù)報(bào)員過(guò)早預(yù)報(bào)暴雪的原因，高壓脊的阻擋導(dǎo)致水汽無(wú)法北抬到洛陽(yáng)上空，暴雪延遲。

④洛陽(yáng)上空假相當(dāng)位溫密集帶隨高度向北傾斜，有鋒面存在;干冷空氣從對(duì)流層低層侵入，起到了冷墊的作用;明顯的鋒生帶自北向南移動(dòng)，鋒生帶在南部的穩(wěn)定維持有助于暴雪的產(chǎn)生，鋒生帶與暴雪帶有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;此次過(guò)程鋒生函數(shù)主要受水平散度項(xiàng)的影響，水平風(fēng)場(chǎng)的輻合作用既有利于鋒生，又有利于將南方暖濕氣流匯聚到暴雪區(qū)，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升有助于暴雪的產(chǎn)生。

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