2018年1月鄂北大暴雪的異常環(huán)流形勢和水汽輸送特征

賀曉露 秦幼文

（湖北省隨州市氣象局，隨州 441300）

0 引言

暴雪天氣是在多種天氣系統(tǒng)的綜合作用下產(chǎn)生的，機(jī)理復(fù)雜，其預(yù)報是世界性的難題之一。同時暴雪天氣還會嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)、電力、保險、交通、通訊等行業(yè)以及公共安全，甚至威脅人民群眾生命安全，一直是氣象科研和業(yè)務(wù)部門關(guān)注的重點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，開展暴雪成因機(jī)理和維持機(jī)制等研究，對提高暴雪預(yù)報準(zhǔn)確率具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。不少學(xué)者對冬季降雪天氣過程進(jìn)行了研究和探討。李如琦等對比分析了2010年新疆冷鋒暴雪和暖區(qū)暴雪的異常環(huán)流和水汽特征，張廣周等闡述了干空氣侵入對暴雪的影響，張萍萍等闡述了湖北省干、濕雪形成的主要環(huán)境背景差異，龍利民等研究了溫度平流演變對湖北降雪的影響。2018年1月3—4日我國中東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雪天氣，崔慧慧等通過分析此次過程的環(huán)流形勢，指出過程中高低空耦合激發(fā)次級環(huán)流圈上升支，為暴雪發(fā)生發(fā)展提供了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，童金等對比發(fā)現(xiàn)2018年1月的兩次持續(xù)性強(qiáng)降雪過程的極渦位置、阻高和南支槽強(qiáng)度以及低層水汽條件、垂直環(huán)流等方面存在差異，李正金等從溫度層結(jié)、水汽輸送、垂直運(yùn)動等方面對比發(fā)現(xiàn)2018年兩次過程“干濕雪”的差異特征。

上述研究對指導(dǎo)冬季暴雪的預(yù)報具有重要參考價值。然而，暴雪具有明顯的區(qū)域性特征，而目前對鄂北的暴雪天氣研究，尤其是對暴雪水汽輸送特征的研究還比較少，本文通過分析2018年1月3—4日鄂北地區(qū)罕見大暴雪天氣過程的異常環(huán)流形勢和水汽輸送特征，以期加深對鄂北暴雪天氣的認(rèn)識，為實際預(yù)報業(yè)務(wù)提供一些參考依據(jù)，提高暴雪的預(yù)報準(zhǔn)確率。

1 資料和研究方法

1.1 資料

本文資料包括湖北省89個國家氣象站地面觀測逐日降水量和積雪深度；NCEP再分析資料（水平分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為24 h）；GDAS資料（水平分辨率為1°×1°，時間分辨率為3 h）。其中GDAS資料是利用全球資料同化系統(tǒng)將NCEP資料同化所得，包括高度、溫度、風(fēng)場、比濕等氣象要素，可作為HYSPLIT模式初始場。日降水量統(tǒng)計時間為08—08時，積雪深度為08時觀測值。并選取1981—2010年30年的1月平均值作為1月的歷史平均狀態(tài)，選取2009—2018年10年鄂北冬季的15次一般降雪過程（2009年1月5—7日中到大雪、2010年2月13—15日中雪、12月14—15日中到大雪、2011年1月2—3日小到中雪、1月18—19日小到中雪、2012年1月21—22日小雪、12月26日小到中雪、2013年2月19日中雪、2014年2月6—9日小到中雪、2月18日小到中雪、2015年1月27—29日中到大雪、2月28日中雪、2016年1月31日小到中雪、2017年1月31—2月2日中到大雪、2018年12月27—28日小到中雪）的平均值代表一般降雪過程。（注：鄂北24個國家觀測站有一半以上站點(diǎn)出現(xiàn)降雪，且純雪量在10 mm以下的過程記為一次一般性降雪過程。）

1.2 HYSPLIT 模式簡介

HYSPLIT軌跡模式是基于拉格朗日方法開發(fā)的軌跡追蹤模式，用來模擬計算氣團(tuán)的運(yùn)動軌跡以及復(fù)雜的擴(kuò)散和沉積。

本文選取隨州觀測站為起始點(diǎn)，選取 600 m、1500 m、3000 m 為初始高度，選取2018年1月1—5日每隔6 h后向追蹤96 h，最終得到60條軌跡，并對此60條軌跡進(jìn)行聚類分析。同時選取上述的15次一般性降雪過程中發(fā)生在1月的7次過程進(jìn)行后向追蹤和聚類分析。

1.3 水汽輸送貢獻(xiàn)率

聚類分析后得到的各條水汽通道的貢獻(xiàn)率的計算公式如下：

其中：

Q

表示該通道的水汽輸送貢獻(xiàn)率，

q

表示軌跡上最終位置的比濕，

m

表示該通道包括的軌跡數(shù)量，

n

表示總的軌跡數(shù)量。

2 天氣實況和災(zāi)情

1月2—7日，湖北省自西向東出現(xiàn)低溫雨雪天氣過程，降雪中心位于鄂北，最強(qiáng)降雪時段為1月3—4日，鄂西北、江漢平原北部、鄂東北西部、鄂西南北部暴雪到大暴雪、局部特大暴雪。其中3日08時—4日08時隨州觀測站累計雨雪量32.7 mm，積雪深度最大23 cm，單日降雪量和過程積雪深度均突破歷史極值。

這次范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)長的低溫雨雪冰凍過程，對道路交通、供水、供電、設(shè)施農(nóng)業(yè)、城市綠化、居民生活等領(lǐng)域造成了嚴(yán)重影響：造成市民出行困難，學(xué)校停課，部分地區(qū)停水停電。常綠植物大面積受災(zāi)，農(nóng)作物、蔬菜及經(jīng)濟(jì)林木遭受不同程度凍害，設(shè)施大棚及水產(chǎn)養(yǎng)殖受災(zāi)較嚴(yán)重。高速路段和站所入口臨時封閉，國省道公路交通管制（阻斷），客運(yùn)站班車、及部分公交車停運(yùn)。據(jù)民政局統(tǒng)計，此次降雪過程造成湖北省十堰、宜昌、襄陽、荊州、荊門、孝感、黃岡、恩施、隨州、天門等10市（州、直管市）64.66萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡1人，緊急轉(zhuǎn)移安置受災(zāi)群眾748人，直接經(jīng)濟(jì)損失10.69億元。

3 大暴雪環(huán)流形勢特征

3.1 100 hPa 環(huán)流形勢

1981—2010年30年平均的1月100 hPa高度場（圖略）呈3個波動，在亞洲北部、北美有兩個明顯低槽，在歐洲西部有一淺槽，相應(yīng)的極渦中心表現(xiàn)為偏心型，中心偏向亞洲北部和北美。一般降雪過程中（圖略），100 hPa高度場也呈3波分布，3個槽位置分別位于亞洲北部、北美和西歐。而在2018年1月3—4日過程（下文簡稱“1?3過程”）100 hPa高度場（圖略）呈5波型，歐洲北部有一明顯脊區(qū)，這一暖脊擠壓極渦，使極渦分裂成偶極型，東部極渦向亞洲東北部偏離，在西西伯利亞—西藏為長波槽區(qū)。無論是與1月30年平均對比的距平場還是與一般降雪過程對比的距平場，二者表現(xiàn)基本一致（圖略），“1?3過程”的極鋒急流帶位置更偏南，極渦、東亞大槽和北美大槽強(qiáng)度更強(qiáng)，歐洲北部的淺槽被暖脊代替，更有利于強(qiáng)冷空氣的堆積和南下；同時在中國西北地區(qū)有弱負(fù)距平區(qū)，中東部有弱正距平區(qū)，南支槽強(qiáng)度更強(qiáng)，說明此處位勢梯度增大，槽前西南氣流加強(qiáng)，使高空正渦度平流增強(qiáng)，更有利于南支槽前的抬升運(yùn)動。

3.2 500 hPa 環(huán)流形勢

1981—2010年30年平均的1月500 hPa高度場（圖1a）在歐亞大陸呈兩槽一脊，即歐洲東北部海面上向西南傾斜的歐洲淺槽和鄂霍次克海向日本及我國東海傾斜的東亞大槽，烏拉爾山至青藏高原北部為長波脊。一般降雪過程中（圖1c），500 hPa中高緯也呈兩槽一脊分布，但槽脊的經(jīng)向度較大，形成弱的阻塞形勢；中低緯在高原東部以南是寬廣的南支槽，南支槽前的暖濕氣流與中高緯脊前偏北氣流在沿江交匯。而“1?3過程”（圖1b）在烏拉爾山地區(qū)存在明顯的高壓脊，在新疆西北部和西歐沿岸存在切斷低壓，形成明顯阻塞形勢，有利于冷空氣在新疆北部堆積，東亞大槽槽后的西北氣流將集聚在新疆北部的冷空氣向我國中東部輸送與孟加拉灣南支槽前的西南暖濕氣流在黃淮—江南一帶交匯，造成此次大范圍雨雪天氣。與1月的30年平均值相比（圖1b），“1?3過程”在烏拉爾山地區(qū)有明顯的正距平中心，在新疆西北部和西歐沿岸存在負(fù)距平中心，阻塞形勢明顯，同時在孟加拉灣為廣闊的弱負(fù)距平區(qū)，形成寬廣的南支槽。這種形勢有利于冷暖空氣的在黃淮—江南交匯形成動力抬升。與一般降雪過程相比（圖1d），二者在孟加拉灣附近都存在南支淺槽，強(qiáng)度相差不大，在中高緯都形成了阻塞形勢，但“1?3過程”阻塞形勢更明顯，同時“1?3過程”在日本以東有明顯的負(fù)距平中心，說明東亞大槽強(qiáng)度更強(qiáng)，位置更偏東。這種形勢更有利于冷空氣的堆積和向南爆發(fā)，更強(qiáng)的冷空氣勢力使得黃淮—江南的鋒區(qū)更強(qiáng)，上升運(yùn)動更明顯。

圖1 1981—2010年500 hPa 1月平均高度場（a）、2018年1月3—4日500 hPa高度場及距平（陰影，b）、一般降雪過程500 hPa平均高度場（c），以及1月3—4日與一般降雪過程的500 hPa高度場距平（陰影，d）Fig.1 500 hPa average height of January from 1981 to 2010 (a),500 hPa height and anomaly (shaded) from 3 to 4 January 2018 (b),500 hPa height of the ordinary snowfall (c),and 500 hPa height anomaly between 3-4 Januaryand the ordinary snowfall (shaded,d)

3.3 中低層風(fēng)場

一般降雪過程中（圖略），700 hPa西南急流延伸至湖南北部，急流核14 m/s，鄂北處于8 m/s左右的西西南氣流中，有一定的氣流輻合；850 hPa上，2～4 m/s的弱東北風(fēng)控制整個湖北，切變線位于湖南中北部。與之相比，“1?3過程”（圖略）700 hPa西南急流更加強(qiáng)盛，急流核達(dá)18 m/s，且位置延伸更偏北，鄂北位于急流左邊界，形成明顯的風(fēng)速輻合與氣旋式切變，同時強(qiáng)盛的西南急流將孟加拉灣和南海的水汽源源不斷的向北輸送；從850 hPa風(fēng)場看，鄂北處于6～8 m/s的東東南氣流中，鄂南處于4～6 m/s的東南氣流中，風(fēng)速較一般降雪過程更強(qiáng)，且在湖北中北部形成切變輻合，輻合位置也更偏北，同時較強(qiáng)的偏東氣流將東海南部的水汽向暴雪區(qū)輸送。總的來看，“1?3過程”的中低層風(fēng)場提供了更有利的輻合抬升條件和水汽供應(yīng)條件。

3.4 地面氣壓場

1981—2010年30年平均的1月地面氣壓場中（圖2a），蒙古冷高壓中心位于 45°—50°N的新疆北側(cè)，中心強(qiáng)度為 1036 hPa，冷高壓軸線略呈東北—西南走向，冷空氣從西北路自蒙古到達(dá)河套地區(qū)，再直達(dá)長江中下游和江南地區(qū)。一般降雪過程中（圖2c），地面氣壓場與1月的30年平均場分布類似，但冷高壓中心強(qiáng)度達(dá)到1045 hPa左右，前沿冷鋒已達(dá)華南沿海，且有副冷鋒在河套一帶補(bǔ)充南下?！??3過程”（圖2b）蒙古冷高壓中心位于50°—55°N，中心值達(dá)1052 hPa，冷高壓軸線呈西北—東南走向，冷空氣南下路徑為東路，即經(jīng)蒙古到我國東北和華北北部，冷空氣主力東移的同時又折向西南，經(jīng)渤海侵入黃海，再向南到達(dá)長江中下游及江南地區(qū)，這種回流形勢有利于雨雪天氣的出現(xiàn)和維持。與1月的30年平均值相比（圖2b），“1?3過程”在50°—60°N的蒙古地區(qū)有12～16 hPa的正距平中心，說明冷高壓位置偏北，強(qiáng)度更強(qiáng)，等壓線更密集，導(dǎo)致冷鋒鋒區(qū)強(qiáng)度也明顯偏強(qiáng)。與一般降雪過程相比（圖2d），“1?3過程”同樣有冷高壓位置更北、強(qiáng)度更強(qiáng)的特點(diǎn)；同時在里海-新疆有10～15 hPa的負(fù)距平中心，我國河套-東北地區(qū)則是0～10 hPa的正距平，說明“1?3過程”的冷空氣南下位置更偏東，是沿東路南下的；從鋒區(qū)來看，二者雖然都有前沿冷鋒和副冷鋒補(bǔ)充，但“1?3過程”的前沿冷鋒鋒區(qū)位于在沿江地區(qū)，鄂北位于鋒區(qū)附近鋒面抬升使上升運(yùn)動進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖2 1981—2010年1月平均海平面氣壓場（a，單位：hPa）、2018年1月3—4日地面氣壓場及距平（b，陰影）、一般降雪過程500 hPa海平面氣壓場（c）、1月3—4日與一般降雪過程的海平面氣壓場距平（d，陰影）Fig.2 Average sea-level pressure of January from1981 to 2010 (a),sea-level pressure and anomaly (shaded) from 3 to 4 January 2018 (b),sea-level pressure of the ordinary snowfall (c),and sea-level pressure anomaly between 3-4 January and the ordinary snowfall (shaded,d)

4 水汽輸送特征

4.1 整層水汽通量

水汽輸送是暴雪過程的重要條件之一。為了揭示造成此次大暴雪的水汽來源和輸送途徑，對此次過程的整層水汽通量及其距平進(jìn)行診斷分析。從整層水汽通量來看（圖3a），西南氣流和東南氣流將水汽自孟加拉灣、南海以及西太平洋分別輸送至華南沿海匯合，再通過強(qiáng)盛的西南氣流向內(nèi)陸輸送暖濕氣流，水汽通量高值舌沿著西南急流從華南沿海伸向長江沿線，暴雪區(qū)整層水汽通量值達(dá)200～250 kg/(s·m)，而一般降雪過程水汽通量平均值維持在100～150 kg/(s·m)（圖略）。從歷史同期距平場來看（圖3b），整層水汽通量距平在中國南部基本為西南氣流，說明此次過程輸送的西南暖濕氣流較歷史同期明顯偏強(qiáng)，在整層水汽通量散度場中則表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，表明整層水汽通量輻合強(qiáng)度偏強(qiáng)，其距平值達(dá)-5 ×10～-3×10kg/(s·m)。

圖3 2018年1月3—4日整層水汽通量（a，單位：kg/(s·m)）、整層水汽通量距平（b，單位：kg/(s·m)）Fig.3 Whole layer water vapor flux (a,unit:kg/(s·m)),anomaly of whole layer water vapor flux (b,unit:kg/(s·m))

4.2 水汽輸送的軌跡分析

為進(jìn)一步定量分析此次大暴雪的水汽輸送條件，利用HYSPLIT模式進(jìn)行后向軌跡追蹤，并進(jìn)行軌跡聚類分析。從空間方差增長率

TVS

看（圖4a），當(dāng)聚類路徑小于4條時

TVS

迅速增大，因此軌跡最終聚類呈4條路徑最適合。圖4b是聚類后的4條水汽輸送路徑，可以看出路徑1（東北路徑）起源于蒙古國，經(jīng)華北到達(dá)黃淮再轉(zhuǎn)向成東北路徑，將黃海的水汽輸送至暴雪區(qū)，占總軌跡數(shù)的57%，是軌跡數(shù)最多的一條。路徑2（西南路徑）起源于印度，經(jīng)孟加拉灣至云貴向東北將水汽輸送至暴雪區(qū)，占總軌跡數(shù)的20%。路徑3（偏西路徑）來自歐洲，途經(jīng)西藏向東輸送至暴雪區(qū)，占總軌跡數(shù)的12%。路徑4（偏南路徑）起源于我國東南沿海，經(jīng)高壓外圍的偏南氣流將南海的水汽經(jīng)粵湘等地向北輸送至暴雪區(qū)，占總軌跡數(shù)的12%。

圖4 軌跡聚類空間方差增長率（a，單位：%）和水汽輸送路徑分布（b）Fig.4 Growth rate of TVS (a) and distribution of water vapor transport path (b)

分析4條路徑輸送過程中的比濕變化（圖5a）、高度變化（圖5b）以及不同路徑對應(yīng)的水汽貢獻(xiàn)率（圖5c）。結(jié)果表明：東北路徑的氣團(tuán)來自650 hPa左右的干冷氣團(tuán)，在轉(zhuǎn)向前干冷氣團(tuán)逐漸下降至900 hPa以下的近地層，比濕基本維持在1 g/kg左右，到過程前36 h，氣團(tuán)在沿海轉(zhuǎn)向，沿海近地層的水汽含量較高，使氣團(tuán)比濕明顯增大至3 g/kg，此路徑的水汽貢獻(xiàn)率達(dá)32.7%，貢獻(xiàn)第二多。西南路徑的氣團(tuán)起始于650 hPa左右的對流層中層，前期高度和比濕基本維持不變，到前24 h經(jīng)過孟加拉灣后，由于700 hPa強(qiáng)盛的西南急流輸送水汽，氣團(tuán)比濕由2 g/kg增大至4 g/kg，該路徑的水汽貢獻(xiàn)率為35.6%，貢獻(xiàn)最多。偏西路徑的氣團(tuán)來自500 hPa，前期高度和比濕基本不變，到前24 h，受地形影響，氣團(tuán)下青藏高原高度下降，隨著高度的下降，比濕明顯增大，但由于該路徑?jīng)]有明顯的水汽源，是一支明顯的干冷空氣，水汽貢獻(xiàn)率僅10.3%，貢獻(xiàn)最少。偏南路徑的氣團(tuán)在900 hPa左右的近地面層輸送，由于沿海水汽充足，近地層蒸發(fā)明顯，氣團(tuán)的比濕基本維持在5 g/kg以上，但由于此路徑的軌跡數(shù)占比少，水汽貢獻(xiàn)率排第三。

圖5 輸送路徑中水汽變化（a）、高度變化（b）、以及不同路徑的水汽貢獻(xiàn)率（c）Fig.5 Water vapor change (a),height change (b),and water vapor contribution rate (c) in different paths

5 結(jié)論與討論

本文通過對比1月氣候態(tài)和近10年一般性降雪過程，分析出2018年1月3—4日鄂北地區(qū)罕見大暴雪天氣過程的異常環(huán)流形勢和水汽輸送特征，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）與1月的30年平均態(tài)相比，“1?3過程”極渦向亞洲分裂、中高緯東亞大槽的加深以及500 hPa阻塞形勢的建立更利于冷空氣的堆積和南下，同時中低緯南支槽強(qiáng)度偏強(qiáng)，冷暖對峙更加明顯，在沿江一帶形成明顯的鋒區(qū)和動力抬升區(qū)。

2）與一般降雪過程相比，“1?3過程”極渦向亞洲分裂、中高緯東亞大槽的強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏北，阻塞形勢更明顯，同時在700 hPa西南急流強(qiáng)度更強(qiáng)，位置更偏北，850 hPa東風(fēng)風(fēng)速更大，切變線位置北抬至湖北中北部，地面冷高壓偏北偏強(qiáng)，路徑偏東，導(dǎo)致冷鋒鋒區(qū)偏北偏強(qiáng)，上下層配置均更有利于沿江一帶的動力抬升和水汽供應(yīng)。

3）“1?3過程”整層水汽通量高值舌從華南沿海伸至長江沿線，鄂北地區(qū)水汽輸送強(qiáng)度、水汽輻合都較常年偏強(qiáng)。水汽輸送主要是4條路徑：一是650 hPa的干冷空氣在黃海轉(zhuǎn)向后從東北路輸送水汽，其水汽貢獻(xiàn)率排第二；二是650～700 hPa的氣團(tuán)將孟加拉灣的水汽自西南輸送至暴雪區(qū)，其水汽貢獻(xiàn)率排第一；三是500 hPa的干冷空氣自偏西方向過來，由于缺乏水汽源地，水汽貢獻(xiàn)率最少；四是近地層的暖濕氣團(tuán)將南海的水汽自偏南路徑輸送至暴雪區(qū)，但由于軌跡占比少，水汽貢獻(xiàn)率排第三。與一般降雪過程比，增加了偏南路徑，且水汽貢獻(xiàn)最多和次多路徑的氣團(tuán)水汽含量更多，水汽輸送更強(qiáng)。

本文僅選取了2018年1月3—4日這一次過程進(jìn)行研究和分析，是否所有類似的強(qiáng)降雪過程均具有這樣的環(huán)流形勢異常和水汽輸送特征，此次分析結(jié)論對強(qiáng)降雪過程預(yù)報是否具有普遍參考意義，這些問題還需進(jìn)一步通過分析更多的個例來研究和驗證。