2020 年11 月阿拉善盟大雪天氣過程鋒面分析

寶樂爾

（阿拉善盟氣象局，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750306）

近年來，氣象工作者對(duì)降雪天氣，尤其是大雪、暴雪天氣的研究顯示，大雪、暴雪天氣中常見的天氣系統(tǒng)有鋒面活動(dòng)。鋒面活動(dòng)，即指鋒消、鋒生現(xiàn)象。綜合性物理量鋒生函數(shù)，既考慮了大氣的熱力特征也考慮了動(dòng)力特征，鋒區(qū)與函數(shù)大值區(qū)位置重合，可作為診斷鋒面時(shí)空分布特征及強(qiáng)度的重要指標(biāo)[1-2]。朱乾根等[3]研究指出，鋒生作用使水平位溫梯度隨時(shí)間增加，造成熱成風(fēng)平衡被破壞，從而形成垂直于鋒區(qū)中暖區(qū)上升、冷區(qū)下沉的次級(jí)環(huán)流。楊金錫等[4]指出降雨帶與鋒生函數(shù)大值區(qū)配合度較好，且鋒生大值區(qū)中存在多個(gè)強(qiáng)中心。降雪天氣中，鋒生過程具有重要的指示意義[5-12]。

前期研究為探究阿拉善盟大雪天氣提供了研究思路及方法，但對(duì)于鋒面結(jié)構(gòu)、鋒消、鋒生的認(rèn)識(shí)仍然匱乏。2020 年11 月20 日至21 日阿拉善盟大部地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣，其中賀蘭山及沿山一帶降雪量普遍達(dá)到大到暴雪，且鋒生過程明顯。本文將利用NECP/NCAR 再分析資料、常規(guī)資料、自動(dòng)站資料等，對(duì)本次過程的鋒消、鋒生結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行研究診斷，分析其動(dòng)力、水汽條件特征，望提高阿拉善盟大到暴雪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率及預(yù)報(bào)提前量，為實(shí)際預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及天氣實(shí)況

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用2020 年11 月20 日至21 日NECP/NCAR再分析資料、常規(guī)資料、自動(dòng)站資料，計(jì)算分析大雪過程中的鋒生函數(shù)、垂直運(yùn)動(dòng)、溫度平流及假相當(dāng)位溫等要素，分析大雪天氣中冷鋒垂直結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度演變。

鋒生是促使新鋒面形成或原有鋒面加強(qiáng)的過程。主要表現(xiàn)為：在等壓面圖上，由于空氣水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和非絕熱變化等過程，使某地帶等溫線隨時(shí)間而加密，即溫度或位溫梯度增強(qiáng)的過程，稱為鋒生;當(dāng)?shù)孛鎴D上某地帶的氣象要素和天氣現(xiàn)象顯示出鋒面特征，或者已有鋒面表現(xiàn)得更清楚和活躍，也稱為鋒生。鋒生函數(shù)通常定義為：

F＞0 為鋒生，預(yù)示未來鋒區(qū)將加強(qiáng)；F＜0 為鋒消，預(yù)示未來鋒區(qū)將減弱[13]。

1.2 天氣實(shí)況

2020 年11 月20 日08 時(shí)至21 日13 時(shí)，內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟出現(xiàn)首場(chǎng)大雪天氣，賀蘭山及沿山地區(qū)普遍量級(jí)達(dá)大雪。政府所在地巴彥浩特鎮(zhèn)降雪量7.2mm，積雪深度達(dá)6.0cm。最大降雪量出現(xiàn)在北寺為10.2mm，達(dá)到暴雪量級(jí)。

11 月20 日08 時(shí)開始，阿拉善盟自西向東出現(xiàn)降雪天氣，20 日20 時(shí)降雪強(qiáng)度增強(qiáng)，11 月20 日20 時(shí)至21日08 時(shí)12 小時(shí)間，巴彥浩特降雪量達(dá)6.0mm，雪強(qiáng)峰值為0.9mm/h（22 日02-03 時(shí)），北寺降雪量達(dá)7.7mm，雪強(qiáng)峰值為1.1mm（22 日03-04 時(shí)）。21 日08 時(shí)降雪減弱，13時(shí)全盟降雪天氣趨于結(jié)束。

本次大雪天氣落區(qū)集中、持續(xù)時(shí)間較長、累積降雪量大。大雪導(dǎo)致市區(qū)道路濕滑擁堵、航班延誤，居民出行和生活受到了極大的影響。

2 天氣形式演變

20 日08 時(shí)歐亞大陸為“兩槽兩脊”型，脊前偏北急流將極地冷空氣源源不斷地向北輸送，阿拉善盟上空被槽前西南、偏西氣流控制。20 日20 時(shí)，隨著脊前強(qiáng)冷平流輸送使南段低槽發(fā)展東移，阿拉善盟上空西南氣流由10m/s 增強(qiáng)至16m/s。在干冷空氣的推動(dòng)下，槽后冷空氣主體開始影響阿拉善盟地區(qū)。21 日08 時(shí)冷槽轉(zhuǎn)向呈南-北向，且基本移出阿拉善盟。低層700hPa，20 日08 時(shí)，冷式切變線位于阿拉善盟西部地區(qū)上空，其前部偏南低空急流為本次大雪提供了豐富的水汽條件。20 日20 時(shí)，高度場(chǎng)與溫度場(chǎng)交角呈90°，強(qiáng)冷平流不斷向南輸送冷空氣且由于偏南氣流的加強(qiáng)，原位于四川地區(qū)的低槽加深形成低渦，其北部暖式切變線攜帶暖濕空氣與北方冷空氣在阿拉善盟地區(qū)交匯，有利于鋒生，進(jìn)一步加強(qiáng)降雪強(qiáng)度。降雪開始前，冷高壓中心盤踞于蒙古至新疆北部，冷鋒位于新疆中部至蒙古國西南部。從高壓母體中分裂了南下一個(gè)高壓中心位于錫林郭勒盟，其前部存在副冷鋒。此時(shí)，阿拉善盟上空為地面倒槽控制。20 日20 日，隨著高壓母體中又分裂一個(gè)高壓中心東移南下，倒槽減弱南退，冷鋒掃過阿拉善盟大部地區(qū)，造成大部地區(qū)降雪天氣。本次大雪過程發(fā)生在高層西北風(fēng)急流配合低層暖濕氣流的有利背景下，冷槽、地面冷鋒等共同作用。本文將重點(diǎn)通過分析鋒面演變特征與其結(jié)構(gòu)，探討與降雪之間的關(guān)系。

3 冷鋒垂直結(jié)構(gòu)及變化特征

3.1 冷鋒的垂直結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)典鋒面理論指出，鋒區(qū)基本沿著等位溫線的方向，鋒區(qū)內(nèi)位溫線密集且與等溫線正交。能夠綜合表征大氣溫濕特征的物理量為假相當(dāng)位溫，故可結(jié)合溫度場(chǎng)和假相當(dāng)位溫場(chǎng)確定鋒區(qū)的位置及結(jié)構(gòu)，沿大雪區(qū)垂直于鋒面的105°E 做溫度和假相當(dāng)位溫垂直經(jīng)向剖面。19 日08時(shí)等假相當(dāng)位溫線水平梯度小，垂直梯度大，即沿水平方向分布。20 日08 時(shí)開始，鋒區(qū)主體位于40°N 至50°N。20日20 時(shí)開始，隨著母體高壓中強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充南下，鋒區(qū)加強(qiáng)，32°N 至40°N 區(qū)域內(nèi)，等假相當(dāng)位溫線抬升，垂直梯度減小，形成隨高度向北傾斜的陡立且密集的帶狀區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)，等假相當(dāng)位溫線、等溫線密集且?guī)缀跽?，為鋒區(qū)位置，此時(shí)巴彥浩特及賀蘭山山區(qū)降雪強(qiáng)度開始加強(qiáng)，20 日20 時(shí)至21 日08 時(shí)巴彥浩特累積降雪量為6.0mm，北寺降雪量為7.7mm。21 日08 時(shí)，鋒區(qū)主體東移，巴彥浩特上空假相當(dāng)位溫線密集度減小且700hPa 以上假相當(dāng)位溫呈水平分布，指示著鋒區(qū)減弱，對(duì)應(yīng)鋒消過程，降雪強(qiáng)度減弱。假相當(dāng)位溫的演變特征能夠表示鋒生（消）過程，對(duì)降雪強(qiáng)度預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

3.2 冷鋒形成的動(dòng)力及熱力條件

影響鋒生的要素不同，其中溫度分布對(duì)鋒生有重要的作用，正如前文所分析，存在明顯的溫度密集帶。此次天氣過程中，鋒生活動(dòng)主要發(fā)生在對(duì)流層中低層。20 日08 時(shí)西北急流輸送冷空氣，從而在地面34°N 至50°N 區(qū)域內(nèi)形成冷墊，暖濕氣流沿冷墊爬升。20 日20 時(shí)，隨著冷平流進(jìn)一步向南擴(kuò)展加強(qiáng)，垂直方向發(fā)展至500hPa，形成閉合冷中心。700hPa 由于西南低渦的建立，暖平流增強(qiáng)并繼續(xù)沿冷墊爬升，溫度平流梯度增大，有利于鋒生。綜合08 時(shí)和20 時(shí)，可分析出36°N 至44°N 區(qū)域，即巴彥浩特上空，溫度平流梯度增強(qiáng)且被抬升至600hPa 至500hPa 之間，而鋒生中心大值區(qū)恰好位于冷暖梯度大值帶中。此次冷鋒是風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下逐漸形成的準(zhǔn)垂直帶狀結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 105°E 溫度平流（線條，單位：10-5 K·s-1）、鋒生函數(shù)（填色，單位：10-8K·（m·s）-1）剖面

鋒生中心位于600hPa 溫度平流密集帶，利用600hPa 鋒生函數(shù)及溫度平流，直觀分析此次冷鋒的演變特征。20 日08 時(shí)冷空氣前端擴(kuò)散南下，溫度平流密集區(qū)，即鋒生區(qū)位于100°E 以西地區(qū)，巴彥浩特位于暖平流區(qū)。20 日20 時(shí)，600hPa 冷平流中心值為-11×10-5K·s-1，冷鋒發(fā)展南壓，鋒生值為8×10-8K·（m·s）-1，巴彥浩特位于最強(qiáng)鋒區(qū)，降雪強(qiáng)度增大。21 日08 時(shí)，巴彥浩特處于鋒后，鋒生值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，鋒面和降雪減弱（見圖2）。

圖2 600hPa 溫度平流（線條，單位：10-5K·s-1）、鋒生函數(shù)（填色，單位：10-8K·（m·s）-1）分布

綜上所述，巴彥浩特經(jīng)歷了一次鋒生過程，鋒生時(shí)雪強(qiáng)大，冷鋒在維持過程中，斜壓性增強(qiáng)，坡度增大，為降雪強(qiáng)度的增大提供了非常有利的動(dòng)力條件。600hPa 溫度平流密集區(qū)的演變表征著鋒面強(qiáng)度、位置變化，鋒生中心對(duì)降雪中心預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

4 水汽輸送及輻合的空間結(jié)構(gòu)

研究表明在一區(qū)域內(nèi)本身存在的水汽不足以引發(fā)降水過程，要形成降水必須建立水汽輸送通道，分析4 個(gè)時(shí)間段的整層水汽通量及散度可以看出，本次降雪過程主要有兩個(gè)通道。一是由偏西氣流帶來的水汽，另一個(gè)是西南方向傳輸?shù)乃?1 日20 時(shí)，來自西南方向和偏西氣流的兩條水汽樹洞相遇在阿拉善盟東南部地區(qū)，產(chǎn)生明顯的整層水汽輻合，降雪強(qiáng)度加強(qiáng)。次日08 時(shí)水汽輸送和輻合帶移出阿拉善盟，降水結(jié)束。

分析19 日20 時(shí)至21 日20 時(shí)巴彥浩特上空水平水汽通量、水平水汽通量散度時(shí)間剖面圖，時(shí)間間隔為6 小時(shí)。可以看出20 日14 時(shí)開始，巴彥浩特上空600hPa 至500hPa 開始有水汽輸送，20 時(shí)以后高空水汽開始輻合，22 日02 時(shí)，水汽輸送及輻合達(dá)到最強(qiáng)，正是巴彥浩特上空強(qiáng)鋒生區(qū)。

垂直方向運(yùn)動(dòng)也發(fā)揮了重要作用，分析巴彥浩特相對(duì)數(shù)度、垂直速度時(shí)間剖面圖，21 日02 時(shí)，巴彥浩特上空上升運(yùn)動(dòng)與下沉運(yùn)動(dòng)相遇，上升運(yùn)動(dòng)峰值中心與下沉運(yùn)動(dòng)峰值中心對(duì)稱分布于500hPa，進(jìn)一步加強(qiáng)了600hPa至500hPa 的水汽輻合，此時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到峰值，降雪強(qiáng)度達(dá)到最大，巴彥浩特21 日02 時(shí)至03 時(shí)降雪量為0.9mm/h。以上分析與郭英蓮等[1]研究結(jié)論相一致，水平鋒生加強(qiáng)輻合抬升并提供水汽輸送，即水汽輸送、輻合強(qiáng)度變化與巴彥浩特降雪演變有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 結(jié)論

（1）本次大雪過程發(fā)生在高層西北風(fēng)急流配合低層暖濕氣流的有利背景下，隨著高壓母體中分裂一個(gè)高壓中心東移南下時(shí)，冷鋒掃過阿拉善盟大部地區(qū)，造成大部地區(qū)降雪天氣。

（2）伴隨著高空冷槽東移，巴彥浩特經(jīng)歷了一次鋒生過程，與巴彥浩特降雪強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)。鋒生時(shí)雪強(qiáng)大，冷鋒在維持過程中，坡度增大，斜壓性增強(qiáng)，為降雪強(qiáng)度的增大提供了非常有利的動(dòng)力條件。600hPa 溫度平流密集區(qū)的演變表征著鋒面位置、強(qiáng)度變化，鋒生中心對(duì)降雪中心預(yù)報(bào)有一定指示意義。

（3）本次過程建立了兩個(gè)水汽輸送通道，當(dāng)偏西通道和西南通道在我盟東南部相遇時(shí)，巴彥浩特上空水汽輻合，相對(duì)濕度增大，加上較為強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，以及鋒面過境帶來的冷平流，致使巴彥浩特地區(qū)產(chǎn)生大雪天氣。