石嘴山市2019 年秋季首場大到暴雪天氣特征分析

牛宏宇，周翠芳*，薛佩珍，李 榮

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏石嘴山市氣象局，寧夏 石嘴山 753000）

大到暴雪天氣過程是石嘴山市冬季的主要災(zāi)害性天氣之一，該類天氣過程通常會(huì)導(dǎo)致大氣能見度降低、道路結(jié)冰、明顯降溫等，給交通運(yùn)輸、電力運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和群眾生活造成較大的影響和危害。目前許多的氣象工作者和相關(guān)的學(xué)者都針對(duì)西北地區(qū)的暴雪從不同角度進(jìn)行了一定的研究。其中，倪麗霞等[1]對(duì)2012 年4 月11 日出現(xiàn)在寧夏境內(nèi)的大到暴雪過程進(jìn)行分析，進(jìn)一步證實(shí)了風(fēng)的垂直切變是降水維持的一個(gè)重要特征；周翠芳[2]、賈宏元等[3—4]分析表明，寧夏大到暴雪與700 hPa 天氣系統(tǒng)密切相關(guān)；賈宏元等[4]發(fā)現(xiàn)，暴雪過程也存在高低空急流，其相互耦合，可引起較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

寧夏大到暴雪多出現(xiàn)在秋冬和冬春冷暖季節(jié)交替時(shí)期，年均降雪頻次自南向北逐漸減少[1]，石嘴山市位于寧夏最北端，降雪頻次較少，相關(guān)方面積累經(jīng)驗(yàn)較少，所以對(duì)石嘴山市大到暴雪天氣過程進(jìn)行及時(shí)的總結(jié)和分析很有必要。本文主要利用常規(guī)氣象觀測資料和NCEP 1°×1°再分析資料，對(duì)石嘴山市2019 年10 月14 日入秋以來首場降雪過程的環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)及降雪過程發(fā)生前后其影響區(qū)域的動(dòng)力、熱力、水汽等物理演變特征進(jìn)行診斷分析，旨在進(jìn)一步提高對(duì)本地該類天氣過程的認(rèn)識(shí)和對(duì)該類天氣過程預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，為天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警及氣象服務(wù)決策提供一定的參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2019 年10 月14 日白天，石嘴山市出現(xiàn)了入秋以來的首場降雪，初雪日期較常年偏早31 d，全市共6 個(gè)國家氣象觀測站12 h 降水量均超過3 mm。其中，3 個(gè)國家氣象觀測站12 h 降水量超過6 mm（12 h 降水量：大雪≥3 mm；暴雪≥6 mm），全市普降大到暴雪，沿山降水量級(jí)較大。該次降雪過程持續(xù)時(shí)間較短，降雪時(shí)段主要集中在午后到傍晚時(shí)段。其中，最大累計(jì)降水量和最大小時(shí)降水量均出現(xiàn)在石炭井（沿山），分別為8.3 mm 和4.5 mm/h（圖1 和表1）。

表1 2019 年10 月14 日11：00—19：00 各站累積降水量

圖1 2019 年10 月14 日11：00—19：00 逐時(shí)降水量

該次降雪過程在一定程度上有利于凈化空氣、降低森林草原火險(xiǎn)等級(jí)、增加土壤墑情等，但陰雪寡照天氣不利于設(shè)施作物進(jìn)行光合作用，易引發(fā)作物喜濕病害的發(fā)生發(fā)展；同時(shí)，10 月14 和10 月15 日清晨最低氣溫均在零下，出現(xiàn)霜凍天氣。氣象服務(wù)專家深入大武口區(qū)賀東莊園進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該次降雪、降溫天氣造成了該莊園未采摘的釀酒葡萄果粒萎縮、部分脫落，影響其耐貯性，對(duì)產(chǎn)量和后期采摘造成了影響，還造成葡萄樹體營養(yǎng)回流不充分，影響第2 年生長發(fā)育并降低冬季抗寒性。受降雪和低溫天氣影響，全市出現(xiàn)道路積雪或結(jié)冰，對(duì)交通影響較大，造成了部分道路交通阻塞，一定程度上影響了群眾的正常出行，石嘴山市氣象臺(tái)于10 月14 日16：32發(fā)布了道路結(jié)冰黃色預(yù)警信號(hào)。

2 環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)

2.1 200 hPa 高空急流分析

大到暴雪是在有利的天氣尺度環(huán)流下，由高低空系統(tǒng)及多股氣流合理配置、共同作用而形成的[5]。由2019 年10 月14 日08：00 的200 hPa 形勢場（圖2）來看，對(duì)流層高層有明顯的西風(fēng)急流，石嘴山市位于高空急流軸的右側(cè)。從風(fēng)場上看最大風(fēng)速為44 m/s，高層表現(xiàn)為輻散區(qū)。

圖2 2019 年10 月14 日08：00 200 hPa 高空形勢圖

2.2 500 hPa 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)分析

2019 年10 月14 日08：00 500 hPa 高空形勢圖（圖3）上，歐亞中高緯為寬廣的“兩槽一脊”型，咸海附近、鄂霍次克海到我國東北地區(qū)為明顯槽區(qū)，青藏高原到西伯利亞為高壓脊區(qū)。石嘴山市位于東亞大槽的后部，受西北氣流控制，并配合一明顯的溫度槽，不斷有冷空氣堆積，并沿西北氣流擴(kuò)散南下。同時(shí)，石嘴山市西側(cè)有一短波槽，自西向東移動(dòng)，槽前為強(qiáng)勁的西南風(fēng)，降雪期間，西南風(fēng)最大風(fēng)速為22 m/s，恰好位于石嘴山市，為較強(qiáng)的急流，為該次大到暴雪天氣過程提供了對(duì)流層中層弱的輻合區(qū)和水汽的輸送（圖4a）。短波槽自西向東移動(dòng)，移動(dòng)速度較快，槽線移出石嘴山市后，降雪結(jié)束，轉(zhuǎn)為較為平直的偏西氣流，水汽條件也迅速轉(zhuǎn)差（圖4b）。

圖3 2019 年10 月14 日08：00 500 hPa 高空形勢圖

圖4 2019 年10 月14 日14：00 和20：00 500 hPa高空形勢圖

2.3 700 hPa 和850 hPa 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)分析

低渦在夏季降水中有重要作用，冬季也同樣存在。700 hPa 低渦造成對(duì)流層中低層強(qiáng)的輻合場，高層輻散抽吸與低層輻合上升，可引起較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，為強(qiáng)降雪提供動(dòng)力抬升條件[5]。從該次降雪過程中的14：00 700 hPa 高空形勢圖（圖5a）來看，石嘴山市西北方向有一明顯的低渦系統(tǒng)，沿石嘴山市北部自西向東移動(dòng)，低渦系統(tǒng)移動(dòng)速度很快，是該次降雪過程持續(xù)時(shí)間較短的原因之一。20：00 該低渦中心位于石嘴山市的東北方向（圖5b），此時(shí)降雪過程已經(jīng)結(jié)束。除了700 hPa 低渦系統(tǒng)，中低緯度有持續(xù)的偏南風(fēng)，局地有西南急流建立，連續(xù)4 個(gè)站偏南暖濕氣流風(fēng)速超過12 m/s，是該次降雪過程的主要水汽輸送來源。降雪期間，850 hPa 石嘴山市主要受高壓后部偏東風(fēng)影響，局地為東北風(fēng)，提供一定的弱冷空氣，東南方向有一定的偏東或東南風(fēng)，夾雜東部沿海的水汽，與700 hPa 偏南氣流一起作為水汽輸送通道（圖略）。

圖5 2019 年10 月14 日14：00 和20：00 700 hPa高空形勢圖

2.4 地面形勢及影響系統(tǒng)分析

從降雪期間的地面形勢圖（圖6）來看，貝加爾湖以西存在廣闊而穩(wěn)定的冷高壓，橫跨內(nèi)蒙古—華北—東北地區(qū)，石嘴山市位于華北冷高壓的底部，中心強(qiáng)度1 040 hPa，較同期偏強(qiáng)，而往年10 月中旬控制石嘴山的等壓線穩(wěn)定維持在1 025 hPa，核心氣壓很高，表明地面堆積的冷空氣很多，對(duì)該次降雪過程異常偏早產(chǎn)生重要的影響。同時(shí)，受高壓后部回流天氣影響，阻擋了水汽的東移，東北方向的冷空氣也阻擋了暖濕空氣的東移，為暖濕空氣起冷墊作用。石嘴山市的西南方向有地面倒槽，在降雪期間穩(wěn)定維持，與華北冷高壓造成地面回流并提供了一定的水汽條件，且石嘴山市處于明顯鋒區(qū)中，激發(fā)了一定的不穩(wěn)定能量，造成上升運(yùn)動(dòng)，冷暖空氣交匯停滯在該區(qū)域，有利于該次降雪過程的形成。

圖6 2019 年10 月14 日14：00 地面形勢圖

3 物理量分析

3.1 水汽條件分析

強(qiáng)降雪的發(fā)生同暴雨一樣需要充足的水汽條件，而該次降雪過程的水汽來源主要依靠低層850 hPa 偏東或東南風(fēng)、700 hPa 偏南暖濕氣流和高空500 hPa 槽前強(qiáng)勁的西南急流的水汽輸送。由相對(duì)濕度的垂直剖面圖（圖7a）可知，降雪期間從低層到高層的相對(duì)濕度均在90%以上，濕層較為深厚，為該次降雪過程提供了充沛的水汽。隨著降雪趨于結(jié)束，中高層水汽條件逐漸轉(zhuǎn)差，相對(duì)濕度變化較為明顯。氣象上將溫度露點(diǎn)差小于4 ℃的區(qū)域認(rèn)定為濕區(qū)，且溫度露點(diǎn)差越小，表示濕度越大，當(dāng)溫度露點(diǎn)差接近于0 ℃，表示空氣達(dá)到近似飽和的狀態(tài)。由10 月14 日14：00 的溫度露點(diǎn)差的等值線陰影圖（圖7b）可知，降雪期間全市溫度露點(diǎn)差的值在1～2 ℃，大部在1 ℃以下，水汽條件接近飽和，空氣濕度大，石嘴山市西部的水汽條件更好，沿山為高濕區(qū)，對(duì)應(yīng)降雪量級(jí)也較大。

圖7 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 相對(duì)濕度剖面圖和14 日14：00 溫度露點(diǎn)差等值線陰影圖

3.2 動(dòng)力條件分析

在降雪時(shí)間段內(nèi)，低層有2 個(gè)明顯的輻合中心，分別位于750 hPa 和600 hPa 左右，對(duì)應(yīng)中心值為-6×10-5s-1。高層500～200 hPa 為輻散區(qū)，輻散中心在400 hPa 左右，對(duì)應(yīng)中心值為8×10-5s-1，高層輻散，低層輻合，且輻散明顯大于輻合，高層有較強(qiáng)的抽吸作用，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展（圖8a）。這種低層輻合高層輻散的形勢持續(xù)到20：00。14：00 前后低層輻合和高層輻散表現(xiàn)最為明顯，但隨著降雪過程趨于結(jié)束，低層輻合和高層輻散均逐漸減弱。

大氣中的降水過程與垂直速度也有著密切關(guān)系，有利于水汽、動(dòng)量和熱量等的垂直輸送，也是診斷大到暴雪天氣的重要參量。由垂直速度的剖面圖（圖8b）可知，降雪時(shí)段的上升速度比較垂直，從低層到高層均表現(xiàn)為上升氣流，與散度場的配置較為吻合，在700 hPa 左右表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，有一明顯的垂直速度中心，值為-0.4 hPa/s，石嘴山市上空有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)降雪一般出現(xiàn)在強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)中心附近。同時(shí)，強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)有利于水汽的抬升，使得低層的水汽向高層輸送，水汽冷卻凝結(jié)，有利于降雪的產(chǎn)生。

圖8 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 散度和垂直速度剖面圖

3.3 熱力條件分析

假相當(dāng)位溫場又稱為能量場，可以反映大氣的潛熱和顯熱等熱力結(jié)構(gòu)。由降雪前后假相當(dāng)位溫隨時(shí)間的變化來看，低層存在一明顯的假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū)，為一能量鋒區(qū)，且降雪期間不穩(wěn)定能量增大。隨著降雪的結(jié)束，700 hPa 到400 hPa 每一層次的假相當(dāng)位溫都在逐漸下降，600 hPa 變化較為明顯，14：00 假相當(dāng)位溫為316 K，20：00 為310 K，說明隨著降雪的開始和結(jié)束，不穩(wěn)定能量存在一個(gè)積聚到逐漸釋放的過程（圖9a）。

由圖9b 可知，850 hPa 和500 hPa 假相當(dāng)位溫普遍維持在64 K 到78 K，數(shù)值大于0，故大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，提供了有利的熱力條件，有利于降雪天氣的產(chǎn)生，而大值區(qū)恰好處于賀蘭山沿山，有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，對(duì)應(yīng)降雪量級(jí)也較大。

圖9 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 假相當(dāng)位溫剖面圖和14 日14：00 假相當(dāng)位溫圖

4 結(jié)論

（1）石嘴山市2019 年秋季首場大到暴雪天氣對(duì)全市交通運(yùn)輸和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、釀酒葡萄采摘等農(nóng)業(yè)活動(dòng)帶來不利影響。影響該次降雪過程的主要天氣系統(tǒng)有200 hPa 急流、500 hPa 高空槽、700 hPa低渦、地面冷高壓、地面倒槽、地面鋒區(qū)等。其中，500 hPa 高空槽和700 hPa 低渦系統(tǒng)沿石嘴山市北部自西向東移動(dòng)，移動(dòng)速度較快，是該次降雪過程時(shí)間較短的主要原因，且影響石嘴山市的華北冷高壓中心強(qiáng)度較往年偏強(qiáng)，冷空氣活動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)該次降雪過程異常偏早起到重要影響。

（2）低層850 hPa 偏東或東南風(fēng)、700 hPa 偏南暖濕氣流和500 hPa 槽前強(qiáng)勁的西南急流為該次降雪過程輸送了充足的水汽，使降雪期間從低層到高層的相對(duì)濕度均在90%以上，濕層較為深厚，為該次降雪過程提供了充沛的水汽。

（3）該次降雪天氣的物理特征：全市溫度露點(diǎn)差在1～2 ℃，大部在1 ℃以下，水汽條件接近飽和；低層輻合中心值在-6×10-5s-1，高層輻散中心值在8×10-5s-1，且輻散大于輻合，有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)；850 hPa 和500 hPa 假相當(dāng)位溫之差維持在64～78 K，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這些特征為該次降雪天氣提供了充分的水汽、動(dòng)力、熱力條件，也為今后類似天氣預(yù)報(bào)提供參考。