一次東北冷渦影響下遼寧地區(qū)特大暴雪、凍雨天氣的過(guò)程分析

李銘鑒 宋 佳 劉雨桐 曲驊倩

（1.鐵嶺市氣象臺(tái)，遼寧 鐵嶺 112000；2.鐵嶺市氣象局服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112000；3.鐵嶺縣氣象臺(tái)，遼寧 鐵嶺 112000）

引言

通常將500hPa高度圖上，東北地區(qū)附近有至少一條等高線，而且有溫度冷中心與其配合，生命史大于等于3天的比較深厚的冷型低壓環(huán)流稱為東北冷渦。

東北冷渦是在東亞阻塞形勢(shì)下發(fā)生的比較深厚的冷性低壓系統(tǒng)，在對(duì)流層中高層常常表現(xiàn)為一個(gè)閉合系統(tǒng)，在中高緯度西風(fēng)環(huán)流中存在并延伸向低緯的深槽。東北冷渦是我國(guó)最常見(jiàn)的一種切斷低壓，不管是從時(shí)間尺度還是空間尺度來(lái)講，它均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西南低渦等低渦系統(tǒng)。東北冷渦一年四季均可出現(xiàn)，其中出現(xiàn)頻率最高的季節(jié)為夏季，而其中尤以6月出現(xiàn)的頻率最高，其活動(dòng)的生命周期一般為一周左右。

東北冷渦是一種比較深厚的冷性渦旋系統(tǒng)，在它所在區(qū)域的上空還常常出現(xiàn)“上冷下暖”的不穩(wěn)定氣層結(jié)構(gòu)，從而造成其所在區(qū)域出現(xiàn)災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣。

孫力等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)冷渦的散度、渦度和螺旋度等物理量診斷分析，都表現(xiàn)出非對(duì)稱的分布,在冷渦東側(cè)出現(xiàn)低層輻合，高層輻散的情況，冷渦西側(cè)渦度遠(yuǎn)小于東側(cè)渦度,分析高能濕舌軸線和水汽通量分布，便可發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的大值也落在這一區(qū)域,所以冷渦的東邊成為強(qiáng)降水區(qū)。

特定的環(huán)流形勢(shì)和充足的水汽條件能夠產(chǎn)生區(qū)域性強(qiáng)降水。張立祥等在總結(jié)東北冷渦研究進(jìn)展時(shí)強(qiáng)調(diào)應(yīng)從冷渦觸發(fā)機(jī)制研究入手, 借助當(dāng)今先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)施和多種數(shù)值模式，加強(qiáng)觀測(cè)和模擬, 繼續(xù)重點(diǎn)研究東北冷渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力過(guò)程等。

1.天氣概述

受東北冷渦及地面氣旋強(qiáng)烈發(fā)展影響，11月7～9日我省出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的特大暴雪、雨雪冰凍、寒潮、大風(fēng)天氣。全省62個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站平均降水量41.1毫米，有39個(gè)氣象站出現(xiàn)特大暴雪，最大降雪量和最大小時(shí)降雪量均出現(xiàn)在鞍山站，分別為80.3毫米和10.6毫米，雨雪過(guò)程伴有11級(jí)瞬時(shí)大風(fēng)、16℃以上的強(qiáng)降溫、冰凍和弱雷電。此次過(guò)程降雪持續(xù)時(shí)間達(dá)80小時(shí)以上，為我省歷史罕見(jiàn)。全省62個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站中，有39個(gè)站出現(xiàn)大于30毫米的特大暴雪，超過(guò)全省總站數(shù)的3/5，分布在除撫順、丹東外的12個(gè)地市。全省近90%的氣象站出現(xiàn)暴雪以上量級(jí)降雪。多個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站突破1951年有完整氣象記錄以來(lái)歷史極值，其中沈陽(yáng)地區(qū)平均降雪量為54.6毫米，突破1905年以來(lái)歷史極值。

遼寧省共20個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站最大積雪深度達(dá)到30厘米以上，占總站數(shù)的32%。有48個(gè)站出現(xiàn)大于10厘米的積雪，占全省總站數(shù)的77%，其中最大積雪深度為53厘米，出現(xiàn)在鞍山站。 25個(gè)站積雪深度超過(guò)2007年“3.04”暴雪過(guò)程，突破1951年有完整氣象記錄以來(lái)歷史極值，其中沈陽(yáng)地區(qū)最大積雪深度為41厘米，突破1905年以來(lái)歷史極值。

圖1 11月6日08時(shí)-9日20時(shí)降水量、積雪深度（資料來(lái)源：遼寧省氣象局）

2.降水成因分析

6日早間，遼寧地區(qū)受冷高壓外圍冷鋒影響，此時(shí)遼寧大部分地區(qū)地面溫度都在4℃以上，地表溫度較高。850hpa遼西地區(qū)受低空切變影響，同時(shí)渤海水汽輸送通道建立，為遼西地區(qū)降水提供水汽補(bǔ)充，此時(shí)遼西部分地區(qū)出現(xiàn)弱雨夾雪或陣雪。

圖2 11月6日08時(shí)海平面氣壓場(chǎng)、850hpa形勢(shì)場(chǎng)、500hpa形勢(shì)場(chǎng)

6日夜間，隨著冷鋒南下，遼寧地區(qū)氣溫明顯下降，大部分地區(qū)氣溫均降至0℃以下，同時(shí)850hpa低空急流建立，中心最大風(fēng)力達(dá)12m/s，黃海、東海兩條海上水汽輸送通道建立，為遼寧地區(qū)源源不斷提供充足的暖濕空氣，為暴雪天氣提供充足的水汽條件。7日白天至夜間，貝加爾湖冷空氣東移，副熱帶高壓后部暖濕氣流北上，隨著超強(qiáng)的冷、暖空氣交匯，東北冷渦強(qiáng)烈發(fā)展，海洋的暖濕水汽及熱量補(bǔ)充，配合東北冷渦動(dòng)力誘發(fā)作用，地面氣旋爆發(fā)性，誘發(fā)低層低渦及地面氣旋發(fā)展，從底層到高空形成深厚的低壓系統(tǒng)，在強(qiáng)的動(dòng)力抬升及水汽輻合作用下，降水強(qiáng)度明顯加強(qiáng)。與此同時(shí)，地面冷高壓自西向東楔入低層，形成冷墊，850hpa高度附近西南暖濕氣流在冷墊上爬升，遼寧地區(qū)中西部上空從低向高形成“冷—暖—冷”的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致降水相態(tài)復(fù)雜，大部分地區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪或凍雨轉(zhuǎn)雪過(guò)程，部分地區(qū)還出現(xiàn)霰現(xiàn)象。低層暖濕與高層干冷形成對(duì)流不穩(wěn)定，同時(shí)大尺度鋒生產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，部分地區(qū)出現(xiàn)弱雷電說(shuō)明存在不穩(wěn)定條件，降雪過(guò)程中不穩(wěn)定能量釋放對(duì)降雪增幅也起到一定的貢獻(xiàn)。此次天氣過(guò)程850hpa高空有3條輸送通道向遼寧輸送水汽，歷史罕見(jiàn)，850hPa比濕最大達(dá)6g/kg以上（暴雪閾值為2g/kg），達(dá)到產(chǎn)生極端降雪的水汽條件。

圖3 11月7日20時(shí)海平面氣壓場(chǎng)、850hpa形勢(shì)場(chǎng)、500hpa形勢(shì)場(chǎng)

9日東北冷渦旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣不斷補(bǔ)充南下，遼北地區(qū)處于冷渦底部，同時(shí)850hpa受低值系統(tǒng)底部切變影響并與冷中心相配合，850hpa相對(duì)濕度依舊較大，降雪仍在持續(xù)。10日白天冷渦主體仍在吉林省境內(nèi)，鐵嶺市、撫順市北部仍受冷渦底部影響，東北冷渦在旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的過(guò)程中，向東分量較小，且繼續(xù)不斷引導(dǎo)冷空氣南下，于10日夜間在內(nèi)蒙古境內(nèi)形成橫槽并轉(zhuǎn)豎影響鐵嶺、撫順地區(qū)，10日夜間至11日早間遼北仍有降雪。11日隨著東北冷渦北上速度加快，此次過(guò)程結(jié)束。

3.凍雨成因分析

6日夜間至7日早間遼寧出現(xiàn)大范圍凍雨現(xiàn)象，這次凍雨出現(xiàn)前，因受地面弱高壓、500hpa及850hpa暖中心影響，5日夜間遼寧地區(qū)大部氣溫明顯偏高，為5至10℃。6日白天到夜間，地面圖上，高壓冷鋒開(kāi)始影響遼寧大部，在過(guò)去24h內(nèi)，遼寧大部地面氣壓增加了12hpa。850hpa圖上5日20時(shí)和7日08時(shí)溫差達(dá)到了12-16℃。受低空鋒區(qū)和地面東北大風(fēng)影響，遼寧大部氣溫降幅為10-16℃。在36h內(nèi)氣溫急劇下降至0℃以下，地面溫度的劇烈變化為凍雨產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。

從錦州探空?qǐng)D可以看出6日08時(shí)800hpa以下的溫度均在0℃以上，800—600hpa之間溫度為-14至0℃。6日白天由于冷空氣入侵，6日20時(shí)1000hpa和850hpa附近仍為暖層，在600hpa附近有-9℃左右冷層，此時(shí)遼寧中部地面氣溫降至0℃。由此可知，6日白天遼寧中部、西部上空對(duì)流程高層呈冷的冰晶層，對(duì)流層中低層有溫度t＞0℃的暖層可使冰晶融化，近地層有氣溫t＜0℃的冷層，同時(shí)地面溫度達(dá)到0℃以下。這種大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)具備了產(chǎn)生凍雨的天氣條件。

6日8時(shí)之前，700hpa遼寧地區(qū)處于水汽通量相對(duì)高值區(qū)，凍雨發(fā)生前遼寧中北部上空始終維持水汽通量輻合大值區(qū)。分析相對(duì)濕度發(fā)現(xiàn)，凍雨產(chǎn)生前遼寧中部北部上空500hpa以下中低空始終維持較高的相對(duì)濕度大值區(qū)，同時(shí)西南氣流引領(lǐng)渤海灣暖濕空氣向遼寧中部地區(qū)輸送水汽，表明此次凍雨天氣在中空充沛的水汽輸送及近飽和狀態(tài)中產(chǎn)生的。

圖4 11月6日08時(shí)、6日20時(shí)錦州市探空?qǐng)D

4.大風(fēng)分析

此次過(guò)程伊始，隨著貝加爾湖冷空氣南下，遼寧省處于高壓外圍冷鋒前部影響，氣壓梯度較大，同時(shí)處于負(fù)變壓中，變壓風(fēng)較大，有利于大風(fēng)天氣的加強(qiáng)。7日白天至夜間，貝加爾湖冷空氣東移，副熱帶高壓后部暖濕氣流北上，隨著超強(qiáng)的冷、暖空氣交匯，東北冷渦強(qiáng)烈發(fā)展，海洋的暖濕水汽及熱量補(bǔ)充，配合東北冷渦動(dòng)力誘發(fā)作用，地面氣旋爆發(fā)性，誘發(fā)低層低渦及地面氣旋發(fā)展，遼寧省由高壓冷鋒轉(zhuǎn)為氣旋北上影響，東北大風(fēng)轉(zhuǎn)為西北大風(fēng)。由于地面氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，從底層到高空形成深厚的低壓系統(tǒng)，整層的西北氣流使地面西北風(fēng)加大，有利于大風(fēng)天氣的加強(qiáng)。

小結(jié)

通過(guò)對(duì)2021年11月6至10日東北冷渦降水的過(guò)程分析，得到以下結(jié)論：

1）冷渦后部是否有冷空氣的補(bǔ)充是冷渦是否可以繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的必要條件。東北冷渦及地面氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，動(dòng)力條件好。超強(qiáng)的冷、暖空氣交匯，導(dǎo)致東北冷渦強(qiáng)烈發(fā)展；海洋的暖濕水汽及熱量補(bǔ)充，配合東北冷渦動(dòng)力誘發(fā)作用，地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展歷史罕見(jiàn)，為極端暴雪提供深厚、持久的動(dòng)力條件。

2）水汽條件極端充沛，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。此次天氣過(guò)程有3條輸送通道向遼寧輸送水汽，歷史罕見(jiàn)，850hPa比濕最大達(dá)6g/kg以上（暴雪閾值為2g/kg），達(dá)到產(chǎn)生極端降雪的水汽條件。

3）溫度垂直差異大，雨雪相態(tài)復(fù)雜。地面冷高壓自西向東楔入底層，形成冷墊，850hPa附近西南暖濕氣流在冷墊上爬升，從低向高形成“冷—暖—冷”的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致降水相態(tài)異常復(fù)雜，大部地區(qū)出現(xiàn)雨雪混雜的時(shí)段。

4)不穩(wěn)定條件利于降雪增幅。低層暖濕與高層干冷形成對(duì)流不穩(wěn)定，同時(shí)大尺度鋒生產(chǎn)生斜壓不穩(wěn)定，部分地區(qū)出現(xiàn)弱雷電說(shuō)明存在不穩(wěn)定條件，降雪過(guò)程中不穩(wěn)定能量釋放對(duì)降雪增幅也起到一定的貢獻(xiàn)。

5)700 hpa和850hgpa持續(xù)多天的西南氣流為降水輸送了大量暖濕空氣，為降水提供了暖空氣來(lái)源，并決定了冷年空氣的建輝地區(qū)和低溫凍雨災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域。遼寧上空的冷、暖、冷層分布是此次凍雨出現(xiàn)的必要原因，這種大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)域具備了產(chǎn)生凍雨的天氣條件。

6)此次極端降水天氣的可預(yù)報(bào)性較好，中尺度模式對(duì)降水落區(qū)的提示性具有一定的參考性，但是雨雪相態(tài)預(yù)報(bào)與實(shí)際情況略有差異，雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)時(shí)間略晚于實(shí)際，今后預(yù)報(bào)中要做針對(duì)性訂正。