冷墊背景下回流暴雪成因與雷達(dá)回波特征分析

張桂蓮，劉瀾波，孟雪峰，張 璐，李林惠

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古包頭市氣象局，內(nèi)蒙古 包頭 014000；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

引 言

暴雪是內(nèi)蒙古地區(qū)春、秋、冬季主要的災(zāi)害性天氣，通常伴隨寒潮大風(fēng)，甚至?xí)鸨╋L(fēng)雪、白災(zāi)等雪災(zāi)發(fā)生，常常使高速公路、機(jī)場關(guān)閉，電力設(shè)施受損，牧區(qū)牲畜死亡，給人民生產(chǎn)生活造成重大影響和危害。

回流天氣是大陸東岸一些地區(qū)的共同特點，氣團(tuán)從陸地移向海上又回流到陸地，空氣濕度增大，回流層厚度可達(dá)2 km［1］?；亓鞅┭┦侨A北京津冀地區(qū)、山東等地的主要降雪天氣系統(tǒng)之一［2-6］，其不同于大多數(shù)普通降雪天氣?；亓鞅┭┩ǔ５蛯佑袞|北或偏東氣流，近地層有冷墊形成；普通降雪的水汽是低層向高層輸送，而回流暴雪發(fā)生時南方暖濕空氣沿低層冷墊爬升，到達(dá)一定高度后水汽凝結(jié)產(chǎn)生降雪［7］；回流冷空氣使低層大氣維持長時間的水汽輸送并與其上層的濕度大值區(qū)相結(jié)合，增加濕層厚度，為降水提供水汽條件，有利于降雪持續(xù)形成較強(qiáng)降雪［8］?；亓鞅┭┑膭恿C(jī)制也不同于普通暴雪，通常有斜壓鋒生，深厚傾斜的濕層導(dǎo)致暖濕西南氣流在偏東氣流上爬升，加強(qiáng)了大范圍的輻合抬升，加大了大氣斜壓性，為降水提供動力條件［9］；暖濕空氣沿冷墊上滑，鋒生時間長，中層鋒區(qū)與低層?xùn)|北回流疊加時會出現(xiàn)強(qiáng)降雪［10］。研究表明，回流降水的開始和結(jié)束與高低層的風(fēng)向密切相關(guān)，中高層的西南氣流與低層偏東氣流疊加時降水開始，兩者之一消失時降水結(jié)束［11］；在倒槽暴雪中，冷墊最厚、中低層西南風(fēng)速最大時刻提前于強(qiáng)降雪5 h，對暴雪預(yù)報預(yù)警有先兆意義［12］。實際預(yù)報業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)，降水相態(tài)預(yù)報失誤的天氣形勢多由回流形勢造成［13］。以上有關(guān)回流形勢下降雪的研究成果在暴雪預(yù)報中得到了應(yīng)用，并取得一定成效。

內(nèi)蒙古暴雪研究取得了很多成果［14-18］，但對內(nèi)蒙古區(qū)域性冷墊背景下回流暴雪的研究特別是多普勒雷達(dá)資料在回流暴雪診斷方面的應(yīng)用還少見。近年來回流暴雪在內(nèi)蒙古東南部地區(qū)出現(xiàn)次數(shù)明顯增加，且常常造成極端暴雪，如2020 年11 月17—19 日、2021 年11 月5—9 日內(nèi)蒙古東南部地區(qū)出現(xiàn)極端回流暴雪天氣，對經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)生活造成很大影響，因此加強(qiáng)該地區(qū)回流暴雪研究非常必要。本文對2019 年3 月20 日內(nèi)蒙古東南部地區(qū)一次冷墊背景下回流暴雪天氣的環(huán)境條件以及多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行分析，以期為該區(qū)域回流暴雪預(yù)報提供一些參考依據(jù)。

1 資料與天氣實況

1.1 資 料

選取的資料為2019年3月20日08：00（北京時，下同）至21 日08：00 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心提供的內(nèi)蒙古119 個國家氣象站6 h 和24 h 降雪量觀測資料及赤峰多普勒雷達(dá)（CINRAD/CA 型）資料、全球地形（水平分辨率1°×1°）資料以及NCEP 的FNL（水平分辨率1°×1°）逐6 h再分析資料。

文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2016）2884號的中國地圖（世界地圖）制作，底圖無修改。

1.2 天氣實況

2019 年3 月20 日08：00 至21 日08：00，內(nèi)蒙古東南部出現(xiàn)大到暴雪天氣過程［圖1（a）］，最大積雪深度為11 cm，暴雪給交通、牧區(qū)造成很大影響。該區(qū)域10 個旗縣12 站出現(xiàn)暴雪，降雪量為10.4~15.2 mm，其中單站降雪量前三位分別為通遼市科爾沁區(qū)站15.2 mm、科爾沁左翼中旗站14.2 mm、奈曼旗站14.0 mm。降雪時段主要集中在20 日08：00至21日02：00，通遼市科爾沁區(qū)、奈曼旗降雪強(qiáng)度非常強(qiáng)，9站12 h降雪量大于等于10 mm，達(dá)暴雪量級；17站6 h降雪量突破5 mm，達(dá)大雪量級［圖1（b）］。

圖1 2019年3月20日08：00至21日08：00內(nèi)蒙古東南部24 h累計降水量（a，單位：mm）、3月20日02：00至21日08：00科爾沁、科爾沁左翼中旗、奈曼旗站6 h降水量（b）Fig.1 Cumulative precipitation in 24 hours in southeastern Inner Mongolia from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（a，Unit：mm），and 6-hour precipitation at Keerqin Banner，Keerqinzuoyizhongqi Banner and Naiman Banner stations from 02：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（b）

2 環(huán)流背景

2.1 西南暖濕空氣

3 月20 日08：00［圖2（a）］，500 hPa 高度場上亞歐中高緯度有階梯槽，內(nèi)蒙古東南部地區(qū)（115°E—125°E，40°N—45°N）位于槽前西南暖濕氣流中，700 hPa 渤海灣一直有西南低空急流維持，風(fēng)速達(dá)12~14 m·s-1；之后500 hPa 階梯槽緩慢東移，14：00（圖略）內(nèi)蒙古東南部仍處于500 hPa 槽前西南暖濕氣流和700 hPa 西南低空急流重疊區(qū)域，強(qiáng)降水發(fā)生在08：00—20：00 時段內(nèi)［圖1（b）］；20：00［圖2（b）］，700~500 hPa 內(nèi)蒙古東南部受西北風(fēng)控制，降水減弱。降水最強(qiáng)時段，內(nèi)蒙古東南部處于西南急流風(fēng)速輻合區(qū)，西南低空急流不僅為暴雪提供充沛水汽，同時也使上升運動得到加強(qiáng)，水汽在上升到高空冷區(qū)過程中，凝結(jié)成冰晶和雪。

圖2 2019年3月20日08：00（a）、20：00（b）500 hPa位勢高度場（黑色等值線，單位：dagpm）和700 hPa風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）Fig.2 Geopotential height field at 500 hPa（black isolines，Unit：dagpm）and wind field at 700 hPa（wind vectors，Unit：m·s-1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）20 March 2019

2.2 冷墊與大興安嶺特殊地形

我國降水和地形通常有密切聯(lián)系，主要取決于低空風(fēng)場和地形之間的配置［19］。內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)的暴雪分布具有明顯的空間差異，長白山區(qū)、遼東半島和大興安嶺地區(qū)為暴雪高發(fā)區(qū)［20］，這次回流暴雪與東北—西南向的大興安嶺地形密切相關(guān)。

從20 日08：00 低層925 hPa 風(fēng)場和地形分布［圖3（a）］看出，內(nèi)蒙古中部和東南部（110°E—125°E，40°N—45°N）有一條冷式切變線，其南北兩側(cè)有明顯的西南風(fēng)和東北風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速輻合區(qū)，切變線北側(cè)有大于等于12 m·s-1的東北風(fēng)超低空急流，內(nèi)蒙古東南部大部分區(qū)域受東北風(fēng)冷墊控制，而切變線南側(cè)有大于等于12 m·s-1的西南風(fēng)超低空急流，且有從東海到渤海的偏南暖濕水汽遠(yuǎn)距離輸送；14：00（圖略）環(huán)流形勢繼續(xù)維持，強(qiáng)風(fēng)向和風(fēng)速輻合有利于降水發(fā)生，強(qiáng)降水發(fā)生在08：00—20：00 時段，內(nèi)蒙古東南部科爾沁區(qū)、奈曼旗站08：00—14：00 降水量分別為6.4、5.6 mm，14：00—20：00 降水量為5.4、5.3 mm，6 h 降水量均突破大雪量級；20：00［圖3（b）］內(nèi)蒙古東南部均被東北風(fēng)控制，切變線移出，東海和渤海偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，暖濕氣流通道被切斷，輻合迅速減弱，之后降水量明顯減小。大興安嶺地形呈東北—西南向分布，特殊地形有利于大興安嶺東麓迎風(fēng)坡東北風(fēng)干冷空氣被迫抬升到較高層結(jié)，增強(qiáng)了冷墊作用，不僅有利于850~700 hPa 暖濕空氣在冷墊上被迫爬升，也有利于暖濕空氣向高層進(jìn)一步輸送；同時大興安嶺地形對低層?xùn)|北氣流也有減速匯聚作用，從而使得大興安嶺東麓的干冷空氣在低層長時間堆積，回流暴雪的低層冷墊作用進(jìn)一步增強(qiáng)，內(nèi)蒙古東南部站點降水實況［圖3（c）］也驗證了這一點，20 日08：00 至21 日08：00 的24 h 降水量大于等于5 mm 的區(qū)域主要分布在大興安嶺東麓一帶，降水量同低空偏東風(fēng)與大興安嶺地形配置有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 2019年3月20日08：00（a）、20：00（b）925 hPa風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1），20日08：00至21日08：00 24 h降水量大于等于5 mm站點（紅點）分布（c）（填色區(qū)為地形高度，單位：m）Fig.3 The wind field at 925 hPa（wind vectors，Unit：m·s-1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）20 March 2019 and distribution of stations（red dots）with precipitation equal to or more than 5 mm from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（c）（The color shaded is terrain height，Unit：m）

綜上所述，500 hPa槽前西南暖濕氣流和700 hPa西南低空急流，不僅為暴雪提供充沛水汽，同時使上升運動得到加強(qiáng)，925 hPa東北風(fēng)超低空急流及地面東北風(fēng)為暴雪提供冷墊，大興安嶺南北向特殊地形有利于東北風(fēng)冷墊的進(jìn)一步增強(qiáng)，促使暖濕空氣向高層進(jìn)一步輸送，暴雪區(qū)位于925 hPa 東北風(fēng)超低空急流與700 hPa 西南低空急流重疊處。這次初春暴雪天氣主要由中高空西南暖濕空氣沿低層冷墊爬升產(chǎn)生鋒生造成，是一次典型的回流降雪天氣。

3 環(huán)境條件

散度是研究大氣動力過程的一個重要物理量，表征大氣在運動過程中的輻合和輻散［21］。3 月20日08：00 850 hPa風(fēng)場和散度場［圖4（a）］，內(nèi)蒙古中部和東南部地區(qū)（110°E—125°E，40°N—45°N）850 hPa風(fēng)場有“人”字型切變線和氣旋式輻合區(qū)，內(nèi)蒙古東南部大部分地區(qū)位于切變線南側(cè)的東南暖濕氣流中，而該區(qū)域850 hPa 散度有大范圍的輻合，輻合中心值為-30×10-6s-1，低空散度輻合有利于上升運動發(fā)展，強(qiáng)烈的垂直上升運動為暴雪的產(chǎn)生提供了原動力［22］；850 hPa 散度輻合一直維持到20：00（圖略），之后減弱消失。另外，850 hPa 有兩支水汽輸送通道，一支來自渤海的偏南水汽，另一支來自鄂霍次克海的偏東水汽，兩支水汽匯合于內(nèi)蒙古東南部，造成該區(qū)域暴雪天氣。比濕時間-高度剖面［圖4（b）］顯示，20 日08：00 至21 日02：00 降水時段，地 面 至850 hPa 比 濕 為2.5~3.0 g·kg-1，而850~650 hPa 比濕在3.0~3.5 g·kg-1，降水最強(qiáng)時段比濕大于等于3.5 g·kg-1，達(dá)到內(nèi)蒙古暴雪比濕標(biāo)準(zhǔn)，850 hPa以下層結(jié)相對于850~650 hPa呈“下干上濕”結(jié)構(gòu)，低層一直維持干冷墊，濕空氣在干冷墊上爬升。

圖4 2019年3月20日08：00 850 hPa散度（等值線，單位：10-6 s-1）和風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）（a），20日08：00至21日08：00比濕（填色，單位：g·kg-1）和溫度（等值線，單位：℃）的時間-高度剖面（b）Fig.4 Divergence field（isolines，Unit：10-6 s-1）and wind field（wind vectors，Unit：m·s-1）at 850 hPa at 08：00 BST 20 March 2019（a），and time-height profile of specific humidity（shaded，Unit：g·kg-1）and temperature（isolines，Unit：℃）from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（b）

4 溫度層結(jié)演變

降雪事件另一個關(guān)注點是氣溫變化［23］，回流暴雪通常在溫度層結(jié)方面有比較特殊的結(jié)構(gòu)，通遼氣象站是此次回流暴雪強(qiáng)降雪中心之一，過程降水量為15.2 mm，因此用通遼探空資料分析溫度層結(jié)有一定代表意義。

從表1 可知，2019 年3 月20 日08：00 通遼探空站989~850 hPa 有明顯逆溫，989 hPa 溫度為1.0 ℃，925、850 hPa 溫度分別為2.0、2.4 ℃，700 hPa 溫度為-2.9 ℃，700 hPa與850 hPa的逆溫差高達(dá)5.3 ℃；地面至925 hPa 層結(jié)為冷墊，盛行東北風(fēng)，冷墊強(qiáng)度非常強(qiáng)，925 hPa有超低空東北急流，風(fēng)速達(dá)15 m·s-1，冷墊以上層結(jié)為西南暖濕氣流且隨高度逐漸增強(qiáng)，700 hPa 有西南低空急流，風(fēng)速為12 m·s-1；西南低空急流不斷輸送暖平流，使得逆溫層結(jié)得以維持。925~850 hPa 逆溫層、925 hPa 超低空東北急流以及700 hPa 低空西南急流一直維持到20：00（圖略）；700 hPa與850 hPa逆溫強(qiáng)度在一定程度上可以表征冷暖氣流交匯的強(qiáng)度［22］。低層?xùn)|北風(fēng)急流與中高層西南急流形成明顯的風(fēng)垂直切變和溫度差，產(chǎn)生強(qiáng)的動力鋒生，動力鋒生作用在這次回流暴雪過程中發(fā)揮重要作用，是通遼降水量為15.2 mm 的重要原因之一。

表1 2019年3月20日08：00通遼站各層物理量Tab.1 Physical quantities at each level over Tongliao station at 08：00 BST 20 March 2019

5 雷達(dá)回波特征

圖5為赤峰站多普勒雷達(dá)（CINRAD/CA）1.5°仰角基本徑向速度圖（27 號產(chǎn)品，雷達(dá)距離圈間距為50 km）。3 月20 日15：10，低層為東南風(fēng)，中高層為西南風(fēng)，有東南風(fēng)—西南風(fēng)暖式切變線，入流速度（負(fù)速度）對應(yīng)的角度范圍大于出流速度（正速度）對應(yīng)的角度范圍，低層輻合有利于降水產(chǎn)生。15：48，距離雷達(dá)中心約25 km 區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一對正負(fù)速度中心，低層風(fēng)向從15：10的東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，雷達(dá)25~100 km 區(qū)域內(nèi)，南側(cè)中高層均為西南風(fēng)，雷達(dá)中心南側(cè)零速度線呈明顯的“S”形，表明有暖平流，西南暖濕空氣在偏北風(fēng)冷墊上爬升，有明顯的冷墊特征；同時該區(qū)域西北側(cè)有西北風(fēng)，西北風(fēng)和西南風(fēng)構(gòu)成冷式切變線，低層輻合。17：26，西南風(fēng)逐漸加強(qiáng)，雷達(dá)西南側(cè)100 km 有大于等于15 m·s-1的西南急流（入流速度），高度約4.7 km，雷達(dá)東北側(cè)50~100 km 有大于等于15 m·s-1出流速度，高度在2.2~4.1 km 之間，低層輻合，有西北—西南風(fēng)、西南—東南風(fēng)切變，這種結(jié)構(gòu)一直維持到18：12。18：12 雷達(dá)中心至25 km，零速度線呈反“S”型，低層有冷平流，而雷達(dá)東南側(cè)25~50 km 零速度線呈“S”型，說明有暖平流；入流速度（負(fù)速度）對應(yīng)的角度范圍遠(yuǎn)大于出流速度（正速度）對應(yīng)的角度范圍，低層輻合進(jìn)一步加強(qiáng)。21：47，冷墊范圍和強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，偏北風(fēng)達(dá)10 m·s-1以上，而西南風(fēng)減弱，有西北風(fēng)—西南風(fēng)切變，零速度線呈反“S”型，整層均為冷平流，暖平流消失；出流速度（正速度）對應(yīng)的角度范圍大于入流速度（負(fù)速度）對應(yīng)的角度范圍，低層輻散，降水隨之減弱。23：57，零速度線幾乎呈直線，整層全部被偏北氣流控制，降水結(jié)束。中高層的西南急流與低層偏北氣流疊加、低層輻合，降水加強(qiáng)；低層輻散、西南氣流減弱消失時，降水減弱消失，這與降雪實況有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 2019年3月20日赤峰站多普勒雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度演變（單位：m·s-1）Fig.5 Evolution of basic radial velocity on 1.5°elevation from Chifeng Doppler radar on 20 March 2019（Unit：m·s-1）

綜上所述，雷達(dá)徑向速度回波有明顯的暖濕氣流在冷墊上爬升的回流暴雪特征，低層冷墊和中高層西南暖濕急流同時加強(qiáng)與強(qiáng)降雪有很好的對應(yīng)關(guān)系，這對降雪短時或臨近監(jiān)測及預(yù)警發(fā)布有一定指示意義，可以彌補降雪強(qiáng)度分鐘監(jiān)測較難這一短板。

6 結(jié) 論

利用赤峰市多普勒雷達(dá)觀測資料、全球地形資料等對2019 年3 月20 日內(nèi)蒙古東南部地區(qū)冷墊背景下回流暴雪天氣的環(huán)境條件以及多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

（1）500 hPa 槽前西南暖濕氣流和700 hPa 西南低空急流，不僅為暴雪提供充沛水汽，同時使上升運動得到加強(qiáng)，925 hPa東北風(fēng)超低空急流及地面東北風(fēng)為暴雪提供冷墊；中高空西南暖濕空氣沿低層冷墊爬升，這次內(nèi)蒙古東南部地區(qū)春季暴雪是一次典型的回流降雪天氣。

（2）低層925 hPa 東北風(fēng)急流與中層700 hPa 西南急流形成明顯的風(fēng)垂直切變和溫度差，產(chǎn)生強(qiáng)動力鋒生，動力鋒生在這次回流暴雪過程中發(fā)揮重要作用。

（3）850 hPa 風(fēng)場有散度和氣旋式輻合區(qū)，低層輻合有利于上升運動發(fā)展，強(qiáng)烈的垂直上升運動為暴雪的產(chǎn)生提供原動力；850 hPa有偏南和偏東兩支水汽輸送通道，匯合于內(nèi)蒙古東南部。

（4）東北—西南向大興安嶺地形不僅對低層?xùn)|北風(fēng)超低空急流有減速匯聚作用，使得大興安嶺東麓的干冷空氣在低層長時間堆積，而且有利于東麓迎風(fēng)坡東北風(fēng)干冷空氣強(qiáng)迫抬升到較高層結(jié)，低層冷墊作用進(jìn)一步增強(qiáng)。

（5）下干冷上暖濕特征明顯，低層是干冷墊，850~700 hPa 有強(qiáng)逆溫層，逆溫差高達(dá)5.3 ℃，表明冷暖氣流在850~700 hPa劇烈交匯。

（6）降雪最強(qiáng)時段，雷達(dá)徑向速度圖上低層有偏北風(fēng)冷墊，中層呈明顯的“S”形，有暖平流，高層有西南急流長時間維持，入流速度對應(yīng)的角度范圍大于出流速度對應(yīng)的角度范圍，低層輻合，有利于降水；有西北風(fēng)—西南風(fēng)、西南風(fēng)—東南風(fēng)冷暖切變線，強(qiáng)降雪和西南暖濕急流在冷墊上爬升有很好的對應(yīng)關(guān)系。

（7）降雪后期，雷達(dá)徑向速度圖上低層冷墊范圍和強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，西南風(fēng)減弱，出流速度對應(yīng)的角度范圍大于入流速度對應(yīng)的角度范圍，低層輻散，不利于降水，降水隨之減弱；當(dāng)冷空氣勢力占主導(dǎo)地位時，零速度線幾乎呈直線，整層被偏北氣流控制，降水結(jié)束。