大范圍持續(xù)暴雪中多種影響因子的對(duì)比分析

張 昊 黃天賜 隋 妍 崔春杰

（1.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133000；2.岳陽(yáng)市氣象局，湖南岳陽(yáng) 414000）

1 引言

吉林省位于我國(guó)東北地區(qū)中部， 在每年漫長(zhǎng)而寒冷的冬季中，降水性質(zhì)以雪為主，而暴雪則是吉林省冬半年最為嚴(yán)重和常見的自然災(zāi)害之一，有時(shí)還會(huì)伴有寒潮降溫、 大風(fēng)等天氣， 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、人民生活、交通運(yùn)輸?shù)确矫娈a(chǎn)生嚴(yán)重影響。 多年來， 國(guó)內(nèi)氣象工作者對(duì)暴雪的形成機(jī)制和物理診斷進(jìn)行了大量研究。 胡順起等[1]和宮德吉等[2]對(duì)低空急流與暴雪的關(guān)系進(jìn)行分析， 認(rèn)為偏南急流與偏北風(fēng)的輻合是極端大暴雪的重要成因。 閻琦等[3]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雪主要發(fā)生在傾斜渦度強(qiáng)烈發(fā)展的時(shí)段內(nèi)，且二者區(qū)域重合。 張桂蓮等[4]對(duì)大興安嶺地區(qū)的暴雪天氣進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)暴雪天氣是發(fā)生在條件對(duì)稱不穩(wěn)定（MPV2＜0）的背景下，暴雪落區(qū)位于MPV2 等值線密集帶附近。劉勝勝等[5]對(duì)聶拉木3 次特大暴雪過程的云頂亮溫特征進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，TBB 的變化情況與強(qiáng)降雪時(shí)間段有顯著的相關(guān)性， 在降雪過程發(fā)生時(shí)，TBB 會(huì)明顯下降。王曉明等[6]對(duì)吉林省不同類型的暴雪天氣進(jìn)行總結(jié)和分析， 發(fā)現(xiàn)吉林省暴雪的高空影響系統(tǒng)以高空槽為主，其次是冷渦，切變最少，而氣旋和低壓倒槽是主要的地面影響系統(tǒng)。 本文利用區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)、 常規(guī)氣象觀測(cè)資料、ERA5 再分析資料、GDAS 數(shù)據(jù)， 對(duì)吉林省2020年2月14日和2019年11月17日兩次暴雪天氣的環(huán)流形勢(shì)、 物理量場(chǎng)特征等進(jìn)行對(duì)比分析， 旨在進(jìn)一步完善預(yù)報(bào)思路、提高預(yù)警能力，為氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)工作提供幫助。

2 實(shí)況分析

2019年11月17—18日，吉林省自西向東出現(xiàn)明顯雨夾雪轉(zhuǎn)雪天氣，東部出現(xiàn)暴雪天氣，延邊出現(xiàn)局地大暴雪（24h 降水量達(dá)20～25mm）。 至18日08 時(shí)，共出現(xiàn)17 站暴雪、5 站大雪（圖1a）。 中東部地區(qū)積雪深度6～13cm，局地達(dá)16～25cm。

2020年2月14—17日， 吉林省東南部出現(xiàn)歷史同期罕見的強(qiáng)降雪天氣， 通化和白山部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雪或特大暴雪（圖1b）。 此次過程特點(diǎn)如下：一是雪量大。 共出現(xiàn)4 站特大暴雪、4 站大暴雪、14 站暴雪。二是降水梯度大。強(qiáng)降雪主要集中在東南部， 中部出現(xiàn)小到中雪， 西部基本無(wú)降雪。三是降水相態(tài)以純雪為主。四是積雪深。東部部分地方積雪深度達(dá)20～49cm。

圖1 2019年11月17日過程（a）和2020年2月14日過程（b）累計(jì)降水量分布

3 環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)

過程Ⅰ亞洲中高緯地區(qū)呈“兩槽一脊”環(huán)流形勢(shì)（圖2a）。 2019年11月17日08 時(shí)，500hPa高空槽位于我國(guó)河套地區(qū)；14 時(shí)移至內(nèi)蒙古地區(qū)東部，槽后西北氣流不斷引導(dǎo)北方冷空氣南下影響我國(guó)東部地區(qū)；20 時(shí)高空槽發(fā)展加強(qiáng)為高空低渦，強(qiáng)度為510dagpm，冷中心強(qiáng)度達(dá)-40℃。 此時(shí)吉林中西部地區(qū)受東移北上的地面氣旋影響，暖濕條件充足，冷暖氣團(tuán)交綏致使出現(xiàn)鋒面降水。18日02 時(shí)原本位于黑龍江省東部的蒙古氣旋與地面氣旋合并，氣壓梯度明顯增加，且前部的東南風(fēng)從海上繼續(xù)向吉林東部地區(qū)補(bǔ)充更多的水汽，加強(qiáng)了過程降水，主要降水時(shí)段來臨。 18日08 時(shí)，高空槽移至黑龍江東部，地面氣旋入海，降水過程趨于結(jié)束。 850hPa 主要影響系統(tǒng)為位于吉林省西北部的高空低渦，低渦南部風(fēng)切變自西向東移動(dòng)，吉林省中東部地區(qū)存在明顯西南急流和南風(fēng)急流，急流軸風(fēng)速達(dá)16m/s（圖2c），暴雪主要落區(qū)位于急流左側(cè)， 該區(qū)域輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯、 水汽充沛，利于出現(xiàn)降水天氣。

圖2 過程Ⅰ（a）和過程Ⅱ（b）500hPa 平均高度場(chǎng)（黑色實(shí)線，單位：gpm）、溫度場(chǎng)（紅色虛線，單位：℃）、海平面氣壓場(chǎng)（陰影填色，單位：hPa），及過程Ⅰ（c）和過程Ⅱ（d）850hPa 風(fēng)場(chǎng)（藍(lán)色箭頭，單位：m/s）、急流區(qū)（陰影填色，單位：m/s）

從過程Ⅱ環(huán)流形勢(shì)看到， 亞洲中高緯地區(qū)呈“兩槽一脊”（圖2b）。500hPa 主要為一“倒Ω”環(huán)流形勢(shì)， 位于巴爾克什湖地區(qū)的高空槽東移至貝加爾湖地區(qū)并發(fā)展為高空低渦， 強(qiáng)度為535dagpm，冷中心強(qiáng)度達(dá)-30℃。 2020年2月14日08 時(shí)，高空槽后偏北氣流引導(dǎo)高緯度地區(qū)冷空氣南下進(jìn)入我國(guó)東北地區(qū)。 14日20 時(shí)，吉林省中部受地面倒槽控制，偏南暖濕氣流與冷空氣相互作用，開始出現(xiàn)降水。由于鄂霍茨克海高壓阻擋，地面倒槽維持時(shí)間較長(zhǎng)，至17日08 時(shí)才移出吉林省，這也是此次過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水量大的原因之一。850hPa主要影響系統(tǒng)同樣為低渦， 該低渦始終維持在吉林省西南部，受其影響吉林省通化、白山一帶始終存在切變線（圖2d），提供了動(dòng)力及不穩(wěn)定能量觸發(fā)條件。雖然低空沒有出現(xiàn)急流，但低渦前部顯著的西南氣流， 源源不斷地為此次降水提供暖濕條件。

4 物理量特征對(duì)比分析

4.1 水汽通量及水汽通量散度

分別對(duì)兩次過程的水汽通量及水汽通量散度進(jìn)行分析。過程Ⅰ中700hPa 水汽源地主要為渤海灣、黃海北部和日本海一帶。水汽通量在吉林省東南部存在一個(gè)大值密集區(qū)； 水汽通量散度在白山東部、長(zhǎng)白山地區(qū)、延邊南部有明顯的輻合帶，最大輻合中心為-4×10-5kg·m-2·s-1， 說明該區(qū)域水汽強(qiáng)烈輻合，水汽條件充沛。 850hPa 水汽來源同樣為渤海灣和日本海，與700hPa 相比水汽通量輻合區(qū)范圍更廣，中心值一般在-5×10-5kg·m-2·s-1。

過程Ⅱ中700hPa 主要有兩條水汽通道，來自川陜一帶和華北地區(qū)的西北向水汽和來自孟加拉灣和南海的西南向水汽在江淮地區(qū)和山東半島交綏， 并繼續(xù)沿西南方向輸送至吉林省東南部地區(qū)。對(duì)比兩條水汽通道可以看到，西南方向的水汽通量要明顯高于西北方向。 水汽通量散度在江淮地區(qū)、山東半島和東北地區(qū)南部存在一條明顯的輻合帶，在本次過程降水量較大的通化、白山地區(qū)水汽通量輻合中心達(dá)-6×10-5kg·m-2·s-1。 850hPa 水汽通量與700hPa 類似，但西北向水汽通量加強(qiáng)，西南向水汽通量明顯減弱，在山東半島至渤海灣一帶有明顯的水汽通量輻合區(qū)。 吉林省通化、白山地區(qū)的水汽通量輻合強(qiáng)度略有減弱， 大多在-5×10-5kg·m-2·s-1。綜合來看， 中低層良好的水汽輸送為兩次暴雪過程提供了有利條件。

4.2 水汽來源

目前HYSPLIT4 模型主要用于研究水汽條件的來源和輸送途徑[7]。 為近一步分析兩次過程水汽條件的區(qū)別，選取500m、1 500m、3 000m 三個(gè)最終高度（對(duì)應(yīng)925hPa、850hPa、700hPa 高度）對(duì)兩次過程中降水量最大的琿春市 （42.90°N，130.28°E）和白山市（41.93°N，126.43°E）進(jìn)行72h 氣團(tuán)后向軌跡模擬分析（圖3）。

圖3 過程Ⅰ（a）、過程Ⅱ（b）氣團(tuán)后向軌跡模擬

過程Ⅰ（圖3a）中3 種高度氣團(tuán)來源分別為貝加爾湖以東、 蒙古西部和我國(guó)新疆地區(qū)北部等中高緯地區(qū)， 但此類地區(qū)空氣中水汽含量有限且以冷濕性質(zhì)為主。 沿氣團(tuán)軌跡變化可以發(fā)現(xiàn)：3 000m 高度氣團(tuán)在16日08 時(shí)移至山東半島， 后經(jīng)黃海北部、 朝鮮半島和日本海到達(dá)琿春市；1 500m 和500m 高度氣團(tuán)在17日08 時(shí)移至日本海，后經(jīng)朝鮮東部到達(dá)琿春市。雖然3 種高度氣團(tuán)始發(fā)地和前期輸送途徑中水汽稀少， 但在到達(dá)降水落區(qū)前24h 內(nèi)都不同程度的補(bǔ)充了一定的水汽，為過程Ⅰ的形成提供了有利條件。

與過程Ⅰ相比，過程Ⅱ（圖3b）氣團(tuán)來源和軌跡要更加有利。 3 000m 高度氣團(tuán)從江西省出發(fā)，沿西南方向經(jīng)江淮地區(qū)、 渤海灣和遼寧省到達(dá)白山市。 1 500m 高度氣團(tuán)自山東半島出發(fā)，將渤海灣充沛的水汽輸送至白山地區(qū)。500m 高度氣團(tuán)沒有經(jīng)過海洋， 自河北東部先沿西南方向行進(jìn)至吉林省西部，再南下到達(dá)白山市，對(duì)本次暴雪天氣貢獻(xiàn)較小。

4.3 垂直速度與散度

過程Ⅰ （圖4a） 中18日02 時(shí)琿春市上空600hPa 以下散度輻合區(qū)十分深厚，存在2 個(gè)水平散度輻合中心， 中心值均在-15×10-6s-1左右，600hPa 以上呈明顯輻散形勢(shì)；700hPa 存在明顯垂直速度上升區(qū)，中心值達(dá)-2.5Pa·s-1，與700hPa 散度輻合中心幾近重疊，此時(shí)動(dòng)力條件強(qiáng)盛，主要降水時(shí)段開始。 18日08 時(shí)低層925—850hPa 散度輻合強(qiáng)度迅速減弱， 對(duì)應(yīng)600—300hPa 高空轉(zhuǎn)為輻合區(qū)， 中心值在-1.0×10-6s-1左右，500hPa 以下無(wú)明顯垂直運(yùn)動(dòng)上區(qū)，降水趨于結(jié)束。

圖4 過程Ⅰ（a）、過程Ⅱ（b）水平散度場(chǎng)（填色，單位：10-6s-1）和垂直速度場(chǎng)（等值線，單位：Pa·s-1）高度—時(shí)間剖面

過程Ⅱ （圖4b） 中14日14 時(shí)白山市上空700hPa 存在較弱的水平散度輻合區(qū)，對(duì)應(yīng)中高層有較弱的垂直上升運(yùn)動(dòng)，地面出現(xiàn)弱降水，隨后垂直上升運(yùn)動(dòng)迅速減弱。隨著主要影響系統(tǒng)臨近，15日02 時(shí)450hPa 出現(xiàn)深厚水平散度輻合區(qū)， 兩個(gè)輻合中心值都在-1.5×10-6s-1左右，450hPa 以上呈明顯輻散形勢(shì)， 對(duì)應(yīng)850—500hPa 垂直上升運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，至15日08 時(shí)中心值達(dá)-1.2Pa·s-1，主要降水時(shí)段開始。15日08 時(shí)—17日08 時(shí)中低層一直存在散度輻合區(qū)和較弱的垂直上升運(yùn)動(dòng)， 降水持續(xù)。 17日14 時(shí)，整層轉(zhuǎn)為輻散區(qū)，降水結(jié)束。

4.4 地形影響

兩次過程中暴雪落區(qū)主要位于吉林省東部山區(qū)（海拔高度1 000m 左右），包括吉林南部、通化、白山和延邊地區(qū)。 由于長(zhǎng)白山脈的存在，地形對(duì)環(huán)流形勢(shì)的影響非常明顯。2019年11月17日08 時(shí)吉林省700hPa（圖5a）上空為西南風(fēng)，與長(zhǎng)白山脈近乎平行；20 時(shí)風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，且出現(xiàn)明顯風(fēng)速切變。 850hPa（圖5b）吉林省中東部存在西南急流和東南急流的交匯，配合地形的抬升作用，上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)。 此外，吉林省中部還存在明顯西北風(fēng)與西南風(fēng)切變， 在東移過程中受山脈的阻擋作用影響，切變有所加強(qiáng)。 2020年2月15日02時(shí)吉林省東部地區(qū)700hPa（圖5c）上空為偏西風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)18m·s-1，受地形抬升作用影響，上升運(yùn)動(dòng)得以維持和加強(qiáng)；08 時(shí)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，并存在偏南風(fēng)與東南風(fēng)的切變。 850hPa（圖5d）整體為偏南風(fēng)，但在東部山區(qū)存在明顯的風(fēng)速輻合。 另外，由于過程Ⅱ中系統(tǒng)移動(dòng)速度緩慢， 在進(jìn)入吉林省東部地區(qū)后受到長(zhǎng)白山脈迎風(fēng)坡和山區(qū)地形摩擦作用影響，移速有所減小[8]，使系統(tǒng)影響時(shí)間延長(zhǎng)，從而降雪量增加。

圖5 過程Ⅰ700hPa（a）、850hPa（b）風(fēng)場(chǎng)，過程Ⅱ700hPa（c）、850hPa（d）風(fēng)場(chǎng)（填色表示地形高度，單位：m；風(fēng)速單位：m·s-1）

4.5 不穩(wěn)定條件

對(duì)兩次過程白山站假相當(dāng)位溫和溫度平流作高度—時(shí)間剖面。 發(fā)現(xiàn)過程Ⅰ中17日20 時(shí)后有從高空傳導(dǎo)至地面的假相當(dāng)位溫高能舌， 說明此時(shí)有強(qiáng)冷空氣侵入，影響吉林省東南部地區(qū)，降水開始。 18日02 時(shí)之后925—400hPa 開始出現(xiàn)向西傾斜的能量鋒區(qū)， 這樣的結(jié)構(gòu)有利于不穩(wěn)定能量的積聚和低層對(duì)流發(fā)展，降水集中時(shí)段來臨。過程Ⅱ中假相當(dāng)位溫整體隨高度增加， 大氣層結(jié)較為穩(wěn)定， 且假相當(dāng)位溫值要高于過程Ⅰ，850—500hPa 等值線平直且分布較為均勻，無(wú)明顯能量鋒區(qū)。這也說明過程Ⅰ中動(dòng)力條件起主導(dǎo)作用，過程Ⅱ中則是水汽條件做出了重要貢獻(xiàn)。

5 相當(dāng)黑體亮溫對(duì)比

過程Ⅰ中2019年11月17日16 時(shí)白山站相當(dāng)黑體亮溫（以下簡(jiǎn)稱TBB）為-35℃；隨后上升至-23℃；18 時(shí)開始逐漸下落， 降水逐漸開始；至17日23 時(shí)已經(jīng)下降至-54℃。 在18日03 時(shí)之前TBB 值都在-40℃以下，降水集中時(shí)段來臨。 隨后TBB 開始快速抬升，18日08 時(shí)已經(jīng)回升至-10℃，降水基本結(jié)束（圖6a）。

過程Ⅱ中15日03 時(shí)白山站TBB 為-25℃；之后逐漸下降， 期間略有起伏；15日12 時(shí)TBB降至谷值-57℃；之后略有起伏；18 時(shí)開始逐漸回升，但整體來看回升速度較慢，至16日08 時(shí)才升至-20℃。 在17日08 時(shí)降水基本結(jié)束之前，TBB一直維持在-20℃左右， 且24 h 內(nèi)谷值在-30℃左右。 對(duì)比兩次過程可以發(fā)現(xiàn)，降雪開始時(shí)TBB 都有所下降，最低值分別為-54℃和-57℃左右，雖然后續(xù)變化情況有所不同， 但都在低值區(qū)有一段比較穩(wěn)定的時(shí)期（圖6b）。整體來看TBB 的變化情況與降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系較好， 說明強(qiáng)降水發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)增強(qiáng)和發(fā)展階段。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）兩次過程的環(huán)流背景較為相似，都是高空低渦使冷空氣南下堆積， 與地面氣旋和倒槽輸送的西南暖濕氣流在吉林省東南部地區(qū)交匯導(dǎo)致暴雪天氣出現(xiàn)。 高空槽與850hPa 低渦、急流和切變帶來的輻合上升運(yùn)動(dòng)為降雪天氣的產(chǎn)生提供了動(dòng)力和不穩(wěn)定能量觸發(fā)條件。

（2）過程Ⅰ中水汽來源主要為渤海灣、黃海北部和日本海一帶；過程Ⅱ主要有兩條水汽通道，分別是來自川陜一帶和華北地區(qū)的西北向水汽通道和來自孟加拉灣和南海的西南向水汽通道。 從水汽源地來看， 過程Ⅰ中水汽始發(fā)地為蒙古國(guó)等中高緯地區(qū)；過程Ⅱ中水汽主要源于我國(guó)東南地區(qū)。整體來看，過程Ⅱ的水汽條件要明顯優(yōu)于過程Ⅰ。

（3）從動(dòng)力條件來看，兩次過程主要降水時(shí)段內(nèi)都出現(xiàn)了水平散度輻合中心， 最大值在-15×10-6s-1左右。 垂直速度場(chǎng)中850—500hPa 垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯，強(qiáng)度變化與降水時(shí)間分布較為一致，且過程Ⅰ上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度大于過程Ⅱ。 長(zhǎng)白山脈地形的抬升和摩擦作用也對(duì)兩次降水過程的形成和發(fā)展做了一定貢獻(xiàn)。從假相當(dāng)位溫的分布情況發(fā)現(xiàn)，過程Ⅰ中動(dòng)力條件起主導(dǎo)作用， 過程二中則是水汽條件做出了重要貢獻(xiàn)。

（4） 兩次過程降雪開始時(shí)TBB 都有所下降，最低值分別在-54℃和-57℃左右， 且在低值區(qū)都有一段比較穩(wěn)定的時(shí)期。 整體來看TBB 與降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。