伊犁州一次大風(fēng)降雪天氣過(guò)程分析

伊爾潘江·牙生 李如琦

（新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái),新疆 烏魯木齊 830002）

在全球氣候變暖的背景下，頻繁發(fā)生的寒潮、大風(fēng)、暴雪、低溫、暴雨等極端天氣對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此加強(qiáng)災(zāi)害性天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)研究很有必要。新疆的大風(fēng)和降雪天氣研究方面，萬(wàn)瑜等（2013）對(duì)中天山附近城市2011年初春一次暴雪天氣進(jìn)行分析，結(jié)果表明南、北兩支鋒區(qū)在中亞一帶匯集后東移發(fā)展，大氣垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為高層輻散、低層輻合，而降雪地區(qū)發(fā)生東南大風(fēng)，地面溫度急劇上升，氣壓下降，為暴雪天氣的發(fā)生提供有利的熱力條件[1]。張書萍等（2011）研究阿勒泰地區(qū)2009年冬季持續(xù)暴雪過(guò)程發(fā)現(xiàn)，貝加爾湖西側(cè)區(qū)域異常冷性低槽引導(dǎo)冷空氣南下，與源于里海的水汽輸送匯集于北疆，推動(dòng)阿勒泰一帶暴雪天氣的形成和發(fā)展[2]。于碧馨等（2020）對(duì)天山兩麓一次暴雪天氣進(jìn)行研究，指出歐洲高壓脊的衰退和烏拉爾山低壓槽與中亞低壓槽的結(jié)合東移使低槽在中亞南伸加強(qiáng)，而南北兩支槽前偏西氣流的匯合有利于水汽輸送，從而造成天山北坡暴雪[3]。艾克代·沙拉木等（2018）分析克州2015年春季一次大風(fēng)天氣，指出西伯利亞低槽的作用下冷鋒南壓侵入南疆西部，同時(shí)低空出現(xiàn)切變線與急流，而冷暖氣流的交匯增加了熱力不穩(wěn)定性并加強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)促使鋒生，導(dǎo)致克州出現(xiàn)大風(fēng)過(guò)程[4]。宋佳（2015）通過(guò)分析塔城地區(qū)2014年春季一次大風(fēng)天氣過(guò)程，指出500 hPa高度層呈“2脊1槽”型，巴爾喀什湖低壓槽南壓后快速東移北上，且低壓槽后部有強(qiáng)勁北風(fēng)帶的建立是造成塔城地區(qū)區(qū)域性大風(fēng)天氣的重要環(huán)流形勢(shì)之一[5]。周雪婧（2016）對(duì)克拉瑪依2015年一次大風(fēng)降水天氣進(jìn)行研究，指出烏拉爾山低壓槽南下過(guò)程中分裂成南北兩支，其中北支東移北收，在冷暖氣團(tuán)交匯、中低層水汽及特殊背風(fēng)坡的配合下，克拉瑪依容易出現(xiàn)大風(fēng)降水天氣[6]。

伊犁哈薩克自治州地處新疆維吾爾自治區(qū)西部天山北側(cè)的伊犁河谷內(nèi)，而伊犁河谷位于烏孫山和中天山之間，東部狹窄、西部寬闊，海拔西高東低，呈喇叭口形狀。伊犁州境內(nèi)地形地貌復(fù)雜，主要包括山地、丘陵、平原及沙漠，氣候類型屬于溫帶大陸性氣候。伊犁州冬季常出現(xiàn)大風(fēng)、降雪天氣，一旦遭遇風(fēng)雪天氣，不僅會(huì)對(duì)交通運(yùn)輸安全造成不良影響，還嚴(yán)重影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。基于此，本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料和NCEP全球再分析資料對(duì)2021年1月22日—25日伊犁州一次大風(fēng)降雪天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，以掌握伊犁州風(fēng)雪天氣的形成規(guī)律，為提升冬季大風(fēng)、降雪天氣的預(yù)報(bào)能力提供一定參考。

1 天氣實(shí)況

2021年1月22日下午至1月25日早晨，新疆伊犁州爆發(fā)一次大風(fēng)降雪天氣。其中，降雪天氣主要集中發(fā)生于1月22日傍晚至1月25日早晨，強(qiáng)降雪主要分布在新源縣、伊寧縣、鞏留縣南部山區(qū)及霍城縣北部山區(qū)，其中國(guó)家站最大降雪中心為伊寧縣站（17.7 mm），次中心為新源縣站（13.5 mm）（見(jiàn)圖1）；大風(fēng)主要發(fā)生于1月22日下午至1月23日早晨，有8個(gè)國(guó)家站風(fēng)力為8～9級(jí)，34個(gè)區(qū)域站風(fēng)力為10～12級(jí)，其中國(guó)家站極大風(fēng)速中心為新源縣站（24.1 m/s，9級(jí)），次中心為尼勒克縣站（21.2 m/s，9級(jí)）（見(jiàn)圖2）。

圖1 2021年1月22日19：00至1月25日09：00伊犁州降水量分布圖（單位：mm）

圖2 2021年1月22日14：00至1月23日08：00伊犁極大風(fēng)速分布圖（單位：m/s）

2 形勢(shì)分析

歐亞范圍內(nèi)為經(jīng)向環(huán)流，西伯利亞至里咸海地區(qū)為低槽活動(dòng)區(qū)，冷中心達(dá)-40 ℃，歐洲脊發(fā)展，引導(dǎo)冷空氣南下徑向發(fā)展，西西伯利亞低槽分裂短波與中亞低槽匯合，中緯度鋒區(qū)加強(qiáng)，低槽快速東移造成包括伊犁州在內(nèi)的北疆出現(xiàn)大風(fēng)降雪天氣。整個(gè)環(huán)流形勢(shì)屬于北疆大降水類型：歐洲脊發(fā)展，西西伯利亞低槽南深，南北鋒區(qū)結(jié)合。過(guò)程中，各層主要影響系統(tǒng)特征（見(jiàn)圖3）：（1）200 hPa，西南急流，暴雪發(fā)生在急流軸附近；（2）500 hPa，西西伯利亞低槽南深，與中亞短波結(jié)合，槽底南壓制35°N區(qū)域，低槽前西南氣流強(qiáng)勁；（3）700 hPa，偏北急流建立并維持；（4）850 hPa，西北風(fēng)和偏西風(fēng)，冷式切變；（5）冷鋒，天山附近，強(qiáng)迫抬升；（6）地面冷高，偏西路徑，1 045 hPa；（7）地形，偏北急流在天山山脈輻合抬升。有利的高低空配置為大風(fēng)降雪天氣提供了有利的天氣背景。通過(guò)分析500 hPa形勢(shì)場(chǎng)（高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)）可知，2021年1月22日08：00（見(jiàn)圖4a），亞歐中高緯大氣環(huán)流形勢(shì)呈“1槽2脊”型，有一深厚低槽處于西西伯利亞至中亞一帶，低槽曲率較大，槽底延伸至30°N，溫度槽落后于高度槽，冷平流使低槽發(fā)展增深，槽后脊前北風(fēng)帶強(qiáng)勁，同時(shí)，源于極北的冷空氣持續(xù)南下堆積，高壓脊區(qū)處在黑海北側(cè)，淺脊區(qū)處于新疆至蒙古一帶，而伊犁州主要受低槽下游區(qū)西風(fēng)急流的作用；1月22日20：00（見(jiàn)圖4b），在歐洲高壓脊的作用下，中亞低槽逐漸東移，伊犁州逐漸受槽前西南氣流的影響，降雪天氣開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)；1月23日08：00（見(jiàn)圖4c）至1月23日20：00，伊犁州主要受槽前西南急流的作用；1月24日08：00，低槽曲率不斷減小；1月24日20：00（見(jiàn)圖4d），低槽東移北收，南段移動(dòng)至新疆東部，伊犁州受槽后西北氣流的作用，降雪強(qiáng)度也減弱；1月25日08：00，本次天氣過(guò)程基本結(jié)束。而對(duì)應(yīng)地面形勢(shì)，1月21日08：00，地面冷高壓位于黑海，高壓中心值為1 035 hPa；1月21日20：00，高壓穩(wěn)定維持；1月22日08：00，冷高壓不斷加強(qiáng)朝東南移動(dòng)，高壓中心值達(dá)1040 hPa，為典型的偏西路徑；1月22日20：00，冷高壓中心在咸海到巴爾喀什湖之間，強(qiáng)度為1 041 hPa，冷鋒已壓至新疆西部，西部國(guó)境線附近氣壓梯度達(dá)35 hPa，最大梯度達(dá)42 hPa，伊犁州3 h變壓為10 hPa，說(shuō)明冷空氣已開(kāi)始影響新疆西部；1月23日08：00，冷高壓維持東移至巴爾喀什湖南側(cè)，中心強(qiáng)度達(dá)1 041 hPa，伊犁州出現(xiàn)明顯大風(fēng)和降雪天氣，甚至南疆西部出現(xiàn)明顯翻山風(fēng)，可見(jiàn)冷空氣很強(qiáng)且偏南。

圖3 大風(fēng)降雪天氣過(guò)程高低空系統(tǒng)配置

圖4 500 hPa高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（虛線，單位：℃）、風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）

3 物理量場(chǎng)分析

3.1 水汽條件

大氣中的水汽含量雖少，但變化較大，是影響天氣變化的重要因素之一。通過(guò)分析本次降雪過(guò)程中伊犁州水汽通量散度、風(fēng)場(chǎng)時(shí)間-高度剖面場(chǎng)可知，天氣發(fā)生期間，水汽通量散度輻合區(qū)處于750 hPa高度層以下；1月22日夜間，強(qiáng)降雪發(fā)生時(shí)段水汽通量散度輻合區(qū)處于800 hPa高度層以下，輻合中心值為-5.0×10-5g·cm－2·hPa－1·s－1；1月22日20：00，850 hPa低空急流核風(fēng)速達(dá)26.0 m/s，有利于水汽的輻合積聚。水汽通量散度的演變情況正好對(duì)應(yīng)降雪強(qiáng)度變化的時(shí)間段。此外，對(duì)比濕條件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2021年1月22日20：00至1月23日20：00，1.5 g/kg比濕線擴(kuò)展至600 hPa高度層，2.0 g/kg比濕線擴(kuò)展至850 hPa高度層以上，近地面比濕超過(guò)2.5 g/kg，為本次天氣提供了一定水汽條件。

3.2 假相當(dāng)位溫

假相當(dāng)位溫表示空氣塊在上升過(guò)程中，其內(nèi)部水汽凝結(jié)脫落，氣塊由不飽和變成飽和，之后絕熱下沉至1 000 hPa處所具有的溫度。通過(guò)分析本次降雪落區(qū)伊寧站假相當(dāng)位溫場(chǎng)（θse）可知，2021年1月22日20：00至1月23日08：00，伊犁州上空假相當(dāng)位溫線越來(lái)越密集，大氣的斜壓性越來(lái)越大，冷鋒鋒區(qū)也越來(lái)越強(qiáng)，并與降雪強(qiáng)度不斷增強(qiáng)的時(shí)段基本一致，因此假相當(dāng)位溫在預(yù)報(bào)降雪強(qiáng)度時(shí)有一定的指示意義。

3.3 渦度和散度

渦度描述流體質(zhì)塊的旋轉(zhuǎn)程度及方向，氣象上?？紤]垂直渦度，空氣微團(tuán)氣旋式旋轉(zhuǎn)為正渦度，反氣旋式旋轉(zhuǎn)則為負(fù)渦度，當(dāng)相對(duì)渦度沿氣流方向減弱時(shí)有正渦度平流，沿氣流方向增強(qiáng)時(shí)有負(fù)渦度平流。散度表示流體在空間某點(diǎn)的匯合或流散程度，氣象上常考慮水平散度，氣流向某地凈流入為輻合，凈流出為輻散，其中輻合為負(fù)，輻散為正。本次天氣發(fā)生期間，500 hPa槽前西南氣流上正渦度輸送，500～300 hPa高度層存在正渦度且平流最強(qiáng)時(shí)段是降雪最強(qiáng)時(shí)期。500 hPa高度層的低渦強(qiáng)且正渦度輸送有利于輻合（見(jiàn)圖5a），輻合區(qū)在中低層600 hPa高度層以下，700～850hPa高度層之間輻合中心值為-0.7×10-5s-1（見(jiàn)圖5b）。地面冷鋒不斷由西西伯利亞平原向伊犁州推進(jìn)，并且冷鋒東移過(guò)程中有所加強(qiáng)，提供強(qiáng)盛的冷鋒強(qiáng)迫抬升動(dòng)力作用。300 hPa高空西南急流出口區(qū)和700 hPa西北急流入口區(qū)呈高空輻散、低空輻合結(jié)構(gòu)，提供有利的動(dòng)力抽吸作用。中高層正渦度平流輸送、地面冷鋒、高低空輻散輻合動(dòng)力抽吸非常有利于300 hPa高度層以下大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。

圖5 渦度及散度垂直剖面（線條為散度，單位：10-5s-1；陰影為渦度，單位：10-5s-1）

3.4 850 hPa溫度平流和風(fēng)場(chǎng)

空氣從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域流動(dòng)時(shí)稱為“暖平流”，而從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域流動(dòng)時(shí)稱為“冷平流”，冷暖平流是導(dǎo)致天氣出現(xiàn)大規(guī)模變化的主要因素之一。在850 hPa高度層上，2021年1月22日14：00后，冷平流對(duì)伊犁州造成影響，上游至伊犁州存在風(fēng)速輻合；1月22日20：00，冷平流完全進(jìn)入伊犁州，此時(shí)本地中心值為-1.5×10-5℃/s，伊犁州西部低空西風(fēng)急流核風(fēng)速超過(guò)30 m/s；1月24日08：00，伊犁州冷平流及低空急流均有所減弱，降雪強(qiáng)度也隨之變?nèi)酰?月24日20：00，暖平流開(kāi)始影響伊犁州，本次天氣過(guò)程趨于結(jié)束。

4 結(jié)論

（1）整個(gè)環(huán)流形勢(shì)屬于北疆大降水類型：歐洲脊發(fā)展，西西伯利亞低槽南深，南北鋒區(qū)結(jié)合。在本次天氣發(fā)生前，亞歐中高緯500 hPa高度層呈“1槽2脊”的環(huán)流形勢(shì)，深厚低槽處于西西伯利亞至中亞一帶，冷平流促進(jìn)低槽發(fā)展增深，極北冷空氣持續(xù)南下堆積，在位于黑海北部一帶的高壓脊作用下，中亞低槽逐漸東移對(duì)新疆伊犁一帶產(chǎn)生影響，最終造成本次大風(fēng)降雪天氣。

（2）降雪期間，水汽通量散度輻合區(qū)位于750 hPa高度層以下，水汽通量散度的演變對(duì)應(yīng)降雪強(qiáng)度變化的時(shí)間段；850 hPa低空急流的水汽輸送與近地面超過(guò)2.5 g/kg的比濕為本次天氣的發(fā)生提供較有利的水汽條件。

（3）天氣過(guò)程中，假相當(dāng)位溫線越密集，則鋒區(qū)越強(qiáng)，降雪強(qiáng)度也越強(qiáng)，三者之間呈正相關(guān)關(guān)系。

（4）中高層正渦度平流輸送、地面冷鋒的強(qiáng)迫抬升、高空輻散低空輻合的動(dòng)力抽吸等特征促進(jìn)大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)。

（5）冷平流加大氣壓梯度使變壓和風(fēng)速增大，有利于大風(fēng)天氣的形成；冷平流引起冷暖交匯，起到抬升作用，使較暖空氣沿冷鋒鋒面爬升，有利于大范圍降雪；同時(shí)，低空急流強(qiáng)度和降雪強(qiáng)度的變化基本一致。

（6）預(yù)報(bào)伊犁州降雪天氣時(shí)，比濕不一定像強(qiáng)降雨時(shí)那么大，但中低層往往存在明顯的水汽通量散度負(fù)值區(qū)和大風(fēng)速軸，需要預(yù)報(bào)員關(guān)注。低層的急流或顯著氣流不但有助于水汽的輻合，還能在大風(fēng)速軸附近加強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)，急流強(qiáng)時(shí)水汽輻合一般不會(huì)弱。預(yù)報(bào)伊犁州冬季大風(fēng)天氣時(shí)，地面冷高壓或低層冷平流越強(qiáng)，高壓前沿的等壓線或低層等高線越密集，則氣壓梯度越大，由地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系可知此時(shí)容易出現(xiàn)大風(fēng)天氣，因此預(yù)報(bào)員需關(guān)注地面冷高壓和低層冷平流。