一次延邊地區(qū)大暴雪及凍雨天氣過程物理量場(chǎng)特征分析

馮景瑜 董鶴松 張 昊 隋 妍

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

2021年11月21日白天到夜間，延邊地區(qū)出現(xiàn)一次梯度極大的降雪天氣，且在21日夜間琿春出現(xiàn)了凍雨。關(guān)于暴雪方面的研究，姜俊玲等[1]通過分析單站多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海陸熱力差異和山脈對(duì)于向岸風(fēng)的摩擦輻合作用形成了中尺度海岸風(fēng)，海岸風(fēng)的存在引起低層淺對(duì)流的產(chǎn)生；王林等[2]利用鐵塔風(fēng)梯度觀測(cè)資料和超聲風(fēng)溫儀觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)暴雪前，風(fēng)向轉(zhuǎn)變，水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速明顯增大，湍流通量的輸送較活躍，降雪過程結(jié)束后，湍流動(dòng)能再次增大后緩慢減弱；蔣大凱等[3]在渦度和渦度變率分析中發(fā)現(xiàn)渦度變率更能準(zhǔn)確反映出暴雪切變線生成、發(fā)展的物理機(jī)制；李剛等[4]分析了2018年1月9—11日山東半島東部的一次極端暴雪過程。針對(duì)雨雪及凍雨天氣，易笑園等[5]分析了干冷空氣的活動(dòng)對(duì)于強(qiáng)雨雪天氣的作用；尤利民等[6]也發(fā)現(xiàn)在低溫雨雪冰凍期間，近地層不斷有弱冷空氣補(bǔ)充和滲透；康麗莉等[7]發(fā)現(xiàn)凍雨區(qū)域上空普遍存在“冷—暖—冷”的層結(jié)特點(diǎn)；羅海波等[8]強(qiáng)調(diào)除了有利的層結(jié)條件，還需具備地面在0℃以下的條件和少量的降水。吉林省對(duì)于暴雪及雨雪冰凍天氣的研究成果[9-10]對(duì)于日常預(yù)報(bào)提供了更加豐富的本地化預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、ECMWF水平分辨率0.25°×0.25°逐1h再分析資料，尋找具有預(yù)報(bào)意義的物理量特征。

2 降水及環(huán)流形勢(shì)演變

2.1 降水實(shí)況

2021年11月21日11時(shí)至22日08時(shí)延邊州出現(xiàn)分布不均的降雪天氣，全州平均降水量為10.3mm。本次過程的降水具有三個(gè)特點(diǎn)：一是降水梯度大。全州最大降水量出現(xiàn)在汪清縣，為23.8mm，出現(xiàn)大暴雪，最大積雪深度同樣出現(xiàn)在汪清縣，為16cm；和龍縣的降水量?jī)H為4.2mm，與汪清縣降水量相差19.6mm（圖1a）。二是降水時(shí)間長(zhǎng)且強(qiáng)度大。最大降水強(qiáng)度出現(xiàn)在汪清站，22日01—02時(shí)降水量達(dá)3.7mm，且從汪清的逐小時(shí)降水強(qiáng)度來看，出現(xiàn)了21日16—19時(shí)和21日23時(shí)—22日05時(shí)兩個(gè)降水集中時(shí)段。三是琿春出現(xiàn)了雪—雨—雪的相態(tài)轉(zhuǎn)換（圖1b）。21日21時(shí)開始，隨著氣溫的升高，降水相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛辏?1日22時(shí)—22日03時(shí)，琿春出現(xiàn)了凍雨。

圖1 2021年11月21日11時(shí)至22日08時(shí)延邊州降水量空間分布（a，單位：mm），琿春站逐小時(shí)降水量及氣溫（b）

2.2 主要影響系統(tǒng)及高低層風(fēng)場(chǎng)分析

500hPa上，貝加爾湖附近為高壓脊發(fā)展東移，脊前有高空槽，極地冷空氣沿著脊前的西北氣流南下，使得高空槽發(fā)展東移；至21日20時(shí)，高空槽移至河北北部至河南北部，且有-40℃的冷中心形成；至22日08時(shí)，冷槽發(fā)展成冷渦，位于吉林省中部，之后繼續(xù)東移經(jīng)過延邊地區(qū)。地面圖上在渤海灣有倒槽發(fā)展，至21日20時(shí)，在朝鮮半島至日本海附近形成氣旋，延邊地區(qū)受其北部倒槽影響，出現(xiàn)了夜間的強(qiáng)降水時(shí)段。

從高低層風(fēng)場(chǎng)的配置來看，200hPa上，延邊位于高空槽前。700hPa上，隨著西南急流從延邊西南部伸入，導(dǎo)致延邊自西向東輻合增強(qiáng)，降雪從21日11時(shí)開始。850hPa上，延邊地區(qū)為偏南氣流控制，至21日14時(shí)，偏南風(fēng)增強(qiáng)，在延邊中東部形成偏南急流，20時(shí)，延邊東部位于急流出口區(qū)，有強(qiáng)的風(fēng)速輻合，與汪清的第一個(gè)降水集中時(shí)段相對(duì)應(yīng)；至23時(shí)，延邊東北部的風(fēng)速進(jìn)一步增強(qiáng)，同時(shí)切變自西向東移過延邊，對(duì)應(yīng)第二個(gè)降水集中時(shí)段。925hPa上，延邊地區(qū)一直受偏東氣流影響，至21日20時(shí)，延邊東側(cè)的偏東風(fēng)增強(qiáng)，形成偏東急流，延邊東部位于急流出口區(qū)，超低空急流為延邊東部的降水提供了較強(qiáng)的水汽和熱量輸送。此外，地面風(fēng)場(chǎng)上，可觀測(cè)到中尺度輻合線。

3 物理量特征分析

3.1 水汽條件

從700hPa（圖2a、圖2b）和850hPa水汽通量來看，有來自黃海、渤海和日本海的水汽沿著偏南氣流向延邊地區(qū)輸送。925hPa在日本海出現(xiàn)水汽通量的大值中心，偏東風(fēng)將日本海的水汽向延邊地區(qū)東部輸送，這支東風(fēng)輸送的水汽對(duì)于延邊東部的暴雪甚至大暴雪起到關(guān)鍵作用。本次過程中，大氣可降水量在10kg/m2以上，最大達(dá)15kg/m2。從850hPa比濕的水平分布來看，本次過程中比濕始終大于2g/kg。從850hPa水汽通量散度來看，中低層水汽通量輻合的區(qū)域往往對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水區(qū)域。

圖2 2021年11月21日14時(shí)（a）和22日02時(shí)（b）700hPa水汽通量（陰影，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1）及風(fēng)場(chǎng)

3.2 動(dòng)力條件

延邊地區(qū)位于200hPa高空槽前，高層為氣流輻散，中低層受低空急流和切變的影響，導(dǎo)致有氣流的輻合，形成了高層輻散低層輻合的結(jié)構(gòu)，有利于上升氣流的產(chǎn)生、發(fā)展和維持。過129.78°E作散度（div）和垂直速度（ω）的垂直剖面，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)降水時(shí)段（圖3a），43°N附近800hPa以下存在散度的負(fù)值中心，800hPa以上有散度的正值中心，同時(shí)對(duì)應(yīng)著垂直速度的負(fù)值中心，即有上升運(yùn)動(dòng)，且降水強(qiáng)度越強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)越劇烈。22日02時(shí)（圖3b），上升運(yùn)動(dòng)已升至對(duì)流層頂，在上升運(yùn)動(dòng)的南北兩側(cè)，各存在一下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，這是高低空急流耦合形成的次級(jí)環(huán)流，兩次級(jí)環(huán)流的上升支重疊，為此次暴雪提供天氣尺度的上升運(yùn)動(dòng)。從垂直速度的時(shí)間剖面來看，中低層出現(xiàn)的大的負(fù)值中心對(duì)應(yīng)著兩個(gè)降水集中時(shí)段。

圖3 2021年11月21日20時(shí)（a）和22日02時(shí)（b）沿129.78°E散度（等值線，單位：10-5s-1）和垂直速度（陰影，單位：Pa·s-1）剖面

鋒生函數(shù)（F）能較好地反映鋒生鋒消和鋒面強(qiáng)度變化，有研究表明[11-13]，鋒生過程導(dǎo)致的熱力直接環(huán)流的上升支可能是抬升觸發(fā)機(jī)制之一，鋒面強(qiáng)迫與暴雪的形成和加強(qiáng)密切相關(guān)。從850hPa鋒生函數(shù)的水平分布來看，發(fā)現(xiàn)暴雪落區(qū)始終是在鋒生作用中。22日02時(shí)，鋒生中心位于延邊東部，強(qiáng)度超過10-8K·m-1·s-1，與急流出口區(qū)和切變位置的強(qiáng)輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)。

從沿130°E的鋒生函數(shù)的垂直剖面上可知，21日下午在800—900hPa存在鋒生函數(shù)的正值中心，強(qiáng)度在70×10-10K·m-1·s-1左右，900hPa以下由于偏北氣流攜帶干冷空氣的作用，形成了“冷墊”，迫使暖濕氣流沿“冷墊”抬升，同時(shí)不斷有冷空氣楔入中低層暖濕氣流內(nèi)，形成次級(jí)環(huán)流，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。至22日02時(shí)，次級(jí)環(huán)流上升支與西南暖濕急流交匯輻合，使得800—1 000hPa均為鋒生區(qū)，對(duì)應(yīng)著降水的最強(qiáng)時(shí)段。由此可知鋒生作用和次級(jí)環(huán)流的共同作用，有利于暴雪增幅，是暴雪增強(qiáng)和維持的重要原因，鋒面次級(jí)環(huán)流也是暴雪的重要抬升觸發(fā)機(jī)制之一[14-15]。

3.3 熱力及不穩(wěn)定條件

從假相當(dāng)位溫的850hPa水平分布和沿129.78°E的經(jīng)向垂直剖面來看，21日08時(shí)，延邊地區(qū)還沒有產(chǎn)生降雪，850hPa假相當(dāng)位溫的等值線較為平直，垂直剖面上對(duì)應(yīng)43°N附近的等值線略稀疏。降水開始之后，21日14時(shí)，850hPa假相當(dāng)位溫出現(xiàn)南北向的假相當(dāng)位溫脊線，對(duì)應(yīng)垂直剖面上等值線增密。強(qiáng)降水常出現(xiàn)在假相當(dāng)位溫高能脊和能量鋒區(qū)附近[16]。除此之外，假相當(dāng)位溫隨高度增加，說明是對(duì)流穩(wěn)定的。

同時(shí)從風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間剖面上來看，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)由近地面層的偏東風(fēng)，轉(zhuǎn)為800hPa的偏南風(fēng)，再轉(zhuǎn)為700hPa附近的西南風(fēng)，風(fēng)的垂直切變較大，有利于對(duì)稱不穩(wěn)定的出現(xiàn)。

濕位渦由渦度矢垂直分量ζMPV1和渦度矢水平分量ζMPV2組成，前者是濕正壓項(xiàng)，主要表征大尺度水平方向的慣性穩(wěn)定性和對(duì)流穩(wěn)定性；后者是是濕斜壓項(xiàng)，主要包含濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的貢獻(xiàn)。21日20時(shí)（圖4a）ζMPV1＞0且ζMPV2＜0時(shí)的絕對(duì)高值區(qū)位于延邊西部和東部，22日02時(shí)（圖4b）延邊中東部，出現(xiàn)ζMPV1為2.2PVU（1PVU=10-6m2·K·kg-1·s-1）且ζMPV2為-0.3PVU的高絕對(duì)值區(qū)，此時(shí)相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)的降水強(qiáng)度較大。從沿129.78°E的垂直剖面看，降水期間，均出現(xiàn)了ζMPV1＞0、ζMPV2＜0，且高絕對(duì)值的配置，高絕對(duì)值區(qū)域位于800hPa以下。發(fā)現(xiàn)本次過程發(fā)生在大尺度對(duì)流穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，但中尺度上出現(xiàn)對(duì)稱不穩(wěn)定的區(qū)域，降雪量級(jí)較大。

圖4 2021年11月21日20時(shí)（a）和22日02時(shí)（b）沿129.78°E的濕位渦垂直剖面（單位：PVU；紅色實(shí)線為濕正壓項(xiàng)，陰影為濕斜壓項(xiàng)）

4 降雪梯度大的成因分析

對(duì)比汪清和延吉站的逐小時(shí)降水量發(fā)現(xiàn)，汪清站降水時(shí)間較延吉站明顯偏長(zhǎng)，而從降水強(qiáng)度來看，在汪清的兩個(gè)降水集中時(shí)段，延吉站的降水強(qiáng)度明顯偏小。

從超低層風(fēng)場(chǎng)來看，超低空偏東急流帶來的大量日本海水汽，在延邊東部輻合，因此延邊東部的水汽輸送較西部強(qiáng)。同時(shí)從大氣可降水量和比濕的水平分布也可以看到，大值區(qū)均位于延邊東部，因此延邊東部的水汽條件更好，也可以說明超低空急流為本次降水起到至關(guān)重要的作用。

從垂直速度的剖面來看，強(qiáng)降水時(shí)段，汪清站的上升運(yùn)動(dòng)伸至整個(gè)對(duì)流層，而延吉站的上升運(yùn)動(dòng)是從900hPa以上開始的。從鋒生函數(shù)的緯向剖面也可以看到，汪清站的次級(jí)環(huán)流上升支與大尺度上升運(yùn)動(dòng)相疊加，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，鋒生作用明顯，同時(shí)延吉站的鋒生作用也是從900hPa以上開始的，說明相對(duì)于東部強(qiáng)降水區(qū)域，延吉站超低空的動(dòng)力條件也更弱一些。

最后由于延邊地區(qū)特殊地形的影響，當(dāng)850hPa為偏南急流影響時(shí)，延邊地區(qū)西南部的降水往往要小于其他地區(qū)。

5 凍雨成因分析

從21日21時(shí)開始，隨著氣溫的升高，琿春站降水相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛辏?1日22時(shí)至22日03時(shí)，琿春出現(xiàn)了凍雨。分析期間的850hPa與925hPa的溫差，發(fā)現(xiàn)延邊地區(qū)于21日23時(shí)前后，中東部溫差均在0℃左右?，q春站925hPa至800hPa存在逆溫層，溫度在0℃左右，23時(shí)地面氣溫為-1.3℃。

通過43°N作溫度平流緯向垂直剖面可見，由于中低層偏南急流的作用，導(dǎo)致800—900hPa暖平流逐漸增強(qiáng)，900hPa以下為冷平流，延邊東部比西部的冷平流層厚度更薄，暖平流層厚度更大，有利于融化層的形成。21日23時(shí)前后，暖平流強(qiáng)度最強(qiáng)，厚度最大，之后隨著系統(tǒng)東移，暖平流中心也逐漸東移，至22日03時(shí)前后，整層均轉(zhuǎn)為冷平流影響。

通過130.25°E作溫度平流經(jīng)向垂直剖面發(fā)現(xiàn)，降水開始時(shí)，近地面層仍有冷空氣滲透，與此同時(shí)有一支斜升的偏南暖平流發(fā)展，沿著冷墊由南向北向上抬升，21日23時(shí)，900hPa附近已經(jīng)形成一個(gè)比較強(qiáng)的暖平流中心，冷空氣的主體勢(shì)力由北向南，自高層向地面向南推進(jìn)，使得暖平流中心逐漸減弱。22日03時(shí)，中低層的暖中心消失，使得冷平流逐漸充斥整層大氣，導(dǎo)致琿春降水性質(zhì)轉(zhuǎn)為純雪。

分別對(duì)比了琿春和延吉兩個(gè)站的風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度和溫度的垂直剖面發(fā)現(xiàn)，琿春站900hPa以下存在一個(gè)低于0℃的冷層，中低層偏南風(fēng)，導(dǎo)致中低層溫度升高，使得850—900hPa存在溫度高于0℃的融化層，800hPa以上為冷卻層，因此琿春的溫度層結(jié)呈現(xiàn)出“冷—暖—冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)，使得上層降落的固態(tài)降水通過逆溫層變?yōu)橐簯B(tài)降水，經(jīng)過低層冷卻層逐漸變?yōu)檫^冷卻水滴，當(dāng)過冷卻水滴接觸到0℃以下的地面或其他物體表面時(shí)，迅速凍結(jié)形成凍雨。此外，過程中整層的相對(duì)濕度基本在90%以上。從延吉站的變化來看，雖然在850hPa附近仍然存在一個(gè)暖層，但暖中心在-2℃，使得固體降水不能融化，因此降水相態(tài)仍然為雪。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本次過程是高空槽發(fā)展加強(qiáng)形成冷渦，配合地面氣旋北部倒槽影響而形成的降水過程。在中低層切變前部延邊地區(qū)受700hPa西南急流、850hPa偏南急流、900hPa偏東氣流影響。同時(shí)中尺度輻合線有利于降水的增強(qiáng)。

（2）700hPa和850hPa的 西南急流和 偏 南急流將黃海、渤海的水汽向延邊地區(qū)輸送，925hPa則為偏東急流將日本海的水汽向延邊地區(qū)輸送。大氣可降水量大于10kg/m2，比濕大于2g/kg，同時(shí)水汽通量輻合的區(qū)域與強(qiáng)降水落區(qū)相對(duì)應(yīng)。

（3）低層輻合高層輻散的配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，高低空急流耦合形成的次級(jí)環(huán)流有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，并且上升運(yùn)動(dòng)的大值中心與降水集中時(shí)段相對(duì)應(yīng)。此外，鋒生作用和次級(jí)環(huán)流的共同作用，有利于暴雪增幅，是暴雪增強(qiáng)和維持的重要原因，鋒面次級(jí)環(huán)流也是暴雪的重要抬升觸發(fā)機(jī)制之一。

（4）隨著降水的開始，以及降水強(qiáng)度的增強(qiáng)，假相當(dāng)位溫線逐漸增密，且形成高能脊，強(qiáng)降水常出現(xiàn)在假相當(dāng)位溫高能舌和能量鋒區(qū)附近。本次過程發(fā)生在大尺度對(duì)流穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，但中尺度上出現(xiàn)對(duì)稱不穩(wěn)定的區(qū)域，降雪量級(jí)較大。

（5）延邊地區(qū)東部超低空偏東急流的水汽輸送，配合超低空的上升運(yùn)動(dòng)和鋒生作用，導(dǎo)致延邊東部降水強(qiáng)度較大，加之較長(zhǎng)的降水時(shí)間和延邊特殊地形的共同影響，使得本次過程的降水梯度較大。

（6）中低層偏南暖平流的作用，導(dǎo)致琿春站850—900hPa出現(xiàn)溫度大于0℃的融化層，配合900hPa以下為冷平流，中高層冷平流，形成“冷—暖—冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)，使得上層降落的固態(tài)降水通過逆溫層變?yōu)橐簯B(tài)降水，經(jīng)過低層冷卻層逐漸變?yōu)檫^冷卻水滴，當(dāng)過冷卻水滴接觸到0℃以下的地面或其他物體表面時(shí)，迅速凍結(jié)形成凍雨。