哈密降雪異常的大氣環(huán)流及水汽特征

梁田甜，苗運(yùn)玲，周嘉珍，李如琦，潘存良

（1.新疆氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002；4.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000）

哈密市位于新疆最東端，地處96°23′～91°06′E，40°52′～45°05′N，橫跨天山南北的獨(dú)特地貌使哈密素有“新疆縮影”之稱。哈密市屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，天山山脈自東向西橫亙其中，形成中部和南北部迥然不同的兩大自然環(huán)境區(qū)，中部的巴里坤、伊吾兩縣草原廣闊，夏季涼爽宜人，冬季冰優(yōu)雪豐；山南哈密（伊州區(qū)）盆地、山北的淖毛湖盆地干燥少雨，晝夜溫差大，日照時(shí)間長。

降雪使積雪增加，有利于緩解旱情，但持續(xù)、大范圍的降雪又會(huì)致災(zāi)，可見降雪與人們的生活息息相關(guān)，也吸引了許多氣象工作者的關(guān)注。李如琦等[1]、楊霞等[2]、劉成武等[3]分析了北疆不同量級(jí)降雪的時(shí)空分布和環(huán)流特征，指出新疆北部是降雪較為集中的區(qū)域，因此，更多的分析集中于北疆降雪特別是暴雪的成因[4-7]，對(duì)北疆暴雪的研究已經(jīng)深入到對(duì)其鋒面結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特征及中尺度系統(tǒng)的分析[8-10]，同時(shí)對(duì)水汽、物理量特征的研究也取得了成果[11-13]。相比而言，對(duì)南疆、東疆暴雪的研究較為少見，楊利鴻等[14]、施俊杰等[15]對(duì)南疆西部暴雪的個(gè)例進(jìn)行了分析，李如琦等[16]、阿衣夏木·尼亞孜等[17-18]則分析了哈密南、北部暴雪的特征和成因。已開展的研究主要針對(duì)暴雪，對(duì)于不同區(qū)域降雪特征的分析較少，未見到對(duì)哈密市降雪特征的研究。為深入了解哈密市降雪的特征，本文在分析哈密市降雪事件的空間分布和時(shí)間變化特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究與哈密市降雪異常相聯(lián)系的環(huán)流配置和水汽輸送特征，為全面認(rèn)識(shí)新疆降雪、提升降雪預(yù)報(bào)能力提供技術(shù)支撐。

1 資料和方法

采用1960—2020年哈密市6個(gè)氣象站的日降水量資料和NCEP/NCAR逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，分析哈密降雪的時(shí)空分布特征，以降雪量的±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[19]為界限選取哈密降雪異常年，合成分析降雪異常年的大氣環(huán)流和水汽特征。根據(jù)哈密市各站的氣候概況，在選取降雪數(shù)據(jù)時(shí)，先以日最高氣溫＜4℃為標(biāo)準(zhǔn)選取所有降水日，其中日最高氣溫＜0℃的降水均認(rèn)定為降雪，對(duì)于日最高氣溫在0～4℃且不在11、12、1、2月的降水日重新進(jìn)行資料核查，降水期間有觀測(cè)記錄為雪、雨夾雪、雨轉(zhuǎn)雪且有積雪增加的均保留，否則予以剔除。20時(shí)—次日20時(shí)（北京時(shí)，下同）的降雪量≥0.1 mm作為1個(gè)降雪日樣本，哈密市6站共2 981個(gè)降雪樣本。降雪量級(jí)采用新疆量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即0.1～3.0 mm為小雪，3.1～6.0 mm為中雪，6.1～12.0 mm為大雪，12.1～24.0 mm為暴雪。

2 哈密降雪事件的時(shí)空特征

2.1 空間分布

哈密市降雪具有極為明顯的區(qū)域性特征（表1），降雪量和降雪日數(shù)均以哈密市中部偏西的巴里坤最多，較其他5站合計(jì)還多，中部偏東的伊吾次之，北部淖毛湖盆地少于南部哈密盆地，南部偏西的十三間房最少。不同量級(jí)的降雪也表現(xiàn)為相同的特征，南部偏西的十三間房和南部偏東的紅柳河從未出現(xiàn)過暴雪，巴里坤出現(xiàn)暴雪次數(shù)最多，為5次。日降雪極值出現(xiàn)在伊吾，時(shí)間為1998年3月8日，日降雪量為22.2 mm。

表1 哈密市各站降雪統(tǒng)計(jì)

2.2 月變化

哈密市的降雪量和降雪日數(shù)存在明顯的月際變化（圖1），降雪最早出現(xiàn)在9月，最晚出現(xiàn)在5月，夏季6—8月無降雪。降雪日數(shù)的月變化呈單峰型，峰值出現(xiàn)在12月。降雪量的月變化呈雙峰型，主峰值出現(xiàn)在11月，次峰值出現(xiàn)在3月，在季節(jié)交替時(shí)的次均降雪量明顯較大，與氣溫變化大導(dǎo)致的降水相態(tài)變化有直接關(guān)系。

圖1 哈密市降雪量和降雪日數(shù)距平的月變化

2.3 年際變化

從哈密市降雪的年變化趨勢(shì)（圖2）來看，降雪量和降雪日數(shù)總體呈增多趨勢(shì)，降雪量的增量約為12.1 mm/10 a，降雪日數(shù)增量約為1.1 d/10 a，但主要是在2010年前增多，而在2010年后呈減少趨勢(shì)。降雪量最大值出現(xiàn)在1998年，最小為1997年；降雪日數(shù)最多出現(xiàn)在2010年，最少在2017年。哈密市降雪量和降雪日數(shù)變化具有較好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.61，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 哈密市1960—2020年降雪量和降雪日數(shù)距平

2.4 不同量級(jí)的降雪貢獻(xiàn)

哈密市各站不同量級(jí)的累計(jì)降雪量及其在總降雪量的占比（表2）存在與降雨明顯不同的特點(diǎn)，除淖毛湖的暴雪降雪量較大雪貢獻(xiàn)大、紅柳河的大雪降雪量較中雪貢獻(xiàn)略大外，總體上量級(jí)越小的降雪對(duì)總降雪量的貢獻(xiàn)越大。各站均為小雪的貢獻(xiàn)最大，紅柳河最大，達(dá)85.5%，最小的巴里坤小雪占比也達(dá)到53.5%。中雪累計(jì)降雪量除紅柳河占比不足10%以外，其他站的中雪占比均達(dá)15%以上。這說明哈密降雪以小雪為主，大雪以上量級(jí)降雪較少。

表2 不同量級(jí)累計(jì)降雪量及其占比

3 哈密降雪異常的大尺度環(huán)流特征

基于1960—2020年哈密市6站降雪量的年際變化序列，以±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為界限，挑選出哈密市5個(gè)降雪偏多年（1998、2005、2009、2010、2015年）和7個(gè)降雪偏少年（1965、1968、1986、1989、1995、1997、2013年），針對(duì)11、12、1、2月主要降雪月進(jìn)行環(huán)流特征分析。

3.1 200 hPa緯向風(fēng)

從對(duì)流層高層平均緯向風(fēng)風(fēng)速的分布看，30°N附近存在一個(gè)高空偏西急流帶，在新疆北部有大風(fēng)速區(qū)向北擴(kuò)展至西伯利亞。在哈密降雪偏多年（圖3a），偏西風(fēng)急流軸線附近為正距平中心，高空急流較常年偏強(qiáng)且急流軸偏西，另一個(gè)正距平中心位于55°N的西西伯利亞，新疆及其以北區(qū)域均為正距平，表明高空偏西急流明顯偏強(qiáng)，急流區(qū)北擴(kuò)，哈密市也位于增強(qiáng)的高空急流區(qū)，高空輻散抽吸作用增強(qiáng)，促使低層上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對(duì)降水有利。在降雪偏少年（圖3b），2個(gè)帶狀正距平中心25°N以南的低緯度地區(qū)和貝加爾湖以北的西伯利亞地區(qū)，中緯度地區(qū)為負(fù)距平區(qū)，表明高空急流較常年偏弱，急流軸偏南，哈密市上空的偏西急流弱于常年，不利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，降水偏少。

圖3 哈密市降雪偏多年（a）和偏少年（b）對(duì)應(yīng)的200 hPa合成緯向風(fēng)速（等值線，單位：m·s-1）及其距平（陰影區(qū)，單位：m·s-1）

3.2 500 hPa位勢(shì)高度

影響哈密市降水的天氣系統(tǒng)主要有2個(gè)，一是主體位于47°N以南的中亞槽，由上游里海脊發(fā)展東擴(kuò)推動(dòng)，低槽沿天山北坡東移，影響哈密市造成降水；二是主體位于47°N以北的北支槽，受上游系統(tǒng)東移的影響，北支槽南下東移影響哈密市。在500 hPa位勢(shì)高度平均場上，巴爾喀什湖—北疆為弱脊，哈密市位于脊前西北氣流帶上。在哈密市降雪偏多年（圖4a），中緯度新疆及其以西地區(qū)為正距平區(qū)，正距平中心位于伊朗高原北側(cè)的里海地區(qū)，新疆以北、以東為負(fù)距平區(qū)，負(fù)距平大值區(qū)位于60°N以南，表明伊朗副高較常年偏強(qiáng)并北抬，脊線偏西，脊前的西北氣流偏強(qiáng)，極鋒鋒區(qū)位置偏南，影響槽強(qiáng)于歷年且位置偏南，哈密市處于低槽活動(dòng)區(qū)，有利于降水的出現(xiàn)。當(dāng)哈密市降雪偏少時(shí)（圖4b），新疆以西、以北地區(qū)均為負(fù)距平區(qū)，負(fù)距平大值區(qū)位于60°N以北，北疆及其以東為正距平區(qū)，正距平中心位于蒙古高原，表明伊朗副熱帶高壓弱于常年，極鋒鋒區(qū)位置偏北，新疆脊脊線東移，哈密市位于脊區(qū)，沒有明顯的低值系統(tǒng)影響，不利于降水的形成。

圖4 哈密市降雪偏多年（a）和偏少年（b）對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢(shì)高度合成（等值線，單位：dagpm）及其距平（陰影區(qū)，單位：dagpm）

3.3 700 hPa溫度

從低層氣溫的變化可以判斷冷空氣的路徑和強(qiáng)度，冷空氣的活動(dòng)有利于降雪的出現(xiàn)。冬季700 hPa平均氣溫場上，新疆區(qū)域的0℃線一般位于35°N以南，哈密市附近溫度為-9℃左右。在哈密市降雪偏多年（圖5a），中亞—新疆均為正距平，氣溫偏高，正距平中心位于里海、咸海，北疆沿天山一帶—哈密市氣溫較常年偏高1℃左右，哈密市東部、北部為負(fù)距平區(qū)，氣溫偏低，表明冷空氣東移，氣溫回升，在東移冷空氣的影響下，哈密市降雪偏多。當(dāng)哈密市降雪偏少時(shí)（圖5b），南疆為弱的負(fù)距平區(qū)，主要的負(fù)距平區(qū)位于60°N以北的區(qū)域，北疆及其以東為正距平區(qū)，正距平中心位于蒙古高原，表明冷空氣主要在極區(qū)活動(dòng)，很少有南下的冷空氣影響到哈密市及其以東的地區(qū)，氣溫高于常年，降水也較常年偏少。

圖5 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對(duì)應(yīng)的700 hPa合成溫度（等值線，單位：℃）及其距平（陰影區(qū)，單位：℃）

3.4 850 hPa風(fēng)場

低層切變線或輻合線是降水的重要影響系統(tǒng)。分析850 hPa平均風(fēng)場發(fā)現(xiàn)，哈密市南部區(qū)域多為西南或偏西風(fēng)。在哈密市降雪偏多年（圖6a），南部區(qū)域?yàn)槲髂巷L(fēng)，但其西部有西北風(fēng)加強(qiáng)并指向哈密區(qū)域，與西南風(fēng)形成風(fēng)向輻合，并在哈密市附近形成氣旋性切變，風(fēng)速在整個(gè)區(qū)域均為正距平，且出現(xiàn)西北風(fēng)區(qū)域的正距平值較大，表明哈密市降雪偏多時(shí)水汽輸送強(qiáng)于常年，并會(huì)出現(xiàn)西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，形成氣旋性切變，使低層輻合抬升，有利于降雪的出現(xiàn)。在哈密降雪偏少年（圖6b），南部為西南風(fēng)，哈密市及其以東區(qū)域?yàn)槲黠L(fēng)，以西區(qū)域風(fēng)速較小，表明低層水汽輸送較常年偏弱。整個(gè)區(qū)域的風(fēng)速也為正距平，但哈密市以東的距平值明顯大于西部，表明哈密市降雪偏少時(shí)低層風(fēng)速略大于常年，東部偏大幅度大于西部，低層更易出現(xiàn)輻散，不利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，導(dǎo)致降水偏少。

圖6 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對(duì)應(yīng)的850 hPa合成風(fēng)場（箭頭，單位：m·s-1）及風(fēng)速距平（陰影區(qū)，單位：m·s-1）

3.5 海平面氣壓

在海平面氣壓平均場上，一般呈北高南低形勢(shì)，高壓中心位于新疆以北的西伯利亞地區(qū)，高壓區(qū)南擴(kuò)至天山山脈，南疆盆地主要由低壓控制，哈密市位于1 030 hPa等壓線附近。在哈密市降雪偏多年（圖7a），南疆盆地為正距平，正距平中心位于43°N附近，西伯利亞為負(fù)距平中心，哈密市位于正負(fù)距平中心之間梯度較大的負(fù)距平區(qū)，南疆出現(xiàn)加壓，而西伯利亞高壓強(qiáng)度低于常年，表明北方地面鋒面氣旋強(qiáng)于常年，南下影響哈密市，造成哈密市的降雪多于常年。在哈密市降雪偏少年（圖7b），南疆也是正距平，但強(qiáng)度較弱，正距平中心也偏南至35°N以南，西伯利亞至新疆北部、東部為弱的負(fù)距平區(qū)，西伯利亞高壓接近常年，哈密市也屬于高壓控制區(qū)，表明北方西伯利亞地面氣旋較弱，很難南下影響到哈密市，因此哈密市的降雪也較常年偏少。

圖7 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對(duì)應(yīng)的海平面氣壓合成（等值線，單位：hPa）及其距平（陰影區(qū)，單位：hPa）

4 哈密降雪異常的水汽特征

水汽是形成降水的重要條件，水汽輸送則是影響當(dāng)?shù)靥鞖膺^程和氣候的重要原因。由哈密市降雪的平均水汽通量場可知，水汽主要來自河西走廊向西北方向的輸送。從哈密市降雪偏多年的整層水汽通量及其距平（圖8a）來看，水汽主要為東南方向的輸送，一條水汽輸送帶經(jīng)過哈密市附近，區(qū)域大部均為正距平，在哈密市的東北部有一個(gè)正距平中心，表明有明顯強(qiáng)于常年的水汽向哈密市東北部地區(qū)輸送，更多的水汽輸送有利于更多降水的出現(xiàn)。大的水汽通量散度負(fù)值區(qū)基本位于北部，哈密大部尤其是北部區(qū)域存在明顯的水汽輻合，表明水汽輻合區(qū)偏北，而哈密北部的降雪貢獻(xiàn)大，造成哈密降雪偏多。在哈密市降雪偏少年的整層水汽通量及其距平圖（圖8b）上，區(qū)域內(nèi)水汽輸送是東南輸送，且大部區(qū)域?yàn)榫嗥綀觯嗥綇?qiáng)度明顯弱于降雪偏多年，水汽輸送帶位于哈密市以北地區(qū)，正距平中心位于哈密市偏東和偏北區(qū)域，表明輸送至哈密市的水汽接近常年略偏多，水汽輸送量少使降水過程少，氣候較干燥。水汽通量散度絕對(duì)值明顯小于偏多年，且負(fù)值區(qū)在哈密南部呈帶狀分布，表明水汽輻合小且位置偏南，不利于哈密降雪。從哈密市降雪異常年850 hPa比濕的合成分析可知，南方水汽含量明顯大于北方，偏多年（圖8c）比濕更大，并有濕舌向東北伸至哈密，表明降雪偏多年低層水汽含量大，且有水汽向哈密輸送，而偏少年（圖8d）比濕總體小于偏多年，向東北伸的濕舌偏弱且位置更偏南，表明低層水汽含量小，水汽向北輸送少。

圖8 降雪偏多年（a）和偏少年（b）的整層合成水汽通量（箭頭，單位：10-5 g·cm-1·s-1）、距平（陰影區(qū)，單位：10-5 g·cm-1·s-1）、水汽通量散度（等值線，單位：10-5 g·cm-2·s-1）和偏多年（c）、偏少年（d）的850 hPa比濕（陰影區(qū)，單位：g·kg-1）

5 結(jié)論與討論

分析近61 a哈密市降雪事件的空間分布和時(shí)間變化特征，以及與哈密市降雪異常相聯(lián)系的環(huán)流配置和水汽輸送特征，得到以下結(jié)論：

（1）哈密市降雪日數(shù)和降雪量具有一致的空間差異，中部的東天山北坡最多，南北部的戈壁盆地最少，大雪及以上降雪主要出現(xiàn)在巴里坤和伊吾，其他地區(qū)很少出現(xiàn)。哈密市除夏季以外均有降雪，降雪日數(shù)12月最多，降雪量11月最多。哈密市的降雪量和降雪日數(shù)總體呈增多趨勢(shì)，增量分別為12.1 mm/10 a和1.1 d/10 a，但主要是在2010年前增多，2010年后呈減少趨勢(shì)，降雪量最大值出現(xiàn)在1998年，最小為1997年；降雪日數(shù)最多出現(xiàn)在2010年，最少在2017年。哈密市降雪以小雪為主，大雪以上量級(jí)降雪較少。

（2）在降雪偏多年，高層偏西急流明顯增強(qiáng)，急流區(qū)北擴(kuò)，高空輻散抽吸作用增強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展；中層伊朗副高偏強(qiáng)北抬，極鋒鋒區(qū)南下，西北氣流加強(qiáng)，低槽攜帶冷空氣南下東移；低層風(fēng)速大于常年，出現(xiàn)西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，并形成氣旋性切變，低層輻合抬升，地面鋒面氣旋強(qiáng)于常年，同時(shí)有較多的水汽向哈密市東北部地區(qū)輸送，水汽輻合區(qū)強(qiáng)且偏北，近地層水汽含量大，造成哈密市的降雪多于常年。

（3）在降雪偏少年，高層急流較常年偏弱，急流軸南移；中層伊朗副高弱于常年，極鋒鋒區(qū)位置偏北，新疆脊東移，冷空氣活動(dòng)偏北，氣溫高于常年；低層風(fēng)速東部偏大幅度大于西部，輻散性加強(qiáng)；北方地面氣旋偏北偏弱，東南水汽輸送量少，水汽輻合弱且偏南，近地層水汽含量大，降雪過程少于常年。

本文重點(diǎn)分析了與哈密市降雪異常相關(guān)聯(lián)的環(huán)流配置和水汽輸送特征，從氣候分析的角度定性地分析了哪些因子對(duì)哈密降雪的變化具有影響，但對(duì)于哈密市降雪的物理過程和機(jī)理究竟如何，可以用于哈密降雪預(yù)報(bào)的前期信號(hào)有哪些等諸多問題還需進(jìn)一步從天氣學(xué)角度深入研究，以期增進(jìn)哈密市降雪機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提升降雪的預(yù)報(bào)能力，為新疆防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。