“21·11”極端暴雪過程多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變及熱動(dòng)力機(jī)制*

齊道日娜 何立富 張樂英

1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081 2 國家氣象中心,北京 100081 3 江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,南京 210037

提 要：利用多種實(shí)時(shí)觀測資料和ERA5再分析資料,對造成2021年11月6—8日華北、東北極端暴雪過程多系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征及熱動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行分析。結(jié)果表明:此次過程先后由500 hPa高空橫槽、河套西風(fēng)槽及高空冷渦接力影響,其上空的高空急流不斷加強(qiáng)并呈現(xiàn)“S”型彎曲,同時(shí)低空偏南風(fēng)急流形成與加強(qiáng),并在東北地區(qū)與高空急流耦合。此次過程階段性特征明顯,其影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和水汽輸送存在差異?；亓骼滗h形成的冷墊鋒面較為淺薄,暖濕氣流在其上傾斜上升。寒潮冷鋒則較為陡立,上升氣流隨高度西傾。而鋒面氣旋結(jié)構(gòu)較為深厚直立,使得氣流呈垂直上升運(yùn)動(dòng)。隨著斜壓強(qiáng)迫的不斷增強(qiáng),850 hPa切變線由準(zhǔn)東西向分布轉(zhuǎn)為南北向分布,再演變?yōu)榈蜏u切變結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的水平渦度由弱轉(zhuǎn)強(qiáng),其上空正渦度垂直分布也逐漸加強(qiáng),由弱傾斜上升運(yùn)動(dòng)逐步演變?yōu)檩^強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū),并在系統(tǒng)東側(cè)形成次級環(huán)流下沉支。此次過程的發(fā)生發(fā)展與鋒生作用密切相關(guān),降雪落區(qū)和強(qiáng)度與鋒區(qū)走向及鋒生函數(shù)大小較為一致。假相當(dāng)位溫鋒區(qū)在降雪3個(gè)階段逐漸加強(qiáng),垂直鋒區(qū)和低層鋒生函數(shù)由傾斜狀態(tài)演變?yōu)榻踔绷⒔Y(jié)構(gòu);濕位渦診斷表明,3個(gè)階段降雪落區(qū)均發(fā)生在濕位渦正壓項(xiàng)>0而斜壓項(xiàng)<0配置的區(qū)域,條件性對稱不穩(wěn)定是此次過程的主要?jiǎng)恿C(jī)制。

引 言

極端暴雪是冬季重要災(zāi)害性天氣之一,常伴有大風(fēng)降溫過程,對交通出行、設(shè)施農(nóng)業(yè)等造成不利影響,甚至造成嚴(yán)重氣象災(zāi)害。目前對夏季極端暴雨事件的研究較多(陶詩言,1980;雷蕾等,2017;何立富等,2016;2020;寶興華等,2022;齊道日娜等,2022;蘇愛芳等,2022;汪小康等,2022),但是對冬季極端暴雪的研究成果相對較少,國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在暴雪過程的影響系統(tǒng)和形成機(jī)理等方面(Braham,1983;Sanders,1986;Marwitz and Toth,1993;趙思雄等,2002;孫建奇等,2009;陶詩言和衛(wèi)捷,2008;布和朝魯?shù)?2008;王東海等,2008;張?jiān)旱?2012;彭京備和孫淑清,2019;戴玲玲等,2021)。

近年來,隨著冬季寒潮和極端強(qiáng)降雪趨于活躍,對華北和東北等地的強(qiáng)降雪過程的研究逐漸成為國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn),特別是有關(guān)華北地區(qū)回流型降雪和東北地區(qū)低渦暴雪的獨(dú)特特征及形成機(jī)理。王迎春等(2004)對一次回流降雪過程的研究指出,過程期間華北地區(qū)始終處于鋒區(qū)中,低層輻合、高層輻散的系統(tǒng)配置,暖濕空氣回流在近地面層的淺薄冷空氣墊上的爬升并在其上形成一個(gè)淺薄的飽和層,導(dǎo)致了長時(shí)間降雪;張迎新和張守保(2006)和張迎新等(2007)在分析華北回流暴雪的結(jié)構(gòu)特征和水汽條件時(shí)發(fā)現(xiàn),低層回流東風(fēng)和中層偏南風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)有利于強(qiáng)降雪產(chǎn)生,降水強(qiáng)度的變化與風(fēng)速的大小呈正相關(guān),中高層的西南氣流沿著從東北平原南下的干冷空氣入侵華北平原形成的冷墊爬升,增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)和大氣的斜壓性,暴雪的水汽主要來自700 hPa以上層次;趙桂香(2007)在對一次華北回流降雪天氣過程的診斷分析得出,動(dòng)力鋒生作用是其重要機(jī)制,周雪松和談?wù)苊?2008)進(jìn)一步研究得出,動(dòng)力鋒生和鋒面次級環(huán)流是華北回流暴雪的主要原因;李津等(2017)對華北地區(qū)回流降雪過程分析表明,冷高壓的南側(cè)低層有倒槽存在,有利于水汽輸送和水平輻合的加強(qiáng),明顯的鋒面及逆溫區(qū)存在,有利于不穩(wěn)定能量的積累和中尺度云團(tuán)產(chǎn)生,從而引起罕見暴雪;王建中和丁一匯(1995)和馮麗莎等(2020)對華北平原地區(qū)暴雪過程的濕對稱不穩(wěn)定條件進(jìn)行了診斷分析,結(jié)果指出暴雪區(qū)隨著“冷空氣楔”逐步南壓,其上空始終是濕位渦正壓項(xiàng)大于0而濕位渦斜壓項(xiàng)小于0,這樣的配置有利于對稱不穩(wěn)定能量的釋放和暴雪的發(fā)生,鋒生和次級環(huán)流的正反饋?zhàn)饔脤Ρ┭┢鸬皆龇饔谩Ａ硗?華北錮囚鋒是在太行山特殊地形條件下,由東、西兩路冷鋒相向而行形成,也是造成華北地區(qū)冬季暴雪的主要天氣系統(tǒng)。肖慶農(nóng)(1994)設(shè)計(jì)了一個(gè)二層鋒面模式,揭示了地形影響下冷鋒變形及錮囚形成規(guī)律;范俊紅和易笑園(2019)利用多種資料分析了一次由華北錮囚鋒造成的暴雪過程,指出錮囚鋒階段低層風(fēng)場具有β中尺度氣旋性環(huán)流,并且西路冷鋒強(qiáng)于東路,兩路冷空氣的夾擊抬升暖濕氣流。葉晨等(2011)利用風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)等資料對北京地區(qū)一次錮囚鋒暴雪進(jìn)行了分析,指出錮囚鋒垂直結(jié)構(gòu)淺薄,對暖濕空氣的強(qiáng)迫抬升作用弱,導(dǎo)致降雪強(qiáng)度弱持續(xù)時(shí)間長。相對于華北地區(qū)暴雪而言,對東北地區(qū)暴雪事件的研究多集中在鋒面氣旋和低渦系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和熱動(dòng)力條件方面。蔡麗娜等(2009)對東北地區(qū)一次暴雪過程的研究表明,冬季溫帶氣旋強(qiáng)烈發(fā)展會(huì)帶來大范圍嚴(yán)重的暴風(fēng)雪天氣,高低空急流及散度場和垂直運(yùn)動(dòng)配置構(gòu)成了氣旋發(fā)展所伴隨的次級環(huán)流;劉寧微等(2009)對遼寧歷史上罕見的暴雪天氣過程進(jìn)行分析,表明北上低渦的發(fā)展是產(chǎn)生暴雪天氣的主要系統(tǒng),低空急流輸送水汽和低層上升運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)降雪提供有利條件;王東海等(2013)對一次溫帶氣旋暴雪過程進(jìn)行了多尺度相互作用及其形成機(jī)理研究,指出渦度平流和溫度平流對鋒前上升運(yùn)動(dòng)起重要作用。同時(shí),強(qiáng)降雪過程的云物理過程也受到一些研究人員的關(guān)注,遲竹萍和龔佃利(2006)、姚蓉等(2014)及孫建華和趙思雄(2003)分別利用中尺度模式對暴雪過程云微物理特征及降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了冰相微物理過程,認(rèn)為雪的凝華增長、冰晶向雪的自動(dòng)轉(zhuǎn)化以及雨水與雪碰并對降雪發(fā)生發(fā)展起主要作用。

盡管針對北方地區(qū)暴雪的研究成果不少,且相關(guān)研究多針對單一影響系統(tǒng),但對于多個(gè)影響系統(tǒng)接力作用下產(chǎn)生的極端暴雪過程的研究成果相對較少,對不同影響系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和熱動(dòng)力機(jī)制的認(rèn)識仍存在不足。2021年11月6—8日,華北大部、黃淮、東北地區(qū)出現(xiàn)大范圍降雪或雨轉(zhuǎn)雪天氣,內(nèi)蒙古東南部、遼寧中北部、吉林西部出現(xiàn)歷史罕見的極端暴風(fēng)雪事件,使得多地城市運(yùn)行和交通運(yùn)輸受阻,并導(dǎo)致農(nóng)作物凍害及牲畜死亡,對人民生產(chǎn)生活等方面造成嚴(yán)重影響。針對這次極端暴雪過程,氣象部門預(yù)報(bào)預(yù)警的提前量明顯不足,48 h時(shí)效以上暴雪預(yù)報(bào)與實(shí)況存在較大偏差,暴雪落區(qū)偏西、強(qiáng)度偏弱,對遼寧中北部極端暴雪預(yù)報(bào)誤差更大(何立富等,2022)。本次過程先后受回流冷鋒、寒潮冷鋒和地面氣旋3個(gè)系統(tǒng)接力影響產(chǎn)生,其階段性特征明顯,不同影響系統(tǒng)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)演變和發(fā)展維持機(jī)制存在明顯差異,有必要進(jìn)行更深入分析。針對上述問題,本文利用多種實(shí)測資料和歐洲中心ERA5再分析資料對本次極端暴雪進(jìn)行細(xì)致分析和診斷研究,試圖揭示出本次過程產(chǎn)生的熱動(dòng)力成因,為提升極端暴雪預(yù)報(bào)能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用大氣環(huán)流資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的逐小時(shí)再分析資料ERA5(Hersbach et al,2020),其水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直方向從1000～200 hPa共19層,氣象要素為海平面氣壓、位勢高度、水平風(fēng)場、垂直速度、溫度和比濕;觀測資料為地面逐3 h降水量、區(qū)域自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水量和人工加密觀測最大積雪深度。研究時(shí)段為2021年11月6—8日。

文中所涉及的中國地圖基于審圖號為GS(2019)3082號標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改。

1.2 方 法

1.2.1 鋒生函數(shù)

鋒面強(qiáng)迫對暴雪過程的發(fā)生和加強(qiáng)起到十分重要的作用,冷暖空氣交匯對峙有利于鋒生,鋒生引發(fā)次級環(huán)流有利于暴雪系統(tǒng)的加強(qiáng)和維持。鋒生函數(shù)可以較好地反映鋒生、鋒消以及鋒面強(qiáng)度的變化,其表達(dá)式為(朱乾根等,2000):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:θse為假相當(dāng)位溫,Af=?u/?x-?v/?y為伸長變形,Bf=?v/?x+?u/?y為切變變形,Dh=?u/?x+?v/?y為散度項(xiàng),F1、F2、F3和F4分別代表非絕熱加熱項(xiàng)、水平散度項(xiàng)、水平變形項(xiàng)和與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)的傾斜項(xiàng),當(dāng)F>0時(shí),表示鋒生,當(dāng)F<0時(shí),表示鋒消。

1.2.2 濕位渦

濕位渦(ζMPV)可用來表征大氣的不穩(wěn)定特征,在暴雪過程的研究中被廣泛應(yīng)用(馮麗莎等,2020;馬新榮等,2008;艾麗華等,2008),其表達(dá)式為(吳國雄等,1995;吳國雄和蔡雅萍,1997):

(6)

其中,

(7)

(8)

式中:ζa表示氣塊的絕對渦度,S為熵,ζ為垂直渦度,f為科氏參數(shù),θse為假相當(dāng)位溫,p為氣壓,u和v分別為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng),濕位渦的單位是PVU,1 PVU=10-6m2·K·kg-1·s-1。ζMPV1是空氣塊絕對渦度的垂直分量與熵的垂直梯度的乘積,為濕正壓項(xiàng),表示對流穩(wěn)定性和慣性穩(wěn)定性,當(dāng)大氣對流(或慣性)穩(wěn)定時(shí),ζMPV1>0,反之大氣對流(或慣性)不穩(wěn)定;ζMPV2是風(fēng)的垂直切變和假相當(dāng)位溫水平梯度的乘積,為濕斜壓項(xiàng),表示濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變的貢獻(xiàn);當(dāng)ζMPV1>0且ζMPV2<0時(shí),表示大尺度大氣層結(jié)處于對流穩(wěn)定狀態(tài),但在中尺度上有斜升氣流發(fā)展,產(chǎn)生對稱不穩(wěn)定能量,有利于氣旋性渦度發(fā)展和暴雪的發(fā)生(吳國雄等,1995;馮麗莎等,2020)。

2 暴雪過程實(shí)況及影響系統(tǒng)配置

2.1 過程實(shí)況

2021年11月6日08時(shí)至9日08時(shí)(北京時(shí),下同),華北北部和東部、黃淮及東北地區(qū)等地出現(xiàn)持續(xù)性大范圍降雪或雨轉(zhuǎn)雪天氣,其中華北中部、山東北部出現(xiàn)大到暴雪,遼寧中北部、內(nèi)蒙古東南部及吉林西部出現(xiàn)歷史罕見的特大暴雪。上述地區(qū)過程降水量一般為10～40 mm,內(nèi)蒙古東南部和遼寧中北部等部分地區(qū)累計(jì)降水量達(dá)40～70 mm,通遼站最大降水量達(dá)86.8 mm(圖1a)。此次過程有151個(gè)國家站日降水量突破11月歷史極值,最大日降水量為63 mm(鞍山站),通遼站7日、8日連續(xù)兩天日降水量均超歷史極值(分別為39.1 mm、42.2 mm)。人工地面積雪觀測顯示(圖1b),過程期間,華北、東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、山東西北部等地均出現(xiàn)了明顯積雪;內(nèi)蒙古東南部、吉林西部、遼寧中北部部分地區(qū)達(dá)30～50 cm,內(nèi)蒙古通遼市庫倫最大積雪深度達(dá)68 cm。伴隨本次極端暴雪過程,降雪區(qū)普遍出現(xiàn)6～8級陣風(fēng),最大陣風(fēng)超過10級(圖略)。

圖1 2021年11月(a)6日08時(shí)至9日08時(shí)累計(jì)降水量(單位:mm)和(b)9日08時(shí)最大積雪深度

2.2 影響系統(tǒng)配置

圖2為2021年11月6—8日08時(shí)500 hPa高度場和溫度場以及300 hPa高空急流疊加850 hPa低空急流分布。由圖可知,6日08時(shí)(圖2a),東北亞地區(qū)中高緯500 hPa高度場為西低東高的形勢,黑龍江西北部至蒙古國中部為寬廣橫槽區(qū),槽前鋒區(qū)位于內(nèi)蒙古中東部至東北地區(qū)西部。橫槽東側(cè)的西風(fēng)槽將東移減弱,而位于內(nèi)蒙古中部的西風(fēng)槽由于溫度槽滯后于高度槽,槽前鋒區(qū)上存在較強(qiáng)冷平流,有利于其發(fā)展加強(qiáng);在500 hPa橫槽鋒區(qū)上空,疊加一支風(fēng)速大于40 m·s-1的300 hPa高空急流(圖2d);隨著系統(tǒng)的逐漸增強(qiáng),至7日08時(shí)(圖2b),在河套附近西側(cè)500 hPa橫槽轉(zhuǎn)豎,驅(qū)動(dòng)鋒區(qū)南壓,使得高度槽后的冷平流進(jìn)一步增強(qiáng),有利于高空槽發(fā)展東移;同時(shí)300 hPa高空急流也同步南壓東移且出現(xiàn)“S”型彎曲,此時(shí)華北東部和渤海附近850 hPa出現(xiàn)東南風(fēng)低空急流,低空急流的形成有利于華北、黃淮的低層輻合和水汽輸送(圖2e); 8日08時(shí)(圖2c),500 hPa高空槽迅速發(fā)展增強(qiáng)形成高空冷渦,冷渦中心強(qiáng)度為532 dagpm。與500 hPa的高空冷渦相對應(yīng),300 hPa高空急流在高空冷渦東側(cè)明顯加強(qiáng)且出現(xiàn)反氣旋式彎曲(圖2f),同時(shí)低層?xùn)|南風(fēng)急流強(qiáng)烈發(fā)展,高低空急流在東北地區(qū)出現(xiàn)耦合配置,有利于低層輻合系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展?？梢姳敬螛O端暴雪過程先后受500 hPa高空橫槽、河套西風(fēng)槽及高空冷渦3個(gè)天氣系統(tǒng)的接力影響,伴隨500 hPa影響系統(tǒng)的發(fā)展變化,疊加在其上空的高空急流也不斷加強(qiáng)并呈現(xiàn)“S”型彎曲,同時(shí)偏南風(fēng)低空急流形成加強(qiáng),并逐漸在東北地區(qū)出現(xiàn)高低空急流耦合。

圖2 2021年11月(a,d)6日,(b,e)7日和(c,f)8日08時(shí)(a～c) 500 hPa位勢高度場(實(shí)線,單位:dagpm)和溫度場(虛線,單位:℃),(d～f) 300 hPa高空急流(等值線和風(fēng)矢,風(fēng)速≥40 m·s-1)和850 hPa低空急流(陰影和風(fēng)羽,風(fēng)速≥12 m·s-1)分布

3 暴雪過程的系統(tǒng)特征與結(jié)構(gòu)演變

3.1 影響系統(tǒng)與階段性特征

從第2節(jié)對500 hPa主要影響系統(tǒng)發(fā)展演變及其高低空配置關(guān)系的分析表明,本次過程先后受3個(gè)不同天氣系統(tǒng)的接力影響?；?00 hPa影響系統(tǒng),可將本次降雪過程分為3個(gè)階段:第1階段為橫槽影響階段(6日08—20時(shí)),主要影響系統(tǒng)是位于華北和東北上空的高空橫槽,其緩慢南壓在內(nèi)蒙古中東部、河北北部及東北西部產(chǎn)生弱降雪;第2階段為河套西風(fēng)槽加強(qiáng)東移階段(6日21時(shí)至7日14時(shí)),位于河套附近的橫槽轉(zhuǎn)豎,斜壓強(qiáng)迫的快速加強(qiáng)引發(fā)華北中南部和黃淮地區(qū)出現(xiàn)明顯降雪天氣(雨轉(zhuǎn)雨夾雪或大到暴雪);第3階段為高空冷渦影響階段(7日15時(shí)至9日02時(shí)),隨著槽后冷平流加強(qiáng),西風(fēng)槽在東移過程中進(jìn)一步演變?yōu)樯詈竦母呖绽錅u,其長時(shí)間維持和緩慢北上使得東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東南部出現(xiàn)極端暴雪。通過地面系統(tǒng)可知,本次過程的階段性特征更為明顯。圖3為3個(gè)不同階段平均海平面氣壓場及其對應(yīng)的降水總量分布圖,從第1階段平均海平面氣壓和降水量分布(圖3a)可知,我國北方大部受到地面冷高壓控制,冷高壓中心位于甘肅西部,地面東路冷鋒位于東北地區(qū)西部經(jīng)河北北部至山西。地面偏東風(fēng)回流在上述地區(qū)形成冷墊,有利于低層西南暖濕氣流沿著冷墊緩慢爬升,在東北地區(qū)西部至華北北部產(chǎn)生弱降雪。實(shí)況降雪區(qū)位于冷鋒后部,呈準(zhǔn)東西向分布,降水中心位于內(nèi)蒙古中東部地區(qū),最大降水量為5～15 mm。第2階段(圖3b),隨著河套橫槽轉(zhuǎn)豎,引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣東移南下,地面冷高壓中心位于寧夏附近,中心強(qiáng)度達(dá)1045 hPa,寒潮冷鋒前沿抵達(dá)華北和黃淮東部,斜壓強(qiáng)迫導(dǎo)致低層輻合、高層輻散,產(chǎn)生大范圍明顯降水和強(qiáng)降溫,并出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪或大到暴雪。降水區(qū)位于華北和黃淮等地,呈準(zhǔn)南北走向,華北東部等地累計(jì)降水量可達(dá)25～51 mm,暴雪區(qū)主要位于山東北部、河北東部。第3階段降雪則由高空冷渦產(chǎn)生(圖3c),地面氣旋中心位于東北地區(qū)東部,中心強(qiáng)度最低降至998 hPa,12 h內(nèi)降幅達(dá)14 hPa,達(dá)到爆發(fā)性氣旋標(biāo)準(zhǔn)(何立富等,2022);低層低渦切變輻合及先后來自黃渤海及日本海的強(qiáng)盛水汽輸送,給內(nèi)蒙古東南部和東北地區(qū)帶來極端強(qiáng)降雪,部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雪。極端強(qiáng)降雪區(qū)主要位于氣旋的北側(cè)和西側(cè),強(qiáng)度較前2個(gè)階段明顯增強(qiáng),強(qiáng)降雪區(qū)主要位于遼寧中北部、內(nèi)蒙古東南部和吉林西部等,中心最大達(dá)35～70 mm(圖3c)。

注:圖a～圖c中,黑色粗實(shí)線為圖4和圖10剖面位置。

自動(dòng)站逐小時(shí)降水量實(shí)況(圖3d)也能較好反映本次降雪過程的階段性特征。受偏東路弱冷空氣的影響,第1階段降雪發(fā)生在華北中北部,降雪強(qiáng)度較弱。北京站本次過程從6日10時(shí)開始為小雨,7日凌晨降水相態(tài)轉(zhuǎn)為降雪,12時(shí)過程結(jié)束。其1 h降水量一般不足0.5 mm,6日夜間降水加強(qiáng),1 h最大降水量達(dá)2.6 mm。隨著河套冷鋒快速東移南下,第2階段雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪從華北中部快速南壓至山東,部分地區(qū)出現(xiàn)大到暴雪,并伴隨劇烈降溫。濟(jì)南站降水出現(xiàn)在6日20時(shí)至7日16時(shí),最大小時(shí)降水量為7.4 mm。第3階段降雪發(fā)生在黃海氣旋加強(qiáng)北上期間,東北地區(qū)大部和內(nèi)蒙古東南部地區(qū)出現(xiàn)極端暴雪。鞍山站強(qiáng)降雪過程發(fā)生在7日17時(shí)至9日12時(shí),降雪持續(xù)36 h。其中8日02—05時(shí)為最強(qiáng)降雪時(shí)段,最大小時(shí)降雪量達(dá)10.6 mm。24 h 降雪量高達(dá)63.3 mm。值得注意的是,通遼站降雪先后受3個(gè)系統(tǒng)的影響,經(jīng)歷了3個(gè)不同階段,其降雪持續(xù)時(shí)間達(dá)66 h。第1段降雪強(qiáng)度微弱,1 h降雪量不足0.5 mm,出現(xiàn)在6日10時(shí)至7日00時(shí);期間略有中斷,從7日10時(shí)開始,至9日08時(shí)降雪結(jié)束。其小時(shí)降雪量多在1～2 mm,最大僅為3.1 mm。從地面觀測和衛(wèi)星圖像資料看,本次通遼極端暴雪更多與地面氣旋暖濕輸送帶長時(shí)間維持及不斷向西推進(jìn)密切相關(guān)(何立富等,2022)。

3.2 多影響系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)演變

為進(jìn)一步分析引發(fā)本次降雪系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)及演變,圖4為3個(gè)階段平均的水平風(fēng)、溫度及垂直速度沿圖3a～3c中黑色粗實(shí)線垂直剖面。圖4a清晰顯示,第1階段為回流冷鋒降雪,其地面冷鋒前沿位于116°E 附近,鋒區(qū)隨高度向西北傾斜明顯,鋒區(qū)內(nèi)溫度梯度較大,但鋒面前沿較為淺薄,在近地面形成冷墊。暖濕氣流沿冷墊爬升,在暖區(qū)一側(cè)產(chǎn)生弱傾斜上升運(yùn)動(dòng),垂直速度僅為-0.8～-0.4 Pa·s-1。第2階段隨著橫槽轉(zhuǎn)豎,高空槽的加強(qiáng)東移,槽后偏北風(fēng)急流也明顯增強(qiáng),冷平流顯著加強(qiáng)使得華北平原一帶鋒區(qū)快速增強(qiáng)且鋒區(qū)隨高度變得較為陡立(圖4b),鋒面附近上升運(yùn)動(dòng)仍呈傾斜狀態(tài),但低層上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng),垂直速度達(dá)-1.6～-0.8 Pa·s-1,導(dǎo)致第2階段的降水明顯增強(qiáng),同時(shí)氣溫的急劇下降使得華北、黃淮出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)大到暴雪。第3階段受地面氣旋北上影響,在鋒面氣旋中心附近冷暖空氣的交匯更為劇烈,鋒前暖空氣逐漸被抬升,氣旋東側(cè)暖空氣向北推進(jìn)并,使得氣旋中心附近和西側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致東北地區(qū)南部和西部出現(xiàn)極端暴雪(圖4c)。

注:黑色粗實(shí)線為0℃等溫線,灰色陰影為地形。

3.3 水汽輸送特征

分析表明,此次極端暴雪過程的水汽輸送也存在階段性差異。圖5是3個(gè)階段925～700 hPa積分的水汽通量分布,第1階段的水汽輸送較弱,來自黃海北部的東南氣流水汽輸送抵達(dá)華北中北部,僅有少量水汽輸送沿反氣旋西側(cè)北上進(jìn)入內(nèi)蒙古中東部和東北西部降雪區(qū)。第2階段由于華北東部和黃淮東部的東南風(fēng)急流加強(qiáng),將來自黃渤海地區(qū)水汽向華北平原地區(qū)輸送,華北地區(qū)水汽通量明顯加強(qiáng),并在該地區(qū)明顯輻合,水汽條件明顯好轉(zhuǎn),使得降水強(qiáng)度較第1階段明顯增強(qiáng)。隨著黃海氣旋爆發(fā)性發(fā)展并加強(qiáng)北上,第3階段水汽通量輸送明顯強(qiáng)于前2個(gè)階段,先后來自黃渤海和日本海地區(qū)的水汽被爆發(fā)性氣旋卷入,輸送至東北地區(qū),大量的水汽在東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東南部輻合,引發(fā)鞍山地區(qū)出現(xiàn)破紀(jì)錄極端暴雪?？梢?個(gè)階段的降雪過程水汽輸送呈不斷加強(qiáng)的態(tài)勢,且水汽源地存在差異。前2個(gè)階段的水汽輸送較弱,主要來自黃渤海地區(qū),而第3階段強(qiáng)盛的水汽輸送則先后來自黃渤海和日本海洋面。

圖5 2021年11月6—8日極端暴雪過程(a)第1階段,(b)第2階段,(c)第3階段925～700 hPa垂直積分的水汽通量(箭矢,單位:kg·m-1·s-1)及其散度(填色,單位:10-5 kg·m-2·s-1)

4 暴雪過程的熱動(dòng)力機(jī)制分析

第3節(jié)對此次過程的階段性特征和多影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了分析,本節(jié)將進(jìn)一步對不同系統(tǒng)的熱動(dòng)力特征和發(fā)生發(fā)展機(jī)制進(jìn)行診斷分析。

4.1 動(dòng)力和熱力特征分析

選取3個(gè)階段不同時(shí)次850 hPa風(fēng)場、比濕和正渦度的水平分布進(jìn)行分析。第1階段,在500 hPa高空橫槽影響下,850 hPa切變線呈準(zhǔn)東西向分布,位于遼寧西部、河北北部至太行山前,主要為偏北風(fēng)和弱東南風(fēng)的輻合,其對應(yīng)的渦度分布較弱。偏南氣流將黃渤海高比濕區(qū)的水汽輸送至華北北部和東北西部,從而產(chǎn)生弱帶狀降雪(圖6a)。第2階段,隨著高空橫槽轉(zhuǎn)豎,850 hPa切變線由準(zhǔn)東西向轉(zhuǎn)為準(zhǔn)南北向,并加強(qiáng)東移至華北、黃淮中部。隨著切變線兩側(cè)西北風(fēng)和東南風(fēng)加強(qiáng),與之對應(yīng)的正渦度分布明顯增強(qiáng),渦度大值中心達(dá)20×10-5s-1。同時(shí)該地區(qū)比濕達(dá)4～6 g·kg-1,有利于華北平原產(chǎn)生大到暴雪(圖6b)。第3階段,隨著高空冷渦誘發(fā)地面氣旋的生成,850 hPa低渦在遼寧中部發(fā)展,冷切變線位于海上,伴有明顯的正渦度帶,大值中心為30×10-5s-1;而低渦和暖切變線主要影響東北地區(qū),盡管暖切變區(qū)對應(yīng)的正渦度小于冷切變區(qū),但其東側(cè)東南風(fēng)急流有利于將東部洋面的水汽向東北西部持續(xù)輸送,引發(fā)東北地區(qū)極端暴雪(圖6c)。

注:黑色粗實(shí)線為切變線。

圖7為降雪過程不同階段的正渦度、垂直速度及緯向環(huán)流沿北京、濟(jì)南和鞍山所在緯度的垂直剖面。第1階段為偏東風(fēng)回流降雪,降雪帶主要位于東北西部至華北北部。北京上空西側(cè)500 hPa高度以下為弱傾斜渦度,并伴有弱傾斜上升運(yùn)動(dòng),垂直速度僅為-1.0～-0.5 Pa·s-1(圖7a)。第2階段降雪主要發(fā)生在華北平原,濟(jì)南上空700 hPa以下渦度明顯加強(qiáng),且向西傾斜,大值中心位于邊界層,渦度中心值達(dá)35×10-5～40×10-5s-1,且伴隨較為陡立的上升運(yùn)動(dòng),上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)超過-1.0 Pa·s-1并與正渦度的大值區(qū)相一致(圖7b)。第3階段降雪主要發(fā)生在內(nèi)蒙古東南部和東北地區(qū),鞍山上空為大范圍正渦度區(qū),渦柱隨高度急劇加強(qiáng)并向西傾斜,對流層中高層的渦度中心位于550～300 hPa,與龐大的高空冷渦相對應(yīng)。700 hPa以下渦度中心值為20×10-5～25×10-5s-1,近乎垂直的上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)位于低層渦柱附近,大值區(qū)超過-2.0 Pa·s-1,較前2個(gè)階段明顯加強(qiáng);上升運(yùn)動(dòng)在氣旋系統(tǒng)東側(cè)附近600 hPa高度形成次級環(huán)流下沉支(圖7c)。

注:灰色陰影為地形,黑色三角形依次分別代表北京站、濟(jì)南站、鞍山站所在經(jīng)度位置。

4.2 鋒生作用分析

此次過程的發(fā)生發(fā)展與鋒生過程密切相關(guān),鋒生作用及鋒區(qū)強(qiáng)度的變化可以通過鋒生函數(shù)清晰地展示出來。第1階段,受到高空橫槽的影響,華北北部存在一條準(zhǔn)東西向切變線,低層925 hPa 東南風(fēng)和西北風(fēng)在該地區(qū)交匯,形成地面回流冷鋒。其上疊加一條假相當(dāng)位溫的密集帶,與鋒生函數(shù)大值區(qū)相對應(yīng),其中心值為50×10-9K·m-1·s-1,該假相當(dāng)位溫鋒區(qū)的形成主要是由于低層偏北氣流攜帶干冷空氣在內(nèi)蒙古中東部至東北地區(qū)形成冷墊,迫使暖濕氣流沿冷墊抬升,與此同時(shí)不斷有低層的冷平流輸送干冷空氣楔入暖濕空氣內(nèi),在低層形成弱的次級環(huán)流,引發(fā)輻合上升,導(dǎo)致回流降雪產(chǎn)生(圖8a);其對應(yīng)剖面圖上(圖9a),該假相當(dāng)位溫鋒區(qū)前沿抵近北京西側(cè),鋒區(qū)主要位于600 hPa高度以下并向西北明顯傾斜,其對應(yīng)的鋒生函數(shù)大值區(qū)位于鋒區(qū)前沿。至第2階段,隨著橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)西北路強(qiáng)冷空氣東移南下,華北地區(qū)低層切變線也由準(zhǔn)東西向轉(zhuǎn)為南北走向,冷暖空氣的交匯在華北黃淮形成假相當(dāng)位溫密集帶,從而使得強(qiáng)鋒生帶也呈明顯的南北分布,鋒生作用加強(qiáng),鋒生函數(shù)為20×10-9～60×10-9K·m-1·s-1(圖8b);圖9b顯示,相比于第1階段北京上空鋒區(qū),濟(jì)南上空假相當(dāng)位溫等值線更為密集,鋒區(qū)更為陡立,鋒區(qū)前沿的低層鋒生函數(shù)加強(qiáng)至40×10-9～70×10-9K·m-1·s-1,此時(shí)鋒生強(qiáng)迫導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。第3階段,高空冷渦背景下,低層低渦切變強(qiáng)烈發(fā)展,低渦南側(cè)的冷切變線和其北側(cè)的暖切變線均存在較為明顯的假相當(dāng)位溫鋒區(qū),且冷切變區(qū)強(qiáng)于暖切變區(qū)。但由于冷切變線位于海上和朝鮮地區(qū),東北地區(qū)暴雪主要受暖切變線影響。鋒生函數(shù)的計(jì)算結(jié)果也反映出同樣的分布(圖8c),大值區(qū)分布在低渦附近和其北側(cè)、西側(cè)輻合區(qū),與東北極端暴雪落區(qū)十分吻合。鋒生函數(shù)垂直剖面圖可知(圖9c),鞍山上空假相當(dāng)位溫鋒區(qū)伸展至400 hPa高度之上,鋒區(qū)近乎直立,中高層近乎中性層結(jié),有利于鋒生作用加強(qiáng)。低層鋒生函數(shù)進(jìn)一步加大,大值區(qū)為50×10-9～75×10-9K·m-1·s-1,主要位于邊界層。

圖8 2021年11月(a)6日14時(shí),(b)7日08時(shí)和(c)8日02時(shí)925 hPa假相當(dāng)位溫(等值線,單位:K)、鋒生函數(shù)(填色,單位:10-9 K·m-1·s-1)和風(fēng)場(箭矢)分布

注:灰色陰影為地形,黑色三角形依次分別代表北京站、濟(jì)南站、鞍山站所在經(jīng)度位置。

可見,此次過程發(fā)展加強(qiáng)與低層的動(dòng)力和熱力因子密切相關(guān),低層鋒生作用及其次級環(huán)流是本次極端暴雪過程的重要機(jī)制之一。

4.3 不穩(wěn)定機(jī)制分析

上文已對引發(fā)本次極端暴雪過程的熱動(dòng)力特征及鋒生作用進(jìn)行了分析,本節(jié)我們將利用濕位渦的診斷來分析本次過程的不穩(wěn)定機(jī)制。

圖10是本次過程3個(gè)階段850 hPa濕位渦正壓項(xiàng)ζMPV1和斜壓項(xiàng)ζMPV2的水平分布及垂直分布。在第1階段(圖10a),弱帶狀降雪區(qū)位于華北北部至東北西部,從圖中可以直觀看到,降雪區(qū)上空850 hPa濕位渦正壓項(xiàng)ζMPV1>0,大小為2～4 PVU;而斜壓項(xiàng)ζMPV2<0,大值區(qū)為-2～-1 PVU。兩者的分布地域非常接近。這樣的配置表明在回流冷鋒降雪階段,大尺度大氣層結(jié)處于對流穩(wěn)定狀態(tài),但在中尺度上有斜升氣流發(fā)展,產(chǎn)生對稱不穩(wěn)定能量,降雪的動(dòng)力機(jī)制是條件性對稱不穩(wěn)定,該不穩(wěn)定區(qū)呈準(zhǔn)東西向,與冷空氣影響路徑一致;濕位渦垂直剖面圖上(圖10d),同樣存在正壓項(xiàng)ζMPV1>0而斜壓項(xiàng)ζMPV2<0的配置,且條件性對稱不穩(wěn)定區(qū)并非從地面開始,而是位于低層冷墊之上,主要位于850～600 hPa,且隨高度明顯向偏北方向傾斜。在第2階段華北平原雨轉(zhuǎn)大到暴雪期間(圖10b),隨著寒潮冷鋒系統(tǒng)進(jìn)入華北,華北大部、黃淮西部和東北地區(qū)西部等地濕位渦的分布同樣表現(xiàn)為正壓項(xiàng)ζMPV1>0而斜壓項(xiàng)ζMPV2<0的配置,ζMPV1大小有所增強(qiáng),ζMPV2變化不大,顯示條件對稱不穩(wěn)定區(qū)范圍明顯擴(kuò)大且呈現(xiàn)準(zhǔn)南北向分布。垂直剖面圖上(圖10e),可以看到明顯的ζMPV1高值帶下傳現(xiàn)象,表征高層冷空氣在擴(kuò)散下沉,導(dǎo)致華北地區(qū)條件對稱不穩(wěn)定區(qū)高度降低至近地面。東北地區(qū)極端降雪發(fā)生在第3階段,850 hPa 濕位渦水平分布顯示(圖10c),由于低渦系統(tǒng)和暖切變區(qū)長時(shí)間緩慢移動(dòng),東北地區(qū)西部和北部為明顯的濕位渦正壓項(xiàng)ζMPV1>0,而斜壓項(xiàng)ζMPV2<0的配置區(qū)域,與本次東北地區(qū)極端暴雪落區(qū)相一致,表明東北地區(qū)極端暴雪的動(dòng)力機(jī)制同樣表現(xiàn)為條件對稱不穩(wěn)定。該不穩(wěn)定區(qū)垂直結(jié)構(gòu)隨高度明顯傾斜,主要位于600 hPa 高度之下,并與高層位渦區(qū)斷裂(圖10f)。

注:1 PVU=10-6 m2·K·kg-1·s-1。

可見,此次極端暴雪過程發(fā)生在大尺度對流(慣性)穩(wěn)定的條件下,中低層暖濕氣流發(fā)展出斜升氣流不穩(wěn)定能量,而鋒生及次級環(huán)流觸發(fā)不穩(wěn)定能量,使華北、東北產(chǎn)生極端暴雪。

本節(jié)分析可知,本次過程3個(gè)階段降雪的發(fā)生與其假相當(dāng)位溫鋒區(qū)的水平分布、強(qiáng)度變化和垂直結(jié)構(gòu)等方面的差異產(chǎn)生的鋒生過程密切相關(guān),圖8和圖9 中顯示降雪3個(gè)階段的水平鋒生作用的大小較為接近,但由于其垂直結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其上升運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)(圖7),同時(shí)第1階段華北北部的水汽輸送較弱,導(dǎo)致第1階段降雪強(qiáng)度明顯弱于第2、第3階段。盡管第2階段的鋒生作用以及水汽條件與第3階段較為接近,兩者降水強(qiáng)度基本相當(dāng),但由于第2階段降雪持續(xù)時(shí)間短,其累計(jì)降雪量明顯小于第3階段。同時(shí),降雪落區(qū)、鋒生區(qū)和濕對稱不穩(wěn)定分布較為一致,鋒生作用大值區(qū)、對稱不穩(wěn)定大值區(qū)以及強(qiáng)降雪落區(qū)亦較為一致。

5 結(jié) 論

利用多種實(shí)測資料和ERA5再分析資料,對“21·11”華北、東北極端暴雪過程影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變特征及熱動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

(1)本次過程影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長、極端性強(qiáng)。華北中北部、黃淮東部出現(xiàn)大到暴雪,遼寧中北部、內(nèi)蒙古東南部及吉林西部出現(xiàn)歷史罕見的特大暴風(fēng)雪,部分地區(qū)累計(jì)降雪量達(dá)40～70 mm,最大過程量為86.8 mm;部分地區(qū)積雪達(dá)30～68 cm。共有151個(gè)國家站日降水量突破11月歷史極值,最大日降雪量為63 mm。

(2)本次過程先后受500 hPa高空橫槽、河套西風(fēng)槽及高空冷渦3個(gè)天氣系統(tǒng)的接力影響,其階段性特征十分明顯。伴隨500 hPa影響系統(tǒng)的發(fā)展變化,疊加在其上空的高空急流不斷加強(qiáng)并呈現(xiàn)“S”型彎曲,同時(shí)低空偏南風(fēng)急流形成與加強(qiáng),并在東北地區(qū)與高空急流耦合。本次過程由回流冷鋒降雪、寒潮冷鋒雨轉(zhuǎn)雪和地面氣旋降雪3個(gè)階段構(gòu)成,不同降雪階段水汽源地存在差異,前2個(gè)階段的水汽輸送較弱,主要來自黃渤海地區(qū),而第3階段異常強(qiáng)盛的水汽輸送來自黃渤海和日本海洋面。

(3)不同階段影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征存在明顯差異,回流冷鋒形成的冷墊鋒面較為淺薄,暖濕氣流在其上傾斜上升。而寒潮冷鋒較為陡立,斜壓強(qiáng)迫使得低層垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。由于冷暖空氣的交匯更為劇烈,鋒面氣旋垂直結(jié)構(gòu)較為深厚直立,使得氣流呈垂直上升運(yùn)動(dòng)。隨著斜壓強(qiáng)迫的不斷增強(qiáng),影響系統(tǒng)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)也不斷演變。過程期間,850 hPa切變線由準(zhǔn)東西向分布轉(zhuǎn)為南北向分布,再演變?yōu)榈蜏u和冷暖切變結(jié)構(gòu),比濕條件逐步改善。系統(tǒng)對應(yīng)的水平渦度由弱轉(zhuǎn)強(qiáng),其上空對應(yīng)的正渦度柱逐漸加強(qiáng),并由弱傾斜上升運(yùn)動(dòng)逐漸演變?yōu)檩^強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū),并在系統(tǒng)東側(cè)形成次級環(huán)流下沉支。

(4)此次過程的發(fā)生發(fā)展與鋒生過程密切相關(guān),降雪落區(qū)與鋒區(qū)走向較為一致。925 hPa假相當(dāng)位溫的密集帶與鋒生函數(shù)大值區(qū)相對應(yīng),該鋒區(qū)及鋒生函數(shù)位于600 hPa高度以下并向西明顯傾斜;隨著低層切變系統(tǒng)和假相當(dāng)位溫鋒區(qū)在華北、黃淮轉(zhuǎn)為南北向,鋒生作用明顯加強(qiáng),其高空鋒區(qū)更為陡立,上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)形成次級環(huán)流;在地面氣旋影響階段,925 hPa假相當(dāng)位溫鋒區(qū)主要位于低渦附近及冷暖鋒區(qū),水平鋒區(qū)前沿的鋒生函數(shù)進(jìn)一步增大。該鋒區(qū)呈近乎直立結(jié)構(gòu)并垂直伸展至400 hPa高度之上,而鋒生函數(shù)大值區(qū)主要位于邊界層低層850 hPa 高度以下。

(5)濕位渦診斷分析表明,本次過程3個(gè)階段降雪,落區(qū)均發(fā)生在濕位渦正壓項(xiàng)ζMPV1>0而斜壓項(xiàng)ζMPV2<0配置的區(qū)域,表明本次過程的動(dòng)力機(jī)制是條件性對稱不穩(wěn)定。即在大尺度對流(慣性)穩(wěn)定的條件下,在鋒區(qū)上存在斜升氣流發(fā)展,產(chǎn)生對稱不穩(wěn)定能量,鋒生作用及次級環(huán)流有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量,導(dǎo)致華北、東北產(chǎn)生極端暴雪。濕位渦垂直分布表明,本次過程條件對稱不穩(wěn)定層結(jié)主要在600 hPa高度以下。