2018年1月2—4日陜西回流暴雪環流特征及成因分析

彭 力

(銅川市氣象局，陜西銅川 727031)

暴雪作為北方冬季一種嚴重的災害性天氣，其出現概率較小，預報難度較大，常伴有結冰、低溫凍害等其他氣象災害，往往給設施農業、交通運輸、人民生命財產安全等帶來不利影響。大量專家學者對近年來北方暴雪災害天氣的預報及成因進行了總結分析，得出了不少有價值的結論?？抵久鞯萚1]對西藏高原特大暴雪成因進行分析,認為不穩定大氣層結、高層強輻散的抽吸效應對特大暴雪的發生起重要作用；黃海波等[2]對新疆暴雪天氣研究指出,西南急流誘發的強上升運動和對流層低層天氣尺度系統之間強烈的相互作用是暴雪形成的動力因子；莊曉翠等[3]對新疆西部暴雪個例中尺度研究指出，低空急流的厚度與降雪量呈顯著正相關；孫仲毅等[4]對河南一次暴雪天氣診斷分析，表明中低層輻合、高層輻散結構有利于低層垂直上升運動的持續加強；趙桂香等[5]對2004年華北大到暴雪過程進行了診斷分析,認為暴雪過程與中尺度切變線的發展和東移直接關聯；王迎春等[6]對北京連續降雪個例進行分析指出，華北地區近地面層存在淺薄冷空氣，暖濕空氣在冷空氣墊上爬升造成降雪。這些結論和成果對暴雨成因和機理研究具有重要意義。此外，一些學者[7-10]研究了華北等地回流暴雪天氣結構特征，認為回流暴雪過程中高低空急流有非常重要的作用，中低層暖濕氣流在干冷空氣墊上輻合抬升，促使上升運動加強，造成異常強暴雪天氣；顧佳佳、李津等[11-12]在例診斷分析的基礎上給出了對應暴雪天氣的三維物理模型。這些結論和成果對暴雪成因和機理研究具有重要參考意義。降雪天氣在陜西冬季極易出現，但是陜西發生暴雪天氣較少，研究也較少，缺乏概念模型的總結。本文以2018年1月陜西中部一次回流暴雪為例，圍繞回流暴雪天氣的環流、水汽、動力、鋒生等方面加以分析探討，總結此次回流暴雪的環流概念模型，以期加深對陜西回流天氣成因的認識。

1 暴雪天氣實況

2018年1月2日08：00至4日20：00，陜西出現近年來罕見的區域性暴雪天氣，降水量在0.1～23.2 mm(圖1)。2日14時開始，陜西中南部自西向東逐漸出現降雪，3日08：00—4日08：00降雪強度逐漸增大，降雪超過10 mm的區域集中在關中大部分地區，降雪量在10.0～22.0 mm，共42個國家站出現暴雪，4日08：00，關中大部分地區積雪深度為8～23 cm，最大為蒲城站，4日08：00—20：00降雪強度逐漸減弱，趨于結束。強降雪出現在3日20：00至4日08：00，多站12 h降雪量達10 mm以上。

圖1 2018-01-02T08:00—01-04T20:00陜西累積降雪量(單位為mm)

2 環流特征

2日20：00至3日08：00，500 hPa天氣圖上新疆北部冷渦穩定少動，冷渦底部分裂短波東移，南支槽發展；700 hPa上高原東部低渦環流維持，偏南風急流向陜西中南部輸送水汽，在關中地區形成輻合；850 hPa上河套北部冷空氣南壓，強的東北氣流將東北地區冷空向南輸送；地面圖上陜西位于蒙古冷高壓底部偏東風氣流中，冷空氣在華北南部—陜西中南部形成回流，大氣低層溫度不斷降低，形成冷的下墊面，低層冷空氣與850 hPa東北氣流配合，楔入700 hPa暖濕氣流下方，加速上升運動，關中地區降雪逐漸加強。

3日20：00 (圖2)，500 hPa上冷渦底部分裂出的短波槽與南支槽東移加深；700 hPa偏南風急流加強，關中西部存在明顯的切變線，關中北部為明顯的風速輻合帶；850 hPa(圖略)上河南省上空東風急流增大,陜西中南部為東風急流的輻合區。來自西南的暖濕氣流與東北地區回流的冷空氣在關中大部分地區交匯，配合700 hPa切變線與500 hPa高空槽，關中大部分地區造成強烈的輻合上升；4日08:00 500 hPa西風槽移出，700 hPa偏南風急流減弱，850 hPa東風急流減小，降雪強度減弱；4日20：00，500 hPa高空槽移出，700 hPa轉為偏西風，低層東風消失，降雪結束。2日08：00至4日20：00，200 hPa陜西上空存在大于30 m/s高空急流，暴雪發生時段，高空急流通風抽吸作用，加速了上升運動的發展。

圖2 2018-01-03T20：00中尺度綜合分析(陰影為暴雪區,單實線為500 hPa槽線,雙實線為700 hPa切變線,鋸齒線為850 hPa、700 hPa飽和濕區，箭頭線代表200 hPa、700 hPa、850 hPa急流)

3 水汽特征分析

此次暴雪天氣，中低空偏南風急流為暴雪提供了充足的水汽供應。暴雪發生前，2日08：00至3日08：00，500 hPa位于陜西西部的西南風急流逐漸加強，西安探空站西南風從20 m/s增大到32 m/s，700 hPa上偏南風從6 m/s增大到14 m/s，偏南風急流的加強和維持為暴雪發生提供了充足的水汽條件。分析3日夜間最大降雪量蒲城站(35°N、109.6°E)的水汽通量、水汽通量散度演變(圖3)，可以看到暴雪前期，暴雪區上空低層到高層一直存在水汽輸送，3日08：00后隨著中低空偏南急流加強，水汽輸送加大。3日08：00至4日08：00，水汽輸送十分明顯，水汽輸送中心位于600～500 hPa, 中心值超過5 g/(cm·hPa·s)，正好對應暴雪發生時段,表明了中層水汽輸送對暴雪的作用。暴雪前期，水汽通量輻合主要位于925～850 hPa,3日08：00之后，西南風急流在低層冷空氣墊上爬升，水汽的輻合中心抬升到500 hPa附近，輻合強度增大，中心強度增大到-10×10-8g/(cm2·hPa·s),且在3日夜間到4日凌晨一直維持。4日02：00，500 hPa水汽通量散度場疊加風場圖(圖略)上,關中大部分地區為水汽通量輻合中心，偏南風急流為陜西中部提供水汽輸送；中層較強的水汽輸送以及持續的水汽輻合為陜西中部暴雪發生起到了增幅作用。

圖3 2018-01-02—04蒲城(35°N、109.6°E)水汽通量(實線,單位為g/(cm·hPa·s)及水汽通量散度(陰影,單位為10-8 g/(cm2·hPa·s)剖面

4 動力條件分析

降雪開始后，陜西中部850 hPa之下受冷高壓前偏東風回流冷空氣影響，低層溫度不斷降低，陜西以東河南上空偏東風不斷增大，低層冷空氣在陜西中部輻合堆積，冷墊作用明顯；中高層受偏南風影響，暖濕氣流在冷空氣上爬升，上升運動隨之加強。溫度疊加風的剖面圖上(圖略)，暴雪開始后，暴雪區(106～110°E)上空偏南暖濕急流在偏東風急流上爬升，配合700 hPa切變線，上升運動進一步加強。散度剖面圖上，3日20時(圖略)開始，中低層輻合，高層輻散；4日02時(圖4)，中低層輻合，高層輻散達到最大。暴雪開始后，從低層至200 hPa均為上升區，4日02時上升運動達到最強，大的上升區位于600～300 hPa，中心值達到-8×10-3hPa/s,強烈的上升運動將低層水汽輸送到高層，有利于暴雪的發生。在暴雪發生時，暖濕急流空氣在低層冷墊上爬升輻合，高空急流通風抽吸，加速上升運動發展，為暴雪發生發展提供有利的動力條件。

5 熱力條件診斷分析

5.1 冷空氣作用

從溫度平流沿109.6°E經向剖面發現，2日08時至3日08時，河套北部高空冷空氣向低層滲透，在偏北風作用下，冷空氣向暴雪區輸送。3日08時溫度平流經向剖面圖(圖略)上，40～45°N的冷平流達到-24×10-5℃/s，850 hPa以上受西南暖平流影響，暖平流中心位于700～500 hPa，850 hPa以下為冷平流。沿35°N溫度平流緯向剖面發現，暴雪發生前，850 hPa以下存在一支自東向西輸送的冷空氣，這路冷空氣是由高空冷空氣下沉南壓，受低層偏東風回流影響所致。3日08時溫度平流緯向剖面(圖5)圖上，暴雪區溫度平流達到-8×10-5℃·s-1，暴雪區上空存在東風急流風速輻合，冷平流的持續輸送，850 hPa溫度不斷降低。此次暴雪過程的冷空氣主要來自中高緯，高空冷空氣下沉，在偏北風作用下南壓，與低層偏東風急流在暴雪區輻合堆積，形成冷墊楔入暖濕氣流下，加速氣流抬升。

圖4 2018-01-04T02沿109.6°E垂直速度(陰影區,單位為10-3 hPa/s)及散度(等值線,單位為10-5 s-1)剖面

圖5 2018-01-03T08沿35°N溫度平流疊加風場垂直剖面(風矢代表風場,單位為m/s；等值線為溫度平流,單位為10-5 ℃/s,陰影為冷平流)

5.2 鋒生及次級環流

4日02時從假相當位溫經向剖面(圖略)發現，低層θse的低值區楔入中高層θse的高值區，850 hPa以上θse向冷區傾斜，在暴雪區上空850～400 hPaθse線最為密集，表明在暴雪發生時，中高層暖濕急流與低層冷空氣在陜西中北部相遇，形成對峙。

鋒生函數可以從定量的角度來分析具體的天氣現象、氣象要素的變化狀況,鋒生函數大于0時表示鋒生。李兆慧等[13]對武漢一次暴雪天氣的分析表明，鋒生、鋒消變化與降雪天氣的出現和停止一致，鋒面次級環流產生，與暴雪的出現和停止相關。2日夜間起，冷暖空氣交匯，在暴雪區上空出現鋒生，冷空氣下沉南壓，鋒生函數F逐漸增大，4日02時(圖6)，暴雪區上空850～400 hPa存在強的鋒生，500 hPa鋒生中心強度達到12×10-10g·K/(m·s)，鋒區隨高度向北側冷區傾斜，向上延伸到200 hPa，與暴雪區上空假相當位溫密集帶一致。鋒區南側為爬升的暖濕氣流，鋒區北側冷空氣下沉，受低層偏北風影響，在暴雪區輻合堆積，形成冷墊，楔入西南暖濕急流下，加速暖濕氣流抬升，暴雪區上空形成了閉合的鋒區次級環流，次級環流加速了上升運動發展，降雪強度隨之加大。4日08時，鋒區南壓，次級環流消失，上升運動減弱，降雪逐漸較小。鋒生及鋒生產生的次級環流加速了暴雪區上空上升運動的發展，加強了冷暖氣流的交匯對峙，是夜間暴雪發生的重要原因。

圖6 2018-01-04T02沿109.6°E鋒生函數(陰影,單位為10-10 g·K/(m·s)、垂直速度(等值線,單位為10-3 hPa/s)、風場(風矢,單位為m/s)垂直剖面(黑色粗線代表暴雪區，箭頭代表環流的冷暖空氣,黑色環狀虛線代表鋒區次級環流)

6 云頂亮溫演變特征

分析此次暴雪過程中相當黑體亮溫演變，2日08時，受高原槽東移和低層低渦切變影響，有一tBB≤-30 ℃的帶狀云系從隴東延伸至山西南部，高空槽前抬升和低層切輻合上升，帶狀云系不斷發展；2日14時(圖7a)，帶狀云系覆蓋關中大部分地區，此時關中西部降雪已經開始；20時(圖7b)帶狀云系面積擴大，云團發展，tBB≤-40 ℃的中心控制陜西中南部。2日20時至3日08時，南支槽和西風槽東移發展，700 hPa上偏南風加大，在低層冷空氣上爬升，帶狀云系繼續發展。3日08時(圖7c)帶狀云系覆蓋陜西大部分地區，西南風輻合抬升，陜西西南部有中心強度tBB≤-45 ℃的帶狀云系發展，云系中有tBB≤-50 ℃的強中心存在，西南風作用下強的帶狀云系不斷向東北方向移動。南支槽和西風槽東移加深，低層偏東風急流楔入暖濕急流下，冷暖空氣在關中及關中北部交匯，20時(圖7d)陜西中南部大部分地區被tBB≤-45 ℃的帶狀云系覆蓋，云系中存在大面積的tBB≤-50 ℃的強中心,中心強度最大tBB≤-55 ℃；3日夜間帶狀云系中的強中心從陜西中部自西向東移動。4日05時(圖7e)，tBB≤-45 ℃的強中心移出陜西。4日08時，西風槽移出陜西，700 hPa南風減弱，tBB≤-30 ℃的帶狀云系覆蓋陜西關中、陜南地區，降雪強度減小。4日14時(圖7f)，tBB≤-30 ℃的帶狀云系移出陜西，降雪結束?？梢钥闯龃舜侮兾鞅┭┻^程是由帶狀云系自陜西西南東移加強所致，系統加深，輻合上升運動加強，帶狀云系強中心不斷加強，是產生暴雪的原因。tBB≤-30 ℃的冷云帶出現時對應降雪，tBB≤-50 ℃的強冷云帶出現時對應著強降雪，3日夜間陜西暴雪區位于帶狀云系中tBB≤-50 ℃的強中心移過的區域。

7 三維環流特征

分析此次暴雪發生前后環流形勢，綜合水汽、熱力、動力條件特征分析，總結了此次暴雪天氣的環流特征(圖8)。高層冷空氣逐漸下沉，在偏北風和低層東風急流作用下，在暴雪區低空輻合堆積，形成冷墊；700～500 hPa南支槽與西風槽東移加深，槽前強盛的西南風急流在冷空氣墊上爬升，為暴雪發生提供了充足水汽供應，低層切變和高空槽前的輻合，加速了水汽的聚集。高空急流在暴雪區上空通風抽吸，加強了高層輻散、中低層輻合，上升運動的發展。中高層暖濕急流與低層冷空氣在暴雪區上空對峙，形成了明顯鋒區，鋒區兩側明顯的次級環流，加速了暴雪區上空上升運動的發展，是暴雪發生的重要原因。

圖7 2018年1月相當黑體亮溫(TBB)演變(a 2日14時，b 2日20時，c 3日08，d 3日20，e 4日05時，f 4日14時)

圖8 陜西中部暴雪過程三維空間環流特征

8 小結

(1) 此次暴雪，發生在西風槽與南支槽東移合并的大尺度環流背景下，850 hPa偏東風急流楔入700 hPa偏南暖濕急流下，配合低層切變線與高空槽疊加，造成冷暖空氣在陜西上空交匯。

(2) 偏南風急流為暴雪區提供了充足的水汽供應，暴雪區上空持續的水汽輻合，為暴雪發生提供了充足的水汽條件。高空冷空氣下沉南壓，在低層偏東風作用下，在陜西中南部形成冷墊；暖濕急流在冷墊上爬升，配合高空急流的通風抽吸作用，加速上升運動發展，將低層水汽輸送到高層，為暴雪發生提供了充足的動力和能量條件。

(3) 中高層暖濕急流與低層冷空氣在陜西中北部對峙，暴雪區上空形成明顯鋒區。鋒區次級環流加速了暴雪區上升運動的發展，為降雪起到增幅作用，是暴雪發生的重要原因。

(4) 暴雪發生時段，帶狀云系逐漸東移并不斷加強，暴雪區位于帶狀云系中tBB≤-50 ℃的強中心移過的區域。