豫西一次致災暴雪天氣診斷分析

許方璐 陳紅霞

摘 要：利用常規氣象資料和NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析資料，從天氣形勢、物理量場等方面分析了2018年1月4日豫西地區暴雪的產生機理。結果表明：這次暴雪屬于典型的南支槽前西南急流配合地面東路冷空氣共同作用的結果;中低層正渦度、高層負渦度，渦度帶隨高度向北傾斜，散度場上中低層輻合、高層輻散，這種配置有利于上升運動的發展和維持，為暴雪的產生提供了動力條件;中低層的水汽通量散度、上游水汽輻合區的強度和移動方向對降雪落區和強度預報有一定的指示意義;豫西上空有明顯的鋒生帶自北向南移動，在南部的穩定維持有助于暴雪的產生，與暴雪帶對應較好;鋒生函數主要受水平散度項的影響，水平風場的輻合作用既有利于鋒生，又有利于南方暖濕氣流匯聚到暴雪區，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升有助于暴雪的產生。

關鍵詞：暴雪;西南急流;水汽通量散度;鋒生函數

中圖分類號：P458.121.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0129-06

Abstract： Using conventional observations and NCEP CFSv2 global 0.5°×0.5° final-analysis data， the circulation feature and physical quantity field of a heavy snowfall event in Luoyang on January 3 in 2018 were analyzed. The results show that this heavy snowfall event in Luoyang belonged to typical transverse trough circulation background field， the conversion of transverse trough into perpendicular trough would guide cold airflow into Henan. The relative vorticity was positive in the middle-low troposphere and negative in the upper troposphere. The relative vorticity band tilted towards the north in the vertical direction. The vertical structure of convergence at low level and divergence in upper level caused to persist increase of ascending motion， thus provided dynamic condition for heavy snowfall. The moisture flux divergence field in the middle-low troposphere had better implications of the areas and strength of heavy snowfall. The frontogenesis band had moved from north to south over Luoyang， the stable maintenance of frontogenesis in the south of Luoyang was conducive to the development of heavy snowfall. The frontogenesis band had a good prediction of the heavy snowfall areas. Frontogenesis function was mainly affected by the divergence term. The convergence of horizontal wind field was conducive to frontogenesis and moisture convergence， thus warmer and wetter airflow tilting upward along the front could be conducive to the development of heavy snowfall.

Keywords： heavy snowfall;transverse trough;moisture flux divergence;frontogenesis function

豫西地處河南省西部，為秦嶺東延的余脈，多山區和丘陵。暴雪是豫西山區冬季主要的災害性天氣之一，常常伴隨著寒潮、大風、低溫等天氣，嚴重影響交通、運輸和工農業生產，給國民經濟和人民財產造成巨大損失。對于暴雪天氣，歐美一些研究指出，暴雪多與溫帶氣旋和暖濕輸送帶有關[1-2]。在日本，研究者認為降雪多與東亞大陸出海后發生發展的低壓系統有關[3]。我國對暴雪的研究也取得了一定的成就。劉志勇等[4]對湖北一次區域性暴雪進行研究，并指出高空東移小槽、中低層切變線和地面冷鋒是其主要影響系統。王新敏等[5]根據暴雪的天氣形勢特征，將河南省暴雪分為橫槽型、不穩定小槽發展型和兩槽一脊三種類型。孫仲毅[6]等通過對河南北部暴雪天氣的物理量診斷分析指出，中低層正渦度、中高層負渦度結構的穩定維持為降雪提供了動力條件。冷暖空氣穩定對峙是造成暴雪持續、增幅的重要原因之一。杜麗婭[7]從雷達速度圖分析暴雪過程時指出，中層西南急流和超低空東北風急流的長時間維持是暴雪產生的重要原因。李津等[8]利用鋒生函數、能量收支和水汽輸送等物理量，深入探討了暴雪形成的原因。邵宇翔等[9]利用濕位渦分析了斜壓項MPV2與降雪落區的對應關系。本文利用高分辨率的再分析資料，通過對物理量場的演變，分析豫西地區暴雪發生、發展的機理及與暴雪中心的對應關系，提出預報著眼點，以期提高對此類暴雪預報的準確率，更好地為政府提供科學的決策依據。

1 降雪實況及主要災情

2018年1月3—4日，河南省西部出現了一次明顯降雪天氣過程，過程降雪量如下：東邊的偃師最小，僅有5.7 mm（雪深6 cm），南邊的嵩縣最大，為25.7 mm（雪深21 cm），積雪深度范圍在6～21 cm;4日降雪量（3日20：00至4日20：00）除偃師外，其他縣在10.3～17.8 mm，達到暴雪，暴雪中心在偏南山區的欒川-嵩縣-汝陽一帶。降雪集中時段在3日17：00至4日08：00，其中，6 h最大降雪量出現的欒川，為8.8 mm，時間為4日02：00—08：00，3 h最大降雪量出現在嵩縣，為7.5 mm，出現時間為3日17：00—20：00。對于降雪強度，南邊明顯強于北邊且持續時間較長。

此次降雪對交通運輸、工業生產、設施農業及居民生活等帶來較大影響和危害。據民政局救災辦統計，嵩縣、洛寧、欒川、靈寶4個縣19個鄉鎮365人受災，嚴重損壞房屋、大棚數間，造成直接經濟損失282.26萬元。

2 大尺度環流背景及影響系統分析

2018年3日08：00，500 hPa上（圖略），河套以北貝加爾湖以南為寬廣的東西帶狀的緯向環流，河北省南部到河南省東部為弱高壓脊，孟加拉灣到四川盆地再到陜西省南部一線為南支槽前西南急流所控制，河南省西部上空為西南偏西氣流;20：00，西南急流加強，恩施風速最大，為46 m·s?1，風速最小的安康也有22 m·s-1。4日08：00，高壓脊明顯東移到沿海，槽線位于山西省南部、陜西省南部到四川省南部一線，槽前西南急流將充沛的水汽輸送至河南省的大部地區。

2018年3日08：00，700 hPa上，西北-東南向的弱高壓脊位于河套地區、山西省南部、河南省東部、山東省到沿海一線，新疆有一低渦，西南急流已到長江流域，但10～12 m·s?1的風速輻合帶在河南省南部，陜西省南部到河南省西部有東西向弱切變線存在;20：00，高壓脊東移，切邊線向東伸展，南側的漢中-盧氏-南陽-鄭州一線西南風速為4～8 m·s?1，其上游的宜賓、沙坪壩、恩施、宜昌風速在18～22 m·s?1，存在強的風速輻合。4日08：00，陜西省南部轉偏西風，西南急流明顯東移。850 hPa始終處貝加爾湖經河套到淮河流域的高壓底部一致的偏東氣流中。

3日14：00地面圖上（圖略），在貝加爾湖西南堆積的強冷空氣（高壓中心1 089 hPa）經河套地區、河南省等地已擴散到長江流域及其以南的廣大地區，豫西偏南山區的盧氏、靈寶、欒川、嵩縣等地的溫度降至-4 ℃，降溫幅度達6 ℃，加壓8 hPa，河南省上空轉受一致的偏東風，說明有冷空氣補充擴散南下。11：00—14：00豫西南部山區首先出現小雪，17：00開始出現大范圍降雪，自南向北展開。降雪期間強冷空氣中心位置略有東南移，始終維持東北到東風。4日上午降雪逐漸結束。

綜上所述，高空南支槽、中層切變線及地面東路強冷空氣是此次暴雪的主要影響系統;高空西南急流在豫西南部形成的強輻合帶及地面東風輻合對豫西南部暴雪有較大貢獻。

3 物理量診斷分析

NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析資料被廣泛用于數值模式及天氣、氣候的診斷分析研究中[10]。下面利用再分析資料對此次暴雪的動力、水汽和鋒生函數等物理量場進行分析。

3.1 渦度和散度

由強降雪時刻渦度的經向和緯向垂直剖面圖（見圖1）可以看出，洛陽上空（112.27°E，34.41°N，下同）在700～300 hPa正負渦度區交替出現，垂直方向上渦度帶隨高度向北傾斜;由垂直方向合成風矢量可以看出（見圖1），700 hPa以下為東風，以上為西風，高空西風分量明顯大于低層東風分量，洛陽上空有傾斜上升運動，中高層的上升運動明顯強于低層。同樣，由強降雪時刻散度的經向和緯向垂直剖面圖（圖略）也可以看出，500 hPa以下為輻合區，以上為輻散區，垂直方向上輻合輻散帶隨高度也向北傾斜。

綜上所述，洛陽上空中低層正渦度區、高層負渦度區及強上升運動位于對流層中高層的這種配置，可促使中低層氣旋性渦度環流增強。散度在中低層輻合，高層輻散也有助于上升運動的穩定維持，從而為暴雪的產生提供動力條件。

3.2 水汽通量散度

暴雪過程只有動力抬升條件還不夠，還需要充沛的水汽供應。水汽通量散度可以用來診斷強降水的落區和強度。水汽通量散度值為正表示有水汽流失，為負表示有水汽積聚[11]。

分析500～600 hPa水汽通量散度的時間演變（見圖2）可以看出：3日08：00—14：00，洛陽上空大部分地區為正的水汽通量散度，與南支槽前的西南氣流受到高壓脊阻擋有一定的對應關系，但陜西省南部到南陽西部一帶有負的水汽通量散度，影響欒川和嵩縣出現小雪;對比分析3日20：00、4日02：00水汽通量散度的演變，洛陽暴雪正是由于上游大范圍的水汽輻合東移至洛陽上空所致，且中心強度明顯增強，由-3.47×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1增大到-9.42×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1，充分說明這一時段降雪最強。4日14：00，洛陽轉受西北氣流控制，水汽通量散度為正值區，暴雪結束。

綜上所述，分析上游對流層中低層水汽通量散度的強度和移動路徑對于預報洛陽地區的降雪落區和強度有很好的指示意義。

3.3 假相當位溫和鋒生函數

假相當位溫（[θse]）是能夠綜合反映溫度和濕度的物理量，可用它來分析大氣的溫濕狀況。[θse]高值區代表高溫、高濕度區，低值區代表低溫、低濕區[12]。從強降雪時刻假相當位溫的垂直剖面圖[見圖3（a）]可以看出，洛陽上空為等假相當位溫密集帶且隨高度向北傾斜，有鋒面存在。對流層低層（700 hPa以下，下同）為低值區，對流層中層（500～700 hPa）為高值區，[?θse/?<0]，說明對流層中低層為大氣穩定層結。從溫度的垂直剖面[見圖3（b）]也可以看出，洛陽上空對流層低層有強冷空氣堆積，近地面層的溫度在-5 ℃以下，有利于降雪的產生。

為了分析洛陽上空鋒面發生、發展機理，引入鋒生函數F，其表達式為[13-14]：

式中：[F1]、[F2]、[F3]和[F4]分別為非絕熱加熱項、水平輻散項、水平變形項和垂直運動有關的傾斜項。選取具有代表性的600 hPa水平輻散項[F2]和水平變形項[F3]進行分析。

從豫西暴雪過程鋒生函數及其各項的時間演變情況（見圖4）可以看出，3日20：00，山西南部到豫北及豫西南部到豫南分別有總鋒生函數正值帶，說明有鋒生作用，豫西大范圍降雪開始，水平散度項主要作用于豫西南部。4日02：00為降雪最強時刻，總鋒生函數正值帶位于陜南、豫西南部到漯河一線，正值明顯增大，水平散度項[F2]的貢獻最大，南部為鋒生區，與暴雪區有很好的對應關系。4日08：00，強降雪維持，南部仍然為強的總鋒生函數正值帶，有強烈的鋒生作用。4日14：00位洛陽降雪結束時刻，總鋒生函數正值帶快速向東南移動到信陽地區，洛陽處于鋒后，水平散度項在豫西上空基本為零，水平變形項為弱的正值，鋒生作用很弱。

從以上分析可知，暴雪過程中豫西上空為假相當位溫密集帶且隨高度向北傾斜，有鋒面存在;干冷空氣從對流層低層侵入，起到了冷墊的作用。強鋒生帶在豫西南部的穩定維持有助于暴雪的產生，與暴雪帶有很好的對應關系;暴雪過程中，鋒生函數主要受水平散度項的影響;水平風場的輻合作用既有利于鋒生，又有利于將南方暖濕氣流匯聚到暴雪區，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升利于暴雪的產生。

4 結論與討論

①此次暴雪為典型的橫槽轉豎引導冷空氣南下和來自孟加拉灣南支槽前西南氣流在洛陽上空交匯所致，同時槽前暖濕氣流受低層強冷空氣（一致的東風）的抬升利于降雪的產生。

②洛陽上空中低層正渦度高層為負渦度，正負渦度帶隨高度向北傾斜;700 hPa以下為東風，以上為西風，西風分量明顯強于東風分量，氣流呈傾斜上升運動;散度場特征表現為中低層輻合，高層輻散。上述配置有利于上升運動的穩定維持，為暴雪的產生提供了動力條件。

③分析對流層中低層的水汽通量散度，判斷上游水汽輻合區的強度和移動情況，對下游降雪落區和強度有較好的指示意義。水汽通量散度的演變過程解釋了預報員過早預報暴雪的原因，高壓脊的阻擋導致水汽無法北抬到洛陽上空，暴雪延遲。

④洛陽上空假相當位溫密集帶隨高度向北傾斜，有鋒面存在;干冷空氣從對流層低層侵入，起到了冷墊的作用;明顯的鋒生帶自北向南移動，鋒生帶在南部的穩定維持有助于暴雪的產生，鋒生帶與暴雪帶有很好的對應關系;此次過程鋒生函數主要受水平散度項的影響，水平風場的輻合作用既有利于鋒生，又有利于將南方暖濕氣流匯聚到暴雪區，暖濕氣流沿鋒面傾斜上升有助于暴雪的產生。

參考文獻：

[1]Huo Z H， Zhang D L， Gyakum J. A diagnostic analysis of the superstorm of March 1993[J]. Monthly Weather Review，1995（6）：1740-1761.

[2] Ulbrich U， Fink A H， Klawa M， et al. Three extreme storms over Europe in December 1999[J]. Weather，2001（3）：70-80.

[3] Ninomiya K. Polar low development over the east coast of the Asian continent on 9—11 December 1985[J].Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II， 1991 （6）： 669-685.

[4]劉志勇，陳劍云，徐元順.一次區域性暴雪天氣過程的診斷分析[J].暴雨災害，2008（3）：248-252.

[5]王新敏，布亞林，李平，等.河南省暴雪天氣特征及預報模型[J].氣象與環境科學，2000（4）：1-2.

[6]孫仲毅，王軍，靳冰凌，等.河南省北部一次暴雪天氣過程診斷分析[J].高原氣象，2010（5）：1338-1344.

[7]杜麗婭.2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發展機理分析[J].陜西氣象，2016（4）：6-12.

[8]李津，趙思雄，孫建華.一次華北破紀錄暴雪成因的分析研究[J].氣候與環境研究，2017（6）：683-698.

[9]邵宇翔，張霞，李周，等.2008年1月18—22日河南區域暴雪診斷分析[J].氣象與環境科學，2008（S1）：99-103.

[10]Saha S， Moorthi S， Wu X， et al. The NCEP Climate Forecast System Version 2[J]. Journal of Climate，2014（6）：2185-2208.

[11]劉健文，郭虎，李耀東，等.天氣分析預報物理量計算基礎[M].北京：氣象出版社，2005.

[12]高守亭.大氣中尺度運動的動力學基礎及預報方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[13] Hoskins B J， Bret herton F P. Atmospheric Frontogenesis Models： Mathematical Formulation and Solution.[J]. Journal of Atmospheric Sciences，1972（1）：11-37.

[14]李兆慧，王東海，王建捷，等.一次暴雪鋒生函數和急流-鋒面次級環流分析[J].高原氣象，2011（6）：1505-1515.