哈爾濱機場“2019 12.28-12.30”持續降雪成因分析

（民航黑龍江空管分局，黑龍江哈爾濱 150079）

1 引言

黑龍江省位于中國東北部，南北跨10 個緯度、14 個經度，冬季漫長且寒冷干燥，大雪、暴雪是冬半年的主要氣象災害，往往給交通行業造成不便[1]。對于航空，冬末春初的降雪是威脅哈爾濱太平國際機場的主要天氣現象之一，持續性降雪過程不但造成跑道積雪和積冰，還常常導致能見度低于飛行標準，造成航班返航、備降、延誤等[2]。

國世友[3]對比黑龍江省兩次強降雪過程，高空槽配合地面蒙古氣旋，低渦切變和輻合區的持續存在為降雪提供動力條件，低空西南急流帶來了充沛的水汽輸送。回流天氣是冬季黑龍江省一種特殊的產生暴雪的天氣形勢，楊艷敏和趙燃[4]指出動力鋒生機制在回流暴雪形成與發展的過程中發揮了重要作用，強降雪產生在暖區，迎風坡和背風坡的地形強迫對降雪起明顯的增幅作用。秦銅[5]等對哈爾濱市一次暴雪天氣過程進行分析，指出此次降雪暖鋒區持續時間以及位置是產生強降雪的關鍵，急流提供了大范圍強降雪產生的必要動力條件和水汽條件。近期，王波等[6]統計分析了黑龍江降雪的氣候變化特征，指出黑龍江省大部分地區的年平均降雪量增加趨勢明顯，中雪和大雪日數增多趨勢明顯，但小雪日數減少趨勢明顯。上述工作對防災減災及天氣、氣候預測提供重要參考。

2 資料

本文使用哈爾濱太平國際機場觀測實況記錄，以及歐洲中期天氣預報中心 (ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 最新一代的再分析資料ERA5（doi:10.24381/cds.6860a573）的逐小時資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，該套資料采用四維變分同化法，相較于之前的ERA-interim，ERA5 更準確并且具有更高的時空分辨率，適合分析局地天氣過程。本文使用的物理量包括：位勢高度、緯向風速、經向風速、垂直速度、比濕和相對濕度，垂直層為1000-100 hPa，共19 層。

3 降水實況分析

根據民航氣象的雪強與能見度的關系，小雪能見度≥1000 m、中雪能見度500-1000 m、大雪能見度<500 m，短臨的中雪和持續性小雪天氣均會影響正常的飛機飛行，以此為準，本文挑選2019 年12 月28 日-30 日的一次持續降雪過程作為研究對象。

觀測實況記錄如下：28 日23 時53 分小雪-24時，29 日00 時小雪-10 時53 分轉中雪-11 時47 分轉小雪-11 時59 分轉中雪-15 時47 分轉小雪-19 時55 分停，21 時31 分小雪-24 時，30 日00 時小雪-05時49 分停，07 時17 分小雪-09 時47 分停。此次降雪過程時間長達34 h，過程降水量為6.9 mm，且連日來降雪未融化，積雪深度較厚，最大積雪深度為19.0 cm，新增積雪深度為10.0 cm。其中主要降雪時段集中在29 日08-14 時，該時段內的短時降雪強度一度達到中雪量級，14 時后降雪強度逐漸轉為小雪，直至30 日降雪停止。另外，根據哈爾濱太平國際機場的地理位置，將此次分析的關鍵區確定在45°N-46°N,126°E-127°E。

4 大氣環流作用

大尺度大氣環流背景場對短臨天氣過程的發生與維持具有重要影響。在對流層中層500 hPa（圖1），中高緯地區整體呈現兩脊一槽型，12 月28 日20 時-30 日08 時，位于貝加爾湖地區的東北-西南傾向的槽逐漸向東移動至中國東北地區，黑龍江北部地區12 月29 日建立起閉合的氣旋性環流，哈爾濱附近地區存在西南風，北方冷空氣與南方暖濕氣流匯合有利于產生降水，槽前的氣旋性渦度有利于上升運動，上升運動也是形成降水的重要條件之一，隨著低壓槽的進一步向東移動，黑龍江地區槽前的西南風逐漸撤出。

圖1 500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：gpdm）和風場（箭頭，單位：m/s）。2019 年12 月(a)28 日20 時；(b)29 日08 時；(c)29 日20 時；(d)30 日08 時。

圖2 2019 年12 月(a)28 日20 時；(b)29 日08 時；(c)29 日20 時；(d)30 日08 時850 hPa 位勢高度場（等值線，單位：gpdm）和風場（箭頭，單位：m/s）。

在對流層低層850 hPa（圖2），僅關注中國東部地區，12 月28 日20 時-29 日20 時，西北太平洋地區存在一個閉合的反氣旋性環流，反氣旋西側的偏南風向北輸送較暖濕的空氣，而12 月29 日后，該反氣旋性環流向東移動，不再影響中國大陸地區，阻斷了水汽的輸送，不利于降雪的維持。另一方面，12 月28 日內蒙古高原北部（對流層中層槽前）存在閉合的氣旋性環流，環流東側的偏南風同樣有利于暖濕水汽的向北輸送，哈爾濱地區偏南風維持至12 月29日晚，之后偏北風控制黑龍江地區，不利于降雪。

5 水汽作用

有利的水汽作用是強降雪過程發生和維持的充分條件之一，一般來說，持續性降雪過程一定要有充沛的水汽和持續的水汽輸送至關鍵區[7]，以下將從相對濕度和水汽通量兩個方面進行闡述。

5.1 相對濕度

圖3 2019 年12 月28 日08 時-30 日08 時，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區域平均的相對濕度（單位：%）的時間演變-高度圖。

圖3 給出關鍵區相對濕度的時間演變-高度圖，12 月28 日08 時-29 日14 時，對流層中低層的相對濕度逐漸增加，且中層的相對濕度增加領先于低層，隨著低層相對濕度的增加，小雪逐漸發展為中雪。12月29 日2-14 時是降雪過程最集中的時段，對流層中低層的相對濕度達90%以上，說明該時段內關鍵區水汽處于較為飽和的狀態，有利于降雪的發生發展。12 月29 日14 時之后，對流層中低層相對濕度驟減，數小時內從90%降低至降雪過程發生前的水平，這與觀測實況對應的很好，也與高空槽的東移、低層南風變為北風互相匹配，此時不利于降雪的維持。

5.2 水汽通量

圖4 2019 年12 月28 日08 時-30 日08 時，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E） 區域平均的水汽通量 （陰影，單位：m s-1）與水汽通量散度（等值線，單位：10-7 s-1）的時間演變-高度圖。

從水汽通量的時間演變上看 （圖4 陰影），12 月28 日08 時-12 月29 日14 時，關鍵區上空對流層中低層的水汽通量隨時間逐漸增加，而500 hPa 以上水汽通量分布比較均勻，表明此次持續降雪過程主要受對流層中低層的機制影響。12 月29 日08-14 時，凈的水汽通量流入在對流層低層800 hPa 左右達到極大值（深色陰影），伴隨著小雪轉為中雪的天氣過程。12 月29 日14 時后，水汽通量數值快速減小，降雪強度也隨之減弱。

另一方面，與水汽通量配合的是水汽通量散度（圖4 等值線），虛線對應的是水汽通量散度的輻合，實線對應輻散。可以發現12 月28 日20 時-29 日8時，對流層低層1000-800 hPa 的水汽通量輻合增強，上層的輻合并不明顯，甚至在12 月29 日8 時前后的800 hPa 左右還存在水汽通量輻散區，此時的天氣過程為小雪。而12 月29 日8-14 時，對流層900-700 hPa 水汽通量輻合急劇加強，配合著大量的水汽通量凈流入，小雪加強為中雪，之后水汽通量散度轉為輻散，降雪隨之減弱停止。

6 動力作用

除了大氣環流以及水汽的作用，垂直運動、散度和渦度等動力作用對持續性降雪過程的發生和維持也十分重要。

6.1 垂直運動

圖5 2019 年12 月28 日08 時-12 月30 日08 時，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區域平均的垂直運動（單位：10-1 Pa s-1）的時間演變-高度圖。

短臨對流天氣事件往往伴隨著強烈的上升運動，圖5 給出關鍵區垂直速度的時間演變-高度圖，實線正值代表下沉運動，虛線負值代表上升運動。12月28 日14 時-29 日08 時，關鍵區對流層中低層產生垂直上升運動，且逐漸加強，位于800 hPa 左右的最強值達到-0.4 Pa/s。12 月29 日08-14 時，對流層800-400 hPa 的垂直上升運動迅速增強，位于600 hPa 左右的最強值達到-0.8 Pa/s，對流層中層強烈的上升運動對應著觀測實況中的中雪。12 月29 日14時后，垂直上升運動減弱，當日20 時后轉為以下沉運動為主。

6.2 散度場

圖6 2019 年12 月28 日08 時到12 月30 日08 時，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區域平均的散度場（單位：10-5 s-1）的時間演變-高度圖。

散度場有利于了解降雪過程發生發展前后的動力配置。圖6 給出此次持續降雪過程中關鍵區對流層大氣散度的時間演變-高度圖，實線正值代表輻散，虛線負值代表輻合。12 月28 日14 時-29 日08時，對流層低層出現輻合，并逐漸加強，對流層中高層以輻散為主，這階段低層的輻合強度相對較弱，對應觀測實況的小雪天氣。12 月29 日08-14 時，對流層低層的輻合迅速增強，并在850 hPa 左右出現大值中心，對流層中高層仍為輻散，低層輻合高層輻散的散度場配置有利于形成上升運動，有利于小雪進一步增強發展為中雪。12 月29 日20 時后，低層輻合轉為輻散，不利于降雪的維持。

6.3 渦度場

渦度場同樣有利于了解降雪過程發生發展前后的動力配置。圖7 給出此次持續降雪過程中關鍵區對流層大氣渦度的時間演變-高度圖，實線正值代表正渦度，虛線負值代表負渦度。12 月28 日14 時起，對流層中低層出現正渦度并逐漸增強，對應于圖1中槽前黑龍江地區的正渦度平流，正渦度有利于產生上升運動。12 月29 日8 時，對流層950 hPa 附近的正渦度達到最強，維持至當日14 時，對應于實況觀測中小雪轉中雪的過程，再之后正渦度逐漸減弱。

圖7 2019 年12 月28 日08 時-12 月30 日08 時，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區域平均的渦度場（單位：10-5 s-1）的時間演變-高度圖。

7 結論

本文利用ERA5 再分析資料，結合觀測實況資料，對一次影響民航航空的持續性降雪事件進行分析，得到以下的結論：

（1）此次持續降雪過程受大尺度大氣環流影響。對流層中層位于貝加爾湖地區槽向東移動至中國東北地區，槽前的氣旋性渦度有利于形成上升運動，低槽的進一步東移使得降雪停止；對流層低層西北太平洋地區的反氣旋性環流以及內蒙古高原北部 （對流層中層槽前）的氣旋性環流，共同向黑龍江地區輸送較為暖濕的水汽，有利于對流的發生發展；

（2）降雪發生數小時前，對流層相對濕度梯度大，大氣快速變濕，這是由于對流層低層偏南風水汽凈匯入，水汽通量凈流入達到極值時，水汽通量輻合強度也達到最強，導致強烈的降雪過程；

（3）此次持續降水過程發生發展期間，哈爾濱上空存在明顯的上升運動，并與槽前的正渦度平流相配合，對流層低層輻合、中層輻散的散度配置導致的抽吸作用也有利于上升運動與降雪，為此次持續性天氣過程的發生和維持提供有利的動力條件。