黑龍江省2019 年冬季三次暴雪過程動力條件對比分析

(黑龍江省氣象臺,黑龍江哈爾濱 150030）

1 引言

黑龍江省冬季漫長寒冷，從每年的11 月份開始持續(xù)到下一年3 月，長達(dá)5 個月之久，此間降水絕大部分是雪。大到暴雪天氣的出現(xiàn)時間最早在秋末（10月）最晚在春初（4 月），前后長達(dá)半年。大到暴雪是黑龍江省經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害性天氣，尤其是秋末冬初和冬末春初危害最大，經(jīng)常造成交通運(yùn)輸中斷，輸電、通信中斷，還可能造成房屋、蔬菜大棚及育苗大棚坍塌，林業(yè)、畜牧業(yè)也會受到嚴(yán)重影響，直接危害人民生命財產(chǎn)安全，甚至破壞生態(tài)平衡。

2019 年冬季黑龍江省多次出現(xiàn)了大到暴雪天氣，本文選取了三次暴雪天氣過程，通過對動力條件的對比分析，找出影響不同暴雪天氣過程的差異因素，為今后的暴雪天氣預(yù)報提供技術(shù)參考。

2 降雪實況

2019 年冬季黑龍江省大部地區(qū)出現(xiàn)了多次區(qū)域性的大雪、暴雪天氣過程。本文挑選了三次暴雪天氣過程，分別為：11 月17-18 日過程（以下簡稱“1117”過程），主要的暴雪影響區(qū)域為大興安嶺北部、黑河北部以及黑龍江省東部地區(qū)，共有29 個站24 h 降水量≥10 mm，其中8 個站24 h 降水量≥20 mm，這些站主要分布在雙鴨山、雞西和牡丹江，此次過程24 h最大降水量為28.3 mm （雞東）；12 月16-17 日過程（以下簡稱“1216”過程），主要影響區(qū)域為黑龍江省中南部，共7 個站24 h 降水量≥10 mm，此次過程24 h 最大降水量為11.8 mm（雙城）；12 月29-30 日過程（以下簡稱“1229” 過程），24 h 最大降水量11.5 mm（方正）。

3 影響系統(tǒng)

3.1 11 月17-18 日降雪天氣

2019 年11 月16 日，500 hPa 上貝加爾湖東側(cè)有低槽發(fā)展，11 月17 日08 時加強(qiáng)為蒙古氣旋，中心氣壓528 hPa，位于內(nèi)蒙古東北部與蒙古國交界處。17日白天，蒙古氣旋后部有較強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充，使其發(fā)展加強(qiáng)，中心氣壓520 hPa，黑龍江省位于蒙古氣旋前部，受其前部切變線影響，黑龍江省中西部地區(qū)出現(xiàn)小雪量級降雪天氣。17 日夜間，氣旋在南下過程中繼續(xù)加強(qiáng)，中心氣壓512 hPa，850 hPa 上氣旋前部風(fēng)力加大，形成低空急流，黑龍江省東部大部地區(qū)受氣旋前部偏西風(fēng)與偏東風(fēng)急流切變線的影響，出現(xiàn)了6 h 降水量達(dá)12-20 mm 的暴雪天氣。隨后系統(tǒng)東移，切變線移出，黑龍江省受氣旋后部冷空氣影響，降雪逐漸結(jié)束(圖1)。

3.2 12 月16-17 日降雪天氣

圖1 2019 年11 月(a)17 日08 時、(b)17 日20 時、(c)18 日08 時500 hPa 高空形勢

2019 年12 月16 日，500 hPa 上高緯度地區(qū)有冷性渦旋分裂南下，在黑龍江省西部形成一個高空冷槽，冷槽自西向東移動，槽前高空鋒區(qū)明顯，有3-4根等溫線。受其影響，給全省大部地區(qū)帶來降雪天氣，其中中南部地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性的大雪、暴雪天氣（圖2）。

圖2 2019 年12 月(a)16 日08 時、(b)17 日08 時500 hPa高空形勢

3.3 12 月29-30 日降雪天氣

2019 年12 月29 日08 時，500 hPa 上中高緯度地區(qū)表現(xiàn)為一個廣闊的冷槽，黑龍江省位于槽前暖脊中；29 日白天，850 hPa 黑龍江西南部地區(qū)有一個低渦，受低渦前部切變線影響，黑龍江省中部地區(qū)出現(xiàn)大雪天氣，單站降水量達(dá)暴雪量級。低渦前部的地區(qū)在29 日入夜后，冷槽逐漸發(fā)展為東北冷渦，中心位于大興安嶺地區(qū)，強(qiáng)度512 hPa，同時冷渦前部鋒區(qū)明顯加強(qiáng)，位于黑龍江省中部地區(qū)，鋒區(qū)前部風(fēng)力較大，出現(xiàn)急流，給黑龍江省中東部地區(qū)帶來大風(fēng)降溫天氣（圖3）。

圖3 2019 年12 月(a)29 日08 時、(b)29 日20 時、(c)30 日08 時500 hPa 高空形勢

3.4 降雪天氣影響系統(tǒng)特征

對比這三次暴雪天氣的影響系統(tǒng)及其天氣實況，差異明顯，一次為蒙古氣旋，形成早，持續(xù)時間從11 月17 日14 時到18 日08 時，約18 h，幾乎全省范圍的大雪，23 站暴雪；一次為高空槽，部分地區(qū)的大雪，局部暴雪（6 站）；還有一次為低渦影響，強(qiáng)度與蒙古氣旋相近，影響時間從29 日08 時-20 時，約12 h，造成了區(qū)域性大雪，單站暴雪。從影響系統(tǒng)上來看，“1216”過程的高空槽和“1117”過程的低渦都給黑龍江省帶來了區(qū)域性的暴雪天氣；對于同樣受低渦影響的“1117”過程和“1229”過程，由于“1117”過程低渦持續(xù)影響了約24 h，而“1229”過程低渦只持續(xù)影響了一個白天，可以看出，持續(xù)時間長短是影響暴雪天氣的一個重要因素。

4 物理量場分析

通過使用NCEP 全球再分析資料（分辨率為1°×1°，時間間隔6 h）計算渦度、散度、垂直速度、急流、水汽通量散度等物理量要素，對三次過程的動力條件做進(jìn)一步的對比分析。

4.1 動力場對比分析

選取了三次過程中24 h 降水量最大的三個站點（雞東28.3 mm，雙城11.8 mm，方正11.5 mm），通過對比分析了三個站及其附近渦度、散度、垂直速度的剖面圖，總結(jié)三次暴雪天氣過程的差異。

如圖4，在沿著131°E 的剖面圖上可以看出，2019 年11 月17 日14-20 時，雞東站 （131.09°E，45.26°N）在低層850 hPa 的渦度值從0 增長到6×10-6s-1-16×10-6s-1之間，垂直速度-15×10-3m·s-1以上，中高層未出現(xiàn)正散度區(qū)域。此時低層已經(jīng)開始有較弱的動力抬升條件，地面實況數(shù)據(jù)反映這個時段該區(qū)域還沒有降水產(chǎn)生。在17 日20 時-18 日02 時，850 hPa 渦度增長到26×10-6s-1-36×10-6s-1之間，垂直速度迅速增加到-60×10-3m·s-1以上，同時高層（200-300 hPa）附近出現(xiàn)正散度中心區(qū)域，使得高層輻散層作用增強(qiáng)。抽吸作用加強(qiáng)了動力抬升條件，使得該區(qū)域的降水量明顯增加，6 h 降水量達(dá)7-8 mm。在18 日02 時-18 日08 時,850 hPa 渦度增加到52×10-6s-1，垂直速度較上一個時段沒有明顯變化，正散度中心依然存在強(qiáng)度較上一個時段略有減弱，此時的動力條件較上個時段比變化不大，但從實況降水量上來看，這6 h 的降水量較上個時段多2 倍。暫且得出結(jié)論，在垂直速度場、散度場和渦度場都有利的情況下，渦度的大幅增長會使降水強(qiáng)度明顯增加。

如圖5，在沿著126°E 的剖面圖上可以看出，雙城站（126.32°E，45.39°N）在16 日14-20 時850 hPa渦度由0 增長到36×10-6s-1（此次過程最大值），垂直速度由-13×10-3m·s-1增長到-25×10-3m·s-1（此次過程最大值），300 hPa 出現(xiàn)15×10-6s-1-20×10-6s-1的正散度中心，為此次過程動力條件最好的時段。此后一直到17 日08 時，垂直速度，渦度都在下降，散度中心也出現(xiàn)偏移。由于此次過程的影響系統(tǒng)為自西向東的高空槽，與“1117”過程的蒙古氣旋相比，有利的動力條件維持的時間較短，強(qiáng)度也相差較多，實況降水量的差別也比較明顯。

圖5 2019 年12 月(a)16 日14 時、(b)20 時、(c)17 日02 時、(d)08 時沿126°E 的渦度（陰影）、散度（實線）和垂直速度（虛線）剖面圖

如圖6，在沿著129°E 的剖面圖上可以看出，方正站（128.8°E，45.8°N）16 日08 時850 hPa 附近已經(jīng)出現(xiàn)22×10-6s-1的渦度中心，垂直速度-8×10-3m·s-1，同時500 hPa 以上出現(xiàn)8×10-6s-1的正散度中心，動力條件有利于降雪產(chǎn)生。在接下來的6 h，850 hPa 渦度中心值增加到22×10-6s-1，850 hPa 垂直速度增加到-8×10-3m·s-1，500 hPa 上的正散度中心值增加到8×10-6s-1，這些數(shù)值維持到16 日20 時左右。在形勢場上可以看到，16 日下午到傍晚東北冷渦發(fā)生發(fā)展，850 hPa 有明顯的氣旋性切變。16 日夜間，方正站中低層出現(xiàn)了正散度中心，低空出現(xiàn)輻散，850 hPa 上的低渦減弱為低空槽并向東移動，降雪逐漸結(jié)束。本次降雪過程有利的動力條件維持時間較短，最大降雪量與“1216”過程相近，但暴雪的站數(shù)相差很多。

圖6 2019 年12 月（a）29 日08 時、(b)14 時、(c)20 時、（d）30 日02 時沿129°E 的渦度（陰影）、散度（實線）和的垂直速度（虛線）剖面圖

對比分析這三個站的動力條件可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域范圍大、降雪量大的暴雪天氣（“1117”過程）、區(qū)域范圍小的暴雪（“1216”過程）和單站暴雪（“1229”過程）對應(yīng)的動力場數(shù)值成倍減少；除此之外，“1117”過程有利的動力條件維持的時間也長于 “1216”、“1229”過程。

這說明系統(tǒng)性的降雪天氣，無論是低渦產(chǎn)生的氣旋性切變還是低空槽，動力抬升條件的差異顯著地影響降雪的強(qiáng)度與區(qū)域范圍；要產(chǎn)生區(qū)域性的暴雪天氣，除了需要有利的動力抬升條件配合，還需要較長的持續(xù)時間。

4.2 急流分析

圖7 2019 年11 月(a)17 日20 時、(b)18 日02 時、(c)08 時850 hPa 急流圖

如圖7，17 日20 時850 hPa 上遼東半島附近出現(xiàn)16 m/s 的偏南風(fēng)急流核，急流前端已經(jīng)影響到牡丹江南部，17 日夜間，急流核風(fēng)速增加到30 m/s，黑龍江省東部地區(qū)由急流前端的輻合區(qū)過渡到急流的左側(cè)。此次過程急流強(qiáng)度很強(qiáng)，維持時間也較長，急流的出口處及出口左側(cè)有利于空氣的抬升，給暴雪天氣提供了有力的動力抬升條件；同時也有利于將渤海和日本海的暖濕空氣輸送到黑龍江省東部地區(qū)，給暴雪天氣提供了有力的水汽和熱力條件。

如圖8，16 日14 時低槽已經(jīng)影響到黑龍江省西部，此時在遼寧中部有一17 m/s 的急流核，急流前端輻合區(qū)位于哈爾濱南部；16 日20 時，低槽東移，急流核強(qiáng)度與范圍加大，哈爾濱南部與牡丹江地區(qū)同時受急流前段的輻合區(qū)影響；入夜后低槽東移北抬，急流也逐漸結(jié)束對黑龍江省的影響。此次過程低空急流強(qiáng)度相對于11 月17 日蒙古氣旋過程 （30 m/s）差很多，對暴雪區(qū)域的影響時間也只有6-8 h，急流為偏南風(fēng)，帶來的水汽來源于渤海。

圖8 2019 年12 月(a)16 日14 時、(b)20 時、（c）17 日02 時850hPa 急流圖

如圖9，29 日08 時，急流核中心位于遼寧西部，強(qiáng)度14 m/s，急流前段輻合區(qū)位于哈爾濱市南部；14時，強(qiáng)度加強(qiáng)到15 m/s，急流出口的輻合區(qū)位于哈爾濱南部和牡丹江南部地區(qū)；入夜前，低渦減弱為低空槽，急流核東移，黑龍江省中部地區(qū)位于急流左側(cè)，隨后急流核結(jié)束對黑龍江省影響。12 月29 日過程的急流位置、影響時間和12 月16 日過程的條件相似，降雪范圍大致相同。

對比三次過程的急流特征可以看出，“1117”過程急流強(qiáng)度、急流核的位置、水汽來源、持續(xù)時間明顯有利于“1216”、“ 1229”過程；雖然“1216”過程和“1229”過程的急流強(qiáng)度相當(dāng)、水汽來源相同、持續(xù)時間相近，但“1216”過程急流核的位置更靠近于渤海灣，使得水汽的供給更加有利，因此造成了區(qū)域性暴雪與單站暴雪的差異。

圖9 2019 年12 月(a)29 日08 時、(b)14 時、（c）20 時850 hPa 急流圖

這說明急流強(qiáng)度越強(qiáng)，急流核的位置經(jīng)過的水汽源越廣泛，持續(xù)時間越長造成的暴雪降雪量越大，區(qū)域范圍越廣泛。

4.3 水汽條件分析

如圖10，11 月18 日02 時，蒙古氣旋前部的偏南風(fēng)急流已經(jīng)到此次過程的最強(qiáng)時段，中心水汽通量值5 g·s-1·hPa-1·cm-1，急流核經(jīng)過日本海和渤海，帶來充沛的水汽；從17 日傍晚到18 日08 時前，黑龍江省東部地區(qū)處于一個長時間（約16 h）的、水汽通量散度值為大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽輻合區(qū)，該水汽通量散度的區(qū)域與暴雪區(qū)域匹配。急流為此次暴雪提供了豐富的水汽，水汽凝結(jié)釋放潛熱同時加強(qiáng)了低層水汽的抬升作用。

12 月16 日20 時，低空槽前的偏南風(fēng)急流從渤海灣將水汽輸送到黑龍江省東南部，此過程的水汽通量值在此時最大，為4 g·s-1·hPa-1·cm-1。黑龍江省東南部從12 月16 日14-20 時（約6 h），水汽通量散度值大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2，暴雪區(qū)域位于該水汽輻合區(qū)域的西部，也就是急流進(jìn)入黑龍江省的區(qū)域。水汽通量散度較11 月17 日幾乎相當(dāng)，水汽通量值只相差1 g·s-1·hPa-1·cm-1，但日最大降水量相差了16 mm；水汽輻合中心范圍較“1117”過程要小很多，只覆蓋了黑龍江省東南部地區(qū)。從暴雪實況的范圍來看，范圍大的水汽輻合區(qū)也對應(yīng)著大的暴雪范圍。

12 月29 日14 時，為這次過程中水汽通量值最大（3.5 g·s-1·hPa-1·cm-1），黑龍江省東南部29 日08-14 時（約6 h）水汽通量散度在-0.3-(-0.6) g·s-1·hPa-1·cm-2之間，為三次暴雪過程中最弱，該水汽通量散度范圍內(nèi)出現(xiàn)了區(qū)域性大雪，兩站暴雪，最大降雪量與12 月16 日過程相當(dāng)。

對比分析三次暴雪過程的水汽條件可以發(fā)現(xiàn)：水汽通量散度大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2的范圍與區(qū)域性暴雪的范圍相近；雖然水汽通量最大值相近，降水量卻相差很多，還需要綜合考慮水汽通量最大值的持續(xù)時間，時間越長降水量越大。

圖10 2019 年(a)11 月18 日02 時、(b)12 月16 日20 時、(c)12 月29 日14 時850 hPa 水汽通量散度（陰影區(qū)域）和水汽通量（黑色實線）

5 小結(jié)

（1）低槽和低渦都可以給黑龍江省帶來區(qū)域性的暴雪天氣，對于同一影響系統(tǒng)，持續(xù)時間長短也影響著暴雪的強(qiáng)度與范圍。

（2）要產(chǎn)生區(qū)域范圍大的暴雪天氣，除了需要有利的動力抬升條件（渦度場、垂直速度場、散度場）配合，還需要較長的維持時間，缺一不可。

（3）急流強(qiáng)度越強(qiáng)，急流核位置經(jīng)過的水汽源越廣泛，持續(xù)時間越長造成的降水量越大，區(qū)域范圍越廣泛。

（4）水汽通量散度大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2時的范圍與區(qū)域性暴雪的范圍相近；水汽通量最大值相近時，還需要綜合考慮水汽通量最大值持續(xù)影響的時間長短，時間越長降水量越大。