华北南部一次暴雪过程的诊断分析

2014-01-07田志广段宇辉

科技视界 2014年31期

田志广段宇辉张南

（河北省气象台，河北石家庄 050021）

0 引言

华北地区暴雪灾害主要发生在初冬、初春的过渡季节，受雪灾影响，高速公路封闭、机场部分航班延误，对交通安全和经济损失造成巨大影响。近年来，对于华北暴雪的研究引起了许多气象专家的关注，对其发生、发展的物理机制、回流冷空气性质等方面开展了大量工作[1-6]。结果表明，连续降雪期间华北地区始终处于锋区中，存在低空幅合、高空幅散的散度场垂直分布结构，且动力锋生机制在暴雪过程中有重要作用。张迎新[7]研究发现：边界层和中低层风速加大与降水加强有很好的对应关系，且在边界层顶高度上下出现浅薄的冷平流后，边界层内东北风变得有组织且风速增大。翟亮[8]等通过对2009年2次不同类型降雪天气过程中海淀边界层风廓线数据研究发现，700hPa以上出现冷平流或者冷平流加强且高度降低，也是降雪即将开始的一个特征，同时底层偏东气流里风速突然加强的现象对短时临近预报中预报降雪的起始时间有参考价值。位于40°N以北的高空槽东移引起中低层大量的冷空气南下，此冷空气经渤海侵入华北平原，低层风场上表现为大于12m/s的东北风急流。为了揭示本次过程中900hPa以下的东北风急流在华北南部暴雪的影响机理和风廓线测风监测到的东北风急流和温度平流的指示意义，本文利用风廓线资料、探空资料、NCEP1°×1°逐6小时再分析资料和常规观测资料等对2011年11月29～30日华北南部的暴雪天气进行分析。

1 实况分析

2011年11月29～30日，受低槽冷锋、低空切变线配合东北风冷空气影响，河北省中南部地区出现了大范围雨转雪而形成的暴雪天气。和区域性大范围暴雪相比，本次暴雪具有局地性强、持续时间相对较短、雨强大等特点，且降雪前和降雪后的两天，华北中南部地区还出现了大范围的大雾天气，甚至个别县市能见度不足50m，这种“雪后雾”天气造成了较大的危害。

从11月29日早晨开始，河北省中南部地区自西向东先后出现雨雪天气，29 日 11：00（北京时，下同）之前以降雨为主，11：00～12：00 转为雨夹雪，12：00 之后为降雪。主要降雪时段为 29 日 14：00～20：00，保定、沧州以南地区降大到暴雪，其中石家庄、衡水中南部、邢台、邯郸有45县市降暴雪，邢台市区最大降雪量为28.7mm（图1a）；河北中南部地区有21个县市积雪深度超过10cm，邢台市区积雪深度最大为42.2cm（图 1b）。

2 大尺度环流特征

据统计，华北地区的暴雪过程可分为三类：冷涡类、低槽冷锋类和回流冷锋类，这次暴雪过程可归属于低槽冷锋类暴雪：500hPa西风槽、西南低空急流，配合低层切变线和东北气流的冷垫抬升，地面上存在冷锋和倒槽，是这次暴雪过程的主要影响系统。

图1 2011年11月29日08：00～30日08：00河北省降雪总量（a）和积雪深度（b）（单位：mm）Fig.1 Total snowfall from 08:00 on 29 to 08:00 on 30(a)and snow depth at 08:00 on 30(b)November 2011 in Hebei Province.Unit:mm

2.1 天气形势

11月29日08：00 500hPa上（图略），亚欧中高纬地区为二槽一脊型，河套地区有西风槽东移发展，华北处于槽前西南暖湿气流。对应700hPa图上（图略），西风带短波槽与南支槽同位相叠加，形成的槽前西南风低空急流的北端已经发展到河南中部，东北-西南走向的低空切变线位于华北西部。850hPa及以下层次，东北地区南下冷空气以偏东气流影响华北，东北风急流风速达12～16m/s。地面图上（图略）北高南低，北部冷中心强度达到1047.5帕，华北西部有地面倒槽发展并维持。

2.2 低空西南急流

大的降水都必须有充沛的水汽和能量的输送，低空急流是动量、热量和水汽的高度集中带，对中纬度暴雪的产生具有重要意义。暴雪发生前，华北南部始终处于700hPa垂直速度大值区和风速达16～20m/s的西南低空急流（图2）的左前侧，同时两支高空急流交汇右侧的强幅散区、700hPa切变线风速幅合区与暴雪落区密切相关，该层的垂直上升区位于低空急流的中心区和急流移向前方的风速幅合区附近，表明大尺度环流背景有利于触发大范围的上升运动，西南低空急流是华北南部地区低槽冷锋暴雪的主要水汽输送通道。

图2 2011年11月29日14时700hPa垂直速度与低空西南急流阴影区：风速≥12m/sFig.2 Vertical velocity and low level jet area on 700hPa at 14:00 on 29 November 2011.Shaded area:Wind speed≥12m/s

2.3东北冷空气的动力抬升

从图3（a）中可以明显看到，垂直环流有明显的斜升，次级环流的上升支有两部分：西南风低空急流前侧500hPa上出现了-1.6Pa/s的倾斜上升区；在700hPa西南低空急流的低层出现了-1.6Pa/s的上升中心，同时在850hPa以下同样存在一个超过12m/s的偏东风的大风速核，由于低层东风回流的存在，使得垂直环流出现了倾斜结构，低层水汽输送在华北南部开始堆积和强迫抬升，产生强烈的幅合上升运动。这与“850hPa以下强盛的东北气流与700hPa以上的西南气流相互作用，加强了垂直切变而形成较强的动力抬升[9]”是一致的。

东北冷空气的强迫抬升和地形抬升是本次暴雪过程的动力机制。从西南—东北走向的流场高度剖面（图3b）中可以清楚看到，由于太行山地形对东北冷空气的阻挡作用，太行山山前东北冷空气的堆积,造成厚度增加，使得中低层的西南低空急流爬升，加强了垂直上升运动，从而使降雪强度增强。

2.4 过渡季节与隆冬季节暴雪过程的对比

本文还对比分析了表1中7次华北暴雪过程中的最大上升速度、比湿及对应层次，可以发现，最大垂直速度≥-0.8Pa/s的暴雪过程，都发生在过渡季节，伴随有明显的雨雪转换。本次过程中最大上升速度达到了-1.6Pa/s，同样发生在秋冬过渡季节的雨转雪，这在华北出现的低槽冷锋类暴雪过程中是很罕见的。从过渡季节与隆冬季节暴雪过程的水汽条件进行对比分析发现：本次暴雪过程的最大比湿达到了4.0g/kg，同样在过渡季节发生暴雪过程的比湿都在3.5g/kg以上，其中2009年11月华北南部区域性暴雪的最大比湿达到了6g/kg，与隆冬季节发生暴雪的比湿在3g/kg以下相比，较为充沛的水汽含量是过渡季节发生区域性暴雪的有利条件。

图3 2011年11月29日14：00沿116°E垂直速度与低空急流的剖面(阴影区：20m/s≥风速≥12m/s)(a)沿（36°N，113°E）到（40°N，120°E）方向流线的剖面 (b)Fig.3 Cross-section of vertical velocity and low level jet along 116°E at 14:00 on 29 November 2011.Shaded area:20m/s≥Wind speed≥12m/s.(a)Cross-section of stream along （36°N，113°E）to（40°N，120°E）.(b)

表1 华北7次暴雪过程的最大上升速度和比湿Tab.1 Vertical velocity and specific humidity on snowstorm process in north china

图4 邢台站探空比湿（图a）和温度（图b）的高度-时间剖面Fig.4 Height-time cross-section of specific humidity（a） and temperature(b)in Xingtai

3 东北冷空气的干冷性质

东北南下的东北路径冷空气流经渤海后影响华北，在对其干冷还是湿冷性质的方面，许多专家做了大量的研究工作，其中张迎新等[10]研究发现,低层东北南下的冷空气，虽然流经渤海，但其仍是比较干冷的。作为本次降雪过程中雪量最大的邢台站，通过对其探空资料的分析来研究本次过程偏东冷空气的性质，更有说服力。

从整个降雪过程分析，邢台单站出现降雪前，图4（a）上850hPa及以下的东南风逆转为东北风，并增强到12m/s，低层的比湿由925hPa上的4g/kg迅速减小到850hPa的1g/kg以下，垂直结构上出现了湿-干-湿的不同层结结构，其中低空西南急流伴随的3g/kg的水汽输送带集中在700hPa附近，29日中午前后降雪开始，形成华北南部的暴雪；29日20时，东北风依然维持，由于700hPa西南风顺转为西北风，导致上述湿层结构消失，降雪减弱结束。同样在温度的高度-时间剖面图上（图4b），强降雪前，东北风的增强使得低层温度明显降低，东北气流的冷垫抬升使相对暖湿的西南气流爬升，并在东北风急流上部850hPa～700hPa出现了明显的逆温或等温的层结结构。

综上所述，本次过程经渤海影响华北南部的偏东冷空气是相对干冷的性质，主要的水汽来源于700hPa附近低空急流的水汽输送。针对本次过程，降雪开始前，850hPa以下东北风的增强和850hPa～700hPa逆温层的出现，对暴雪的出现有明确的指示意义。

4 唐山风廓线测风计算的温度平流特征分析

由于温度平流是造成大尺度垂直运动和天气系统发展的动力学因子之一，且风廓线雷达测风技术弥补了有球探测方式的不足，因此由风廓线资料推算温度平流可以作为诊断天气和形势演变的依据[11]，具体温度平流的计算公式如下[12]：

在热成风假定条件下，设等压面P1和P2上风向风速分别为（V1，θ1）、（V2，θ2），其中：ΔP＝P1-P2，p＝(P1-P2)/2，f为科氏参数，Rd为空气气体常数。

唐山（图5中方框）是偏东路径冷空气南下过程的必经之路，由于华北暴雪前地面会较长时间维持东北气流，通过分析地面自动站逐小时风场和流线可以看出，降雪时的地面风场的幅合抬升也不明显，并且图5中的相对湿度的分布也能看出，在东北风冷空气影响下，华北地区的相对湿度自西南向东北的逐渐减小，与东北急流的干冷性质的结论是一致的，但对暴雪的预报意义相对较小。因此对本次过程尝试通过分析唐山站风廓线监测到的偏东风急流和计算的温度平流变化，分析是否对降雪的提前量有指示意义。结果发现：计算得到的温度平流在29日 11：00的1100m高空开始出现了-0.8×10-4℃/s的冷平流区，并随着系统发展，冷平流逐渐增强，最大达了-2.0×10-4℃/s的冷平流大值区，并且冷平流中心出现了明显下降，这与华北南部的最大降水时段主要集中在14：00～17：00的时间也是一致的。因此，唐山风廓线仪测风计算的冷平流大值中心与暴雪区发生时段有很好的对应关系。

图5 2011年11月29日11：00自动站风场（单位：m·s-1）和相对湿度（单位：%）,方框：唐山风廓线Fig.5 Wind field(unit:m·s-1)and relative humidity(unit:%)at AWS at 11:00 on 29 November 2011，box:wind profile radar of Tangshan

图6 2011年11月29日12：00～18：00，唐山风廓线计算温度平流（单位：10-4℃/s），阴影区：冷平流Fig.6 Temperature advections of Tangshan weather station from 12:00～18：00 on 29 November 2011(unit:10-4℃/s).Shaded area:cold advection