2015年12月乌鲁木齐极端暴雪成因分析

许婷婷,张云惠,于碧馨,郑育琳

(新疆气象台,新疆 乌鲁木齐 830002)

2015年12月乌鲁木齐极端暴雪成因分析

许婷婷,张云惠,于碧馨,郑育琳

(新疆气象台,新疆 乌鲁木齐 830002)

利用常规观测资料、NCEP FNL(1°X1°)再分析资料以及卫星、雷达回波资料,对乌鲁木齐2015年12月10-12日的极端暴雪天气过程的环流演变及暴雪产生和维持的机制进行了初步分析.结果表明:此次暴雪过程是欧洲脊发展推动乌拉尔山地区长波槽东移南压,同时配合低层风场的辐合切变、地面冷锋及地形强迫抬升等共同作用造成的.500 hPa偏南气流,700 hPa、850 hPa的偏北气流在乌鲁木齐的交汇有利于加强冷暖空气的汇合和水汽的聚集,为乌鲁木齐强降雪提供有利的动力条件.各物理量场的配合及地形作用使得大暴雪持续时间长,降雪强度大;降雪前期乌鲁木齐逆温使不稳定能量集中释放;散度辐合中心最强时段及上升运动均与降雪时段对应,乌鲁木齐地形引起的强迫抬升为暴雪提供有利的垂直环流;水汽的主要来源为阿拉伯海及孟加拉湾,且水汽在中低层的辐合上升明显,水汽通量散度辐合中心的出现时间对大暴雪的最强降水时段有很好的指示意义.

极端暴雪;高低空配置;物理机制;中尺度

暴雪是北疆冬季的主要灾害性天气之一,对设施农业、畜牧业、公共交通及公众生活等会造成严重的影响.对于暴雪的研究,在环流配置、水汽输送等方面已经有了较多的研究[1-7],但目前对于新疆暴雪的预报仍然存在难点.为此,杨莲梅等通过统计和诊断分析,揭示了新疆牧区大到暴雪过程的时、空分布特征和年际变化,初步分析了2000-2001年冬季特大雪灾的成因,并选取典型个例分析了新疆暴雪的水汽来源和特征.赵俊荣[9]也针对新疆北部阿勒泰地区罕见连续性暖区大暴雪天气进行了特征及成因的分析.刘惠云[10]、王磊[11]等从大气稳定度、水汽条件、高空急流、高低空风场切变等对新疆北部的暴雪过程进行了分析.同时,对于乌鲁木齐的暴雪,万瑜等[12,13]分析其环流背景及成因表明暴雪落区出现在城区及周围,降雪强度大且分布不均,具有明显的中-β尺度特征;张云惠[14]等对乌鲁木齐一次极端暴雪进行了中尺度分析,发现了中-β尺度次级环流圈;王健[15]通过实验找出暴雪天气前后大气中的水汽密度与液态水含量变化值,从中找出降雪过程中的变化关系阈值,来为精细化天气预报和短时临近预报提供技术支持.

本文通过常规资料、NCEP FNL1°X1°再分析资料以及卫星、雷达回波资料,对2015年12月10-12日乌鲁木齐暴雪的环流形势及物理量特征进行分析,探讨此次极端暴雪的成因及演变特征,为提高乌鲁木齐暴雪预报准确率提供参考.

1 降雪概况及灾情

2015年12月10-12日,乌鲁木齐出现历史上首个大暴雪,过程累积降雪量达46.3 mm,其中11日降雪量为35.9 mm,突破历史极值,成为1951年建立气象站以来冬季的最大日降雪量;积雪深度达46.3 cm.此次暴雪过程除乌鲁木齐出现大暴雪外,伊犁河谷大部、博州、北疆沿天山一带、天山山区出现暴雪,沿天山、天山山区多站破历史极值(图1a);全疆105个国家级气象观测站中,有28个站点出现暴雪.

由乌鲁木齐逐小时降雪量可见(图1b),主要降雪时段集中在11日的01-12时,最强小时降雪量为2.8 mm,出现在11日08时.

这次暴雪天气过程具有降雪强度强、积雪深度厚、持续时间长、影响程度大等特点.由于持续强降雪机场跑道不能满足航班起降标准,造成大面积航班延误,超过200个航班延误或取消;对设施农业、畜牧业等也带来极大影响;乌鲁木齐市区多所中小学校停课;对公众生产生活影响较大,摔伤患者和交通事故明显增多.针对此次乌鲁木齐的特大暴雪,乌鲁木齐市气象台于11日09时发布了有史以来第一个暴雪红色预警信号.

由于此次乌鲁木齐极端暴雪事件极其罕见,且从此次天气过程图中发现乌鲁木齐暴雪相比其它站点降雪量级明显,因此本文着重探讨乌鲁木齐大暴雪产生的环流背景及形成机制.

2 环流背景及演变特征

2.1 500 hPa环流形势

12月8日,500 hPa欧洲浅脊东南衰退,乌拉尔山低涡东移发展,乌拉尔山大槽东移南压,低槽伸展到40°N附近;里海南部存在一低涡(低涡中心位于53°E,33°N附近)东移南压(图2a),到9日20时减弱成槽,与乌拉尔山大槽合并东移,欧亚范围内环流经向度加大.10日乌拉尔山大槽在缓慢东移的过程中不断加深,冷空气南下影响新疆,低槽振幅加大,南段南伸至30°N附近,并配合有-36℃的冷中心(图2b);11日乌拉尔山低槽东移到中亚时,经向度逐渐减弱,成为明显的中亚槽,然后东移进入北疆,造成北疆大范围强降水天气过程.13日随着上游里咸海地区长脊并东移,乌拉尔山大槽减弱东移移出新疆,过程基本结束.

2.2 高低空环流配置

10日20时,500 hPa槽前西南气流不断将阿拉伯海的水汽输送至新疆地区,700 hPa以下低层存在偏西路径的水汽输送,水汽在北疆汇聚,为乌鲁木齐的强降雪提供有利的水汽条件,使得低层(700 hPa、850 hPa)北疆大部湿度迅速增大,温度露点差T-Td≤5℃,湿度条件较好.

图1 2015年12月9日20时-12月13日08时乌鲁木齐降雪概况

图2 12月9日08时和10日20时500 hPa环流形势

100～500 hPa,咸海-巴尔喀什湖一带均为深厚的低槽,低槽配合700 hPa以下风场的辐合切变,有利于低层的上升运动,为北疆的大到暴雪提供了有利的环流背景.同时,500 hPa偏南气流配合700 hPa、850 hPa的偏北气流在乌鲁木齐汇合,这种高低空配置有利于加强冷暖空气的汇合,加之天山的地形强迫抬升[16],为乌鲁木齐强降雪提供了有利的动力条件(图3).

前期新疆位于蒙古高压底后部,形势静稳,里海附近有一地面高压,稳定维持.10日08时里海冷高压中心强度为1040 hPa,10日20时冷高压移至咸海南部,中心强度仍为1040 hPa,前沿冷空气在中亚形成冷锋,影响新疆西部.11日08时冷高压加强东移至巴尔喀什湖南侧,中心强度达1045 hPa,冷锋东移南压越过天山山区,造成北疆大部的降雪天气.

由图3可知,此次强降雪呈quot;后倾槽quot;结构,当地面冷锋从沿天山一带南压越过天山山区时,北疆受500 hPa槽前西南气流控制,中层较强的西南气流与低层偏北的冷湿气流叠加并维持,加之700 hPa至地面存在风场的辐合切变,同时配合地形的强迫抬升等中小尺度系统,使得此次降雪呈现强度强、时间长的特点.除此之外,降雪前期由于特殊的河谷地形乌鲁木齐存在逆温[17],近地层大气湿冷,逆温层以上东南风的维持使得上层大气干暖,干暖盖的存在使得不稳定能量不至于零散释放,当有强大触发机制时使得不稳定能量集中释放,为乌鲁木齐的强降雪提供了热力条件.

图3 2015年12月11日08时乌鲁木齐暴雪高低空系统配置

3 中尺度分析

3.1 热力条件

3.1.1 乌鲁木齐单站热力条件分析

分析乌鲁木齐附近的温度、相对湿度和风场的高度-时间剖面图(图4),9日20时前750～900 hPa维持逆温,且700～850 hPa均为东南风,风速最大可达16 m.s-1.前期逆温的维持,促进不稳定能量集蓄,有利于后期强降雪的发生.

图4 2015年12月9日08时至12日20时温度、相对湿度、风在乌鲁木齐附近(44°N,87°E)的高度-时间剖面图

8-12日即降雪前期至降雪时间段,大部时间乌鲁木齐温度露点差T-Tdlt;2℃,即近地面层湿度较大,但温度较低,地面受逆温影响维持湿冷环境,9日20时-10日14时乌鲁木齐升温,逆温破坏,不稳定能量释放,为暴雪提供有力的热力条件.

分析降雪前9日20时的温度对数压力图,发现低层逆温,且中高层均为干层,低层为湿层;11日08时降雪最大时段的温度对数压力图则显示低层逆温破坏,450 hPa均为湿层,湿层深厚,水汽条件好,利于降雪,且500 hPa转为西南风,700 hPa以下转为西北风,温度平流由暖平流转为冷平流,表明冷空气侵入.

3.1.2 假相当位温θse和比湿q特点

降雪前9日20时θse等值线在天山北坡堆积,700 hPa以下θse等值线密集(图5a),即能量在天山北坡聚集,且θse随高度增大,层结稳定,近地层比湿最大为1.5 g.kg-1.到降雪最大时段11日08时(图5b),天山北坡θse等值线由密集转为稀疏,能量有所释放,近地层比湿增大,达到3 g.kg-1.θse等值线密集区从近地层抬升至700 hPa以上,并向北倾斜,表明乌鲁木齐附近(44°N、87°E)上空,700 hPa以下冷空气前期在天山北坡堆积,迫使暖空气沿锋面上升,万瑜等[12]的研究表明暖空气在上升过程中释放潜热,造成对流层中层垂直风切变增强,垂直运动加强,而且冷空气占据原来暖空气所在位置,且近地面湿冷,冷暖和干湿空气的汇合,有利于斜压不稳定的增长,这种机制的维持有利于乌鲁木齐暴雪的持续与增强.

3.2 动力分析

3.2.1 散度分析

从各层散度场分析表明,在暴雪发生期间,乌鲁木齐上空低层存在较强的辐合区.图6a是10日08时-12日20时在乌鲁木齐附近水平散度的高度-时间剖面图,可以分析出在700 hPa以下存在一强辐合中心,250 hPa左右出现辐散中心,在11日08时辐合最强,与最强降水时段对应.12日02时之后,低层850 hPa以下转为辐散场,降水减弱并结束.

3.2.2 垂直运动分析

从垂直速度分析(图6b),在暴雪发生期间,10日20时-11日20时在乌鲁木齐上空存在上升运动,且10日08时-11日20时,300 hPa以下为上升运动区.强烈的上升运动有利于水汽的凝结,与降雪时段对应.

同时地形作用对此次强降雪的垂直运动有利,分析发现降雪开始时段低层西北气流于天山北坡遇山后在低空强迫抬升,形成较强的垂直上升运动,且在降雪最强时段一直伸展到300 hPa左右.这种垂直运动有利于乌鲁木齐暴雪的维持及增强,为此次暴雪提供持续的动力支持.

3.3 水汽条件

本次降水过程水汽的主要源地位于阿拉伯海及孟加拉湾,前期乌拉尔山大槽在东移过程中南压,低槽前的西南气流及偏南气流不断将阿拉伯海及孟加拉湾的水汽经中亚地区向北输送,到达新疆地区.

由暴雪中心乌鲁木齐附近水汽通量散度的高度-时间剖面图(图6c)可以看出,10日20时-11日20时,中低层水汽通量散度为负值区(即辐合区),水汽通量散度有明显的跃增,水汽在乌鲁木齐上空聚集并辐合,且在11日08时负值区中心值达最大,在850 hPa附近为-11.5X10-7g.hPa-1.cm-2.s-1,与最大降雪时段一致.同时600 hPa以下为水汽通量散度的辐合区,可见此次水汽主要来源于中低层,同张俊兰等[18]的研究结果相近.

4 卫星云图及雷达回波资料分析

4.1 卫星云图分析

红外云图上,降水开始时段(图7a)云系主要集中在新疆偏西地区,乌鲁木齐上空的云系还比较分散,且以中高云为主;降水最强时段(图7b)有明显的斜压叶状云系由伊犁河谷生成并发展,后边界较为光滑整齐,呈向西凸起的盾状云型.云系位于500 hPa槽前,冷锋沿着叶状云的暖侧压在乌鲁木齐,乌鲁木齐降水最强时段也出现在此时;降水结束时段(图7c),云系东移北上,移到新疆偏东地区,乌鲁木齐上空云系以高云为主.

4.2 多普勒雷达回波资料分析

多普勒天气雷达对强对流、热带气旋和暴雨等重要天气系统能进行有效的监测和预警,并对降水量进行估测.乌鲁木齐暴雪雷达观测显示为以层状云降水为主的回波特征,因此着重对其径向速度图进行分析.

图5 θse(实线,单位:K)和q(虚线,单位:g.kg-1)沿87°E的垂直剖面

图6 乌鲁木齐附近(44°N,87°E)散度、垂直速度、水汽通量散度及风场的高度-时间剖面

图7 2015年12月10日04 时(a)、11日08时(b)、12日05时(c)的FY-2G红外云图

分析乌鲁木齐强降水时段的多普勒雷达径向速度图(图8),雷达西侧的零等速线基本呈直线,即探测范围内各高度层风向均为西北风;雷达东侧零等速线呈弓形,且入流速度面积大于出流速度面积,表现为汇合型流场,即风向辐合;在第一个距离圈附近所对应的高度范围内分别出现一对最大、最小径向速度,呈quot;牛眼quot;型结构,风速值为10～15 m.s-1之间,表明风先随高度增大到最大值,然后再随高度减小,即从风速来看是低层辐合、高层辐散[19],与前文研究一致;在强降水时段多普勒雷达的径向速度图能明显地反映风场的辐合辐散结构,对临近预报有较好的指示意义.

4.3 风廓线雷达资料分析

乌鲁木齐风廓线雷达为CFL-03型边界层风廓线雷达,于2011年12月投入使用,探测频率为1280 MHz,波长为0.234 m,最小探测高度60～120 m(与场地环境有关),最大探测高度3.0～6.0 km(与天气条件有关),高度分辨率为60 m/层(60～900 m),120 m/层(gt;900 m),采集数据频率为1次/6 min[20].

图8 2015年12月11日07:52的径向速度(2.5°仰角)

分析风廓线雷达水平风向风速(图9a),发现在10日00时以前雷达探测的最大高度在3.0 km左右,0.2 km以下风向均为东南风,随高度升高风向转为偏东风,即1.0 km以下存在冷平流,1.0～2.0 km以东南风为主,且最大水平风速可达20 m.s-1,风随高度顺转表明存在暖平流,中层大气仍在增温,为暴雪提供热力条件.前面的分析也表明近地层大气湿冷,逆温层以上东南风的维持使得大气干暖.

10日00-14时(图9a),东南风减弱,1.0～2.5 km转为较强的西北风,最大水平风速可达20 m.s-1.11时以前0.2 km以下仍旧维持弱的东南风,但0.2～1.0 km为弱的偏西风,即2.5 km以下均为冷平流.14时近地层也转为西北风,与降雪开始时段对应.强降雪时,雷达探测可达5.5 km,3.0 km以下均转为偏北风,冷空气加强,乌鲁木齐的地形也会造成风场的辐合和地形抬升作用,使得冷空气得到迅速加强.降雪最强时段11日08时,4.0 km以上转为西南风,4.0 km以下均为偏北风,强降雪的出现基本伴随着中高层存在西南风、低层偏北风,这种机制为强降雪的维持提供了动力条件.12日08时雷达探测高度迅速下降至2.5 km左右,低层偏北风减弱,降雪趋于结束.

5 结论

(1)欧洲脊发展使得乌拉尔山地区长波槽东移南压,在这种大尺度环流背景下发生了这次乌鲁木齐大暴雪天气,且低层北疆大部湿度条件较好,配合风场的辐合切变、地面冷锋及地形强迫抬升等共同作用造成此次过程.

(2)500 hPa偏南气流配合700 hPa、850 hPa的偏北气流在乌鲁木齐汇合,这种高低空配置有利于加强冷暖空气的汇合和水汽的聚集,加之地面冷锋及天山的地形强迫抬升,为乌鲁木齐强降雪提供了有利的动力条件.

图9 9日20:00-11日20:00水平风场

(3)降雪前期乌鲁木齐逆温,近地层大气湿冷,逆温层以上干暖盖的存在使得不稳定能量不至于零散释放,当有强大触发机制时使得能量集中释放,为乌鲁木齐的强降雪提供了热力条件;冷暖和干湿空气的交汇,有利于斜压不稳定的增长,这种机制的维持有利于乌鲁木齐暴雪的持续与增强.

(4)散度和垂直速度的配合,为此次过程提供了动力条件.散度辐合中心最强时段及强烈的上升运动均与降雪时段对应.乌鲁木齐地形引起的地形强迫抬升使得天山北坡维持垂直上升运动,这种垂直结构为乌鲁木齐暴雪的维持及增强提供了有利的动力支持.

(5)水汽的主要来源为阿拉伯海及孟加拉湾,水汽主要在中低层辐合上升.水汽通量散度辐合中心的出现时间对本次乌鲁木齐大暴雪的最强降水时段有很好的指示意义.

(6)乌鲁木齐强降水时段的多普勒雷达径向速度图显示雷达西侧探测范围内各高度层风向均为西北风,东侧表现为风向辐合,风速表现为低层辐合、高层辐散;风廓线雷达的水平风能较好地表现降雪前期及降雪时段内风场的变化及动力条件,反映出高低空的冷暖平流变化及热力条件,折射率结构常数和雷达的最大探测高度则能较好地体现降水过程中的水汽变化.

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Analysis of Extreme Blizzard in December 2015 in Urumqi

XU Tingting,ZHANG Yunhui,YU Bixin,ZHENG Yulin
(Xinjiang Meteorological Observatory,Urumqi 830002,China)

Using conventional observation data,NCEP/FNL(1°X1°)reanalysis data,in combination with radar and satellite data in Urumqi,the circulation evolution and the mechanism of the generation and maintenance of an extreme blizzard process occurred in Urumqi during 10th-12th December,2015 are preliminary analyzed.The results show that the cause of the blizzard process is the development of European ridge which promotes the long wave trough of Ural Mountains eastward and southward and the cooperation with convergence and shear of low-level wind,ground cold front and topographic forcing uplift etc.The coordination of various physical fields and the role of topography make the Urumqi heavy snow the convergence of the south airflow on 500 hPa and the north airflow on 700 hPa and 850 hPa in Urumqi can strengthen the confluence of cold and warm air and the gather of water vapor,besides,it also can provide favorable dynamic conditions for the blizzard in Urumqi.The temperature inversion over Urumqi makes the unstable energy release concentrically in the early stage of snowfall.The period of the convergence center of divergence and ascending motion are corresponding with the period of snowfall.Forced uplift of Urumqi landform provides favorable vertical structure for blizzard.The main source of water vapor of this blizzard is the Arabian Sea and the Bay of Bengal,and converging ascending motion of water vapor at low levels increase significantly,the appearance of the convergence center of moisture flux divergence has a good indication of this strongest precipitation period of Urumqi Blizzard.

extreme blizzard;collocation of high and low levels;physical mechanisms;meso-scale

P458.1+22

A

1002-0799(2017)05-0023-07

许婷婷,张云惠,于碧馨,等.2015年12月乌鲁木齐极端暴雪成因分析.[J].沙漠与绿洲气象,2017,11(5):23-29.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.004

2017-01-03;

2017-01-26

国家自然科学基金项目(41565003),科技部公益性行业(气象)科研专项(GYHY201506009)共同资助.

许婷婷(1989-),女,助理工程师,主要研究方向为短时临近预报与预警.E-mail:1048330331@qq.com