2018年1月陕西区域性暴雪过程诊断

徐娟娟，郝 丽，刘嘉慧敏，郭大梅，赵 强

(1.陕西省气象台，陕西 西安 710014； 2.陕西省气候中心，陕西 西安 710014)

引 言

暴雪作为冬季重要灾害性天气之一，一直备受关注。气象学者对于暴雪的产生机理进行了大量研究[1-4]，取得很多成果。陕西天气气候条件复杂，冬季黄土高原、关中平原及秦岭山脉都出现过暴雪天气，对交通和人们生活带来诸多不便。王川等[5]对陕西两次冰雪灾害天气过程进行对比分析，发现200 hPa西风急流演变对连阴雪天气发生发展有指示意义；杨文峰等[6]对陕西一次特大暴雪进行诊断，指出500 hPa短波槽、700 hPa和850 hPa切变线是暴雪发生的主要影响系统，中尺度对流云团是造成暴雪的直接原因；王丹等[7]对2011年冬季陕西两次降雪过程进行对比，指出两次过程冷空气条件的差异直接导致了降雪强度的差异，850 hPa相对湿度大于90%的高湿区对大到暴雪落区有很好的指示意义。

目前对暴雪机理的研究多集中在环流形势、物理量分析等方面[8-19]，由于冬季能量偏低，暴雪强度较暴雨明显偏小，因此对于暴雪过程的不稳定条件分析往往会被忽视。相关研究认为强降雪的发生是由于对称不稳定导致[1,20-24]，对称不稳定能量的释放使对流发展，产生暴雪天气。俞小鼎等[25]认为条件不稳定导致的垂直对流、条件对称不稳定导致的倾斜对流以及中性条件下锋生强迫的较强垂直环流是冷季高架对流形成的三种机制。2018年1月3日，陕西省出现了自2010年以来范围最大、强度最强的暴雪天气过程，此次强降雪过程持续时间短(历时12 h)，强度大(12 h降雪量达18.4 mm)，模式及主观预报对此次强降雪的起始及持续时间出现了较大偏差(起始时间预报偏晚约8 h，持续时间预报较实况偏长)，本文利用多种观测资料，在环流、物理量等分析的基础上，分析在短时间内产生强降雪的不稳定机制，试图找出此次强降雪产生的原因，以期为今后此类过程的预报提供一些参考。

1 资料选取

资料包括2018年1月2—4日探空资料、地面观测资料、陕西自动站逐时降水资料、ECWMF(0.125°×0.125°)逐6 h再分析资料和FY-2G卫星红外波段黑体亮度温度TBB。

2 降雪实况

2018年1月2日14:00(北京时，下同)，宝鸡地区开始出现降雪， 3日08:00之前降雪主要集中在关中地区，降雪强度小于1 mm·h-1，之后降雪范围逐渐扩大至全省，并在3日夜间迎来本次过程的最强降雪时段。图1为陕西省2018年1月3日08:00至4日08:00降雪量空间分布。可以看出，3日08:00至4日08:00，延安南部、关中、商洛北部地区均出现暴雪(≥10 mm)天气，其中3个监测站出现大暴雪(≥20 mm)，分别为蒲城21.9 mm，华山20.3 mm和永寿20.2 mm。4日08:00，关中及延安大部分地区积雪深度达10 cm以上，其中渭南、华山、淳化和白水积雪深度达20 cm以上，渭南蒲城最深为23 cm。4日08:00之后，降雪趋于结束。

图1 陕西省2018年1月3日08:00至4日08:00降雪量空间分布(单位：mm)Fig.1 The spatial distribution of snowfall in Shaanxi Province from 08:00 BST on 3 to 08:00 BST on 4 January 2018 (Unit: mm)

3 大尺度环流形势

2017年12月29日，500 hPa乌拉尔山附近有高压脊发展，高压脊西部强烈暖平流使环流经向度不断增大，至2018年1月3日08:00(图略)，乌拉尔山阻塞高压建立，由于持续的暖平流输送作用，阻塞高压形势一直维持至6日。高压脊发展导致极地强冷空气沿高压脊东侧南下并堆积，在新疆北部形成中心温度达-40 ℃的切断低压。该切断低压稳定维持在新疆北部长达5 d，其外围不断有低槽携带冷空气东移，为陕西暴雪提供了充足的冷空气。2日20:00，切断低压底部分裂一股冷空气缓慢东移，东移过程中又有来自切断低压底部的冷空气不断进行补充，3日20:00[图2(a)]，冷空气到达甘肃东部，堆积加深为低槽并缓慢东移南压，陕西强降雪落区也向东发展。与此同时，中低纬孟加拉湾附近南支槽偏强，西南风达20 m·s-1以上，随着冷空气东移，南支槽也开始东移，南支槽前强西南气流逐渐与其北部冷槽前的西南气流合并，共同引导强暖湿气流北上，槽前正涡度平流为暴雪发生提供了有利动力条件，陕西开始出现强降雪，随着低槽东移，强降雪区也向东发展。4日08:00(图略)，低槽已移至陕西东部，并快速减弱移出陕西，降雪趋于结束。

随着500 hPa两股西南气流的合并，3日20:00，700 hPa中心风速大于20 m·s-1的强西南低空急流在贵州至重庆一线建立，陕西位于急流轴左前侧，并与宁夏南部的北风在关中西部形成东北—西南向切变。同时，850 hPa贝加尔湖附近强冷高压底部回流冷空气向西输送，风速达10 m·s-1，在陕西形成明显的风速辐合。在强暖湿气流与冷空气共同作用下，陕西出现大范围暴雪天气。4日，陕西受槽后西北气流控制，降雪过程结束。6—7日，伴随着切断低压减弱东移，低压底部低槽过境使得陕西再次出现降雪天气，但强度明显偏弱，之后陕西受槽后西北气流控制，天气转好。

在整个降雪期间，巴尔喀什湖和贝加尔湖之间有强冷高压稳定维持，高压主体呈西北—东南向分布，其中心气压值高达1060 hPa[图2(b)]，持续的强冷空气不断向东南方向输送。在中低纬度，四川倒槽持续加强向东北方向伸展，倒槽前的暖湿气流与冷高压底部的东路回流冷空气在陕西地区长时间强烈交汇，造成陕西暴雪天气。

图2 2018年1月3日20:00 500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)、风场(风向杆，单位：m·s-1)(a)和海平面气压场(b，等值线，单位：hPa)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (contours, Unit: dagpm), wind (wind stems, Unit: m·s-1) (a) and sea level pressure (b, isolines, Unit: hPa) fields at 20:00 BST on 3 January 2018

4 云图特征

此次暴雪过程为层状云伴有对流云团的混合性质降水。3日08:00开始，长约1000 km、宽约150 km、TBB<-40 ℃的狭长降水云带由四川中部不断东移北伸向陕西发展，至17:00降水云带北边界发展至延安北部，TBB<-40 ℃的范围略有增大，降水云带长约1100 km，宽约200 km，呈东北—西南走向，此时延安以南地区出现大范围降雪，大部分地区TBB>-50 ℃，降雪强度大都在1 mm·h-1以下。随后云带略有南压，至20:00[图3(a)]，云带北侧压至延安南部，范围缩小，呈椭圆形，覆盖陕西中南部地区，此时关中西部和陕南西部对流加强，有多个中心TBB<-52 ℃、尺度<20 km的圆形中-γ尺度对流云团发展，永寿地区19:00—20:00，2 h降雪量达3.2 mm。随后降水云带继续东移北伸，强度和范围都略有减小，至23:00云带形态和位置都与17:00相似，降雪范围也进一步扩大至全省。之后，降水云带整体开始东移，虽然TBB<-40 ℃的区域逐渐减小，整体强度逐渐减弱，但其中不断发展的中尺度对流云团造成了强降雪的发生。4日00:00[图3(b)]，云带移至关中—陕南中部，内有多个TBB<-50 ℃、水平尺度小于20 km的中-γ尺度对流云团发展，关中多个站点降雪强度大于2 mm·h-1，乾县达2.4 mm·h-1。4日01:00[图3(c)]，云带继续东移，关中中北部有TBB>-50 ℃的中-β尺度对流云团发展，此时的中尺度对流云团发展最为旺盛，水平尺度达100 km，成椭圆形，降雪强度也达到本次过程最强，小时降雪量耀州达3.0 mm，蒲城为2.6 mm。此后对流云团在云带东移过程中强度有所减弱，03:00[图3(d)]云带移至陕西东部，在渭南和商洛的交界处对流云团又增强，有TBB<-52 ℃、水平尺度约为80 km的椭圆形中-β对流云团发展，此时蒲城小时降水量达2.4 mm，随后云带和其中的对流云团减弱东移出陕西，降雪过程逐渐结束。

5 不稳定机制

3日23:00至4日05:00，6 h降雪量耀州为11.8 mm，蒲城为12.6 mm、华阴为11.4 mm，均达到暴雪以上。图4为2018年1月3日20:00西安站T-lnP和1月4日00:49西安站CB天气雷达0.5°仰角反射率因子。可以看出，500 hPa以下T-Td除714 hPa为2 ℃外，其余均为1 ℃，500～250 hPaT-Td≤3 ℃ ，整层大气接近饱和。500 hPa为西南风，风速为25 m·s-1,700 hPa为强偏南风，风速为14 m·s-1， 850 hPa以下为强偏东风，最大风速为16 m·s-1，结合850 hPa温度场来看，强的东路冷空气提供了强的冷垫，有利于700 hPa暖湿气流爬升。0～6 km风矢量差达34 m·s-1，风切变为西南风，与热成风方向一致，风场具有较强斜压性。最强降雪反射率因子达33 dBZ；从暴雪区的位置来看，3日20:00地面冷锋(图略)前缘已抵达华南一带，锋后北风加强，陕西位于冷锋后部的冷区内，距离冷锋约500km；925～900hPa及700～600hPa均存在比较深厚逆温层，地面至900 hPa为深厚冷垫，厚度达100 hPa左右，属于一次冷季高架对流过程[25]。

图3 2018年1月3日20:00(a)和4日00:00(b)、01:00(c)、03:00(d) FY-2G卫星TBB空间分布(单位：℃)Fig.3 Spatial distribution of TBB from FY-2G satellite at 20:00 BST on 3 (a)and 00:00 BST (b), 01:00 BST (c), 03:00 BST (d) on 4 January 2018 (Unit: ℃)

图4 2018年1月3日20:00西安站T-ln P图(a)和1月4日00:49西安站CB天气雷达0.5°仰角反射率因子(b, 单位: dBZ)Fig.4 The T-ln P diagram of Xi’an sounding station at 20:00 BST on 3 (a) and reflectivity factor on 0.5° elevation angle at 00:49 BST on 4 January 2018 from the Xi’an CB weather radar (b, Unit: dBZ)

此次过程的西安站雷达回波显示雪带回波基本呈现出多个平行于0～6 km深层垂直风切变的回波带，回波顶高位于6 km左右，最强反射率因子大于30 dBZ，属于强回波。回波显示雪带随气流移动，无传播效应，属于较典型的由条件对称不稳定导致的倾斜对流所形成的带状回波[25]。

进一步沿109°E做绝对地转动量Mg[25](Mg=Ug-fy)和假相当位温θse(整层大气几乎饱和，相当位温与饱和相当位温几乎相等，而一般认为相当位温约等于假相当位温[26]，故此处用假相当位温表示饱和位温)的纬度-高度剖面(图5)，发现在强降雪区(34°N—36°N)上空，700～500 hPa，θse斜率大于绝对地转动量Mg斜率，满足条件对称不稳定判据，因此可以认为条件对称不稳定导致的倾斜对流是造成本次高架对流发生的机制。

图5 2018年1月 3日20:00 Mg(彩色等值线，单位：m·s-1)与 θse(黑色等值线，单位：K)沿109°E的纬度-高度剖面(红色框为强降雪区域)Fig.5 The latitude-height cross section of Mg (color isolines, Unit: m·s-1) and θse (black isolines, Unit: K) along 109°E at 20:00 BST on 3 January 2018(the red rectangle for snow storm area )

6 物理量分析

6.1 水汽条件

1月3日08:00，低层水汽通道已经建立。700 hPa(图略)受南支槽影响，在长江以南有一条西南—东北向水汽通量的高值带，暴雪的水汽主要来自于孟加拉湾地区；重庆地区有一个水汽通量高值区，强西南气流在重庆北部有分支转为西北气流向陕西输送，陕西中南部水汽通量大于10 g·cm-1· hPa-1·s-1。850 hPa(图略)，东海经河南至陕西境内有一条水平的水汽通量高值区，东海水汽沿东风气流输送至陕西。此时700和850 hPa陕西中南部水汽通量散度为-1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右，辐合较弱，陕西大部分地区出现零星小雪。此后随着西南急流的建立，水汽输送逐渐增强并略微北抬，3日20:00(图6)，强降雪发生时，700 hPa位于重庆北部的水汽输送大值中心北抬至陕南南部，风向转为西南向，强降雪发生在水汽通量密集区的北侧。同时陕西中南部水汽辐合增强，水汽通量散度为-6×10-7～-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。850 hPa东路的水汽输送带继续维持，水汽辐合有所加强。随着影响系统逐渐东移，低层水汽输送增强，并在4日02:00(图略)达到最强，此后随着冷空气南压，低层水汽输送也逐渐南压，4日08:00，陕西大部低层水汽通量低于2 g·cm-1· hPa-1·s-1，水汽通量散度大于-1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，降雪逐渐趋于结束。

6.2 冷暖平流作用

3日08:00，受南支槽影响，陕西地区850～500 hPa为暖平流，此时西南暖湿气流较强，降水还处于发展阶段，降雪强度弱。3日20:00， 500 hPa[图7(a)]甘肃东部为强大的冷平流区，陕西及以东地区为暖平流，冷暖两股气流在陕西西部交汇，强降雪出现在温度平流梯度最大的区域。此时700 hPa陕西受西南暖湿急流影响，为暖平流，为暴雪区输送了充足的水汽和能量条件。850 hPa受冷高压影响，维持冷平流。有研究表明，陕西暴雪天气往往和西路、东路两股冷空气的夹击有关[5],这两股冷空气与偏南暖湿气流相互作用，有利于低层辐合上升和对流发展，增强雨区的辐合和湿斜压不稳定。随着低槽东移，500 hPa冷平流持续向东发展，冷暖气流交汇的锋区也不断东移进入陕西，强降雪区也逐渐向东发展，4日02:00[图7(b)]，陕西中南部转为冷平流，强度为-5×10-5℃·s-1，此时锋区位于关中北部，等值线最为密集，对应于降雪最强时段。随后，锋区减弱东移，至4日08:00陕西上空已完全转为冷平流，降雪逐渐结束。可以看出，此次强降雪是500 hPa西路和850 hPa东路冷空气以及700 hPa暖湿空气的共同作用形成，500 hPa冷暖空气交汇的锋区与降雪区对应，说明500 hPa冷空气的侵入是此次降雪的触发机制。当锋区移出陕西，降雪趋于结束。

图6 2018年1月 3日20:00 700 hPa(a、c)、850 hPa(b、d)水汽通量(a、b，单位：g·cm-1· hPa-1·s-1)及水汽通量散度(c、d，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.6 The water vapor flux (a, b, Unit: g·cm-1· hPa-1·s-1) and moisture flux divergence (c, d, Unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) on 700 hPa (a, c) and 850 hPa (b, d) at 20:00 BST on 3 January 2018

图7 2018年1月3日20:00(a)和4日02:00(b)500 hPa温度平流(单位：10-5 ℃·s-1)Fig.7 The temperature advection on 500 hPa at 20:00 BST on 3 (a)and 02:00 BST on 4 (b) January 2018 (Unit: 10-5 ℃·s-1)

6.3 动力抬升条件

散度和涡度是研究大气动力过程中两个很重要的物理量，散度表征大气在运动过程中的辐合和辐散，涡度描述大气的空气微团旋转运动的强弱程度，强烈的垂直上升运动，为暴雪的产生提供原动力[27]。图8为2018年1月 4日02:00沿109°E的散度、涡度和垂直速度纬度-高度剖面。

3日08:00(图略)，在34°N—35°N(暴雪区)，800～400 hPa为宽广的辐散区，辐合区位于800 hPa以下，800 hPa以下为负涡度，700～500 hPa为正涡度，数值小于6×10-5s-1，此时辐合层较低，低层负涡度不利于对流发展，整层为弱上升运动，此后随着低槽发展东移，西南急流建立，3日20:00(图略)，该区域辐合加强，散度场呈现出明显的高层辐散、低层辐合特征，辐合中心位于600 hPa附近，与散度场相对应，涡度场500 hPa以下为正涡度，以上为负涡度，散度及涡度场的有利配置，使得上升运动增强，此时沿109°E为宽广的上升运动区，与云系的南北走向对应，强上升运动位于34°N，与强降雪区吻合，上升运动中心位于500 hPa附近，数值为4×10-3hPa﹒s-1。此后，随着系统东移，辐合进一步加强，4日02:00，强辐合区移至35°N附近，辐合层高度伸展至500 hPa，600 hPa附近有-4×10-5s-1的辐合中心，400 hPa附近有5×10-5s-1的辐散中心，涡度场上，整层均为正涡度，500 hPa上有10×10-5s-1的正涡度中心，此时散度和涡度更加有利的配置使得整层上升运动也进一步加强，在500～400 hPa生成强度为-8×10-3hPa·s-1的强上升运动中心，此时也是暴雪过程的最强降雪时段。随后，随着系统逐渐减弱移出陕西，34°N—35°N区域逐渐转为辐散下沉运动区，陕西强降雪逐渐减弱结束。

综上所述，暴雪区高层辐散、低层辐合配置的发展和维持，产生了强上升运动，同时中低层深厚正涡度的维持是陕西暴雪形成的动力机制。与以往的陕西深冬暴雪相比[6,7,28]，此次暴雪过程的上升运动更强(以往过程垂直速度大但中心位置较低，中心位置高则数值较小)，这可能与条件对称不稳定导致的高架对流有关。

图8 2018年1月 4日02:00沿109°E的散度(a)、涡度(b)(单位： 10-5 s-1)和垂直速度(c， 单位： 10-3 hPa·s-1)纬度-高度剖面Fig.8 The latitule-height cross sections of divergence (a), vorticity (b) (Units: 10-5 s-1)and vertical velocity (c, Unit: 10-3 hPa·s-1) along 109°E at 02:00 BST on 4 January 2018

7 结 论

(1)500 hPa切断低压底部分裂低槽东移发展，为2018年1月此次暴雪天气提供了持续的冷空气输送，冷槽与强南支槽前西南气流叠加，共同引导低层暖湿气流北上的同时，槽前正涡度平流也为暴雪的发生提供了有利的动力条件；700 hPa西南急流和850 hPa偏东急流为暴雪产生提供充沛水汽条件的同时，也提供了良好的动力条件。

(2)长约1100 km、宽约200 km、TBB<-40 ℃的狭长降水云带的发展东移，是造成本次降雪天气的主要原因，云带内发展的TBB最低为-52 ℃、尺度介于20～100 km的中-β尺度对流云团是造成小时降水量超过2.0 mm，产生区域性暴雪的主要原因。

(3)本次暴雪属于一次冷季高架对流过程，700 hPa暖湿气流沿着冷垫爬升，条件对称不稳定导致的倾斜对流造成了强降雪的发生，不稳定层大致位于700～500 hPa，雷达回波表现为平行于深层垂直风切变的平行带状结构，并且雪带随气流移动。

(4)700 hPa西南急流和850 hPa偏东气流携带来自孟加拉湾和东海两个源地的水汽到达陕西地区，为陕西暴雪的产生提供了充沛的水汽，最大降雪区位于水汽通量密集区北侧。

(5)强降雪区与500 hPa锋区对应，说明中层冷空气的侵入是本次暴雪发生的主要触发机制，同时850 hPa的湿冷气流从东部配合，700 hPa暖湿气流沿着850 hPa的湿冷气流爬升，共同导致了暴雪的发生。

(6)暴雪区高层辐散、低层辐合，维持较强的上升运动，同时中低层深厚的正涡度产生和维持是陕西暴雪形成的动力机制。与以往的陕西暴雪相比，此次暴雪过程的上升运动更强，可能与条件对称不稳定导致的高架对流有关。