2018 年春季中天山北坡两场强降雪分析

李海花，张云惠，张 萌，洪 月

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

北疆是新疆重要的农牧业区，其开春期一般在3 月中下旬，但由于春季冷空气活动频繁，常出现明显的降雪天气，而大范围的强降雪会对农作物播种与出苗、林果开花坐果、牧业转场及产羔育幼等造成严重影响。多年来，新疆很多专家针对冬季暴雪的大尺度环流背景、关键环流配置、水汽源地、路径及水汽输送异常等方面做了研究[1-6]，表明高、低空急流的配置、低层强水汽输送及辐合强度与暴雪强度有较好的对应关系。也有不少学者对中天山北坡暴雪天气机理做了许多研究[7-12]，指出降雪前期乌鲁木齐近地层有较强的逆温、风场扰动及低层东南急流，干暖盖起到了储蓄和积累能量的作用；而强降雪时冷暖空气在山前交汇，促进了斜压不稳定增长。中层低槽前偏南气流与中纬度偏西气流汇合是判断乌鲁木齐周围暴雪落区的重要指标，地形因素是乌鲁木齐市城区降雪量较大的原因之一；西南暖湿气流沿着阿拉伯海和孟加拉湾形成水汽输送带，为暴雪提供了充沛的水汽。虽然针对中天山北坡暴雪机理研究很多，但对春季强降雪天气过程研究较少[8-9]，因此，有必要做进一步的分析研究，以期提高对春季中天山北坡强降雪的预报能力。

2018 年 3 月 17—18 日（简称“03·17”过程）和2018 年 4 月 11—12 日（简称“04·11”过程），中天山北坡出现强降雪天气，强降雪落区主要在乌鲁木齐市及其周边。强降雪天气造成道路湿滑结冰、严重拥堵、交通事故明显增加、航班大量延误，也影响农业生产迫使春耕备耕推后。本文在分析两场强降雪天气环流背景的基础上，重点对比分析形成强降雪的动力机制和水汽输送异同，以期进一步加深对春季中天山北坡强降雪的理解和认识，为此类天气预报预警提供参考。

1 资料及降雪实况

1.1 资料选取与方法

本文所用资料包括常规观测、自动站逐小时降雪资料、乌鲁木齐风廓线雷达资料及欧洲中期天气预报中心（ECMWF，简称 EC）0.25°×0.25°再分析资料。主要采用天气学分析、动力诊断、拉格朗日轨迹模式等方法开展研究。降雪量按照新疆降雪等级标准，即 24 h 降雪量≥12.1 mm 为暴雪，24 h 降雪量≥24.1 mm 为大暴雪。

1.2 天气实况

由 3 月 17 日 20：00（文中均为北京时）至 18 日18：00 累积降雪量（图1a）可以看到，强降雪集中在中天山北坡的乌鲁木齐市和昌吉州，6 站暴雪，1 站大暴雪，降雪时段主要在 3 月 18 日 01：00—18：00（图1b），最大降雪中心位于乌鲁木齐市达坂城站，降雪量28.7 mm，突破3 月历史极值，有6 个时次雪强为2 mm·h-1以上，04：00—05：00 最大雪强达 4.2 mm·h-1；次降雪中心是乌鲁木齐市城区，降雪量16.6 mm，最大雪强为2.5 mm·h-1；第三是昌吉州天池站，降雪量14.4 mm，最大雪强为 1.7 mm·h-1。

4 月 11 日 11：00—12 日 00：00 累积降雪量表明（图1c），强降雪仍集中在中天山北坡乌鲁木齐市及南郊、昌吉州东部，14 站暴雪，4 站大暴雪。强降雪时段集中在 4 月 11 日 11：00—12 日 05：00（图 1d），最大降雪中心位于昌吉州天池站，降雪量25.7 mm，11日 17：00—18：00 雪强达 2.7 mm·h-1；次降雪中心是乌鲁木齐市城区，降雪量为24.1 mm，11 日14：00—15：00 最大雪强4.4 mm·h-1；第三是乌鲁木齐市小渠子站，降雪量 24.1 mm，11 日 13：00—14：00 最大雪强为 5.0 mm·h-1。

“04·11”过程降雪范围及强度均较“03·17”过程偏大偏强，但强降雪中心位置和强度不同，“03·17”过程大暴雪在乌鲁木齐市达坂城站，范围小且集中，而“04·11”过程大暴雪在中天山北坡呈带状分布，且过程累积降雪量和小时雪强均明显大于“03·17”过程。

2 环流背景及高低空系统配置

2.1 环流背景

“03·17”过程：降雪前即 3 月 15—16 日，500 hPa 欧亚范围中高纬为两脊一槽，环流经向度加大，乌拉尔山附近和新疆为高压脊，中亚低涡在咸海到巴尔喀什湖之间，16—17 日中亚低涡不断分裂短波东移影响新疆西部，17 日20 时（图2a），北欧低槽分裂短波南下，中亚低涡得到冷空气补充加深，使里海南部至巴尔喀什湖南部的槽脊系统经向度加大，推动中亚低涡沿天山北坡缓慢东移，槽底南伸至40°N附近。18 日08 时，咸海脊发展东移，中亚低涡继续加深，槽底南伸至35°N 附近，乌鲁木齐附近的西南风速增大至14 m·s-1。18 日20 时中亚低涡减弱成槽东移至乌鲁木齐以东，降雪结束。

图1 过程累积降雪量（a，c）和强降雪中心自动气象站逐小时降雪量（b，d）

“04·11”过程：4 月 10 日 500 hPa 欧亚范围内为两脊一槽的经向环流，东欧和中西伯利亚为高压脊，西西伯利亚至中亚为低槽活动区，新疆受浅脊控制。随着新地岛冷空气快速南下，东欧高压脊向南衰退，推动西西伯利亚低槽东移，锋区逐渐加强，受下游高压脊阻挡，西西伯利亚低槽东移南伸。11 日08时（图2b），西西伯利亚低槽进入北疆与中亚短波槽结合，环流经向度进一步加大，新地岛低槽发展成低涡南下，使东欧脊减弱东移，西西伯利亚低槽继续东移，开始影响北疆，同时，里海至咸海的高压脊东扩，在北疆沿天山一带与西西伯利亚低槽汇合，低槽南伸至 35°N 附近，冷暖交汇剧烈。11 日 20 时，西西伯利亚低槽东移至新疆东部，降雪趋于结束。

2.2 高低空系统配置

“03·17”过程，200 hPa 新疆为偏西急流（图3a），500 hPa 中亚低涡前西南气流自南疆西部翻越天山至北坡（图 3a），与 700～850 hPa 天山北坡偏北气流携带的湿冷空气在乌鲁木齐附近汇合，地面冷锋压至天山附近，冷暖交汇明显，同时，天山地形强迫抬升有利于上升运动，为乌鲁木齐至达坂城一线强降雪提供了有利的动力及水汽辐合条件。

“04·11”过程，200 hPa 新疆为西南急流，500 hPa 天山北坡受中亚低槽前西南气流持续影响（图3b），低层塔城地区北部—克拉玛依—中天山北坡一线为西北急流，两支急流在中天山附近汇合，增强了水汽输送及辐合上升运动，为乌鲁木齐附近的强降雪提供有利水汽及动力条件。

图 2 3 月 17 日 20 时（a）与 4 月 11 日 08 时（b）500 hPa 位势高度场（等值线，单位：dagpm）和风场（风向杆，阴影区风速≥20 m·s-1）叠加

图 3 3 月 17 日 20 时（a）和 4 月 11 日 08 时（b）高低空主要天气系统配置及对应时段地面温度场（c，d）

两次过程冷高压均为西北路径，“03·17”过程冷高压中心位于巴尔喀什湖北部，“04·11”过程位于巴尔喀什湖附近，温度场上（图3c，3d）降雪大值中心均处于冷暖空气交汇处，锋区较强，有利于不稳定发展。

上述分析表明，中天山北坡均受500 hPa 低槽前西南气流影响，在700～850 hPa 西北急流出口区附近，低空西北急流与中层较强西南急流叠加并维持的有利环流背景下，由700～850 hPa 的风切变及风速的辐合、地面冷锋及地形强迫抬升等共同作用，加强了风场辐合及垂直上升运动，这种高低空配置的维持是乌鲁木齐附近强降雪持续的有利动力条件[10-12]。

3 地形影响下的动力机制

3.1 垂直速度和流场

图 4 为“03·17”过程和“04·11”过程强降雪时沿降雪中心（87.5°E，43.50°N） 的垂直速度和流场的经、纬向剖面图。两次降雪过程均表现为低空西北气流遇天山地形强迫抬升，与中高层西南气流汇合，在43°～44°N（强降雪范围内）产生强的垂直上升运动（图 4a，4b），＞7×10-2m·s-1的垂直上升运动高度伸展至 400 hPa 附近，在 88°～89°E（强降雪范围内）也有垂直速度大值中心（图 4c，4d），可见强上升运动区与强降雪区域较吻合。但“04·11”过程低空西北气流、中高层西南气流、＞7×10-2m·s-1的垂直上升运动的范围及强度均较“03·17”过程明显偏强，这也是“04·11”过程降雪范围、强度均较“03·17”过程偏大偏强的动力因素之一。

3.2 垂直螺旋度

螺旋度在垂直方向的分量或投影即垂直涡度和垂直速度的积，称作垂直螺旋度。垂直涡度大的系统与剧烈天气现象（如中尺度气旋）联系密切，垂直速度是实际大气中造成天气现象的最直接原因。因此，垂直螺旋度充分反映了两个与天气现象紧密联系的物理量配合情况，它不仅能反映系统的维持状况，还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度[13]，螺旋度的强弱和移动对天气系统的移动、发展有一定的指示意义。

沿 43.5°N 作螺旋度剖面，“03·17”过程（图 5a），600 hPa 以下为正值区，大值中心在700 hPa 附近为20 m2·s-2，600～400 hPa 为负值区，大值中心在 550 hPa 达-60 m·2s-2，表现为低层辐合上升和高层辐散的下正上负型。强降雪落区在正值中心与高空负值对应较好的 87°～89°E 区域内。“04·11”过程（图5b），550 hPa 以下为正值区，大值中心在 700 hPa 附近为 60 m2·s-2，550～300 hPa 为负值区，大值中心在450 hPa 达-60 m·2s-2，表现为低层强烈的辐合上升和高层辐散的下正上负型。强降雪落区在正值中心与高空负值对应较好的87°～89°E 区域内。

图 4 沿 87.5°E（a，b）和 43.5°N（c，d）的垂直速度（填色区，单位：10-2 m·s-1）与流场（流线）的剖面

沿87.5°E 作螺旋度剖面，在强降雪区域43°～43.5°N，“03·17”过程（图 5c），700 hPa 以下为正值区，大值中心在800 hPa 附近为40 m2·s-2，700～400 hPa为负值区，大值中心在 650 hPa 为-120 m2·s-2。“04·11”过程（图 5d），550 hPa 以下为正值区，大值中心在 700 hPa 为 60 m2·s-2，550 hPa 以上为负值区，大值中心在 450 hPa 为-60 m2·s-2。

两次过程强降雪时的螺旋度均呈下正上负分布，表明低层有辐合上升、高层有辐散下沉，这与李如琦[14]等研究一致。“04·11”过程低层正值中心大于“03·17”过程，即低层辐合上升运动更强，这也是“04·11”过程降雪较强的原因之一。

4 水汽条件

4.1 水汽源地及水汽输送路径

充沛的水汽输送是形成大降雪的必要条件。为了分析两次过程对流层中低层及整层水汽源地与水汽输送情况，计算各层及地面至300 hPa 垂直积分水汽通量，可以看到，“03·17”过程水汽源地主要是咸海至巴尔喀什湖之间的中亚地区（图6a），有中亚低涡自带的偏西水汽路径，还有阿拉伯海的一部分水汽通过低槽前的西南气流向北输送的西南路径，水汽在暴雪区汇合，最大水汽通量值达10×10-3g·hPa-1·cm-1·s-1。

“04·11”过程水汽输送路径较“03·17”过程明显（图6b）。水汽源地一是咸海至巴尔喀什湖的中亚地区，水汽随着500 hPa 中亚低槽前的西南气流和低层偏西气流输送至新疆；二是沿着长距离的脊前偏北气流的西北路径向新疆输送并与中亚低槽前偏南气流在中天山北坡汇合。另外，由于4 月8—9 日北疆地区出现了降雪，使得近地面存在一定的水汽，“04·11”过程水汽通量＞12×10-3g·hPa-1·cm-1·s-1的范围和强度均较“03·17”过程偏大。

4.2 拉格朗日方法的水汽来源分析

图 5 3 月 18 日 14 时和 4 月 11 日 14 时沿 43.5°N（a，b）和 87.5°E（c，d）的螺旋度

图 6 3 月 18 日 08 时（a）与 4 月 11 日 14 时（b）地面至 300 hPa 整层水汽通量

HYSPLIT 模式是由NOAA 的Draxler 等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式系统，是一种欧拉·拉格朗日混合计算模式，其平流和扩散计算采用拉格朗日方法。这个模式通常用来跟踪气流所携带的粒子或气体移动方向。模式使用的是0.5°×0.5°GDAS 资料。

进一步使用HYSPLIT 水汽后向轨迹模式，选取追踪点初始高度即平均海平面以上高度（AGL）1、1.5、3 km 三层，向前倒推出强降雪中心72 h 的水汽质点轨迹（图 7）。“03·17”过程，以达坂城站（88.3°E，43.3°N）为源点（图 7a），可以看到没有明显的长距离的水汽来源输送通道，水汽输送通道的距离都较短，共3 支水汽输送路径：（1）1 km 高度上主要是西北路径水汽输送，前期水汽自南疆西部翻越中天山至天山北坡，西北路径方式进入中天山北坡；（2）1.5 km 高度上还有一支偏东路径水汽输送，即随新疆东部高压底后部的偏东气流自河西走廊中部（100°E，41°N）至塔里木盆地向中天山北坡输送；（3）3 km 高度以上的水汽路径以西南路径向天山北坡中低层输送。

“04·11”过程，以天池站（88.1°E，43.8°N）为源点（图7b），3 个高度水汽输送通道不尽相同。1 km高度上西北路径水汽输送，进入中天山北坡；1.5 km高度上为偏西路径，由中亚地区中高层向中天山北坡输送；3 km 高度以上还有一支西北路径的远距离水汽输送，水汽来源可追溯到挪威海地区，经过莫斯科、哈萨克斯坦到巴伦支海经西西伯利亚东南下，随着降雪天气的开始，水汽由西南路径输送至天山北坡，与偏西路径水汽在中天山北坡汇合。这与前述水汽输送路径结果相一致。

两次过程的水汽后向轨迹追踪结果表明均有低层西北、中层偏西和西南路径的水汽输送，但“03·17”过程存在一支偏东路径的水汽输送，3 支气流的水汽汇聚与新疆典型大降雪模型一致[15-19]，也是达坂城降雪强于天池并破极值的原因之一。

5 乌鲁木齐风廓线雷达分析应用

由于两场过程强降雪中心均在乌鲁木齐及周边地区，为了进一步探讨天山北坡两个过程中的动力机制及水汽条件，下面主要分析乌鲁木齐风廓线雷达资料。

5.1 水平风向和风速

“03·17”过程，3 月 17 日 16：00，1.0 km 以下为弱偏北风和偏东风的垂直切变，说明近地层存在扰动，降雪前1—2 h 即18：00，雷达探测高度伸展至4.5 km，2 km 以下转为西北气流，2 km 以上转偏南气流，20：00—23：00 整层风速增强，乌鲁木齐出现降雪；18 日 00：00—06：00，2 km 以下转为偏西风，而2 km 以上转为西南风，且整层风速明显减弱，第一波弱降雪结束。18 日 07：00—17：00 主降雪时段（图8a），雷达探测高度达5.5 km，2.5 km 以下西北气流及2.5 km 以上偏南气流维持，强降雪持续，这与前述低空西北急流与中层较强西南急流叠加并维持是中天山北坡强降雪维持的动力机制相一致。18日18：00 雷达探测高度从5.0 km 迅速降至3.0 km，整层转为西北风，降雪结束。

“04·11”过程，4 月 11 日 08：00—10：00，雷达探测高度升至5.5 km，2.5 km 以下为偏北气流，2.5 km以上为西南气流（图 8b）。11 日 11：00—21：00 降雪时段，低层偏北风速增大至14 m·s-1，高度由2.5 km抬升至4 km，与乌鲁木齐市南部天山地形相垂直，冷空气在天山北坡堆积加强，而地形强迫抬升使风速辐合加强，4 km 以上偏南气流风速增大至22 m·s-1，这也说明低空西北急流与中高层西南急流叠加是强降雪维持的动力机制。11 日22：00 雷达探测高度下降至3.5 km，整层转偏北风，降雪结束。

图 7 3 月 18 日 20 时达坂城站（a）和 4 月 11 日 20 时天池站（b）不同高度向后 72 h 气体轨迹分布

5.2 折射率结构常数（Cn2）

风廓线雷达的Cn2与大气的湿度有关，可以把它看成不同时段的多普勒天气雷达的RHI 强度回波，其探测高度变化与上述水平风向风速一致。

“03·17”过程，3 月 17 日 08：00—17：00，Cn2探测高度在 3 km 以下，Cn2值维持在-176～-144 dB，说明大气比较干，17 日19：00 时随着低层西北风速增大，2 km 以下 Cn2突然增大到-136～-128 dB，低层大气开始增湿，随着降雪的开始及持续，-136～-128 dB 的大值区上升至3.5 km，这与2.5 km 以上偏南风增大相对应，水汽的垂直辐合增强。随着第一阶段降雪结束，Cn2值也迅速减弱至-168～-152 dB。18 日 06：00 第二阶段降雪开始（图 8a），Cn2-136～-128 dB 的大值探测高度从1.5 km 猛升至4.0 km，18 日 10：00 开始整层大气的 Cn2值维持在-136～-120 dB，强降雪持续，17：00 随着降雪减弱，Cn2反射率也迅速减弱至-168～-144 dB。

“04·11”过程（图 8b），4 月 11 日 08：00—09：00，Cn2值维持在-176～-152 dB ，大气比较干；10：00—11：00 随着低层转偏北风，2 km 以下 Cn2值-144～-136 dB，略有增湿；11：00—12：00 强降雪时，4 km以下的Cn2值增大至-136～-120 dB，表明中低层大气均被高湿区控制；13：00—20：00，4 km 以下Cn2值维持在-144～-128 dB，水汽含量丰富，降雪持续；12 日 01：00，值迅速减弱至-168～-144 dB，降雪结束。

图8 水平风场（单位：m·s-1）和折射率结构常数Cn2逐小时变化（单位：dB）

上述分析表明，两次过程降雪前Cn2值均在2.0 km 以下且较弱，降雪时Cn2明显增强且高度上升至4.0 km，值维持在-144～-120 dB ，当Cn2值迅速减弱至-168～-144 dB，降雪逐渐结束。

6 结论

（1）两次强降雪过程的环流形势、高低空配置、水汽输送强度、地形影响与大多学者[7-12]研究成果相吻合，“04·11”过程乌鲁木齐附近500 hPa低槽前西南气流、低空西北气流的强度、锋区及地面冷空气均较“03·17”过程偏强。

（2）两次强降雪均表现为强上升运动区与暴雪区域吻合，垂直螺旋度均为上负下正分布，有利的垂直结构为暴雪的维持及增强提供了动力条件，且天山地形的强迫抬升作用明显。“04·11”过程的范围、强度、螺旋度的正负中心值均强于“03·17”过程。

（3）两次过程均有低层西北、中层偏西和西南路径的水汽输送。“03·17”过程有一支弱的偏东路径水汽输送；“04·11”过程有一支西北路径的远距离接力水汽输送，其经挪威海—莫斯科—巴伦支海到西西伯利亚地区东南下，将水汽接力输送至天山北坡，这也是“04·11”过程降雪范围偏大偏强的原因之一。

（4）两次强降雪发生时，2.5 km 以下均维持偏北气流，并且风速增强，偏北气流遇天山地形阻挡形成强迫抬升，2.5 km 以上均为西南（偏南）气流，风向随高度逆转有冷平流。低层辐合和高层辐散的垂直结构使上升运动发展和维持，降雪时Cn2值迅速增大至-136～-120 dB 并伸展到4.0 km。强降雪时水汽迅速聚集、抬升并维持，是产生暴雪的重要原因。但“04·11”过程中，无论是 2.5 km 以下偏北气流的风速值，还是2.5 km 以上西南（偏南）气流的风速值均比“03·17”过程大。