乌鲁木齐“12·27”高影响大暴雪天气综合分析

2020-09-16宫恒瑞蒋慧敏张月华

沙漠与绿洲气象 2020年3期

王健，宫恒瑞，贾健，蒋慧敏，张月华

（乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐830002）

乌鲁木齐地处亚欧大陆腹地、天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，三面环山，地形复杂，暴雨雪、大风、干旱、阴雾等气象灾害时常发生[1]。作为内陆城市，乌鲁木齐气象灾害的季节性非常明显[2]，暴雪和强降雪是冬半年最主要的气象灾害之一，常给民航运输、城市交通、通信、电力、建筑和树木等带来危害。庄晓翠等[3]和张云惠等[4]指出北疆沿天山一带是北疆强降雪4 个高发区之一，其中乌鲁木齐暴雪灾害位居全疆第二，平均每年2 次。2017 年12 月27—28 日乌鲁木齐出现了26.5 mm 的大暴雪，新增积雪27 cm，给城市交通、民航运输和公众生活等造成了严重的危害。据不完全统计，这场大暴雪造成以下灾情：各类交通事故激增，当日晚高峰（18：00—21：00）城市交通几近瘫痪；出港航班延误26 班，进港航班备降9 班，返航2 班，进出港共取消31 班；迫于大暴雪对交通的严重影响和积雪清运压力，市教育局首次做出“全市中小学生28 日停课一天”的决定。

暴雪预报是气象台中高纬预报的重要内容和预报难点之一[5]，气象工作者一直在为此努力。20 世纪90 年代以前，张家宝、张学文等[6-8]分析研究了新疆大降水的时空分布特征、环流背景、主要影响系统以及水汽源地和输送路径等，为新疆暴雪天气分析预报提供了重要参考。近年来，新疆多地多次发生影响极大的暴雪天气，气象工作者利用新资料和新方法做了很多深入研究，为暴雪天气分析预报提供了新思路和新技术。崔彩霞等[9]针对北疆暴雪做了全面的天气学分析，明确了北疆暴雪的主要影响系统、中尺度环境场特征和地形在暴雪天气中的增幅作用等。李如琦等[10]指出螺旋度对新疆暴雪天气的发展、维持、强弱和落区的预报有一定的指示意义，为暴雪预报提供了新视角。万瑜等[11]对暴雪天气的多种物理量做诊断分析，得出暴雪发生发展的水汽、动力和热力条件，指出地形和城市化效应是降雪量增大的重要原因；李霞等[12]评估乌鲁木齐风廓线雷达探测能力中指出，乌鲁木齐城区三面环山的迎风坡地形和风场作用，使得城区降水量常大于周边区域；张俊兰等[13]认为在极端环流背景下，高中低层4 支气流的配合以及充沛的水汽输送和较好的动力条件是乌鲁木齐极端暴雪发生的根本原因；张云惠等[14]指出乌鲁木齐极端暴雪是低空西北急流与中高层西南急流叠加并维持的背景下，多个中小尺度系统共同作用产生的，风廓线雷达资料对暴雪短临预报有很好的参考价值。

本文通过全面分析乌鲁木齐2017 年12 月27日高影响大暴雪天气的环流演变、动力和水汽条件以及两类雷达的监测事实等，找寻乌鲁木齐大暴雪、强降雪发生发展的必要条件，提升对乌鲁木齐大暴雪、强降雪天气的预报能力。

1 大暴雪天气实况

2017 年12 月27 日午后至28 日凌晨，乌鲁木齐辖区相继出现了降雪天气：除达坂城区为小雪外，其余区域均为暴雪以上量级（图1a）；其中最大降雪落区在城区，24 h 降雪量为26.5 mm，达大暴雪量级，同时新增积雪厚度达27 cm。

乌鲁木齐城区 27 日 16：05 开始降雪，28 日 05：05 结束，降雪持续 13 h；其中 27 日 17：00—28 日00：00 的7 个时次的小时雪强均超过2 mm，小时新增积雪深度均＞2 cm（图1b），上述7 个时次是大暴雪天气的强降雪时段；27 日 18：00—20：00 城区强降雪伴4 级西北阵风，部分区域出现风吹雪，能见度为 393～424 m。

2 大尺度环流背景

2.1 高空形势演变

2017 年12 月下旬前中期，500 hPa 欧亚范围内为两脊一槽经向环流，欧洲和贝加尔湖地区为强盛的高压脊区，乌拉尔山为深厚的低压槽区；26 日08：00—20：00，欧洲和贝加尔湖高压脊向北伸展，乌拉尔大槽向南加深，槽底西风锋区在咸海南部增强；27 日08：00（图2a），欧洲高压脊受短波槽侵袭，向东南方向衰退，推动乌拉尔大槽东南移到咸海至巴尔喀什湖一带，形成中亚低槽，槽前西南气流进一步增强，在中亚至新疆西部形成5 个纬距10 根等压线的强西南锋区，伊犁地区开始降雪。此后，中亚低槽逐渐进入新疆，北疆各地相继降雪，乌鲁木齐城区16：05开始降雪；27 日20：00，上游高压脊进一步衰退，中亚低槽整体进入新疆，强锋区控制北疆，北疆大部降雪持续、乌鲁木齐进入强降雪时段；受到贝加尔湖高压脊阻挡，低槽移速放缓，乌鲁木齐降雪持续至28日 05：05。

700～850 hPa 槽脊系统的演变与同时期500 hPa的基本一致，但位置超前，可见中亚低槽具有后倾结构，与乌鲁木齐“2015·12·11”极端暴雪的影响系统类似[13]。12 月 26 日 20：00，700 hPa 库尔勒至乌鲁木齐之间有偏西风和东南风的切变，850 hPa 北疆有风场辐合，中低层风场切变和辐合促进该区域上升运动的发生发展；27 日08：00，中亚低槽进入新疆西部，700 hPa 槽前偏西气流控制北疆，乌鲁木齐气温由-2 ℃升至3 ℃、温度露点差由36 ℃降至23 ℃，增温增湿明显，此时850 hPa 北疆处于暖区且盛行偏东风，中低层的暖湿气流和偏东风为暴雪区提供了热力和水汽条件；27 日20：00 在 700 hPa 库尔勒至乌鲁木齐有偏南风和偏北风辐合，乌鲁木齐的温度和温度露点差分别降为-15 ℃和2 ℃，850 hPa 冷高压控制北疆，等温线密集区控制北疆沿天山一带、强锋区位于该区域，乌鲁木齐上空为18 m/s 的偏北风。

图1 2017 年12 月27—28 日乌鲁木齐辖区降雪量分布（a，单位：mm）和乌鲁木齐城区逐小时降雪量和新增积雪（b）

2.2 地面形势演变

2017 年12 月下旬中期，地面高压在黑海地区生成后，中心沿着 40°N 不断东移。27 日 02：00 高压东移到咸海南部，中心值1035 hPa，长轴呈准东西向，高压前部有冷锋锋生；08：00 高压中心强度加强为1040 hPa，高压区范围明显增大，高压前部冷锋进入伊犁地区，当地开始降雪；14：00—17：00 高压整体东移，冷锋进入北疆沿天山一带并维持，当地自西向东相继降雪降温，乌鲁木齐城区16：05 开始降雪；随后，受天山山脉阻挡，冷锋移速缓慢，至28 日05：00 冷锋移出，乌鲁木齐降雪结束。

环流演变显示，乌鲁木齐大暴雪的影响系统是中亚低槽，该系统进入新疆后，受贝加尔湖高压脊的阻挡，移速减缓，致乌鲁木齐降雪时间长、累积量大。降雪前乌鲁木齐中低层增暖增湿，降雪时的风场辐合和吹向天山山脉的偏北风，为大暴雪提供了大尺度的热力、水汽和动力条件。地面冷高压和冷锋沿着利于北疆大降水的偏西路径[4]进入新疆，受天山山脉的阻挡和乌鲁木齐城区三面环山地形抬升，水汽聚合、上升运动增强，致乌鲁木齐城区雪强强且累积降雪量大于周边。冷锋影响乌鲁木齐时间与该站降雪起止时间对应较好。

图 2 2017 年 12 月 27 日 20：00 500 hPa 高空形势（a，单位：dagpm）和天气系统综合分析（b）

2.3 高低空系统配置

27 日 17：00—28 日 00：00 为强降雪时段。利用12 月27 日20：00 乌鲁木齐高低空和地面天气系统综合图（图2b），分析强降雪发生时乌鲁木齐周边有利的环境场条件。200 hPa 乌鲁木齐位于高空西南急流右侧，急流的抽吸有助于大尺度上升运动增强和维持，增加大气不稳定性和水汽持续输送。500 hPa 上位于槽前＞24 m/s 的西南急流轴上，进一步增强乌鲁木齐上升运动的同时，把中低层充沛水汽持续输送到高层。700～850 hPa 在偏北急流带上，偏北风吹向天山山脉，在平均高度4 km 的准东西向天山山脉的迎面阻挡下，偏北急流加强并延长了中低层上升运动和水汽汇聚，利于降雪强度增强、时间延长。地面上处于准东西向的冷锋中，增强和维持地面上升运动，加强地面水汽汇聚输送。

3 水汽和动力条件

3.1 水汽输送路径

水汽条件是产生大暴雪必不可少的重要条件。本文利用NECP1°×1°每6 h 一次再分析资料分别计算500 hPa 和700 hPa 的水汽通量，结合同层风场资料，分析大暴雪天气水汽输送的主要路径。500 hPa上（图3a），水汽由黑海输送到里海和咸海北部，再由中亚低槽将水汽接力输送至新疆，同时还有来自于波斯湾的水汽补充。700 hPa（图3b），黑海水汽输送到乌拉尔山地区后，再由偏西气流经咸海把水汽输送到新疆北部。上述两条路径输送的水汽在中天山北坡汇聚。

综上，大暴雪的水汽源地是黑海、里海和咸海，由中亚低槽和偏西气流输送至新疆，在中天山北坡汇合，乌鲁木齐位于水汽汇合区中心附近。

分析 27 日 08：00—28 日 08：00 乌鲁木齐附近整层水汽通量散度时间—高度剖面图（图4），27 日11：00 后乌鲁木齐附近700 hPa 以下均为水汽辐合区，辐合大值区集中在 850 hPa 高度；27 日 20：00—28 日02：00 强降雪时段，水汽通量散度持续大于4×10-5g·（cm2·hPa·s）-1。上述说明乌鲁木齐大暴雪的水汽主要来自于700～850 hPa。

3.2 动力条件

3.2.1 地面冷锋和上升运动

图 3 2017 年 12 月 27 日 20：00 水汽通量和风场

图4 乌鲁木齐附近水汽通量散度时间—高度剖面

利用乌鲁木齐假相当位温θse高度—时间演变（图5）分析大暴雪前后冷锋演变特征。12 月27 日14：00 后乌鲁木齐附近冷空气接地，并出现上凸高能舌，等θse线梯度明显增大，冷锋到达乌鲁木齐站。至 28 日 02：00，600 hPa 以下等 θse线与地面垂直，等 θse线密集带从地面延伸至 300 hPa。28 日 05：00 之后，高空至地面等θse线转为一致下凸，冷锋锋消，降雪结束。冷锋在乌鲁木齐站维持约12 h 且伸展高度高，上升运动因锋面抬升得以维持和增强，可见地面冷锋为大暴雪的发生提供了持续的大尺度上升运动。

3.2.2 散度和垂直运动

由大暴雪前后乌鲁木齐附近上空散度（图6a）和垂直速度（图6b）的时间—高度剖面图可知，26 日20：00 前乌鲁木齐上空整层散度值较小，27 日 08：00在 850 hPa 以下出现负散度，至 20：00，700 hPa 以下负散度加强为-2×10-5/s，700～300 hPa 为深厚正散度区、中心值＞3×10-5/s。28 日 02：00 后整层转为负散度为主。对应上升运动变化，27 日08：00 之前整层为弱下沉运动，之后整层迅速转为上升运动，且上升速度逐渐增大，27 日 20：00 前后，在 600 hPa 附近出现最大上升速度8×10-2m/s，整层上升运动维持至28 日02：00，随后开始减小。整层上升运动的起止时间和峰值时段与乌鲁木齐降雪起止时间、强降雪时段基本对应。

图5 大暴雪前后乌鲁木齐假相当位温θse（单位：K）高度—时间演变

降雪起止时间与中低层辐合、高层辐散及上升运动起止时间较为一致；整层上升运动大值时段与强降雪时段相对应。中低层辐合、高层辐散加强了暴雪区的上升运动，为增大降雪强度提供了有利的动力抬升。

4 乌鲁木齐雷达资料分析

4.1 天气雷达产品

4.1.1 组合反射率因子

大暴雪过程乌鲁木齐新一代天气雷达的组合反射率探测显示，12 月 27 日 15：00 前，乌鲁木齐上游15 km 处存在大片 15～20 dBZ 回波，对应有降雪，此时乌鲁木齐站回波很弱，无降雪；15：46（图 7a），＞15 dBZ 回波进入乌鲁木齐，出现降雪；16：00—21：00（图7b），受影响系统移速放缓影响，乌鲁木齐周边15～20 dBZ 层状云回波维持，降雪持续并增强；21：00—23：00（图 7c），上游 20 dBZ 较强片状回波东移并演变为西北—东南向的较强回波进入乌鲁木齐，20～25 dBZ 回波滞留，乌鲁木齐出现强降雪，22：00—23：00 小时雪强达 3.2 mm；28 日 00：00—04：00，乌鲁木齐附近回波持续减弱、范围缩小，降雪减弱趋停。回波强度演变和移动与乌鲁木齐降雪的起止时间、强度变化一致。

图6 12 月26—28 日乌鲁木齐附近上空散度（a）和垂直速度（b）时间—高度剖面

4.1.2 径向速度

乌鲁木齐新一代天气雷达2.4°仰角径向速度场上，降雪前，零速度线为“S”形，风向随高度顺转，测站上空有暖平流，热力条件较好，低层东南风，高层西北风，负速度区有牛眼且产生了速度模糊，正速度区牛眼结构显示不完整，但出现了速度模糊，说明风速随高度先增后减，中层西北急流出现。27 日16：00（图8a），零速度线“S”形曲率减小，暖平流和西北急流继续维持，3 km 高度处有低空西北急流，风随高度逆转，中低层有冷平流；降雪持续期（图8b），零速度线演变成“一”字形，整层一致为西北风，牛眼结构仍存在，中层高层存在速度极大值。降雪减弱趋停期（图8c），整层仍为西北风，风速减小，牛眼结构范围缩小。

大暴雪过程中，乌鲁木齐附近以层状云回波为主，回波最强达25 dBZ，最强回波与强降雪时段较吻合。径向速度上，降雪增强期，零速度线由“S”形变为“一”字形结构，风速随高度先增后减，风向随高度逆转有冷平流，3 km 高度西北急流维持；整层西北风风速减小，降雪减弱趋停。

4.2 风廓线雷达

风廓线雷达可以连续监测测站上空的水平风场和大气折射率结构常数（Cn2）等，具有较高的时空分辨率，对降水预报具有较好的指示意义。

水平风场上（图 9），27 日 10：30 探测高度由之前的3000 m 迅速抬升到7500 m，且降雪期间维持在 6500～7500 m；12：00 前 500 m 以下湍流明显，500～1500 m 为东南风，1500 m 以上为西南风，低层有暖平流；12：00 后500 m 以下转为西北风，冷空气从底层楔入，暖湿空气被抬升；15：00 西北风增强到20 m/s，暖湿空气沿锋面不断抬升，半小时后降雪开始；随后西北—东南风的切变廓线抬升，17：00 抬升至4000 m，降雪持续期此高度维持。27 日14：00 在7500 m 出现＞20 m/s 的高空西南急流，800~1200 m 出现＞12 m/s 的低空西北急流，两支急流维持至强降雪结束。

图7 12 月27 日乌鲁木齐新一代天气雷达组合反射率因子（单位：dBZ）

图8 2017 年12 月27—28 日乌鲁木齐新一代天气雷达2.4°仰角的径向速度（单位：m·s-1）

图9 乌鲁木齐风廓线雷达2017 年12 月27 日08：00—22：30 逐0.5 h 水平风实况（单位：m/s）

降雪前5 h，乌鲁木齐增湿明显、探测高度突升且维持至降雪结束。冷空气从底部楔入，暖湿空气被迫抬升，乌鲁木齐上空高、低空急流建立和维持，对应降雪的起止时间，充分印证低空西北急流是大暴雪天气的触发因子之一。

大气折射率结构常数（Cn2）反映了测站上空大气中水汽的丰欠，其值增大表示大气中水汽增加，对降水起止时间和强度的预报有较好的参考价值。乌鲁木齐风廓线雷达 2017 年 12 月 27 日 11：00—22：30逐 0.5 h 的 Cn2监测（图 10）可见，27 日 16：00 降雪前，Cn2＜-140 dB；16：00 降雪开始后 Cn2迅速增大并维持在-140～-120 dB，28 日 06：00 降雪结束后 Cn2快速减小到-140 dB 以下，其中强降雪时段4 km 以下＞-128 dB。可见，Cn2＞-140 dB 接地的时间与降雪起止和持续时间较为一致，4 km 以下＞-128 dB 是强降雪的必要条件之一。