陕西东南部一次伴有雷暴的暴雪天气分析

陈小婷，潘留杰，井 宇，李萍云，郭大梅

（陕西省气象台，陕西 西安710014）

冬季暴雪灾害与夏季暴雨洪涝均为我国北方的主要天气气候事件，会给国民经济和人民生命财产造成巨大损失，因此气象学者针对暴雪形成机制做了大量的研究[1—10]。马振升[1]通过对河南70个暴雪过程统计分型，认为低空急流和低层切变线上气旋性曲率东扩或低涡东移是产生暴雪的重要原因，冷垫是产生暴雪的基本条件；田秀霞等[2]分析了一次华北回流暴雪中的水汽来源和锋生作用；闫慧等[3]对山西中部一次暴雪过程分析认为逆温层增厚以及垂直风切变加大是判断降雪增强的重要指标。暴雪的形成不仅与大尺度环流背景密切相关，而且往往存在明显的中尺度结构，这些中尺度结构很大程度上影响暴雪的强度和落区[4]。张宁等[5]对鄂东一次暴雪中尺度分析认为在干湿冷暖交汇的边缘生成多个锋生次级环流，这些中尺度系统对暴雪维持增强起重要作用。庄晓翠等[6]对2014年新疆西部一次暴雪中尺度分析认为，暴雪出现在中尺度冷云团边缘TBB梯度最大区域的前部，中尺度冷云团维持时间和降雪量成正比。

与常见暴雪天气过程不同，伴有雷暴的暴雪是冬季整体静稳环流形势下，局地强烈上升运动触发的对流性天气，降雪时常伴有闪电、打雷，俗称“雷打雪”，这是一种罕见的天气现象。据统计，美国伴有雷暴的降雪只占总降雪次数的0.07%[11]，在中国亦不多见。此类暴雪天气预报难度很大，研究工作较少，已有的研究工作中，Dolifneto等[12]指出强的斜压区和高空急流、合适的冷空气厚度、锋区之上有湿的中性到条件不稳定层结是预报中需要关注的特征。Pettegrew等[13]分析了冬季发生在美国中西部的一次强对流天气过程，认为高动能通过干绝热层向下传播在此次强对流天气过程中有重要的所用。胡鹏等[14]分析了济南一次伴有雷暴的暴雪天气，认为对流不稳定和条件性对称不稳定共存的情况下，锋面次级环流触发了雷暴。郭兰[15]对雷达风廓线资料分析发现低层冷暖平流交汇处，风切变逐渐加大时通常出现雷暴天气。郑丽娜等[16]从卫星观测资料分析认为MCC是造成2010年2月28日山东罕见“雷打雪”天气的直接原因。这些研究从不同视角分析了伴有雷暴的暴雪天气成因，为准确预报此类天气提供了重要的参考依据。

2016年11月22日陕西出现了一次罕见的伴有雷暴的暴雪天气，其主要特点是首场降雪出现时间早，强度大，具有对流性质。该过程导致渭南、商洛、西安三市发生雪灾，蔬菜及大棚受损严重，直接经济损失超过2000万元。陕西灾害性天气普查显示，近18 a（1999—2016年）出现暴雪过程29次，其中发生在11月的仅5次。暴雪同时伴有雷暴和闪电少见，2009年11月11日陕西全省性暴雪过程中，地面填图显示关中地区伴有冰粒，陕南伴有雷暴和冰粒；2010年4月13日关中地区出现暴雪的同时，陕南地区有雷暴天气发生。分析模式对此次过程的预报效果显示欧洲中心全球模式及华东区域模式强降水落区偏南，同时预报员对此类天气经验不足，造成关中东部降雪强度预报比实况明显偏弱。本文利用欧洲中期数值预报中心ERA-Interim再分析数据（0.25°×0.25°）、天气雷达和常规观测资料，对该过程的天气特征及成因进行分析，希望从中汲取经验，为此类天气的预报提供有价值的参考信息。

1 过程概况与环流形势

1.1 天气实况和预报偏差分析

22日08时—23日08时（北京时，下文无特殊说明均为北京时）关中东南部13站、陕南东部4站降水量超过10 mm，潼关站最大为32 mm。根据地面观测该时段关中东南部气温-6～-1℃，天气现象为雪，商洛市（位于陕南东部）北部气温-4～-1℃，天气现象为雪，商洛市南部22日11时经历了雨转雪过程。23日08时积雪深度关中东南部8站＞10 cm，商洛北部4～7 cm，华山最大为36 cm，因此判断关中东南部、商洛北部达到暴雪量级。强降雪时段非常集中，22日08时—22日14时关中东南部6 h降雪量大部分在10 mm左右（图1a），占整个过程量的60%以上，局地超过80%。危险报和闪电定位资料显示（图1b），11月22日西安、商洛、安康地区4站出现雷暴，累计闪电104次。所有雷暴以及88次闪电出现在降雪集中期11—13时，表明该时段云体对流非常旺盛。

图1 2016年11月22日暴雪过程降水量（a）和雷暴分布（b）

EC细网格2016年11月21日20起报12 h降雪量显示：关中、陕南有一次大范围降雪过程，大值中心位于陕南南部。关中东南部4～7 mm，商洛地区7～9 mm，安康南部最大达到15 mm以上。华东WARMS区域模式预报显示22日08时—23日08时（图2）陕西东南部地区有一次大到暴雪天气过程，关中东部2.5～10 mm，陕南东部＞10 mm，南部局地超过25 mm，强降雪主要出现在22日20时之前。中央台指导预报和本地主观预报产品均考虑商洛地区有暴雪，关中东部以雨夹雪或中雪为主。与实况对比可以看出，预报强降雪时段以及商洛地区的降雪量与实况基本一致，陕南南部降水量预报偏强，同时该地区实况降水相态以小雨和雨夹雪为主，模式对关中东部伴有雷暴的暴雪量级预报明显偏弱。因此有必要对这次过程进行细致的分析，总结积累预报经验。

图2 华东WARMS区域模式21日20时起报22日08时—23日08时降水量

1.2 环流形势演变特征

11月21日20时，500 hPa从巴尔喀什湖到贝加尔湖为强大的横槽，横槽南部中纬度地区以纬向环流为主，其上多短波槽分裂东移影响陕西。对应温度场上巴尔喀什湖和黑龙江以北地区分别存在-28、-48℃的冷中心，2个冷中心之间有冷平流向南输送。700 hPa在陕西、四川、甘肃三省交界处存在切变线，切变线前部经云南、贵州到重庆有10～16 m/s的西南暖湿气流输送；850 hPa在四川、重庆、陕西交界处有切变线，陕西大部被经河套南下和经华北平原回流入侵的冷空气控制。受上述系统共同影响，21日午后从陕北南部开始陆续出现零散降水，并于21日夜间逐渐转雪。22日08时（图3a），500 hPa东北冷涡东移南压，850 hPa东北路回流冷空气进一步加强，形成一支＞12 m/s的急流，700 hPa切变在原地加强，切变线北部延安站西北风风速从4 m/s增强至10 m/s，南部的西南急流北上至陕南地区，安康站风速从2 m/s骤增至16 m/s。由于切变线前部强的西南急流提供了充足的水汽、能量输送，急流前部气旋性涡度有利于水汽辐合上升，故在关中东部、陕南东部地区形成暴雪天气。

图3 2016年11月22日08时高空（a）和地面（b）环流形势

地面图上，降雪前期贝加尔湖以西地区有强度为1057 hPa的冷高压建立，地面倒槽从云南、贵州、四川到河套地区逐渐发展北上，在河套以北地区形成锋区，陕西中南部地区为热低压控制，地面温度较高，后期随着冷空气入侵，冷暖空气强烈交汇，产生强降雪。冷空气以西北路径南下，一股经河套入侵陕西北部，另一股从蒙古高原进入华北平原后，从东北路回流至陕西中南部。22日08时（图3b）东路冷空气的前部已到达30°N以南地区，陕西大部地区处于冷锋后部，地面被冷空气控制，中上层的暖湿气流在冷垫上爬升，上升运动触发不稳定能量在高层释放，造成随后6 h的降雪。因此，这是一次典型的暖湿气流在低层回流冷空气垫上爬升形成的暴雪天气。

2 探空分析和云体的对流性结构

2016年11月22日08时西安站探空显示（图4a），700 hPa以下为冷平流，700 hPa以上为暖平流，700～850 hPa为冷暖气团交汇形成的锋面逆温层；大气接近饱和状态，400 hPa以下均为高湿区（ttd≤3℃），且整层为冰相层（t＜0℃）。能量条件差，无论从地面还是逆温层顶抬升CAPE值均为0 J/kg，仅在400 hPa以上有浅薄的对流不稳定层，这对于垂直对流的发生是不利的。500 hPa以上各层的假相当位温值变化很小，属于近中性层结，一旦对流被触发，很容易在中上层不受抑制地自由发展。0～6 km风矢量差达26.5 m/s，具有强的风垂直切变，在一定程度上反映了本次过程存在较强的动力不稳定[17]，有助于对流的发生。Sherburn等[18]将CAPE≤500 J/kg并且0～6 km风切变≥18 m/s的环境场称为强切变低CAPE，并对美国此类天气的个例统计分析表明，这种天气常出现在冷季、夜晚，具有多种类型，地基对流一般具有低的抬升凝结高度，或者属于高架对流。此次暴雪过程暖湿气流在冷垫上强迫抬升，逆温层顶之上的气块绝热上升获得浮力导致雷暴，属于高架对流[19]。这种强切变低CAPE的环境经常发生，但产生严重天气的百分比相对较低，相较于强CAPE值下产生的对流天气预报难度更大。因此，结合此类天气的气候背景，在冷季天气尺度条件有利的情况下，应该对强切变低CAPE的特征给予一定的关注。

暴雪期间西安雷达具有混合性降水的回波特点，在大片弱回波区中有≥30 dBZ的块状回波或带状回波存在。30 dBZ以上的较强回波在22日08时前后出现，随后不断的在雷达西南方向新生加强，向东北方向移动，这种状态一直持续到15时左右。强回波不断经过关中东部、陕南东部地区，形成“列车效应”，造成了西安南部暴雪天气。图4b给出了12：36西安雷达的反射率因子和利用3.25 km雷达回波交叉相关追踪分析得到的CTREC（Cartesian Tracking Radar Echoes by Correlation）风场。在西安上空、商洛西南部地区存在多块团状的强回波区，其中柞水县内强回波最大强度超过54 dBZ。沿图4b中A—B点作剖面（图4c），＞50 dBZ反射率因子平均高度位于8 km，36 dBZ反射率因子最高高度延展到14 km以上，表明对流发展非常旺盛。CTREC风显示西南风超过20 m/s，在强回波区形成非常大的风速辐合，CTREC风在很大程度上表现出雷达回波区有较强的中层径向辐合，而这是对流强烈发展在雷达图上的一个重要表现。图4d给出了降雪时段内所有时次≥35 dBZ雷达反射率因子在每个点上的最大值，假定以雷达反射率因子超过35 dBZ[20]表示有对流发生，则在研究区域内大部分地方都有对流发生，强回波成多条平行带状分布。对比夏季与冬季强对流雷达回波的差异，可以发现尽管冬季可能出现较强对流，但其强反射率因子通常为面积较小的团状回波，而夏季出现强对流的高反射率因子云团面积成片或较大。此外，统计发现，秦岭及周边地区冬季强对流云团反射率因子中心所在的高度平均＞5 km，远高于夏季对流云团反射率因子最大值所在的高度3 km。

图4 2016年11月22日08时西安站探空（a）、12：36分西安雷达的组合反射率因子（b）、沿图b中A—B雷达反射率因子剖面（c）及降雪时段内所有时次≥35 dBZ雷达反射率因子在每个点上的最大值（d）

对流云团在卫星云图上也有清楚的表现。22日08时，陕西中北部大部分地区被TBB≤-32℃的带状中尺度对流云系控制，雨区处在云系南缘TBB等值线密集区。11时（图5a），云系进一步东移，陕西处于云系西部边缘，云系西段明显南压，关中东部地区TBB≤-40℃，渭南、西安、商洛三市位于TBB低值中心外围等值线密集区。随后云团西伸加强（图5b），导致关中东部、陕南东部在11—14时出现了强降雪。16时之后云系减弱东移，19时完全移出陕西，降雪结束。强降雪主要产生在带状云系东移过程中，中尺度对流云团加强西伸，移速减缓的时段，强降水落区位于TBB低值中心外围等值线密集区。从FY-2E红外云图演变可以看出，22日10—14时，在云系整体东移的过程中，其西部不断有对流单体新生、并入，单体的移动方向和传播方向几乎相反，造成中尺度对流系统移动相对变慢，经过同一地区的时间变长，从而造成强而集中的降水。这种单体后向传播的特征与暖季强降水天气特征类似[21]。

图5 2016年11月22日11时（a）和14时（b）FY-2E云顶黑体亮温图（单位：℃）

3 锋区特征和雷暴发展机制

3.1 锋生和锋面次级环流

动力锋生机制在回流暴雪的形成发展中有重要作用[22]，本次过程中冷空气主体在东移南下过程中与中低纬度前期较暖的气团相遇，形成纬向锋区。沿110°E做垂直剖面（图6a），22日08时锋区内θse非常密集，温度梯度大，显示出锋区上下两股气流显著的温湿差异。地面上冷空气前锋已达30°N以南地区，暴雪产生在32°～34°N，该区域850 hPa以下为浅薄的冷空气垫，以上为强盛的暖湿气流，两股气流的强烈相遇形成了显著的锋面逆温。

二维锋生函数定义为：

F2D＞0表示锋生。因整层大气接近饱和，上升运动区锋生函数中的倾斜项和非绝热加热项互相抵消，故仅考虑水平风场对锋生的作用[14]。由22日08时700 hPa的水平锋生函数可知（图6b），沿33°N有一条锋生带，陕西中南部为≥1.5℃（100 km·3 h）-1的大值中心，表明该处存在强烈锋生。根据热成风理论[23]，运动学锋生导致水平温度梯度增大，热成风平衡被破坏，为了维持热成风平衡，风垂直切变必须相

应增大，即高层西风风速加强，低层东风风速加强，从暴雪区附近（33°N，110°E）风场及风速演变图上（图6c）可以看出，22日08时，对流层低层东风风速增大，10 m/s的偏东风一直维持到14时，此时，中高层的西风风速逐渐增大，550 hPa偏西风22日14时增强到26 m/s。高层西风加速强迫产生南风分量的地转偏差，低层西风减速则强迫产生北风分量的地转偏差，由于地转偏差在锋区内外分布不均，于是强迫出垂直于锋面的次级环流。从暴雨区垂直运动分布（图6d、图7a）可以看出这支垂直于锋面的次级环流的存在。次级环流出现后，又对锋生发生作用，进一步使高低空锋区的水平温度梯度加强。由此可见，在此次暴雪过程中，动力锋生机制产生的锋面次级环流增强了上升运动，有利于暴雪天气产生。

3.2 雷暴发展机制

从水汽、不稳定和抬升3个基本条件出发，分析此次伴有雷暴的暴雪天气发展机制。暴雪过程中水汽通量大值区（带）与700 hPa风场上的西南急流对应较好，表明暴雪的主要水汽输送由这支西南急流完成。从22日14时沿110°E水汽通量散度和经向风及垂直风的合成风场剖面图可以看出（图7a），35°N以南500 hPa以下存在水汽通量大值区，随着西南暖湿气流沿冷空气的爬升，水汽通量大值区向北向上扩展。水汽通量散度图上（图7b），陕西中南部地区存在水汽辐合大值区，辐合中心强度小于-2×10-7g/（cm2·hPa·s），这也是22日上午降雪幅度显著增强的主要原因。可见700 hPa低空急流为暴雪及对流的发展提供了充沛的水汽条件，从21日20时低空急流建立一直到22日20时降水结束，将孟加拉湾的水汽源源不断地向降水区输送。

图6 2016年11月22日08时暴雪区气象要素及物理量分布

前文对西安站的探空分析表明，层结条件不利于垂直对流的发展。但是由于锋区存在，大气呈斜压状态，在对称不稳定条件下可以发展为斜升气流，如果是湿大气，称为条件性对称不稳定，其判据之一是绝对角动量面坡度小于等假相当位温面坡度[24]。从图8可以看出，在550～300 hPa的33.5°～35.5°N区域绝对角动量面坡度小于等假相当位温面坡度，表明暴雪区附近（33°N，110°E）存在条件性对称不稳定，提供了雷暴发展的不稳定机制。雷达反射率因子的带状回波也是条件性对称不稳定存在的体现[25]。

22日08时沿110°E的垂直速度剖面图上（图6d），34°N上空整层为上升运动，最大值-0.8 Pa/s位于500 hPa，上升运动高度可达300 hPa，其北侧为有组织的下沉运动。从垂直速度的高度—时间演变可以看出，22日11—16时持续较强上升运动，14时上升运动最强，高度可达到200 hPa。结合前文分析可以看出，逆温层顶的暖湿气流被冷空气垫抬升，产生天气尺度的上升运动，而锋面次级环流形成了中尺度的上升运动，触发条件对称不稳定能量释放，垂直运动进一步发展而产生雷暴。

图7 11月22日14时水汽通量及水汽通量散度

图8 11月22日08时θse（实线，单位：K）和地转绝对角动量（虚线，单位：m·s-1）沿110°E的经向垂直剖面

4 结论和讨论

利用欧洲中期数值预报中心ERA-Interim再分析数据（0.25°×0.25°）、天气雷达和常规观测资料，对2016年11月22日陕西东南部一次伴有雷暴的暴雪天气进行分析，得到以下结论：

（1）500 hPa横槽、700 hPa切变、850 hPa东路回流冷空气共同作用是此次暴雪天气的大尺度环流背景。700 hPa切变线附近存在强的风向、风速辐合，其前部的西南急流为降雪提供了有利的动力和水汽条件，急流加强是降雪增幅的主要原因。

（2）冷季、强的锋区和低空急流、冷垫、逆温层、锋区之上湿的中性到条件不稳定层结、强切变低CAPE、雷达带状回波是此类天气预报中需要关注的特征。

（3）整体层状云降水中，局地对流性云团旺盛发展，是此次暴雪的云系特征；暴雪主要发生带状云系东移过程中，对流云团加强西伸，移速减缓的时段；强降水落区位于TBB最小值外围等值线密集区，雷达反射率因子局地超过50 dBZ。与本地暖季对流相比，暴雪对流云团的面积较小，最大反射率因子所在的高度较高。

（4）被地面冷垫抬升的暖湿气流在动力锋生产生的次级环流上升支作用下垂直运动增强，触发条件对称不稳定能量释放，是暴雪发生并伴有雷暴的主要物理机制。

此次暴雪天气过程发生的时间早，强度大，而陕西的省会城市西安位于强降雪中心带，因此，小的预报偏差也会带来较大的社会关注度。模式和主观预报对关中东部暴雪中心预报量级偏小，主要是在系统性降水过程中，由于对称不稳定及锋生次级环流等中尺度作用影响，产生了对流性降水。这种范围不大、发展迅速的系统即便在夏季预报难度也很大，冷季发生的概率更小，其预报难度倍增。通过对此次过程的分析，结合2009年、2010年两次类似过程的基本特征，总结此类天气预报中需要着重关注以下几点：首先多发于由秋入冬或者由冬入春的交替季节；前期增暖明显，温度较高，有利于水汽和能量的积累，同时也是对降水相态预报失误的一个重要原因；700 hPa西南风发展强烈，环流经向度很大，有比湿的迅速增长；锋区坡度小，低层已经处于锋后冷区，700 hPa锋区仍在陕西上空；关中地区特殊的喇叭口地形，导致850 hPa强的东路冷空气更容易入侵，使这里成为强降水中心。在上述几点配合较好的情况下，模式降水量级预报较大时，可以适当地考虑对流性降水带来的增幅和偏差，同时随时关注卫星云图和雷达回波上多条互相平行的带状强中心特征，及时发布订正预报。