新疆北部持续暖区暴雪过程动力特征分析

2020-11-15李桉孛李如琦郑育琳

沙漠与绿洲气象 2020年5期

李桉孛，李如琦，李娜*，郑育琳

（1.新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002；2.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225）

新疆北部暴雪常引发雪灾，给当地交通运输、电力输送和设施农业带来巨大损失，严重威胁人民生命及财产安全，因此，深入认识新疆北部暴雪成因，提高其预报能力，对新疆的防灾减灾有重要意义。国内外学者对暴雪的气候背景、天气系统演变、水汽输送和动力、热力条件及中尺度系统结构等开展了大量研究，发现降雪过程多与锋生、条件对称不稳定引发的倾斜对流等因素有关[1-3]；暴雪过程动力机制研究表明[4-5]，正涡度变率增大对强降雪中心位置及强度变化有显著指示作用，冀兰芝等[6]通过数值模拟，指出暴雪发生的动力机制为降雪前期低层正涡度增强,低层辐合、高层辐散；中尺度模式MM4对暴雪过程的模拟分析发现[7-8]，涡度场、散度场、垂直速度场与相当位温场的配合有利于暴雪的形成与维持。以上研究主要是针对因冷锋引发的暴雪而言的，暖区暴雪是新疆北部独有的暴雪类型，其特征与冷锋暴雪有明显的差异。

近些年来，新疆的气象工作者对暖区暴雪开展了许多研究，庄晓翠等[9]统计发现北疆地区冬季降水呈现明显的增加趋势，尤其是强降雪，而北疆北部又是暖区降水量和降水日数最多的区域；新疆北部暴雪过程的环流特征、中尺度特征、水汽输送路径和降雪落区分析指出[10-13]，暖区暴雪与冷锋暴雪存在一定差异，减压升温是暖区暴雪最典型地面要素特征，冷锋暴雪则相反，冷锋暴雪区具有较强的对流不稳定层结，而暖区暴雪区相对较弱等；暖区暴雪的锋面结构分析表明[14-15]，强降雪的发生发展与中低层暖锋锋生有关，大尺度环流背景、中低层切变线、低空急流、锋面气旋等天气系统的配置有利于暴雪的发生。研究表明，动力条件是暴雪发生的关键因素，对动力条件的分析有助于加深对暴雪成因的认识，暖区暴雪过程中具有怎样的动力特征是需要进一步深入分析探讨的问题。2016年11月10—17日，新疆北部的塔城地区北部和阿勒泰地区连续出现暖区暴雪，此次持续性暖区暴雪天气过程范围广、强度大、持续时间长、灾害重。本文针对此次典型的暖区暴雪过程，从两个阶段强降雪中心各相关物理量变化特征的对比分析入手，探讨暖区暴雪动力结构及演变规律，加深对暖区暴雪的认识，为提高此类天气的预报能力提供参考。

1 资料

利用地面气象观测站逐时降水、常规观测以及美国气象环境预报中心（NCEP）全球逐日4次1°×1°再分析等资料，通过计算不同层次涡度、散度、螺旋度、湿位涡等物理量，对2016年11月10—17日新疆北部暖区暴雪过程的动力特征进行分析。

文中采用新疆降雪标准：24 h降水量为R，当6.0 mm

2 暴雪过程实况

2016年11月10 —17日，新疆北部出现罕见的持续性强降雪过程（图1），其中塔城地区北部、阿勒泰地区平均降雪量40 mm以上，积雪深度达20 cm以上，阿勒泰东部青河县最大积雪深度67 cm。此次强降雪过程分为两个阶段：第一阶段为10—13日，塔城地区北部、阿勒泰地区自西向东出现降雪，过程最大累计降雪中心为塔城地区北部裕民县，达55.3 mm，12日降雪量达41.4 mm，其中11日14时—12日02时12 h降雪量32.3 mm（雨夹雪转雪），11日20时—12日02时6 h降雪量22.1 mm，最大小时雪强5.5 mm（11日22—23时）；第二阶段为14—17日，塔城地区北部、阿勒泰地区自西向东再次出现降雪，过程最大累计降雪中心为阿勒泰地区东部的青河县，降雪量达51.6 mm，16日降雪量29.3 mm，其中15日20时—16日08时12 h降雪量17.1 mm，16日02—08时6 h降雪量8.7 mm，最大小时雪强2.2 mm（16日04—05时）。裕民、青河站日降雪量均居历史同期第一位。

图1 2016年11月10—17日北疆降雪量空间分布（单位:mm）

3 环流形势演变特征及地面要素变化

对流层高层，极涡为偏心型分布，极涡中心位于120°E的西伯利亚，极锋急流带位置南下至西伯利亚地区长时间维持，是新疆北部暖区强降雪的典型环流背景[13]，极涡逆转，副热带西风急流北移，两支急流带在新疆北部汇合是形成暴雪的主要天气尺度环流形势。

500 hPa暴雪开始前欧亚范围为两槽两脊形势，欧洲东部和贝加尔湖附近为高压脊区，欧洲沿岸和西西伯利亚为低槽活动区，欧洲脊较为强盛，极地冷空气沿脊前偏北气流南下堆积，冷中心降至-40℃以下，西西伯利亚低涡底部形成强锋区，伊朗脊向东欧伸展与东欧阻塞高压合并叠加，南支锋区断裂，仅在里、咸海北部存在弱的锋区。随着东欧脊减弱东移，西西伯利亚低涡缓慢逆转南压，低涡底部强锋区南下，与里、咸海弱的南支锋区在巴尔喀什湖以北地区汇合，并东移至新疆北部区域，45°～50°N等温线加密，位势高度梯度达20 dagpm，风速增大至36 m/s，北疆北部开始出现降雪。11日20时（图2a）汇合后的锋区控制北疆北部，降雪强度迅速增大，6 h降雪量达22.1 mm。12日20时短波槽进入新疆北部缓慢东移，降雪减弱。14日欧洲脊和伊朗脊再次叠加西移并形成阻塞高压，导致槽脊系统移动缓慢，脊前北风带加强，使冷空气南下至巴尔喀什湖北部地区，冷中心强度再次增强至-40℃以下，里、咸海地区有短波槽发展，南支锋区迅速发展，西西伯利亚低涡东移南压，底部锋区再次加强并与南支锋区在巴尔喀什湖地区汇合，新疆北部风速迅速增至40 m/s，第二阶段降雪开始。15日20时（图2b），锋区强度逐渐达到最大，青河12 h降雪量达17.1 mm。随后，环流形势稳定维持，降雪持续，强度逐渐减弱。

在700 hPa上10—13日46°N始终维持一支风速≥16 m/s的偏西低空急流，将里、咸海和巴尔喀什湖水汽不断向新疆北部上空输送，同时与高空强锋区耦合作用引起强烈的上升运动，随着风速的加强，加大了向暴雪区的水汽输送，降雪也有所增强，急流核位于塔城地区北部，最大可达42 m/s，于13日20时减弱，降水随之减弱；14—17日偏西低空急流再次加强，但强度较前期偏弱，位置偏北1°左右，从而使得垂直上升运动较弱，也不利于水汽向暴雪区的汇集，降雪小时强度明显较前次偏弱。850 hPa上10日14时—12日20时塔城地区北部始终位于切变线前侧，同时北部伴有偏西急流的加强，而阿勒泰地区东部则在14日02时—17日08位于切变线前侧，期间东西风向辐合时降水加强，随着冷空气东移，阿勒泰地区东部转为西北气流控制，切变线消失，降水趋于结束。

图2 2016年11月11日20时（a）和15日20时（b）500 hPa高度场和风场

综上所述，在两个阶段强降雪过程中，500 hPa由于东欧地区长时间维持阻塞形势，使得西伯利亚低涡及其底部强锋区始终存在，并与降雪强度正相关，700 hPa降雪区北侧维持一支风速≥16 m·s-1的偏西低空急流，850 hPa降雪中心西侧均出现明显的切变线。

海平面气压场11月中旬北半球中高纬冷暖气团频繁更替，10日08时西西伯利亚和蒙古地区为高压活动区，中心强度分别为1 027.5 hPa和1025 hPa。两高压区之间，新疆以北为低压活动区，北疆受负3 h变压控制，裕民（图3a）地面气压维持持续下降的趋势，地面气温迅速上升，随着降雪开始，气压不断下降，气温维持较高，此时青河（图3b）气压在降雪开始后也维持下降，气温迅速抬升，在降雪期间维持较高并呈上升趋势，至11日20时低压中心气压下降至1 007.5 hPa，裕民降雪强度最大，气压达到最低，气温维持最高，这种降雪期间的减压升温具有明显的暖区降雪性质，在青河雪强最大时，其气压同样达到最低点，气温最高，降雪减小至结束后，气压迅速上升，气温断崖式下降近20℃。由此可见，青河的降雪也为典型的暖区降雪。13日08时随着气团东移，上游冷高压东移南下，北疆大部受高压控制加压，冷锋影响下降雪较前期减弱；而此时又有高压与低压系统自西向东移至西西伯利亚与新疆以北地区，在 40°E～110°E 范围再次形成“高—低—高”形势，冷高压中心分别达1030、1 037.5 hPa，北疆不断减压，至14日20时最低降为1 012.5 hPa，第二阶段降雪期间与第一阶段相似，雪强大时，气温维持相对较高，气压下降，随着气温下降，气压上升，降雪间歇。两个阶段降雪区均处于暖低压外围，地面气压和气温变化与降雪强度有明显的相关关系，区别在于第一阶段位于蒙古高压后部暖低压前部区域，降雪发生在低压向高压东南部伸展的过程中，而第二阶段位于西西伯利亚冷高压前部暖低压后部区域，降雪发生在高压向低压东南部伸展的过程中。由于环流系统的配置没有改变，两个阶段降雪间歇期短，第一阶段偏东区域降雪尚未结束，第二阶段偏西区域的降雪已开始，形成了持续性的降雪过程。

图3 2016年11月10—17日裕民（a）和青河（b）的气温/℃、气压/hPa、降水量/mm（柱状）随时间变化

4 强降雪动力特征

4.1 涡度、散度、垂直速度场垂直结构

分析暴雪中心裕民（46.20°N,82.90°E）上空的涡度、散度、垂直速度廓线表明，11日08时（图4a），降雪前，800 hPa以下散度为负，最大值位于850 hPa，为-5×10-5s-1；整层涡度均为负值，最大值在750 hPa附近，为-14×10-5s-1；垂直速度在700 hPa以下为负值，表明800 hPa以下为弱的辐合，以上为弱辐散，上升运动较弱，但中层负涡度较大，使辐散发展，有利于上升运动的加强。11日14—20时是系统发展阶段（图4b），散度负值区迅速向上扩展到700 hPa，最大值仍位于850 hPa附近达-13×10-5s-1；整层仍然维持负涡度，最小值的高度下降，出现在800 hPa附近，最大值为-15×10-5s-1，500 hPa正散度值增大到6×10-5s-1；垂直速度值变化不大，但负值区向上扩展到500 hPa，表明低层辐合中层辐散的耦合作用发展到最强盛阶段，上升运动加强，水汽在低层聚积，同时通过垂直运动向上输送使高层大气湿度增加，裕民开始出现降雪并逐渐增强，6 h降雪量达10.2 mm。12日02时（图4c），负散度区回落至800hPa以下，中高层正散度值略有减小；整层维持负涡度，但中低层的绝对值明显减小；400 hPa以下垂直速度均为负值，最大值在 700 hPa，达-4×10-3hPa·s-1，表明低层辐合高层辐散的配置没有改变，上升运动达到最大值，裕民的降雪强度也达到最大，6 h降雪量22.1 mm。之后散度、涡度、垂直速度随高度的分布和强度几乎维持不变，降雪持续。20时（图4d），散度、涡度的数值均减小，垂直速度也明显减弱，700 hPa以上转为下沉运动区，降雪减弱趋于结束。第二阶段裕民上空的散度、涡度、垂直速度的变化与第一阶段基本类似，只是数值偏小，最大降雪强度为4.6 mm/6 h。可见，在裕民降雪过程中，上升运动主要出现在700 hPa附近，最强时可扩展至500 hPa，涡度主要对中层辐散的发展有正贡献，中层辐散的发展使上升运动和低层辐合加强。

图4 裕民上空涡度（单位:10-5s-1）、散度（单位:10-5s-1）和垂直速度（单位:10-3hPa·s-1）的垂直廓线

青河（46.67°N,90.38°E）降雪时段涡度、散度、垂直速度廓线特征图中，14日08时（图5a），750 hPa以下正涡度增大，800 hPa附近最大值达5×10-5s-1；700 hPa以下为负散度，最大值-9×10-5s-1也位于800 hPa；低层垂直速度增大，这种低层正涡度辐合、中层负涡度辐散的配置有利于上升运动发展，系统加强，青河开始降雪，6 h降雪量在2.6～6.1 mm，15日08时（图5b），中、低层涡度、散度的数值均减小，垂直速度也接近于0，降雪减弱。在正涡度的支持下，650 hPa以下的低层负散度再次发展，15日20时（图 5c），750 hPa负散度数值最大达到-8×10-5s-1，650 hPa以上负涡度、正散度也再次强烈发展，低层辐合高层辐散的配置使抽吸作用加剧，上升运动加强并扩展至600 hPa，降雪强度逐渐达到最大，6 h降雪量达8.4 mm。16日02时—17日02时，上升运动强盛，增大了低层水汽向上输送，有利于形成深厚的湿层，青河维持6 mm/6 h以上的强降雪。17日08时（图5d），中、低层涡度、散度数值均迅速减小，垂直速度在负值区回落至700 hPa以下，上升运动减弱，降雪减弱，20时转为低层辐散中层辐合，上升运动基本停止，降雪也逐渐结束。青河降雪过程中，低层辐合中层辐散的配置更清晰，涡度对辐合、辐散的正贡献也更明显，最强时上升运动可伸展至500 hPa，但主要位于700 hPa以下，低层辐合中层辐散的耦合作用使上升运动加强。

4.2 垂直螺旋度

螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量，其不仅考虑了大气旋转的特性，同时又考虑了水平和垂直方向上的输送。

计算裕民500 hPa以下各层的垂直螺旋度，沿46°N作垂直螺旋度的剖面图，可以看到，在降雪发生前，850 hPa暴雪区垂直螺旋度为正值区，表明系统低层气旋辐合及上升运动的初步建立，中层有明显的负垂直螺旋度相对应且逐渐压缩至600 hPa以下，有利于中低层系统发展；11日20时，低层垂直螺旋度中心增至100×10-5Pa·s-2，中层负值区范围中心进一步压缩至700 hPa以下，说明低层垂直方向的气旋式旋转加强，降雪增强，对应11日22—23时小时降雪强度达最大值5.5 mm/h；12日02时低层正值中心减弱，中层负值区范围向上扩展，降雪开始减弱；12日08时，低层正值区范围明显扩大，强度增强，并逐渐形成与中层负值区紧密连接对应的正值中心，说明低层气旋式辐合加强，中层负值区范围缩小，中心强度达 150×10-5Pa·s-2，中层强烈的辐散抽吸使得中低层系统进一步发展，降雪再次增强，雪强由4.0 mm/6 h增至12.1 mm/6 h。因此，强降雪期间裕民附近的垂直螺旋度在600 hPa以下呈上“负”下“正”结构分布，垂直螺旋度正负值中心数值都较大，表明低层辐合中层辐散强度大，对上升运动的发展和维持提供动力，强的上升运动主要在700 hPa以下。

图5 青河上空涡度（单位:10-5s-1）、散度（单位:10-5s-1）和垂直速度（单位:10-3hPa·s-1）的垂直廓线

计算青河500 hPa以下各层的垂直螺旋度，沿46°N做垂直螺旋度的剖面图发现，在降雪发生前，暴雪区925～800 hPa垂直螺旋度为正值区且中心强度不断增强，750 hPa附近负垂直螺旋度范围逐渐减小东移，中低层系统发展，700 hPa以上为正值区，初步形成“+-+”的垂直结构，降水开始；14日14时—15日02时，低层正值中心增至25×10-5Pa·s-2，750 hPa附近负值区中心迅速增强，中低层垂直方向的气旋式旋转加强，“+-+”的垂直结构更加显著，降雪增强；15日白天低层正值中心减弱消失，中低层负值区范围向上扩展，降雪开始减弱，雪强小于1.0 mm/6 h；15日20时，低层正值区范围明显扩大，强度增强，低层气旋式辐合加强，中低层负值区形成闭合中心，中心强度达-20×10-5Pa·s-2，与低层正垂直螺旋度中心梯度增加，“+-+”的垂直结构再次建立，在中层强烈的辐散抽吸与低层气旋式辐合的相互作用下，使得暴雪系统强烈发展，降雪再次增强并维持在6 mm/6 h以上；最后，随着低层转为负垂直螺旋度，降雪减弱并结束。综上，强降雪期间青河上空的垂直螺旋度在500 hPa以下为“+-+”结构，有利于700 hPa以下低层上升运动的发展和维持，垂直螺旋度正负值中心数值都相对较小，表明上升运动强度也偏弱。

4.3 湿位涡分析

分析沿46°N湿位涡正压项MPV1的垂直剖面发现，10日前，500 hPa以下MPV1均为正值，大值区位于86°E的800 hPa附近，中心值18 PVU。11日MPV1逐渐增大，14 h中心值增大至24 PVU，位置下降至86°E的850 hPa附近，随后整层MPV1开始减小，裕民附近的近地面层负的湿位涡开始发展。至降水开始后12日02时（图7a），MPV1最大值仅为9 PVU，且在85°E以东随高度向东倾斜，裕民上850 hPa以下为负值区，中心值-2 PVU，800 hPa出现值为6 PVU的正值中心，此阶段降雪强度也是最大的，6 h降水量达22.1 mm。表明前期有冷空气影响，强度逐渐减弱，裕民上空低层有暖平流发展，冷平流位于800 hPa附近，低层对流不稳定发展，高湿位涡叠加在对流不稳定扰动之上，有利于位势不稳定能量释放及低层气旋式辐合的增强，使降雪加强。而从湿位涡斜压项MPV2和θse的垂直剖面（图7b）可以看到，500 hPa以下整层MPV2均为负值，裕民上空800 hPa为-7×10-1PVU的大值中心，θse等值线形成随高度向北倾斜的相对密集陡立带，表明低层大气存在对流不稳定，根据下滑倾斜涡度发展理论[17]，800 hPa以下垂直涡度得到显著发展，使上升运动加强，使降雪增强，裕民降雪达到强盛阶段，至12日02时12 h降雪量达到32.3 mm，小时雪强也达 5.5 mm/h。MPV1 上正下负、MPV2＜0 且等 θse线随高度向北倾斜使得垂直涡度得到较大增长，上升运动强烈，由此可见，裕民上空800 hPa附近有对流发展，降雪具有一定的对流性特征。

图6 2016年11月11日20时（a）和15日08时（b）垂直螺旋度沿46°N剖面（单位:10-5Pa·s-2）

图7 2016年11月12日02时沿46°N的垂直剖面（△处为裕民，灰色阴影区为地形）

对比分析青河MPV1的垂直剖面（图8a）发现，主要降雪时段在900 hPa以下也出现MPV1负值区，但强度较小，中心值仅为-0.5 PVU，800 hPa附近的MPV1增长较快，发展成值为+10 PVU的中心，表明900 hPa以下低层也存在暖平流之间，但强度较裕民明显偏弱，降雪量也较裕民小，至16日14时12小时降雪量15.9 mm。在MPV2和θse的垂直剖面图（图8b）上，500 hPa以下整层MPV2也为负值，但中心值仅有-4×10-1PVU，θse等值线密集带位于青河以西区域，几乎垂直于地面，低层涡度没有明显的发展，上升运动也明显偏弱，没有对流发展，因此，青河的降雪强度低于裕民，最大雪强仅为2.2 mm/h，但因降雪持续时间长，还是出现了大暴雪。