2020年3月初延边一次暴雪过程诊断分析

2021-07-30冯景瑜徐昌龙崔春杰

气象灾害防御 2021年2期

冯景瑜徐昌龙张昊崔春杰

（延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133001）

1 引言

暴雪作为冬季重要的灾害性天气之一，国内外学者对于暴雪的发生、发展机制等方面做了大量的研究[1-5]。周晋红等[6]研究发现2011年冬季山西省第一次区域性暴雪天气是由高空西风槽、低空切变、地面回流和倒槽共同影响造成的，且降水开始前，低空东北风是干冷性质，降水开始后，低空东北风是湿冷垫；冯丽莎等[7]发现，中高层偏南气流，低层偏北气流的流场配置对于暴雪的发生起到至关重要的作用；闫琦等[8]通过对比2015年初辽宁地区两次暴雪过程发现，两次过程低涡是暴雪引发的直接原因，但促使低涡生成的正涡度变率增大原因存在差异；徐娟娟等[9]发现中层冷空气的侵入是2018年1月3日陕西区域性暴雪的主要触发机制。

本文以2020年3月初的一次延边暴雪过程为例，利用常规观测资料、ECMWF 0.25°×0.25°再分析资料、NCEP 2.5°×2.5°再分析资料综合分析此次过程，以期为研究本区域暴雪的发生、发展机制提供参考。

2 降雪实况

2020年3月3—4日延边州出现的暴雪天气过程有3个特点：一是降雪量大且分布不均，全州平均降水量为12.4mm，最大降水量出现在汪清县，为21.0mm；中东部6个县（市）出现暴雪；西部和龙出现大雪，敦化出现中雪。二是持续时间长，降雪于3日傍晚从和龙开始，到4日傍晚结束，持续时间超过24h。三是降雪强度大，降雪主要集中在4日凌晨到上午，其中延吉市最大小时降水量（4日6—7时）达2.8mm。

3 环流形势演变及主要影响系统

3.1 500hPa环流特征

3日08时，欧亚中高纬为两槽一脊，巴尔喀什湖附近有高空槽，从贝加尔湖西侧至新疆为高压脊控制，脊前黑龙江北侧有冷涡逐渐发展，在冷涡的西南部及内蒙古中北部，有冷槽逐渐东移。3日20时冷涡少动，其南部的冷槽移至内蒙古东北部，延边州受高空槽前西南气流控制，此时延边州降水已经开始。之后冷槽逐渐东移，且槽后始终伴有冷平流，冷槽不断加深，北部冷涡南落减弱并逐渐与南部冷槽合并，至4日20时，高空槽移出延边州，降水结束。

3.2 切变线及地面气旋

与500hPa对应，3日08时700hPa上在黑龙江北部和内蒙古东部分别有南北两条切变线形成，并逐渐东移，在移动过程中，北部切变线逐渐减弱，南部逐渐增强，并于4日02时在吉林中部形成气旋性涡旋；至08时涡旋东移加强；14时后减弱移出延边州。3日08时850hPa上在内蒙古东南侧有一西南—东北向的切变生成，并逐渐东移；20时随着偏南急流的逐渐增强，延边州中东部的降水逐渐增强，此时西部受弱切变控制；4日02时偏南急流转为东南急流，延边州中东部处于急流出口区；06时左右东南急流南撤，汪清县降水强度明显减弱；14时左右切变移出。地面受蒙古气旋逐渐东移的影响，延边位于气旋的北部，4日14时气旋入海。

4 水汽输送特征

4.1 比湿

降雪开始前的3日08时，延边州比湿不足1g/kg；至3日17时，全州比湿在1.2～1.8g/kg；4日02时，全州比湿在2g/kg左右，此时降水强度最强；至4日下午比湿明显减小。

4.2 水汽通量及水汽通量散度

从3日08时至4日02时的整层水汽通量可以看出，随着降雪强度的逐渐增强，源自日本海的偏东风水汽在延边州东部逐渐增强，此外从渤海到朝鲜半岛南部有东北向水汽向日本海输送，在日本海汇合的这两支水汽的加强和北伸是这次强降雪的关键。至4日02时（图1a），延边州东部的水汽通量达到10kg·m-1s-1以上，随后水汽输送减弱。

整层积分的水汽通量散度表明，降雪过程中，3日14时—4日14时，延边州均处在水汽通量辐合的区域，最大值小于-1×10-5g·cm-2·s-1。3日夜间开始辐合大值区从延边西南部进入，4日02时（图1b）至08时，全州位于辐合大值区内。从850 hPa水汽通量散度看到，3日20时之后，延边州大部分地方均位于水汽通量辐合的区域，尤其是中东部，水汽通量辐合最强。4日05时，强辐合中心位于延边中部，强度超过-4.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。可以看到，强降水发生时，中低层水汽辐合和整层的水汽辐合均较强。

图1 2020年3月4日02时整层水汽通量（a，单位：kg·m-1s-1）和整层水汽通量散度（b，单位：10-5g·cm-2·s-1）

5 动力条件

5.1 锋生区

锋面强迫与暴雪的形成和加强密切相关，冷暖空气交汇对峙有利于锋生，锋生也是引发次级环流的一个重要因素，而锋生函数能较好地反映锋生、锋消和锋面强度变化。锋生函数（F）可表达为：

式中，u、v和ω分别是沿x、y和p坐标轴的速度分量；θ为位温；F1（水平变形项）表示空气水平运动对锋生的作用；F2（垂直项）表示垂直运动对锋生的影响；F3（非绝热加热项）表示非绝热加热对锋生的作用。当F>0时为锋生，F<0时为锋消。

从700hPa锋生函数分布来看，3日17时开始，延边中西部已经出现锋生；20时强锋生区位于西部，随时间推移，中西部锋生逐渐减弱；3日23时之后在延边中部和东部有强锋生区稳定维持，4日02—05时（图2a）中心强度最大达到20×10-10K·m-1s-1以上，与暴雪区位置相吻合；至4日17时后锋生明显减弱。

从850hPa锋生函数分布来看，3日17时开始，延边中东部始终为锋生区；3日20时，强锋生中心区位于延边中部，中心强度最大值达到60×10-10K·m-1s-1以上（图2b），在此锋生区的位置，低空偏南急流逐渐增强，且在出口区强烈辐合。

从沿130°E的垂直剖面图上可知，4日02时至08时43°N（图2c）附近，950—850hPa有强锋生区，且锋生中心强度超过50×10-10K·m-1s-1。北部1 000—700hPa偏北气流携带干冷空气形成“冷垫”，迫使暖湿气流沿“冷垫”抬升，同时不断有冷空气楔入中低层暖湿气流内，形成次级环流，导致上升运动增强，次级环流上升支与偏南暖湿急流交汇辐合是锋生的主要原因。至14时（图2d）次级环流上升明显减弱，43°N附近锋生减弱，锋生作用及相应的锋面垂直环流有利于暴雪的发生。由此可知，在锋生作用和增强的次级环流共同影响下，降雪强度最大，持续时间也较长。

5.2 散度和垂直速度

沿43.3°N（汪清站）的散度和垂直速度的垂直剖面表明，3日20时，中低层的强辐合中心在129°E至130°E，700hPa以下为辐合，并且在此区域内200hPa以下均为上升运动。4日02—05时（图3a），低层的辐合达到最强，中心小于-12×10-5s-1；此时延边中部降水强度最强，达1.8mm/h。至4日傍晚前后，中低层转为下沉运动。降雪期间，128.0°E至129°E区域900hPa以下存在弱的下沉运动，900hPa以上存在上升运动；同时低层水汽辐合较弱；与此对应，敦化站（43.37°N）降雪强度在0.6mm/h以下，且降雪持续时间较短。值得注意的是，4日早晨至中午，在41°N至43°N强上升气流的南北两侧存在下沉运动区，形成次级环流，两个次级环流的上升支重叠（图3b），正好位于暴雪区的上空，为此次暴雪提供了天气尺度的上升运动。

图3 2020年3月4日05时沿43.3°N（a）和08时沿130.0°E（b）的散度（实线，单位：10-5·s-1）和垂直速度（阴影，单位：Pa·s-1）的垂直剖面

6 热力和不稳定条件

6.1 假相当位温

从850hPa的θse水平分布中可以看到，3日14时至4日08时，有10℃高能舌伸入延边南部（图4a），高能舌随时间逐渐东移，且在延边中东部梯度加大，θse锋区建立，与强降雪时段相对应。分析沿暴雪中心（汪清站129.78°E）的垂直剖面可以发现，中低层的能量锋区在偏南急流的引导下，逐渐向北移动，3日23时—4日08时，在42°N—44°N形成θse锋区，且明显向北倾斜（图4b）。950hPa以下被冷空气占据，成为低值带；950hPa以上维持θse陡峭密集随高度北倾的型态。这表明低空偏南急流向北输送暖湿气流叠加在低层冷空气之上，是此次暴雪产生并持续的重要热力条件。

图4 2020年3月4日02时850hPa假相当位温（a，单位：℃）和沿129.78°E的假相当位温垂直剖面（b，单位：℃）

6.2 湿位涡

湿位涡由涡度矢垂直分量（ζMPV1）和涡度矢水平分量（ζMPV2）组成，前者是湿正压项，主要表征大尺度水平方向的惯性稳定性和对流稳定性；后者是湿斜压项，主要包含湿斜压性和水平风垂直切变的贡献。3日23时—4日08时ζMPV1>0且ζMPV2<0时的绝对高值区位于延边中部和东北部，在3日23时（图5a）延边中部出现ζMPV1为1.2PVU（1PVU=10-6m2·K·kg-1·s-1）且ζMPV2为-0.3PVU的高绝对值区，此时相应区域出现的降水强度较大。从沿129.78°E的垂直剖面看，在3日23时（图5b）至4日08时，均出现了ζMPV1>0，ζMPV2<0，且高绝对值的配置，并且发现本次过程发生在大尺度对流稳定的大气环境下，但中尺度上出现对称不稳定的区域，降雪量级较大。