2020 年 1 月 24—25 日贵州冰雹、雨雪共存天气机理分析

王 芬 ，唐浩鹏 ，杨 帆 ，罗 旋 ，王兴菊 ，严小冬 ，杨春艳 ，张 淦

（1.黔西南州气象局，贵州 兴义562400；2.贵州省气象台，贵州 贵阳550002；3.铜仁市万山区气象局，贵州铜仁554200；4.安顺市气象局，贵州 安顺561000；5.贵州省气候中心，贵州 贵阳550002）

暴雪是我国重要的灾害天气之一，诸多气象工作者对我国暴雪天气开展了大量的研究诊断工作[1-10]，揭示出许多现象和事实，为天气预报的诊断分析提供了重要参考。位于我国西南的贵州地处青藏高原东南侧斜坡之上，地形复杂，山地和丘陵占92.5%，属亚热带季风区，年平均气温在10.5～19.6 ℃，冬季平均气温为6.4 ℃，每年暴雪出现并不多，特别是大范围的雷电、冰雹、暴雨、暴雪、寒潮共存的复杂天气。近年来，贵州气象工作者在降雪天气学诊断分析上取得了大量研究成果[11-14]，认为稳定持久的滇黔准静止锋是低温雨雪天气发生的重要影响系统，物理量配置呈现出深厚的冷平流、低层有不稳定层结且水汽辐合强烈、高层辐散大于中低层辐合、上升运动强烈且深厚，总结出贵州降雪天气的4 种类型，提出贵州降雪天气预报着眼点主要有冷锋强度、引导系统、南支槽等[15]。

2020 年1 月24—25 日贵州自东北向西南出现一次较大范围的冰雹、暴雨、暴雪天气过程，毕节市、贵阳市、铜仁市、安顺市、黔西南州等43 县（市）出现降雪，万山区、麻江县积雪深度达20 cm 以上，14 个县（市）降雹，气温剧烈下降，5 个县（市）达寒潮标准。受暴雪影响，贵遵高速、贵新高速等多条高速路关闭。据统计，自1951 以来，贵阳市在大年初一（1月24 日）遇上雪花这是第12 次，此次过程为黔西南州近10 a 最大一次降雪，其天气复杂程度、灾害天气种类之多为近10 a 贵州冬季少见。为研究此类复杂天气发生发展的天气学特征，利用NCEP/NCAR逐 6 h 1°×1° FNL 资料、常规及加密实况资料、FY-2G TBB 资料，对降雪、冰雹的天气机理进行分析，以期捕捉此类复杂天气的预报预警信号，为提高贵州冬季降雪及强对流天气预报能力提供参考。

1 天气概况

2020 年1 月24—25 日贵州大部地区出现冰雹、雨雪，混合型强对流出现在24 日白天至夜间。降雪由贵州东部开始（图1），逐渐向西影响全省，主要时段集中在25 日00—17 时（北京时，下同），全省共有39 个县（市）积雪，19 个达到暴雪标准，占观测站点总数的22.6%，暴雪主要集中在铜仁市东南部、贵阳市、黔南州、黔东南州西部、六盘水市及毕节市西部，其中铜仁市万山区积雪厚度达28 cm、黔东南州麻山县25 cm，部分地区因前期为雨夹雪，加上初期地面温度较高，降雪融化快，积雪深度小。24 日白天贵州14 个县（市）城区出现冰雹，位置集中在黔南州、黔西南州和安顺市南部。24—25 日，贵州大部出现中雨，局地大雨到暴雨，其中出现暴雨有17 站，最大降水出现在毕节市黔西县素朴镇沿河（83.5 mm），大雨、暴雨集中在黔西南州、安顺市、黔南州，整个降雨过程为稳定性降水，最大小时雨强为19.2 mm/h（毕节市黔西县素朴镇沿河）。气温剧烈下降，兴义市、普安县、贞丰县、安龙县、独山县达寒潮标准。

图1 1 月24—25 日贵州积雪深度（填色区及数字）及降雹点（绿圆点）分布

2 大尺度天气背景

分析此次复杂天气的大尺度环流背景、高低空配置（图 2）表明，24 日贵州处于 200 hPa 高空急流与500 hPa 槽前西南风大值的叠置区，500 hPa 深厚南支槽移至95°E 附近，700 hPa 切变线到达川东，850 hPa 切变压至贵州中南部，贵州位于低空急流轴左侧，地面冷锋到达黔、滇、桂三省交界附近停滞形成静止锋，贵州西南部位于静止锋区中。前期1 月22—23 日贵州南部受热低压控制，大部最高气温在15 ℃以上，近地层能量大量集聚，伴随深厚高空槽前的强辐合上升运动及地面强冷锋的不断西进，高、低空大气不稳定度逐步加大，贵州西南部产生冰雹天气。25 日凌晨随着冷锋不断西进，地面气温持续下降，降水相态由雨转雨夹雪，最后转为纯雪，25 日午后各县市逐步雪停转小雨。

图2 24 日 08 时（a）、24 日 20 时（b）天气背景

3 形成机制分析

3.1 水汽条件

由 24 日 08、14、20 时贵州 850 hPa 水汽通量及水汽通量散度的变化（图3）可知，24 日08 时850 hPa 水汽辐合区主要位于滇黔交界及广西北部，在该水汽输送带的南侧，形成了水汽通量大梯度区，14 时贵州西部水汽输送明显加强，强度达到（-30～-20）×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，水汽通量梯度减弱，20 时贵州西部水汽辐合减弱，强水汽通量梯度再次在桂北出现，25 日02 时水汽辐合区在贵州消失、水汽通量减小。贵州中西部出现强水汽辐合，最强达（-30～-20）×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，其南侧为水汽通量大梯度区，强水汽辐合出现时间超前于暴雪约10 h。

图3 24 日 08 时（a）、14 时（b）、20 时（c）850 hPa 水汽通量（等值线，单位：g·s-1·hPa-1·cm-1）及水汽通量散度（填色，单位：g·s-1·hPa-1·cm-1）

3.2 动力条件

选取此次积雪深度最大的铜仁市万山区作为大暴雪代表站，选取兴仁市作为冰雹、暴雪代表站，沿109.2°E（万山区所在经度）做风场、假相当位温θse的剖面，24 日20 时（图4a），万山区上空冷锋伸展到700 hPa，近地层至700 hPa 为东北风控制，高、中空都有急流，万山区南侧低空急流最大达16 m/s。25日02 时，万山区上空700 hPa 转为西北风，700 hPa以下仍为东北风，最大风速为12 m/s，南侧低空西南急流稳定维持，为水汽的输送建立了通道。沿27.5°N（万山区所在纬度）做风场、假相当位温θse的剖面，24 日 20 时（图 4b），冷锋到达 107°E，东北风沿斜坡向西爬升，万山区位于斜坡前的东北气流中，850 hPa风速达12 m/s，低层风切变达 10 m/s。25 日 02 时，中空及高空急流稳定存在，万山区近地层至750 hPa东北风及风切变均明显减小。

图4 24 日20 时沿109.2°E 风场及θse（单位：K）的剖面（a）及24 日20 时沿27.5°N 风场及θse 的剖面（b）

沿105.2°E（兴仁市所在经度）做风场、假相当位温θse的剖面，24 日08 时，地面冷锋最前沿已到达兴仁市，20°～26°N 为高、中、低空急流的重叠区，700～800 hPa 西南急流最大达 22 m/s。24 日 20 时（图 5a），500 hPa 急流消失，锋面伸展至 750 hPa，850 hPa 兴仁市为2 m/s 的东北风，800 hPa 由东北风转为4 m/s的东风，750 hPa 由12 m/s 的西南风转为6 m/s 的东南风，低层出现较大垂直风切变，为冰雹的产生提供了有利的动力条件，风随高度顺时针旋转，存在暖平流，大气不稳定加大。25 日02 时，兴仁市750 hPa 以下均为偏北风控制，700 hPa 为6 m/s 的西南风，冷锋越过兴仁市向南到达24°N 附近。沿25.4°N（兴仁市所在纬度）做风场、假相当位温θse的剖面，24 日20 时（图 5b），105°E 及其南侧偏东风沿斜坡向西爬升，兴仁市位于东北气流中，700 hPa 以上为西南风控制。25 日02 时，兴仁市近地层至800 hPa 仍为东北风控制，但风速切变加大。

图5 24 日20 时沿105.2°E 风场及θse（单位：K）的剖面（a）及24 日20 时沿25.4°N 风场及θse 的剖面（b）

2 个代表站高、中、低空均有急流，且均位于斜坡前的东北气流中，山前爬坡效应加强中小尺度系统的强度，不同的是兴仁在低层出现大的垂直风切变和暖平流。

分析万山区上空的风场、垂直速度、散度、涡度及涡度平流随时间的变化（图6a）发现，24 日14 时前，万山区上空高空西风急流、中低空西南风急流稳定维持，700～850 hPa 最大风速达 22 m/s，08 时万山区近地层转为东北风，20 时东北风伸展到800 hPa。25 日02 时东北风继续向上伸展到 700 hPa，24 日20 时万山区上空垂直速度明显加强，高度伸展到300 hPa 附近，且较强上升运动一直维持到25 日12时。分析万山区上空散度场随时间的变化（图6b）可知，地面至500 hPa 存在强辐合区，500 hPa 以上为强辐散区，表现为典型的低层辐合、高层辐散，为暴雪的产生提供了有利的动力条件。23 日20 时—24日20 时600～200 hPa 为强正涡度平流区（图6c），20 时之后转为负涡度平流，而涡度则基本表现为一致的正涡度，其中25 日05 时中层600 hPa 附近有突然增大的趋势。

万山区强上升运动出现时间超前降雪时间约8 h，在中高层 500～300 hPa 达到最强，且强上升运动一直稳定维持到降雪开始前。与夏季暴雨相比，其上升运动的强度明显加大[10-14]，低层辐合的强度大于高层辐散的强度，这与前人的研究结果有所不同[8-12]。且在降雪前约24 h 正涡度平流明显跃增，强正涡度平流一直持续到降雪发生前12 h，此后正涡度平流转变为负涡度平流。

分析兴仁市各物理量随时间的变化（图7a）可知，23 日 20 时—25 日 08 时，高、中、低空急流稳定维持，700～850 hPa 最大风速达 20 m/s，24 日 08 时近地层存在强风向切变，近地层至500 hPa 存在明显的风速切变，为冰雹的发生提供了有利的动力条件。14 时兴仁市近地层为东北风控制，20 时风速增大为6 m/s，25 日08 时风速达12 m/s，与此同时垂直速度运动明显加强，24 日 20 时-1.2～-1.8 Pa/s 伸展到600 hPa 附近，较强上升运动维持到25 日08时，14 时中层500～600 hPa 上升运动又有明显加强。散度场结果显示（图 7b），24 日 08—23 时，垂直方向上存在2 个明显的辐合辐散区，500 hPa 以下为近地层辐合、中层辐散，在500 hPa 至对流层顶为明显的中高层辐合、高层辐散，25 日00 时之后散度明显减弱，表现为典型的低层辐合、高层辐散。涡度及涡度平流结果显示（图7c），中层正涡度从24 日22 时开始增大，最强时段出现在25 日03 时之后，低层涡度表现较稳定。23 日20 时—24 日20 时，中高层正涡度平流在250 hPa 附近达到最强，24 日20时—25 日16 时，负涡度平流在650～300 hPa 附近表现明显，预示系统有减弱趋势。

对比图6、图7 可知，较之暴雪、冰雹区，大暴雪区的上升运动伸展高度更高、强度更强，涡度平流强度明显大于暴雪、冰雹区，而散度表现为冰雹、暴雪区更为复杂，存在两个辐合辐散区，其中低层辐合的强度明显大于高层。

图6 万山区物理量随高度的时间演变

图7 兴仁市物理量随高度的时间演变

3.3 探空及不稳定度

24 日08 时，贵阳750 hPa 以下存在浅薄锋面逆温，逆温层之上存在暖湿层结，近地层存在强垂直风切变，低层热成风明显，0 ℃层高度在700 hPa 附近，-20 ℃层高度在450 hPa 附近，为冰雹的发生提供了有利的背景。24 日20 时，贵阳逆温高度升至720 hPa，逆温层顶气温降至0.4 ℃，0 ℃层高度降至地面附近，湿层明显增厚，≥80%的相对湿度伸展到400 hPa 附近，为降雪提供了有利的垂直水汽条件，逆温层之下近地层存在对流有效位能的积聚（CAPE为39.7 J/kg），对冰雹的发生提供了能量条件。本次过程具有逆温高度较高、梯度小、云层伸展高等特点，这与前人研究结果较一致[11-16]，不同的是抬升凝结高度低、低层热成风明显，极易触发近地层的不稳定能量的释放[17]，从而造成强对流天气。

用850 hPa 与 500 hPa 的温差 T85代表大气层结稳定度，24 日08 时贵州不稳定层结存在明显梯度，最强不稳定位于黔西南、六盘水，约25 ℃，达到贵州强对流的标准，与前人的研究结果较一致[6，9]。14 时不稳定梯度明显加大，贵州西部边缘为最强不稳定区，兴仁T85增大到28 ℃，20 时不稳定层结明显减弱，兴仁T85降至23 ℃，25 日02 时贵州大部T85在20 ℃以下，大气趋于稳定。

分析万山区上空假相当位温θse随时间的变化（图 8a）可知，23 日 20 时—24 日 08 时，600～500 hPa θse随高度减小，存在浅薄逆温区，900～700 hPa 存在锋区，稳定且随时间向上伸展，近地层在24 日20 时之后基本为稳定的冷气团。由兴仁上空的θse随时间的变化（图 8b）可知，23 日 20 时—24 日 20 时高能舌逐步向上伸展，24 日20 时伸展到最高（650 hPa附近），24 日 20 时—25 日 02 时，兴仁上空 700 hPa以下存在 θse高梯度区，近地层 θse随高度减小，25 日02 时之后，随着气温的逐步下降，大气趋于稳定，近地层θse稳定维持在305 K 左右。对比可知，冰雹区的能量集聚更高，且在低层的不稳定表现更为明显。

图8 θse 随时间的变化

3.4 能量条件

24 日08 时贵州南部边缘至广西为温湿高能区，兴仁市处于强能量锋区的北侧，14 时能量锋区伸展到贵州西南、西部，CAPE 增至 50～200 J/kg，20时能量锋区略南移，贵州西南部仍边缘处于强能量锋区中，25 日02 时锋区移出贵州。

4 降水相态分析

4.1 万山、兴仁雨雪、冰雹逐小时变化

随着冷锋入侵，万山区气温逐步下降，底层冷垫不断加强，前期以小雨为主，24 日22 时开始出现雨夹雪，25 日 01 时气温降至 0.1 ℃，开始降雪，25 日07 时气温达到最低，为-0.7 ℃。25 日 08—09 时降雪强度达到最大（2.4 mm/h），16 时降雪结束。随着冷锋向西南推进，兴仁市气温逐步下降，23 日最高气温为 22.7 ℃，24 日 23 时气温降至 4 ℃，25 日 08 时气温达到最低，为0.2 ℃。25 日04 时降雪开始，25日 11 时降雪结束，24 日 12：37 第一次降雹，23：38再次降雹，24 日11 时兴仁开始出现降雨，24 日20时—25 日04 时为稳定性小雨，最大小时雨强在24日 20—21 时（12.8 mm/h），25 日 11 时之后转为小雨。

4.2 水汽、气温在垂直方向上的变化

万山区-20 ℃层高度基本维持在480 hPa 附近，-10 ℃层高度在590 hPa 附近，0 ℃层高度由24日08 时的710 hPa 逐步降到 25 日 02 时的 900 hPa附近，此后一直稳定维持。23 日20 时—24 日20 时，万山区上空4～6 g/kg 高比湿区在垂直方向上伸展到650 hPa 附近，随着降雪的产生，25 日00 时之后高比湿区厚度迅速下降至900 hPa。兴仁市上空-20 ℃层高度缓慢下降，在 500～460 hPa，24 日 22时前0 ℃层高度稳定维持在660 hPa 附近，25 日04时降至800 hPa 附近。兴仁市高比湿区在垂直方向上逐步向上伸展，24 日20 时6～8 g/kg 比湿伸展到760 hPa 附近，4～6 g/kg 伸展到 670 hPa 附近，24 日22 时6～8 g/kg 高比湿区厚度迅速下降至900 hPa以下。随着降雪降雨的产生，比湿数值及厚度迅速下降，冰雹、暴雪区的比湿更大，且大值区在垂直方向上伸展得更高。

分析万山区上空水汽通量散度及相对湿度（图9a）可知，近地层水汽辐合大值区（-10×10-8～-20 ×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2）的厚度逐渐减小，24 日 19 时700～600 hPa 出现强水汽辐合区（-30×10-8～-20 ×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2），同时相对湿度≥90%的饱和区伸展到330 hPa，到达-20 ℃层以上，有利形成冰晶雪花，气温与饱和湿区在垂直方向上的配合对降雪的产生提供了有利的温湿条件。分析兴仁市上空水汽通量散度及相对湿度（图9b）可知，23 日20 时—24日04 时，近地层强水汽辐合伸展到800 hPa，24 日04 时后水汽辐合明显变弱，25 日 08 时-10×10-8～-20×10-8g·s-·1hPa-·1cm-2的水汽辐合伸展到700 hPa，同时-10×10-8～0 ×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽辐合伸展到500 hPa，在此期间兴仁市相对湿度逐步增加、饱和区厚度逐步增大，24 日20 时之后地面至600 hPa 相对湿度均达到90%以上，合适的0、-20 ℃层高度、不稳定度的加大及明显的上干下湿结构为兴仁市24 日白天的强对流天气提供了有利的条件，而后期0 ℃层的下降、饱和区的不断向上伸展及低层较强水汽辐合为兴仁市暴雪、降雨的产生提供了有利的条件。大暴雪区的饱和区伸展的高度更高、厚度更厚，但水汽辐合没有冰雹区、暴雪区强。

图9 万山（a）、兴仁（b）水汽通量散度（填色，单位：g·s-1·hPa-1·cm-1）、相对湿度（等值线）随高度的变化

4.3 冷暖平流

万山区上空基本维持低层冷平流、高层暖平流，且高层暖平流强度更强。24 日08 时冷平流开始从低层入侵兴仁，且冷平流逐渐加强，24 日14 时—25日 02 时近地层达-15×10-7K·s-1以下，24 日 00 时25 日08 时，800 hPa 有暖平流持续侵入，且暖平流随时间向上伸展，最大高度伸展到600 hPa，强度达20×10-7K·s-1，600～350 hPa 基本被冷平流控制，随着低层冷平流及700 hPa 暖平流的加强，兴仁市600 hPa 以下形成了上冷下暖的强不稳定层结，出现2 次降雹。冷平流导致兴仁市大幅降温，25 日02时 850 hPa 降为 5 ℃，25 日 08 时降为 0 ℃左右，12时兴仁市低层暖平流消失，全部转为冷平流，降雪结束。

大暴雪区的冷暖平流为稳定的低冷高暖，而冰雹区、暴雪区则为由低层到高层的“冷—暖—冷”结构，且中层的暖平流强度大于低层的冷平流，中低层的强不稳定层结到中高层转为稳定，300 hPa 附近又有不稳定层结出现。

5 卫星云图的中尺度特征

24 日08 时贵州大部TBB 在-20 ℃以下，冷锋到达贵州中南部，850 hPa 4 ℃线压至贵州中南部，20 时，贵州境内开始出现＜-32 ℃的对流云，25 日02 时锋面南压至黔、滇、桂三省交界，0 ℃线到达贵州中东部，降雪区TBB 值为-32 ℃，08 时降雪区纹理均匀且大部在-32 ℃，14 时之后云系逐步减弱。

图10 是分别沿 109.2°E 、105.2°E 做 TBB 的剖面，降雪区TBB 约为-32 ℃，纹理分布均匀，降雹区约为-20 ℃，面积较小。24 日14 时影响万山的对流单体生成，20 时 TBB 先升再降，25 日 00 时降至-52 ℃，此时开始降雪，03 时升至-20 ℃左右，此后一直稳定维持到25 日14 时。影响兴仁的云系在24 日 08 时生成，TBB 基本维持在-20 ℃左右，25 日02 时降至-32 ℃，05 时有所升高，06 时又降至-32 ℃，25 日10—14 时稳定维持在-20 ℃附近。

图10 沿 109.2°E（a）及 105.2°E（b）的 TBB 剖面

此次过程中降雪区TBB 纹理较均匀，大部降雪区 TBB 值在-20～-32 ℃，TBB 低值区对应降雪强度较大，降雪最强时段TBB 达-52 ℃。

6 结论及讨论

本文利用常规观测、NCEP 再分析及FY-2G TBB 等资料，给出了 2020 年 1 月 24—25 日贵州冰雹、雨雪共存天气的大尺度天气背景，分析了单站冰雹天气和暴雪天气的主要特征，主要结论如下：

（1）此次复杂天气中，前期贵州南部、西南部地面能量的大量集聚、后期强冷锋南下，使得大气不稳定度迅速加大，配合低空急流带来的充沛水汽被南支槽前的强上升运动强迫抬升至-10 ℃层以上，滇黔准静止锋触发贵州南部、西南部不稳定能量、水汽的大量释放，加之合适的0、-20 ℃层高度，使得此次过程中先后出现冰雹、暴雨、暴雪，气温迅速下降使得贵州西南5 县市达寒潮标准。

（2）低层冷垫上的高架雷暴造成冰雹，在暖湿逆温层、强垂直风切变、上冷下暖的强不稳定层结的配合下，地面辐合线、静止锋触发不稳定能量的释放，是发生冰雹的主要原因。

（3）冷空气入侵、静止锋的维持及深厚南支槽东移是降雪发生的主要环流形势。水汽通量辐合及辐合厚度的不断增长、南支槽前强上升运动使得水汽在垂直方向上伸展到-10 ℃层以上、低层辐合高层辐散，配合地面气温不断下降共同造成了暴雪天气。

（4）贵州西部充沛的水汽辐合、强水汽通量梯度为暴雨的产生提供有了有利的外部输送，高、中、低空急流的叠加及典型的低层辐合、高层辐散及强上升运动对暴雨有加强作用。

（5）大暴雪区强上升运动超前降雪约8 h 出现，低层辐合的强度大于高层辐散，且在降雪前约24 h 正涡度平流跃增；较之暴雪、冰雹区，大暴雪区饱和区伸展高度更高、上升运动更强，涡度平流强度明显大于暴雪、冰雹区，但水汽辐合没有冰雹区、暴雪区强，冰雹、暴雪区散度表现复杂且低层辐合强度明显大于高层；大暴雪区的冷暖平流表现为稳定的低冷高暖，冰雹区、暴雪区则表现为由低到高的“冷—暖—冷”平流结构，且中层暖平流强度大于低层冷平流。

（6）降雪区TBB 纹理较均匀，大部降雪区TBB值在-20～-32 ℃，TBB 低值区对应降雪强度较大，降雪最强时段TBB 达-52 ℃。