北疆北部一次暖区暴雪天气过程的综合分析

美丽巴奴·艾则孜 ，张俊兰 ，王小亚

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；4.哈密市气象局，新疆 哈密839000）

北疆具有独特的温带大陆型干旱气候，冬半年气候寒冷、降雪天气频繁、积雪较厚。暴雪天气是白灾的主要致灾因子，是北疆重要的气象灾害之一，对农、林、牧、交通、电力、通信以及人民生产、生活等均带来严重的影响和危害。2009 年12 月—2010 年3月，北疆60 a 一遇的连续暴雪过程，大部分观测站累计降水量超过50 mm，富蕴等17 个测站累计降水量突破历史同期极大值。北疆暴雪受不同天气系统的影响分为冷锋暴雪和暖区暴雪，通常情况下，天山北坡的暴雪为冷锋暴雪，而塔城地区、阿勒泰地区的暴雪过程多为暖区暴雪。

关于暖区暴雪，新疆气象学者在环流配置、影响系统、水汽输送等方面做了不少研究，张家宝[1]认为，冬季环流形势、天气系统以及地形影响是形成暖区暴雪的重要因素。杨霞等[2]对新疆暖区暴雪天气研究的综述中指出，单阻型是暖区暴雪的大尺度环流形势之一，低空偏南气流是暖区暴雪天气的必要条件，与庄晓翠等[3]“北疆暖区强降雪区位于低槽前部，低空急流出口区前侧辐合区和高空急流入口区右侧辐散区，以及700 和850 hPa 辐合线和暖切变线东部、北部及干线东南部，地面辐合线附近减压升温的重叠区域内”结论基本一致。在天气系统南北结合和动力抬升方面，有关研究[4-5]表明500 hPa 极锋锋区偏西急流与中纬度西南急流交汇，南北两支锋区汇合。沙依然·维力等[5]指出，高空辐散、低层辐合和整层深厚的上升运动以及较强的位势不稳定是暖区暴雪的动力学条件。李如琦等[6]认为北疆暖区暴雪极锋急流起主导作用，暖区暴雪与地形的关系极为密切，暴雪区主要位于山区或迎风坡上有地形强迫抬升和辐合的区域。暴雪发生前后地面气象要素、云图云型及云顶亮温TBB 等特征，揭示了暖区暴雪与新疆冷锋降雪的不同[7-12]，为北疆暖区暴雪分析和研究提供了较好的思路和借鉴。2016 年11月10—13 日北疆北部出现了较强暖区暴雪天气，也是2011 年以来北疆最强的暖区暴雪过程，通过综合分析，可进一步提升对北疆暖区暴雪高低空天气系统空间配置、水汽输送和云图云顶亮温TBB变化的认识水平，为提高暖区暴雪预报能力提供参考，对提高北疆暖区暴雪预报准确率和防灾减灾具有重要意义。

1 研究区概况及资料

研究区域为北疆北部的塔城和阿勒泰地区，其中最大暴雪区裕民县和富蕴县地形特殊。裕民县位于塔额盆地南缘、巴尔鲁克山北部，平原平均海拔为750 m 左右，气象站海拔为721 m。富蕴县位于阿尔泰山中段南麓、额尔齐斯河上游，海拔为800～1 200 m，气象站海拔为860 m。选用常规地面监测、高空探测数据分析此次暴雪的环流形势和天气系统空间结构，利用NCEP 1°×1°再分析资料计算 925～100 hPa共21 层的物理诊断量，包括温度平流、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度场以及沿裕民和富蕴2 个暴雪点诊断量的垂直剖面，利用FY-2G 红外云图数据，通过等值线处理得到云顶黑体亮温TBB 资料。

2 暴雪实况及灾情

2016 年11 月10—13 日，北疆北部的塔城地区和阿勒泰地区出现近年来较强的暴雪天气（新疆暴雪标准：24 h 累计降雪量达12.1～24.0 mm 为暴雪，24 h 累计降雪量达24.1～48.0 mm 为大暴雪），大部出现20 mm 以上降雪，新增积雪多地超过20 cm，10日13 时—13 日19 时，累计降雪量前5 位分别是裕民县（55.3 mm）、塔城市（44.2 mm）、哈巴河县（34.9 mm）、富蕴县（30.9 mm）、吉木乃县（30.1 mm），裕民县为最大降雪中心（图1a）。12 日降雪最强，裕民县和富蕴县2 站出现大暴雪，降雪量分别为41.4、25.2 mm；托里县、青河县和塔城市3 站暴雪，降雪量分别为 17.9、16.8、13.6 mm，12 日裕民县降雪量居11 月历史第一位，富蕴、青河居历史第三位。裕民县降雪强度最强，最大雪强为5.5 mm/h，出现在11 日22—23 时；富蕴县次之，最大雪强为2.8 mm/h，出现在 12 日 02—03 时（图 1b）。

图1 2016 年11 月10—13 日新疆降雪量分布（a）和裕民县、塔城县逐小时降雪量曲线（b）

此次暴雪致使阿勒泰地区多地交通受阻，吉木乃、布尔津、哈巴河等县部分路线双向交通管制，禁止通车或客运班车停发。

3 环流形势及高低空系统配置

3.1 低涡（槽）位于境外并未影响北疆

500 hPa 欧亚范围中高纬维持一脊一槽“单阻型”经向环流，东欧高压脊和西西伯利亚低涡（槽）相对稳定，东欧（50°～75°N，40°～60°E）高压脊向北发展，加强为阻塞高压（11 日08 时），闭合中心位于70°N，45°E 附近，中心强度为 556 dagpm；西西伯利亚低涡外围低槽在巴尔喀什湖以北的中亚地区，强度为516 dagpm，低涡（槽）未影响北疆，北疆北部始终处于低涡底部极锋锋区的西北急流带上。

3.2 低涡（槽）深厚且底部极锋锋区急流强

中高层500～200 hPa 西西伯利亚低涡（槽）深厚，垂直分布呈前倾结构，东欧阻塞高压缓慢向东南衰退，西西伯利亚低涡（槽）逐渐东移南压，其底部极锋锋区上西北风加强为急流，8 日08 时，500 hPa 巴尔喀什湖—北疆上空有风速≥20 m·s-1的西北急流，12 日 08—20 时最强（图 2a），塔城、阿勒泰西北风风速分别达 44、36 m·s-1；200 hPa 也有西北急流，8 日 20 时塔城、阿勒泰西北风风速≥35 m·s-1，12日风速分别增至46、40 m·s-1（图2b），中高层西北急流持续至13 日08 时。

图2 2016 年 11 月 12 日 08 时位势高度场（单位：dagpm）叠加风场（单位：m·s-1）

3.3 暴雪发生在低层切变线附近

11 日08 时700~850 hPa 巴尔喀什湖附近偏西气流加强为急流（≥12 m·s-1），并维持至 13 日。11日20 时低涡底部分裂短波，塔城700 和850 hPa 西北风风速分别达32、22 m·s-1，阿勒泰700、850 hPa转为西南风（12 m·s-1）和东南风（10 m·s-1），塔城与阿勒泰之间出现冷式切变线（图3a），加剧了低层局地辐合与抬升。北疆北部中低层湿度较大，塔城和阿勒泰 T-lnP 图上，2 站 500 hPa T-Td为 2 ℃、700 和850 hPa T-Td均为 1 ℃，500 hPa 以下温湿廓线近乎平行，中低层空气湿润，低层空气接近饱和。暴雪区位于低层切变线附近饱和湿区内。

图3 2016 年 11 月 11 日 20 时 850 hPa 温度场（a，单位：℃）和地面气压场形势（b，单位：hPa）叠加风场（单位：m·s-1）

特殊地形增强了强迫抬升和水汽辐合，裕民县和富蕴县低层分别出现西北风和偏南风，受东北—西南向的巴尔鲁克山和西北—东南向的阿尔泰山阻挡，在山前均形成地形强迫抬升和水汽辐合，两地特殊地形遇不同风场增强了强迫抬升和水汽辐合。由于裕民县低层西北急流风速明显强于富蕴县，地形强迫抬升和水汽辐合作用更明显，降水强度更强。

3.4 700 hPa 以下有暖平流

暴雪过程中，700 hPa 暴雪区有明显的暖平流（图 4），裕民站 600～850 hPa 的暖平流自10 日 14 时持续至12 日22 时，持续时间约56 h，暖平流强度为（10～20）×10-5℃·s-（1图4a）；富蕴站暖平流主要出现在 11 日 08 时—13 日 02 时 600 hPa 附近，持续时间约42 h，暖平流强度为（10～25）×10-5℃·s-（1图4a），700 hPa 暖平流为（5～10）×10-5℃·s-（1图4b）。由于裕民县较富蕴县平均海拔低200～500 m（约15～45 hPa），因此可认为，裕民站暖平流的高度更低、持续时间更长、低层暖平流更强。

图4 2016 年11 月9 日08 时—14 日02 时温度平流的时间—高度剖面（单位：10-5℃·s-1）

3.5 暴雪发生在热低压南部暖区内

10 日，随喀拉海北部热低压的不断南压和乌拉尔山—中亚—新疆高压带东移，地面气压场演变为“两高夹一低”态势，并持续至12 日17 时。10 日08时喀拉海北部热低压南压至北疆北部，乌拉尔山—中亚—新疆的带状高压分裂成两段，东段移至蒙古地区，西段在中亚滞留，形成了蒙古高压、中亚高压和北疆北部热低压的“两高夹一低”态势，热低压位于北疆北部境外，北疆受热低压控制，冷锋并未入侵北疆，冷锋位于巴尔喀什湖北部，暖锋在蒙古高原西部，冷锋前部和暖锋后部暖空气活跃，塔城和阿勒泰处于此暖区内。11 日14—23 时北疆北部热低压中心为1 007.5 hPa，20 时中亚和蒙古2 个高压达最强，中心均为1 025.0 hPa，暴雪区发生在两高之间热低压南部的暖区内（图3b），暴雪区地面气象要素表现为减压升温。随着热低压东移至蒙古中部，冷高压入侵北疆，暖区降水结束。

3.6 高低空天气系统配置

此次暖区暴雪环流形势呈“单阻型”经向环流，西西伯利亚低涡（槽）位于境外，500～200 hPa 西西伯利亚低涡（槽）深厚且垂直呈前倾结构，其底部极锋锋区上西北风加强为西北急流，北疆位于此西北急流带上。700～850 hPa 有暖平流，塔城为西北急流、阿勒泰为偏南风，两地之间存在切变线。地面气压场上呈现“两高夹一低”态势，热低压位于北疆北部境外，北疆受热低压控制，冷锋未入侵北疆。500 hPa低涡底部的西北急流、700～850 hPa 低槽前偏西急流以及850 hPa 北疆东部东南气流的高低空3 支气流在暴雪区上空汇合，暴雪区位于高空西北急流、低层切变线和暖平流区以及地面冷锋前部、暖锋后部的暖区内，上述环流形势和高低空天气系统配置符合以往暖区暴雪研究成果的天气学特征[1-3]，不仅为此次暴雪提供了热力条件，还为暴雪区输送水汽和动力抬升发挥了关键作用，暴雪出现在冷空气入侵前，因此地面气象要素表现为减压和升温（图5），另外，塔城盆地和阿勒泰地区的特殊地形发挥了重要作用，增强了强迫抬升和水汽辐合。

图5 2016 年11 月11 日20 时高低空天气系统空间结构配置

4 水汽输送和辐合

4.1 西方水汽输送的时间和强度

源源不断的水汽向暴雪区输送是暴雪形成的重要条件，此次暴雪过程中，850～400 hPa 自低层到高层仅有一条水汽输送路径——西方路径。选取700 hPa水汽输送层，自欧洲大西洋沿岸的水汽沿偏西风经过地中海、黑海、里海接力输送至北疆地区，随着高空极锋锋区南压，西方水汽输送带也明显南压和增强（图6）。

图6 11 月 10 日 08 时 700 hPa 水汽通量（a）、11 月 12 日 08 时 700 hPa 水汽通量（b）（阴影区，单位：g·（cm·hPa·s）-1）叠加风场（单位：m·s-1）

对比裕民县和富蕴县（图7），西方路径的水汽输送带从7 日08 时持续至14 日08 时，但两县水汽输送带的厚度、强度、时间不同。裕民县7 日08 时中层700～500 hPa 出现了西方路径的水汽输送，10 日08 时水汽输送向低层伸展至地面，并持续至14 日08 时，500 hPa～地面的水汽输送带持续了约96 h。700 hPa 11 日 08 时水汽输送明显增强，≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送持续至 12 日 14 时（持续约 30 h），11 日 20 时—12 日 08 时达最强，为 10×10-3g·（cm·hPa·s）-1，水汽输送增强约 10 h 后降雪强度增强，11 日17 时—12 日12 时降雪较强，平均小时降雪强度为2.3 mm·h-1。600 hPa~地面的水汽输送于11 日14 时—12 日20 时较强，最强水汽≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1，垂直厚度在 400 hPa 左右，≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送持续了约 96 h。另外，11 日 20 时，≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的最高水汽输送顶层到达380 hPa（图7a）。

富蕴县水汽输送带的垂直高度偏高、强度偏弱、持续时间偏短，7 日 20 时中层 600～450 hPa 出现西方路径的水汽输送，9 日14 时开始加强，11 日14时，450 hPa 水汽输送向低层伸展至地面，持续至12日20 时，500 hPa～地面的水汽输送带持续了约30 h。9 日 20 时—10 日 14 时水汽输送较强，500～700 hPa≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送持续了约 18 h，垂直厚度为200 hPa 左右。11 日14 时600 hPa 水汽输送高度降至 700 hPa 附近，12 日 08时，700 hPa 水汽输送≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-（1持续约18 h）。9 日14 时 600 hPa 水汽输送明显增强，≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送持续至 10 日 14 时。11 日 19时—12 日05 时降雪较强，平均降雪强度为1.8 mm·h-1，600 hPa 水汽输送增强约50 h 后降雪强度增强。9日 20 时—10 日20 时，≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送顶层到达320 hPa（图7b）。

图7 2016 年 11 月 9 日 08 时—14 日 02 时水汽通量（单位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1）时间—高度垂直剖面

此次暴雪水汽主要来源于欧洲沿岸的大西洋海域，还有地中海、黑海、里海地区的部分水汽补充。水汽输送主要出现在500 hPa 以下的中低层，只有一条西方路径，最强水汽输送在600～700 hPa，此高度水汽输送增强10 h 以上雪强才加大，水汽输送强中心下降时出现最强降雪。虽同为一条水汽路径，但两站水汽输送带的空间垂直厚度、强度和持续时间不同，裕民县较富蕴县平均海拔偏低500 m（不足50 hPa），裕民县和富蕴县≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送顶层到达380 和320 hPa，最高水汽输送厚度相当。裕民县≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽输送比富蕴县偏长近80 h，厚度比富蕴县偏厚约200 hPa，特别是700 hPa 最强水汽输送，裕民县水汽输送≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1，持续约 30 h，富蕴县水汽输送≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1，持续约 18 h；700 hPa 水汽输送裕民县较富蕴县明显偏强、持续时间偏长，低层充裕水汽和长时间输送致使裕民县累计雪量更多、雪强更强。

4.2 水汽辐合

此次过程水汽辐合主要在700 hPa 以下，裕民县在 700～900 hPa，≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1的水汽辐合自11 日08 时持续至14 日20 时，持续时间约 84 h，最强水汽辐合≤-25.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，出现在 12 日 02—08 时的 850 hPa（图 8a）。富蕴县水汽辐合高度也在700～900 hPa，但强度明显偏弱，最强水汽辐合≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，出现在11 日 20—12 日 08 时，持续约 12 h，最强水汽辐合也在850 hPa 附近（图8b），但裕民县的水汽辐合时间更长、强度更强。

图8 2016 年 11 月 9 日 08 时—14 日 02 时水汽通量散度（单位：10-6 g·hPa-1cm-2·s-1）的时间—高度垂直剖面结构

5 云顶亮温TBB

随着高空西西伯利亚低涡外围极锋锋区南压与加强，北疆上空急流云系发展，较强降雪均在TBB低值云团移出暴雪区上空后出现。图9 为裕民县和富蕴县最大小时雪强TBB 分布，11 日23 时裕民县小时雪强最大，为 5.5 mm·h-1，TBB 为-19 ℃（图9a）。12 日03 时富蕴县小时雪强最大，为2.8 mm·h-1，TBB 为-33 ℃（图 9b）。

图9 2016 年 11 月 11—12 日 FY-2G 红外云图云顶亮温 TBB（单位: ℃）

裕民县和富蕴县小时平均雪强分别为1.3和0.9 mm·h-1，平均 TBB 分别为-24.2 和-34.6 ℃，降雪过程中，裕民县和富蕴县降雪强度≥1.0 mm·h-1的TBB 平均值分别为-20.5 和-31.3 ℃，裕民县的降雪强度更大、TBB 较富蕴县平均偏高10 ℃左右。

6 结论与讨论

通过综合分析2016 年11 月10—13 日北疆北部的暖区暴雪过程成因，得出以下结论：

（1）此次暴雪过程的环流形势、高低空气流和地面要素等具有暖区暴雪的特征。环流形势呈“单阻型”经向环流，西西伯利亚低涡（槽）位于境外，北疆位于低涡（槽）底部极锋锋区的西北急流带上。700～850 hPa 有暖平流和切变线。地面气压场“两高夹一低”，北疆受热低压控制，暴雪区位于高空西北急流、低层切变线和暖平流区以及地面冷锋前部、暖锋后部的暖区内。中高层西北急流、低层偏西气流和偏东气流在暴雪区上空汇合，山区地形增强了强迫抬升和水汽辐合。

（2）水汽主要来源于大西洋，并有地中海、黑海、里海的水汽补充。水汽输送主要在500 hPa 以下，只有一条西方路径的水汽输送，最强水汽输送在600～700 hPa。但裕民县与富蕴县相比，相同强度的水汽输送（≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1）裕民县偏长近 80 h、厚度偏厚约200 hPa。700 hPa 最强水汽输送裕民县较富蕴县偏强1 倍，持续时间偏长约12 h。水汽辐合主要在700 hPa 以下，最强水汽辐合位于850 hPa，裕民县水汽辐合时间更长、强度更强，最强水汽辐合裕民县较富蕴县偏强约 15.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1的水汽辐合较富蕴县偏长72 h。

（3）裕民和富蕴两站平均TBB 分别为-24.2 和-34.6 ℃，裕民县的降雪强度更大、云顶亮温TBB 更高，降雪强度相同（均≥1.0 mm·h-1）时，裕民县TBB较富蕴县平均偏高10 ℃左右。

（4）暖区暴雪主要表现为减压升温。降雪开始前和开始后，北疆3 h 变压（△P3）为负变压，暖区降雪出现在负3 h 变压区内，但（△P3）开始上升，并不意味着暖区降雪立即结束，而要持续升压6 h 左右，暖区降雪才停止。