石嘴山市2019 年秋季首场大到暴雪天气特征分析

牛宏宇，周翠芳*，薛佩珍，李 荣

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏石嘴山市气象局，宁夏 石嘴山 753000）

大到暴雪天气过程是石嘴山市冬季的主要灾害性天气之一，该类天气过程通常会导致大气能见度降低、道路结冰、明显降温等，给交通运输、电力运输、农业生产和群众生活造成较大的影响和危害。目前许多的气象工作者和相关的学者都针对西北地区的暴雪从不同角度进行了一定的研究。其中，倪丽霞等[1]对2012 年4 月11 日出现在宁夏境内的大到暴雪过程进行分析，进一步证实了风的垂直切变是降水维持的一个重要特征；周翠芳[2]、贾宏元等[3—4]分析表明，宁夏大到暴雪与700 hPa 天气系统密切相关；贾宏元等[4]发现，暴雪过程也存在高低空急流，其相互耦合，可引起较强的上升运动。

宁夏大到暴雪多出现在秋冬和冬春冷暖季节交替时期，年均降雪频次自南向北逐渐减少[1]，石嘴山市位于宁夏最北端，降雪频次较少，相关方面积累经验较少，所以对石嘴山市大到暴雪天气过程进行及时的总结和分析很有必要。本文主要利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料，对石嘴山市2019 年10 月14 日入秋以来首场降雪过程的环流背景和主要影响系统及降雪过程发生前后其影响区域的动力、热力、水汽等物理演变特征进行诊断分析，旨在进一步提高对本地该类天气过程的认识和对该类天气过程预报的准确性、及时性，为天气预报、预警及气象服务决策提供一定的参考依据。

1 天气实况

2019 年10 月14 日白天，石嘴山市出现了入秋以来的首场降雪，初雪日期较常年偏早31 d，全市共6 个国家气象观测站12 h 降水量均超过3 mm。其中，3 个国家气象观测站12 h 降水量超过6 mm（12 h 降水量：大雪≥3 mm；暴雪≥6 mm），全市普降大到暴雪，沿山降水量级较大。该次降雪过程持续时间较短，降雪时段主要集中在午后到傍晚时段。其中，最大累计降水量和最大小时降水量均出现在石炭井（沿山），分别为8.3 mm 和4.5 mm/h（图1 和表1）。

表1 2019 年10 月14 日11：00—19：00 各站累积降水量

图1 2019 年10 月14 日11：00—19：00 逐时降水量

该次降雪过程在一定程度上有利于净化空气、降低森林草原火险等级、增加土壤墒情等，但阴雪寡照天气不利于设施作物进行光合作用，易引发作物喜湿病害的发生发展；同时，10 月14 和10 月15 日清晨最低气温均在零下，出现霜冻天气。气象服务专家深入大武口区贺东庄园进行调查，发现该次降雪、降温天气造成了该庄园未采摘的酿酒葡萄果粒萎缩、部分脱落，影响其耐贮性，对产量和后期采摘造成了影响，还造成葡萄树体营养回流不充分，影响第2 年生长发育并降低冬季抗寒性。受降雪和低温天气影响，全市出现道路积雪或结冰，对交通影响较大，造成了部分道路交通阻塞，一定程度上影响了群众的正常出行，石嘴山市气象台于10 月14 日16：32发布了道路结冰黄色预警信号。

2 环流背景和主要影响系统

2.1 200 hPa 高空急流分析

大到暴雪是在有利的天气尺度环流下，由高低空系统及多股气流合理配置、共同作用而形成的[5]。由2019 年10 月14 日08：00 的200 hPa 形势场（图2）来看，对流层高层有明显的西风急流，石嘴山市位于高空急流轴的右侧。从风场上看最大风速为44 m/s，高层表现为辐散区。

图2 2019 年10 月14 日08：00 200 hPa 高空形势图

2.2 500 hPa 环流形势及影响系统分析

2019 年10 月14 日08：00 500 hPa 高空形势图（图3）上，欧亚中高纬为宽广的“两槽一脊”型，咸海附近、鄂霍次克海到我国东北地区为明显槽区，青藏高原到西伯利亚为高压脊区。石嘴山市位于东亚大槽的后部，受西北气流控制，并配合一明显的温度槽，不断有冷空气堆积，并沿西北气流扩散南下。同时，石嘴山市西侧有一短波槽，自西向东移动，槽前为强劲的西南风，降雪期间，西南风最大风速为22 m/s，恰好位于石嘴山市，为较强的急流，为该次大到暴雪天气过程提供了对流层中层弱的辐合区和水汽的输送（图4a）。短波槽自西向东移动，移动速度较快，槽线移出石嘴山市后，降雪结束，转为较为平直的偏西气流，水汽条件也迅速转差（图4b）。

图3 2019 年10 月14 日08：00 500 hPa 高空形势图

图4 2019 年10 月14 日14：00 和20：00 500 hPa高空形势图

2.3 700 hPa 和850 hPa 环流形势及影响系统分析

低涡在夏季降水中有重要作用，冬季也同样存在。700 hPa 低涡造成对流层中低层强的辐合场，高层辐散抽吸与低层辐合上升，可引起较强的上升运动，为强降雪提供动力抬升条件[5]。从该次降雪过程中的14：00 700 hPa 高空形势图（图5a）来看，石嘴山市西北方向有一明显的低涡系统，沿石嘴山市北部自西向东移动，低涡系统移动速度很快，是该次降雪过程持续时间较短的原因之一。20：00 该低涡中心位于石嘴山市的东北方向（图5b），此时降雪过程已经结束。除了700 hPa 低涡系统，中低纬度有持续的偏南风，局地有西南急流建立，连续4 个站偏南暖湿气流风速超过12 m/s，是该次降雪过程的主要水汽输送来源。降雪期间，850 hPa 石嘴山市主要受高压后部偏东风影响，局地为东北风，提供一定的弱冷空气，东南方向有一定的偏东或东南风，夹杂东部沿海的水汽，与700 hPa 偏南气流一起作为水汽输送通道（图略）。

图5 2019 年10 月14 日14：00 和20：00 700 hPa高空形势图

2.4 地面形势及影响系统分析

从降雪期间的地面形势图（图6）来看，贝加尔湖以西存在广阔而稳定的冷高压，横跨内蒙古—华北—东北地区，石嘴山市位于华北冷高压的底部，中心强度1 040 hPa，较同期偏强，而往年10 月中旬控制石嘴山的等压线稳定维持在1 025 hPa，核心气压很高，表明地面堆积的冷空气很多，对该次降雪过程异常偏早产生重要的影响。同时，受高压后部回流天气影响，阻挡了水汽的东移，东北方向的冷空气也阻挡了暖湿空气的东移，为暖湿空气起冷垫作用。石嘴山市的西南方向有地面倒槽，在降雪期间稳定维持，与华北冷高压造成地面回流并提供了一定的水汽条件，且石嘴山市处于明显锋区中，激发了一定的不稳定能量，造成上升运动，冷暖空气交汇停滞在该区域，有利于该次降雪过程的形成。

图6 2019 年10 月14 日14：00 地面形势图

3 物理量分析

3.1 水汽条件分析

强降雪的发生同暴雨一样需要充足的水汽条件，而该次降雪过程的水汽来源主要依靠低层850 hPa 偏东或东南风、700 hPa 偏南暖湿气流和高空500 hPa 槽前强劲的西南急流的水汽输送。由相对湿度的垂直剖面图（图7a）可知，降雪期间从低层到高层的相对湿度均在90%以上，湿层较为深厚，为该次降雪过程提供了充沛的水汽。随着降雪趋于结束，中高层水汽条件逐渐转差，相对湿度变化较为明显。气象上将温度露点差小于4 ℃的区域认定为湿区，且温度露点差越小，表示湿度越大，当温度露点差接近于0 ℃，表示空气达到近似饱和的状态。由10 月14 日14：00 的温度露点差的等值线阴影图（图7b）可知，降雪期间全市温度露点差的值在1～2 ℃，大部在1 ℃以下，水汽条件接近饱和，空气湿度大，石嘴山市西部的水汽条件更好，沿山为高湿区，对应降雪量级也较大。

图7 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 相对湿度剖面图和14 日14：00 温度露点差等值线阴影图

3.2 动力条件分析

在降雪时间段内，低层有2 个明显的辐合中心，分别位于750 hPa 和600 hPa 左右，对应中心值为-6×10-5s-1。高层500～200 hPa 为辐散区，辐散中心在400 hPa 左右，对应中心值为8×10-5s-1，高层辐散，低层辐合，且辐散明显大于辐合，高层有较强的抽吸作用，有利于上升运动的发展（图8a）。这种低层辐合高层辐散的形势持续到20：00。14：00 前后低层辐合和高层辐散表现最为明显，但随着降雪过程趋于结束，低层辐合和高层辐散均逐渐减弱。

大气中的降水过程与垂直速度也有着密切关系，有利于水汽、动量和热量等的垂直输送，也是诊断大到暴雪天气的重要参量。由垂直速度的剖面图（图8b）可知，降雪时段的上升速度比较垂直，从低层到高层均表现为上升气流，与散度场的配置较为吻合，在700 hPa 左右表现最为强烈，有一明显的垂直速度中心，值为-0.4 hPa/s，石嘴山市上空有较强的上升运动，强降雪一般出现在强垂直上升运动中心附近。同时，强的上升运动有利于水汽的抬升，使得低层的水汽向高层输送，水汽冷却凝结，有利于降雪的产生。

图8 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 散度和垂直速度剖面图

3.3 热力条件分析

假相当位温场又称为能量场，可以反映大气的潜热和显热等热力结构。由降雪前后假相当位温随时间的变化来看，低层存在一明显的假相当位温等值线密集区，为一能量锋区，且降雪期间不稳定能量增大。随着降雪的结束，700 hPa 到400 hPa 每一层次的假相当位温都在逐渐下降，600 hPa 变化较为明显，14：00 假相当位温为316 K，20：00 为310 K，说明随着降雪的开始和结束，不稳定能量存在一个积聚到逐渐释放的过程（图9a）。

由图9b 可知，850 hPa 和500 hPa 假相当位温普遍维持在64 K 到78 K，数值大于0，故大气处于不稳定状态，提供了有利的热力条件，有利于降雪天气的产生，而大值区恰好处于贺兰山沿山，有较强的不稳定能量，对应降雪量级也较大。

图9 石嘴山市2019 年10 月14 日02：00—15 日08：00 假相当位温剖面图和14 日14：00 假相当位温图

4 结论

（1）石嘴山市2019 年秋季首场大到暴雪天气对全市交通运输和设施农业生产、酿酒葡萄采摘等农业活动带来不利影响。影响该次降雪过程的主要天气系统有200 hPa 急流、500 hPa 高空槽、700 hPa低涡、地面冷高压、地面倒槽、地面锋区等。其中，500 hPa 高空槽和700 hPa 低涡系统沿石嘴山市北部自西向东移动，移动速度较快，是该次降雪过程时间较短的主要原因，且影响石嘴山市的华北冷高压中心强度较往年偏强，冷空气活动加强，对该次降雪过程异常偏早起到重要影响。

（2）低层850 hPa 偏东或东南风、700 hPa 偏南暖湿气流和500 hPa 槽前强劲的西南急流为该次降雪过程输送了充足的水汽，使降雪期间从低层到高层的相对湿度均在90%以上，湿层较为深厚，为该次降雪过程提供了充沛的水汽。

（3）该次降雪天气的物理特征：全市温度露点差在1～2 ℃，大部在1 ℃以下，水汽条件接近饱和；低层辐合中心值在-6×10-5s-1，高层辐散中心值在8×10-5s-1，且辐散大于辐合，有较强的上升运动；850 hPa 和500 hPa 假相当位温之差维持在64～78 K，大气处于不稳定状态。这些特征为该次降雪天气提供了充分的水汽、动力、热力条件，也为今后类似天气预报提供参考。