2020年初内蒙古一次暴雪天气过程的成因分析

2022-01-14黄晓璐林弘杰李一平李瑞青

沙漠与绿洲气象 2021年6期

黄晓璐，林弘杰，李一平*，李瑞青

（1.内蒙古自治区气象台，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古气象干部培训学院，内蒙古呼和浩特010051；

3.内蒙古大学，内蒙古呼和浩特010051）

暴雪是内蒙古冬季的主要灾害性天气之一，随着社会经济的发展，暴雪天气对交通运输、水利电力、工农业生产和人们的生活等造成的影响越来越大，公众和政府对降雪及雨雪相态转化的预报也越来越关注。众多学者对暴雪天气过程中各尺度系统间的相互作用和发生发展的动力机制等方面研究表明，低空西南急流、中层切变线和锋面的配合最容易产生暴雪天气[1-5]。靳冰凌等[6]分析指出上暖下冷的稳定形势是暴雪形成的重要特征。周雪松等[7]认为华北回流暴雪的主要动力机制是动力锋生。王迎春等[8]对北京降雪个例进行分析指出，南方的暖湿空气在华北地区近地面层的冷空气垫上爬升造成降雪。低层回流冷空气是干冷的，回流降水的水汽来自南方的暖湿空气[9-11]。顾佳佳等[12]研究指出，冷空气沿东北路侵入河南地区并在低层形成冷空气垫，迫使暖湿气流抬升，形成显著的锋生和次级环流，有利于暴雪的维持和发展。还有一些学者对锋生函数各项进行了细致的分析[13-15]，但大部分针对暴雨事件。湿位涡在暴雪中具有较好的指示性，当对流层低层MPV1>0，MPV2<0时，易发生暴雪天气[16]。寿绍文等[17]指出，高空正的湿位涡与对流层顶下降相对应，当高空有正的湿位涡向下游移动叠加在低空锋区上空时，可以诱生出气旋式环流并向下伸展，可见分析暴雪天气中锋区特征、湿位涡及二者的关系是十分有必要的。

赵桂香等[18]2007年首次将“回流与倒槽共同作用”归为一种暴雪影响形势，即在回流高压底部和倒槽顶部的偏东气流共同影响下产生的暴雪天气。马素艳等[19]从物理量场、卫星和雷达等方面分析对比了两次内蒙古回流与倒槽作用下的暴雪天气，指出了这种形势对内蒙古暴雪天气的重要影响，但目前对内蒙古自治区回流与倒槽作用下的暴雪天气研究非常少，对其锋区结构的分析更少。本文以2020年2月13日夜间—14日内蒙古的暴雪天气过程为例，利用常规观测资料和NCEP再分析资料，探讨暴雪天气的环流背景、水汽来源、动力条件、锋生函数及各项的贡献和湿位涡与锋区的关系，以期加深对内蒙古回流与倒槽作用下降雪天气成因的认识，为今后内蒙古回流降雪天气的预报提供参考。

1 天气实况

图1a给出2020年2月13日20时—14日20时的降雪量分布，内蒙古119个国家站中有60站出现降雪天气，24站出现大雪，大雪主要发生在锡林郭勒盟南部、赤峰市大部（114°～118°E，41°～44°N），其中7个站出现暴雪：巴林右旗12.3 mm、正蓝旗12 mm、克什克腾旗11.5 mm、赤峰10.6 mm、林西县10.3 mm、岗子10.1 mm、喀喇沁旗10 mm。从降雪的时间分布可以看出（图1b），降雪从14日02时开始明显增大，14日10时开始减弱，14日02—08时，巴林右旗降雪量＞10 mm，巴林右旗、正蓝旗、克什克腾旗出现逐小时降雪量＞2 mm，其中正蓝旗在14日05时降雪强度最大，达2.4 mm·h-1。强降雪区域积雪深度大，均＞10 cm，48 h内新增积雪达9～14 cm（图1c），导致多条高速公路封闭，交通运输受阻，航班延误甚至取消。本次降雪过程具有强度强、范围广、伴随大风降温天气的特点。

图1 2020年2月13日20时—14日20时累计降雪量（a）、14日02—18时巴林右旗、正蓝旗、克什克腾旗、赤峰的逐小时降雪量（b）和强降雪站点13、15日的积雪深度及新增积雪量（c）

2 环流形势分析

降雪开始前期（13日20时），对流层高层300 hPa有较强的高空急流存在（图2a），中心轴风速达50 m/s以上，内蒙古中东部偏南地区位于高空急流入口区右侧的辐散区中，具有强的高空辐散，强烈的抽吸作用促进整层的上升运动，500 hPa（图2c）呈现“两槽一脊”的形势，阻塞高压脊位于70°～95°E，高压脊东移加强，脊前横槽转竖，为强降雪天气的发生提供了有利的大尺度环境场，堆积的强冷空气东移南压，内蒙古中东部偏南地区位于高空槽前的西南气流里。低层700 hPa内蒙古中部存在切变线（图2a），内蒙古中东部偏南地区处于低空西南急流左前侧的强辐合区内，内蒙古中东部偏南地区等温线和等高线密集，存在与强冷空气对应的明显锋区。850 hPa（图2b）存在明显的偏东风急流，锡林郭勒盟和赤峰市位于东南风和东北风急流的切变中，有利于低层辐合上升运动。考虑对流层高低空急流的耦合作用，有利于增强锋面次级环流上升支，为降雪提供有利的动力抬升条件和水汽条件。图2d给出12日20时—14日20时地面冷高压路径及地面冷锋的演变和14日02时地面倒槽的位置，12日20时开始，地面冷高压东移南压，在14日08时中心强度达1 068 hPa，12日20时—13日08时，冷锋随冷高压东移南压，移入内蒙古，内蒙古地区处于西北高东南低的气压场中，原位于河套地区西南部的地面低压东移北抬形成地面倒槽，内蒙古中东部偏南地区受地面冷高压底部和地面倒槽顶部偏东气流的共同影响，13日20时—14日02时伴随地面冷锋过境，降雪加强。08时后随着地面冷锋逐渐东移南压移出内蒙古，降雪开始减弱，14日14时后，500 hPa高空槽东移南压，逐渐移出内蒙古，700 hPa由偏南风转为偏西风，850 hPa以下由偏东风转为西北风，700 hPa以下风力开始减弱，降雪趋于结束。

图2 13日20时300 hPa风速（阴影，单位m/s）和散度场（黑色实线，单位10-5/s）、700 hPa风场（风矢量，单位m/s）的叠加（a）、850 hPa（b）、500 hPa（c）环流场以及12日20时—14日20时地面影响系统的时间演变图（d）

环流形势分析表明，暴雪发生前，内蒙古中东部偏南地区在对流层上层有显著的辐散，对流层中低层存在明显的辐合，利于上升运动的发生和维持，700 hPa西南急流向该地区输送暖湿气流，为本次暴雪过程提供了充足的水汽条件，地面冷高压和倒槽的有利配置和维持利于偏东风在近地层不断地输送冷空气，在850 hPa及以下偏东风气流的作用下，冷空气形成“冷垫”，迫使暖湿空气沿“冷垫”爬升，为内蒙古中东部偏南地区暴雪过程提供了有利的动力条件，配合冷锋过境有利于内蒙古中部偏东偏南地区强降雪天气的加强和维持，当低层转为西北风，风力开始减弱后，降雪趋于结束。

3 物理量的诊断分析

3.1 水汽条件分析

14日02时沿42.5°N（切变线）做水汽通量散度、风场和比湿的剖面（图3a），在发生强降雪的范围内，800 hPa以下盛行东北风，800 hPa以上盛行西南风，从地面到850 hPa，117°E以东为水汽通量散度辐散区，说明低层东北风带来的主要是干冷空气，地面到600 hPa有明显的水汽通量散度辐合区，水汽通量散度在700 hPa附近、116°E处辐合最强，最大值超过20×10-6g/（s·cm2·hPa），比湿的大值中心位于700 hPa附近，最大值超过3 g/kg。可见，水汽主要源于800～700 hPa西南风的输送。同时给出700 hPa水汽通量、比湿和风场的分布（图3b），图3b中110°～130°E和35°～45°E范围，有明显的水汽输送带，与700 hPa西南风急流对应，暴雪主要发生在锡林郭勒盟南部和赤峰市西部，这一区域比湿＞2.5 g/kg，局地水汽条件很好，有＞5×10-5g/（（s·cm·hPa）的水汽通量高值舌输入，有利于水汽的输送。

图3 14日02时水汽通量散度（阴影，单位：10-6 g/（s·cm2·hPa））、风场（单位：m/s）和比湿（等值线，单位：g/kg）沿42.5°N的剖面（a）及700 hPa水汽通量（阴影，单位：10-5 g/（s·cm·hPa））和比湿（等值线）（b）

综上分析，比湿、水汽通量散度和水汽通量都有较好的指示意义，水汽输送主要来自中低层的西南风急流，不仅为低层提供了强的动力辐合条件，也有利于南方暖湿气流的输送，促进水汽的辐合积聚，为暴雪提供了充足的水汽供应。

3.2 上升运动和冷暖平流

低层辐合、高层辐散是构成气流上升运动的充分必要条件，此外水汽的汇合和抬升主要也是靠低空流场的辐合来完成[20-21]。从14日02时散度场和垂直速度沿42.5°N的剖面图可知，114°～118°E 500 hPa以下散度值为负，700 hPa附近有辐合中心，中心值＜-5×10-5/s，500～200 hPa散度值为正，300 hPa附近为辐散中心，中心值＞4×10-5/s，中低层的辐合强于高层辐散，有利于垂直运动的发展。垂直速度场在强降雪区呈负值分布，高度达300 hPa，垂直速度大值中心位于500～400 hPa，最大值超过16×10-1Pa/s，呈现明显的上升气流，有利于水汽的垂直输送。垂直上升运动的中心与散度场中的辐合与辐散中心高度耦合，为暴雪过程提供了强烈的上升运动，促进过程中水汽的汇合和抬升。从14日02时温度平流沿42.5°N的垂直剖面可知，850 hPa以下为偏东或者东北气流所控制，存在明显的冷平流，114°～118°E 850 hPa以上为深厚的暖平流，与垂直速度的叠加可以看出，配合显著的上升运动，即存在暖空气的强烈抬升。112.5°～118°E 800 hPa附近，为温度平流的密集区，即高层暖空气和低层冷空气重叠而形成的锋区，进一步说明低层自东北向西南输送的冷空气起到冷垫的作用，冷空气沿低层东北风自北向南输送，暖湿的空气沿冷空气爬升，促进锡林郭勒盟南部和赤峰市西部产生暴雪，大到暴雪天气出现在锋面附近及锋后区域。

锡林浩特700 hPa以上为偏西风和西南风，850 hPa以下为偏北风和东北风，500 hPa西南风风速为27 m/s，700 hPa西南风风速为16 m/s，850 hPa东北风风速为14 m/s，垂直风切变非常强，850 hPa为干层，到700 hPa存在7.5℃的逆温层。850 hPa以下为干冷的东北气流，700 hPa以上为西南暖湿气流。综上分析，本次暴雪过程中，低层辐合高层辐散，配合显著的上升气流，垂直风切变强，一方面促进了上升运动，另一方面有利于水汽积聚与输送，受地面冷锋影响，暖湿气流沿低层冷垫爬升，有利于锡林郭勒盟南部和赤峰市西部地区发生大到暴雪天气。

4 锋面特征分析

强降雪过程的发生与地面冷锋密切相关，为了研究地面冷锋的强度变化，通过计算锋生函数进行诊断分析。锋生函数的计算过程中，考虑到假相当位温θse是一个包含温度、气压和湿度的综合物理量，在干绝热、湿绝热和假绝热过程中都守恒[22-23]，降雪过程中空气湿度较大，上升和下沉运动可近似看成湿绝热过程，所以利用θse来计算锋生函数，其表达式为[24-25]：

其中，

式中，F1为变形项，F2为辐合项，F3为垂直项，当F>0时，为锋生，F<0时，为锋消。

4.1 假相当位温

图4a给出14日02时700 hPa假相当位温和风场的分布图，110°E以东，45°N以北为假相当位温的低值区（<276 K），以南为假相当位温的高值区，暖湿气流位于114°～118°E，41°～44°N，湿舌伸展到42°N，西南风急流中心风速＞22 m/s，降雪强度明显增大。850 hPa上，110°E以东，假相当位温在41°N以北为低值区，且受东北急流控制，说明来自东北平原的冷空气为干冷空气，与来自西南的暖湿空气在41°N附近交汇。沿（38°N，123°E）至（48°N，112°E）做假相当位温、温度和风场的剖面（图4b），在内蒙古中东部偏南地区形成θse的密集区，即锋区（272～298 K的区域），强锋区由近地面向上伸展到700 hPa，南北跨越5个纬距（38°～43°N），锋区内有明显的逆温，锋区向北倾斜，倾斜锋区之下为假相当位温低值区，以东北风为主，属于干冷空气，强锋区上空为假相当位温高值区，38°N处假相当位温呈近似漏斗状分布，漏斗状右侧受西南风影响，暖湿气流沿锋面爬升，说明中高层北上的暖湿气流在低层南下的冷空气上爬升，大到暴雪天气发生在锋面附近及锋后区域，来自东北平原的冷空气起到了冷垫的作用。

图4 14日02时700 hPa假相当位温（黑色等值线，单位：K）和风场（单位：m/s；阴影是急流）分布图（a）及假相当位温和温度（红色等值线，单位：℃）沿38°N，123°E至48°N，112°E的剖面（b）

4.2 锋生函数和次级环流

降雪过程的形成和加强与锋面的发展有紧密的联系，锡林郭勒盟正蓝旗站，13日08时—14日14时出现连续锋生，在850～700 hPa上有明显的正值中心带，在14日02时出现最强锋生，14日14时以后锋生函数数值减小出现负值，出现锋消，正蓝旗降雪停止，可见锋生与锋消的变化与降雪天气的发生与结束相呼应。

总锋生函数F的分布（图5a）可知，锋生落区的分布和降雪落区的分布形状相似，锋生主要发生在倒槽中，800 hPa以上的暖湿气流沿低层冷垫爬升，温度梯度加大，产生锋生，内蒙古中东部偏南地区有明显的锋生，存在＞20×10-10K/（m·s）的锋生区，其中锡林郭勒盟南部和赤峰市西部地区锋生函数值超过36×10-10K/（m·s），与暴雪落区相对应，进一步说明了锋生作用在强降雪过程的重要性。因为垂直运动项的作用对强降雪过程的锋生函数贡献特别小，图5b、5c给出F1和F2的分布图。水平变形场作用项和水平辐合辐散项在强降雪过程中均是有利于锋生的，其中主要的贡献项是水平变形场作用项，在暴雪区域可达24×10-10K/（m·s），水平辐合辐散项的贡献作用相对较小，暴雪区数值＞4×10-10K/（m·s）。综上分析可知，锋生作用主要是冷暖空气交汇产生的，强锋生落区与强降雪区域相对应，水平变形作用项对锋生的贡献最大，垂直运动项对锋生的贡献最小。

由锋生函数F、水平风矢量和垂直速度沿116.5°E的剖面图（图5d）可知，锋区随高度向北倾斜，42.5°N附近800 hPa处锋生函数强度最大，超过44×10-10K/（m·s），在锋区北侧高空下沉气流及1 000～800 hPa上东北气流的共同作用下，干冷气流形成“冷垫”，迫使暖湿空气沿冷垫抬升，同时不断的有干冷空气向中低层暖湿气流下方入侵，形成次级环流，导致上升运动加强，降雪随之加强，次级环流的上升支与高层扩散下来的下沉冷空气交汇锋生后，又与西南暖湿气流辐合锋生，促进上升支的加强，有利于次级环流的维持，次级环流的上升支与暴雪落区（42°～44°N）相对应，由此可见，锋生区和次级环流的正反馈作用有利于降雪增强，也是暴雪天气维持和发展的重要原因。

图5 2020年2月14日02时850hPa总锋生函数F（a）、水平变形场项F1（b）、水平辐合辐散项F2（c）的分布（单位：10-10 K/（m·s））、锋生函数和水平风场及垂直速度沿116.5°E的剖面（d）

4.3 锋区与位涡的关系

位涡对于许多中高纬度的天气系统的移动与发展有指示意义，其分布一般是高纬度大于低纬度，高层大于低层，位涡的分布对应着一定的气流结构，相对高位涡区域（在同一等熵面上，相同纬度上，位涡的值相对于其他的位涡值）是和高度场的槽以及气旋式气流相联系的，而相对的低位涡区域是和高度场的脊以及反气旋气流相联系的[26]。

湿空气的位涡即湿位涡，吴国雄等[27]从原始方程出发并推导出湿位涡，并证明了绝热无摩擦的饱和大气中湿位涡的守恒性，湿位涡是综合反映大气热力、动力和水汽性质的物理量，在暴雪等方面的应用较广泛，湿位涡分为两部分：

其中，MPV1是湿位涡的垂直分量，即湿正压项；MPV2是湿位涡的水平分量，即湿斜压项，当对流层低层MPV1>0，MPV2<0时，表示大尺度上大气处于层结对流稳定状态，但中尺度上发展出斜升气流，存在对称不稳定能量，有利于气旋性涡度发展和暴雪的发生[28]。

14日02时，的分布。在114°～118°E，41°～44°N的强降雪区域，均出现了MPV1>0，MPV2<0，量值较大且分布非常密集，MPV1和MPV2的这种分布有利于暴雪天气的发生。14日02时假相当位温、MPV1和MPV2沿116.5°E的剖面。锋区内对应着负的MPV2区，说明此处斜压性较大，中低层的高MPV1区和锋区紧密叠加，高层的MPV1湿舌与锋区中的中高层对应，高空正MPV1向下伸展贯通，促使冷空气向下扩散，下传的正位涡气块会引起低层冷空气的加强，冷暖空气对比度加大，有利于锋生，同时湿斜压性增强，斜压气流的发展有利于气旋性涡度的增强，从而进一步增强降雪。