2018—2019年大连地区冷流性与非冷流性两次大雪天气过程对比分析

李燕 赛瀚 辛明月 刘晓初 程航 李昊

(1.大连市气象台，辽宁大连 116001; 2.盘锦市气象局，辽宁盘锦 124010)

引言

大连地区位于中国东北地区的最南端，是中国东北气候最温暖的地区。全区大雪以上量级的降雪过程相对中国东北其他地区要少，但局地大雪过程仍会经常出现，这种相对小尺度天气过程预报难度大，容易漏报而无法及时做好应对措施，造成较严重的经济损失。

大连地区西临渤海，冬季的冷流性降雪天气频发，占所有降雪过程的一半以上[1-2]，这种降雪多发生在大连南部地区[3]，具有明显的局地性特点。在冷空气较强情况下，冷流性降雪可达到大雪量级[4]。大连地区局地大雪天气过程，是否为冷流降雪造成，存在一些模糊的认识，特别是在有低值天气系统影响时，产生的降雪是冷流降雪、非冷流降雪还是混合降雪存在争议，因此需要先为局地大雪天气过程定性，在此基础上进一步分析这种天气过程的中小尺度特征。通过中小尺度的结构分析，进一步确定强降雪的强度和落区[5-8]。

在冷流降雪的物理机制[3,9-10]及其与非冷流降雪的对比分析以及强降雪的中尺度特征方面[5-7]，均已有很多研究。冷流强降雪是发生在槽后西北气流里的中小尺度不稳定降雪,非冷流强降雪是发生在槽前西南气流中大尺度稳定性降雪[11]。冷流性强降雪过程存在多尺度作用机制[1]，山东半岛冷流性降雪初期，其北部沿海地区地面存在γ中尺度低压环流，雷达径向速度上表现为低层有β中尺度涡旋[12]，冷流暴雪过程的形成受中尺度海岸锋的生消过程影响，水平方向上强辐合带局地环流中的上升运动触发不稳定能量释放，影响暴雪的落区和强度[13]。中国华北地区强降雪天气过程，地面和低层水平风场具有β中尺度涡旋性环流，是降雪长时间维持的原因[14]。

以上研究多为中国山东半岛和华北地区[15]，辽东半岛南部的研究较少。近年，辽东半岛冷流性降雪天气也发生频繁。2018年12月7—8日和2019年12月20日大连南部地区出现大雪天气，发生漏报和预报量级偏小情况，造成交通瘫痪，严重影响人们出行。本文利用常规气象观测资料、再分析资料、雷达资料等，对大连地区这两次降雪天气过程进行对比，分析两次过程是否属于冷流性降雪，以及两次过程的物理机制等方面的异同点，探讨冷流性降雪和非冷流性降雪的预报着眼点，为大连地区局地大雪预报、预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

利用来源于大连市气象局的常规和加密气象观测资料，分析2018年12月7—8日和2019年12月20日大连地区两次降雪的实况和环流形势差异。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)逐6 h的0.25°×0.25°再分析资料[16]，分析两次降雪过程的水汽输送条件、大气稳定度、垂直运动等物理机制的差异。利用大连加密自动站资料、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ECMWF-thin模式产品以及大连本地化(1 km×1 km)网格分析产品进行形势场和涡度场的中小尺度特征对比。利用多普勒雷达资料分析两次降雪过程回波移动方向与低层气流之间的关系、降雪回波持续时间、回波强度与小时降雪量对应关系等方面的差异。

1.2 探空图的订正

无明显平流或天气系统过境时，可用预报的午后地面温度和露点温度作为地面气块的起始温度和露点，订正探空曲线，再计算CAPE值、K指数等。有明显平流或天气系统过境时，根据平流过程造成的大气层结不稳定和水汽条件的变化做定性判断。

1.3 本地化网格产品

大连本地化网格产品(1 km×1 km)是基于ECMWF-thin模式产品，根据准对称滑动训练期方案，采用MOS等解释应用技术订正后，生成的精细化网格预报产品。选取00时融进加密气象观测资料的模式精细化分析产品，该产品空间分辨率较高，可以进行中小尺度特征分析。

2 结果分析

2.1 实况分析

2.1.1 降雪实况

2018年12月7—8日大连南部地区(大连市区、旅顺口区和金普新区)出现了阵雪天气，其中大连市区为大雪，旅顺口区和金普新区为小雪(表1)。其他地区未出现降雪。从大连市区逐小时雪量可以看出(图1a)，降雪为阵性，逐小时降雪量均为1 mm以下，降雪时间从7日19时至8日12时(北京时，下同)，历时18 h。

表1 2018年12月7—8日大连地区主要站点降雪量和最大雪深Table 1 The snowfall and maximum snow depth in the Dalian area from December 7 to 8,2018

图1 2018年12月7—8日(a)和2019年12月20日(b)大连地区主要站点逐小时降雪量Fig.1 The distributions of hourly snowfall at main stations in the Dalian area from December 7 to 8,2018 (a) and on December 20，2019 (b)

2019年12月20日09—14时，大连南部地区(大连市区、旅顺口区、金普新区及长海县)出现了降雪天气(表2)，大连市区和旅顺口区为中到大雪，长海县为小雪，金普新区部分地区也出现明显降雪，因区域自动站冬天遮盖的原因没有观测记录，金普新区站点为微量降雪，大连其他地区未出现降雪。此次降雪时段主要集中在10—13时，最强时段为11—12时，1 h市区出现了3 mm降雪，旅顺口区出现了2.2 mm降雪(图1b)。

表2 2019年12月20日大连地区主要站点降雪量和最大雪深Table 2 The snowfall and maximum snow depth at main stations in the Dalian area on December 20,2019

2.1.2 环流形势

2018年12月7—8日大连地区500 hPa由高空槽底偏西流场转为槽后西北流场，850 hPa及700 hPa为槽后西北气流场控制，850 hPa温度较6日下降了10 ℃，存在较强冷平流(图略)。地面受较强冷高压控制，中心强度为1070 hPa左右。850 hPa及以下相对湿度较大，但850 hPa 及925 hPa比湿仅为1 g·kg-1，水汽的绝对含量很低。大气层结较稳定，无明显低层切变系统，只850 hPa在渤海有非常弱的小切变，抬升触发条件较差。925 hPa温度为-15 ℃，850 hPa温度为-20 ℃，地面温度南部地区最低为-11～-9 ℃，最高为-6～-4 ℃，渤海海面为7级左右阵风。从海水表温实况看，渤海海表温度为4 ℃左右，渤海海峡海表温度为7 ℃左右，海气温差较大。渤海相当于暖源，有利于暖湿水汽抬升至低层，强冷空气经过渤海与其上升的暖湿水汽交汇，有利于降水的产生。由于气温较低，降水相态为雪，在西北气流的作用下，在其下游大连南部地区产生降雪，即冷流降雪。降雪期间850 hPa温度偏低，环流形势符合冷流降雪特征指标。

2019年12月20日08时大连地区500 hPa受槽后偏西气流控制，700 hPa为稳定的偏西到西北流场，850 hPa为偏西气流，无明显切变线。地面形势整体处于弱高压内部，渤海北部位于低压底部，而山东半岛存在一个弱倒槽，渤海北部和海峡存在地面辐合线和风的气旋性弯曲。从08时大连站探空曲线来看，大连南部地区及渤海海峡低空存在一定湿区，并且呈喇叭口结构。受前期冷空气影响，850 hPa温度达到-13 ℃，并且其上有逆温层，逆温层上为明显的干冷空气(图2a)，相当于在850～925 hPa相对湿层(温度露点差为3 ℃)上“加盖”，上升运动在近地层和低空内维持，有利于水汽的堆积[16-17]。近地面和850 hPa存在弱的垂直风切变，有利于低层辐合抬升，为降雪提供动力条件。由09时大连站订正后的探空曲线可知(图2b)，随着日照强度增强及海风风速增大，地面温度和湿度有所上升，近地面至850 hPa出现弱的不稳定层结，有利于低空辐合运动的维持和加强，此时大连南部降雪开始，并且不断向北部发展增强。

综上，两次降雪过程均发生在12月，出现在大连南部地区，容易把两次过程界定为冷流性降雪，但通过对比分析发现，两次降雪过程存在较大差异。2018年12月7—8日降雪过程时间长，且降雪比较均匀，500 hPa以下均为冷涡后部偏北流场，850 hPa温度降至-20 ℃，属于强冷空气影响时段，此次过程为冷流性降雪。而2019年12月20日降雪发生时间短，有短时强降雪特征，850 hPa以上为偏西流场，850 hPa以下在渤海有弱切变线，地面场中渤海南部有辐合线，此次降雪过程为非冷流性降雪，由于系统局地性以及系统较弱的原因出现漏报。

2.2 物理量场差异

2.2.1 水汽输送条件

对比2018—2019年大连地区两次降雪过程的水汽输送条件(图略)，2018年12月7日08时至8日20时大连地区700 hPa水汽通量均小于2 g·cm-1·hPa-1·s-1，表明有水汽输送，但输送并不明显。2019年12月19日08时大连南部地区700 hPa水汽通量为2～3 g·cm-1·hPa-1·s-1，19日14时至20日08时均小于2 g·cm-1·hPa-1·s-1，表明南部的水汽输送条件更明显。由水汽通量散度场分布可知(图3)，2018年12月降雪过程从降雪开始前(7日08时)到降雪结束(8日14时)，大连上游地区为-5×10-6～0 kg·hPa-1m-2s-1的水汽辐合区，即渤海为水汽辐合区，大连地区位于水汽通量低值区。2019年降雪过程中，12月19日08时大连北部地区为-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合区，南部为水汽辐散区，表明大连南部虽然水汽输送条件较好，但并没有辐合，不利于水汽累积。19日14时大连全区均为水汽辐合区，20时北部为水汽辐合区，南部为辐散区，20日02时全区均为水汽辐合区，此时水汽辐合较弱，不太稳定。08时大连南部为-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的强水汽辐合区，北部为水汽辐散区，此时大连南部水汽辐合条件稳定，开始降雪。

850 hPa、925 hPa与700 hPa的水汽通量散度基本一致。2018年12月降雪过程从7日14时至8日08时在金普新区东部、普兰店市区东南部及长海县为-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合区，其他时段全区均为水汽辐散区。2019年19日20时大连南部为-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合区，20日02时至08时全区均为-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合区。

综上，2018年12月7—8日降雪过程前，大连上游地区中低层为水汽辐合区，表明大连上游地区即渤海地区中低层不断有水汽辐合抬升，为其下游大连南部地区降雪提供水汽条件。2019年12月20日降雪过程前12—24 h，水汽辐合条件不太稳定，至降雪过程前12 h大连南部地区低层水汽辐合条件稳定建立并逐渐增强。两次降雪过程水汽通量水平方向的输送明显不同，2018年12月7—8日降雪过程水汽通量水平方向的输送为自西北向东南，水汽辐合条件较弱(图3a)，2019年12月20日降雪过程水汽通量水平方向的输送为自南向北，水汽输送条件较好(图3b)。冷流强降雪水汽是来自西北方的干冷空气经过渤海水面时不断通过海气相互作用向大气输送，暖洋面通过蒸发作用实现水汽辐合抬升，水汽蒸发量相对小，需长时间累积，洋面暖湿作用维持时间较长，持续辐合抬升有利于下游地区长时间降雪。非冷流中小尺度降雪的水汽主要来自南方暖湿空气的水平输送，水汽条件建立时间短，降雪时间也较短。

等值线为水汽通量，单位为g·cm-1·hPa-1·s-1；阴影为水汽通量散度辐合，单位为10-6 kg·hPa-1·m-2·s-1图3 2018年12月7日20时(a)和2019年12月20日08时(b)大连地区850 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.3 The water vapor fluxes and their divergences at 850 hPa at 20:00 on December 7,2018 (a) and at 08:00 on December 20,2019 (b) in the Dalian area

2.2.2 大气稳定度

温度直减率是判断大气稳定度的重要指标之一，当温度直减率等于1.0 ℃·(100 m)-1( 气块的干绝热上升的温度直减率) ，大气处于绝对不稳定状态。当温度直减率大于0.6 ℃·(100 m)-1( 气块绝湿热上升的平均温度直减率,其值在对流层低层小于对流层高层)，大气处于条件不稳定状态。当温度直减率小于0.6 ℃·(100 m)-1，大气处于绝对稳定状态[18]。

2018年12月7—8日降雪过程，对流层中低层850 hPa与500 hPa之间的温度差，大连地区及上游渤海地区均为14 ℃以下，温度直减率为0.35 ℃·(100 m)-1，气层非常稳定。2019年12月20日降雪过程中，渤海、大连地区、黄海北部温度差为18～21 ℃，温度直减率为0.45～0.53 ℃·(100 m)-1，气层也较稳定，说明两次降雪过程，中低层均处于稳定状态。近地面与850 hPa之间温度差，2018年12月7—8日降雪过程前24 h，温度直减率大于0.6 ℃·(100 m)-1，为0.7～0.8 ℃·(100 m)-1，降雪过程中，温度直减率为0.6～0.7 ℃·(100 m)-1，气层处于条件不稳定状态。2019年12月20日降雪过程，只在临近降雪开始时温度直减率才大于等于0.6 ℃·(100 m)-1，气层刚达到条件不稳定状态，说明两次降雪过程850 hPa以下均为不稳定状态，只是建立时间早晚、长短、强度不同。

综上，两次降雪过程，大连地区及上游渤海地区对流层中低层大气非常稳定，2018年12月7—8日比2019年12月20日更稳定。低层至近地层，两次降雪过程均为条件不稳定状态，说明两次降雪过程均属于不稳定性降雪，但2018年12月7—8日提前12 h达到不稳定条件，而2019年12月20日临近降雪开始时才达到不稳定条件，2018年12月7—8日降雪比2019年12月20日降雪更不稳定。说明冷流性降雪由于暖湿洋面产生弱小扰动抬升，使低层较早建立不稳定条件，冷流性降雪有时比非冷流性局地中小尺度降雪更不稳定。

2.2.3 垂直运动

2018年12月7—8日降雪过程前及降雪过程中，500 hPa大连地区除庄河有-30～0×10-2Pa·s-1的弱上升运动外，其他地区及上游的渤海均为下沉运动，中心位于大连南部至西北部，为50×10-2Pa·s-1。925 hPa大连地区除东部和东北部为下沉运动外，大连其他地区及上游的渤海均为上升运动，中心位于瓦房店，为-60×10-2～-30×10-2Pa·s-1(图4a和图4b)。2019年12月20日降雪过程前(19日20时和20日02时)，500 hPa大连西部均为上升运动中心，其他地区为下沉运动，南部有下沉运动中心(50×10-2～100×10-2Pa·s-1)(图略)，降雪前1 h(20日08时)，全区均为下沉运动(0～50×10-2Pa·s-1)(图4c)。 19日20时925 hPa全区均为下沉运动，20日02—08时大连南部出现上升运动中心，为-40×10-2～0 Pa·s-1(图4d)。

单位为10-2Pa·s-1图4 2018年12月8日02时500 hPa(a)和925 hPa(b)、2019年12月20日08时500 hPa(c)和925 hPa(d)垂直运动场Fig.4 The vertical velocity fields at 500 hPa (a) and 925 hPa (b) at 02:00 on December 8,2018,and at 500 hPa (c) and 925 hPa (d) at 08:00 on December 20,2019

以上分析表明，两次降雪过程垂直运动场上存在明显差异，2018年12月7—8日降雪过程前12 h，大连地区及上游中低层均为上升运动，500 hPa为下沉运动，说明在冷流性降雪中，渤海暖湿洋面辐合抬升作用长时间持续是产生降雪的主要原因。2019年12月20日降雪过程前1 h，大连地区及上游形成中低层上升运动，500 hPa为下沉运动的形势，说明非冷流性降雪上升运动主要与系统影响时间相对应。冷流性降雪中，渤海暖洋面作用时间长，抬升运动时间也相对较长。而非冷流性的中小尺度降雪过程只需要短时间的上升运动就会触发降雪天气，预报难度较大。

2.3 中小尺度特征

2.3.1 精细化网格产品

2018—2019年大连地区两次降雪过程均属于中小尺度天气，可利用大连加密自动站资料、ECMWF_thin产品以及精细化(1 km×1 km)网格产品进行中小尺度特征分析。2018年12月7日和2019年12月19日地面风场见图5。2018年12月7日08时大连及周边均为一致的偏北流场(图5a)，20时在大连市区至瓦房店南部形成弱的小气旋，大连市区为偏东风和偏北风的辐合(图5b)，该形势一致维持至8日08时(图5c)。2019年12月19日20时渤海、大连地区以及黄海均为偏北风(图5d)，此时在辽宁西南部和天津北部有弱辐合线，20日08时在渤海中部(大连中南部的西部海域)有偏西风和偏南风的辐合线(图5e)，而黄海西部靠近大连南部的地区为反气旋，该形势有利于渤海辐合线的维持，因此处于其下游的大连南部地区降雪持续时间较长。

图5 2018年12月7日08时(a)、20时(b)、8日08时(c)和2019年12月19日20时(d)、20日08时(e)大连地区地面风场Fig.5 Surface wind fields at 08:00 (a),20:00 (b) on December 7,08:00 on December 8 (c),2018 and at 20:00 on December 19 (d),08:00 on December 20 (e),2019

利用精细化风场资料对地面涡度场进行分析表明，2018年12月7—8日降雪过程中，有正涡度大值(1×10-4s-1)，7日08时该大值区位于长兴岛至大连市区(图6a)，而7日20时开始该大值区位于长兴岛至大连市区西北部(图6b)，8日08时该大值区维持，同时，大连最南端旅顺口区也出现大值区(图6c)，表明冷流降雪落区根据风向位于中小尺度辐合抬升的下游，而冷流降雪区域正涡度值不大。2019年12月20日降雪过程中，从18日20时开始正涡度大值(1×10-4s-1)位于大连市区，一直维持至20日08时降雪前(图6d和图6e)，为大连市区出现强降雪提供了动力条件。

图6 2018年12月7日08时(a)、20时(b)、8日08时(c)和2019年12月19日20时(d)、20日08时(e)大连地区地面涡度场 Fig.6 Surface vorticity fields at 08:00 (a),20:00 (b) on December 7,08:00 on December 8 (c),2018 and at 20:00 on December 19 (d),08:00 on December 20 (e),2019 in the Dalian area

2.3.2 雷达回波特征

大连地区三面环海的特殊地形，缺少上游观测数据，需要借助多普勒雷达进行监测。一般冷流性降雪最大回波强度为15～25 dBz，回波高度低于3 km。2018年12月7日夜间，大部分回波强度为15～25 dBz，雷达站西侧零星回波的最大强度达30～35 dBz。从8日01:16径向速度图上看(图7a)，雷达站西侧20 km处有明显风向辐合，与渤海暖湿洋面辐合抬升、强回波相对应，回波在高空西北风的影响下迅速向东南方向移动影响大连本站(图7b)，与8日00—01时降雪较明显时段对应。8日10:46,大连本站西北方向强回波面积达5 km×5 km(图7c)，向东南方向移动。11:30，35 dBz强度回波完全经过并且移出大连本站。 35 dBz强度回波5 min最大可出现0.2 mm降雪量，最小可出现0.1 mm降雪量，10—11时小时降雪量为0.6～1.2 mm，与实况小时降雪量为1 mm较为一致。11:30之后的回波强度为15～25 dBz，11—12时实况降雪量也相应减弱为0.8 mm，回波强弱变化与降雪第二个较明显时段10—12时雪量演变相对应。

图a、图b和图c仰角均为0.5°图7 2018年12月8日01:16大连地区雷达(a)径向速度、8日10:03(b)和10:46(c)基本反射率Fig.7 Radial velocity (a) at 01:16,reflectivity at 10:03 (b) and 10:46 (c),observed by radar on December 8,2018 in the Dalian area

从2018年12月8日10:29风廓线产品可以看出，冷流性降雪与水平风速的垂直演变存在一定的对应关系。1～2 km高度西北风明显增大，冷流性降雪增强，此次过程1～2 km高度风速为8～16 m·s-1，2 km高度左右西北风风速最大达18～20 m·s-1，表明1 km以上有较强的冷空气。而0～1 km高度近地层偏北风风速一直维持在8 m·s-1以下，表明强冷空气还没有影响到海面，海面仍有暖湿水汽抬升。当1 km以下近地层偏北风增大至8 m·s-1以上时，表明强冷空气影响海面，水汽抬升减弱，冷流性降雪结束。

2019年12月20日09时，降雪从大连最南端旅顺开始，降雪主体开始时间为10时。雷达回波平均强度为15～25 dBz，最大值达30～35 dBz，带状混合性回波沿海岸线自西南向东北移动，与近地层切变辐合前西南风场对应。08时回波整体强度弱、分散、边界不明显。09—10时回波出现整体发展，北侧边界开始清晰，降雪开始。11—12时为回波最强阶段，且发展为西南—东北向带状，与低层切变线和地面辐合线位置对应，带状走向与回波移动方向基本一致，表明回波不断经过同一个地方，形势有利于降雪增强。10—12时回波带上有多个强中小尺度回波(图8a)，且大连市区西南部回波带中夹杂多个强度达30～35 dBz的片状回波(图8b)。这些小而强的回波沿回波带向东北方向(大连市区)移动，经过大连市区的时间与短时强降水时段相对应。10:31，回波高度均为2 km及以下(图8c)，说明水汽抬升不是很高，与弱切变相对应。13时影响大连地区的降雪回波强度和范围开始减弱。

图a和图b仰角为0.5°图8 2019年12月20日11:58(a)、10:31(b)大连地区雷达基本反射率和10:31(c)回波顶高Fig.8 Reflectivity at 11:58 (a) and 10:31 (b),echo tops (c) at 10:31 on December 20,2019 observed with radar in the Dalian area

3 结论

(1)2018年12月大连地区冷流性局地降雪过程高空均为西北气流场控制，有较强冷平流，925～850 hPa温度为-20 ～ -10 ℃。2019年12月大连地区非冷流性局地降雪过程，近地面至850 hPa存在风切变，地面有辐合线，850 hPa以上有逆温层，有利于低空辐合运动的维持和加强。

(2)2018年12月大连地区冷流强降雪过程，水汽是来自西北方的干冷空气经过渤海水面时不断通过海气相互作用向大气输送水汽，暖洋面通过蒸发作用实现水汽辐合抬升，水汽蒸发量相对小，需要长时间累积，而洋面暖湿作用维持时间较长，持续辐合抬升有利于下游维持长时间降雪。2019年12月大连地区非冷流中小尺度降雪过程的水汽主要来自南方暖湿空气的水平输送，水汽条件建立时间短，降雪时间也较短。对比两次降雪过程，大连地区及上游渤海地区对流层中低层大气非常稳定，但两次降雪过程边界层内均为条件不稳定状态，属于不稳定性降雪，冷流性降雪不稳定条件建立早，而且比非冷流的局地中小尺度降雪更不稳定。表明冷流性降雪中，渤海暖洋面作用时间长，抬升运动时间也相对较长；而非冷流性的中小尺度降雪过程只需要短时间的上升运动就会触发降雪天气。

(3)大连地区冷流降雪时，降雪区域有偏东风和偏北风的辐合，上游有小气旋，长兴岛至大连市区西北部有正涡度中心，冷流降雪落区根据风向位于中小尺度辐合抬升的下游。非冷流降雪时，降雪地区有偏西风和偏南风的辐合线，其下游有反气旋，该形势有利于辐合线的维持，有利于降雪时间的持续，降雪区域有正涡度中心，表明非冷流性中小尺度降雪落区位于中小尺度辐合抬升区。

(4)雷达回波图表明，2018年12月冷流性局地降雪回波从西北向东南移动影响大连，2019年12月非冷流性局地降雪回波从西南向东北移动影响大连。冷流性局地降雪强回波面积大，经渤海移到陆地略有减弱。非冷流性局地降雪回波在大连西南海上生成，带状回波走向与回波移动方向基本一致，带状回波上多发小面积的强回波，沿带状回波持续经过同一个地方，形势有利于降雪增强。冷流性局地降雪自底层到高层均为偏北风，非冷流性局地降雪前和降雪时近地面为南到西南风。