河北北部强降雪统计特征及预报

杨 杰，范俊红，段宇辉，王 宏

（1.承德市气象局，河北 承德 067000；2.河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021；3.河北省气象台，河北 石家庄 050021）

降雪是我国北方冬季常见天气之一，而强降雪作为一种灾害性天气，对国民经济和人民生活具有重大影响，其影响越来越受到社会各界广泛关注。承德市冬季降水少，水资源短缺，强降雪虽可以补充水资源，但也会造成积雪成灾，因此准确预报强降雪对科学利用、储存水资源和做好防灾减灾气象服务具有重要意义。

我国研究人员早期对强降雪的研究大多针对西北高原[1-5]，对于华北强降雪研究相对较少。进入21世纪，对华北强降雪研究逐渐增多。张恒德等[6]对2010年3月14日华北强降雪进行模拟，得出螺旋度大值区对应强降雪中心。段丽等[7]分析2009年深秋北京大雪过程，指出强降雪发生前500 hPa正涡度平流区、对流层中上层水平辐散中心及对流层中下层水平辐合中心呈垂直结构控制北京，为北京提供有利动力环境。吴振玲等[8]对2011年2月下旬天津一次大到暴雪进行诊断，发现降雪前天津及其周边有较强对流不稳定能量和对称不稳定性。王宏等[9]引入湿位涡对河北东北部暴雪过程进行分析，指出降雪过程中MPV1值为正，且纯雪过程的MPV1值大于雨夹雪的MPV1值。随着研究深入，对华北强降雪的认识也越深，研究人员认为华北冬季降雪以回流降雪为主，华北回流是引起华北冬季强降雪的主要天气形势之一[10-12]。张守保等[13]普查1980—2002年华北回流天气，依据500 hPa环流将其高空形势分为“两槽一脊”和“高纬低压带”。张迎新等[14]发现低层冷空气虽然经渤海侵入华北平原，但仍保持干冷，在降水中起“冷垫”作用。阎访等[15]发现回流暴雪开始阶段的云水含量能够显示水汽迅速增加。张迎新等[16]从风廓线反演产品中发现边界层和中低层风速加大与降水加强有很好的应关系。宋晓辉等[17]对2009年11月9—12日河北省回流暴雪进行模拟，指出暴雪区近地层为干冷气团形成的冷垫，暖湿气流沿锋面上界向高层输送，暴雪的出现与高温高湿能量输送密切相关。此外，王丛梅、王丽荣、田秀霞等[18-20]也对河北南部回流暴雪进行了深入分析。这些工作虽然从不同方面对河北降雪进行研究，但多集中在河北中南部，对于河北北部降雪的研究则较少，有必要进行深入分析。

虽然河北冬季降雪主要为回流降雪，但气旋、低压倒槽等系统也常给河北造成强降雪，如2007年3月3—4日，江淮气旋沿东北方向移动与北方强冷空气相遇，冷暖空气交汇造成河北中北部出现大到暴雪、东南部出现大到暴雨；2012年11月3—4日，在地面气旋和高层系统共同影响下，河北出现强雨雪天气，多地日降水量突破同期极值，其中承德地区同时出现暴雨和特大暴雪。承德位于河北省东北部燕山腹地，北与内蒙古高原接壤，高原以下为燕山山地，独特的地理位置和地形使承德既易受回流冷空气影响，也易受北上的低压系统影响，强降雪频发，预报难度大。因此，对承德市强降雪过程进行深入分析，对提高强降雪预报准确率、做好防灾减灾救灾气象服务具有重要意义和科学价值。

1 资料和方法

对1986—2016年承德市9个气象观测站降雪资料进行筛选，并对强降雪的时空分布及降水特征进行统计分析。筛选条件为有1个以上观测站（包括1站）日降雪量≥5.0 mm（过渡季节有雨雪混合时，须观测记录显示纯降雪量≥5.0 mm）。

选取2000—2016年范围广、影响大的强降雪过程，利用常规观测资料和NCEP（1°×1°）再分析资料进行天气学分型，再采用气候统计、天气学分析、动力学诊断、相关性分析等方法进行物理量分析，以找出有指示意义的物理量及其特征值作为预报指标，建立预报方法。

2 强降雪的统计特征

2.1 时间分布

对1986—2016年承德市降雪进行统计发现：共有67次日降雪量≥5.0 mm，其中有20次日降雪量≥10.0 mm。强降雪过程最多的是1990和2007年，均为5次；最少的是1994、1995、2005、2008和2014年的0次，无强降雪过程的最长时间间隔为2 a。全市共有173站次出现大雪，50站次出现暴雪（图1a）。在统计出的67次强降雪过程中，有1次发生在10月，28次在11月，4次在12月，6次在1月，2和3月均出现14次，可见强降雪集中发生在11、2和3月，最早出现在10月，最晚结束于次年3月（图1b）。

图1 1986—2016年承德市大雪、暴雪过程降雪站数及大雪、暴雪站数（a）和大雪、暴雪过程的月分布（b）

2.2 空间分布

1986—2016年承德地区大雪、暴雪发生次数从南到北递减，南部的强降雪过程明显多于北部（图2）。强降雪发生次数最多的是兴隆站（34次），其次是承德站（33次），最少的是丰宁站（14次）。从降雪量级来看，虽然丰宁站强降雪次数最少，但极端性降雪次数却最多。

图2 1986—2016年承德市强降雪发生次数空间分布

2.3 降水特征

由于资料原因，选取2000—2016年降雪天气过程进行统计分析，共统计出37次强降雪个例。通过对这些个例的降雪站数、降雪量≥5 mm和降雪量≥10 mm的站数、最大降水量以及降水相态进行统计发现：过渡季节的强降雪过程常伴有降水相态转换，该时段的降雪量明显大于冬季纯雪过程的降雪量（表1）。

表1 2000—2016年承德市强降雪过程的降水特征

3 大尺度环流背景

对2000—2016年承德地区37次强降雪过程的环流形势及影响系统进行归纳总结：高空西风槽几乎伴随所有强降雪过程，在影响系统中是共有的，而地面影响系统却有较大差别。地面系统主要为回流冷锋和地面低压系统（低压倒槽或气旋），另有少数过程的地面形势为弱流场。根据地面环流形势及影响系统可将强降雪分为回流型（59.46%）、地面低压型（32.43%）和弱流场型（8.11%），其中回流型和地面低压型强降雪发生次数多、影响范围广，因此主要分析回流型和地面低压型强降雪。

3.1 回流型

降水发生前，200 hPa急流轴呈东西走向，承德位于急流轴左前侧的辐散区（图3a）。500 hPa上40°～60°N范围内为低压带，环流经向度较小，河北受偏西气流影响。700 hPa在内蒙古至山西一带常有切变线，河北上空为西南低空急流，暖湿气流直达河北北部。850 hPa以下为东北或偏东气流，冷空气由我国东北回流到河北地区。海平面气压场呈“北高南低”型，河套附近多有向东北方向伸展的倒槽。降水期间，200 hPa急流轴稳定少动。500 hPa低压带中的冷空气不断补充南下，河套附近常有短波槽活动（图3b）。700 hPa切变线东移，暖湿气流在河北上空产生辐合，850 hPa以下东北或偏东气流加强。地面冷高压缓慢东移加强，海平面气压场持续呈“北高南低”形势，河套附近仍有向东北方向发展的倒槽，冷暖空气在承德上空长时间交绥形成强降雪。

图3 200 hPa风速（填色，单位：m/s）、500 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）、700 hPa风场（风向杆，单位：m/s）的合成流场和海平面气压场（等值线，单位：hPa）

进一步分析地面冷高压中心分布特征可知，高压中心出现范围为90°～120°E、40°～55°N，中心强度在1 040 hPa及以上占59.1%。因此如果在90°～120°E、40°～55°N范围内出现强度在1 040 hPa以上的冷高压，同时在河北上游高空有低压带或短波槽出现，承德即有产生回流型强降雪的可能性。

从回流型强降雪过程的典型探空曲线（图4）可以看出，850 hPa以下为东北风，将东北平原的冷空气向降雪区输送，形成冷垫；850 hPa以上是暖湿的西南风，偏南暖湿气流沿着冷垫向北向上爬升，因此其上部常有逆温出现。降雪开始前，冷垫层多为干冷气团，850 hPa以上为湿层；降雪开始后，湿层变得深厚（图4a、4b）。冷垫不仅为降雪提供必要的温度条件，也为暖湿空气爬升提供抬升机制，有利于强降雪的形成。

图4 回流型强降雪过程的典型探空曲线

3.2 地面低压型

降水发生前，200 hPa急流轴呈东西走向，承德位于急流轴左侧附近（图5a）。500 hPa经向环流明显，105°～115°E范围内有一南北向低槽，河北受槽前西南气流影响（图5b）。700 hPa切变线与高空低槽接近垂直，切变线右侧西南气流直达河北北部，850 hPa及以下为偏南气流，暖湿气流持续向河北输送水汽。海平面气压场呈“西北高、东南低”特征，河北北部位于倒槽或低压范围内。降水期间，200 hPa急流轴稳定少动，500 hPa低槽东移加深，环流经向度加大，槽前西南气流加强。700 hPa切变线东移加强，其右侧西南气流可增至急流，持续向承德输送水汽。850 hPa以下偏东或偏南暖湿气流随着低压系统北上，可形成气旋性环流。海平面气压场仍呈“西北高、东南低”特征，地面冷高压减弱，而倒槽或低压（气旋）则发展加强并缓慢东移，大量水汽被输送至承德上空，冷暖空气长时间交绥形成强降雪。

图5 200 hPa风速（填色，单位：m/s）、500 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）、700 hPa风场（风向杆，单位：m/s）的合成流场和海平面气压场（等值线，单位：hPa）

4 物理量场诊断

4.1 水汽条件

回流型强降雪过程中（图6a），整层气柱总含水量为6～12 mm，且在河北北部地区存在西北—东南走向的湿舌，这种分布特点是回流型强降雪的一个典型特征。800 hPa水汽输送强度为1～3 g/（hPa·cm·s），同时伴有-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）的水汽通量散度辐合，即低层水汽通道畅通，有水汽源源不断向降雪区输送的同时，也伴有水汽辐合，水汽条件十分有利于形成强降雪。地面低压型强降雪过程中（图6b），水汽含量为8～12 mm。由于地面形势为倒槽或气旋等低压系统，低层常伴有东南或偏东、偏南的暖湿气流，随着低压系统北上，大量水汽随着低压系统源源不断北上，因此850 hPa主要为偏南或偏东气流输送水汽，水汽输送强度为1～2 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度辐合强度为-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s），即低层既存在水汽输送，也存在水汽辐合。

图6 气柱总含水量（等值线，单位：mm）和850 hPa（回流型为800 hPa）水汽通量（风矢量，单位：g/（hPa·cm·s））、水汽通量散度（填色，单位：g/（hPa·cm2·s））的水平分布

从两种强降雪过程降水期间的水汽特征来看，两种强降雪的水汽含量分布特征很相似，并且在低层均存在持续水汽输送和水汽辐合，这非常有利于低层水汽集中上升形成强降雪。由于地面影响系统不同，低层大气环流存在较大差异，两种强降雪过程的水汽输送通道和层次具有明显差异，回流型强降雪的水汽输送通道及辐合高度更高些。

4.2 动力抬升条件

强降水的形成需要有利的动力条件将低层水汽持续向上输送。回流型强降雪的上升运动主要在800 hPa以上的暖湿气流中（图7a），上升速度为-0.1～-0.05 Pa/s。比湿呈“上高下低”特征，800 hPa以下为东北气流影响下的比湿低值区，且南部比湿值明显大于北部，说明近地层回流冷空气多为干冷，干冷气团形成“锲形”冷垫，暖湿气流沿着冷垫向北向上爬升，将低层水汽向北向上输送，这对降雪加强和维持有促进作用[21]。地面低压型强降雪的上升运动条件明显强于回流型强降雪（图7b），上升速度为-0.5～-0.1 Pa/s，并且上升运动底层高度随海拔升高逐渐抬升，说明地形对低层偏南气流有一定抬升作用。比湿值呈“上低下高”特征，说明地面倒槽或低压（气旋）等系统携带的偏东、偏南气流为暖湿空气。

图7 沿118°E垂直速度（等值线，单位：Pa/s）和比湿（填色，单位：g/kg）的纬度—高度剖面

4.3 热力条件

温度平流能直接引起大气热力结构变化，其垂直分布可以反映大气层结发展趋势，而假相当位温θse可表征大气温湿特征。

回流型降雪期间，承德地区800 hPa以下为东北风，温度平流为负值，说明近地层为冷平流，回流冷空气形成冷垫；800～600 hPa为沿冷平流倾斜上升的正温度平流区，即暖平流沿冷垫爬升，斜升气流不断发展，具备对称不稳定发展特征。地面低压型降雪期间，950 hPa以下由南到北依次为西南—偏南—偏东—东北气流，这种风向转变说明近地层为低压系统控制。承德地区950 hPa以下为偏东风，说明承德位于地面低压系统北侧。950～700 hPa为西南或偏南暖湿气流区，而500 hPa附近为弱冷平流，这种垂直分布结构有利于大气层结不稳定发展。从850 hPa露点与假相当位温θse叠加来看（图8a、8b），低层干锋的维持与发展是回流强降雪的典型特点，地面低压型强降雪的低层空气显然更为暖湿。

图8 沿118°E温度平流（等值线，单位：10-5 K/s）纬度—高度剖面和850 hPa的露点（等值线，单位：℃）与假相当位温叠加θse（填色，单位：K）

5 强降雪预报模型

当出现以下环流形势时，可初步判断存在产生强降雪的可能性。

回流型强降雪，500 hPa上河北常处于低压带的偏西气流影响下或位于短波槽前，700 hPa西南急流直达河北北部，850 hPa及以下为东北或偏东气流。海平面气压场在90°～120°E、40°～55°N范围内出现强度大于1 040 hPa的冷高压，并且地面环流形势呈“北高南低”型，在河套附近有向东北方向伸展的倒槽。湿度分布多呈“上湿下干”特征，低层存在干锋，水汽辐合集中在800～700 hPa之间，上升运动主要在800 hPa以上的偏南气流区，回流冷空气在河北上空形成“楔形”冷垫，暖湿气流沿冷垫倾斜上升（图9a）。

地面低压型强降雪，500 hPa上河北上空有西风槽东移发展，冷空气沿500 hPa引导气流南下，中低层有切变线或气旋性环流。海平面气压场呈“西北高东南低”型，承德位于倒槽顶部附近或低压（气旋）右侧，常有东南到偏东、偏南的暖湿气流随着低压系统北上影响承德。湿度分布呈“下湿上干”特征，湿层深厚，水汽集中在700 hPa以下。上升运动主要在800 hPa以上的偏南气流区，强上升运动有利于降低层水汽向上层输送，暖湿气流与冷空气在承德上空交绥，形成强降雪（图9b）。

图9 强降雪天气预报模型

6 结论与讨论

对1986—2016年承德市强降雪过程进行统计分析，选取2000—2016年范围广、影响大的强降雪过程作为典型个例，对典型个例的环流背景和物理量场进行深入分析，得到以下结论：

（1）强降雪过程集中发生在11、2和3月，最早出现在10月，最晚结束于次年3月。承德南部的强降雪过程明显多于北部。过渡季节的强降雪过程常伴有降水相态转换，其降雪量级明显大于隆冬季节。

（2）西风槽几乎伴随所有强降雪过程，在影响系统中是共有的，而地面影响系统差别较大。根据海平面气压场特征可将强降雪分为回流型、地面低压型和弱流场型，其中回流型和地面低压型为主要类型。

（3）当地面环流形势为回流型或地面低压型且物理量特征值满足以下条件时，承德地区出现强降雪可能性极大：回流型——水汽含量≥6～12 mm，700 hPa比湿≥2 g/kg、垂直速度≤-0.1 Pa/s，800 hPa水汽通量≥1～3 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。地面低压型——水汽含量≥8～12 mm，700 hPa比湿≥2 g/kg、垂直速度≤-0.4 Pa/s，850 hPa水汽通量≥1～2 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。

由于地理位置和地形较特殊，承德易受东北回流的冷空气影响而产生强降雪，但其形成机理与华北平原地区的回流降雪存在显著差异。以上得出的结论仅是基于承德地区部分典型个例的分析，其普适性存在一定局限性，还需要更多的个例进行验证。另外，承德南部的强降雪区位于燕山南麓迎风坡，未对地形抬升作用进行深入分析，这也是未来研究需要解决的一个问题。