乌鲁木齐达坂城谷地一次极端暴雪成因分析

2022-03-08胡顺起

沙漠与绿洲气象 2022年6期

万瑜，胡顺起，李辉，曹兴

（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.新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830002；3.临沂市气象局，山东临沂 276004；4.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830002；5.新疆气象局，新疆乌鲁木齐 830002）

暴雪天气有利于空气净化、促进越冬作物生长，但极端暴雪会对交通运输、农牧业生产以及城市运行带来不利影响。国内学者从暴雪形成的大尺度成因、热动力环境条件、锋生强迫和不稳定机制、山脉地形和城市边界层等多角度，对不同地区的暴雪进行研究并取得了诸多成果[1-5]。从降雪时间分布看，冬末春初出现大雪和暴雪概率最高[6]；从影响范围看，局地暴雪出现频次远高于大范围暴雪和区域暴雪[7]。有研究表明，我国北方暴雪形成多为回流型，低层回流不仅对水汽有贡献，还能形成冷空气垫，利于西南暖湿气流爬升，加强地面的动力抬升作用，增强垂直运动[8-10]，高、低空急流耦合作用也对动力抬升和水汽汇合有重要贡献[11]。20世纪80年代，新疆气象工作者在《新疆降水概论》[12]论著中，总结了新疆强降雪的3种天气形势，给出北疆降雪的天气尺度影响系统，以及地形对强降雪的作用，至今仍是强降雪预报的主要参考依据。近年来，随着区域自动气象站、天气雷达、微波辐射计、风廓线雷达等观测和模拟手段的不断改进，非常规观测资料在预报业务和研究中也取得了进展[13-17]，为新疆强降雪预报和研究提供了有力支撑。杨莲梅等[18]利用近50年降水资料，研究发现暴雪区均存在300 hPa极锋急流、500 hPa强西风锋区和700 hPa低空西风急流，造成新疆持续性暴雪的水汽源地有高纬北大西洋、巴伦支海，中纬地中海、里咸海，低纬红海，但主要以中低纬水汽输送为主。刘晶等[19]对北疆北部一次暴雪天气过程研究分析得出，暴雪区与中尺度云团边缘TBB等值线梯度大值区有较好的对应。杨霞等[20]研究发现南疆西部一次大暴雪过程存在偏西、偏东和偏南3支异常水汽输送，中β尺度云团是造成大暴雪的主要系统，强降雪出现在中尺度云团增强阶段。万瑜等[21-22]认为中天山北坡暴雪与非地转湿Q矢量散度辐合及锋生函数的最强区有较好的对应关系。但与暴雨研究相比，对暴雪的研究和认识深度仍显薄弱，非常规观测资料在暴雪研究中的应用仍不够充分，尤其是暴雪预报中涉及的难点，例如强降雪落区、小时雪强、持续时间等，以及其成因的研究明显不足。达坂城谷地常年干旱少降水、多大风，年平均降水量为70.5 mm，年大风日数为145.1 d，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的84.9%，所以目前多以大风天气作为达坂城谷地气候和天气的研究对象，少见其暴雪天气的研究工作，达坂城谷地在地理分区上属于乌鲁木齐，但其降水的极端性却有别于北疆其他地区。

2018年3月17—18日乌鲁木齐达坂城谷地出现大暴雪天气，其天气发生条件尚未达到凝练的暴雪预报指标，造成暴雪漏报，此次暴雪天气是达坂城气象站自1956年建站以来最强的降雪天气过程，对公路、铁路等交通以及城市运行带来严重影响。此次最大暴雪落区出现在降雪极少、以大风著称的达坂城谷地，故对此次极端暴雪的气候背景、大尺度环流特征、动热力条件、水汽来源及中尺度云团特征等问题进行探讨十分必要，有助于丰富对达坂城谷地暴雪天气发生机理的认识，为极端暴雪预报预警提供科学依据和有益思路。

1 研究区概况和资料选取

1.1 研究区概况

达坂城位于乌鲁木齐市区东南，呈西北—东南走向，长约80 km，宽约15～30 km的谷地（图1）。北倚东天山北麓的博格达山，南接天山中段山脉的天格尔山，东处喀拉塔格山脚下与吐鲁番市托克逊县交界，西临乌鲁木齐县，是南北疆地理、气候的分界线。

图1 达坂城谷地地形及测站位置

1.2 资料与方法

本文利用1959—2020年冬半年（10月—次年3月）乌鲁木齐达坂城区气象站（43°35′N，88°32′E，海拔1 103.5 m）降水资料以及美国气象环境预报中心（NCEP）空间分辨率为1°×1°全球再分析资料，同时结合水汽后向追踪、FY2G卫星相当黑体亮温（TBB）等资料，采用天气动力学分析方法，对暴雪天气过程的大尺度环流背景及动力、水汽、热力条件进行诊断分析。

文中采用新疆降水量级标准（修订版）规定，24 h降雪量（R），R≥12.1 mm为暴雪，并按照中国气象局评分办法，当出现雨转雪时，积雪深度增加10 cm以上认定为暴雪。

2 达坂城冬半年降水气候特点及大暴雪实况

2.1 达坂城冬半年降水气候特点

1959—2020年冬半年达坂城降水量总体呈缓慢上升态势，倾向率为1.1 mm·（10 a）-1（R=0.364，P＜0.01）。冬半年平均降水量为6.6 mm，峰值出现在2018年，为36.4 mm；谷值出现在2008年，为0.4 mm。从滑动平均曲线来看，除2018年，降水量年际间波动差异较小，年较差为17 mm；1964—1986年为降水量偏少阶段，1987—2007年转为波动性偏多阶段，2008—2015年降水量为偏少阶段，2016—2020年转为偏多，尤其是2018年降水量突增（图2），高达36.4 mm。此次暴雪天气发生在3月中旬，且降水量达到冬半年平均降水量的4.35倍。以往研究认为新疆北部降雪的高频中心主要出现在伊犁州、塔城地区，古尔班通古特沙漠边缘附近为低频区[23]。也有研究表明在全球变暖的大背景下，极端天气事件出现的概率增加[24]，此次达坂城谷地暴雪天气降水量突破冬半年极值，属于区域内一次典型的极端天气气候事件。

图2 1959—2020年达坂城冬半年降水量年际变化

2.2 暴雪前气温异常偏高

2018年3月5—17日，新疆长时间处于高压脊控制下，气温持续攀升且维持较高，乌鲁木齐平均气温较历年偏高6.1℃，偏高幅度居历史同期第二位。达坂城4日受冷空气影响，日平均气温接近气候平均值，5—17日达坂城站日最高气温维持在8～16℃（图3）。前期气温异常偏高，为本次暴雪天气积蓄了较好的热力条件。

图3 2018年3月5—17日达坂城区气温变化

2.3 大暴雪天气实况

3月17日19：00—18日18：00（北京时，下同），新疆天山北坡出现暴雪天气，乌鲁木齐天山区站、米东站、昌吉州天池站过程累积降雪量分别为16.6、13.2和14.4 mm（图4a），其中达坂城站3月18日02：00—18：00累积降雪量为28.7 mm，最大积雪深度达19 cm，日降雪量突破历年冬半年总降雪量极值。从达坂城站逐小时降雪量可以看到，有2个强降雪时段，分别集中在18日02：00—08：00和18日12：00—17：00，累计降雪分别为14.5和12.1 mm，6 h降雪量均达暴雪量级，18日04：00、05：00和12：00的雪强＞3 mm·h-1，04：00—05：00的最大雪强达4.2 mm·h-1，表明此次降雪具有降雪强度强且集中的特征（图4b）。

图4 2018年3月17日19：00—18日18：00国家站累计降雪量（a，单位：mm）和18日02：00—18：00最大降雪中心达坂城站逐小时降水量（b）

3 天气成因分析

3.1 环流背景和影响系统

降雪前期，15—16日500 hPa欧亚范围中高纬为两脊一槽经向环流，乌拉尔山至新疆为高压脊，中亚低涡维持在巴尔喀什湖至咸海附近，中亚低涡分裂短波槽影响北疆西部。17日20：00北欧低槽分裂部分冷空气东移南下，中亚低涡加深东移至新疆西部，槽底锋区加强并南伸至42°N，低涡前偏西气流达25 m·s-1，降水主要出现在博州和塔城地区（图5a）。18日08：00随着天山北坡降雪的持续和加强，200～500 hPa深厚的低涡系统随高度向西北倾斜，呈后倾结构；500 hPa里咸海脊北挺发展，推动中亚低涡继续缓慢东移向南加深，低涡槽前强盛的西南暖湿气流与北部干冷气流交绥至中天山北坡（图5b）。强降雪时段700 hPa达坂城附近存在气旋式辐合中心，出现偏南风风速辐合，其东南部建立10 m·s-1的偏南气流，且长时间维持明显的偏北风与偏南风切变线，18日14：00表现最为显著（图5c）。850 hPa中天山北坡维持14～20 m·s-1的向山西北低空急流，由于冷暖空气长时间交绥，大暴雪落区位于西北风与东南风切变线附近。地面形势场上，地面冷高为西北路径，自欧洲中部由西北向东南方向移动，16日20：00经乌拉尔山南端折向东移，17日20：00位于巴尔喀什湖北部中心强度为1 030 hPa的冷高压开始影响新疆，18日02：00缓慢东移并加强到1 032.5 hPa，同时配合地面准静止锋长时间维持在天山山脉附近，造成达坂城谷地持续性强降雪。

图5 500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）、温度场（虚线，单位：℃）风场（风羽，单位：m·s-1，阴影区风速＞20 m·s-1）（a为3月17日20：00，b为3月18日08：00）和3月18日14：00 700 hPa风场（c为风羽，单位：m·s-1）

综上，200～500 hPa深厚的低涡系统，500～850 hPa中层较强西南暖湿气流和低层西北急流叠加，700～850 hPa风速辐合及风向切变，地面强冷锋和地形抬升共同作用，为达坂城谷地强降雪维持和加强提供了有利的环流背景。

3.2 动力及不稳定机制

3.2.1 垂直运动

为了分析此次暴雪天气的中小尺度特征，了解暴雪过程中西北气流遇天山山脉阻挡后的垂直结构，沿43°N做垂直剖面（图6）可以看到，18日14：00，86°～88°E达坂城附近400 hPa以下为强上升运动区，此时低空西北气流在天山北坡加强为急流，向山的西北急流受天山阻挡沿地形爬升，在600～850 hPa形成闭合中β尺度次级环流圈，地形强迫对中尺度垂直上升支起加强作用，其较强的上升支气流为暴雪提供了中尺度上升运动（图6a）。分析暴雪中心达坂城垂直速度高度—剖面可知（图6b），降雪过程前，400 hPa以下一直维持上升运动区；18日02：00，降雪开始后，地面至500 hPa的上升运动强度增强，中心达9×10-2m·s-1，随着降雪强度的加强，最强上升运动区主要位于700～850 hPa，最大垂直上升运动中心超过12×10-2m·s-1；20：00，400 hPa以下迅速转为下沉运动区，降雪天气趋于结束。中低层上升运动加强时段与暴雪时段对应，长时间维持的强垂直上升运动为暴雪天气发生提供持续的动力支持。

图6 3月18日14：00合成风场（单位：m·s-1，流线）及垂直速度（单位：10-2 m·s-1，彩色区）沿43°N垂直剖面（a）和3月16日08：00—20日08：00合成风场（单位：m·s-1，流线）及垂直速度（单位：10-2 m·s-1，彩色区）达坂城站时间高度剖面（b）

3.2.2 热力及稳定度

17日08：00近地层～700 hPa天山北坡有θse等值线密集带，θse随高度增大，干暖气团位于冷湿气团之上，层结稳定，且θse垂直梯度随时间增强，一直维持至17日20：00，近地层比湿最大为3 g·kg-1。18日02：00随着低空西北急流携带湿冷空气的进入，700 hPa以下θse垂直梯度开始减小，暖湿气流被迫沿锋面爬升释放潜热。18日14：00随着暖湿气流继续沿低空冷垫爬升，使得锋区在600～850 hPa加强且随高度向北倾斜，暴雪中心43°～44°N附近850 hPa以上θse等值线明显上凸，说明此时冷平流更强，近地层比湿最大达4 g·kg-1，此种冷暖和干湿空气的剧烈交绥，使得斜压不稳定增长，这种机制的维持有利于乌鲁木齐城区至达坂城一线暴雪的持续与增强（图7a）。结合乌鲁木齐微波辐射计温湿水汽演变图也可以发现相同的特征，2个强降雪时段分别是18日03：00—08：00和11：00—17：00，强降雪时段中低层相对湿度维持较高，空气达到饱和，配合水汽密度分布可知，较高的水汽密度在4 km以下，0～2和2～4 km为4～7 g·m-3，2 km达到最大，为8 g·m-3以上（图7b）。达坂城谷地距乌鲁木齐80 km左右，乌鲁木齐微波辐射计温湿水汽演变特征在此次天气过程中对达坂城谷地暴雪要素变化有较好的指示作用，所以今后可以将微波辐射计资料应用于暴雪天气预报业务和研究中。

图7 3月18日14：00假相当位温θse（单位：K，实线）、比湿q（单位：g·kg-1，阴影）沿88°E垂直剖面（a）和17日12：00—20日10：00乌鲁木齐微波辐射计水汽要素变化特征（b）

3.3 水汽特征

3.3.1 水汽源地及路径

从地面～300 hPa整层水汽积分发现（图8a），水汽主要由中亚低涡偏西和西南气流自身携带的水汽和西北路径输送的水汽汇合至大暴雪区。由暴雪中心达坂城水汽通量散度的高度—时间剖面（图8b）可以看出，17日20：00—18日20：00达坂城中高层500～700 hPa均为水汽通量散度的正值区，即辐散区；低层700～850 hPa均为水汽通量散度的负值区，低层辐合强度强于中高层。18日02：00降雪开始，低层出现-4×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1的辐合区，08：00随着雪强增强，辐合区强度也随之增强，14：00—20：00辐合中心最大值达-10×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，与达坂城谷地强降雪时段吻合。随着降雪强度的减弱，水汽通量散度高层辐散，低层辐合的配置也逐渐消失，水汽辐合中心大值区也逐渐减小。水汽通量与水汽通量散度分布基本一致，水汽主要集中在700～850 hPa，低层水汽贡献高于中高层，新疆境内最大水汽通量为4 g·cm-1·hPa-1·s-1。达坂城2次强降雪时850 hPa均有西北路径的水汽输送，18日02：00—08：00，第一个强降雪时段700 hPa有偏西和西南路径的水汽输送，18日12：00—17：00第二个强降雪时段随着中亚低涡系统东移，700 hPa主要为西南路径的水汽输送，西北、偏西、西南3路水汽在地形抬升作用下，快速集中并辐合，为暴雪区提供了充沛的水汽条件。

图8 3月18日08：00地面～300 hPa整层水汽通量（a，单位：g·cm-1·s-1）及3月16日08：00—20日08：00水汽通量（矢量，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1）和水汽通量散度（阴影区，单位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1）达坂城站时间高度剖面（b）

3.3.2 水汽后向轨迹追踪

HYSPLIT 4轨迹模式模拟采用NCEP GDAS全球1°×1°气象资料作为背景初始场，该资料是应用全球中期预报谱模式（MRF）同化多种观测资料和预报结果，水平分辨率为191 km，垂直方向分为12个等压面层，时间间隔为6 h。本次研究计算为240 h后向轨迹，起始点经纬度为43.30°N、88.30°E，距离地面高度设为3层，分别为1 100、2 100、3 200 m。

使用HYSPLIT水汽后向轨迹模式，选取追踪点初始高度即平均海平面以上3个高度（AMSL），向前倒推达坂城240 h的水汽质点轨迹，可以发现18日08：00一支高度为3 200 m的轨迹通过地中海—红海—波斯湾，经过塔里木盆地东部沿偏西路径向中天山北坡中段输送，一支高度为2 100 m的轨迹通过北大西洋—东欧—西西伯利亚南下，经过咸海东移沿西南路径向中天山北坡中段输送；一支高度为1 100 m的轨迹通过额尔齐斯河南部向南经巴尔喀什湖东部沿西北方向汇入降雪区。18日14：00前两支水汽均通过北大西洋—东欧—西西伯利亚南下，经过咸海东移沿西南路径向中天山北坡中段输送，另一支水汽通过伊塞克湖，经伊犁河谷南部沿偏西路径输送至暴雪区。水汽后向轨迹追踪结果与水汽特征分析一致，此次暴雪过程的水汽来源主要是地中海、红海的水汽沿着偏西气流经波斯湾—阿拉伯海加强后，随着低涡前西南气流输送至暴雪区，另一支为低层西北路径水汽输送，同时由低涡携带的里、咸海水汽，随着其东移沿其前部的偏西气流输送补充至暴雪区。

3.4 云顶亮温演变特征

分析逐小时FY2G卫星红外亮度温度（TBB）资料可以看到（图9），第一个强降雪时段18日02：00—08：00影响达坂城谷地暴雪的为TBB≤-50℃的中β云团A和其西南方向快速东移北上的TBB≤-46℃中β云团B，2个云团先后持续影响近6 h，造成14.5 mm的明显降雪，小时雪强最大为4.2 mm·h-1。云团A 18日03：00加强并造成04：00—05：00强降雪，云团B强度比云团A略弱，06：00开始加强，09：00减弱东移出达坂城谷地，第一时段强降雪区位于云团A、B东北侧TBB等值线梯度最大区。18日07：00 B云团西南方向新生出2个TBB≤-50℃的中β云团C、D，10：00随着C云团东移与东移北上的D云团合并加强，形成TBB≤-54℃的中α云团E，第二个强降雪时段18日12：00—17：00，云团E随着低涡前西南引导气流缓慢东移北上，维持时间长达5 h，造成达坂城谷地降雪量达14 mm，小时雪强最大为2.9 mm·h-1。E云团从09：00开始生成至10：00加强，一直维持至16：00减弱消失，其生命史近7 h，主要影响乌鲁木齐至达坂城一线，强降雪时段也出现在TBB最强的12：00，第二时段强降雪区位于云团E北侧TBB等值线梯度最大区。本次暴雪天气主要是由2个中β云团A、B和1个中α云团E先后东移北上共同影响，E是本次暴雪天气维持时间长且形状完整强度最强的云团，强降雪区均位于中尺度云团的北至东北侧TBB等值线梯度最大区。