冷垫背景下回流暴雪成因与雷达回波特征分析

张桂莲，刘澜波，孟雪峰，张 璐，李林惠

（1. 内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051；2. 内蒙古包头市气象局，内蒙古 包头 014000；3. 内蒙古自治区气象局，内蒙古 呼和浩特 010051）

引 言

暴雪是内蒙古地区春、秋、冬季主要的灾害性天气，通常伴随寒潮大风，甚至会引起暴风雪、白灾等雪灾发生，常常使高速公路、机场关闭，电力设施受损，牧区牲畜死亡，给人民生产生活造成重大影响和危害。

回流天气是大陆东岸一些地区的共同特点，气团从陆地移向海上又回流到陆地，空气湿度增大，回流层厚度可达2 km［1］。回流暴雪是华北京津冀地区、山东等地的主要降雪天气系统之一［2-6］，其不同于大多数普通降雪天气。回流暴雪通常低层有东北或偏东气流，近地层有冷垫形成；普通降雪的水汽是低层向高层输送，而回流暴雪发生时南方暖湿空气沿低层冷垫爬升，到达一定高度后水汽凝结产生降雪［7］；回流冷空气使低层大气维持长时间的水汽输送并与其上层的湿度大值区相结合，增加湿层厚度，为降水提供水汽条件，有利于降雪持续形成较强降雪［8］。回流暴雪的动力机制也不同于普通暴雪，通常有斜压锋生，深厚倾斜的湿层导致暖湿西南气流在偏东气流上爬升，加强了大范围的辐合抬升，加大了大气斜压性，为降水提供动力条件［9］；暖湿空气沿冷垫上滑，锋生时间长，中层锋区与低层东北回流叠加时会出现强降雪［10］。研究表明，回流降水的开始和结束与高低层的风向密切相关，中高层的西南气流与低层偏东气流叠加时降水开始，两者之一消失时降水结束［11］；在倒槽暴雪中，冷垫最厚、中低层西南风速最大时刻提前于强降雪5 h，对暴雪预报预警有先兆意义［12］。实际预报业务中发现，降水相态预报失误的天气形势多由回流形势造成［13］。以上有关回流形势下降雪的研究成果在暴雪预报中得到了应用，并取得一定成效。

内蒙古暴雪研究取得了很多成果［14-18］，但对内蒙古区域性冷垫背景下回流暴雪的研究特别是多普勒雷达资料在回流暴雪诊断方面的应用还少见。近年来回流暴雪在内蒙古东南部地区出现次数明显增加，且常常造成极端暴雪，如2020 年11 月17—19 日、2021 年11 月5—9 日内蒙古东南部地区出现极端回流暴雪天气，对经济和生产生活造成很大影响，因此加强该地区回流暴雪研究非常必要。本文对2019 年3 月20 日内蒙古东南部地区一次冷垫背景下回流暴雪天气的环境条件以及多普勒雷达特征进行分析，以期为该区域回流暴雪预报提供一些参考依据。

1 资料与天气实况

1.1 资 料

选取的资料为2019年3月20日08：00（北京时，下同）至21 日08：00 内蒙古自治区气象信息中心提供的内蒙古119 个国家气象站6 h 和24 h 降雪量观测资料及赤峰多普勒雷达（CINRAD/CA 型）资料、全球地形（水平分辨率1°×1°）资料以及NCEP 的FNL（水平分辨率1°×1°）逐6 h再分析资料。

文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）2884号的中国地图（世界地图）制作，底图无修改。

1.2 天气实况

2019 年3 月20 日08：00 至21 日08：00，内蒙古东南部出现大到暴雪天气过程［图1（a）］，最大积雪深度为11 cm，暴雪给交通、牧区造成很大影响。该区域10 个旗县12 站出现暴雪，降雪量为10.4~15.2 mm，其中单站降雪量前三位分别为通辽市科尔沁区站15.2 mm、科尔沁左翼中旗站14.2 mm、奈曼旗站14.0 mm。降雪时段主要集中在20 日08：00至21日02：00，通辽市科尔沁区、奈曼旗降雪强度非常强，9站12 h降雪量大于等于10 mm，达暴雪量级；17站6 h降雪量突破5 mm，达大雪量级［图1（b）］。

图1 2019年3月20日08：00至21日08：00内蒙古东南部24 h累计降水量（a，单位：mm）、3月20日02：00至21日08：00科尔沁、科尔沁左翼中旗、奈曼旗站6 h降水量（b）Fig.1 Cumulative precipitation in 24 hours in southeastern Inner Mongolia from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（a，Unit：mm），and 6-hour precipitation at Keerqin Banner，Keerqinzuoyizhongqi Banner and Naiman Banner stations from 02：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（b）

2 环流背景

2.1 西南暖湿空气

3 月20 日08：00［图2（a）］，500 hPa 高度场上亚欧中高纬度有阶梯槽，内蒙古东南部地区（115°E—125°E，40°N—45°N）位于槽前西南暖湿气流中，700 hPa 渤海湾一直有西南低空急流维持，风速达12~14 m·s-1；之后500 hPa 阶梯槽缓慢东移，14：00（图略）内蒙古东南部仍处于500 hPa 槽前西南暖湿气流和700 hPa 西南低空急流重叠区域，强降水发生在08：00—20：00 时段内［图1（b）］；20：00［图2（b）］，700~500 hPa 内蒙古东南部受西北风控制，降水减弱。降水最强时段，内蒙古东南部处于西南急流风速辐合区，西南低空急流不仅为暴雪提供充沛水汽，同时也使上升运动得到加强，水汽在上升到高空冷区过程中，凝结成冰晶和雪。

图2 2019年3月20日08：00（a）、20：00（b）500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：dagpm）和700 hPa风场（风矢，单位：m·s-1）Fig.2 Geopotential height field at 500 hPa（black isolines，Unit：dagpm）and wind field at 700 hPa（wind vectors，Unit：m·s-1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）20 March 2019

2.2 冷垫与大兴安岭特殊地形

我国降水和地形通常有密切联系，主要取决于低空风场和地形之间的配置［19］。内蒙古东部及东北地区的暴雪分布具有明显的空间差异，长白山区、辽东半岛和大兴安岭地区为暴雪高发区［20］，这次回流暴雪与东北—西南向的大兴安岭地形密切相关。

从20 日08：00 低层925 hPa 风场和地形分布［图3（a）］看出，内蒙古中部和东南部（110°E—125°E，40°N—45°N）有一条冷式切变线，其南北两侧有明显的西南风和东北风的风向、风速辐合区，切变线北侧有大于等于12 m·s-1的东北风超低空急流，内蒙古东南部大部分区域受东北风冷垫控制，而切变线南侧有大于等于12 m·s-1的西南风超低空急流，且有从东海到渤海的偏南暖湿水汽远距离输送；14：00（图略）环流形势继续维持，强风向和风速辐合有利于降水发生，强降水发生在08：00—20：00 时段，内蒙古东南部科尔沁区、奈曼旗站08：00—14：00 降水量分别为6.4、5.6 mm，14：00—20：00 降水量为5.4、5.3 mm，6 h 降水量均突破大雪量级；20：00［图3（b）］内蒙古东南部均被东北风控制，切变线移出，东海和渤海偏南风转为偏东风，暖湿气流通道被切断，辐合迅速减弱，之后降水量明显减小。大兴安岭地形呈东北—西南向分布，特殊地形有利于大兴安岭东麓迎风坡东北风干冷空气被迫抬升到较高层结，增强了冷垫作用，不仅有利于850~700 hPa 暖湿空气在冷垫上被迫爬升，也有利于暖湿空气向高层进一步输送；同时大兴安岭地形对低层东北气流也有减速汇聚作用，从而使得大兴安岭东麓的干冷空气在低层长时间堆积，回流暴雪的低层冷垫作用进一步增强，内蒙古东南部站点降水实况［图3（c）］也验证了这一点，20 日08：00 至21 日08：00 的24 h 降水量大于等于5 mm 的区域主要分布在大兴安岭东麓一带，降水量同低空偏东风与大兴安岭地形配置有很好的对应关系。

图3 2019年3月20日08：00（a）、20：00（b）925 hPa风场（风矢，单位：m·s-1），20日08：00至21日08：00 24 h降水量大于等于5 mm站点（红点）分布（c）（填色区为地形高度，单位：m）Fig.3 The wind field at 925 hPa（wind vectors，Unit：m·s-1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）20 March 2019 and distribution of stations（red dots）with precipitation equal to or more than 5 mm from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（c）（The color shaded is terrain height，Unit：m）

综上所述，500 hPa槽前西南暖湿气流和700 hPa西南低空急流，不仅为暴雪提供充沛水汽，同时使上升运动得到加强，925 hPa东北风超低空急流及地面东北风为暴雪提供冷垫，大兴安岭南北向特殊地形有利于东北风冷垫的进一步增强，促使暖湿空气向高层进一步输送，暴雪区位于925 hPa 东北风超低空急流与700 hPa 西南低空急流重叠处。这次初春暴雪天气主要由中高空西南暖湿空气沿低层冷垫爬升产生锋生造成，是一次典型的回流降雪天气。

3 环境条件

散度是研究大气动力过程的一个重要物理量，表征大气在运动过程中的辐合和辐散［21］。3 月20日08：00 850 hPa风场和散度场［图4（a）］，内蒙古中部和东南部地区（110°E—125°E，40°N—45°N）850 hPa风场有“人”字型切变线和气旋式辐合区，内蒙古东南部大部分地区位于切变线南侧的东南暖湿气流中，而该区域850 hPa 散度有大范围的辐合，辐合中心值为-30×10-6s-1，低空散度辐合有利于上升运动发展，强烈的垂直上升运动为暴雪的产生提供了原动力［22］；850 hPa 散度辐合一直维持到20：00（图略），之后减弱消失。另外，850 hPa 有两支水汽输送通道，一支来自渤海的偏南水汽，另一支来自鄂霍次克海的偏东水汽，两支水汽汇合于内蒙古东南部，造成该区域暴雪天气。比湿时间-高度剖面［图4（b）］显示，20 日08：00 至21 日02：00 降水时段，地 面 至850 hPa 比 湿 为2.5~3.0 g·kg-1，而850~650 hPa 比湿在3.0~3.5 g·kg-1，降水最强时段比湿大于等于3.5 g·kg-1，达到内蒙古暴雪比湿标准，850 hPa以下层结相对于850~650 hPa呈“下干上湿”结构，低层一直维持干冷垫，湿空气在干冷垫上爬升。

图4 2019年3月20日08：00 850 hPa散度（等值线，单位：10-6 s-1）和风场（风矢，单位：m·s-1）（a），20日08：00至21日08：00比湿（填色，单位：g·kg-1）和温度（等值线，单位：℃）的时间-高度剖面（b）Fig.4 Divergence field（isolines，Unit：10-6 s-1）and wind field（wind vectors，Unit：m·s-1）at 850 hPa at 08：00 BST 20 March 2019（a），and time-height profile of specific humidity（shaded，Unit：g·kg-1）and temperature（isolines，Unit：℃）from 08：00 BST 20 to 08：00 BST 21 March 2019（b）

4 温度层结演变

降雪事件另一个关注点是气温变化［23］，回流暴雪通常在温度层结方面有比较特殊的结构，通辽气象站是此次回流暴雪强降雪中心之一，过程降水量为15.2 mm，因此用通辽探空资料分析温度层结有一定代表意义。

从表1 可知，2019 年3 月20 日08：00 通辽探空站989~850 hPa 有明显逆温，989 hPa 温度为1.0 ℃，925、850 hPa 温度分别为2.0、2.4 ℃，700 hPa 温度为-2.9 ℃，700 hPa与850 hPa的逆温差高达5.3 ℃；地面至925 hPa 层结为冷垫，盛行东北风，冷垫强度非常强，925 hPa有超低空东北急流，风速达15 m·s-1，冷垫以上层结为西南暖湿气流且随高度逐渐增强，700 hPa 有西南低空急流，风速为12 m·s-1；西南低空急流不断输送暖平流，使得逆温层结得以维持。925~850 hPa 逆温层、925 hPa 超低空东北急流以及700 hPa 低空西南急流一直维持到20：00（图略）；700 hPa与850 hPa逆温强度在一定程度上可以表征冷暖气流交汇的强度［22］。低层东北风急流与中高层西南急流形成明显的风垂直切变和温度差，产生强的动力锋生，动力锋生作用在这次回流暴雪过程中发挥重要作用，是通辽降水量为15.2 mm 的重要原因之一。

表1 2019年3月20日08：00通辽站各层物理量Tab.1 Physical quantities at each level over Tongliao station at 08：00 BST 20 March 2019

5 雷达回波特征

图5为赤峰站多普勒雷达（CINRAD/CA）1.5°仰角基本径向速度图（27 号产品，雷达距离圈间距为50 km）。3 月20 日15：10，低层为东南风，中高层为西南风，有东南风—西南风暖式切变线，入流速度（负速度）对应的角度范围大于出流速度（正速度）对应的角度范围，低层辐合有利于降水产生。15：48，距离雷达中心约25 km 区域内出现一对正负速度中心，低层风向从15：10的东南风转为偏北风，雷达25~100 km 区域内，南侧中高层均为西南风，雷达中心南侧零速度线呈明显的“S”形，表明有暖平流，西南暖湿空气在偏北风冷垫上爬升，有明显的冷垫特征；同时该区域西北侧有西北风，西北风和西南风构成冷式切变线，低层辐合。17：26，西南风逐渐加强，雷达西南侧100 km 有大于等于15 m·s-1的西南急流（入流速度），高度约4.7 km，雷达东北侧50~100 km 有大于等于15 m·s-1出流速度，高度在2.2~4.1 km 之间，低层辐合，有西北—西南风、西南—东南风切变，这种结构一直维持到18：12。18：12 雷达中心至25 km，零速度线呈反“S”型，低层有冷平流，而雷达东南侧25~50 km 零速度线呈“S”型，说明有暖平流；入流速度（负速度）对应的角度范围远大于出流速度（正速度）对应的角度范围，低层辐合进一步加强。21：47，冷垫范围和强度逐渐加强，偏北风达10 m·s-1以上，而西南风减弱，有西北风—西南风切变，零速度线呈反“S”型，整层均为冷平流，暖平流消失；出流速度（正速度）对应的角度范围大于入流速度（负速度）对应的角度范围，低层辐散，降水随之减弱。23：57，零速度线几乎呈直线，整层全部被偏北气流控制，降水结束。中高层的西南急流与低层偏北气流叠加、低层辐合，降水加强；低层辐散、西南气流减弱消失时，降水减弱消失，这与降雪实况有很好的对应关系。

图5 2019年3月20日赤峰站多普勒雷达1.5°仰角基本径向速度演变（单位：m·s-1）Fig.5 Evolution of basic radial velocity on 1.5°elevation from Chifeng Doppler radar on 20 March 2019（Unit：m·s-1）

综上所述，雷达径向速度回波有明显的暖湿气流在冷垫上爬升的回流暴雪特征，低层冷垫和中高层西南暖湿急流同时加强与强降雪有很好的对应关系，这对降雪短时或临近监测及预警发布有一定指示意义，可以弥补降雪强度分钟监测较难这一短板。

6 结 论

利用赤峰市多普勒雷达观测资料、全球地形资料等对2019 年3 月20 日内蒙古东南部地区冷垫背景下回流暴雪天气的环境条件以及多普勒雷达特征进行分析，结果表明：

（1）500 hPa 槽前西南暖湿气流和700 hPa 西南低空急流，不仅为暴雪提供充沛水汽，同时使上升运动得到加强，925 hPa东北风超低空急流及地面东北风为暴雪提供冷垫；中高空西南暖湿空气沿低层冷垫爬升，这次内蒙古东南部地区春季暴雪是一次典型的回流降雪天气。

（2）低层925 hPa 东北风急流与中层700 hPa 西南急流形成明显的风垂直切变和温度差，产生强动力锋生，动力锋生在这次回流暴雪过程中发挥重要作用。

（3）850 hPa 风场有散度和气旋式辐合区，低层辐合有利于上升运动发展，强烈的垂直上升运动为暴雪的产生提供原动力；850 hPa有偏南和偏东两支水汽输送通道，汇合于内蒙古东南部。

（4）东北—西南向大兴安岭地形不仅对低层东北风超低空急流有减速汇聚作用，使得大兴安岭东麓的干冷空气在低层长时间堆积，而且有利于东麓迎风坡东北风干冷空气强迫抬升到较高层结，低层冷垫作用进一步增强。

（5）下干冷上暖湿特征明显，低层是干冷垫，850~700 hPa 有强逆温层，逆温差高达5.3 ℃，表明冷暖气流在850~700 hPa剧烈交汇。

（6）降雪最强时段，雷达径向速度图上低层有偏北风冷垫，中层呈明显的“S”形，有暖平流，高层有西南急流长时间维持，入流速度对应的角度范围大于出流速度对应的角度范围，低层辐合，有利于降水；有西北风—西南风、西南风—东南风冷暖切变线，强降雪和西南暖湿急流在冷垫上爬升有很好的对应关系。

（7）降雪后期，雷达径向速度图上低层冷垫范围和强度逐渐加强，西南风减弱，出流速度对应的角度范围大于入流速度对应的角度范围，低层辐散，不利于降水，降水随之减弱；当冷空气势力占主导地位时，零速度线几乎呈直线，整层被偏北气流控制，降水结束。