冷空气在宿迁2次暴雪过程中的作用分析

邵禹晨，沈 伟，徐 恩，程 昕，庞 礴，唐 舟

宿迁市气象局，江苏宿迁 223800

暴雪是淮北地区冬季常见的灾害性天气之一，其发生时段一般集中在10月至翌年4月。暴雪的出现往往对应强冷空气南下过程，伴随降温和大风天气，并可造成道路结冰、湿滑，给交通和冬季农业生产带来严重危害。强冷空气既是催生暴雪过程的一个重要因素，也是降雪过程与降雨过程区别的独特条件。

近年来，国内外学者对暴雪进行了一系列的研究和探讨。国外学者认为欧美中纬度地区与亚洲日本的降雪多与温带气旋或低压系统的发生发展有关[1-3]；尹东屏等[4]认为低空急流为暴雪发生、发展提供了动量、热量和水汽。多项研究表明[5-7]，锋面次级环流是造成回流降雪的主要原因。在低层降温对暴雪降水相态的变化上，研究认为低层温度层结是影响降水相态的关键因素，仅0.5℃的温差就能引起降水相态变化[8-10]。姚晨等[11]认为强冷空气与暖湿输送的强度不同，会影响暴雪过程的强度。尽管对暴雪的研究很多，但对冷空气强度和持续时间在暴雪过程中的作用研究较少。

本文利用地面基本站和自动站常规观测资料、FNL逐3 h再分析资料（空间分辨率0.25°×0.25°）对冷空气在影响宿迁的2次暴雪过程中起到的不同作用进行了分析，旨在抓住冷空气对暴雪过程的关键作用，使对暴雪过程开始时间和降水量的预报更加精准。

1 2次暴雪过程概况

2020年2月15 日与12月29日淮北地区在强冷空气影响下均出现大到暴雪过程，积雪深度超过5 cm，并伴随冰冻和道路结冰，对交通出行、农业生产造成极大危害。而强冷空气在2次暴雪过程中都起到了重要作用。

1.1 2020年2月15日暴雪过程

14日夜间宿迁普降小雨，15日早晨10:00~12:00自北向南逐渐转为降雪，白天全市普降大到暴雪，夜间19:00~20:00降雪逐渐停止，是一次明显的雨转雪过程。过程累计雨雪量11.3~15.7 mm，其中纯雪量6.6~11.4 mm，雪深5~6 cm。在10:00雨转雪前有明显间隔期，主要降雪时段集中在15日14:00~16:00与18:00~20:00这2个 时段（图1）。

1.2 2020年12月29日暴雪过程

28日夜间宿迁普降小雨，29日早晨06:00~08:00自北向南逐渐转为降雪，白天全市普降大到暴雪，傍晚17:00~18:00降雪逐渐停止，同样是一次明显的雨转雪过程。过程累计雨雪量11.5~18.5 mm，其中纯雪量8.3~13.3 mm，雪深6~9 cm。雨转雪过程没有间隔期，降雪过程为持续性降雪，主要降雪时段集中在29日上午到中午，下午降雪逐渐减弱，没有明显的降雪集中时段（图1）。

图1 泗阳2次过程的逐小时雨雪量

1.3 2次暴雪过程的异同

相同之处：降雪量级接近，都是大到暴雪量级；降雪过程都是冷空气南下引起的雨转雪过程；降雪过程时间接近，都是上午转雪，接近傍晚降雪结束。

不同之处：2月暴雪过程有明显间隔性和集中降雪时段，12月暴雪过程则是持续性降雪；2月暴雪过程的雪深较12月暴雪过程低。而冷空气在2次暴雪过程中的差别正是造成2次暴雪过程差别的关键。

2 利于暴雪的环流形势

2次暴雪过程中雨转雪时间都接近上午08:00，因此图2使用08:00环流形势图作对比分析。

2月15日过程500 hPa上有冷涡东移南下，同时南支槽系统显著，有明显的偏西—西南急流（图2a），利于水汽输送但不利于高层冷空气向下渗透；700~850 hPa上冷涡偏东，江苏以北受偏西北气流影响，江苏有明显西南急流输送（图2c），苏北有明显气旋性切变（图略）；地面图上冷高压已经南压至苏南、浙北一线，整体受偏北气流影响，地面完全受冷空气控制。

12月29日过程500 hPa上有横槽，南支系统不显著，总体受平直偏西急流影响（图2b），同样利于水汽输送但不利于高层冷空气向下渗透；700~850 hPa上以大槽波动为主，江苏以北受西北气流影响，江苏有明显西南急流输送，在江苏西北角有气旋性波动（图2d）；地面图上冷高压已经南压至苏南一线且冷高压强度较2月15日过程强很多，整体受偏北气流影响，地面完全受冷空气控制。

2次过程中利于产生暴雪环流形势的共同点是中低层700~850 hPa上的西南急流输送、江苏以北的冷空气偏北气流及江苏北部对应的气旋性切变，这为暴雪形成提供了水汽条件、低层冷空气层结条件和垂直运动条件；地面上冷高压南压，冷锋前锋位于苏南一线，这利于降雪的相态转换，强冷空气在地面形成冷垫，强冷垫是形成暴雪的必要条件之一。

2次过程中环流形势的主要不同点在于2月15日过程中500 hPa环流有冷涡和明显的南支系统而12月29日过程500 hPa上则为横槽和平直西风气流为主。这导致2月15日过程的中下层西南急流输送更明显，12月29日过程冷空气强度更强，其雨雪量也较2月15日过程更大，由此可见冷空气在暴雪过程中的作用尤为重要。

3 利于暴雪的水汽条件

水汽条件是形成暴雪的必要条件，而江苏绝大部分暴雪过程其水汽条件都取决于西南急流输送，两次过程也都存在明显的西南急流输送。

2月15日过程由于南支系统显著，西南急流在中上层配合较好，整体水汽输送高度较高。从2月15日08:00水汽通量剖面图（图3a）上可以看出水汽集中于1 000~900 hPa层次，其中泗洪、宿迁一线位于33°N~34°N，湿层明显下接至地面，是利于降雪的水汽条件。同时刻的水汽通量散度剖面图（图4a）在泗洪和宿迁两点地面有明显负水汽通量散度，而在地面周边和泗洪、宿迁上空则为明显正水汽通量散度，由此可见在1 000~900 hPa层次上水汽是向下辐合的，而地面周边的水汽也向泗洪和宿迁辐合。地面的水汽辐合主要受中低层气旋性切变的影响，34°N以北的水汽通量辐散则是由于冷空气南下，干冷空气将暖湿空气向南挤压。

结合2月15日11时的水汽通量剖面图（图3b）和水汽通量散度剖面图（图4b），可以看出14:00冷空气完全南下后暖湿空气受干冷空气挤压有明显抬升，对应的水汽通量大值区明显上升和南压，同样水汽通量散度负值区也南压和向上延伸。这说明冷空气对水汽的作用以向南挤压和向上抬升为主，这会增加宿迁南部地区湿层的厚度，从而导致宿迁南部的降雪强度增加，实况上宿迁南部的降雪也是从14:00开始明显增加，最终降雪量也要超过宿迁北部地区（图1）。

图4 2月15日过程118.25°E水汽通量散度剖面（宿迁、泗洪一线）

12月29日过程南支系统并不显著，西南急流输送更偏纬向。环流形势上，东南沿海的整层水汽含量明显高于2月15日过程（图2），这是因为2月15日过程西南急流更偏纬向。水汽通量剖面图（图3c）上可以看出整层水汽大值区集中于近地面925 hPa以下，且湿层浓度和范围都明显高于2月15日过程，这代表更大的降雪潜力，但最终降雪总量却并没有比2月15日过程高很多。原因在于强冷空气的快速南下断绝了西南急流水汽输送通道，制约了降雪量。

图3 2次过程118.25°E水汽通量剖面（宿迁、泗洪一线）

总体上，2次过程的水汽都是通过西南急流输送的，利于暴雪的水汽条件主要取决于西南急流输送的位置、方向和强度。偏经向的西南急流在路径上相比纬向会更为偏西偏北，使实际输入江苏的水汽量偏少；而强冷空气在中低层的快速南下对水汽输送来说是一个不利条件，与2月15日过程相比，12月29日过程中低层冷空气的迅速南压明显削弱了水汽输送的强度，使降雪过程结束较快。

4 冷空气在暴雪过程中的作用

强冷空气的迅速南下将削弱水汽输送作用使降雪减弱，但冷空气在暴雪过程中的作用更为复杂、重要。冷空气是降雪过程区别于降雨过程的决定性条件，其主要作用：一在于为水汽相态变化提供热力条件；二在于冷暖空气交汇锋生提供抬升条件；三在于南下时将暖湿空气向南推动从而造成局部的水汽辐合，产生增雪作用。

4.1 热力条件

冷空气为暴雪过程提供的热力条件主要在于降温，而降温对暴雪过程的影响主要通过低层冷空气降温的冷垫作用和中层冷空气渗透加快冰晶核凝结的微物理作用。

冷垫作用是近地面冷空气降温在地面形成冷垫为降雪过程提供相态变化的有利条件。这在两次过程中都有体现。118.25°E温度平流剖面图上，2次过程在降雪最强时间段内都有明显的冷平流，但冷平流有较明显的差别。1 000~925 hPa层结上，2月15日过程冷平流仅在08:00（图5a）较为明显，在14:00（图5b）显得较弱。与实况对比，08:00近地面层的强冷平流在地面形成冷垫是2月15日过程开始雨转雪的明显信号，14:00近地面层冷平流明显减弱同时实况降雪明显加强，说明近地面冷垫作用对降雪过程刚开始的相态转化较为重要，在降雪实际开始后，近地面层的强冷空气对降雪增强没有明显作用；12月29日过程冷平流在近地面层宿迁-泗洪一线（33°N~34°N）一直有明显冷平流（图5c），且近地面层冷平流在08:00最强，之后近地面层强冷平流逐渐南压。实况雨转雪时间正好在6:00~8:00之间，与08:00近地面层的强冷垫对应。与2月15日过程不同，12月29日过程近地面层冷平流相当强，实况开始降雪后降雪量就迅速增大且在10:00达到峰值，说明近地面层强冷垫可以一定程度上促进降雪过程发展。

结合2次过程可以看出近地面层冷空气造成地面降温形成冷垫是暴雪过程开始相态转化的明显信号。近地面层较弱的冷空气使得雨转雪过程较慢，较强的冷空气则使得雨转雪过程较快且降雪发展迅速，但冷空气完全控制降雪地区后，冷垫作用就不再明显。

微物理作用主要在于中层冷空气的渗透降温加快了冷云中冰晶核的凝结。这在2月15日过程更为明显。925~700 hPa层结上， 08:00中层冷平流还不明显（图5a），但14:00（图5b）中层冷平流范围增厚、强度明显增加，对应实况上14:00的降雪增强时段。12月29日过程08:00（图5c）中层层结上也对应有明显的冷平流。这说明中层冷空气渗透与降雪增强呈正相关，其渗透降温主要是以微物理作用的形式，降低中层气温使得中层水汽加快凝结为冰晶核，加速了雪的形成。同时中层冷平流在热力上也加快促进水汽的凝结，为降雪过程提供了相态条件。

总体来看，冷空气提供的热力条件是使得降雪过程中相态变化的决定性条件，而热力条件促成的中低层降温则为中层大量水汽凝结、冰晶核凝结等微物理作用加速提供了有利条件，使降雪过程增强。

4.2 冷空气补充南下的增雪作用

2月15日过程与12月29日过程相比，水汽条件和冷空气强度都有一定差距，但最终降雪量较为接近，正是因为在临近下午中层有强冷空气补充南下产生了增雪作用。冷空气补充南下的增雪作用不仅有热力作用，还有动力作用。

热力作用已经在4.1节中提及。动力作用上主要体现在提供抬升条件和水汽条件两点。冷空气从低层到高层的逐步渗透会抬升、挤压暖空气，冷暖交汇之下产生对流，造成上升运动显著，提升降雪效率。这里结合温度平流剖面图（图5）与垂直速度、散度剖面图（图6）来看，2月15日过程08:00冷平流还较弱，强冷平流位于35°N~36°N，而在34°N~35°N对应有明显的辐合上升运动（图5a，图6a）。14:00中层开始有强冷空气渗透，中层强冷平流显著，对应33°N中低层有明显辐合上升运动（图5b，图6b）。由此可见，低层冷空气南下主要是抬升冷空气产生对流，中层冷空气不仅使得暖空气进一步抬升，还带来了偏北急流与西南急流形成明显切变，整层冷空气渗透也利于动量完全下传，强气旋性切变对应了强辐合上升运动。

图6 2月15日过程118.25°E垂直速度散度剖面（宿迁、泗洪一线）

冷空气的补充南下还会通过动力作用影响水汽输送通道。结合水汽通量散度剖面图（图4）和温度平流剖面图（图5），2月15日过程随着中低层冷空气南下，水汽辐散大值区也随之南下并且跟强冷平流区域很吻合。由此可见，冷空气南下过程中将水汽向南挤压抬升的同时，也会逐渐切断西南急流的水汽输送通道使降雪过程停止。与12月29日过程强冷空气持续南下不同，2月15日过程冷空气是逐渐补充南下，且冷空气强度也较为平缓，这利于水汽通道长期维持，因此2月15日过程最终的总降雪量非常接近水汽条件、冷空气条件、抬升条件都更好的12月29日过程。

图5 2次过程118.25°E温度平流剖面（宿迁、泗洪一线）

5 总结与讨论

（1）2020年宿迁2次暴雪过程中，冷空气都起到重要作用。2次过程冷空气的共同作用在于使地面降温提供了相态变化条件、冷暖交汇提供了抬升触发条件。

（2）2月15日暴雪过程的差异在于强冷空气主要从中层渗透，结合傍晚多股冷空气的补充南下，使得过程开始降雪不强有间断性，但伴随强冷空气补充南下之后降雪强度迅速增强，这对预报总降雪量是一个难点。

（3）12月29日暴雪过程的差异在于强冷空气势力非常强，从低层到中高层全方位南下，且低层冷空气更早南下。这导致了过程初期雨雪转换迅速，降雪强度一开始就迅速增强，但冷空气南下速度过快使得最终降雪持续时间较短。

（4）缓慢而持续的中等强度冷空气南下比强冷空气的迅速南下更利于降雪过程的维持。