2017年沙颍河流域一次暴雪天气成因分析

顾佳佳， 单铁良

(1.漯河市气象局，河南 漯河 462300； 2.河南省沙颍河流域气象中心，河南 漯河 462300)

引 言

暴雪是我国北方冬季常见的灾害性天气，常伴有冰冻、覆雪等灾害，对城市交通、农业生产及人民生命财产造成较大威胁。对于暴雪，气象工作者从不同方面进行了研究，得出一些有意义的结论[1-11]。张宁等[12]对2010年湖北东部一次暴雪天气进行分析，认为500 hPa高空槽东移，低层低涡北上，干湿冷暖交汇的楔型结构边缘有多个锋生环流导致暴雪发展。申李文等[13]对2011年山西一次连续性降雪成因进行分析表明，在高低空急流及暖切变共同作用下，强烈的上升运动和水汽辐合是降雪增强的重要因子。陈红专等[14]对2011年湖南暴雪成因分析表明，700 hPa西南急流建立与500 hPa正涡度东传，提供了有利的水汽和动力条件，高空急流与锋面的耦合作用导致暴雪发生发展。闫慧等[15]对2013年山西一次存在多种相态转换的暴雪天气分析，认为低层温度变化、逆温层增厚与垂直风切变加大是判断降雪过程相态变化和降雪强度增强的重要指标。

近年来河南暴雪天气频繁发生，造成的损失越来越大，许多专家曾作过研究[16-19]。马振升[20]基于大量暴雪个例分析了河南省暴雪时空分布及其天气形势特征, 建立了横槽型和两槽一脊型的暴雪天气学模型。靳冰凌等[21]对2009年11月河南北部一次暴雪天气诊断分析，认为中高纬上“南槽北脊”环流形势，以及低空急流发展形成了暴雪天气背景，深厚湿层、持续水汽辐合及上暖下冷的稳定形势均是暴雪的重要成因。顾佳佳等[22]对2014年河南持续暴雪成因分析结果表明，河套低槽东移发展，配合近地层冷空气活动，两支干冷下沉气流在中层形成明显干层，加强了对流不稳定性，从而暴发强降雪。张彩英[23]基于风廓线雷达对河南平顶山暴雪天气研究发现，风场资料反映了暴雪过程风场“天南地北”的垂直结构，垂直速度、折射率结构常数等指标对降雪起止、强度指示较好。以上研究对提高河南省暴雪天气预报水平均有重要意义。沙颍河流域(33.07°-34.98°N、111.70°-115.63°E)位于河南省中部，跨9地市34县市，流域面积34440 km2，地理位置特殊，暴雪天气发生发展原因复杂，因此，针对沙颍河流域暴雪天气有必要进行深化研究。2017年2月21日沙颍河流域出现一次暴雪过程，持续时间短，降雪强度大,影响范围广,降水相态复杂，本次预报最大难点在于由于持续时间较短而降雪量级难以把握。本文利用多种常规和非常规观测资料、NCEP 0.25°×0.25°高分辨率逐6 h分析资料,对此次暴雪过程的环流形势、成因等进行研究，旨在为今后沙颍河流域暴雪预报提供一些有价值的信息。

1 暴雪概况特征

2017年2月21日08-20时，沙颍河流域出现了一次大范围雨雪天气过程(图1a)，暴雪主要集中在沙颍河中下游，降雪量≥10 mm的站点有16个国家气象观测站(流域共34站)，>16 mm的站点有11个，最大降雪量出现在太康(20.8 mm)，次大的出现在项城(18.5 mm)。沿暴雪发展路径依次在沙颍河上游、中游和下游选取平顶山、漯河、项城3站分析逐时降水(雪)量(图1b)。21日08时沙颍河上游出现降水(雨)，并逐渐增强且向中下游发展，之后雨雪性质开始发生转变，降水状态逐渐转为雪。平顶山地区13时后转为雪，到14时流域全部为雪，20时流域降雪趋于结束。降水最强时段出现在21日14时前后，平顶山达2.6 mm·h-1，漯河与项城降雪量分别为8.3 mm·(3h)-1、6.7 mm·(3h)-1。本次沙颍河流域雨雪天气虽然持续时间较短，但影响范围广，降雪强度大，且降水相态复杂，并伴随一定强度的冰冻，对交通、农业和日常生产生活造成了较大的影响。

图1 2017年2月21日08-20时降雪量(a)及平顶山、漯河、项城逐时降水(雪)演变(b)单位：mm

2 环流特征与影响系统

2017年2月20日20时(图略),500 hPa欧亚大陆中高纬地区环流形势为“两槽一脊”型，从贝加尔湖到日本北部为一宽广的低槽区，华北地区为高压脊控制，河套西北部有低槽活动，在四川南部的南支槽稳定，南北两支槽呈阶梯状分布。21日08时(图2a)，500 hPa中高纬维持两槽一脊形势，河套地区低槽东移，南支槽北上，两槽逐渐合并，导致环流经向度加大，槽前西南暖湿气流强盛。受槽后冷空气东移影响，沙颍河流域处于显著的降温区中，为降雪提供了适宜的冷源条件；700 hPa河南地区处于高湿饱和状态，700 hPa西南急流、850 hPa偏南急流两支低空急流在沙颍河流域交汇，不仅为雨雪天气提供了充足的水汽，也提供了有利的动力抬升条件；925 hPa上-4 ℃等温线南压至沙颍河南部，偏东风与等温线夹角较大，冷平流明显，有利于底层冷垫形成，导致中层暖湿气流抬升，从而发生雨雪天气(图2b)。地面21日08时(图略)，我国东北地区冷高压不断扩散冷空气南下，川东地区有一1007.5 Pa的低压形成并发展，其前侧等压线密集，地面冷锋显著。14时(图2c)，冷锋东移南下，地面倒槽不断向北发展，其顶部暖湿气流与东路扩散南下的冷空气在沙颍河流域交汇，气压梯度明显加大，斜压性加强，暴雪增强；偏北风增强，导致底层冷垫加厚，也加速了相态转变。

由平顶山风廓线雷达逐时风场(图2d)可知，21日08时中低空(1500-2500 m)有东南风、偏南风急流，偏东风、东北风在1000 m以下，近地面层冷垫较薄，降雨逐渐开始。随时间推移，东北风逐渐向高层发展，13时500-1500 m为偏东北风，冷垫明显增厚，近地面500 m以下偏北风逆转为西北风，冷平流加强，降水相态由雨或雨夹雪转雪。同期，低空急流加强，14时2000-3000 m上西南风风速增大到最大(24 m/s)；中层暖湿气流沿底层冷垫爬升，上升运动增强，降水(雪)强度增大，实况是平顶山14时降雪强度最大，达到2.6 mm·h-1。之后，低空急流逐渐减弱，风向逐渐转为西南风，降雪强度逐渐减弱；低层冷垫继续增厚，15时0-2000 m为一致的偏北风，到20时0-3000 m为偏北风、偏西北风，降雪趋于结束。

此次过程是在500 hPa河套低槽与南支槽东移发展的有利环流背景下，中低层槽前强盛的西南急流与底层东路强冷空气结合，导致强雨雪天气发生发展，属于河南典型的暴雪天气形势。与以往不同的是，风场精细化演变显示，中低空首先在持续不断的偏南暖湿气流供应下，降水相态为雨；之后随着低空也转为东北风并不断增强，冷垫持续增厚，降水相态在转为雪的同时强度也迅速发展；最后中低空冷空气加强，锋区迅速南压，降雪很快结束。

图2 2017年2月21日08时500 hPa等高线与风场(a)和中尺度综合分析(b)、14时地面天气图(c)与沙颍河上游平顶山风廓线08-20时逐时风场演变(d)(b)中风向为925 hPa风场

3 暴雪成因

3.1 水汽条件

从暴雪中心(33.25°N、114.75°E)水汽通量、水汽通量散度与风场的时间剖面图(图3a)可知，受持续不断的暖湿气流影响，暴雪中心在过程期间一直存在较强的水汽输送和明显的水汽辐合区。尤其是在2017年2月21日11-14时中低空冷垫增厚、全流域降水转为雪之后，中低层上出现水汽通量大值区，中心为10～12 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽辐合中心出现在600 hPa上，高达-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1。这一时段降雪发展，项城站14-17时3 h累积降雪量在8 mm以上。同时，在21日14时沿33.25° N的水汽通量、水汽通量散度及风场剖面(图3b)上，沙颍河流域水汽通量高值区范围较广，113°-115°E附近存在水汽通量高值中心，位于800-600 hPa上，量值达10 g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽辐合明显加强，两个辐合中心分别位于113°E和114.5°-115.0°E附近，中心均为-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1且高度在600 hPa上，对应流域中下游强降雪区。同时刻沿114.75°E剖面图(图3c)上，700 hPa水汽通量高值区达12 g·cm-1·hPa-1·s-1，600 hPa水汽辐合中心达到-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，与上述分析一致。综上所述，暴雪区水汽一部分由中层槽前西南气流输送，一部分来自底层偏东气流的水汽输送，分别对应700-500 hPa西南急流和900 hPa偏东急流，充分的水汽输送与较强的水汽辐合有利于沙颍河流域大范围强雨雪天气发展。

图3 2017年2月21日暴雪中心(33.25°N、114.75°E)的水汽通量值、水汽通量散度与风场时间剖面图(a)及14时沿33.25°N(b)和沿114.75°E(c)的水汽通量值、水汽通量散度与风场垂直剖面分布等值线为水汽通量，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1；色斑为水汽通量散度，单位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1

3.2 动力条件

暴雪天气发生在高空正涡度区、高空辐散与低层辐合叠加区域。在降水相态转为雪之后，暴雪发展最强时段的21日14时，500 hPa高空槽发展，正涡度向东发展，114°-115°E附近正涡度区从近地层伸展到300 hPa上，并随高度向东倾斜，中心增加到20×10-5s-1，高度位于500 hPa上(图4a)。33.25°-33.50°N范围内500 hPa上出现正涡度区，中心强度达15×10-5s-1(图4b)，正涡度平流使高层辐散,导致低层减压，进一步促进中低层辐合加强，形成深厚辐合上升区。对应14时33.25°N的垂直速度、散度垂直剖面(图4c)上，114°-115°E附近地区700-500 hPa出现强辐合中心，强度为-150×10-6s-1，高层300 hPa维持强度达250×10-6s-1的强辐散中心，中低层辐合、高层辐散结构较为明显，同时该结构位置上对应一支明显的上升运动中心，500 hPa中心强度达到-2.5 Pa·s-1。在114.75°E经向垂直剖面(图4d)上可以看到，33.25°N附近1000-900 hPa与700-500 hPa上各出现一个-60×10-6s-1的辐合中心，300-200 hPa上辐散中心较为明显，强度达到180×10-6s-1，高层辐散、中低层辐合的配置有利于上升运动强烈发展，其中心在-2.0 Pa·s-1以上，暴雪得以发展和维持。

从假相当位温θse水平分布来看，21日08时(图4e)，沙颍河地区850 hPa上θse等值线密集，北部低能舌南伸,表明冷空气南下扩散，高能舌向沙颍河流域输送暖湿空气，冷暖空气交汇明显，锋区显著。到14时(图略)，850 hPa锋区进一步南下，等θse线密集带与低层切变线、暴雪落区均对应较好。沿暴雪中心(33.25°N、114.75°E)的时间剖面图(图4f)上，近地层维持一θse低值区。到14时，900 hPa以下θse有所减小，低值区明显上凸，表明底层冷空气加强，冷垫有所增厚。900-700 hPa等θse线垂直梯度明显并向高空倾斜，说明逐渐增厚的冷垫强迫中低层暖湿气流抬升，锋区加强。同时500 hPa有高能舌下伸，这与500 hPa南北两槽合并加强及西南急流强盛有关，有利于降雪发展。20时后等θse线开始发散，锋区减弱，降雪趋于结束。

图4 2017年2月21日14时沿33.25°N(a)、沿114.75°E(b)的涡度垂直剖面及其垂直环流和沿33.25°N(c)、沿114.75°E(d)的垂直速度(色斑)、散度(等值线)的垂直剖面及08时850 hPa假相当位温θse与风场分布(e)、暴雪中心(33.25°N、114.75°E)08-24时假相当位温的时间剖面(f)

3.3 锋生与次级环流

锋生可导致天气剧烈变化，其变化用锋生函数表示，即如下公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

当F>0时为锋生，当F<0时则为锋消。式中，F1为变形项，F2为辐合项，F3为垂直项[24]。在大尺度雨雪过程中，变形项F1和辐合项F2对锋生函数起主要作用，因此本文主要考虑前两项之和。强降雪区从21日08时起上空900-700 hPa存在明显的锋生，直到21日夜间锋生减弱并趋于零，强锋生作用维持了本次整个雨雪过程，最强锋生出现在21日11-17时850 hPa附近，对应沙颍河流域降雪增强时段。沿114.75°E的经向垂直剖面图上，21日08时(图5a)沙颍河流域低层锋区明显，34.25°N附近锋区下侧内垂直方向900 hPa上出现一明显的垂直锋面的正的次级环流，低层为偏东气流，高层为偏西气流，锋区之上有暖空气上升，锋区之下有冷空气下沉。此外，图5(a)还显示，33.00°-33.25°N与34°N两个位置上锋生中心和次级环流的上升支位置对应较好，锋生中心强度为6×10-9K·m-1·s-1。14时(图5b) 34.25°N次级环流略有北上，33.5°N附近区域又新生一正次级环流，高度也位于900 hPa附近，两个次级环流的上升支叠加，导致上升运动增强，降雪随之增强；33.00°-33.25°N与34°N附近的锋生中心强度也分别增至10×10-9K·m-1·s-1、8×10-9K·m-1·s-1，并与次级环流的上升支对应，分别对应流域两个暴雪中心区。综上所述，低层出现垂直锋面的正次级环流，锋区以下冷空气下沉，暖湿气流沿锋面抬升，锋生作用增强；次级环流的两个上升支叠加，导致上升运动进一步增强，同时次级环流产生的上升运动与锋生中心对应较好，有利于强降雪发展维持。

图5 2017年2月21日08时(a)、14时(b)沿114.75°E的锋生函数(色斑为正值)、假相当位温θse(等值线)及垂直环流(u-ω)的垂直剖面(ω扩大20倍)锋生强度单位：10-9K·m-1·s-1，θse单位：℃

3.4 对称不稳定分析

由于冷空气从底层侵入形成冷垫，700 hPa以上暖湿气流沿冷垫爬升，锋区上形成明显的“上暖下冷”温度层结，锋区内θse值随高度增加，这种稳定层结似乎不支持强雨雪天气形成。由于本次过程是由中高层暖湿气流沿低层冷垫作倾斜上升运动导致，可从对称不稳定上进行分析。对称不稳定是指大气在垂直方向上的对流稳定与水平方向上的惯性稳定情况下，作倾斜上升运动仍然可能发生的一种不稳定。Bennetts等[25]将饱和潮湿大气中的对称不稳定称为条件性对称不稳定(CSI)，并指出湿位涡MPV小于0是大气发生CSI的充要条件，能够反映CSI的强弱。侯瑞钦[26]、索渺清[27]等发现负MPV有利于冬季暴雪的发展。

图6为21日08时、14时和20时850 hPa上湿位涡的水平分布。08时(图6a)沙颍河流域上游地区西南部为0～0.5 PVU，其余大部分地区在-1.0～-0.5 PVU，整个流域内大部分地区以较弱的负MPV为主，大气处于弱对称不稳定条件下，此时上游地区降水较弱，平顶山降水量仅仅0.1 mm，下游未出现降水。14时(图6b)，随着低空急流发展，负MPV高值区东移北上，流域中下游地区位于MPV<-1.0 PVU的区域，中心强度达到-2.0 PVU，对称不稳定性增强，降雪得到发展，漯河单站3 h降雪量达到8.3 mm。结合降雪分布(图1a)可知，MPV负值区域与本次强降雪区具有较好的对应关系。其中MPV<-1.0 PVU区域对应了10 mm以上的暴雪区，MPV<-1.5 PVU区域主要对应14 mm以上的暴雪区，MPV<-2.0 PVU区域主要对应16 mm以上的强降雪中心。到20时(图6c)，流域地区MPV为0，大气层结对称稳定，降雪过程结束。此次过程，从08-14时负MPV明显增加，CSI增强；在CSI作用下，上升运动显著增强，降雪也随之明显增强。张芳华等[28]在一次冬季降水中的条件对称不稳定分析中也印证了这一点，因此负MPV和CSI增强是本次暴雪发展的重要原因。

图6 2017年2月21日08时(a)、14时(b)、20时(c)850 hPa湿位涡分布湿位涡单位：PVU，1PVU=10-8m2·s-1·K·kg；黑色加粗边界为沙颍河流域，双虚线为锋区

4 雷达回波特征

2017年2月21日11:07 2.4°仰角反射率(图7a)上，整个区域上呈现明显的圆弧状亮带回波，这主要是高层冰晶物下落到0 ℃层附近开始融化，其表面水膜导致后向散射增强，形成0 ℃层亮带。沙颍河流域上游宝丰、叶县、平顶山等地出现大片层状云降水回波，回波结构连续均匀，中心强度为30～45 dBZ，相态为雨或雨夹雪，1 h降水量达到1.2 mm。随后强回波区东移，逐渐影响流域中下游地区，到13：45(图7b)，亮带回波逐渐消失，这是因为冷空气加强，导致中低层温度下降，整层变为冷层，冰晶或雪花对反射率因子贡献较小造成的。同时回波结构表现为絮状的降雪回波，说明降水相态已经转雪。流域上游回波减弱到30 dBZ以下，中下游地区回波不断发展，强度显著增强，局地达到45～50 dBZ，对应实况降雪强度明显增强。15：41(图7c)，回波结构松散，强度明显减弱，中上游回波为零星状且分布散乱，30 dBZ以上强回波区也主要位于下游地区，对应反射率剖面上，回波顶主要在6 km以下。11：07(图7d)，最大强度为30～40 dBZ的回波维持在3 km附近，且分布连续完整，对应0 ℃亮带位置，也说明此时相态为雨或雨夹雪。13：45(图7e)，强回波发展明显，最大强度达40 dBZ以上，3 km附近强回波向下延伸至地面，降雪强度明显增强。15：41(图7f)，3 km以下回波明显减弱，最强回波在高度上不连续，降雪逐渐减弱。

雷达回波演变对本次降水(雪)的变化有较好的指示意义。强降雪回波强度主要为30～45 dBZ，回波高度在6 km以下，反映了稳定性降雪特征；0 ℃层亮带变化则说明雨或雨夹雪转雪，反映了降水相态多变。

图7 2017年2月21日11：07(a、d)、13：45(b、e)、15：41(c、f) 驻马店雷达2.4°仰角基本反射率及对应时次的反射率垂直剖面单位：dBZ，图a、b、c中黑线为剖面位置

5 结论和讨论

(1)500 hPa上河套低槽与低纬南支槽合并发展，槽前强盛的西南急流与东路不断扩散南下的底层强冷空气结合，形成流域强雨雪天气，这是河南典型暴雪天气形势。不同点在于，风场精细化演变显示，中低空首先在持续不断的偏南暖湿气流供应下，降水相态为雨；之后随着低空也转为东北风并不断增强，冷垫持续增厚，降水相态在转为雪的同时强度也迅速发展；最后中低空冷空气加强，锋区迅速南压，降雪很快结束。

(2)中高空西南急流和低空偏东急流两条通道带来充分的水汽，及在暴雪区较强的辐合是有利的水汽条件。在较强正涡度区，中低层冷空气不断侵入，既使中低空降温，降水相态转为雪，也使中层暖湿气流被迫抬升，有利于中低层辐合增强，同时高层强辐散叠加在此区域，进一步促进低层辐合加强，形成深厚上升区，降雪发展。

(3)次级环流上升运动与锋生中心、强降雪三者对应较好。强降雪期间低层出现垂直锋面的正次级环流，冷空气下沉，暖湿气流上升，锋生作用增强；次级环流的两个上升支叠加，导致上升运动进一步增强，降雪发展。CSI与锋面附近的降雪发展密切相关,负MPV明显增加，CSI增强，上升运动随之显著增强，降雪增大。条件对称不稳定分析中也印证了这一点，因此负MPV和CSI增强是本次暴雪发展的重要原因。

(4)雷达回波演变特征反映了降水(雪)加强、维持、减弱、消散及降水相态的变化。强降雪回波强度多为30～45 dBZ，回波高度在6 km以下，反映了稳定性降雪特征。0 ℃亮带的变化，反映雨雪转换特征。

这次过程具有持续时间较短，存在相态转换，降雪量级难以把握的特点。在预报中针对此类过程，首先要把握降水相态的转变，着重分析中低空冷空气的演变，即冷垫厚度的变化趋势；其次要把握水汽和动力条件的演变，即在相态转变之后，水汽和动力条件是否维持较强或有加强的趋势；再者要考虑暖湿气流沿冷垫爬升造成的条件对称不稳定的作用。在监测预警中，一是要通过雷达回波强度和0 ℃层亮带的演变，估计相态的转变和降水的强度；二是利用风廓线雷达中低空风向的变化和风速的大小，估计相态的转变和降水的强度。