华北一次冷空气回流路径对降水相态的影响分析

刘 正，文 军*，王宗敏

（1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225；2.高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225；3.中国气象局雄安大气边界层重点开放实验室，河北 保定 071800；4.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；5.河北省气候中心，河北 石家庄 050021）

河北省冬春过渡期间容易出现降水相态的变化，包含雪、雨夹雪、冰粒等复杂相态。降水相态一直是降水预报中的难点[1-5]，受到众多学者和预报员的关注[6-8]。河北省所处的华北地区在冬春季的降水，以回流降水最为常见[9-10]。冷空气从东北平原南下，途经渤海，向西回流到华北平原，产生华北回流的天气形势[11-13]。张守保等[14]普查近20 年华北回流天气个例，根据500 hPa 环流形势将环流天气形势分为两槽一脊型和高纬低压型。张迎新等[9]发现河北中南部地区的回流天气中，来自东北的低层偏东气流，在降水中起“冷垫”作用。杨杰等[15]发现承德冬季回流型强降雪的环流形势为850 hPa 以下呈东北风，来自东北平原的冷空气输送到降雪区形成冷垫，850 hPa 以上为暖湿西南风。

雨雪转换或暴雪天气对农林业生产和交通运输产生严重影响。河北省是冬季冻害多发区域，强降雪天气产生的次生灾害—冻害会对花期梨果和冬小麦造成严重危害[16]。河北作为冬小麦生产大省，冬小麦在越冬或者返青期间由于持续低温导致冻害[17]。道路结冰、积雪等灾害性天气严重威胁交通运输安全，冰雪是仅次于雾的对河北高速通行影响严重的灾害性天气[18]。王洁等[19]分析2013—2017 年河北省高速公路交通事故数据发现以雨夹雪和降雪为主的天气现象中，有82.6%交通事故发生在降雪过程中，雪天事故会造成巨大损失。

2018 年4 月3 日08 时—5 日08 时，在从东北平原回流到华北的冷空气和西来槽共同影响下，京津冀地区、山西东部、山东北部发生一次大范围降水过程，并且伴有快速的雨雪相态转换，是一个典型的华北回流降水天气。本文从降水实况、天气形势、回流冷空气路径、形态、影响范围，以及回流冷空气对降水相态的影响等方面分析此次降水过程，并给出冷空气影响过程的概念模型，以加深对此类天气过程的认识。

1 降水实况及天气形势

1.1 降水实况

2018 年4 月4 日08 时—5 日08 时（北京时，下同），京津冀、山西东部、山东北部出现大范围降雨、雨夹雪、降雪天气，其中河北省张家口中南部达到暴雪以上量级，降水中心河北省阳原站24 h 降雪量达21.7 mm。这是一次典型的冷空气从东北平原回流到京津冀地区，具有复杂相态降水的华北回流天气过程。

1.2 天气形势

2018 年4 月4 日08 时对流层高层（200 hPa），中纬度地区（40°～50°N）环流较为平直，有一支东西走向的西风急流，风速＞40 m/s，京津冀地区位于高空急流中心的右前方。京津冀地区上游（95°～115°E）存在明显的冷平流。对流层中层（500 hPa），西风急流的风速超过25 m/s，同时存在明显锋区。鄂霍茨克海存在一低涡系统，其南部低槽向西南延伸至内蒙古东部，槽后为显著冷平流，影响京津冀地区。西风带40°N 附近短波槽东移加强。对流层中低层，环流经向度加大，冷暖平流加强。700 hPa 鄂霍茨克低涡后部高压脊明显，低涡向西南延伸的低槽所对应的平直锋区和冷平流更加显著。对应500 hPa 短波槽，黄河河套地区为明显的高空槽。850 hPa 鄂霍茨克低涡后部，即内蒙古东部，形成呈闭合高压中心的蒙古高压。鄂霍茨克低涡后部、蒙古高压前部的冷平流愈加显著，冷空气经东北平原、渤海，以东北、偏东气流形势灌入京津冀地区，形成华北回流天气，带来降温及复杂相态的降水。

2 回流冷空气的路径及其对降水相态的影响

鄂霍茨克低涡后部、蒙古高压前部的冷空气，经东北平原、渤海到达京津冀地区，由于太行山脉、燕山山脉的阻挡，冷空气路径、堆积形式及对降水相态的影响，随时间不断变化。利用ECMWF 的ERA5 0.25°×0.25°再分析资料，分析从冷空气开始侵入京津冀地区（2018 年4 月3 日08 时）到回流冷空气影响结束（4 月5 日15 时），共55 h，回流冷空气对京津冀地区影响，可分为以下4 个阶段：（1）低层冷舌侵入：3 日08 时—4 日10 时，时间约26 h；（2）沿山堆积扩散：4 日10 时—17 时，时间约7 h；（3）增强维持：4 日17 时—22 时，时间约5 h；（4）变性消散：4 日22 时—5 日15 时，时间约17 h。

2.1 低层冷舌侵入阶段

由4 月3 日14 时500、700、850、925 hPa 气温场、流场（图1）为代表分析冷空气侵入阶段特点。850、925 hPa 冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区。两层不同的是，925 hPa 冷舌位置偏东，位于渤海到河北东部，受山东泰山的影响，舌面变窄伸向河南北部；850 hPa 冷舌位置偏西，位于河北中部，相对于925 hPa 舌面变窄不明显；925 hPa温度高于850 hPa。700 hPa 京津冀地区为西南风、暖平流；500 hPa 为西南偏西风、弱的暖平流。

图1 2018 年4 月3 日14 时不同高度的气温场（红色等值线，单位：℃）和流场（白色流线）

为详细分析侵入京津冀冷空气结构特征，沿图1 中黑色实线AB、CD 给出温度、相对湿度垂直剖面（图2）。图2a、2c 两座山分别为燕山东端和太行山南端，图2b、2d 两座山分别为太行山北端和泰山。

图2 2018 年4 月3 日14 时沿图1 中AB、CD 的温度（单位：℃）、相对湿度（单位：%）的垂直剖面

图2a 为沿AB、由东北平原经燕山东端到达京津冀的温度剖面。如图2 中黑色曲线所示，冷空气侵入活动主要发生在800～925 hPa，京津冀冷舌高度在900 hPa 上下。冷舌伸到太行山时，由于受到阻挡而上翘。在冷舌之上，即800 hPa 之上，为明显的逆温层。由沿AB 的相对湿度剖面图（图2c）可知，冷舌之下相对湿度在40%以下，但是在冷舌之上为深厚湿层（相对湿度＞80%，下同），甚至达到饱和，厚度达150 hPa（约1 000 m），冷舌位于干、湿过渡区。这样的湿层分布，有可能造成冷舌之上出现凝结，但降水粒子下降过程中由于蒸发，导致京津冀地区天空状况为阴但没有降水的情况。

图2b、2d 为沿CD、垂直于冷舌的温度、相对湿度剖面，冷舌明显的西倾（图2b 中黑色实线所示），这与前文850 hPa 冷舌位置偏西、925 hPa 冷舌位置偏东现象一致。冷舌厚度主要在750～925 hPa。由相对湿度剖面（图2d）可知，在太行山区，冷舌进入深厚湿区；而在太行山以东、山东泰山以西，冷舌位于干、湿过渡区，冷舌以下为湿度＜40%的干层，以上为厚度1 000 m 左右的湿层。

由2018 年4 月3 日14 时MICAPS 地面填图可知，京津冀位于冷高压底部，为偏东风。冷高压的形成和冷空气侵入直接相关。由当时的卫星云图可知京津冀上空有云层覆盖。地面观测无降水，证实了前文分析的由于降水粒子下降过程中蒸发导致天空为阴但没有降水的情况。

2.2 沿山堆积扩散阶段

以4 月4 日14 时为代表，分析此阶段冷空气影响路径、形态等。图3 为4 月4 日14 时500、700、850、925 hPa 气温场、流场。850、925 hPa 在水平方向冷空气不再呈现冷舌形态，925 hPa 冷空气以偏东风进入河北，遇太行山开始堆积，并沿山向南、北以扇形扩散，主要集中于太行山沿山至河北中部一带。850 hPa 冷空气同样集中于河北中部，但是其西边界扩展至太行山山区。500、700 hPa 京津冀地区仍为西南风和暖平流。

图3 2018 年4 月4 日14 时500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）和925 hPa（d）气温场（红色等值线，单位：℃）、流场（白色流线）

为分析扩散阶段冷空气结构特征，沿图3 中黑色实线AB、CD 给出温度、相对湿度垂直剖面（图4）。图4a、4c 山脉为燕山西段，图4b、4d 山脉为太行山。

图4 2018 年4 月4 日14 时沿图4 中AB、CD 黑色实线的温度（单位：℃）、相对湿度（单位：%）的垂直剖面

由沿A-B、由燕山西段到河北南部的温度剖面（图4a）可知，冷空气中心高度由燕山山脉到河北平原逐渐降低，山区高于平原，说明冷空气在向北扩展。由沿CD、太行山区到渤海的温度剖面（图4b）可以看到，冷舌不再西倾，转为近似水平。冷空气中心位于太行山区，-8 ℃中心位于山区800 hPa（1 600 m）上下，说明冷空气向太行山区的堆积和抬升。

冷空气扩散阶段，相对湿度分布特点不同于侵入阶段。侵入阶段，冷舌在垂直方向基本位于干、湿过渡区，而在扩散阶段，在燕山南部、太行山东部为深厚湿层，甚至饱和层，这与冷空气扩散遇到山脉阻挡而抬升有关。此阶段在远离山脉的平原地区，低层空气依然较干。

在燕山西段、太行山区，气温均在-8～-4 ℃，且相对湿度为饱和，降水相态为雪。在距离山脉较近的平原地区，925～1 000 hPa 气温为0～4 ℃，降水相态为雨夹雪或雪。在距离山脉较远的平原地区，由于低层相对湿度小，降水粒子未到达地面就被蒸发，无降水。这样的降水相态分布，可由4 日14 时地面实况（图5）得到证实。

图5 2018 年4 月4 日14 时MICAPS 地面填图

图5 为2018 年4 月4 日14 时MICAPS 地面填图。图中降水相态分布和冷空气沿山扩散有关。由图中风场还可以在地面上直接看到，冷空气自渤海吹进京津冀地区后到达太行山向南北两个方向的扩散。

2.3 增强维持阶段

回流冷空气经过侵入、沿山扩散，进入第三阶段，即冷空气维持阶段。图6 为此阶段代表时刻即4日20 时的500、700、850、925 hPa 气温场、流场。由图6 可知，此阶段相较堆积扩散阶段，有3 个特点：（1）冷空气强度达到最强，850 hPa 冷中心温度达到-8 ℃，925 hPa 冷中心温度达到-4 ℃；（2）随着冷空气的持续堆积，冷空气范围达到最大，850 hPa上-5 ℃、925 hPa 上-2 ℃范围控制整个河北平原；（3）925 hPa 河北中部出现反气旋中心，850 hPa 气流出现反气旋式弯曲。500、700 hPa 京津冀地区依然为西南风和暖平流。

图6 2018 年4 月4 日20 时不同高度的气温场（红色等值线，单位：℃）、流场（白色流线）

同样，为分析此阶段冷空气结构特征，沿图6 中黑色实线AB、CD 给出温度、相对湿度垂直剖面（图7）。同图4，图7a、7c 山脉为燕山西段，图7b、7d 山脉为太行山。

图7 2018 年4 月4 日20 时沿图7 中AB、CD 黑色实线的温度（单位：℃）、相对湿度（单位：%）的垂直剖面

由沿AB、由燕山西段到河北南部的温度剖面（图7a），以及沿CD、太行山区到渤海的温度剖面（图4b）可知，冷空气中心向南、向东扩展，高度略有抬升，冷空气中心强度变化不大，仍维持在-8～-10 ℃。河北中部925 hPa 以下气温下降明显，降幅达4 ℃。

由沿AB、CD 的两个相对湿度剖面，可以看到深厚湿层向南、向东扩展，预示着降水范围的扩大。

2018 年4 月4 日20 时降水范围扩大到京津冀乃至山东地区，降水相态有雪、雨夹雪和雨。京津冀地区地面气温在0.5～5 ℃，由图6d 可以看到925 hPa温度为-3～-4 ℃，因此地面降水相态主要取决于近地面温度。

比较14 和20 时2 个时次的气压场（图5），京津冀地区均为高压控制，气压值变化不大，说明这个时段高压维持。

2.4 变性消散阶段

随着低层偏西气流的建立，回流冷空气影响进入最后阶段，即变性消散阶段，该阶段代表时次为5日11 时。此阶段的特点是高层减弱早于低层，比较4日20 时（图6）和5 日11 时的850 和925 hPa 的温度场、流场，可知，两层均建立了偏西气流，850 hPa迅速回暖，冷中心消失，925 hPa 仍存在-4 ℃的冷中心，但其位置东移至天津地区。

5 日11 时，京津冀地区地面风转为偏南或西南风，降水趋于结束。

3 回流冷空气的路径及范围演变概念模型

给出回流冷空气影响京津冀地区4 个阶段的概念模型（图8）。在低层冷舌侵入阶段，850、925 hPa冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区。925 hPa 冷舌位置偏东，位于河北东部；850 hPa 冷舌位置偏西，位于河北中部。在冷空气沿山堆积扩散阶段，925 hPa 冷空气以偏东风进入河北，遇太行山堆积并向南北以扇形式扩散，主要集中于太行山沿山至河北中部一带；850 hPa 冷空气同样集中于河北中部，但是其西边界扩散至太行山山区。在冷空气增强维持阶段，冷空气强度达到最强，范围达到最大，控制整个河北平原，925 hPa 河北中部出现反气旋中心，850 hPa 气流出现反气旋式弯曲。上述3 个阶段500、700 hPa 京津冀地区维持西南风和暖平流。在冷空气影响消失阶段，850、925 hPa 均建立了偏西气流，850 hPa 回暖迅速，冷中心消失，925 hPa 仍存在冷中心，但其位置东移。

图8 2018 年4 月3—5 日回流冷空气影响京津冀地区4 个阶段的概念模型

4 结论

以2018 年4 月3—5 日东北冷空气回流到京津冀地区造成复杂相态降水过程为例，分析冷空气路径、形态、影响等，得出以下主要结论：

（1）回流冷空气对京津冀地区的影响，可分为4个阶段：低层冷舌侵入、沿山堆积扩散、增强维持、变性消散阶段。

（2）在低层冷舌侵入阶段，冷空气以冷舌形式经东北、渤海侵入京津冀地区，冷舌在不同高度位置不同，低层位置偏东。沿山堆积扩散阶段，低层冷空气遇太行山堆积，同时沿山向南北以扇形形式扩散，较高层次冷空气西边界扩散至太行山山区。增强维持阶段，冷空气强度达到最强，范围达到最大，控制整个河北平原。变性消散阶段，较高层次回暖先于较低层次，冷空气变性消散。

（3）低层冷舌侵入阶段，冷舌在垂直方向位于干、湿过渡区，降水粒子经冷舌下方干区蒸发，造成阴天无降水天气。沿山堆积扩散，燕山南部、太行山东部存在深厚湿层，且温度较低，易出现降雪；在距离山脉较近的平原地区，易出现雨夹雪或雪；在距离山脉较远的平原地区，无降水。增强维持阶段，深厚湿层从太行山、燕山向平原扩展，降水范围扩大，降水相态主要取决于近地面温度。变性消散阶段，降水趋于结束。

需要强调的是，本文分析讨论了一次典型的华北回流冷空气路径形态对京津冀降水相态影响的个例，得到了一些能体现其规律的特征，但要深入认识此类天气过程的演变机理，尚需要对更多实例进行深入分析和总结。