2020年延安一次暴雪天气过程成因分析

2024-06-28王文波杨丽宁欣婷张小龙薛丹妮

农业灾害研究 2024年3期

关键词：暴雪

王文波杨丽宁欣婷张小龙薛丹妮

收稿日期：2023-12-09

作者简介：王文波（1982—），男，陕西咸阳人，工程师，主要从事天气预报研究。

摘要：利用常规气象观测资料、延安多普勒天气雷达和NCEP的FNL逐6 h再分析资料，对2020年11月20—21日发生在延安市中北部的暴雪天气过程进行分析。结果表明：高空槽前西南暖湿气流、700 hPa低空急流和切变线为降雪提供了充足的水汽和辐合抬升，在暴雪区形成深厚的湿层和上升运动。暴雪区与500 hPa水汽通量散度辐合中心相对应，散度场表现为低层辐合、高层辐散的双辐合—辐散结构特征，θse等值线随高度向北倾斜，在中层形成稳定维持的θse密集锋区。短时暴雪的雷达回波强度普遍在32～40 dBz，回波顶高4～6 km，内部有40 dBz以上小尺度积云对流回波不断生消，径向速度图上零速度线呈“S”形，并表现有“牛眼”结构特征。

关键词：暴雪；低空急流；双辐合辐散

中图分类号：P458 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-04

雨雪是冬春季灾害性天气之一，特别是暴雪天气对工农业生产、交通运输和人民生活等带来严重的不利影响[1]。近年来，随着全球气候变化加剧，极端天气事件多发频发，位于黄土高原丘陵沟壑区的延安市，冬春季暴雪天气也呈现出增多、增强的趋势，加之复杂的地形环境，因暴雪造成的灾害损失不断增多。因此，分析研究该区域暴雪天气的形成原因和特点，对防御和减少暴雪灾害损失具有重要意义。

针对暴雪天气，我国气象工作者从多个方面进行了大量的研究分析。张桂莲等[2]对冷垫背景下冻雨和极端回流大暴雪成因机制进行了分析，指出500 hPa槽前暖湿气流、700 hPa西南急流和暖式切变线为2020年11月17—19日内蒙古中东部降雪提供了丰富的水汽和动力辐合，中高空暖湿空气沿低层冷垫爬升产生锋生是造成极端回流大暴雪的主要原因，动力锋生最强阶段和降雪最强时刻相对应。黄晓璐等[3]分析了内蒙古2020年2月一次暴雪过程中湿位涡与锋区的关系，指出强锋生区与暴雪区相对应，高空下传的湿位涡正MPV1有利于锋生、增强降雪。徐娟娟等[4]对2018年1月陕西区域性暴雪的诊断分析指出，强西南急流、偏东气流是此次暴雪产生的重要原因之一，中层冷空气侵入触发暴雪发生。祝小梅等[5]对2022年初冬伊犁河谷一次极端暴雪过程进行分析发现，暴雪区散度场具有双辐合辐散的结构特征。陈鲍发等[6]分析了江西3次暴雪天气过程雷达回波特征，发现暴雪回波强度在30 dBz左右，回波可伸展至5～7 km。孙莎莎等[7]利用双偏振雷达、毫米波云雷达、温度廓线仪等资料，分析了山东极端暴雪过程降水相态的多源观测特征。

目前，延安地区的暴雪天气研究分析相对较少。本文主要利用延安地区国家气象观测站逐小时地面观测资料、常规高空观测资料、NECP的FNL逐6 h再分析资料以及延安多普勒天气雷达观测资料，对发生于2020年11月20—21日的一次暴雪天气过程进行分析，为今后延安地区暴雪天气的预报提供参考。

1 天气过程概况

2020年11月20—21日延安市出现雨雪天气，中北部6县区出现暴雪，其中，宝塔区和甘泉县大暴雪，全市过程累计降水量2.8～21.8 mm，最大降雪量宝塔区21.4 mm，甘泉县降雪量20.9 mm，最大积雪深度

10 cm。14：00（北京时间，下同）开始延安南部开始出现降水，至17：00降水相态为雨，18：00后相继转为雪，15：00延安北部自西向东开始降雪。

从观测站逐小时降水量和降水相态可以看到，降雪时段主要集中在20日16：00—21日08：00，18：00～

21：00宝塔区和甘泉县连续2～3 h出现1 h 3.0 mm以上的短时暴雪（图1），最大1 h降雪量达4.4 mm，23：00后降雪强度逐渐减弱[8-9]。

2 环流形势

11月20日08：00，500 hPa贝加尔湖至新疆有西风槽存在，贝加尔湖东部配合有-44 ℃冷中心，青藏高原东部有浅槽发展，700 hPa新疆至内蒙古西部有一温度槽，高空冷平流锋区前沿已抵达河套西部，四川东部至甘肃南部有偏南风低空急流发展，延安处于槽前偏南气流，850 hPa陕西南部有东南风发展，青藏高原东部浅槽在东移过程中发展为短波槽。20日20：00（图2）短波槽东移至陕西西部，700 hPa延安西北部配合有“人”字形切变，西南风低空急流东移控制陕西中南部，延安处于低空急流左前侧，并有西南风速辐合，

850 hPa东南风明显增强，在延安西部形成风速辐合。21日08：00高空槽东移出延安地区。200 hPa高空急流穿过延安地区，风向由西风转为偏南风，风速大于40 m/s。

20日08：00～14：00地面气压场呈北高南低，青藏高原至四川盆地一带低压向东缓慢移动，延安位于低压前部西北侧，蒙古国西部至新疆北部为冷高压控制，其前部分裂的冷空气自内蒙古东部侵入华北地区。17：00分裂的冷空气自内蒙古西部侵入甘肃至宁夏，低压中心移动至四川西部，陕西北部形成弱倒槽，延安西部开始出现雨雪天气。20日20：00—21日02：00，地面倒槽发展，在榆林东部形成低值中心，且长时间维持，内蒙古西部至宁夏不断有冷空气渗透南下。21日02：00—21日08：00冷高压东移，低压倒槽东移减弱。

从环流形势分布来看，槽前强盛的西南暖湿气流和低层冷空气在延安地区交汇，从而产生暴雪天气。

3 环境条件

3.1 水汽条件

冬季，低空急流的建立和发展是产生暴雪的重要因素之一。20日08：00，700 hPa四川东部至甘肃南部偏南风低空急流的建立为延安的降雪提供了充足水汽，低层850 hPa河南至陕西北部东南风的发展，进一步增强了水汽的输送。

由比湿场可见，08：00延安500 hPa、850 hPa比湿为

1～2 g/kg，700 hPa比湿为3 g/kg，整层水汽条件较差，700 hPa四川东部至甘肃南部有湿舌向北伸展，宁夏处于湿舌前部大梯度区。14：00湿舌东移至延安西部，比湿大梯度区位于延安北部，整层比湿较08：00明显增大，20：00中低层处于饱和湿区内。延安站探空资料显示，08：00～20：00大于80%湿层由850 hPa附近伸展至400 hPa以上，湿层显著增厚。

水汽通量散度常用于表征水汽在水平方向的输送和分布情况，水汽通量散度负值，表明有水汽的辐合，反之有水汽辐散。08：00～14：00，850 hPa延安地区水汽通量散度由正值逐渐转为负值，辐合中心位于关中西北部至延安南部，700 hPa延安地区处于水汽通量散度负值区，14：00水汽辐合达到最强，辐合中心位于延安西部，中心值为-20×10-6 g/（cm-2·hPa-1·s-1），500 hPa水汽通量散度为正值。

20：00（图3），500 hPa水汽通量散度转为负值，辐合

中心位于延安中北部，中心强度达-15×10-6 g·cm-2·hPa-1

·s-1，相应在该时段前后出现强降雪，700 hPa辐合中心东移至延安以东。由此可见，从低层到高层的水汽通量散度有明显倾斜，深厚的湿层和持续的水汽辐合为暴雪提供了充沛的水汽。

3.2 动力条件

分析暴雪过程散度场变化，20日08：00暴雪区上空，700 hPa为散度场辐合区，850 hPa以下和600～300 hPa

为散度辐散区。随着高空槽东移和西南急流的发展，700 hPa辐合区加强并向下伸展至1 000 hPa，辐合中心位于700～600 hPa，中心强度-40×10-6 s-1，500 hPa为辐散区，辐散中心强度50×10-6 s-1，400 hPa发展为辐合区，300 hPa又为辐散区，形成双辐合—辐散的散度场垂直结构，高层辐散、低层辐合使得上升运动增强，有利于降雪的产生。

在强降雪时段，辐合辐散进一步加强，从20：00沿宝塔区站经向的散度场垂直剖面（图4）可以看到，散度场维持双辐合—辐散结构，辐合辐散中心高度下降，表现为850 hPa以下和500 hPa为辐合区，辐合中心位于800 hPa和500 hPa，最大辐合中心强度在500 hPa

达到70×10-6 s-1，低层辐散中心下降至700 hPa，强度较14：00减弱，高层辐散在400 hPa以上，辐散中心位于300 hPa，强度达到60×10-6 s-1。

总体来看，中低层表现为深厚的辐合区，加上高层辐散抽吸作用增强，上升运动进一步增强，从而形成1 h 3 mm以上的短时暴雪。21日01：00后，双辐合—辐散结构逐渐减弱，高层辐散中心消失，降雪趋于结束。与散度场相应，涡度场上（图略），暴雪区从低层至500 hPa为正涡度，500 hPa以上为负涡度，在强降雪时段，正涡度区增强且向上伸展至200 hPa，20：00正涡度达到最强。

3.3 热力条件

假相当位温（θse）是能够综合反映温度、气压和湿度的物理量，表示大气的温湿特征和垂直运动，θse高值区代表高温、高湿，低值区代表低温、低湿。在20日假相当位温水平分布上，14：00降雪开始前，700 hPa有东南—西北向θse高能舌自陕西南部伸展至宁夏，内蒙古西部至甘肃为θse低值区，θse密集锋区位于宁夏至延安北部，暴雪区上空θse值达314 K，850 hPa暴雪区上游形成“Ω”形假相当位温场，θse高能舌位于宁夏东部，中心值达300 K，陕西北部和宁夏以西有冷空气自北向南侵入，形成2个向南伸展的θse低值区。

在强降雪时段，700 hPa宁夏西部的θse低值区加强向东南发展，暴雪区处于θse高能区，但θse锋区强度减弱，850 hPa θse高能舌向北扩展至陕西北部，暴雪区处于θse高能区，θse值为298 K，高能区两侧有θse低能区向延安伸展。

从20：00沿宝塔区站经向的假相当位温场垂直剖面可以看到（图5），800 hPa以下自北向南为θse低值区侵占，800～700 hPa为密集的θse锋区，700 hPa以上θse随着高度明显向北倾斜，表明中高层偏南风急流向北输送的强暖湿气流和低层冷空气在延安交汇，在中层低形成强θse锋区，并长时间稳定维持，造成降雪的持续和增强。

4 天气雷达特征

延安多普勒天气雷达组合反射率显示，20日12：30

～14：00延安西部有层状云回波发展，回波均匀，反射率因子梯度小，回波强度15～27 dBz，距离雷达测站南部50～100 km处有32dBz降水回波向北发展，延安南部出现降水。14：22延安西部有层状云降水回波向东移动发展，西北部开始出现降雪。15：21西部和南部的降水波回波在宝塔区合并，开始出现降雪，回波强度30～

40 dBz，回波顶高3～6 km，且维持至17：00。

17：25降雪回波稳定在宝塔区上空，回波强度普遍在32～40 dBz，其内部分散多个1～2 km的积云对流回波，强度45～49 dBz，宝塔区降雪强度开始增大，同时甘泉县北部出现32 dBz降雪回波。

18：00～21：00降雪加强和维持阶段，降雪回波呈西南—东北向带状分布在宝塔区和甘泉县上空，回波强度32～40 dBz，宝塔区有多个小尺度积云对流回波不断生消发展，回波顶高4～6 km，延安西南部先后有2个32 dBz层状云降水回波向东北方向移动，在宝塔区和甘泉一带合并，降水回波的移动发展与西南水汽的输送辐合一致。这种列车式传播的降雪回波使得强降雪回波得到维持和增强，从而产生短时暴雪。

从18：59延安雷达组合反射率可见（图6a），宝塔区境内有多个1～4 km积云对流降雪回波单体发生发展消亡，积云对流回波分布离散，最大回波强度可达50～58 dBz，回波顶高维持在4～6 km。20：33降雪回波强度开始减弱东移动，降雪强度减弱。16：00径向速度图上，零速度线呈“S”形结构，风向随高度顺时针旋转，表明有暖平流，且风速随高度增加，最大入流风速为12.5 m/s，略高于出流风速，说明有风速的辐合，有利于降雪的产生。

“S”形结构持续至17：01，17：01～18：00在20～50 km东南风和南风加强，宝塔区有明显的风速辐合，降雪增大。在20：27径向速度图上（图6b），50～100 km维持12 m/s的西南气流，低层东南风进一步加强，20 km附近出现7 m/s的正负速度大值中心，形成“牛眼”结构，正中心面积大于负中心面积，说明在边界层有东南风水汽输送和辐合增强，有利于宝塔区积云降雪回波的发展。低层“牛眼”结构长时间维持，直至22：25减弱，降雪随之减弱[10-17]。

5 结论

通过对此次暴雪天气的环流形势、环境条件、多普勒天气雷达特征进行分析，得出以下结论：

（1）此次暴雪发生在槽前强盛的西南暖湿气流，700 hPa和地面配合有切变线和倒槽，暴雪区位于低空西南急流左前侧和700 hPa切变线暖区。

（2）低空急流在暴雪区形成深厚的水汽辐合。低层至高层水汽通量散度表现出明显的倾斜特征，暴雪区与500 hPa水汽通量散度辐合中心对应。暴雪区散度场高层辐散、低层辐合，形成双辐合—辐散的散度场结构，有利于上升运动的维持和增强，是暴雪形成的动力机制。

（3）暴雪区800 hPa以下自北向南为θse低值区，800

～700 hPa有密集θse锋区，700 hPa以上θse随高度明显向北倾斜，中高层强暖湿气流和低层冷空气形成冷暖空气稳定对峙，是造成暴雪原因之一。

（4）暴雪回波强度普遍在32～40 dBz，回波顶高4～

6 km，且长时间维持，内部有分散的小尺度积云对流回波生消。在径向速度图上，零速度线呈“S”形，有一对正负速度中心的风速核，形成“牛眼”结构。

参考文献

[1] 姚学祥，孙欣，孙继松，等.天气预报技术与方法[M].北京：气象出版社，2011.

[2] 张桂莲，霍志丽，王学强.冷垫背景下冻雨和极端大暴雪成因机制分析[J].高原气象，2023，42（3）：725-733.

[3] 黄晓璐，林弘杰，李一平，等.2020年初内蒙古一次暴雪天气过程的成因分析[J].沙漠与绿洲气象，2021，15（6）：18-25.