2021年11月山东一次极端天气成因分析

2024-12-31赵雯刘新磊

农业灾害研究 2024年9期

摘要：利用地面自动气象站观测资料、美国国家环境预报中心再分析资料，对2021年11月6—7日发生在山东省西北部地区的一次极端天气成因进行分析。结果表明：此次极端暴雪天气具有强度大、范围广等特点，其主要受500 hPa冷涡、700 hPa

高空槽、850 hPa切变线，以及低空东南、西南急流等系统影响；此次极端暴雪过程发生时，山东省西北部地区水汽来源路径众多，其中700 hPa与850 hPa东南与西南暖湿气流对此次降雪天气的水汽贡献最大，为其提供了充沛的水汽条件；低层强烈辐合、高层强烈辐散的结构配置，再加上低层强冷空气的影响，辐合中心明显抬升，并与低层切变线相耦合，导致上升运动明显增强，为其提供了良好的动力抬升条件。

关键词：极端暴雪；天气成因；横槽；高空槽

中图分类号：P458.121 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）09–0-03

暴雪是我国冬季发生频率较高的气象灾害之一，不仅会直接影响大众日常出行及工农业生产，严重时还会危及人民群众生命财产安全[1]。基于此，以2021年11月山东省一次极端暴雪天气为研究对象，选用地面自动站观测资料、美国国家环境预报中心再分析资料等，从环流背景、物理量诊断等角度研究了此次暴雪天气成因，以期提高此类暴雪天气的预报准确率，减少其带来的影响及危害。

1 山东省概况

山东省地处中国华东地区，境内包括山地、丘陵、平原、盆地、湖泊等地貌类型，地势低平。其属暖温带季风气候区，春秋短暂、冬夏较长，具有降水集中、雨热同季等特点。省内冬半年发生暴雪天气的频次不高，年平均出现暴雪不足2.0 d。然而，一旦出现强暴雪，势必会产生严重影响。

2 极端天气实况

受寒潮天气影响，2021年11月6日20：00—7日20：00，山东省大部分地区出现了极端暴雪天气现象，并伴有雨雪、降温、大风天气。据统计，在此期间，山东省平均降水量为31.9 mm，远大于历年11月平均降水量（18.5 mm）。

如图1a所示，本次强降水量呈现出西北多、东南少的特点。其中，有31个站点降水量超本月历史极值，占全省站点总数量的25%。降水量＞50.0 mm的站点有20个，主要集中在鲁西北地区，其中，东营市垦利区降水量最大，为75.5 mm，聊城市茌平区小时雨强最大，为17.8 mm/h。相对比而言，鲁中东部与半岛地区降水量较小。

如图1b所示，山东省有47个站点出现暴雪天气，以鲁西北、鲁中北部最为集中，其中，济南、聊城、平原出现特大暴雪。

观测资料显示，此次降水过程中山东省气温大幅下降，且伴随有大风天气。以鲁西降水量最大的德州禹城（图2）为例，其降水主要集中在7日01：00～12：00。

其中，01：00～02：00小时雨强最大（15.9 mm/h），08：00～09：00小时降雪量最大（6.0 mm/h）。11月7日01：00～10：00，德州禹城气温大幅下降，由01：00的17.1 ℃下降至10：00的-1.5 ℃，气温降幅为18.6 ℃。

此外，结合极大风速序列图可见，本次降水发生时，德州禹城11月7日05：00的风速最大，为17.6 m/s。

3 环流背景分析

大尺度环流背景是暴雪天气过程发生与发展的一项重要条件[2]。11月3—5日（暴雪天气发生前）500 hPa欧亚大陆维持“两脊一槽”的环流形势，其中，两脊出现在鄂霍次克海与乌拉尔山，一横槽出现在两个暖脊之间的西伯利亚中部，乌拉尔山暖脊前维持东北气流，在其作用下，大量冷空气堆积于横槽后部，温度槽落后于高度槽，为横槽的持续发展创造了有利条件。

11月6日夜间，横槽逐渐东移且转竖，在此过程中被切断为低涡，后与-32 ℃的冷中心相互配合，槽前西南气流控制与影响鲁西北地区。到11月7日08：00（图3a），高空槽逐渐向东移动，其强度也有所增加，与此同时，槽前西南气流持续发展，并演变为西南中空急流，风速＞20 m/s，同时其跨度较大，表明此次降水过程持续时间长。

结合700 hPa天气形势图（图3b）可见，高空槽位于冀鲁交界位置处，西南气流位于槽前且强度持续增强，其中鲁西北上空西南急流强度＞20 m/s，为这一区域降水提供了充沛的暖湿气流。

同时，850 hPa（图3c）低纬度地区有切变发展，东南气流位于其前部且强度显著增加，再加上700 hPa西南急流的相互配合，为此次极端天气提供了良好的水汽输送条件。结合温度场，700 hPa以下锋区坡度明显且等温线密集，由此可见，对流层低层斜压性显著增强。而冷暖气流交汇于山东省西北部，为层结不稳定性增强创造了有利条件。

此外，结合图3d可知，冷高压主体出现在河套西部地区，其冷中心强度最强为1 040 hPa，其前部等压线较为密集，致使地面冷锋过境后出现大风天气。随着冷锋逐渐向南延伸，这一区域温度大幅下降，与此同时，降水逐渐转变为雨夹雪或雪，此时锋后偏北气流影响与控制降雪区域。700 hPa及以上维持西南气流，低层维持偏北风而形成的冷垫，这一上西南下偏北的典型回流形势为降雪天气的发生发展创造了有利条件。

分析降水中心周边章丘站的探空图可知，强降水落区上空大气湿层较为深厚，其中，600 hPa以下基本饱和，整层水汽条件良好。850 hPa以下维持西北风，强冷空气在低层西北气流引导下逐渐形成冷垫，同时有明显的逆温出现在冷垫之上。700 hPa以上维持西南风，其风速＞20 m/s，并且冷空气垫上还覆盖有强盛的暖湿气流，这种上暖下冷的层结条件为强降水天气创造了有利条件。此外，0～6 km垂直风切变＞30 m/s，大气动力不稳定较为强烈。

4 物理量诊断

4.1 水汽条件分析

充足的水汽供应是暴雪天气过程发生与发展的一项关键条件[3-6]。11月，山东省气温与饱和水汽压偏低，水汽含量较少。但暴雪天气要求水汽充沛，因此暴雪天气发生时的水汽来源与输送尤为重要。选用HYSPLIT模式对此次暴雪天气发生过程中500、700与850 hPa 3个高度72 h的水汽来源运动轨迹进行追踪分析。

通过分析得出：中亚地区是500 hPa水汽的主要来源，持续东移途径新疆、黄土高原最终移动至山东省西北部。最初气团的湿度较高，比湿值为3～5 g/kg，水汽在输送过程中损耗明显，当输送至降水落区后，其比湿值仅为0.2～0.3 g/kg。由此可见，中亚地区水汽对此次降雪天气过程的水汽贡献较小；就700 hPa水汽，其来源主要有2支，即青藏高原与重庆北部，相对而言，源于青藏高原的水汽初始湿度较小，比湿数值为0.3 g/kg，水汽在输送中不断吸收水汽，当输送至降水落区时比湿值显著增加，为4.7 g/kg。而源于重庆北部的水汽初始湿度较高，水汽在输送中比湿大幅下降，其输送至降水落区时比湿值为4.7 g/kg；850 hPa低层水汽来源也包括2部分，其一为东海，其二为朝鲜半岛南部。在东南气流的引导作用下，以上2支水汽均经黄海最终输送至山东省西北部，水汽在输送中不断有源于黄海区域的水汽补充，其输送至降雨落区时比湿值较高，为7.1 g/kg。

4.2 动力条件分析

通常情况下，选用散度表征大气动力过程[7-9]。如图4所示，降水发生过程中，36～37°N上空散度呈辐散—辐合交替分布现象，其中，900～700 hPa低空属于强烈的辐合区，而900 hPa之下属于强辐散区，并于800 hPa周边出现强辐合中心，其强度为-20×10-5/s。其中，600 hPa之上属于正散度区，并于500 hPa周边出现辐散中心，其数值为15×10-5/s。这种低层强烈辐合、高层强烈辐散的结构配置为上升运动发展与降水增强创造了有利条件。

此外，低层强冷空气明显，辐合中心明显抬升，并与低层切变线相耦合，导致辐合上升运动呈增强趋势，这也是此次降水较强的一项重要原因。

5 结论

（1）此次极端暴雪天气具有强度大、范围广等特点，其受500 hPa冷涡，700 hPa高空槽，850 hPa切变线，低空东南、西南急流等系统影响。

（2）此次极端暴雪过程发生时，山东省西北部地区水汽来源与路径众多，其中700 hPa与850 hPa东南与西南暖湿气流对此次降雪天气的水汽贡献最大，为降雪天气的发生发展提供了充沛的水汽条件。

（3）低层强烈辐合、高层强烈辐散的结构配置，再加上低层强冷空气的影响，辐合中心明显抬升，并与低层切变线相耦合，导致上升运动明显增强，为此次降雪天气提供了良好的动力抬升条件。

参考文献

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[2] 魏娟娟，李娜，万瑜，等.乌鲁木齐典型暴雪天气机理及成因分析[J].干旱区地理，2022，45（5）：1381-1391.

[3] 钤伟妙，罗亚丽，曹越，等.基于多种探测资料对华北中部一次回流暴雪过程的分析[J].气象学报，2022，80（5）：732-747.

[4] 崔慧慧，苏爱芳.2018年初豫南特大暴雪过程的特征与成因分析[J].暴雨灾害，2019，38（2）：169-176.

[5] 高留喜，杨成芳，刘畅.山东一次极端雨雪过程积雪特征分析及模式产品检验[J].海洋气象学报，2022，42（4）：58-66.

[6] 张珍，张梦彤，宋自福.2020年1月4到7日极端性雨雪天气过程分析[J].农村实用技术，2020（10）：185-187.