一次華北氣旋造成的北京特大暴雪天氣過程分析

詹正杰，尹仔鋒，喬林，王將，孫秀忠，趙瑋

（1.昆明市氣象局，云南 昆明 650500；2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；3.新疆維吾爾自治區氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；4.北京市氣象局，北京 100089）

一次華北氣旋造成的北京特大暴雪天氣過程分析

詹正杰1，2，尹仔鋒2，3，喬林4，王將1，孫秀忠4，趙瑋4

（1.昆明市氣象局，云南 昆明 650500；2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；3.新疆維吾爾自治區氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；4.北京市氣象局，北京 100089）

利用北京延慶站和海淀站風廓線產品、微波輻射計產品、北京市雷達產品（南郊和車道溝）、北京市58個稱重雨量站觀測資料、FY-2E衛星云圖、常規氣象資料，綜合分析了2012年11月3—4日北京暴雪天氣過程。結果表明：降水相態主要受鋒面性質和鋒面位置影響；過程雨雪量受氣旋的強度、持續時間和水汽通道維持時間影響比重大；風廓線和微波輻射計產品資料在雨雪開始時間、雨雪相態轉換方面有明顯的指示性作用。

氣旋；暴雪；雨雪相態；風廓線；微波輻射計

2012年中國氣象局GB/T 28592—2012降水量等級標準增加了大暴雪（12 h降雪量：10～14.9 mm，24 h降雪量：20.0～29.9 mm）和特大暴雪（12 h降雪量≥15.0 mm，24 h降雪量≥30.0 mm）標準，之前把24 h降雪量≥10.0 mm的降雪統稱為暴雪。暴雪是我國冬季和初春季節的重要災害性天氣之一，其降雪量有時可達50 mm（暴雨量級），所形成的深厚積雪往往造成交通中斷、房屋倒塌、壓折林木和農作物，給人民生命財產造成嚴重危害。因此做好暴雪天氣預報，服務于國防、經濟生產部門以便采取積極措施預防其危害、利用其有利因素，具有相當重要的意義。但暴雪是一個小概率事件，預報難度大，一直是氣象預報研究的一個主要內容之一，許多氣象學者都對其做了大量深入的研究并開發了一些預報系統工具[1-17]。我國目前已經有一批研究人員用不同的方式來提高預報技術，如北京市氣象局成立的暴雪團隊著力研究冬季降水相態和北京初雪預報；北京大學物理學院大氣與海洋系用每年舉辦初雪預報競賽的方式提高學生的初雪預報能力。像北京2012年11月3—4日這樣的初雪即為雨雪量突破有氣象記錄以來歷史同期極值，特大暴雪、雷暴、大風、強降溫同時出現的特殊個例無疑是氣象研究非常好的典型案例素材。本文從多角度分析這次特大暴雪成因，并重點分析風廓線產品資料、微波輻射計產品等現代新型觀測產品資料的特征（尤其是在雨雪開始時間判定、雨雪相態轉換方面），并找出一些預報指標，為暴雪、特大暴雪的預報和研究提供一些參考。

1 天氣實況

1.1 雨雪天氣實況

受強冷空氣和西南暖濕氣流的影響，2012年11月3日15時至4日白天北京出現暴（雨）雪，西北部出現特大暴雪天氣過程。3日09時15分降水自西北開始。15時西北部的佛爺頂站最先觀測到降雪；16時延慶開始降雪；18時西南部齋堂開始降雪，21時海淀霞云嶺開始降雪；22時左右山區降雪加大，城區大部開始降雪，觀象臺01時開始降雪。西部3日夜間到4日白天持續降雪；城區夜間由降雨轉為雨夾雪，后半夜轉為雪，4日凌晨又轉為雨夾雪；東部區域為降雨。整個降水過程雨雪分布地域特征明顯，相態轉換復雜。2012年11月3日08時至11月4日20時，北京地區全市平均降水量56.0 mm（氣象+水文），城區平均62.0 mm（氣象+水文）；最大降水出現在海淀鳳凰嶺99.6 mm，最大雨強出現在密云白河四合堂3日21—22時15.6 mm/h。北京20個國家站均突破有氣象記錄以來同期（11月）極值。除順義、平谷、密云、通州和懷柔南部始終為降雨外，其余地區均出現降雪天氣，全市平均降雪量達21.7 mm，西部山區出現特大暴雪：延慶降雪量達56.3 mm，最大積雪深度達47.8 cm；佛爺頂降雪量達75.4 mm，最大積雪深度為40.7 cm（圖1）。

根據北京市氣象局2011年《京氣減函〔2011〕1號》文件《關于規范北京地區初雪日定義的通知》標準，2012年11月4日為2012—2013年冬初雪日，是近20 a來歷史第四偏早（第一是1987年10月31日，第二是2009年11月1日，第三是1992年11月2日）。

圖1 北京市2012年11月3日08時到4日20時降水量分布 （單位：mm）

1.2 大風、降溫、雷暴天氣實況

由于這次冷空氣勢力強，南下推進速度快，雨雪的同時伴隨4～5級偏北風，個別地點出現強風，4日06時36分海淀鳳凰嶺出現26.4 m/s（10級）偏北風。同時降溫顯著，3日15—18時大部分地區氣溫驟降6℃左右。佛爺頂最高氣溫-3.7℃，最低氣溫降至-6.8℃。3日夜間城區還出現雷暴，屬于北京雷暴偏早年份。

像這樣初雪時間早，雨雪量大，降溫強，大風同時伴有雷暴，屬于北京有氣象記錄以來罕見的天氣過程。

2 災情統計

此次強雨雪天氣過程對交通、農業、供暖等造成了一定的影響，其中對交通不利影響最明顯，特別是出現特大暴雪的西部地區，交通受到嚴重影響，導致交通路網嚴重擁堵，一度北京及周邊地區高速路封閉。3日下午北京市道路交通擁堵級別直接飆至“嚴重擁堵”。4日凌晨雨夾雪和大風把地鐵13號線沿線的樹木壓倒吹斷，部分樹木還侵入地鐵運營正線，造成13號線地鐵短時停運。延慶樹木倒伏1.2萬株，延慶部分用戶供水、供暖中斷，部分雞舍和日光溫室倒塌。

3 天氣系統分析

500 hPa天氣圖上1日08—20時，位于巴爾喀什湖（以下簡稱巴湖）和貝加爾湖（以下簡稱貝湖）之間的低槽轉豎東移。2日08時槽加深東南移，槽線向東靠近貝湖，中緯度環流經向度加大，溫度槽落后于高度槽。2日20時貝湖北段呈南北向，南段呈西南東北向，槽底向河套地區靠攏，溫度槽落后于高度槽。3日08時槽北段快速東移，槽南段轉豎東移到河套地區，華北大部受槽前西南氣流控制，河套地區出現氣旋式風向切變。溫度槽與高度槽夾角變小，溫度槽稍微滯后于高度槽，北京處于槽前西南暖濕氣流內。3日20時槽繼續東移，南端在華北西南部出現584位勢什米閉合低壓，-33℃冷中心與低壓中心重合，溫度槽與高度槽重合，即高空冷渦生成，北京處于冷渦東北象限的東南氣流內。3日08時700 hPa槽落后于500 hPa槽，3日20時氣旋中心位置與500 hPa一致，但是溫度槽落后于高度槽，氣旋后部仍有冷平流。地面圖上：一強冷高壓沿東南路徑南下，2日05—17時移動緩慢，2日20時開始快速東南移，高壓前側鋒面加強影響到華北西部。2日23時中心強度加強，南部擴展迅速。3日02時中心氣壓加強到1 050 hPa，冷高東南側與渤海低壓形成較強鋒面，即華北氣旋生成。冷暖鋒交叉的錮囚鋒位于華北西北部，02—17時錮囚鋒由西北向東南穿過華北地區，17時北京受冷鋒控制。3日20時冷高明顯減弱，但是渤海低壓維持，冷鋒在華北地區移動緩慢，北京處于錮囚鋒頂部，這個時段北京西北部開始降雪。3日20時到4日11時北京因受鋒面的持續穩定影響，出現較長時間的雨雪天氣。4日08時，高層200 hPa北京處于大槽的北端（圖2a）；500 hPa（圖2b）、700 hPa（圖2c）、850 hPa（圖2d）華北低渦位置一致，北京處于低渦中心區域的西北部。4日11時渤海低壓開始減弱東移，冷鋒減弱東南移，北京降水減弱。

圖2 11月4日08時高度和流場圖

使用NCEP一日4次再分析資料沿116.3°E（北京城區經度），30°～50°N做水汽通量散度、垂直速度、垂直流場剖面圖。2012年11月3日08時（圖3a）在北京以南32°N附近700 hPa層有較強的上升運動中心（中心強度50 m/s），30°N以南水汽通量散度為0～5區域，且高度升到600 hPa以上，表明南邊水汽條件較好。3日14時（圖3b）強上升運動區沿緯度向北推進，同時向高層延伸到400 hPa附近，此時北京逐步開始降水，但量級較小。3日20時（圖3c）北京底層水汽通量散度絕對值加大，強上升氣流區范圍擴大，中心值加大到80 m/s，但強中心開始下降。4日02時（圖3d）到4日08時（圖3e）北京處于強上升運動中心區域內，上升運動強中心持續降低并沿緯度向北移動，也就是此時間段北京出現強降水天氣，此時在32°N，600 hPa處生成一個強下沉氣流中心。4日14時（圖3f）上升氣流中心向北移動過程中迅速減弱，南邊強下沉氣流中心加強向北移動，北京處于上升氣流區后側，水汽通量散度絕對值減少并降到800 hPa以下，北京的雨雪過程減弱趨于結束。由此可見，北京強降水過程與強烈上升氣流持續時間和水汽輻合強度一致。

這次過程是由后傾槽演變結合地面強冷空氣形成的華北氣旋造成的。過程特點是：地面冷空氣強度強，高層冷渦強，地面快速東南移的地面冷鋒在北京北部與暖鋒形成的錮囚鋒維持時間長，水汽充沛。北京西北處于冷鋒控制以降雪為主，城區先受暖鋒影響，后在錮囚鋒附近，而錮囚鋒在北京城區小幅度擺動，造成城區雨雪相態來回轉換；而北京東部受氣旋暖鋒控制，所以一直是降雨，而沒有轉為雨夾雪或者雪。由此可見：雨雪相態主要受華北氣旋的鋒面性質和位置影響，暖鋒區是降水，冷鋒區以降雪為主，而錮囚鋒區雨雪相態復雜轉換。

4 風廓線特征分析

4.1 延慶站風廓線資料分析

從延慶3日04:00到4日00:00風廓線圖（圖4）可以看出：3日9:00低層630 m以下以東南風為主，風力小，中層（750～1 900 m左右）為強南風區。9時到10時，南風層開始降低，低層東南風偏南分量加大，延慶地面站9:34開始出現降水。11:00—14:00低層逐漸由東南風轉為南風，風速加大；15：00由南風轉為東南風。15：00—17：00時東南風層向上抬升，18:00開始降低，19:00迅速降低，510～1 700 m附近轉為北風，北風層逐漸加大并降低，這表征冷氣團勢力加強南壓。22:00到4日12:00，400～1 500 m左右層都為強勁的偏北風，這個時段正好與地面降雪時段相對應。3日15:00開始低層東南氣流開始向高層抬升，東南氣流層在抬升過程中加厚，4日04: 00—05:00時達到較強盛時期，06:00左右開始逐漸轉為偏東風，11:00—12:00時轉為東北風。

圖3 沿116.3°E，30°～50°N水汽通量散度（陰影區，單位10-6g/（hPa·s·cm2）、垂直速度（等值線，單位：10-3Pa/s）、垂直流場（矢量，單位：m/s）的垂直剖面

圖4 北京延慶站2012年11月3日04時—4日00時風廓線圖（m/s）

從風廓線資料分析得出：低層東南暖濕氣流遭遇北方冷氣團被迫抬升，冷氣團急劇下沉，冷暖氣團交匯，大氣斜壓性導致氣流逆時針旋轉形成氣旋。暴雪出現在氣旋形成維持的這段時間，為中高層東南暖濕氣流比較強盛的時間段。

預報指標：中層南風層降低和低層東南風向南風轉變的開始作為降水開始起報指標；把低層由東南風轉西南風時刻作為降雪的開始時間。

4.2 海淀站風廓線資料分析

圖5 北京海淀站2012年11月3日16時—4日12時風廓線圖（m/s）

從海淀3日16:00到4日12:00風廓線圖（圖5）可以看出：16:00在480 m高度層氣流存在明顯的旋轉特性，500 m以下為西南風，500 m左右為東風，540～900 m左右為東南風，以上為南風。17:00開始500～660 m轉為北風，說明冷空氣已經入侵到海淀，這時高空東南氣流層明顯抬升，東風氣流層抬升和冷空氣下沉階段的17:00—20:00降水強度較大。22：00底層東北風加強，1 000 m左右北風強，高層東南風明顯抬升，空中冷暖氣流擾動強烈，強冷空氣下沉，海淀降水相態轉為雪。06:00—07:00低層冷空氣減弱，高層偏東氣流轉為東北氣流，降水轉為雨夾雪并且強度明顯減弱，08：00之后高空氣流均明顯減弱，海淀轉為小雨，降水趨于結束。

5 微波輻射計產品分析

從延慶站微波輻射計產品2012年11月2日20:00到3日20:00和3日13:00到4日13:00可以看出降水開始時段、雨雪相態轉換時、降水持續時段、降水結束時段在近地面溫度圖、大氣總水汽量圖、大氣總液態水圖、大氣液態水密度廓線圖、大氣相對濕度廓線圖、大氣溫度廓線圖上都有明顯的特征。降水開始時與微波輻射計所在高度溫度劇烈下降時段相對應；與大氣溫度廓線的整體抬升時刻相對應；與中高層大氣相對濕度突變相對應；與中高層大氣液態水密度突升相對應。大氣溫度廓線：由于凝結潛熱釋放降水開始時大氣溫度突升，低層大氣溫度突升更加明顯，出現“暖塔”特征，整個降水時段中上層大氣溫度維持穩定少變，降水強度減弱時整層溫度突降，低層溫度降幅最大。大氣相對濕度廓線圖：降水開始前上層為干空氣，低層為濕空氣，降水開始時刻中上層空氣轉為濕，而中低層轉為干空氣，強降水時段整層大氣都處于飽和狀態，降水強度減弱后高層轉為干空氣，而低層相對濕度仍然比較大。大氣液態水密度廓線圖顯示降水開始前高層液態水密度比較小甚至有些層次為零，降水開始時中高層液態水密度突增，尤其是6 km左右高度層增加明顯，16:00—17:00，6 km高度層出現液態水密度亮帶，該亮帶的維持時間與強降雪時段有較好的對應關系。

由上述特征總結出一些預報指標，降水開始指標：大氣溫度廓線“暖塔”初生，高層大氣由干轉濕（相對濕度突增）；中高層大氣液態水密度增大時刻。雨雪相態轉換指標：6 km高度層液態水密度亮帶形成時期；低層大氣由干轉濕（低層相對濕度增大至飽和）時刻。

6 多普勒雷達產品資料分析

圖6a可見，北京城區以塊狀回波為主，反射率因子回波強度強中心35～40 dBz，次為降雪回波。該降雪回波移動緩慢，維持時間長。

平均徑向速度圖（圖6b）上底層有典型的反“S”型零速度線，風隨高度呈順時針旋轉，底層冷平流較強。中高層零速度線較為凌亂多變，說明高層風向變化較快。平均徑向風速隨高度先增大后減小。在10 km左右處有24 m/s的偏北風急流。

圖6 2012年11月4日05：58北京雷達反射率因子（a）(單位：dBz)和2.4°仰角徑向速度（b） （單位：m/s）

7 結論

（1）這次特大暴雪過程是由華北氣旋與地面冷空氣共同影響造成的，降水相態主要受鋒面性質影響，暖鋒區以降水為主，冷鋒區以降雪為主，錮囚鋒附近雨雪相態隨錮囚鋒位置擺動而來回轉換。雨雪持續時間和強度由氣旋的持續時間和強度決定。

（2）風廓線資料產品和微波輻射計產品在降水開始時、雨雪相態轉換時段、降水強度上都有一些典型的特征。多普勒雷達回波產品在鋒面性質判斷，雨雪強度及維持時間上有一些明顯的特征，可以在短時臨近預報中發揮較好的指導作用。

（3）華北水汽帶與西太平洋洋面水汽帶連接通道的形成和較長時間的維持提供這次特大暴雪的水汽條件，強降水過程與強烈的上升運動區域和水汽通量輻合相對應。

致謝：本文得到北京市氣象局正研級高級工程師王令細心指導，得到副研級高級工程師焦熱光熱心幫助，在此特別感謝。

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Analysis of Beijing Snowstorm Weather Process Resulted from a North China Cyclone

ZHAN Zhengjie1，2，YIN Zifeng2，3，QIAO Lin4，WANG Jiang1，SUN Xiuzhong4，ZHAO Wei4（1.Kunming Meteorological Bureau,Kunming 650500，China；2.School of Atmospheric Sciences，Lanzhou
Univercity,Lanzhou 730000，China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China；4.Beijing Meteorological Bureau，Beijing 100089，China）

Using the wind profile products from the Beijing Yanqing railway station and Haidian station,microwave radiometer products,radar products from the southern outskirts of Beijing city and Chedaogou station，observation data of weighing rain-gauge data from 58 stations，FY-2E satellite images and conventional meteorological data,the Beijing Blizzard weather process on November 3 to 4 in 2012 was analyzed.The result shows that:the precipitation phase（rain,snow）is determined by frontal properties and frontal location of the North China cyclone;the process is determined by the intensity and duration of rain and snow cyclone with water vapor channel;the wind profile and microwave radiometer data of the rain and snow had obviously indicative function for the start time and precipitation phase change.

cyclone；snow；snow phase；wind profile；microwave radiometer

P458.12

B

1002-0799（2014）05-0010-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.002

2014-04-15；

2014-04-30

昆明市氣象局科技創新項目《烏東德水電站災害性天氣檔案系統》資助。

詹正杰（1976-），女，高級工程師，主要從事天氣氣候預報、分析與研究工作。E-mail：824350599@qq.com

詹正杰，尹仔鋒，喬林，等.一次華北氣旋造成的北京特大暴雪天氣過程分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：10-15.