2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發展機理分析

杜麗婭

(濮陽市氣象局，河南濮陽　457000)

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2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發展機理分析

杜麗婭

(濮陽市氣象局，河南濮陽457000)

摘要：利用常規氣象資料、多普勒雷達及NCEP客觀分析資料，對2015年11月23—24日河南省出現的一次回流暴雪天氣過程形成、發展的機理進行了分析。結果表明：此次回流暴雪天氣由高原淺槽與地面強冷空氣共同造成，垂直于鋒區的次級環流是產生暴雪的中尺度系統。近地面自渤海回流到華北平原的冷空氣是干冷的，水汽主要由對流層中層的西南急流輸送。動力鋒生是鋒區附近出現超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因，是產生暴雪的主要動力機制。雷達速度圖上，中層西南急流和超低空東北風急流的長時間維持是暴雪產生的重要原因，雷達風廓線清晰地反映了暴雪區上空存在鋒面次級環流。

關鍵詞：回流暴雪；急流；動力鋒生；次級環流

華北回流是指冷空氣從東北平原南下，經過渤海以偏東路徑侵入華北平原[1]。冬季的回流天氣常常伴有大范圍的暴雪、大風和低溫，給工農業生產、交通和人民生活帶來危害。華北回流降雪的出現時間、量級大小及落區等在實際預報中存在較多的失誤，因而對回流暴雪的研究逐漸受到氣象工作者的重視。張迎新等[2]通過對一次回流暴雪的診斷分析和數值試驗，認為回流暴雪在中高層西南氣流與低層偏東氣流疊加時開始；周雪松等[3]通過對一次華北回流暴雪的數值模擬，認為在西風槽和地面冷鋒造成的暴雪中，動力鋒生機制是主要動力機制；王迎春等[4]、萬瑜等[5]認為強降雪中心傾向于出現在鋒區的位置；劉敏等[6]總結了華北回流型強降雪天氣的普遍特征，認為當渤海西岸東北風風速達到5 m/s以上時要注意強降雪的發生；孫密娜等[7]分析了偏東風在降雪發生前后的演變特征，發現地面東風出現在降雪開始前8 h以上；王叢梅等[8]分析了河北省南部回流暴雪天氣特征，認為回流強降雪多發生在地面鋒后冷氣團中。

2015年11月23—24日，河南省發生一次大范圍回流暴雪天氣過程，但濮陽市氣象臺對此次降雪過程的預報量級偏弱。因此，利用NCEP/NCAR的FNL客觀分析資料(1°×1°)、多普勒雷達資料和MICAPS常規觀測資料從鋒生動力學的角度分析此次暴雪發生、發展的機理，希望為此類回流暴雪天氣的預報提供經驗積累。

1降雪實況

2015年11月23日下午到24日，豫西、豫中、豫北和豫東地區出現暴雪天氣，其中豫西和豫東分別出現降雪大值區(圖1)，最大降雪出現在洛陽市的孟津，23日08時到24日08時降雪達31 mm。此次降雪造成歷史罕見的低溫天氣，影響了小麥的正常分蘗和大棚蔬菜的生長。

圖1　2015-11-23T08—24T14降水量(單位為mm)

暴雪發生的主要時段在23日下午到夜間。并一直持續到24日08時。此后，降雪逐漸停止。由于此次暴雪天氣持續時間短、強度大，另外，11月20—22日已經連續3 d出現小雨天氣，因此暴雪預報難度較大。

2環流背景

暴雪過程開始前(23日08時)500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度維持“一槽一脊”形勢，巴爾喀什湖以北為高壓脊，脊前蒙古國至中國東北為一寬廣的低槽，其中貝加爾湖西側有一個低渦，低渦以東為寬廣的偏西氣流，同時在青藏高原中部的格爾木—那曲有一淺槽。23日20時(圖2)，高原淺槽東移至平涼—成都一帶，河南處在槽前西南氣流里，同時次700 hPa上，宜賓至南陽一線有西南急流逐漸加強北伸，急流出口區位于豫中地區。同時，850 hPa上從東北地區有東北風低空急流經渤海沿東北路徑南下，受其影響，華北大部分地區氣溫明顯下降，在同時次上有清晰的溫度鋒區位于華北南部，鋒區內鋒生強烈，有利于降水強度的增強。24日08時以后，隨著冷空氣主力東移南下，對流層低層850 hPa鋒區消失，暴雪過程結束。

圖2　2015-11-23T20 850 hPa風場、500 hPa低槽(實線)和700 hPa、850 hPa急流位置(帶箭頭的粗實線)、地面暴雪區(圓圈)

3物理量診斷分析

3.1假相當位溫

925 hPa風場和假相當位溫(θse)的分布圖(圖3a)上，河南大部分地區受來自東北平原的東北氣流控制，相應的θse低值區一直伸展到113°E附近；其中在太行山地區為一南北向的θse密集帶，太行山西側為θse大值區。說明低層干冷空氣來自于東北平原，且受阻于太行山東側。從沿圖3a中AB線所做的垂直剖面圖(圖3b)可以看出，925 hPa以下的干冷空氣自東北向西南侵入，形狀近似“楔”狀，925 hPa以上到800 hPa存在θse梯度大值區，說明此處有明顯的鋒區，鋒區以上到500 hPa為θse高值區，說明隨著鋒區的南下，中高層的暖濕空氣在東北干冷空氣的入侵下被迫爬升，從而產生暴雪。

圖3　2015-11-23T20 925 hPa風場和θse分布(a)及θse沿AB的垂直剖面圖(b)(單位為℃)

3.2水汽通量和水汽通量散度

水汽是產生降水的必要條件。從23日20時700 hPa流場和水汽通量場(圖4a)上可以看出，在四川、湖南和湖北交界處有一條水汽輸送帶，其水汽通量為3～6 g/(cm·hPa·s)，其中大于2 g/(cm·hPa·s)的范圍已達黃河以南的河南中北部，輸送帶正好與700 hPa急流對應。從鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量垂直分布時間演變圖(圖4b)可看出，水汽通量的大值區在850～500 hPa，且出現在23日下午到夜里的降雪集中時段中，最大值出現在23日20時左右。從水汽通量與風場來看，23日14時以前，中高層風向比較凌亂，水汽通量較小；14時，800～600 hPa轉成西南氣流，水汽通量開始增大，降水開始；20時，隨著中層西南氣流向上伸展，風速明顯加大，在650 hPa水汽通量出現大于6 g/(cm·hPa·s)的大值區，降水強度加大，降雪量最大出現在24日02時左右；

圖4　2015-11-23T20 700 hPa風場及水汽通量(a)及23—24日鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量時間序列圖(b)(單位為g/(cm·hPa·s))

24日14時，伴隨800 hPa以上西南氣流轉為西北氣流，水汽通量迅速減小，降水結束。900 hPa附近在降水時段內也出現水汽通量較大值，這可能是由于降水帶來的低層濕度加大造成的(從流場與水汽通量場配合可以看出)。水汽通量大值區范圍和出現時段與降水區和降水強度對應，表明此次暴雪天氣所需的水汽是由對流層中層800～600 hPa的西南氣流輸送的。

從23日20時700 hPa流場和水汽通量散度圖(圖5a)上可以看出，河南中東部有一水汽通量散度負值區，數值為-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，該水汽通量散度負值區正好與700 hPa急流的出口區和暴雪區對應。從鄭州附近的水汽通量散度與水平風場的垂直分布時間演變圖(圖5b)可以看出，水汽通量散度負值區在925～700 hPa，且出現兩個負值中心，分別在900 hPa和700 hPa，中心值達到-2×10-7g/(cm2·hPa·s)。小于-1 ×10-7g/(cm2·hPa·s)的水汽通量輻合區出現在23日14時—24日08時，與降水集中時段一致。水汽伴隨中高層(800～600 hPa)的西南氣流進入降水區，在強烈的動力輻合作用下，形成暴雪。

圖5　2015-11-23T20 700 hPa水汽通量散度(a)及23—24日鄭州附近(34°N、113°E)水汽通量散度時間序列圖(b)(單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

4鋒面次級環流

23日14時，地面強冷空氣開始入侵河南，對流層低層水平溫度梯度加大，形成明顯的鋒區。從垂直風場看，23日14時河南北部上空存在下沉運動，中南部上空存在上升運動，形成一個與鋒區垂直的鋒面次級環流。鋒面次級環流中的上升氣流把南方對流層低層的大量水汽帶到對流層中高層，在975～700 hPa形成相對濕度大于90%的高濕區。此時降水開始，但由于近地層溫度較高，降水相態以雨為主。

23日20時，在850 hPa假相當位溫場上，河南地區出現較大的假相當位溫線密集區(圖3b)，說明鋒區進一步加強。從垂直風場(圖6a)看，對流層低層東風加大，925 hPa出現東北風超低空急流，對流層中高層為西風，700 hPa出現西南急流，鋒面次級環流進一步加強。對應垂直速度圖(圖6b)上，在鋒區的暖、冷邊界處出現了明顯的上升和下沉運動，上升運動伸展到300 hPa，最大上升速度為9×10-3hPa/s。由于鋒前上升氣流的影響，相對濕度大于90%的區域從地面一直延伸到300 hPa，垂直上升氣流增強，系統發展旺盛，河南中東部降雪強度達到最大。隨著鋒區南移，降水系統隨之南移，24日08時，低層東風分量減弱，同時鋒面次級環流減弱，鋒前濕區高度降低，降雪過程基本結束。

圖6　2015-11-23T20垂直風廓線(a；單位為m/s；實線為水平等風速線)和沿115°E垂直速度的高度剖面圖(b；單位為Pa/s)

5動力機制分析

為了深入探究此次回流暴雪發生、發展機理，下面從鋒生動力學的角度分析此次暴雪的動力機制。

11月23日14時，地面強冷空氣影響河南，850 hPa溫度場上形成等溫線密集帶，水平溫度梯度隨時間增大，熱成風平衡被破壞，為了維持熱成風平衡，風垂直切變必須相應增大，即高層西風風速加強，低層東風風速加強[9]。從暴雪區附近(35°N，115°E)u分量的時間演變(圖7a)可以看到，23日14時，對流層低層東風風速逐漸增大，23日20時，東風增大到14 m/s，與之對應，中高層的西風風速逐漸增大，從23日08時開始，250 hPa高度以上的西風風速增大到44 m/s以上并持續維持。根據地轉偏差與加速度關系[9]，高層西風加速必然強迫產生南風分量的地轉偏差，低層西風減速則強迫產生北風分量的地轉偏差，這種非地轉風分量在鋒區內遠大于鋒區以外地區，這也是圖6a中鋒區附近出現超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因。

圖7　2015-11-23—24暴雪附近(35°N，115°E)u分量(a，單位為m/s，粗實線為降雪時段)和垂直速度時間演變(b，單位為Pa/s)

從垂直速度時間演變圖(圖7b)中可以看出，從23日14時開始，位于鋒區暖側的暴雪區，對流層中低層的上升速度迅速增大，一直保持在8×10-3hPa/s,最大達到9×10-3hPa/s。這是由于地轉偏差在鋒區內外分布不均勻，在低層鋒區的暖邊界有地轉偏差輻合，其相應的地區上空則有地轉偏差輻散，引起上升運動，與其相反，鋒面的冷邊界高層有地轉偏差輻合，低層有地轉偏差輻散，引起下沉運動，形成了垂直于鋒區的鋒面次級環流；次級環流出現后，又對鋒生發生作用，進一步使高低空鋒區的水平溫度梯度加強[9]。由此可見，在此次暴雪過程中，動力鋒生機制產生的鋒面次級環流是造成降水的直接中尺度系統。

6雷達資料分析

6.1組合反射率

11月23日13時降水回波進入河南中西部，其在東移過程中表現為范圍較大的片狀層狀云降水回波。在距鄭州雷達站20 km以內的低層出現了小范圍的0 ℃ 層亮帶，此時降水以雨為主。16時，0 ℃層亮帶消失，降雨開始轉變為降雪。由于冰晶對電磁波的散射作用較弱，因此大部分回波強度較弱，回波強度多在10～30 dBz，在大片的弱回波區中有多個30～35 dBz的回波存在(圖8a)，總體上看反射率因子梯度不大。由于25 dBz以上的較強回波在23日16時—24日08時長時間維持，同時不斷有30～35 dBz回波產生，造成豫西、豫中和豫東地區降雪強度較大。

6.2徑向速度和風廓線

23日22：01鄭州雷達35 km范圍內(1.4 km高度以下)(圖8b)有一對正負速度中心，最大速度達24 m/s, 經判斷，該正負速度中心的風向為東北風(根據多普勒天氣雷達原理[11]，在探測采樣較好的情況下，若某高度層出現最大入流或出流徑向速度中心，其風向即為該高度層的實際風向，因而近地層有超低空東北風急流存在)，與925 hPa天氣圖上河南上空的東北急流相對應。同時在雷達100～150 km范圍內(3.5～5.6 km高度)，也有一對反方向的正負速度中心，最大速度為17 m/s，同理可判斷對流層中高層有西南急流存在，高低空的這兩對正負速度中心在降雪的過程中一直持續。分析同時刻雷達VAD風廓線(圖8c)發現，鄭州上空已經形成一個中尺度鋒面次級環流，1.2 km高度以下有超低空東北急流存在，最大速度為22 m/s，3.7 km高度以上有西南急流存在，最大速度為20 m/s，這與速度圖上高低空的兩個正負速度對相對應。由于鋒面次級環流的持續發展，西南暖濕空氣在東北冷空氣上持續爬升，產生了暴雪天氣。

圖8　2015-11-23T22：01鄭州站多普勒雷達組合反射率(a)、徑向速度(b， 1.5°仰角)和2015-11-23T22：01—23：00(圖上為世界時)垂直風廓線(c)

7結論

(1)本次回流暴雪過程是由高原淺槽與地面強冷空氣共同影響。地面強冷空氣在對流層低層形成清晰的溫度鋒區，鋒區內鋒生強烈，有利于降雪強度的增強。

(2)近地面自渤海回流到華北平原的冷空氣是干冷的，水汽主要由對流層中層的西南急流輸送。在降水時段850～500 hPa為水汽通量大值區，950～700 hPa為深厚的水汽通量散度負值區，水汽伴隨中高層(800～600 hPa)的西南氣流進入降水區，在強烈的動力輻合作用下，形成暴雪。

(3)流場和溫度場的相互作用造成鋒面次級環流的出現，垂直于鋒區的次級環流是產生暴雪的中尺度系統。動力鋒生是鋒區附近出現超低空東北風急流和700 hPa西南急流的主要原因，是暴雪過程的主要動力機制。

(4)雷達回波圖上，反射率因子覆蓋范圍廣，分布較為均勻，強度多在10～30 dBz，其中有多個30～35 dBz的回波存在。速度圖上中層西南急流和超低空東北風急流的長時間維持造成暴雪。雷達風廓線清晰地反映了暴雪區上空鋒面次級環流的存在。

參考文獻：

[1]河北省氣象局.河北省天氣預報手冊[M].北京：氣象出版社，1987：22-25.

[2]張迎新，候瑞欽，張守保.回流暴雪過程的診斷分析和數值試驗[J].南京氣象學院學報，2006，29(1)：107-113.

[3]周雪松，談哲敏.華北回流暴雪發展機理個例研究[J].氣象，2008,34(1)：18-26.

[4]王迎春，錢婷婷，鄭永光.北京連續降雪過程分析[J].應用氣象學報，2004,15(1)：58-65.

[5]萬瑜，竇新英.新疆中天山一次城市暴雪過程診斷分析[J].氣象與環境學報，2013,29(6)：8-14.

[6]許敏，劉艷杰，王潔，等.廊坊市回流型強降雪天氣及預報指標分析[J].氣象與環境學報，2014, 30(2)：31-37.

[7]孫密娜，易笑園，閆志超，等.渤海西岸降雪過程中偏東風在250 m塔層內的特征分析[J].氣象與環境學報，2013, 29(5)：35-42.

[8]王叢梅，李永占，劉曉靈.河北省南部回流暴雪天氣結構特征[J].氣象與環境學報，2015, 31(3)：23-28.

[9]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理與方法[M].3版.北京：氣象出版社，2000：93-105.

[10]王東勇，劉勇，周昆.2004年末黃淮暴雪的特點分析和數值模擬[J].氣象，2006,32(11)：30-35.

[11]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].氣象出版社，2009：53-54.

文章編號：1006-4354(2016)04-0006-07

收稿日期：2016-02-22

作者簡介：杜麗婭(1983—)，女，漢族，河南濮陽人，學士，助理工程師，從事天氣預報工作。

基金項目：中國氣象局預報員專項(CMAYAY 2016-042)

中圖分類號：P458.121

文獻標識碼：A

杜麗婭. 2015年初冬河南省一次回流暴雪天氣發展機理分析[J].陜西氣象，2016(4)：6-12.