中衛降雪天氣過程成因診斷分析

楊苑　錢倩霞　白春燕

摘 要：利用常規觀測資料、MICAPS實況資料及NCER/NCAR 1x1°逐6h再分析資料對寧夏中衛2017年2月20日區域性大雪、局地暴雪的成因進行了診斷分析。結果表明：此次降雪是在中高緯“兩槽一脊”、“東高西低”的有利降水環流形勢下產生的;在200hPa高空急流輻散場，700hPa低空急流發展強盛，暖濕氣流沿低層冷墊爬升，切變線輻合上升強烈，850hPa東西兩路冷空氣配合華北高壓底后部回流帶來的暖濕空氣，形成氣旋式切變;0℃以下的暖舌，地面錮囚、回流形勢、倒槽系統的綜合配置影響下，非常利于降雪天氣的發生;主要降水時段開始時，高空輻散、低空輻合的不穩定層結及強盛的上升運動為此次降雪過程提供了動力條件和不穩定條件;降水前各層假相當位溫明顯增強或有高能舌存在，南部能量值較高的地區是本次降雪量級較大的區域;而海原南部比濕達到4g·kg-1，也為其暴雪的產生提供了充沛的水汽。

關鍵詞：暴雪;高低空急流;錮囚;回流

中圖分類號：S16

文獻標識碼：A

2016年秋冬季中衛市降水明顯偏少，各地無降水日數超過100d，加之氣溫持續偏高，南部山區各地土壤失墑明顯，旱情形勢嚴峻，對農、牧、林業生產帶來較大的不利影響。2017年2月20日下午—21日上午，中衛市出現了一次明顯的降雪天氣過程，最大降雪量出現在海原縣紅羊鄉，為12.1mm，量級達到暴雪，海原中南部達到大到暴雪量級，沙坡頭區興仁鎮及其以南、中寧東部地區普降大雪。此次區域性大雪、局地暴雪過程，持續時間長、降雪強度大、范圍廣，有效緩解了興仁（含）至海原地區較重的旱情。因此，有必要對此次降雪過程成因及其影響天氣系統發生發展的物理機制進行分析探討，總結當地降雪量級達到大雪、暴雪的指標，為中衛市降雪天氣的預報及防災減災提供一定參考依據。目前，國內科研工作者對其它地區降雪天氣成因及其產生的災害開展了大量有成效的研究[1-5]，有從環流型、水汽場入手的，有從中尺度切變線發生、發展的動力演變特征入手的。寧夏也開展了一些卓有成效的研究，施新民等[6]研究了2006年1月19日寧夏北部暴雪成因;賈宏元等[7]對寧夏2002年初冬一次大暴雪天氣過程成因進行了分析。本文將利用2017年2月20—21日常規觀測資料、MICAPS實況資料及NCEP/NCAR 1x1°逐6h再分析資料，應用天氣動力學理論，參照前輩的研究思路與方法，對此次降雪天氣過程的環流背景、影響系統及物理量場進行綜合分析。

1 實況

2017年2月20日15∶00—21日11∶00，中衛市出現一次明顯的降雪天氣過程，降雪相態為純雪，過程降雪量0.1～12.1mm，沙坡頭區興仁及其以南、中寧東部普降大雪，海原中南部達到大到暴雪量級，其中海原紅羊出現暴雪（12.1mm），其它地區出現小到中雪。此次降雪天氣過程的主要特點是持續時間長、強降雪范圍大。雪量自西至東、自北至南呈階梯式增加，暴雪主要集中在海原南部，有明顯的大尺度系統的天氣背景。根據自動站監測，強降雪主要集中的時段為20日傍晚至夜間（表1）。

2 形勢背景及影響系統分析

2.1 500hPa環流背景

2017年2月19日20∶00，500hPa亞歐中高緯度為“兩槽一脊”形勢，槽分別位于東北平原至華北北部及巴湖北側，脊位于兩槽之間的蒙古國，寧夏處于槽后脊前的西北氣流中，此時溫度場落后于高度場，槽脊發展，經向度增大，華北槽位置變化不大，巴湖北側槽底不斷有冷空氣擴散東移。20日08∶00，南支槽建立，寧夏處于南支槽前的西南氣流。20日20∶00，巴湖北側冷槽東移了10～15個經距，槽前蒙古國為寬廣的近乎平直的西風帶，但槽底部擴散冷空氣由新疆進入我國，另在內蒙東部地區形成一個弱脊，阻擋冷空氣東移，在青藏高原東部上空停滯，導致南支槽更加深厚，且槽前脊后西南氣流加大，暖濕氣流向寧夏輸送強度增強，寧夏仍處于南支槽前的西南氣流中。至此有利于寧夏出現降水的“東高西低”形勢建立。

2.2 700hPa、850hPa影響系統分析

疊加700hPa位勢高度場與流場可以看出，2月19日20∶00，700hPa內蒙西部、寧夏處于一個“歪脖子”高壓脊中，南疆、青藏高原東部有一低壓區，在新疆、西藏、青海交接處形成了一個低渦。但“歪脖子”高壓處于冷平流中，不利于其維持。20日08∶00，歪脖子高壓減弱，移至華北，低壓區向東南移動，范圍增大，南支槽建立，而低渦東移至青海扎陵湖西側，且增強了4hPa。20日20∶00（圖2左），西南低空急流建立，將孟加拉灣的水汽向北輸送，與巴湖北側槽擴散東移的冷空氣在河套西側形成切變。低渦沿東南引導氣流移至寧夏中南部與四川、青海、西藏交界處之間。

從圖2（右）可看出，近地面層上有3股氣流影響寧夏，華北高壓底后部回流帶來的偏東暖濕氣流、從蒙古帶來的西北氣流（西路冷空氣）、華北高壓后部偏東氣流（東路冷空氣）。這3股氣流在甘肅南部、寧夏西吉、涇源西部一帶交匯形成一明顯的氣旋式輻合線。另外20日20∶00，700hPa巴湖北部槽底擴散而來的偏北氣流與來自孟加拉灣的強盛西南暖濕氣流在E105°附近形成氣旋式切變。從流場來看，低層形成了較強的輻合區，而中衛市位于寧夏西部，處于輻合區影響范圍，再加上高層的輻散區，在上空造成了明顯上升運動。

對照圖3來看，850hPa上寧夏處于明顯的暖舌中，且溫度在-4～0℃，而700hPa暖濕氣流是沿低層冷墊爬升，因此此次降雪相態為純雪。

2.3 地面影響系統分析

從圖4可以看出，2月20日20∶00，寧夏處于明顯的錮囚形勢中，倒槽從四川中部延伸到內蒙中部，回流形勢明顯，受前者共同影響，寧夏出現降雪。至21日08∶00，冷空氣侵入寧夏，錮囚形勢崩潰，寧夏處于均壓場中，降雪范圍及量級均顯著減小，直至停止。

2.4 急流

2月20日20∶00 700hPa（圖略），N36.5°以南形成1支風速≥12m·s-1的西南低空急流，甚至部分地區風速達20m·s-1以上，在寧夏南部有氣旋式輻合。該西南低空急流不僅將孟加拉灣水汽不斷向北輸送，為區域性降水提供了持續充足的水汽條件，且提供了上升運動條件。而在200hPa（圖1），有2支強盛的風速≥30m·s-1的高空急流，1支位于青藏高原N33.5°附近，呈東西走向，急流核風速達到70m·s-1以上，另1支位于貝湖至華北、東北地區，呈西北-東南走向的傾斜狀，急流核風速達到60m·s-1以上，寧夏處于2支高空急流包圍的西南風風速較小區域，即夾在青藏高原急流核的左前方與華北東北地區高空急流核的右后方之間。疊加200hPa超過30m·s-1的速度場及散度場，20日08∶00青藏高原急流的前端在E96°，至21日14∶00其東移了18個經度，且急流核南下至N30°附近，終與東北一帶的急流匯合。此時寧夏風速≥30m·s-1，其中惠農石炭井≥35m·s-1。寧夏在30h內一直處于輻散場，尤其在20日20∶00（圖5）中部有一強輻散中心。因此，在2支急流之間的區域存在強烈的輻散上升運動，而對應的低層為輻合上升區，通過高低層環流之間質量與動量的調整，該區域的下方形成1個次級環流，可以促進低層西南急流的形成及上升運動的發展。

綜合以上分析，此次降雪是出現在500hPa中高緯“兩槽一脊”、“東高西低”的有利降水環流形勢下。寧夏處于200hPa高空急流輻散場，700hPa低空急流發展強盛，暖濕氣流沿低層冷墊爬升，切變線輻合上升強烈，850hPa東西兩路冷空氣配合華北高壓底后部回流帶來的暖濕空氣，形成氣旋式切變，且處于暖舌中，而寧夏恰處于0℃以下，地面錮囚、回流形勢、倒槽系統明顯。高低空配置較好，非常利于降雪天氣的發生。

3 物理量場特征分析

3.1 比濕

從圖6可以看出，在降水開始前到開始降水，比濕從底層到高層都有一個逐漸增大的過程，降水開始前比濕500hPa以下均小于2g·kg-1，到2017年2月20日20∶00，850～700hPa比濕為3g·kg-1，700～500hPa比濕為2～3g·kg-1，可見降水開始時從高層到底層一直維持一個深厚的濕層。到21日08∶00后，比濕值慢慢降低到2g·kg-1以下。從700hPa比濕場（圖略）上分析，20日20∶00濕舌覆蓋中衛全市，并且南方的水汽輸送一直維持，海原南部的比濕達到4g·kg-1，為暴雪提供了充沛的水汽保證。

3.2 動力條件

3.2.1 散度和渦度

低層輻合、高層輻散有利于垂直運動的發展。從圖7來看，此次降水中衛市為高層輻散、低層輻合的標準配置。由圖分析，2月20日08∶00降水尚未開始，這種低層輻合高層輻散的配置也尚未完全形成，此后輻合、輻散層逐漸深厚，到20∶00 550hPa以下均成為輻合區，550hPa以上均為輻散區，這種對流層中低層輻合、高層輻散的建立，在垂直方向上形成了較好的抽吸效應，使低層動力輻合作用進一步加強，降水也開始出現并逐步加強。

從渦度變化上（圖略）來看，降水還未開始前即20日08∶00整層還為負渦度，隨著時間推移，負渦度中心和正渦度中心逐步建立，到20∶00在700hPa附近有正渦度中心，而強負渦度區出現在200hPa附近，這也證明降水開始時200hPa存在高空急流與之配合。這種中低層正渦度、高層負渦度結構的穩定維持，加強了高空輻散，低空輻合的不穩定結構，為此次降雪過程提供了動力條件和不穩定條件。并且從渦度的時空分布上來看，20∶00高層南部一直存在1個強的負渦度中心，配合中低層的正渦度中心也正好位于南部，也正是此次降雪南強北弱的原因之一。從中衛渦度時間剖面圖（圖8）來看，20日20∶00，700hPa左右有1個正渦度中心，中心數值達15×10-5·s-1，對應的高層250hPa左右負渦度中心數值達-6×10-5·s-1，這與前面分析的中衛站有利于降雪發生的散度場時間一致。

3.2.2 垂直速度

當水汽條件具備后，還必須有使水汽冷卻凝結的條件，才能形成降水。對降水來說，促使水汽冷卻凝結的主要條件是上升運動。從垂直速度空間剖面圖上（圖9）可以看出，2月20日08∶00降水開始前北部300hPa以下均為上升氣流，南部200hPa以下均為上升氣流;到20∶00剖面圖中顯示，上升氣流有所加強，上升氣流大值區存在于南部地區，這種在南部地區形成的上、下層一致的上升氣流，對南部地區出現暴雪十分有利。

3.3 不穩定能量場

假相當位溫（θse）是表征大氣溫度、壓力、濕度分布的綜合物理量。從2月20日20∶00各層的假相當位溫分布圖（圖10）可以看出，降水前期20日700～500hPa寧夏地區θse明顯增強。850hPa、700hPa上均有一向北凸起的高能舌影響中衛市。500hPa上中衛市則是位于高能量中心附近，中心數值達52℃。200hPa高層的θse值由北自南呈遞增狀態，南部明顯高于北部，北部相對低能區是冷空氣入侵的一個標志，也促使本次降雪的形成。綜合來看，本次降雪過程中衛市自上而下整層均有明顯的能量分布，能量較高的區域是本次降雪量級較大的區域。

4 探空資料分析

從附近的銀川探空站資料（圖11）可以看出，2月20日20∶00銀川站400hPa以下近似飽和，濕層深厚，比濕超過了2g·kg-1，有利于降雪天氣的發生。而700hPa以下出現了低于0℃的逆溫，且與850hPa形勢場上的-4～0℃的暖舌相對應，低層氣溫低于0℃，故而此次降雪相態為純雪。

5 小結

此次區域性大雪、局地暴雪是基于中高緯“兩槽一脊”、“東高西低”的有利環流背景下產生的;高低空急流、切變線、低層0℃以下的暖舌、地面錮囚、回流形勢、倒槽等系統配置較好，極其有利于降雪天氣的發生，且降雪相態為純雪;主要降水時段開始時，海原南部比濕達到4g·kg-1，為當地暴雪的產生提供了充沛的水汽;高空輻散、低空輻合及強盛的上升運動為此次降雪過程提供了動力條件;降水前各層假相當位溫明顯增強或有高能舌存在，能量值較高的地區是本次降雪量級較大的區域;2017年2月2日20∶00銀川站400hPa以下近似飽和，濕層深厚，比濕超過了2g·kg-1，700hPa以下出現了低于0℃的逆溫，可輔助預報此次降雪相態為純雪。

參考文獻

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（責任編輯 常陽陽）