烏魯木齊“12·27”高影響大暴雪天氣綜合分析

王 健，宮恒瑞，賈 健，蔣慧敏，張月華

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

烏魯木齊地處亞歐大陸腹地、天山中段北麓、準噶爾盆地南緣，三面環山，地形復雜，暴雨雪、大風、干旱、陰霧等氣象災害時常發生[1]。作為內陸城市，烏魯木齊氣象災害的季節性非常明顯[2]，暴雪和強降雪是冬半年最主要的氣象災害之一，常給民航運輸、城市交通、通信、電力、建筑和樹木等帶來危害。莊曉翠等[3]和張云惠等[4]指出北疆沿天山一帶是北疆強降雪4 個高發區之一，其中烏魯木齊暴雪災害位居全疆第二，平均每年2 次。2017 年12 月27—28 日烏魯木齊出現了26.5 mm 的大暴雪，新增積雪27 cm，給城市交通、民航運輸和公眾生活等造成了嚴重的危害。據不完全統計，這場大暴雪造成以下災情：各類交通事故激增，當日晚高峰（18：00—21：00）城市交通幾近癱瘓；出港航班延誤26 班，進港航班備降9 班，返航2 班，進出港共取消31 班；迫于大暴雪對交通的嚴重影響和積雪清運壓力，市教育局首次做出“全市中小學生28 日停課一天”的決定。

暴雪預報是氣象臺中高緯預報的重要內容和預報難點之一[5]，氣象工作者一直在為此努力。20 世紀90 年代以前，張家寶、張學文等[6-8]分析研究了新疆大降水的時空分布特征、環流背景、主要影響系統以及水汽源地和輸送路徑等，為新疆暴雪天氣分析預報提供了重要參考。近年來，新疆多地多次發生影響極大的暴雪天氣，氣象工作者利用新資料和新方法做了很多深入研究，為暴雪天氣分析預報提供了新思路和新技術。崔彩霞等[9]針對北疆暴雪做了全面的天氣學分析，明確了北疆暴雪的主要影響系統、中尺度環境場特征和地形在暴雪天氣中的增幅作用等。李如琦等[10]指出螺旋度對新疆暴雪天氣的發展、維持、強弱和落區的預報有一定的指示意義，為暴雪預報提供了新視角。萬瑜等[11]對暴雪天氣的多種物理量做診斷分析，得出暴雪發生發展的水汽、動力和熱力條件，指出地形和城市化效應是降雪量增大的重要原因；李霞等[12]評估烏魯木齊風廓線雷達探測能力中指出，烏魯木齊城區三面環山的迎風坡地形和風場作用，使得城區降水量常大于周邊區域；張俊蘭等[13]認為在極端環流背景下，高中低層4 支氣流的配合以及充沛的水汽輸送和較好的動力條件是烏魯木齊極端暴雪發生的根本原因；張云惠等[14]指出烏魯木齊極端暴雪是低空西北急流與中高層西南急流疊加并維持的背景下，多個中小尺度系統共同作用產生的，風廓線雷達資料對暴雪短臨預報有很好的參考價值。

本文通過全面分析烏魯木齊2017 年12 月27日高影響大暴雪天氣的環流演變、動力和水汽條件以及兩類雷達的監測事實等，找尋烏魯木齊大暴雪、強降雪發生發展的必要條件，提升對烏魯木齊大暴雪、強降雪天氣的預報能力。

1 大暴雪天氣實況

2017 年12 月27 日午后至28 日凌晨，烏魯木齊轄區相繼出現了降雪天氣：除達坂城區為小雪外，其余區域均為暴雪以上量級（圖1a）；其中最大降雪落區在城區，24 h 降雪量為26.5 mm，達大暴雪量級，同時新增積雪厚度達27 cm。

烏魯木齊城區 27 日 16：05 開始降雪，28 日 05：05 結束，降雪持續 13 h；其中 27 日 17：00—28 日00：00 的7 個時次的小時雪強均超過2 mm，小時新增積雪深度均＞2 cm（圖1b），上述7 個時次是大暴雪天氣的強降雪時段；27 日 18：00—20：00 城區強降雪伴4 級西北陣風，部分區域出現風吹雪，能見度為 393～424 m。

2 大尺度環流背景

2.1 高空形勢演變

2017 年12 月下旬前中期，500 hPa 歐亞范圍內為兩脊一槽經向環流，歐洲和貝加爾湖地區為強盛的高壓脊區，烏拉爾山為深厚的低壓槽區；26 日08：00—20：00，歐洲和貝加爾湖高壓脊向北伸展，烏拉爾大槽向南加深，槽底西風鋒區在咸海南部增強；27 日08：00（圖2a），歐洲高壓脊受短波槽侵襲，向東南方向衰退，推動烏拉爾大槽東南移到咸海至巴爾喀什湖一帶，形成中亞低槽，槽前西南氣流進一步增強，在中亞至新疆西部形成5 個緯距10 根等壓線的強西南鋒區，伊犁地區開始降雪。此后，中亞低槽逐漸進入新疆，北疆各地相繼降雪，烏魯木齊城區16：05開始降雪；27 日20：00，上游高壓脊進一步衰退，中亞低槽整體進入新疆，強鋒區控制北疆，北疆大部降雪持續、烏魯木齊進入強降雪時段；受到貝加爾湖高壓脊阻擋，低槽移速放緩，烏魯木齊降雪持續至28日 05：05。

700～850 hPa 槽脊系統的演變與同時期500 hPa的基本一致，但位置超前，可見中亞低槽具有后傾結構，與烏魯木齊“2015·12·11”極端暴雪的影響系統類似[13]。12 月 26 日 20：00，700 hPa 庫爾勒至烏魯木齊之間有偏西風和東南風的切變，850 hPa 北疆有風場輻合，中低層風場切變和輻合促進該區域上升運動的發生發展；27 日08：00，中亞低槽進入新疆西部，700 hPa 槽前偏西氣流控制北疆，烏魯木齊氣溫由-2 ℃升至3 ℃、溫度露點差由36 ℃降至23 ℃，增溫增濕明顯，此時850 hPa 北疆處于暖區且盛行偏東風，中低層的暖濕氣流和偏東風為暴雪區提供了熱力和水汽條件；27 日20：00 在 700 hPa 庫爾勒至烏魯木齊有偏南風和偏北風輻合，烏魯木齊的溫度和溫度露點差分別降為-15 ℃和2 ℃，850 hPa 冷高壓控制北疆，等溫線密集區控制北疆沿天山一帶、強鋒區位于該區域，烏魯木齊上空為18 m/s 的偏北風。

圖1 2017 年12 月27—28 日烏魯木齊轄區降雪量分布（a，單位：mm）和烏魯木齊城區逐小時降雪量和新增積雪（b）

2.2 地面形勢演變

2017 年12 月下旬中期，地面高壓在黑海地區生成后，中心沿著 40°N 不斷東移。27 日 02：00 高壓東移到咸海南部，中心值1035 hPa，長軸呈準東西向，高壓前部有冷鋒鋒生；08：00 高壓中心強度加強為1040 hPa，高壓區范圍明顯增大，高壓前部冷鋒進入伊犁地區，當地開始降雪；14：00—17：00 高壓整體東移，冷鋒進入北疆沿天山一帶并維持，當地自西向東相繼降雪降溫，烏魯木齊城區16：05 開始降雪；隨后，受天山山脈阻擋，冷鋒移速緩慢，至28 日05：00 冷鋒移出，烏魯木齊降雪結束。

環流演變顯示，烏魯木齊大暴雪的影響系統是中亞低槽，該系統進入新疆后，受貝加爾湖高壓脊的阻擋，移速減緩，致烏魯木齊降雪時間長、累積量大。降雪前烏魯木齊中低層增暖增濕，降雪時的風場輻合和吹向天山山脈的偏北風，為大暴雪提供了大尺度的熱力、水汽和動力條件。地面冷高壓和冷鋒沿著利于北疆大降水的偏西路徑[4]進入新疆，受天山山脈的阻擋和烏魯木齊城區三面環山地形抬升，水汽聚合、上升運動增強，致烏魯木齊城區雪強強且累積降雪量大于周邊。冷鋒影響烏魯木齊時間與該站降雪起止時間對應較好。

圖 2 2017 年 12 月 27 日 20：00 500 hPa 高空形勢（a，單位：dagpm）和天氣系統綜合分析（b）

2.3 高低空系統配置

27 日 17：00—28 日 00：00 為強降雪時段。利用12 月27 日20：00 烏魯木齊高低空和地面天氣系統綜合圖（圖2b），分析強降雪發生時烏魯木齊周邊有利的環境場條件。200 hPa 烏魯木齊位于高空西南急流右側，急流的抽吸有助于大尺度上升運動增強和維持，增加大氣不穩定性和水汽持續輸送。500 hPa 上位于槽前＞24 m/s 的西南急流軸上，進一步增強烏魯木齊上升運動的同時，把中低層充沛水汽持續輸送到高層。700～850 hPa 在偏北急流帶上，偏北風吹向天山山脈，在平均高度4 km 的準東西向天山山脈的迎面阻擋下，偏北急流加強并延長了中低層上升運動和水汽匯聚，利于降雪強度增強、時間延長。地面上處于準東西向的冷鋒中，增強和維持地面上升運動，加強地面水汽匯聚輸送。

3 水汽和動力條件

3.1 水汽輸送路徑

水汽條件是產生大暴雪必不可少的重要條件。本文利用NECP1°×1°每6 h 一次再分析資料分別計算500 hPa 和700 hPa 的水汽通量，結合同層風場資料，分析大暴雪天氣水汽輸送的主要路徑。500 hPa上（圖3a），水汽由黑海輸送到里海和咸海北部，再由中亞低槽將水汽接力輸送至新疆，同時還有來自于波斯灣的水汽補充。700 hPa（圖3b），黑海水汽輸送到烏拉爾山地區后，再由偏西氣流經咸海把水汽輸送到新疆北部。上述兩條路徑輸送的水汽在中天山北坡匯聚。

綜上，大暴雪的水汽源地是黑海、里海和咸海，由中亞低槽和偏西氣流輸送至新疆，在中天山北坡匯合，烏魯木齊位于水汽匯合區中心附近。

分析 27 日 08：00—28 日 08：00 烏魯木齊附近整層水汽通量散度時間—高度剖面圖（圖4），27 日11：00 后烏魯木齊附近700 hPa 以下均為水汽輻合區，輻合大值區集中在 850 hPa 高度；27 日 20：00—28 日02：00 強降雪時段，水汽通量散度持續大于4×10-5g·（cm2·hPa·s）-1。上述說明烏魯木齊大暴雪的水汽主要來自于700～850 hPa。

3.2 動力條件

3.2.1 地面冷鋒和上升運動

圖 3 2017 年 12 月 27 日 20：00 水汽通量和風場

圖4 烏魯木齊附近水汽通量散度時間—高度剖面

利用烏魯木齊假相當位溫θse高度—時間演變（圖5）分析大暴雪前后冷鋒演變特征。12 月27 日14：00 后烏魯木齊附近冷空氣接地，并出現上凸高能舌，等θse線梯度明顯增大，冷鋒到達烏魯木齊站。至 28 日 02：00，600 hPa 以下等 θse線與地面垂直，等 θse線密集帶從地面延伸至 300 hPa。28 日 05：00 之后，高空至地面等θse線轉為一致下凸，冷鋒鋒消，降雪結束。冷鋒在烏魯木齊站維持約12 h 且伸展高度高，上升運動因鋒面抬升得以維持和增強，可見地面冷鋒為大暴雪的發生提供了持續的大尺度上升運動。

3.2.2 散度和垂直運動

由大暴雪前后烏魯木齊附近上空散度（圖6a）和垂直速度（圖6b）的時間—高度剖面圖可知，26 日20：00 前烏魯木齊上空整層散度值較小，27 日 08：00在 850 hPa 以下出現負散度，至 20：00，700 hPa 以下負散度加強為-2×10-5/s，700～300 hPa 為深厚正散度區、中心值＞3×10-5/s。28 日 02：00 后整層轉為負散度為主。對應上升運動變化，27 日08：00 之前整層為弱下沉運動，之后整層迅速轉為上升運動，且上升速度逐漸增大，27 日 20：00 前后，在 600 hPa 附近出現最大上升速度8×10-2m/s，整層上升運動維持至28 日02：00，隨后開始減小。整層上升運動的起止時間和峰值時段與烏魯木齊降雪起止時間、強降雪時段基本對應。

圖5 大暴雪前后烏魯木齊假相當位溫θse（單位：K）高度—時間演變

降雪起止時間與中低層輻合、高層輻散及上升運動起止時間較為一致；整層上升運動大值時段與強降雪時段相對應。中低層輻合、高層輻散加強了暴雪區的上升運動，為增大降雪強度提供了有利的動力抬升。

4 烏魯木齊雷達資料分析

4.1 天氣雷達產品

4.1.1 組合反射率因子

大暴雪過程烏魯木齊新一代天氣雷達的組合反射率探測顯示，12 月 27 日 15：00 前，烏魯木齊上游15 km 處存在大片 15～20 dBZ 回波，對應有降雪，此時烏魯木齊站回波很弱，無降雪；15：46（圖 7a），＞15 dBZ 回波進入烏魯木齊，出現降雪；16：00—21：00（圖7b），受影響系統移速放緩影響，烏魯木齊周邊15～20 dBZ 層狀云回波維持，降雪持續并增強；21：00—23：00（圖 7c），上游 20 dBZ 較強片狀回波東移并演變為西北—東南向的較強回波進入烏魯木齊，20～25 dBZ 回波滯留，烏魯木齊出現強降雪，22：00—23：00 小時雪強達 3.2 mm；28 日 00：00—04：00，烏魯木齊附近回波持續減弱、范圍縮小，降雪減弱趨停。回波強度演變和移動與烏魯木齊降雪的起止時間、強度變化一致。

圖6 12 月26—28 日烏魯木齊附近上空散度（a）和垂直速度（b）時間—高度剖面

4.1.2 徑向速度

烏魯木齊新一代天氣雷達2.4°仰角徑向速度場上，降雪前，零速度線為“S”形，風向隨高度順轉，測站上空有暖平流，熱力條件較好，低層東南風，高層西北風，負速度區有牛眼且產生了速度模糊，正速度區牛眼結構顯示不完整，但出現了速度模糊，說明風速隨高度先增后減，中層西北急流出現。27 日16：00（圖8a），零速度線“S”形曲率減小，暖平流和西北急流繼續維持，3 km 高度處有低空西北急流，風隨高度逆轉，中低層有冷平流；降雪持續期（圖8b），零速度線演變成“一”字形，整層一致為西北風，牛眼結構仍存在，中層高層存在速度極大值。降雪減弱趨停期（圖8c），整層仍為西北風，風速減小，牛眼結構范圍縮小。

大暴雪過程中，烏魯木齊附近以層狀云回波為主，回波最強達25 dBZ，最強回波與強降雪時段較吻合。徑向速度上，降雪增強期，零速度線由“S”形變為“一”字形結構，風速隨高度先增后減，風向隨高度逆轉有冷平流，3 km 高度西北急流維持；整層西北風風速減小，降雪減弱趨停。

4.2 風廓線雷達

風廓線雷達可以連續監測測站上空的水平風場和大氣折射率結構常數（Cn2）等，具有較高的時空分辨率，對降水預報具有較好的指示意義。

水平風場上（圖 9），27 日 10：30 探測高度由之前的3000 m 迅速抬升到7500 m，且降雪期間維持在 6500～7500 m；12：00 前 500 m 以下湍流明顯，500～1500 m 為東南風，1500 m 以上為西南風，低層有暖平流；12：00 后500 m 以下轉為西北風，冷空氣從底層楔入，暖濕空氣被抬升；15：00 西北風增強到20 m/s，暖濕空氣沿鋒面不斷抬升，半小時后降雪開始；隨后西北—東南風的切變廓線抬升，17：00 抬升至4000 m，降雪持續期此高度維持。27 日14：00 在7500 m 出現＞20 m/s 的高空西南急流，800~1200 m 出現＞12 m/s 的低空西北急流，兩支急流維持至強降雪結束。

圖7 12 月27 日烏魯木齊新一代天氣雷達組合反射率因子（單位：dBZ）

圖8 2017 年12 月27—28 日烏魯木齊新一代天氣雷達2.4°仰角的徑向速度（單位：m·s-1）

圖9 烏魯木齊風廓線雷達2017 年12 月27 日08：00—22：30 逐0.5 h 水平風實況（單位：m/s）

降雪前5 h，烏魯木齊增濕明顯、探測高度突升且維持至降雪結束。冷空氣從底部楔入，暖濕空氣被迫抬升，烏魯木齊上空高、低空急流建立和維持，對應降雪的起止時間，充分印證低空西北急流是大暴雪天氣的觸發因子之一。

大氣折射率結構常數（Cn2）反映了測站上空大氣中水汽的豐欠，其值增大表示大氣中水汽增加，對降水起止時間和強度的預報有較好的參考價值。烏魯木齊風廓線雷達 2017 年 12 月 27 日 11：00—22：30逐 0.5 h 的 Cn2監測（圖 10）可見，27 日 16：00 降雪前，Cn2＜-140 dB；16：00 降雪開始后 Cn2迅速增大并維持在-140～-120 dB，28 日 06：00 降雪結束后 Cn2快速減小到-140 dB 以下，其中強降雪時段4 km 以下＞-128 dB。可見，Cn2＞-140 dB 接地的時間與降雪起止和持續時間較為一致，4 km 以下＞-128 dB 是強降雪的必要條件之一。

圖10 烏魯木齊風廓線雷達2017 年12 月27 日11：00—22：30 逐 0.5 h 的實況（單位：dB）

5 結論

2017 年12 月27—28 日烏魯木齊出現大暴雪，期間伴有7 h 強降雪并形成雪阻，對民航運輸、城市交通和生產生活產生了嚴重影響，是一次高影響大暴雪天氣，通過綜合分析，得出以下結論：

（1）大暴雪天氣的影響系統即中亞低槽和地面冷鋒在下游高壓脊和天山山脈的阻擋下東移緩慢，影響北疆沿天山一帶時間延長，是烏魯木齊降雪時間長，累積量大的有利背景。

（2）烏魯木齊位于200 hPa 西南急流右側，500 hPa槽前西南急流軸上，高層輻散、低層輻合，地面冷鋒維持以及迎風坡地形抬升，共同增強上升運動，加大降雪強度，是強降雪發生的動力條件。

（3）大暴雪的水汽源地是黑海、里海和咸海，由中亞低槽（西南路徑）和偏西氣流（偏西路徑）接力輸送至新疆，在中天山北坡匯聚；水汽輸送以700～850 hPa 為主，其中 850 hPa 水汽通量散度＞4×10-5g·（cm·2hPa·s）-1與強降雪時段相對應。

（4）天氣雷達上，回波強度演變與降雪起止時間和強度對應較好，＞2.0 mm/h 強降雪時段，回波強度維持在20～25 dBZ，具有弱對流性，回波強度對降雪強度預報具有很好的參考意義。

（5）風廓線雷達的探測高度抬升表明濕度在增加，當探測高度升至8000 m 后5 h 左右降雪開始，當＞2.0 mm/h 強降雪發生時 4000 m 以下 Cn2＞-128 dB，這些指標可用于烏魯木齊降雪開始時間和強度的短臨預報。