天山兩麓一次極端暴雪天氣多尺度配置及機制分析

于碧馨，洪 月，張云惠，吐莉尼沙，許婷婷，李 娜，阿不力米提·阿布力克木

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

近些年，新疆致災暴雪頻發（新疆暴雪和大暴雪標準分別為日降雪量＞12 mm和24 mm），如烏魯木齊市2014年12月8日、2015年12月11日的暴雪先后刷新了12月的日降雪量歷史記錄[1-5]，此類極端暴雪事件影響面廣，受災程度大，引起社會各界的高度關注。新疆暴雪常在高中低緯度系統及高中低層不同尺度系統相互作用下產生，有復雜的水汽源地（中緯度地中海、里咸海；低緯度阿拉伯海、紅海或波斯灣）、異常水汽源匯結構和強有力的水汽集中機制，而低空急流、低空切變線和輻合線則是大暴雪的主要觸發機制[6-8]。新疆具有“三山夾兩盆”的特殊地形與地貌，不同區域的強降雪又各有地域特點[7]，北疆北部的暴雪多在500 hPa西西伯利亞低槽或冷渦底部緯向強鋒區影響下，地面高壓后部低壓前部的減壓升溫區域內的“暖區暴雪”，低層偏東氣流與西南氣流形成的暖式切變線至關重要[8-9]；天山北坡則是500 hPa西西伯利亞低槽與中亞低槽南北結合的經向強鋒區進入后的“冷鋒暴雪”，低層西北急流有關鍵的動力觸發和地形的強迫抬升作用[1-5]；中亞低渦是造成南疆西部暴雪的重要影響系統，低渦打轉分裂短波東移，同時南疆盆地有冷空氣回流東灌，這種“東西夾攻”形勢則是南疆西部暴雪產生的典型環流配置，而低層偏東氣流是不可缺少的重要成員[10-11]。可見，氣象工作者對于新疆暴雪研究多分布在北疆北部、天山北坡和南疆西部，但對天山兩麓強降雪過程的分析則較少[12]。也有專家提出需要加強對暴雪區的對比分析[7]，深入研究強降雪影響系統的三維精細結構特征以及強降雪發生、發展和維持的物理機制。張家寶等[13]在分析天山兩麓大降水時指出，“里黑海脊迅速發展，烏拉爾南端低槽與中亞低槽結合加深、東移進入新疆”是有利的天氣形勢，但對天山兩麓不同地形條件下的降雪機理、中尺度系統特征以及低空急流在暴雪天氣中的溫濕特性未做詳細分析。

2017年2 月中旬，天山兩麓遭受暴雪襲擊，暴雪對機場航班、交通出行及供暖供電等造成不利影響。本文使用小時降水量分析這次暴雪過程的降雪特點；利用常規觀測及NCEP/NCAR再分析資料（0.25°×0.25°），采用天氣動力學分析方法，對暴雪過程的大尺度環流背景及動力、水汽、熱力條件進行診斷分析，剖析造成此次極端暴雪的多尺度天氣系統配置特征，同時結合逐小時地面加密觀測和FY-2G衛星相當黑體亮溫（TBB）資料分析中尺度特征，總結天山兩麓暴雪預報思路，為提高暴雪落區與強度預報準確率提供參考依據。

1 暴雪過程概況

2017年2月18 日夜間—20日夜間，新疆大部出現降雪，其中伊犁河谷東部、天山北麓大部及天山南麓的局部累計降雪量16站＞12 mm，2站＞24 mm。天山兩麓各有1個暴雪中心：一是天山北麓中部的烏魯木齊，2月19日08時（北京時，下同）至20日08時日降雪量25.3 mm，過程累計降雪量25.8 mm，新增積雪深度29 cm；二是天山南麓阿克蘇地區的沙雅，20日08時—21日08時日降雪量14.7 mm，過程累計降雪量25 mm（年平均降水量47.3 mm）（圖1a）。多地出現極端暴雪，19日石河子市、烏魯木齊市、昌吉州等20個國家觀測站中12站日降雪量破2月歷史極值，20日沙雅突破冬季日降雪極值。此次降雪的特點是過程范圍廣、強降雪落區集中、雪強大、極端性強。

圖1b為天山2麓兩個暴雪中心烏魯木齊站、沙雅站逐小時降雪量。烏魯木齊站強降雪主要集中在19日14時—20日08時。19日18時—20日00時累計降雪13 mm，6 h降雪量已達暴雪量級，其中19日21時、23時和20日00時3個時次雪強＞2 mm/h；沙雅站強降雪主要集中在20日02—20時（較烏魯木齊強降雪晚6 h），其中20日02—05時、10—13時2個時段3 h降雪量分別達7.6 mm和6.3 mm，最大雪強達4 mm/h，說明天山南麓的降雪強度具有短時強降水的特征[14]。

2 環流背景與高低空系統配置

2.1 500 hPa環流背景與影響系統

2月16—17 日降雪前歐亞范圍為“兩脊一槽”，高、中、低緯均有低槽活動，中低緯環流經向度大。南歐地區高壓脊向北發展至60°N，下游新疆至貝加爾湖西側為高壓脊區，西西伯利亞低槽、烏拉爾山南端低槽及伊朗西部低槽氣旋性打通，低槽呈東北—西南向，槽底南伸至30°N以南，588 dagpm線位于20°N附近。這與2015年12月天山北坡極端暴雪天氣過程前期形勢相似[5]。18日20時受到短波槽侵襲，南歐脊衰退，推動伊朗西部低壓槽東移至中亞偏南地區，與烏拉爾山南端的低槽南北向迭加，槽前西南風風速由24 m/s加強至40 m/s。新疆受槽前強西南急流控制，鋒區加強，北疆偏西地區開始降雪（圖2a）。受中亞地形影響，低槽東移至巴爾喀什湖附近時分為兩段且北段移速略快于南段，19日20時北支烏拉爾低槽槽前偏西氣流與南支中亞偏南槽前西南暖濕氣流交匯至伊犁河谷至天山北麓（圖2b）造成該區域的強降雪；而中亞偏南低槽移速緩慢，不斷分裂短波進入南疆，與南疆塔里木盆地東灌的冷空氣，形成“東西夾攻”形勢[17-19]，有利于南疆降水。由于下游脊的阻擋，天山兩麓受低槽前西南氣流持續影響，為產生暴雪提供了有利的環流背景。

圖2 2017年2月500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）和風場

2.2 高低空系統配置與地形影響

19日20時200 hPa西南急流自南疆西部伸至北疆上空，急流核位于北疆，最大風速達52 m/s，天山北麓暴雪區在急流核右側，天山南麓暴雪區在急流入口區右側。700～850 hPa，19日14時北疆中部建立西北急流，急流軸最大風速達26 m/s，天山北麓暴雪區在急流出口區左側強輻合區，受天山山脈地形阻擋，地形強迫抬升作用強。19日20時影響北疆的冷空氣東灌進入塔里木盆地，850 hPa偏東急流中心風速最大達24 m/s（在冬季較為罕見[10]），急流前端伸至阿克蘇地區中部；20日02時冷空氣翻越西天山，700～850 hPa在庫車縣至輪臺縣一線建立10 m/s左右的偏北氣流，天山南麓暴雪區正位于偏北風與偏東風的風向切變及偏東急流前方的風速輻合區。此外，阿克蘇地區海拔高于900 m，有著西北高、東南低的地形，低層偏東急流與地形產生的動力與輻合抬升加劇了降雪強度。地面冷高壓中心沿西方路徑移動，19日08時從中亞南部快速東移北上，20時移至巴爾喀什湖南側，20日02時緩慢東移并加強到1045 hPa，冷鋒在天山北坡受地形阻擋滯留，天山南麓出現明顯翻山風（圖3）。

圖3 2月20日02時天山兩麓暴雪區高低空系統配置和冷空氣路徑圖

天山北麓暴雪是在典型后傾結構的高低空系統配置下產生，地面冷鋒、700～500 hPa低槽隨高度向西北方傾斜；天山南麓暴雪為典型“東西夾攻”形勢，500 hPa低槽分裂短波東移，700～850 hPa偏東急流東灌冷空氣。暴雪區高低空有200 hPa西南急流、500 hPa偏南氣流和700～850 hPa低空急流（北疆西北急流、南疆偏東急流）3支氣流，提供有利的動力條件。

2.3 低空急流及其溫濕特性

低空西北急流與偏東急流的建立分別是天山北、南兩麓強降雪出現和持續的重要條件，很多專家從動力、水汽等物理機制方面將其對降水的貢獻做了深刻剖析[1-5，10-12]，低空急流的風速脈動會導致降水強度的變化，這兩支氣流的溫濕特性也一直是大家討論的熱點。強降水也與地面風向風速的變化有關，地面中尺度切變和輻合有利于降水增強[1-2]。

2.3.1 天山北坡西北急流

圖4a中選取的代表站呼圖壁、昌吉、烏魯木齊3站為西北—東南向分布。天山北麓降雪強度與新疆北部低空西北急流的建立與發展、地面偏北風的增強均有關。19日11時地面冷鋒東移南壓先進入天山北麓，沿天山一帶多站開始由東南風轉為偏北風。19日14時的850～700 hPa塔城地區東部至天山中部西北急流建立，且850 hPa風速＞700 hPa。其攜帶強冷濕平流進入（圖4c），溫度驟降、相對濕度增大至90%（08時轉風向前相對溫度不足50%），地面3 h氣壓上升5～6 hPa、偏北風開始加大。19日20時西北急流東移至北疆中部，風速加大且急流前方的烏魯木齊附近風向轉為偏北風，地面氣壓繼續上升3～4 hPa， 偏北風再次快速加強，00 時達 8～10 m/s。烏魯木齊上空偏北風與天山地形相垂直，地形強迫抬升作用增強。從3站的地面極大風速變化看，2次風速的加強，烏魯木齊均處于偏北風風速輻合點，對應2次雪強加大。19日夜間隨著低空西北急流減弱，降雪趨于減弱。

2.3.2 南疆塔里木盆地偏東急流

圖4b中庫車站位于沙雅北側，為其上游翻山風代表站；鐵干里克站位于沙雅東側，為其上游東灌代表站。天山南麓降雪強度與南疆塔里木盆地低空偏東急流的建立與發展、天山南麓翻山偏北氣流的建立及地面偏東風的增強均有關。19日08—17時南疆塔里木盆地被中心強度為1005 hPa的熱低壓控制。19日14時低層冷空氣東灌進入盆地東部，且850 hPa偏東風強于700 hPa。19日20時低空偏東風增強為急流，對應地面鐵干里克偏東風極大風速也增至12m/s。偏東急流攜帶著冷濕空氣西伸，相對濕度＞70%（圖4d）。同時冷空氣也開始從阿克蘇西北部翻山進入盆地，地面庫車偏北風極大風速從3.3 m/s增大至14.9 m/s，沙雅也受到翻山風影響轉為偏北風且風速加大。20日02時700 hPa沙雅轉為東南風，與天山南麓地形幾乎垂直，增強了地形強迫抬升。東灌冷空氣也進一步加強，850 hPa偏東急流達24 m/s，沙雅位于急流前方且地面轉為偏東風，與庫車偏北風形成風向輻合。此時500 hPa由偏西風轉為西南風，偏南暖濕氣流在低空冷墊上爬升，對應沙雅雪強連續2 h在2.5～3.0 mm/h。20日08時850 hPa阿克蘇地區東部有偏東風與偏北風的風向切變，700 hPa東南風與阿克蘇西北部天山地形輻合，使得強降雪持續。從3站的地面極大風速值來看，2次雪強的增強，沙雅均處于偏東風與偏北風的輻合點且有地面極大風速的增大。隨著低空偏東急流減弱，降雪趨于減弱。

圖4 2017年2月19—20日天山兩麓暴雪中心及其周圍各代表站地面極大風速和其上空850 hPa、700 hPa風速隨時間變化（a、b，黑色箭頭處為強降雪時段，紅色箭頭處為風速加大時段；單位：m/s）和2017年2月17日08時—21日08時風場（單位：m/s）、溫度場（紅色虛線，單位：℃）、相對濕度（綠色陰影區，單位：%）沿 44°N，87.5°E 剖面（c）和 41°N、83°E（d）時空剖面

3 水汽特征

3.1 水汽源地與輸送路徑

分析整層及各層的水汽通量表明，此次暴雪水汽源地主要位于阿拉伯半島西側的紅海和伊朗高原西南側的波斯灣至阿拉伯海北部一帶。紅海的水汽沿著偏西氣流經波斯灣—阿拉伯海加強后，隨中亞低槽前西南氣流輸送至新疆，同時有由北支槽前偏西氣流接力輸送的里海至咸海水汽補充。強的西南水汽與偏西水汽合并送入北疆，水汽通量最大達10～15 g/（cm·s），部分水汽又沿著偏東氣流灌入南疆盆地，而這支最大則不足10 g/（cm·s）。水汽通量大值區沿著850～400 hPa主要氣流方向輸送至新疆。18日600～400 hPa有紅海—波斯灣—阿拉伯海的水汽向新疆西北部輸送，暖濕水汽主要沿著中亞低槽前西南氣流北上，同時部分水汽繞過帕米爾高原，與烏拉爾槽前攜帶的偏西水汽匯合。19日08時天山北麓有偏西風與西南風的水汽通量矢量輻合（圖5a）。19日14—20時以西南水汽輸送為主且強度加強，水汽通量中心值達4～6 g/（hPa·cm·s），輸送至天山兩麓。850～700 hPa里海至咸海的偏西路徑水汽到達巴爾喀什湖后接力輸送至新疆，先沿低空西北急流到達天山北麓上空，后沿偏東急流進入南疆盆地。19日20時偏北風和偏東風的水汽通量開始向天山南麓暴雪區輸送（圖5b），20日02時塔里木盆地偏東急流攜帶水汽輸送加強，天山南麓大部分地區水汽通量達4～6 g/（hPa·cm·s）。可見，降雪前600～400 hPa有西南氣流水汽輸送，850～700 hPa水汽輸送強度則在降雪前6 h增大，進入新疆后低層偏西水汽輸送強于中層西南水汽輸送。

3.2 水汽輻合機制

圖5c、5d為水汽通量和水汽通量散度分別沿暴雪中心烏魯木齊站和沙雅站的時間高度剖面。19日08—20日08時烏魯木齊上空從近地面至700 hPa存在水汽輻合，最強輻合出現在19日20時、850 hPa附近，水汽輻合中心值＜-35×10-6g/（hPa·cm2·s）。19日 20—20日 20時沙雅上空 850～700 hPa存在水汽輻合，最強輻合出現在20日02—11時、850～750 hPa，水汽輻合中心值＜-25×10-6g/（hPa·cm2·s）。說明低層偏西水汽進入北疆后，沿著低空西北急流向著天山北麓快速集中并輻合，后又沿著低空偏東急流進入南疆盆地，在偏東急流和天山南麓阻擋下輻合抬升，同時也能發現低層水汽貢獻高于中層。

圖52017 年2月19日水汽通量（a為08時500 hPa，單位：g/（hPa·cm·s）；b為20時850 hPa，單位：g/（hPa·cm·s））和18日08時—21日08時水汽通量（矢量，單位：g/（hPa·cm·s））與水汽通量散度（陰影區，單位：10-6g/（hPa·cm2·s））時間高度剖面（c為烏魯木齊站；d為沙雅站）

4 天山兩麓暴雪中心中尺度特征

4.1 溫濕及垂直運動剖面結構

4.1.1 天山北麓暴雪中心——烏魯木齊

17—18日700 hPa以下天山北麓存在逆溫，烏魯木齊維持陰霧天氣。分析暴雪區假相當位溫和比濕剖面變化表明，18日14時近地面至700 hPa垂直梯度比18日08時大，形成能量鋒區，位勢不穩定性加強直至19日08時。 19日14時隨著低空西北急流進入，逆溫層破壞，700 hPa以下垂直梯度開始減小，釋放位勢不穩定能量，暴雪中心（43.5°N附近） 比濕增大至2.5 g/kg。19日20時600～500 hPa暖濕氣流沿低空冷墊爬升，使得鋒區在700～500 hPa加強且隨高度向北傾斜。700 hPa以上鋒區等值線明顯上凸，說明此處冷濕氣流更強，近地層比濕最大達3 g/kg（圖6a）。

分析19日20時暴雪中心烏魯木齊（44°N，87.5°E）垂直環流和垂直速度的剖面可以看到，43.5°～44.5°N、86.5°～88.5°E 500 hPa 以下為強上升運動（圖6b），這一區域也正好是天山北麓低空西北急流的位置，可見地形強迫對中尺度垂直上升運動的強化作用。西北急流受天山阻擋強迫爬升，到600～500 hPa分為2支，一支在烏魯木齊上空與500 hPa西南氣流形成一弱中β尺度次級環流圈，一支在天山山頂形成另一中β尺度次級環流圈。地形強迫的次級環流為暴雪提供了中尺度上升運動[1]。19日20時850～700 hPa烏魯木齊附近最強上升運動，垂直速度值超過17×10-2m/s，山脈兩側的上升運動均強于山頂，這是烏魯木齊降雪最強的原因。

4.1.2 天山南麓暴雪中心——沙雅

19日沙雅高氣溫升至10～13℃，20時700 hPa溫度驟降至-4℃左右，地面溫度降至2℃以下，開始降雪。分析暴雪中心沙雅附近假相當位溫和比濕剖面發現，19日20時θse在41°N附近近地面為320 K的高值中心，42°N附近山坡上由于冷空氣翻山有304 K的低值中心，沙雅站近地面至700 hPa存在強的對流不穩定（圖 7a）；700 hPa 比濕達3 g/kg。20日02時強降雪開始，沙雅低層比濕增大至3.5 g/kg，受低層輻合及地形強迫抬升觸發，對流不穩定能量被釋放，使得沙雅站上空轉為304 K的低值中心，但40°N附近仍存在弱的對流不穩定。

從 20日 02時暴雪中心沙雅站（41°N，83°E）經向與緯向的垂直環流和垂直速度剖面來看，在41°N附近為中尺度垂直上升運動，與500 hPa西南氣流匯合，在沙雅北部形成中β尺度次級環流圈，天山南麓強上升運動位于沙雅站上空，垂直速度達5×10-2m/s（圖7b）。可見，天山南麓的暴雪對流性更強，但系統性動力作用小于天山北麓暴雪區。

圖6 2017年2月19日20時假相當位溫（a，實線，單位：K，）、比濕（a，虛線，單位：g/kg）和合成風場（b，流線，單位：m/s）與垂直速度（b， 彩色區，單位：10-2m/s，）沿 87.5°E 垂直剖面

圖7 2017年2月19日20時假相當位溫（a，實線，單位：K，）、比濕（a，虛線，單位：g/kg）和20日02時合成風場（b，流線，單位：m/s）與垂直速度（b，彩色區，單位：10-2m/s，）沿 83°E 垂直剖面

4.2 中尺度云團特征

2月19日19 時—20日02時，影響天山北麓暴雪的是TBB≤-48℃的中-β云團A、TBB≤-52℃的中-β云團B和TBB≤-52℃的中-α云團C。19日20時隨著中緯度強鋒區進入及地面冷鋒快速進入，天山中部上空的中-β云團A和B隨著引導氣流東移北上，云團C在21—22時猛烈發展為TBB≤-52℃的中-α云團（圖8a），19日23時至20日02時東移影響天山北麓暴雪（圖8b）。中尺度云團A、B、C先后東移，對應烏魯木齊6 h降雪量達16.2 mm，且小時雪強超過2 mm/h，烏魯木齊均位于3個云團的北至東北側TBB等值線梯度最大區。

2月20日02 —05時和11—14時，影響天山南麓暴雪的為TBB≤-60℃的中-α云團 D和TBB≤-44℃的中-β云團E、F、G。 20日02時隨著東灌冷空氣進入盆地以及高空短波槽東移，天山南麓上空有TBB≤-60℃的中-α云團D緩慢東移（圖8a，8b），對應天山南麓出現強降雪，沙雅02—05時降雪達7.4 mm。11—14時先后有3個TBB≤-44℃的中-β尺度云團連續在阿克蘇地區東北部生成、發展和消亡，兩段強降雪期間沙雅均位于4個云團的西南側TBB等值線梯度最大區。

圖8 2017年2月20日02時（a）、03時（b）分辨率為0.1°×0.1°的逐小時FY-2G紅外云圖TBB演變

5 結論

（1）此次天山兩麓極端暴雪過程是在500 hPa南歐高壓脊衰退、烏拉爾低槽與中亞偏南低槽結合后分段東移的環流背景下，低槽在中亞地區加強、南伸，北支槽前偏西氣流與南支槽前西南暖濕氣流交匯，造成天山北麓暴雪，高低空系統配置呈典型后傾結構；南支低槽分裂短波東移，與700～850 hPa偏東氣流東灌冷空氣“東西夾攻”，造成天山南麓暴雪。暴雪區200 hPa西南急流、500 hPa偏南氣流和700～850 hPa低空偏東急流3支氣流是重要天氣系統。

（2）影響天山北麓暴雪的低空西北急流為冷濕氣流，其風速的增大比降雪的增強提早12 h，且風速最大時雪強最大；影響天山南麓暴雪的低空偏東急流也為冷濕氣流，比降雪提前6 h出現，其風速與地面極大風速幾乎同時增大，近地面至對流層低層均存在輻合。

（3）暴雪主要水汽輸送通道在850～400 hPa，降雪前中層600～400 hPa有西南水汽輸送，低層850～700 hPa水汽輸送強度則在降雪前6 h加大，進入新疆后低層偏西水汽輸送強于中層西南水汽輸送，水汽通量最大達4～6 g/（hPa·cm·s），水汽輻合主要在850～700 hPa。

（4）天山兩麓暴雪中心中尺度特征差異明顯，烏魯木齊降雪前位勢不穩定性加強，而低空西北急流在天山北麓的地形強迫強化了中尺度垂直上升支和次級環流圈，并釋放位勢不穩定能量，地形對暴雪有增幅作用；沙雅降雪前有明顯的對流不穩定，東灌與翻山冷空氣和其地形產生的低層質量輻合形成中尺度垂直上升支，維持次級環流圈，觸發并釋放對流不穩定能量，對流性更強，而系統性動力作用小于烏魯木齊暴雪的。

（5）中尺度云團是造成天山兩麓暴雪的直接影響系統。天山北麓暴雪是受中緯度強鋒區上東移的2個中-β云團和1個中-α云團影響，而天山南麓暴雪主要受緩慢東移的1個中-α云團和3個中-β云團影響，強降雪期間暴雪中心均位于云團TBB等值線梯度最大區。