2018年10月烏魯木齊暴雪過程鋒面分析

李 娜，李如琦，秦 賀，于碧馨，趙鳳環

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

暴雪是新疆的主要災害天氣之一。近些年來，國內學者在對降雪天氣診斷分析中發現，鋒面是暴雨雪常見的天氣系統之一，鋒面活動中伴有鋒生（消）現象，鋒生函數作為一個綜合性的物理量，既考慮了大氣的動力特征也考慮了熱力特征，函數大值區與鋒區位置重合，可作為診斷鋒面強度及時空分布特征的重要指標[1-2]。楊金錫等[3]用梅雨鋒生函數公式計算了1981年淮河流域一次靜止鋒的生消演變過程，指出鋒生函數大值帶與降雨區配合較好，鋒生大值帶中也存在多個強中心，鋒生過程在降雪天氣中具有重要作用[4-6]。對于鋒生動力的研究，朱乾根[7]認為，鋒生造成水平位溫梯度隨時間增加，使得熱成風平衡破壞，根據地轉偏差與加速關系，形成垂直于鋒區中暖區上升、冷區下沉的次級環流，勵申申等[8]對梅雨鋒暴雨過程的診斷分析，認為1991年7月暴雨過程中鋒生環流為熱力正環流，它與低空急流出口區的橫向反環流合并加強了低層上升運動，高空反環流與低層梅雨鋒橫向環流疊加形成的深厚上升運動是有利的動力學條件。目前，對于新疆暴雪的研究也表明，高低空急流、強鋒區、強輻散抽吸及充足的水汽是導致暴雪的必要條件[9-16]，劉晶等[17]對新疆暴雪天氣中鋒生、鋒面特點進行研究，張淑芬等[18]利用假相當位溫和鋒生函數分析冷暖鋒的垂直結構，陳濤等[19]也指出北疆大暴雪過程中地形前暖平流增強伴有清楚的鋒生。前期研究為探究新疆鋒面暴雪提供了思路和方法，但對鋒生過程、鋒面結構的認知仍較匱乏。2018年10月17日13時—18日18時（北京時，下同）烏魯木齊出現了累計降水量35.5 mm的罕見大暴雪天氣，鋒生過程明顯，本文將借鑒前期研究方法和思路，利用常規觀測、NCEP/NCAR再分析資料并結合風廓線雷達觀測資料的應用，對此次大暴雪的鋒生、鋒面結構的演變特征進行診斷，分析鋒生過程中的動力和水汽條件特征，以期提高對新疆冷鋒暴雪的認識，為實際預報提供參考。

1 資料方法及降雪實況

1.1 資料方法

本文使用2018年10月17—18日常規觀測資料、0.25°×0.25°NCEP/NCAR每日4次再分析資料，計算暴雪過程中的溫度平流、垂直運動、鋒生函數及假相當位溫等要素，分析暴雪天氣中冷鋒強度演變及垂直結構、垂直環流等特征，并結合風廓線雷達中（工作頻率1280 MHz，波長0.234 m，最大探測高度3～6 km）風、相對濕度的精細觀測資料總結鋒面特征判識。

鋒生是指鋒區內溫度或位溫梯度增強的過程，通常定義鋒生函數為：

F＞0 時鋒生，F＜0 時鋒消[18]。

1.2 降雪實況

2018年10月17 日13時—18日18時，烏魯木齊出現首場雨轉雪天氣，主城區累計降水量為35.5 mm（圖1a），最大積雪深度20 cm。17日13時開始降雨，很快轉為雨夾雪，17時后轉雪，至18日18時降雪結束，17日20時—18日20時日降水量為26.1 mm（日降水量歷史第三），為大暴雪（新疆降雪標準，日降雪量＞24.0 mm），雪強峰值為2.8 mm·h-1（18日12—13時）（圖1b）。

本次大暴雪持續時間長、落區集中、累計雪量大，是“2018年新疆十大氣候事件之一”。暴雪導致市區道路擁堵、樹枝斷裂、大面積停水停電、航班延誤，居民生活和出行受到極大的影響。

2 環流形勢演變

500 hPa上，16日歐亞范圍內為經向環流，歐洲高壓脊北伸至70°N，脊頂較歷年同期偏北4個緯距，脊前強的北風帶引導新地島冷空氣南下在西西伯利亞堆積，冷中心增強至-36℃，西西伯利亞低槽南壓至中亞南部35°N，槽底較歷年同期偏南10個緯距，中亞槽建立，槽前等溫線和等高線密集，鋒區增強；17日白天隨著歐洲脊東南衰退，中亞槽分裂為南北兩段，北段由西西伯利亞迅速東移北上，南段移至巴爾喀什湖至西天山一線并分裂短波東移影響天山北坡，20時烏魯木齊上空偏南風增強至24 m/s，02時以后短波移出新疆；17日夜間持續的脊前強冷平流輸送使南段低槽發展形成閉合冷渦，在烏拉爾山干冷空氣南下的推動下東移，18日08時低渦開始影響烏魯木齊，隨后逐漸東移并減弱為槽，20時冷空氣主體移出烏魯木齊（圖2）。700～850 hPa，17日20時低槽位于塔里木盆地上空，形成了明顯的后傾槽形勢，偏南風轉為偏北風并增強至10～12 m·s-1，低空偏北急流是大暴雪的觸發因子[15]。地面冷高壓由巴爾喀什湖附近以偏西路徑影響新疆，17日14時冷高壓前沿進入天山造成地面加壓，冷鋒移至烏魯木齊轄區并維持近30 h。此次強降雪發生在中亞低槽為“后傾槽”環流形勢和低空西北氣流與中層西南急流疊加的有利環流背景下，低槽、地面冷鋒等共同作用。本文將重點通過分析降雪過程中的鋒面結構及其演變特征探討其與強降雪的關系。

圖1 2018年10月17日13時—18日18時烏魯木齊降雪分布（a，單位：mm）及2018年10月17日13時—18日18時烏魯木齊站逐時降雪量（柱狀，單位：mm）、溫度（黑實線，單位：℃）（b）

3 冷鋒變化及垂直結構特征

3.1 烏魯木齊的鋒生過程

通過分析鋒生函數（圖3），探究本次冷鋒演變特征及其對降雪的作用。降雪前17日08時500 hPa鋒區進入烏魯木齊上空開始出現鋒生，由于短波冷空氣作用，低層鋒區發展，14時700 hPa附近出現鋒生，中心值為 0.9×10-14K·（m·s）-1，降水開始。 14—20時鋒生不斷加強，鋒區中心增強（中心值為1.3×10-14K·（m·s）-1） 并抬升至 600 hPa， 鋒面伸展至500 hPa附近，小時雨（雪）強增強，均超過 1 mm·h-1。18日02—08時短波東移，烏魯木齊出現短暫的鋒消過程，降雪強度亦隨之減弱。18日由于低渦東移冷空氣主體影響，烏魯木齊450 hPa以下出現更強的鋒生過程，強鋒生區集中在低層，14時700 hPa為鋒生中心（1.3×10-14K·（m·s）-1），降雪強度再次加強，13 時雪強達峰值（2.8 mm·h-1），20 時后低槽移出烏魯木齊，伴隨鋒消冷鋒減弱，降雪結束。此次天氣，烏魯木齊經歷了兩次鋒生過程，鋒生時雪（雨）強大。

圖2 500 hPa高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）、風場（風羽，單位：m·s-1）

圖3 2018年10月17日08時—18日20時烏魯木齊鋒生函數時間—高度剖面

3.2 冷鋒的垂直結構變化

經典鋒面理論指出，斜壓結構的鋒區內位溫線密集且與等溫線正交，鋒區基本沿著等位溫線的方向，假相當位溫θse能夠綜合表征大氣溫濕特征[20]，可結合θse場和溫度場（T）來確定鋒區的位置和垂直結構，沿暴雪區垂直于鋒面的87.5°E做θse和T垂直經向剖面（圖4）。17日08時等θse線為水平方向分布，垂直梯度大，水平梯度小。14時降雪開始（圖4a），北疆低層偏北風和冷空氣由于地形強迫抬升，在天山北坡上空形成隨高度向南傾斜的等溫線密集帶，42.5°～43.75°N 區域 600 hPa 以下等 θse線抬升，垂直梯度減小，形成隨高度略向北傾斜的密集而陡立的帶狀區域，在此區域等溫線、等θse線密集且正交，為鋒區位置。隨后冷空氣不斷在天山北坡堆積和加強，鋒區增強，高度伸展至500 hPa，此時烏市鋒生且降雪強度增強，16時雪強為2.2 mm·h-1。20時500、850 hPa出現短暫急流區，鋒區位于急流右側，動力、熱力條件都加強，θse線密度帶再一次加強且與水平夾角變大，鋒區的強度和斜壓性增強，烏魯木齊鋒強生，小時雪強持續≥1 mm。18日02時后，冷空氣減弱，θse密集度減小指示鋒區減弱，對應著烏魯木齊鋒消過程，降雪強度減弱。18日08時（圖4b），中低層濕冷空氣主體到達中天山，天山北坡爬升而后沿南疆暖氣團坡面抬升，等溫線再次發展成為隨高度向南傾斜的密集帶，θse線也更加密集陡立，鋒區伸展高度至550 hPa，冷鋒再次加強并呈帶狀準垂直分布，上升運動增強，降雪持續。θse的演變特征能夠很好地表征烏魯木齊鋒生（消）過程，對降雪（雨）強度預報有一定的指示意義。

3.3 冷鋒形成的動力及熱力條件

影響鋒生的要素不同，如梅雨鋒為溫度、濕度、風場的共同作用[1]，前文分析鋒生時存在明顯的溫度密集帶，溫度分布對鋒生有重要作用。此次天氣過程冷暖空氣交匯主要發生在對流層中低層。17日14時700 hPa至地面西北風輸送冷平流，在41°～45°N區域堆積形成濕冷墊，中高層偏南氣流攜帶暖濕空氣沿濕冷墊爬升至800～600 hPa，烏魯木齊上空為低層西北氣流與中高層西南氣流疊加，增強風場輻合及垂直切變，有利于垂直上升運動及冷暖交匯，是鋒生有利的動力和熱力條件，溫度平流梯度、風場輻合、垂直切變區有明顯鋒生（圖5a）。20時700 hPa西北風增強，加強了42°～44°N的風速輻合，冷平流進一步發展至700 hPa，溫度梯度大值區和垂直切變也被抬升，熱力、動力條件更有利，鋒生加強并發展至500 hPa，鋒生中心位于冷暖梯度大值帶中（圖5b）。此次冷鋒是溫度和風場共同作用，逐漸形成準垂直帶狀結構。

圖4 87.5 °E θse（黑實線，單位：K）、溫度（紅點線，單位：℃）和鋒區邊界（粗黑實線）的剖面

圖5 87.5°E溫度平流和鋒生函數剖面（a，b）和700 hPa溫度平流和鋒生函數分布（c，d）

鋒生中心位于700 hPa溫度平流密集帶，利用700 hPa溫度平流及鋒生函數，直觀分析此次冷鋒的演變特征。17日14時冷空氣前端擴散東移，一支冷平流（中心值為-9×10-5K·s-1）進入伊犁州，將暖平流推至中天山，溫度平流密集區為鋒生區（2×10-14K·（m·s）-1），此時東北—西南向冷鋒位于伊犁州，鋒生中心伊寧雪強達1.3 mm·h-1。14—20時中亞長波槽分裂東移冷空氣補充，700 hPa冷平流中心增至-12×10-5K·s-1，中天山溫度平流梯度加強，鋒生值為3.5×10-14K·（m·s）-1，鋒面發展，烏魯木齊位于最強鋒區（圖5c），雪（雨）強度大，小時雪（雨）強≥1 mm·h-1，6 h降水量達9.4 mm。18日02—08時，冷暖交匯劇烈區位于伊犁州，鋒生正值中心（3.5×10-14K·（m·s）-1）位于新源縣附近，出現強降雪（峰值為1.0 mm·h-1），中天山冷平流減弱，烏魯木齊上空鋒生值轉為負，鋒面和降雪減弱。18日08—20時，冷渦東移北上，冷空氣主體東移與中天山相對更暖的空氣團再次對峙，鋒區兩側溫度梯度再度增大，鋒生增強，冷鋒發展（圖5d），小時雪強再次≥1 mm·h-1，降雪量為17.8 mm。

綜上所述，烏魯木齊經歷了兩次鋒生過程，鋒生時雪強大，冷鋒在維持過程中，坡度增大，斜壓性增強，為降雪強度的增大提供了非常有利的動力條件。低層冷濕空氣在地形和低層暖空氣共同強迫下爬升至600 hPa，對鋒生提供熱力、動力條件，700 hPa溫度平流密集區的演變表征著鋒面位置、強度變化，鋒生中心對降雪中心預報有一定指示意義。

4 暴雪區的動力和水汽條件

4.1 垂直運動與次級環流

根據動力鋒生理論，由于地轉偏差在鋒區內外分布不均，低層鋒區暖邊界處有地轉偏差輻合，相應上空有地轉偏差輻散，引起上升運動，與之相反，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[19]。為了分析暴雪過程中冷鋒兩側的垂直環流，沿暴雪區87.5°E做垂直經向剖面（圖6）。17日08時，低層偏北冷濕氣流遇山后強迫抬升形成上升運動與南疆北上的暖干氣流在42.5°N上空相遇輻合時部分下沉，使溫度梯度加大，動力和熱力作用出現鋒生，鋒區兩側開始形成垂直面上的次級環流。 由于鋒生動力，鋒區暖邊界（42.5°～43°N）近地層輻散，850～600 hPa輻合，引起地面至500 hPa上升運動，垂直速度中心≥0.15 m·s-1，反之，鋒區冷邊界（43.0°～43.5°N）， 500 hPa至地面為下沉運動，下沉氣流在地面輻散向北與西北風匯合進一步加強烏魯木齊上升運動。隨著冷空氣在天山北坡持續堆積，鋒區逐漸增強，其冷暖邊界激發的動力垂直運動強度和垂直伸展尺度也增強，17日20時（圖6a）天山鋒區兩側兩個次級環流圈達最強并發展至500 hPa，天山北坡上空維持中心強度達0.4 m·s-1的上升區，伸展高度至600 hPa，烏魯木齊正處于這一上升區的中心，雪強大，表明鋒區兩側次級環流的增強為此階段強降雪提供了動力條件；隨后，鋒消時次級環流減弱，烏魯木齊上升速度降至0.05 m·s-1，地面降雪減弱；18日08時（圖6b），再次鋒生時次級環流繼續發展，地面至700 hPa西北風與冷邊界下沉支輻合又增強，烏魯木齊周邊上升運動中心增大至0.15～0.20 m·s-1，高度升至 600 hPa，降雪亦增強，20時堆積冷空氣爬過天山向南擴散，冷鋒結構逐漸松散消亡，鋒區兩側垂直運動也逐漸減弱、消失，烏魯木齊降雪隨之減弱、結束。

在此次暴雪天氣過程中，西北氣流遇山后強迫抬升使水平溫度梯度加強，促使鋒生，動力鋒生產生的地轉偏差輻合、輻散的增強激發了鋒面次級環流，在這樣的正反饋機制下，烏魯木齊的上升運動持續近30 h，為強降雪提供穩定的動力抬升條件。

4.2 水汽輸送及輻合的空間結構

分析降雪時段各層水汽通量矢量和散度的時間—高度剖面發現（圖7a），鋒生過程中，烏魯木齊主要水汽來源為400～600 hPa西南暖濕水汽輸送帶（Ⅰ區），650～800 hPa偏東暖濕水汽輸送（Ⅱ區）和地面至850 hPa西北冷濕水汽輸送帶（Ⅲ區），Ⅰ區和Ⅲ區的水汽貢獻較大，并一直在烏魯木齊上空維持。降雪期間：600～800 hPa一直維持著強的水汽輻合，正是烏魯木齊強鋒生區，最大輻合中心在700 hPa 附近，為-10×10-5g·（cm2·hPa·s）-1。 冷鋒降雪過程中，垂直方向的水汽輸送也發揮了重要作用（圖7b），冷鋒中地面至800 hPa的上升輸送，與700～500 hPa的下沉輸送相遇，進一步加強了600～800 hPa的水汽輻合，這與郭英蓮等[1]水平鋒生提供水汽輸送和加強輻合抬升結論相一致，水汽輸送、輻合強度變化與烏魯木齊市降雪演變有很好的對應關系。

圖6 沿87.5°E垂直環流（黑實線）和垂直速度（填色，單位：10-1m·s-1）的剖面

5 風廓線雷達資料分析

根據動力鋒生理論，運動學鋒生導致水平溫度梯度增大，熱成風平衡遭到破壞，為了維持熱成風平衡，風垂直切變相應增大，在高層強迫形成非地轉南風分量，低層為非地轉北風分量[21]。風廓線雷達能夠提供以風場為主的多種數據產品，可用于動力鋒生過程的分析。

5.1 水平風向風速

由圖8可以看出，17日08時1.5 km以下為偏北風，其上為東南風，風隨高度逆轉，低層為冷平流。隨后偏北風和西南風都加強并向上伸展，垂直風切變也向上傳遞，15時 1.5 km（850 hPa）西北風速達低空急流強度（≥12 m·s-1），并在 1.0～2.0 km 發展持續至20時。西北風有組織地發展，與前文分析的17日14—20時鋒生、鋒區加強一致，風廓線雷達觀測到的這種高層西南風和低層偏北風的加速是動力鋒生過程中風場調整的有力證明。17日夜間，西北風和垂直風切變逐漸減弱，高度降落至2.5 km，鋒面強度減弱、結構松散，降雪強度減弱。18日白天，低層西北風再次出現向上發展及短暫的風速躍增，3.0 km以上偏南風增強，垂直風切變增強并上升至3.0 km，冷鋒增強，鋒生動力強迫的上升運動發展。20時以后風廓線雷達探測高度迅速降落至2 km以下，各層風場減弱，尤其近地層西北風結構松散，出現鋒消減弱，降雪結束。風廓線雷達中風速的激增或垂直風切變增強上傳、風速減弱的時間與鋒面的增強或減弱時間一致。

圖7 2018 年 10 月 17 日 08 時—19 日 02 時烏魯木齊水平水汽通量（a，填色，單位：g·（cm·hPa·s）-1））、水汽通量散度（a，點線，單位：10-5g·（cm2·hPa·s）-1）、垂直水汽通量（b，等值線，單位：10-5g·（cm·hPa·s）-1）和風（b，風羽，單位：m·s-1）的時間—高度變化

圖8 2018年10月17日08時—19日08時烏魯木齊風廓線雷達風場（矢量，單位：m·s-1）和（ 填色，單位：dB）觀測資料（實線：垂直切變）

5.2 折射率常數

風廓線雷達折射率常數與大氣濕度有關，可看作不同時段多普勒雷達的RHI強度回波，其探測高度變化與風向風速一致[22-23]。分析此次降雪過程中風廓線雷達，可以清楚地看到，在烏魯木齊上空1.0 km以下及3.0 km以上存在2個大于-120 dB的濕度中心，可以很好地反映出降雪過程的水汽積聚特征。17日08時，探測的高度在3 km以下，≤-150 dB，說明大氣比較干，10時后隨著近地層西北風增大，2 km以下由-160 dB增長至 -130 dB，在冷鋒增強的過程中低層濕度增大，水汽集中，13時降雪開始。17日白天整層≥ -130dB，整層水汽條件良好，17日夜間有減弱的趨勢，18日08—14時再次增加。18日18時以后探測高度降低，迅速減弱至-160 dB以下，隨后降水結束。的變化趨勢亦與冷鋒變化特征一致。

分析表明，風廓線雷達監測的風向轉變、風速增大（減小）、垂直風切變傳遞及演變能夠清晰地反映鋒面生消和水汽積聚特征，實際預報業務以此為參考可對鋒生過程做出判斷，進而預測地面降水變化。

6 結論

（1）大暴雪發生在歐洲高壓脊衰退、中亞長波槽分段東移的背景下，地面冷高壓沿偏西路徑加強東南下，在天山北坡引發強烈鋒生，并持續近30 h，為持續降雪提供有利條件。伴隨兩次高空槽東移，天山北坡先后出現兩次鋒生，與烏魯木齊降雪強度變化對應。溫度平流和風垂直切變為鋒生提供了動力、熱力條件，700 hPa溫度平流密集帶為鋒生區，其強度變化與鋒面強度、降雪強度正相關。

（2）西北冷濕氣流強迫抬升造成鋒生，動力鋒生產生的地轉偏差輻合、輻散引發的次級環流使暴雪區垂直運動發展并維持，而次級環流的出現又使鋒區水平溫度梯度加強，促使鋒區增強，次級環流建立引發垂直運動為大暴雪提供動力條件。暴雪過程有400～650 hPa西南氣流、850 hPa至地面西北氣流、700～800 hPa偏東氣流3支水汽輸送帶。400～600 hPa和850 hPa至地面強的水平輸送水汽，經鋒區內的垂直運動輸送至600～800 hPa形成強烈的水汽輻合，輻合強度與烏魯木齊降雪強度正相關。

（3）風廓線雷達監測的風向風速轉變、垂直風切變傳遞及變化能夠清晰地反映鋒面和水汽的演變特征，也從觀測事實上證實了鋒面動力抬升對水汽輻合的重要作用。