烏魯木齊暴雪天氣的環流配置及中尺度系統特征

張俊蘭，施俊杰，李 偉，羅婧文，魏娟娟

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆暴雪主要發生在北疆，雪災也出現在北疆，北疆為我國三大雪災發生區之一。自1970年以來北疆暴雪日數呈增多趨勢，暴雪災害的發生頻次也在增多[1]。新疆在全國具有重要的戰略地位，北疆是古絲綢之路必經之地，是“絲綢之路經濟帶”的關鍵區域之一，面對暴雪災害，各級政府和廣大民眾十分重視，雪災防御不容忽視。烏魯木齊位于天山北坡，是新疆首府城市，是新疆政治、經濟和文化中心，作為第二座亞歐大陸橋中國西部橋頭堡和我國向西開放的重要門戶，它距海洋較遠，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，地形地貌復雜，烏魯木齊三面環山，地勢東南高、西北低，平均海拔800 m，市區海拔900 m左右，烏魯木齊越來越重要的政治和經濟地位使之對氣象防災減災的要求越來越高。烏魯木齊冬半年最重要的氣象災害就是雪災，對社會經濟和人民生活造成較大影響，成為制約經濟可持續發展的重要因素之一。北疆暴雪天氣明顯多于南疆，在天山北坡的烏魯木齊暴雪發生較多，研究烏魯木齊暴雪具有重要意義。

近年來，新疆暴雪天氣研究取得了許多成果[2-5]，分析揭示了南北疆暴雪天氣500 hPa環流形勢特征、水汽輸送特點，張俊蘭等[6-7]就2015年12月天山北坡極端暴雪天氣和烏魯木齊極端暴雪天氣的形成機制研究中，指出此次極端暴雪天氣的環流形勢、高低空天氣系統配置與新疆大降水研究成果[3-5]吻合，研究了南北低值系統結合、高低空氣流在暴雪區上空匯合時有利的大尺度環流形勢。我國西北地區東部、華北、中原等地的氣象學者在暴雪天氣的環流形勢、影響系統、物理量場診斷以及新資料應用等方面有許多進展，特別是在暴雪的環流形勢、結構演變、鋒區特征以及雷達反演風場方面取得了一些新認識[6-14]。本文選取烏魯木齊歷史上最強的3場暴雪天氣過程，對比分析和綜合判斷得出烏魯木齊暴雪天氣的環流配置，通過分析大尺度環流背景、天氣系統高低空配置，得出暴雪天氣的三維空間配置結構，揭示暴雪天氣強度與雷達回波、云圖黑體亮溫TBB以及風廓線雷達反演的垂直速度等中尺度系統的關系，闡明烏魯木齊暴雪天氣環流形勢和天氣系統空間結構配置特點，指出暴雪落區與高低空急流的配置關系，進一步明確預報思路，對提升烏魯木齊暴雪預報能力和精細化水平有積極意義，并為“絲綢之路經濟帶”建設防災減災提供一定技術支撐。

1 三場暴雪過程實況對比

20世紀70年代以來的最強3場暴雪天氣過程均發生在近5年，分別是2014年12月8日、2015年12月11—12日、2017年12月27—28日。表1對比了這3場暴雪過程的累計降雪量、最大日（20：00—次日20：00）雪量、最大小時雪強、小時雪強＞2 mm時次、降雪持續時間以及新增積雪深度等降雪實況。過程累計雪量和新增積雪深度，2015年12月10—12日均最大，為46.3 mm和37 cm，2017年為26.5 mm和27 cm，2014年為17.7 mm和16 cm。最大日降雪量和降雪持續時間，2015年均最大，為35.9 mm和37 h；2017和2014年最大日降雪量和降雪持續時間相當，2017年為16.8 mm、14 h，2014年為17.7 mm、15 h。最大小時雪強出現在2017年，為3.2 mm/h，2015和2014年為2.8和1.9 mm·h-1。小時雪強＞2 mm時次，2015年最多為8 h，2017年為7 h，2014年為0。綜上，3場暴雪過程的強度：2015＞2017＞2014年（表1）。

表1 烏魯木齊歷史最強3場暴雪天氣降雪概況對比

2 資料與方法

選用常規地面、高空氣象數據和烏魯木齊新一代C波段天氣雷達產品、FY-2云圖資料，其中，C波段新一代天氣雷達產品應用美國 Gibson Ridge Software LLC公司GR2Analyst雷達產品處理軟件生成，云頂黑體亮溫TBB利用FY-2E紅外云圖數據通過等值線處理得到。

3 大尺度環流背景和天氣形勢

500 hPa上，2015年12月8日歐洲沿岸脊向北發展，烏拉爾山長波槽向南加深，里海南部的低值系統與烏拉爾山大槽合并疊加，槽前的西南風伸至30°N以南。9—10日，東歐高壓脊向東南方向衰退，推動烏拉爾山大槽東移南下，經向環流轉緯向環流時降雪出現。2014年12月5日，歐洲沿岸高壓脊發展，6日烏拉爾山低渦隨歐洲沿岸高壓脊衰退、減弱東南下，里海和咸海南部小槽東移，與烏拉爾山低槽合并，共同影響造成降雪，7—8日556 dagpm位勢高度線南壓至39°N附近。2017年12月26日，歐洲沿岸高壓脊發展，歐洲低渦南壓，隨歐洲沿岸高壓脊衰退、歐洲低渦減弱成槽東移，26—27日556 dagpm位勢高度線南壓至40°N附近，里海南部小槽東移過程中與烏拉爾山低槽合并，東移后影響新疆降雪。3場暴雪天氣均是在環流經向度減弱過程中出現（圖1）。

地面氣壓場上，3場暴雪過程均有明顯的地面冷高壓入侵北疆，地面高壓的移動路徑和中心強度并不相同，2015和2017年均為西方路徑，中心強度為1 047.5 hPa，2014年則為西北路徑，中心強度高達1 057.5 hPa（表2），與降雪強度相比，地面冷高壓以西方路徑入侵北疆，更易造成較強的降雪，而西北路徑影響則造成更強的降溫。

對比3場暴雪天氣的環流特征，均表現為降雪之前環流經向度增大，暴雪是在經向環流轉緯向或環流經向度減弱過程中出現的，主導系統為東歐高壓脊或歐洲沿岸高壓脊，影響系統為烏拉爾山低槽，主導系統高壓脊在東南衰退過程中烏拉爾山低槽東移南下，并出現里海和咸海南部小槽東移并入烏拉爾山低槽中，東移過程中共同影響造成降雪。500 hPa脊前偏北急流（≥20 m·s-1）跨越緯距不盡相同，降雪最強的2015年跨越緯距達27°，降雪最弱的2014年跨越緯距僅有13°，500 hPa槽前為西南風或南風，2015、2017和2014年最大偏南風矢量方位約190°、220°和260°，說明南風分量越大降雪越強，3場暴雪中西南風或南風最強均超過20 m·s-1，出現急流。

表2 烏魯木齊歷史最強3場暴雪過程500 hPa和地面氣壓場主要特征

4 高低空環流配置

4.1 后傾槽結構

3場暴雪過程發生前和發生時，高低空主要天氣系統配置均為后傾槽結構（圖2），隨高度的增高，500～850 hPa不同層次低槽和地面冷鋒向移動方向的后方傾斜，500 hPa至近地層隨高度下降低槽和地面移速加快，受天山山脈阻擋，地面冷鋒與天山山脈幾乎平行，但其東段鋒面移速快于850 hPa低槽，高層低槽移動速度落后于低層低槽和地面冷鋒，高低空天氣系統呈現明顯的后傾槽結構。后傾槽結構傾斜程度不同致使暴雪強度和范圍不盡相同，2015年低槽向后傾斜程度最大，槽前上升運動范圍更廣，持續時間更長，在穩定持續性低云影響下，降雪時間和累計降雪量均最長和最大，這是2015年出現極端暴雪的重要原因，說明天氣系統結構的后傾程度與降雪強度和持續時間具有一定的相關性。

4.2 天氣系統三維結構和天氣模型

根據3場暴雪的不同層次環流形勢變化，結合圖2中高低空天氣系統后傾槽結構，繪制了烏魯木齊暴雪天氣的三維空間結構（圖3），3次暴雪天氣中，烏魯木齊上空均出現了3支氣流，分別是高層（300 hPa）的西南氣流、中層（500 hPa）的西南氣流、低層（700～850 hPa）的西北氣流，這3支氣流均達到急流標準，3支急流為烏魯木齊暴雪提供了有利的熱力、動力和水汽條件。500 hPa強盛的西南急流是烏魯木齊暴雪天氣的最重要信號，兩脊一槽的經向環流下，烏拉爾山低槽東移南下至巴爾喀什湖附近或其西北部地區時，中亞地區有南支小槽并入，南、北低值系統結合也是烏魯木齊暴雪的一個重要特征。

圖1 3場暴雪過程500 hPa位勢高度（單位：dagpm）和風矢量場（單位：m·s-1）

圖2 3場暴雪過程的高低空天氣系統的后傾槽結構

圖3 烏魯木齊暴雪天氣系統的三維空間結構

300 hPa高空急流入口區右側的輻散區與500 hPa西南急流、700～850 hPa西北急流位置相重疊。300 hPa高空急流位于巴爾喀什湖以西，西南風＞40 m·s-1，急流核位置較500 hPa低槽偏西，急流核風速＞50 m·s-1，高空西南急流入口區右側有輻散中心，使高空輻散。500 hPa槽前為西南急流帶，500 hPa以下冷平流作用下冷空氣進入北疆；對應500 hPa槽前的西南風帶中的低層700～850 hPa出現最大上升運動區、最強冷平流區和西北急流，西北急流在天山山脈的阻擋下，天山北坡出現了風向、風速輻合和地形強迫抬升，加劇了上升運動的發展和維持。而近地面層，伴隨著冷空氣和西北風入侵，地面冷鋒移至天山山脈附近，出現升壓降溫的氣象要素變化。暴雪位于300 hPa高空急流右側、500 hPa西南急流和700～850 hPa西北急流前部風速輻合區內，這種有利的大尺度環流形勢和三維系統空間結構使大尺度垂直運動得以發生、發展，產生較強持續的上升運動，并提供熱力和水汽條件。

5 中尺度天氣系統

中尺度天氣系統是強降水天氣的重要觸發機制，暴雪是大尺度環流背景下、天氣尺度系統與中尺度系統相互作用的結果，通過烏魯木齊新一代C波段天氣雷達產品和FY-2E云頂亮溫TBB資料，分析3次暴雪天氣的中尺度天氣系統的變化特征。

5.1 雷達回波特征

分析3次暴雪天氣中烏魯木齊新一代天氣雷達產品的反射率因子及垂直結構、徑向速度的回波圖像，揭示烏魯木齊暴雪天氣的雷達回波特征。選取烏魯木齊新一代天氣雷達1.5°仰角的反射率因子產品，并分析沿烏魯木齊附近垂直剖面的回波特征，3次暴雪天氣中雷達反射率因子主要表現為層狀云降水回波，隨著高空槽和急流的緩慢東移，回波整體較為均勻，移動緩慢，回波形態呈現大面積片狀結構。

降雪初始階段。3次暴雪天氣剛進入烏魯木齊時的回波形態、強度就有差異，2015年12月11日暴雪中的反射率因子回波移速緩慢，回波變化較小，10日18：00后＞10 dBZ回波東移進入烏魯木齊上空，＞10 dBZ回波頂高約1.5 km，徑向速度圖上出現西北風。2017年12月28日暴雪中反射率因子回波移速較2015年12月略偏快，回波變化略大；27日15：00后＞10 dBZ回波東移進入烏魯木齊上空，＞10 dBZ回波頂高不到1.0 km，徑向速度圖上零速度線呈反“S”型結構，說明對流層中下層出現冷平流，冷空氣進入烏魯木齊。而2014年12月9日暴雪中反射率因子回波移速最快，回波變化較大；7日22：00后＞10 dBZ回波東移進入烏魯木齊上空，＞10 dBZ回波頂高也不到1.0 km，徑向速度圖上也出現反“S”型結構的零速度線，有冷空氣進入烏魯木齊。

降雪最強階段。3次暴雪天氣回波形態、強度差異增大，2015年12月11日01：18，暴雪反射率因子圖像片狀結構明顯（圖4a），烏魯木齊北部最強回波26 dBZ，＞10 dBZ回波頂高達2.0 km左右（圖4b），徑向速度圖上呈輻合風場結構，零速度線呈現“L”形，有西北風和東北風在烏魯木齊上空輻合（圖4c），11日01：00—02：00小時雪強增強，由1.7 mm·h-1增為2.1 mm·h-1，07：00—08：00小時雪強最強，小時雪強達2.8 mm·h-1，此時西北風和東北風仍在烏魯木齊上空存在輻合。2017年12月28日暴雪中反射率因子回波范圍廣，＞20 dBZ回波面積明顯偏大，烏魯木齊北部最強回波28 dBZ（圖4d），＞10 dBZ回波頂高約2.5 km，＞20 dBZ回波頂高1.5 km左右（圖4e），徑向速度圖上也呈輻合風場結構，零速度線也呈“L”形，除有西北風外也有東北風，但東北風強度明顯弱于2015年12月11日（圖4f），此時西北風和東北風之間的風向輻合最大，27日19：00—20：00和22：00—23：00小時雪強均最大，為3.2 mm·h-1。而2014年12月9日暴雪中反射率因子回波面積最小，烏魯木齊北部最強回波24 dBZ（圖4g），＞10 dBZ回波頂高1.5 km左右（圖4h），徑向速度圖上有風場輻合，零速度線幾乎東北西南向，主要以西北風為主入侵烏魯木齊，有弱北風出現（圖4i），8日06：00—07：00小時雪強達到最大，為1.9 mm·h-1。

降雪回波強度、風向輻合大小與降雪強度有一定的對應關系，回波強度越強，回波頂高越高，降雪強度越大，反之亦然。烏魯木齊暴雪天氣過程中，中低層均存在風場輻合，風場輻合越明顯，降雪強度越大，另外，回波移速較慢、回波穩定時，累計降雪量更大。

5.2 云頂黑體亮溫特征

FY-2系列衛星云圖是目前應用最廣泛的云圖資料，利用FY-2E紅外云圖數據通過等值線處理得到3次暴雪天氣的云頂黑體亮溫TBB的變化圖像（圖5），隨著烏拉爾山大槽東移南下，槽前高空急流云系發展東移進入北疆，高空云系由多個相對獨立的中β 尺度云團組成，中β 尺度云團在圖像上表現為TBB低值帶或低值區，在高空引導氣流下云系東移，中β 尺度云團自西向東或向東北方向移動經過烏魯木齊暴雪區上空。

圖4 烏魯木齊新一代天氣雷達1.5°仰角的反射率因子、沿烏魯木齊反射率因子剖面（單位dBZ）及徑向速度（單位：kts）

圖5 烏魯木齊3次暴雪FY-2衛星云圖云頂亮溫TBB（單位：℃）分布

圖6 烏魯木齊3次暴雪FY-2衛星云圖逐半小時云頂亮溫TBB（單位：℃）和降水量（單位：mm）變化

分析暴雪中TBB強度與降雪強度之間的關系，對比烏魯木齊逐半小時TBB與降水量變化曲線（圖6），2015年12月11日暴雪中，有3個中β 尺度云團東移影響烏魯木齊，當烏魯木齊上空TBB最低值約-44 ℃時，最大降雪強度0.3 mm·h-1；當TBB最低值在-44～-48 ℃，最大降雪強度多數在1.0 mm·h-1左右；當TBB＜-56 ℃時，降雪強度一般＞2.0 mm·h-1，11日4：00，TBB最低值降至-64 ℃，降雪強度達2.2 mm·h-1（圖5a）。逐半小時TBB與降水量變化（圖6a）顯示，多數情況下，TBB下降，降水量增大，TBB上升，降水量減小。TBB＜-50 ℃時，降水量大多＞1.0 mm（圖6a中紅矩形框內）。2017年12月27—28日暴雪中，TBB最低值高于2015年12月11日暴雪，暴雪前后烏魯木齊上空TBB大多在-47 ℃左右，27日22：00，TBB最低值為-56 ℃時，降雪強度達3.2 mm·h-1（圖6b），當TBB＜-50 ℃時，降水量大多＞1.3 mm（圖6b），27日18：00—20：00，TBB波動下降中，降水量波動增加；2014年12月8日暴雪上空TBB最高，大多在-42 ℃左右，8日7：00，TBB最低值為-52 ℃時，降雪強度也最強，為1.9 mm·h-1（圖5c），當TBB＜-45 ℃時，降水量大多＞0.6 mm（圖6c）。

云頂黑體量溫TBB值與降水強弱具有一定的對應關系，中尺度云團東移或東北移過程中，TBB降低時降雪強度大多有所增強。TBB最低值＜-56 ℃區域可能出現較強降雪，最大小時雪強可能＞2 mm·h-1。滯留暴雪區上空時間長則累計降雪量大，2015年暴雪過程中尺度云團移動緩慢，TBB≤-64 ℃云團在烏魯木齊上空維持3～4 h、TBB≤-56 ℃云團持續10 h以上，因此此次降雪時間更長，累計降雪量更大。對比還得出，中β 尺度云團邊緣TBB等值線梯度與暴雪區位置有一定關系，3次暴雪均出現在TBB等值線梯度最大處附近，2017年12月27—28日暴雪中，烏魯木齊上空TBB等值線梯度最大，降雪強度也最強。

6 烏魯木齊風廓線雷達反演的垂直速度

風廓線雷達反演回波資料可以通過返回信號信噪比和系統噪聲功率的方法估算得到，并業務應用[15]，圖7為3次暴雪天氣中烏魯木齊風廓線雷達資料估算的垂直速度高度—時間垂直剖面，圖中垂直速度反演回波圖像可看出上升運動變化。

圖7 烏魯木齊風廓線雷達反演的垂直速度（單位：m·s-1）高度—時間垂直剖面

（1）2015年12月11日，降雪最強階段（11日02：00—11：00），降雪強度＞2 mm·h-1，此階段4 500～2 500 m高度的上升運動＞1.0 m·s-1，最強降水時段（07：00—08：00，2.8 mm·h-1）之前的4 h左右，3 500～4 000 m高度的上升速度＞1.3 m·s-1，當上升區高度下降時，降水強度減弱。4 000 m附近上升區的出現和高度下降預示降水增強。

（2）2017年12月27日20：00最強降雪（3.2 mm·h-1）出現前的4 h左右，2 000 m以下出現上升速度＞1.2 m·s-1區域，最強降雪出現前的30 min左右，750 m附近最大上升速度約為1.8 m·s-1，21：00—22：30，1 500和5 000 m附近分別出現了上升速度為1.8 m·s-1的大值中心，23：00又出現最強降雪（3.2 mm·h-1）。

（3）2014年12月8日，在最強降雪（06：00—07：00，1.9 mm·h-1）出現前，上升運動經歷了從低層出現向高層伸展的過程，4 000 m附近上升運動大值區持續了6 h左右，8日06：00前后，最大上升運動在4 700 m附近出現，為1.2 m·s-1左右。可知，最強降水出現前上升運動大小與降水強度呈正比關系，上升運動越強，降雪強度越大。

7 結論

本文分析了烏魯木齊典型的3場暴雪天氣過程中的環流形勢和中尺度系統特征，重點分析了環流形勢及高低空天氣系統的空間配置結構，揭示了雷達、云圖等中尺度系統特征，得出以下結論：

（1）烏魯木齊暴雪均是在有利的大尺度環流背景下，不同層次的多個天氣系統相互配合、共同作用產生的，主要表現為，暴雪前環流經向度逐漸增大，暴雪均發生在經向環流轉緯向或環流經向度減弱過程中，主導系統東歐或歐洲沿岸高壓脊在東南衰退過程中，烏拉爾山低槽東移南下，并出現南支系統與烏拉爾山低槽結合和東移。就暴雪落區與高低空急流的配置可看出，暴雪均出現在500 hPa槽前西南急流前部、700～850 hPa西北急流前部和300 hPa高空急流右側的風速輻合區內，這種三維空間結構使大尺度垂直運動得以發生和發展，產生較強持續的上升運動，是產生暴雪天氣的有利大尺度環流形勢和空間結構。且500 hPa西南風越強，降雪強度越大，高壓脊前偏北風帶跨越緯距越寬，累積降雪越大。

（2）雷達回波產品和云頂黑體亮溫TBB是監測暴雪天氣中尺度系統的有利工具，分析得出，烏魯木齊降雪回波強度、風向輻合大小與降雪強度有對應關系，烏魯木齊暴雪天氣過程中，中低層均存在風場輻合，回波強度越強，回波頂高越高，中低層風場輻合越明顯，則降雪強度越大。TBB量值與降水強弱也有對應關系，TBB最低值＜-56 ℃的區域出現較強降雪可能性增大，最大小時雪強可能＞2 mm·h-1。3場暴雪均出現在中尺度云圖邊緣TBB等值線梯度最大處附近，TBB等值線梯度越大，降雪強度越強。（3）烏魯木齊風廓線雷達資料估算的垂直速度可以反映上升運動變化，3場暴雪均在最強降雪發生前的4～6 h，中低層4 000 m以下上升運動明顯增強，最強降水出現前上升運動大小與降水強度呈正比關系，上升運動越強，降水強度越大。700 hPa以下低層上升運動增強可作為強降雪出現的預報指標。