新疆北部2次罕見暖區暴雪過程對比分析

張林梅，李博淵，莊曉翠*，于碧馨，李如琦

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.阿勒泰地區氣象局，新疆阿勒泰 836500）

冬季是新疆北部暴雪頻發的季節，隨著全球增暖，暴雪日數呈現增加趨勢，北半球中高緯度地區極端氣候的強度和頻率增加，暴雪頻率呈明顯增加趨勢[1-3]。近年來，北疆地區暴雪頻發，2009年12月—2010年3月北疆出現了60 a一遇的暴雪天氣過程，大部分站累計降雪量超過50 mm，阿勒泰、塔城北部等地9個測站出現降雪量超過24.1 mm的大暴雪天氣過程，尤其是1月7日阿勒泰地區的暖區暴雪日降雪量突破歷史極值；2010年12月3日塔額盆地、阿勒泰地區北部和東部出現暖區暴雪，6個測站達暴雪，其中塔城、額敏、裕民站日降雪量為34.8～39.8 mm，均突破歷史極值。在同一年中阿勒泰地區和塔城地區暖區暴雪先后突破極值實屬罕見。暴雪天氣不僅造成城市交通受阻，而且造成房屋倒塌、牲畜受災等情況。因此深入研究暴雪的發生、發展和演變規律，對指導該地區經濟生產布局、防災減災具有重要的意義，為進一步研究暴雪災害的經濟損失奠定基礎。

國內外許多學者從暴雪的影響系統、觸發機制及水汽輸送、中尺度特征等方面進行了大量的研究，歐美國家的暴雪過程大多與溫帶氣旋的發展有關[4-7]，日本的強降雪多與低壓系統發展有關，大尺度鋒生強迫和濕對稱不穩定是海岸、湖岸降雪的主要原因[8]。對于中國的暴雪研究，也有較多成果，如魯南地區暴雪天氣的影響系統為回流形勢、江淮氣旋、切變線和低槽冷鋒[9]，影響江淮一帶的暴雪與中高緯度系統尤其是阻塞高壓穩定維持和低緯度的南支槽相互配合有關[10]，西藏高原及豫南地區的暴雪均與孟加拉灣的水汽輸送有關[11-12]。這些成果從暴雪的影響系統及發生發展機理等方面提高了對暴雪的認識，同時也為深入研究暴雪提供了較好的依據。

近年來，許多學者對新疆暴雪進行較深入的研究，北疆暴雪發生與極鋒急流和副熱帶急流的位置、強度密切相關，兩支急流的疊加和匯合是冷鋒暴雪發生的主要大尺度環流形勢[13]，水汽一般是以接力的方式到達暴雪區，其中的一條通道沿著地中海—里海、咸海—伊犁河谷接力輸送至暴雪區[14-15]，而天山北麓地區的暴雪則是出現在500 hPa槽前、低層切變或輻合區、高層輻散區、溫度平流梯度垂直方向大值區、相當黑體亮度溫度（TBB）中心邊緣梯度較大處的重疊區域[16]。塔城、阿勒泰地區的暴雪過程多為“暖區暴雪”[17]，暖區暴雪通常發生在低層偏東氣流和西南氣流以及高層的偏西氣流交匯處，暴雪落區與高空鋒區短波槽前的暖平流、700 hPa輻合線、850 hPa暖切變、西南急流、地面氣旋暖區、強的能量鋒區、高濕區以及水汽通量輻合區的重合區域一致[18-21]；此外，還對暖區暴雪的中尺度環境場特征及落區進行了詳細分析，總結出新疆北部暖區暴雪的三維天氣模型[22-23]。那么發生在新疆北部2010年1月上旬和12月上旬的2次暖區暴雪過程，其落區明顯不同，是何因素造成？在機理上又有何區別？這些都是亟待探討的問題。因此，本文圍繞上述問題進行分析，以期進一步提高對新疆北部暖區暴雪的認識水平，為預報服務和防災減災提供一定的參考依據。

1 資料和方法

選取新疆北部2010年1月4—8日、12月2—6日2次罕見暖區暴雪過程（降雪量級為新疆標準：6.1 mm≤日降雪量≤12.0 mm為大雪，12.1 mm≤日降雪量≤24.0 mm為暴雪，日降雪量≥24.1 mm為大暴雪），利用常規氣象觀測資料、NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析資料從環流特征、高低空配置、水汽、動力、熱力等方面進行診斷對比分析，運用濕位渦對暴雪的不穩定機制進行分析。

暖區暴雪定義為11月—次年3月新疆北部有≥3站24 h降雪量≥12.1 mm、并伴有ΔP3減壓及ΔT24升溫（簡稱“減壓升溫”）的降雪天氣現象[24]。

2 降雪概況及環流特征

2.1 降雪概況

由圖1可知，2010年1月4—8日（簡稱“過程I”，圖1a）新疆北部大部出現降雪天氣，阿勒泰地區大部、塔額盆地及伊犁州新源縣為暴雪，暖區暴雪集中出現在6—7日的塔額盆地和阿勒泰地區，其中1月7日，阿勒泰地區8個站達暴雪，中心位于阿勒泰地區東部富蘊站，日降水量為37.3 mm，為1961—2019年冬季降雪日極值；5日20時—7日20時逐6 h的降雪量逐步增強，7日02—14時富蘊站逐6 h累積降雪量分別達15 mm和16 mm，之后，降雪過程趨于結束。2010年12月2—6日（簡稱“過程II”，圖1b）新疆北部出現降雪天氣，暖區暴雪集中出現在12月3日的塔額盆地、阿勒泰地區北部和東部，有6站達暴雪，其中塔城、額敏、裕民站3站日降雪量為34.8～39.8 mm，中心位于額敏站（39.8 mm），均突破歷史極值。降雪集中出現在2日20時—3日14時，逐6 h降雪量分別達10、15、10 mm。4—6日降雪出現在北疆其它區域，且降雪量較小，寒潮天氣爆發。可見，過程I暴雪持續時間較長；過程II爆發力較強，暴雪持續時間短。

圖1 新疆北部2010年2次暴雪過程降雪量分布

2.2 環流特征及影響系統

暴雪前過程I和過程II的共同特征是：500 hPa上極鋒鋒區和副熱帶鋒區在新疆北部匯合，其上短波槽東移，造成暴雪天氣。不同點是：過程I歐亞范圍為經向環流，西西伯利亞阻塞高壓與極高反氣旋接通，在中高緯形成強盛的高壓脊，其南部偏東氣流使冷渦自貝加爾湖西退至西伯利亞；隨后阻塞高壓南北分離，北部的高壓脊逐漸東移減弱，造成西伯利亞冷渦東移；影響系統西退東移造成阿勒泰地區罕見暖區暴雪天氣。而過程II是北歐脊向東南衰退與向北發展的南歐脊反氣旋接通，歐亞范圍環流經向度加大，極區冷空氣南下，極鋒鋒區南壓，并與副熱帶鋒區在中亞到新疆北部匯合，匯合的鋒區上短波槽快速東移，造成塔額盆地罕見暴雪天氣。可見，2次過程影響系統不同，過程I為低渦型，過程II為短波低槽型，均為典型的暖區暴雪形勢[22-24]。

地面圖上，2次罕見暴雪落區均位于蒙古高壓西南部、中亞低壓前部的減壓升溫區域，分析其暴雪中心富蘊、額敏站地面氣象要素時間演變特征可知，降雪集中發生在氣壓下降、氣溫緩慢回升、溫度和露點線十分接近的過程中，當氣壓下降到接近最低點時，降雪量最大，隨著氣壓躍升、氣溫下降，降雪趨于減弱或停止。可見，2次過程均為典型的暖區暴雪過程[22-24]。

綜上所述，2次過程大尺度環流背景具有顯著的差異，過程I西西伯利亞阻塞高壓與極高反氣旋接通，在中高緯形成強盛的阻塞高壓，使得暴雪持續時間較長；過程II是鋒區上短波槽快速東移，使得暴雪持續時間短。

3 高低空配置

過程I暴雪初期1月6日20時，300 hPa新疆北部處于＞36 m·s-1的高空西北急流帶中（圖2a），其軸線位于北部邊境線附近，急流核達48 m·s-1。500 hPa西伯利亞低渦底部強西風（＞24 m·s-1，急流核為40 m·s-1）鋒區位于45°～50°N，其上短波槽與中亞東移北上的短波槽在新疆北部匯合。700 hPa上巴爾喀什湖東部到阿勒泰為水平尺度約670 km的＞16 m·s-1的西南低空急流，在塔城與阿勒泰站存在10 m·s-1的風速輻合。850 hPa上塔城、克拉瑪依與阿勒泰站為10、6 m·s-1的西南風與8 m·s-1的東南風的暖切變。地面圖上阿爾泰山前的偏東風分別與吉木乃到福海的偏西風和北塔山的偏南風在阿勒泰地區西部、中部和東部形成風的氣旋性切變。到7日08時高、中、低空急流軸逆轉增強（急流核分別為52、48、28 m·s-1），呈西南—東北向，700 hPa在塔城與阿勒泰之間風速輻合減小為6 m·s-1。850 hPa≥12 m·s-1的偏西急流軸位于巴爾喀什湖東部到塔城地區；在塔城、克拉瑪依（16 m·s-1的西風和西北風）與阿勒泰（2 m·s-1的南風）之間的暖切變演變為偏西風與南風的冷切變線。

過程II暴雪初期12月2日20時（圖2b），300 hPa高空西南急流軸位于新疆西北部邊境附近，急流核達64 m·s-1，北疆西部、北部處于＞40 m·s-1的急流帶中。500 hPa暴雪區處于西西伯利亞槽前＞36 m·s-1的強西南鋒區上，最大風速中心（52 m·s-1）基本與高空急流核重合。700 hPa暴雪區位于西南低空急流軸附近及其右側，在塔城與阿勒泰之間有12 m·s-1的風速輻合。850 hPa巴爾喀什湖到塔城為＞36 m·s-1的西南低空急流與阿勒泰12 m·s-1的中尺度東南低空急流形成很強的暖式切變。地面圖上，塔額盆地為西南風。3日08時，500 hPa及以上急流增強，700 hPa形成＜300 km的中尺度低空急流，急流出口區風速輻合增強到18 m·s-1。850 hPa暖切變減弱為14 m·s-1的西南風與10 m·s-1的東南風。地面冷鋒處于境外附近。

圖2 次暴雪過程高低空配置及未來24 h暴雪落區

由此可見，過程I暴雪初期500 hPa以上為西北急流，隨著降雪的出現高低空急流軸順轉增強，并在850 hPa出現了低空急流。西南低空急流受阿爾泰山脈地形的抬升作用，使暴雪在1月7日02—14時達到最強。過程II暴雪初期及期間高低空均為西南急流，高低空急流均較過程I強，因此12月3日的逐6 h降雪量分布相對均勻，日降雪較大。

4 影響機理

4.1 水汽條件

4.1.1 水汽輸送特征

低空急流對于水汽輸送起重要作用[25]。分析過程I、過程II暖區暴雪對流層中低層水汽通量矢量可知，暖區暴雪的水汽主要來自大西洋。過程I前期，1月1—2日來自大西洋的水汽沿偏西路徑到達地中海后分成兩支，第一支沿偏西氣流繼續東移，第二支東南下到波斯灣和阿拉伯海，在此得到加強，然后沿偏南路徑北上，在咸海至巴爾喀什湖與第一股匯合后接力輸送至新疆北部暴雪區（圖3a）。3—6日第一支水汽路徑繼續存在，7日主要是巴爾喀什湖的水汽繼續接力輸送至暴雪區，暴雪期間水汽通量維持在4×10-3~6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1。過程II前期12月1—2日水汽自大西洋沿西南路徑經地中海、里海、咸海到達暴雪區（圖3b），該路徑的水汽輸送至3日14時均較強，之后水汽輸送明顯減弱；12月5—6日基本無水汽輸送。可見過程I水汽有波斯灣和阿拉伯海的水汽補充，較強水汽輸送時間長，2次過程在輸送路徑上存在一些差異，那么在垂直方向上是否存在差異呢？

選取暴雪中心富蘊、額敏站分別繪制水汽通量、比濕及溫度的時間—高度剖面圖（圖3c，3d）。分析表明，新疆北部暴雪區水汽主要分布在對流層中低層。過程I暖區暴雪12 h前水汽輸送逐漸增大，到7日02時達最大（強降雪初期），中心位于650 hPa附近達4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，之后逐漸減小，在強降雪期間比濕也達最大，配合有溫度脊，即具有暖濕結構（圖3c）。過程II水汽輸送大值中心強（位于700 hPa附近達9×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1）、比濕較大（圖3d），與該過程低空急流強有關。

圖3 2次暴雪中心700 hPa水汽通量（填色，單位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1）、比濕（實線，單位：g·kg-1）（a、b）及溫度（虛線，單位：℃）的時間—高度剖面（c、d）

綜上可知，水汽輸送均在強降雪初期達最大，暴雪區上空具有暖濕結構，過程II水汽輸送大值中心明顯大于過程I。

4.1.2 水汽收支特征

計算2次暴雪區（過程I：85°～91°E，46°～49.5°N，過程II：82°～84°E，45.5°～47.5°N）逐6 h各邊界的水汽輸入、輸出量，取地面至700 hPa（對流層低層）、700～500 hPa（對流層中層）、500～300 hPa（對流層高層）及整層（地面～300 hPa），分析暴雪過程水汽輸送和收支特征。

2次過程西邊界為整層輸入，并在暴雪前有明顯的增大（圖4）。過程I、過程II對流層中低層水汽輸送量最多，分別占87.49%、77.82%；低層水汽輸送大值時段與6 h暴雪最強時段對應，中層在罕見暴雪出現前6 h有明顯的增大，在短時暴雪期間維持大值時段。過程I東邊界和北邊界為整層輸出，這與北、東邊界為阿爾泰山脈有關；南邊界有少量的輸入；過程II的北、南邊界有少量的輸入，東邊界為輸出，這與塔額盆地為向西開口的喇叭形地形有關。通過計算可知，水汽輸入量過程II為100.85×108t，明顯的大于過程I（79.67×108t）。

圖4 2次暴雪過程各邊界整層水汽收支

4.1.3 水汽輻合特征

計算2次過程暴雪中心（富蘊、額敏）上空水汽通量散度與風場及相對濕度的時間—高度剖面（圖5），富蘊暴雪前、暴雪中800 hPa及以下為一致的東風或東南風，當轉為西南風時，對應的6 h降雪量明顯減小；800～700 hPa為偏西風或西南風，700 hPa以上為偏西風，風速隨高度明顯增大，風的垂直切變大，尤其是降雪最強時段。水汽輻合區主要位于850～600 hPa，中心位于750 hPa附近（-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1），持續3 h左右；強降雪持續12 h。罕見暴雪前對流層為整層的水汽輻合區，最強降雪時段對流層整層為＞90%的高飽和濕區（圖5a）。

圖5 2次暴雪中心風場及水汽通量散度（陰影，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）、相對濕度（等值線，單位：%）的時間—高度剖面

額敏站暴雪前近地層為偏東風，降雪時段為西南風，當轉為偏西風后降雪量明顯減小，這與塔額盆地向西開口的地形有關。850 hPa及以上為偏西風，風速隨高度明顯增大，且大于富蘊站。對流層中低層為水汽的輻合區，主要集中在850 hPa附近，最強水汽輻合中心（-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1）持續了12 h左右，強降雪持續18 h；次強水汽輻合區位于700～500 hPa，最強降雪時段對流層整層為＞90%的高飽和濕區（圖5b）。綜上可知，暖區暴雪對流層低層為水汽強輻合區，強輻合中心持續的時間明顯小于強降雪的持續時間，最強降雪時段對流層整層為＞90%的高飽和濕區；降雪期間近地層的風向與地形有關，當風向為偏西風時，暖區降雪趨于結束。

4.2 動力條件

4.2.1 條件性對稱不穩定

對稱不穩定是大氣在垂直方向上對流穩定和水平方向慣性穩定的條件下大氣做傾斜上升運動發生的一種不穩定，潮濕大氣中的對稱不穩定，稱為條件性對稱不穩定。而濕位渦MPV＜0是大氣發生條件性對稱不穩定的充分必要條件[27]。由2次罕見暴雪中心的MPV垂直剖面圖可知，過程I暴雪前6 h由于低空急流將西南暖濕氣流匯入暴雪區，在對流層低層形成MPV＜0，隨低空西南暖濕氣流的增強MPV＜0，絕對值在7日02時達到最大，中心位于750 hPa附近達-4 PVU，此時范圍也最大（圖6a），之后受上升氣流的影響不穩定能量釋放，6 h降雪量最強（達大暴雪）。過程II暴雪也具有上述特征，不同的是，條件性對稱不穩定區于降雪前12 h在邊界層形成，之后，逐漸向對流層低層伸展，到3日02時達最強，中心位于800 hPa及邊界層（＜-4 PVU，圖6b），這與低空急流的強度明顯強于過程I有關。

圖6 暴雪過程MPV垂直剖面

根據上述相對濕度的分布（圖5），結合文獻[28]對條件性對稱不穩定的判據可知，新疆北部罕見暴雪區上空對流層的條件性對稱不穩定是存在的。可見，條件性對稱不穩定是新疆北部罕見暖區暴雪的一種動力機制，這與高原暴雪的機制相似[29-30]。

4.2.2 垂直環流圈

為了分析垂直環流圈與暴雪的關系，分別沿2次暴雪中心做散度、垂直速度、≥12 m·s-1的急流及垂直環流剖面圖。分析過程I沿暖區暴雪中心47°N的緯向散度、垂直速度、急流及垂直環流的剖面圖可知，暴雪前高低空急流增強，并在低空急流附近出現較強的上升氣流，高空急流前部出現下沉氣流，形成了91°E以西的區域上升，91°E以東為下沉的垂直環流圈。隨著低空急流的增強，次級環流圈增強，并在強降雪初期7日02時達最強，上升氣流達-2.1 Pa·s-1，強降雪中心與最大上升氣流基本重合（圖7a），之后逐漸減弱，并維持到7日14時，次級環流對應的6 h降雪量為暴雪和大暴雪。同樣分析過程II沿暖區暴雪中心做散度、垂直速度、急流及垂直環流的剖面圖可知，在暴雪前也形成了一個垂直環流圈，該環流同樣在暴雪期間維持，在強降雪中達最強，強降雪中心位于強上升氣流前梯度最大的區域（圖7b）。

圖7 沿2次暴雪中心上空散度（陰影，單位：×10-5）、垂直速度（細實線，單位：Pa·s-1）、風矢量、垂直環流（矢線，u風和垂直速度w×（-100）的合成）剖面

4.3 熱力條件

分別對2次罕見暴雪中心做θse的經向剖面圖。過程I降雪前6 h在強降雪區的對流層低層θse鋒區形成陡立結構，但強度較弱，只有2～3根等值線，之后整個暴雪中，θse鋒區形成陡立結構位于800 hPa以上。由沿暴雪中心89.5°E的θse垂直剖面可知，6日14—20時在400 hPa以下暴雪區南部有一θse高能舌區，表明受西南暖濕低空急流的影響，在暴雪區附近與北方干冷氣團相遇，形成θse向北傾斜的鋒區，對流層低層坡度最大，幾乎呈垂直結構（圖8a）；隨著低空暖濕氣流逐漸減弱，使得對流層低層θse鋒區陡立結構消失。過程II低空西南急流明顯比過程I強，且維持時間長，使得對流層低層θse高能舌明顯強于過程I，因此，過程II θse鋒區陡立結構維持時間相對較長、強度較強（圖8b）。根據吳國雄等[21-22]傾斜渦度發展理論可知，在暖區暴雪前對流低層氣旋性渦度增大有利于垂直上升運動的發展和加強。可見，在中高緯度冬季的罕見暴雪中存在與江南夏季梅雨鋒及高原暴雪過程相似的結構[22-23]。

圖8 2次暴雪中心θse垂直剖面

5 結論與討論

本文運用常規資料和NECP FNL 1°×1°資料，著重對比分析了2010年1月6—7日和2010年12月2—6日發生在新疆北部的2場罕見暖區暴雪的機理，主要結論如下：

（1）2次過程的相同點：均有南北支系統的匯合；水汽來源及輸送基本一致，西邊界為整層輸入；對流層低層為水汽強輻合區，水汽強輻合持續的時間明顯小于強降雪的持續時間，最強降雪時段對流層整層為＞90%的高飽和濕區；均存在條件性對稱不穩定、垂直環流圈、θse鋒區陡立結構。

（2）2次過程的不同點：（a）過程I是由于西伯利亞冷渦西退東移造成阿勒泰地區罕見暖區暴雪天氣，過程II是由于極鋒鋒區南壓，并與副熱帶鋒區在中亞—新疆北部匯合，匯合的鋒區上短波槽快速東移，造成塔額盆地罕見暴雪天氣。大尺度環流背景具有顯著的差異，過程I是西西伯利亞阻塞高壓與極高反氣旋接通，在中高緯形成強盛的阻塞高壓，使得暴雪持續時間較長；過程II是鋒區上短波槽快速東移，使得暴雪持續時間短。（b）在高低空配置亦有所差異，過程I是暴雪初、中期850 hPa為偏東氣流（急流）、700 hPa為西南急流、500 hPa以上為偏西或西北急流；過程II則是對流層整層為西南急流。（c）過程I水汽輸送有波斯灣及阿拉伯海水汽的補充，但過程II的水汽輸送量及輸入量大于過程I，水汽在南、北、東邊界的輸入、輸出因地形的差異而有所不同。（d）條件對稱不穩定區形成的時間及中心有所差異，過程I形成于暴雪前6 h，中心位于750 hPa；過程II形成于暴雪前12 h，中心位于800 hPa及邊界層。由于過程II低空西南急流較過程I強，故過程II θse鋒區陡立結構維持的時間較長，強度較強。可見，在中高緯度冬季的罕見暴雪中存在與江南夏季梅雨鋒及高原暴雪過程相似的結構[22-23]。

本文針對新疆北部2次罕見暖區暴雪過程進行了對比分析，在影響機理方面進一步加深了對北疆暖區暴雪的認識，但后期還需根據類似的歷史個例，完善北疆區域的暴雪預報模型，歸納總結出影響罕見暴雪的必要條件及預報指標，以期為當地的防災減災工作保駕護航。