北疆北部一次暖區暴雪天氣過程的綜合分析

美麗巴奴·艾則孜 ，張俊蘭 ，王小亞

（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；3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；4.哈密市氣象局，新疆 哈密839000）

北疆具有獨特的溫帶大陸型干旱氣候，冬半年氣候寒冷、降雪天氣頻繁、積雪較厚。暴雪天氣是白災的主要致災因子，是北疆重要的氣象災害之一，對農、林、牧、交通、電力、通信以及人民生產、生活等均帶來嚴重的影響和危害。2009 年12 月—2010 年3月，北疆60 a 一遇的連續暴雪過程，大部分觀測站累計降水量超過50 mm，富蘊等17 個測站累計降水量突破歷史同期極大值。北疆暴雪受不同天氣系統的影響分為冷鋒暴雪和暖區暴雪，通常情況下，天山北坡的暴雪為冷鋒暴雪，而塔城地區、阿勒泰地區的暴雪過程多為暖區暴雪。

關于暖區暴雪，新疆氣象學者在環流配置、影響系統、水汽輸送等方面做了不少研究，張家寶[1]認為，冬季環流形勢、天氣系統以及地形影響是形成暖區暴雪的重要因素。楊霞等[2]對新疆暖區暴雪天氣研究的綜述中指出，單阻型是暖區暴雪的大尺度環流形勢之一，低空偏南氣流是暖區暴雪天氣的必要條件，與莊曉翠等[3]“北疆暖區強降雪區位于低槽前部，低空急流出口區前側輻合區和高空急流入口區右側輻散區，以及700 和850 hPa 輻合線和暖切變線東部、北部及干線東南部，地面輻合線附近減壓升溫的重疊區域內”結論基本一致。在天氣系統南北結合和動力抬升方面，有關研究[4-5]表明500 hPa 極鋒鋒區偏西急流與中緯度西南急流交匯，南北兩支鋒區匯合。沙依然·維力等[5]指出，高空輻散、低層輻合和整層深厚的上升運動以及較強的位勢不穩定是暖區暴雪的動力學條件。李如琦等[6]認為北疆暖區暴雪極鋒急流起主導作用，暖區暴雪與地形的關系極為密切，暴雪區主要位于山區或迎風坡上有地形強迫抬升和輻合的區域。暴雪發生前后地面氣象要素、云圖云型及云頂亮溫TBB 等特征，揭示了暖區暴雪與新疆冷鋒降雪的不同[7-12]，為北疆暖區暴雪分析和研究提供了較好的思路和借鑒。2016 年11月10—13 日北疆北部出現了較強暖區暴雪天氣，也是2011 年以來北疆最強的暖區暴雪過程，通過綜合分析，可進一步提升對北疆暖區暴雪高低空天氣系統空間配置、水汽輸送和云圖云頂亮溫TBB變化的認識水平，為提高暖區暴雪預報能力提供參考，對提高北疆暖區暴雪預報準確率和防災減災具有重要意義。

1 研究區概況及資料

研究區域為北疆北部的塔城和阿勒泰地區，其中最大暴雪區裕民縣和富蘊縣地形特殊。裕民縣位于塔額盆地南緣、巴爾魯克山北部，平原平均海拔為750 m 左右，氣象站海拔為721 m。富蘊縣位于阿爾泰山中段南麓、額爾齊斯河上游，海拔為800～1 200 m，氣象站海拔為860 m。選用常規地面監測、高空探測數據分析此次暴雪的環流形勢和天氣系統空間結構，利用NCEP 1°×1°再分析資料計算 925～100 hPa共21 層的物理診斷量，包括溫度平流、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度場以及沿裕民和富蘊2 個暴雪點診斷量的垂直剖面，利用FY-2G 紅外云圖數據，通過等值線處理得到云頂黑體亮溫TBB 資料。

2 暴雪實況及災情

2016 年11 月10—13 日，北疆北部的塔城地區和阿勒泰地區出現近年來較強的暴雪天氣（新疆暴雪標準：24 h 累計降雪量達12.1～24.0 mm 為暴雪，24 h 累計降雪量達24.1～48.0 mm 為大暴雪），大部出現20 mm 以上降雪，新增積雪多地超過20 cm，10日13 時—13 日19 時，累計降雪量前5 位分別是裕民縣（55.3 mm）、塔城市（44.2 mm）、哈巴河縣（34.9 mm）、富蘊縣（30.9 mm）、吉木乃縣（30.1 mm），裕民縣為最大降雪中心（圖1a）。12 日降雪最強，裕民縣和富蘊縣2 站出現大暴雪，降雪量分別為41.4、25.2 mm；托里縣、青河縣和塔城市3 站暴雪，降雪量分別為 17.9、16.8、13.6 mm，12 日裕民縣降雪量居11 月歷史第一位，富蘊、青河居歷史第三位。裕民縣降雪強度最強，最大雪強為5.5 mm/h，出現在11 日22—23 時；富蘊縣次之，最大雪強為2.8 mm/h，出現在 12 日 02—03 時（圖 1b）。

圖1 2016 年11 月10—13 日新疆降雪量分布（a）和裕民縣、塔城縣逐小時降雪量曲線（b）

此次暴雪致使阿勒泰地區多地交通受阻，吉木乃、布爾津、哈巴河等縣部分路線雙向交通管制，禁止通車或客運班車停發。

3 環流形勢及高低空系統配置

3.1 低渦（槽）位于境外并未影響北疆

500 hPa 歐亞范圍中高緯維持一脊一槽“單阻型”經向環流，東歐高壓脊和西西伯利亞低渦（槽）相對穩定，東歐（50°～75°N，40°～60°E）高壓脊向北發展，加強為阻塞高壓（11 日08 時），閉合中心位于70°N，45°E 附近，中心強度為 556 dagpm；西西伯利亞低渦外圍低槽在巴爾喀什湖以北的中亞地區，強度為516 dagpm，低渦（槽）未影響北疆，北疆北部始終處于低渦底部極鋒鋒區的西北急流帶上。

3.2 低渦（槽）深厚且底部極鋒鋒區急流強

中高層500～200 hPa 西西伯利亞低渦（槽）深厚，垂直分布呈前傾結構，東歐阻塞高壓緩慢向東南衰退，西西伯利亞低渦（槽）逐漸東移南壓，其底部極鋒鋒區上西北風加強為急流，8 日08 時，500 hPa 巴爾喀什湖—北疆上空有風速≥20 m·s-1的西北急流，12 日 08—20 時最強（圖 2a），塔城、阿勒泰西北風風速分別達 44、36 m·s-1；200 hPa 也有西北急流，8 日 20 時塔城、阿勒泰西北風風速≥35 m·s-1，12日風速分別增至46、40 m·s-1（圖2b），中高層西北急流持續至13 日08 時。

圖2 2016 年 11 月 12 日 08 時位勢高度場（單位：dagpm）疊加風場（單位：m·s-1）

3.3 暴雪發生在低層切變線附近

11 日08 時700~850 hPa 巴爾喀什湖附近偏西氣流加強為急流（≥12 m·s-1），并維持至 13 日。11日20 時低渦底部分裂短波，塔城700 和850 hPa 西北風風速分別達32、22 m·s-1，阿勒泰700、850 hPa轉為西南風（12 m·s-1）和東南風（10 m·s-1），塔城與阿勒泰之間出現冷式切變線（圖3a），加劇了低層局地輻合與抬升。北疆北部中低層濕度較大，塔城和阿勒泰 T-lnP 圖上，2 站 500 hPa T-Td為 2 ℃、700 和850 hPa T-Td均為 1 ℃，500 hPa 以下溫濕廓線近乎平行，中低層空氣濕潤，低層空氣接近飽和。暴雪區位于低層切變線附近飽和濕區內。

圖3 2016 年 11 月 11 日 20 時 850 hPa 溫度場（a，單位：℃）和地面氣壓場形勢（b，單位：hPa）疊加風場（單位：m·s-1）

特殊地形增強了強迫抬升和水汽輻合，裕民縣和富蘊縣低層分別出現西北風和偏南風，受東北—西南向的巴爾魯克山和西北—東南向的阿爾泰山阻擋，在山前均形成地形強迫抬升和水汽輻合，兩地特殊地形遇不同風場增強了強迫抬升和水汽輻合。由于裕民縣低層西北急流風速明顯強于富蘊縣，地形強迫抬升和水汽輻合作用更明顯，降水強度更強。

3.4 700 hPa 以下有暖平流

暴雪過程中，700 hPa 暴雪區有明顯的暖平流（圖 4），裕民站 600～850 hPa 的暖平流自10 日 14 時持續至12 日22 時，持續時間約56 h，暖平流強度為（10～20）×10-5℃·s-（1圖4a）；富蘊站暖平流主要出現在 11 日 08 時—13 日 02 時 600 hPa 附近，持續時間約42 h，暖平流強度為（10～25）×10-5℃·s-（1圖4a），700 hPa 暖平流為（5～10）×10-5℃·s-（1圖4b）。由于裕民縣較富蘊縣平均海拔低200～500 m（約15～45 hPa），因此可認為，裕民站暖平流的高度更低、持續時間更長、低層暖平流更強。

圖4 2016 年11 月9 日08 時—14 日02 時溫度平流的時間—高度剖面（單位：10-5℃·s-1）

3.5 暴雪發生在熱低壓南部暖區內

10 日，隨喀拉海北部熱低壓的不斷南壓和烏拉爾山—中亞—新疆高壓帶東移，地面氣壓場演變為“兩高夾一低”態勢，并持續至12 日17 時。10 日08時喀拉海北部熱低壓南壓至北疆北部，烏拉爾山—中亞—新疆的帶狀高壓分裂成兩段，東段移至蒙古地區，西段在中亞滯留，形成了蒙古高壓、中亞高壓和北疆北部熱低壓的“兩高夾一低”態勢，熱低壓位于北疆北部境外，北疆受熱低壓控制，冷鋒并未入侵北疆，冷鋒位于巴爾喀什湖北部，暖鋒在蒙古高原西部，冷鋒前部和暖鋒后部暖空氣活躍，塔城和阿勒泰處于此暖區內。11 日14—23 時北疆北部熱低壓中心為1 007.5 hPa，20 時中亞和蒙古2 個高壓達最強，中心均為1 025.0 hPa，暴雪區發生在兩高之間熱低壓南部的暖區內（圖3b），暴雪區地面氣象要素表現為減壓升溫。隨著熱低壓東移至蒙古中部，冷高壓入侵北疆，暖區降水結束。

3.6 高低空天氣系統配置

此次暖區暴雪環流形勢呈“單阻型”經向環流，西西伯利亞低渦（槽）位于境外，500～200 hPa 西西伯利亞低渦（槽）深厚且垂直呈前傾結構，其底部極鋒鋒區上西北風加強為西北急流，北疆位于此西北急流帶上。700～850 hPa 有暖平流，塔城為西北急流、阿勒泰為偏南風，兩地之間存在切變線。地面氣壓場上呈現“兩高夾一低”態勢，熱低壓位于北疆北部境外，北疆受熱低壓控制，冷鋒未入侵北疆。500 hPa低渦底部的西北急流、700～850 hPa 低槽前偏西急流以及850 hPa 北疆東部東南氣流的高低空3 支氣流在暴雪區上空匯合，暴雪區位于高空西北急流、低層切變線和暖平流區以及地面冷鋒前部、暖鋒后部的暖區內，上述環流形勢和高低空天氣系統配置符合以往暖區暴雪研究成果的天氣學特征[1-3]，不僅為此次暴雪提供了熱力條件，還為暴雪區輸送水汽和動力抬升發揮了關鍵作用，暴雪出現在冷空氣入侵前，因此地面氣象要素表現為減壓和升溫（圖5），另外，塔城盆地和阿勒泰地區的特殊地形發揮了重要作用，增強了強迫抬升和水汽輻合。

圖5 2016 年11 月11 日20 時高低空天氣系統空間結構配置

4 水汽輸送和輻合

4.1 西方水汽輸送的時間和強度

源源不斷的水汽向暴雪區輸送是暴雪形成的重要條件，此次暴雪過程中，850～400 hPa 自低層到高層僅有一條水汽輸送路徑——西方路徑。選取700 hPa水汽輸送層，自歐洲大西洋沿岸的水汽沿偏西風經過地中海、黑海、里海接力輸送至北疆地區，隨著高空極鋒鋒區南壓，西方水汽輸送帶也明顯南壓和增強（圖6）。

圖6 11 月 10 日 08 時 700 hPa 水汽通量（a）、11 月 12 日 08 時 700 hPa 水汽通量（b）（陰影區，單位：g·（cm·hPa·s）-1）疊加風場（單位：m·s-1）

對比裕民縣和富蘊縣（圖7），西方路徑的水汽輸送帶從7 日08 時持續至14 日08 時，但兩縣水汽輸送帶的厚度、強度、時間不同。裕民縣7 日08 時中層700～500 hPa 出現了西方路徑的水汽輸送，10 日08 時水汽輸送向低層伸展至地面，并持續至14 日08 時，500 hPa～地面的水汽輸送帶持續了約96 h。700 hPa 11 日 08 時水汽輸送明顯增強，≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送持續至 12 日 14 時（持續約 30 h），11 日 20 時—12 日 08 時達最強，為 10×10-3g·（cm·hPa·s）-1，水汽輸送增強約 10 h 后降雪強度增強，11 日17 時—12 日12 時降雪較強，平均小時降雪強度為2.3 mm·h-1。600 hPa~地面的水汽輸送于11 日14 時—12 日20 時較強，最強水汽≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1，垂直厚度在 400 hPa 左右，≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送持續了約 96 h。另外，11 日 20 時，≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的最高水汽輸送頂層到達380 hPa（圖7a）。

富蘊縣水汽輸送帶的垂直高度偏高、強度偏弱、持續時間偏短，7 日 20 時中層 600～450 hPa 出現西方路徑的水汽輸送，9 日14 時開始加強，11 日14時，450 hPa 水汽輸送向低層伸展至地面，持續至12日20 時，500 hPa～地面的水汽輸送帶持續了約30 h。9 日 20 時—10 日 14 時水汽輸送較強，500～700 hPa≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送持續了約 18 h，垂直厚度為200 hPa 左右。11 日14 時600 hPa 水汽輸送高度降至 700 hPa 附近，12 日 08時，700 hPa 水汽輸送≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-（1持續約18 h）。9 日14 時 600 hPa 水汽輸送明顯增強，≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送持續至 10 日 14 時。11 日 19時—12 日05 時降雪較強，平均降雪強度為1.8 mm·h-1，600 hPa 水汽輸送增強約50 h 后降雪強度增強。9日 20 時—10 日20 時，≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送頂層到達320 hPa（圖7b）。

圖7 2016 年 11 月 9 日 08 時—14 日 02 時水汽通量（單位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1）時間—高度垂直剖面

此次暴雪水汽主要來源于歐洲沿岸的大西洋海域，還有地中海、黑海、里海地區的部分水汽補充。水汽輸送主要出現在500 hPa 以下的中低層，只有一條西方路徑，最強水汽輸送在600～700 hPa，此高度水汽輸送增強10 h 以上雪強才加大，水汽輸送強中心下降時出現最強降雪。雖同為一條水汽路徑，但兩站水汽輸送帶的空間垂直厚度、強度和持續時間不同，裕民縣較富蘊縣平均海拔偏低500 m（不足50 hPa），裕民縣和富蘊縣≥1×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送頂層到達380 和320 hPa，最高水汽輸送厚度相當。裕民縣≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1的水汽輸送比富蘊縣偏長近80 h，厚度比富蘊縣偏厚約200 hPa，特別是700 hPa 最強水汽輸送，裕民縣水汽輸送≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1，持續約 30 h，富蘊縣水汽輸送≥4×10-3g·（cm·hPa·s）-1，持續約 18 h；700 hPa 水汽輸送裕民縣較富蘊縣明顯偏強、持續時間偏長，低層充裕水汽和長時間輸送致使裕民縣累計雪量更多、雪強更強。

4.2 水汽輻合

此次過程水汽輻合主要在700 hPa 以下，裕民縣在 700～900 hPa，≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1的水汽輻合自11 日08 時持續至14 日20 時，持續時間約 84 h，最強水汽輻合≤-25.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，出現在 12 日 02—08 時的 850 hPa（圖 8a）。富蘊縣水汽輻合高度也在700～900 hPa，但強度明顯偏弱，最強水汽輻合≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，出現在11 日 20—12 日 08 時，持續約 12 h，最強水汽輻合也在850 hPa 附近（圖8b），但裕民縣的水汽輻合時間更長、強度更強。

圖8 2016 年 11 月 9 日 08 時—14 日 02 時水汽通量散度（單位：10-6 g·hPa-1cm-2·s-1）的時間—高度垂直剖面結構

5 云頂亮溫TBB

隨著高空西西伯利亞低渦外圍極鋒鋒區南壓與加強，北疆上空急流云系發展，較強降雪均在TBB低值云團移出暴雪區上空后出現。圖9 為裕民縣和富蘊縣最大小時雪強TBB 分布，11 日23 時裕民縣小時雪強最大，為 5.5 mm·h-1，TBB 為-19 ℃（圖9a）。12 日03 時富蘊縣小時雪強最大，為2.8 mm·h-1，TBB 為-33 ℃（圖 9b）。

圖9 2016 年 11 月 11—12 日 FY-2G 紅外云圖云頂亮溫 TBB（單位: ℃）

裕民縣和富蘊縣小時平均雪強分別為1.3和0.9 mm·h-1，平均 TBB 分別為-24.2 和-34.6 ℃，降雪過程中，裕民縣和富蘊縣降雪強度≥1.0 mm·h-1的TBB 平均值分別為-20.5 和-31.3 ℃，裕民縣的降雪強度更大、TBB 較富蘊縣平均偏高10 ℃左右。

6 結論與討論

通過綜合分析2016 年11 月10—13 日北疆北部的暖區暴雪過程成因，得出以下結論：

（1）此次暴雪過程的環流形勢、高低空氣流和地面要素等具有暖區暴雪的特征。環流形勢呈“單阻型”經向環流，西西伯利亞低渦（槽）位于境外，北疆位于低渦（槽）底部極鋒鋒區的西北急流帶上。700～850 hPa 有暖平流和切變線。地面氣壓場“兩高夾一低”，北疆受熱低壓控制，暴雪區位于高空西北急流、低層切變線和暖平流區以及地面冷鋒前部、暖鋒后部的暖區內。中高層西北急流、低層偏西氣流和偏東氣流在暴雪區上空匯合，山區地形增強了強迫抬升和水汽輻合。

（2）水汽主要來源于大西洋，并有地中海、黑海、里海的水汽補充。水汽輸送主要在500 hPa 以下，只有一條西方路徑的水汽輸送，最強水汽輸送在600～700 hPa。但裕民縣與富蘊縣相比，相同強度的水汽輸送（≥8×10-3g·（cm·hPa·s）-1）裕民縣偏長近 80 h、厚度偏厚約200 hPa。700 hPa 最強水汽輸送裕民縣較富蘊縣偏強1 倍，持續時間偏長約12 h。水汽輻合主要在700 hPa 以下，最強水汽輻合位于850 hPa，裕民縣水汽輻合時間更長、強度更強，最強水汽輻合裕民縣較富蘊縣偏強約 15.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1，≤-10.0×10-6g·（cm2·hPa·s）-1的水汽輻合較富蘊縣偏長72 h。

（3）裕民和富蘊兩站平均TBB 分別為-24.2 和-34.6 ℃，裕民縣的降雪強度更大、云頂亮溫TBB 更高，降雪強度相同（均≥1.0 mm·h-1）時，裕民縣TBB較富蘊縣平均偏高10 ℃左右。

（4）暖區暴雪主要表現為減壓升溫。降雪開始前和開始后，北疆3 h 變壓（△P3）為負變壓，暖區降雪出現在負3 h 變壓區內，但（△P3）開始上升，并不意味著暖區降雪立即結束，而要持續升壓6 h 左右，暖區降雪才停止。