鄂西南山區一次罕見的秋季暴雨轉暴雪天氣成因分析

羅菊英，譚艷立，虞列輝

(湖北省恩施土家族苗族自治州氣象局，湖北 恩施 445000)

0 引 言

暴雪是中國湖北省(簡稱鄂)西南部高海拔山區冬半年常見的災害天氣之一，對交通安全、電力設施、農業生產等帶來嚴重的危害。湖北恩施自治州為云貴高原的延伸部分，全境為山地，海拔高差懸殊，各地海拔200～3 000 m左右不等，平均海拔1 000 m左右，海拔800 m以下地區僅占總面積的27%[1],暴雪主要發生在海拔800 m及以上地區，尤以海拔1 500 m以上高寒山區影響最為嚴重。歷史資料統計分析，從11月—次年3月，恩施高海拔山區每年都會受到不同程度的雨雪天氣危害，以12月—次年2月雨雪天氣最為集中，但從暴雪發生時段看，以早春3月發生最多，以測站海拔1 074.1 m的利川國家觀測站為例，僅統計21世紀以來，就在2004年3月11—12日、2005年3月12日、2006年3月12日、2009年3月13日、2010年3月8日出現過大范圍春季暴雪，其次才是冬季，秋季罕見。在2016年11月8—9日，利川及其所屬鄉鎮大部暴雨轉暴雪，是該站自1959年建站以來第1次，此次暴雪比該站歷史最早初雪日(1962年11月21日)提前12 d，暴雨出現時間比歷史極值(1966年11月4日)推遲了4 d，均刷新歷史極端值，暴雨轉暴雪更是歷史罕見。

針對暴雪天氣成因，國內外有很多學者從暴雪發生的中尺度環境條件、物理量診斷以及數值模擬等多方面進行了深入的分析研究，并得出了很多定性或定量且有重要參考價值的結論。如池再香等[2]、盛春巖等[3]從暴雪天氣過程的對稱不穩定進行分析，指出對流不穩定能量釋放是產生暴雪的重要原因；范元月等[4]對湖北暴雪天氣進行了中尺度模擬，表明產生暴雪的上升運動遠小于產生暴雨的上升運動；徐雙柱等[5]對湖北冬季大雪的成因和預報進行了研究；候瑞欽等[6]通過對河北深秋一次特大暴雪過程分析，指出冷鋒系統影響下產生的正、逆雙向次級環流，為暴雪提供了很好的動力條件。國內還有很多類似的研究，從不同的側重點對暴雪天氣的形成機理和影響進行了分析。但從眾多文獻看，針對長江流域暴雪的研究相對中國北方明顯偏少，特別是針對秋季暴雪更少，在湖北省內，針對鄂西南山區暴雪研究較少，由于暴雪預報難度大、致災風險高，故有必要針對鄂西南山區暴雪成因進行分析研究。本文通過2016年一次極端性較強暴雪過程的分析，以期為鄂西南山區暴雪預報提供參考。

1 天氣實況及災情

2016年11月7—9日，在湖北省鄂西南山區的恩施州、神農架、宜昌西部的五峰地區出現了一次大范圍雨雪天氣過程，其中以恩施州出現局部暴雨轉暴雪的極端天氣，影響范圍大，災情最為嚴重。伴隨雨雪，氣溫呈斷崖式驟降，在冷空氣影響前的3—6日，恩施州內大部高溫升至20 ℃以上，局部超過25 ℃，7日出現大范圍大雨，氣溫開始下降，7—9日，冷空氣影響始末，恩施州8個國家站48 h平均氣溫降幅為8.6 ℃，達強冷空氣標準，9日白天，低海拔地區低溫普遍降至2 ℃左右，海拔1 000 m及以上地區降至0 ℃左右或以下。由于目前固體降水監測的手段限制，無人值守的區域站降雪情況無法實時獲取，而恩施州所屬的8個國家站除利川站海拔為1 074.41 m，能夠代表州內中山地區外，其余7站均位于海拔800 m以下低海拔地區，故下面所描述的雨雪實況，除以利川站實測為代表外，還同時參考了民政部門調查核實資料和相關媒體記者的采訪記實資料。

從實況監測，11月7—9日3 d降水累積量創歷史同期極端值，偏多達654.5%，恩施、利川分別達到了130.6 mm、122.1 mm。11月7—8日白天，降水相態大部以雨為主，持續大雨，局部暴雨，其中8日出現48站暴雨，大部位于利川和恩施兩市。8日中午開始到9日上午，高海拔地區先后轉雪或雨夾雪，主要降雪出現在8日夜間到9日早晨海拔1 000 m及以上地區，9日白天，800 m以下低海拔局部也出現降雪和積雪。從地面觀測記錄看，利川8日出現51.1 mm的暴雨，從8日中午(11時32分)開始轉雨夾雪，8日夜間，雨夾雪轉純雪，降雪主要集中在8日20時—9日08時，9日11時30分降雪結束，從利川地面三線圖(6h間隔)也可以很清楚的看到雨雪轉換的大致時段和降雪量(見圖1)，8日20時—9日20時日雪量達27.8mm，達到暴雪標準。州內其余7站中，咸豐站(海拔776.9 m)、宣恩站(海拔571.8 m)在9日早晨到上午也出現了降雪和地面積雪，雪量均為0.8 mm。

圖1 2016年11月7日20時—9日20時恩施州利川市地面三線圖Fig.1 Three floor charts of lichuan city, enshi prefecture from 20:00 on November 7 to 20:00 on November 9, 2016

此次局部暴雨和暴雨轉暴雪的極端天氣，由于出現時間早、雪量大、降雪時段集中，受災非常嚴重，災情引起了當地政府和媒體的高度重視和廣泛關注，當地主流媒體及其它多家媒體，甚至中央電視臺都紛紛報道。從民政部門的調查核實資料和媒體采訪拍攝資料可知，此次暴雪災害主要出現在海拔1 000 m及以上地區，州中北部相對州南部山區降雪更強，9日，海拔1 500 m以上高寒山區積雪厚度普遍達到了30 cm以上。此次極端雨雪災害，導致州內恩施、利川、建始、巴東、宣恩、鶴峰6縣市51個鄉鎮共109 116人受災，尤以電力設施損毀嚴重，直接經濟損失共計23 671.2萬元，其中農作物經濟損失7 271.9萬元，基礎設施損失12 115.5萬元。

上述實況揭示出這次秋季暴雨轉暴雪過程的極端性特征，以下采用常規地面監測資料、MICAPS衛星資料、NCEP/NCAR再分析資料(空間分辨率2.5°×2.5°，時間分辨率6 h)，從暴雨轉暴雪天氣產生的環流形勢演變、水汽條件、動力機制及溫度層結特征等進行綜合分析，揭示其極端災害天氣成因。

2 結果分析

2.1 天氣系統

由2016年11月7日08時500 hPa高度場和溫度場的配置圖可以看出(圖略)，在烏拉爾山和鄂霍次克海兩地由高壓脊向極區發展，在貝加爾湖東部為一冷槽，貝湖東北部有一氣溫為-40 ℃的冷中心，冷渦底部不斷有小槽分裂東移，在青藏高原上不斷有短波槽東移，鄂西南處于槽前西南氣流中。7日夜間到8日，隨著冷槽東移南壓，帶動冷空氣南下開始影響我國，8日20時，槽線已位于鄂霍次克海—日本海一線，鄂西南仍處于南支槽前西南氣流中(圖2a)，從7日07時—9日08時,高空500 hPa實況圖還可以看出，副熱帶高壓穩定，588脊線一直穩定維持在25°N附近，這也是7—9日降水持續的重要原因。

從7—9日地面實況場的演變可以看出，7日08時—8日08時，貝加爾湖為龐大的冷高壓，中心氣壓值為1 045 hPa，高壓軸線呈西北—東南向(圖略)。8日白天開始，冷高壓開始東移南壓，8日20時，軸線由7日20時的110°E東移到120°E附近，冷鋒前沿由7日20時的秦嶺附近南壓至長江流域，影響恩施州的冷空氣主體為東路，同時，還有一股西路冷空氣從青海東南下，兩股冷空氣匯合影響長江流域(見圖2b)，8日中午開始，恩施州高海拔大部地區逐漸由雨轉雪或雨夾雪，夜間到9日凌晨出現暴雪。

圖2 2016年11月8日20時500 hPa(a)和地面環流形勢(b)Fig.2 Circulation situation at 20：00 500 hPa (a) and ground facts (b) on November，8 2016

從高低空系統綜合配置圖可以看出(圖3)，在暴雪開始前的7—8日白天，7日08時(見圖3a)，長江流域處于深厚的東北冷槽底部，鄂西南處于南支槽前西南氣流中，槽前正渦度平流形成高層輻散、低層輻合。700 hPa西南急流形成，鄂西南處于切變南側，恩施州正好位于暖切頂、冷切尾部輻合區中，冷暖空氣交匯充分，其切變區正渦度發展加強，氣流垂直上升運動加強。850 hPa恩施州處于切變北側的東北與西南氣流匯合區中，低空SW急流形成。從地面圖上可以看出，冷鋒位于秦嶺到河套附近，鋒前為大范圍雨區。綜合上述，低層輻合高層輻散的有利配置下，低空SW急流建立，中低層正渦度的發展加強，對降水的發展和加強非常有利，恩施州從7日凌晨開始到8日白天，持續大雨，局部暴雨。

圖3 2016年11月7日08時(a)和8日20時(b)天氣系統綜合配置圖Fig.3 Weather system integrated configuration chart at 08:00 on November 7 (a) and 08:00 November 8 (b) 2016

從7日20時、8日08時天氣形勢圖分析(圖略)，高空500 hPa、200 hPa與7日08時相比，大尺度天氣形勢場調整不大，但隨著冷空氣的進一步南壓，850 hPa到地面長江流域及以南地區，由之前的以西南風為主逐漸轉為大范圍東風氣流控制，到8日20時(見圖3b),冷鋒前沿已壓至長江流域，恩施探空站500 hPa西南氣流由7日08時的24 m·s-1加強到30 m·s-1，700 hPa貴陽—懷化一線西南急流軸仍然存在切有所加強，850 hPa氣溫由7日08時的9 ℃降至0 ℃，偏東風由7日08時的4 m·s-1加強到8 m·s-1，低空東風急流建立。綜上所述，冷空氣南下，西南暖濕氣流的加強，冷的下墊面形成，暖濕氣流沿冷空氣墊爬升為8日夜間到9日恩施州高海拔山區大范圍大雪，局部暴雪提供了必備條件。從9日08時圖分析(圖略)，海拔800 m以下低山大部地面氣溫由8日20時的6 ℃降至2 ℃左右，海拔1 000 m左右中山地區氣溫由2 ℃左右降至0 ℃附近，500 hPa鄂西南轉為平直西風或北風控制，700 hPa冷切變開始南壓，850 hPa東風減弱，9日上午，州內南部的低海拔局部也出現了降雪，但強度明顯減弱。9日20時，各層轉北風，此次雨雪過程結束。

2.2 中尺度系統

侯瑞欽等[6]指出，在暴雪過程中動力鋒生的重要性，其產生的鋒面次級環流是造成降水最直接的中尺度系統。并且，鋒面次級環流有利于暴雪增幅[7-8]。由熱成風原理及動力學鋒生理論[9]，低空急流多位于高空急流入口區的右側，有正渦度平流會形成高層氣流輻散，低層氣壓降低，隨南支槽前SW氣流向北流動，由于這股輻散氣流同樣由高壓向低壓流動，氣壓做功使得南風加強，在高空西風急流北側下沉，至低層后轉向南匯入強降水區的上升氣流中，構成一支經向垂直環流，同時還存在一支向南的高空輻散氣流，出現正反兩支垂直環流并存。

從圖4可以看出，大范圍強降雪出現時段的8日20時，鋒面次級環流也出現了正、反兩個環流圈。從圖4a中可以看到，在強降雪區上空(110°E附近)正反環流圈伴隨強的上升運動，從圖4b可以清楚的看到，110°E上空850 hPa及以下冷墊形成，近地面出現一個冷中心，伴隨正反環流圈，暖濕氣流沿冷墊爬升，形成強降雪。

圖4 2016年11月8日20時沿30°N垂直速度(a)、假相當位溫(b)風矢量疊加剖面圖(單位：垂直速度10-3hPa·s-1，假相當位溫K)Fig.4 Vertical velocity along the 30 ° N, fake a potential temperature (a) the wind vector superposition graph section at 20：00 on November 8, 2016(b)(unit∶vertical velocity 10-3 hPa·s-1, pseudo equivalent temperature K)

2.3 成因分析

2.3.1 良好的水汽條件 水汽條件是雨雪發生的必備條件。從11月7日08時—8日20時850 hPa水汽通量和水汽通量散度場分布圖可以看出(見圖5)，7日08時(圖5a)，鄂西南南部有一條NE-SW向的帶狀水汽通道(綠色色斑)，從南海到北部灣經過廣西、貴州、湖南、湖北，有兩個水汽大值中心，一個位于湖南中南部衡陽附近，一個位于廣西西北部的河池附近，中心值為13 g·s-1·cm-1·hPa-1。同時從水汽通量輻散場發現，鄂西南正處于水汽輻合中心區，其值為-0.8×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1。7日20時、8日08時(圖略)，這條水汽通道一直存在，水汽輻合中心略向西南移動，但恩施州一直處于水汽輻合區中，這說明，鄂西南不但具備源源不斷的水汽輸送條件，低層還存在較強的水汽輻合，具備水汽的垂直輸送條件，良好的水汽條件是7—8日，恩施州大部持續大雨、局部暴雨的重要原因之一。

圖5 2016年11月7日08時850 hPa(a)、8日20時700 hPa(b)水汽通量和水汽通量散度場疊加圖(等值線為水汽通量，單位為g·s-1·cm-1·hPa-1；色斑圖為水汽通量散度，單位為10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.5 Water vapor flux and water vapor flux dispersion field superposition diagram at 08:00 850 hPa on November 7(a),20:00 700 hPa on November 8,2016(The equivalent line is water vapor flux，Unit g·s-1·cm-1·hPa-1 ，The stain shows the vapor flux dispersion, Unit 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)

7日20時，中低層上述水汽通道仍然存在，850 hPa水汽通量大值區相對于7日白天到8日白天有所南壓，但700 hPa鄂西南南部有一條明顯的NE-SW帶狀水汽通道(綠色色斑)，中心值由7日08時的13 g·s-1·cm-1·hPa-1增強為16g·s-1·cm-1·hPa-1，與西南急流軸相對應(黑色實心尖頭)。同時次的水汽通量散度場上，鄂西南處于水汽輻合中心附近，其值為-0.4×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，較7日08時有所減弱。上述分析表明，水汽通量加強與西南急流加強有關，8日夜間到9日凌晨為降雪最集中時段，也證實了中層700 hPa水汽條件對強降雪的貢獻[10-13]。

采用NCEP再分析資料，做水汽通量散度的時間剖面圖(見圖6)，從圖上也可以很清晰的看出，7日05時左右在850 hPa附近出現水汽輻合中心，高層600 hPa以上為輻散氣流，低層輻合高層輻散的水汽垂直輸送條件，為7—8日白天的大范圍較強降雨提供了有利條件。8日20時—9日02時，中層西南暖濕氣流加強，強水汽輻合中心位于700 hPa附近，850 hPa及以下由于冷空氣鍥入為下沉氣流，暖濕氣流沿冷空氣墊爬升，中層逆溫同時又加強了輻合上升運動，使得強降雪得以出現和維持。趙坤、李進[14-17]等指出，降雪過程中對流層中高層強西南急流與暴雨過程具有相同點，但低層西南風不強，與暴雨過程不同。9日20時，整層為輻散下層氣流，雨雪結束。

圖6 2016年11月7—9日沿110°E、30°N水汽通量散度時間剖面圖(單位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.6 Flow divergence time profile along 110°E、30°N November 7—9，2016 (unit∶10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)

2.3.2 強輻合上升運動 從垂直運動時間演變圖看(圖7)，在雨雪持續期間的7—9日上午，恩施州上空始終有較強上升運動，其中出現兩個大值中心，分別是7日08時的700 hPa附近、9日02時的500 hPa附近，中心值為-0.45×10-3hPa·s-1。從散度時間剖面圖可以看到(圖8),7—9日14時，低層輻合高層輻散的配置始終存在，同樣在7日08時、9日02時有兩個輻合中心，7日08時，600 hPa以下為輻合區，最強出現在850 hPa附近，為-2×10-5s-1，最強輻散出現在250 hPa附近，為1×10-5s-1。9日02時，最強輻合中心位于700 hPa附近，為-1×10-5s-1，高層強輻散中心同樣位于250 hPa附近，但下沉氣流更強，輻散最值為2.5×10-5s-1。此時，低層到地面已受冷空氣影響形成冷墊，暖濕氣流沿冷墊爬升形成降雪，與前述吻合。

圖7 2016年11月7—9日沿110°E、30°N垂直運動時間剖面圖(單位：10-3hPa·s-1)Fig.7 Diagram of vertical motion time along 110°E、30°N ,November 7—9，2016 (Units:10-3hPa·s-1)

圖8 2016年11月7—9日沿110°E、30°N散度時間剖面圖(單位：10-5s-1)Fig.8 A time profile along 110°E、30°N November 7—9， 2016 (Units: 10-5s-1)

從水汽通量散度經向剖面圖看，7日08時(圖9a)，110°E附近及上空低層輻合高層輻散特征非常明顯，最強輻合中心在850 hPa附近，7—8日白天，該時段基本持續大雨天氣。8日20時(圖9b)，強輻合中心向西南移動，低層最強輻合中心位于100°E附近近地層，在本次降雪區(110°E)上空，水汽輻合中心位于700 hPa附近，850 hPa及以下則因為冷平流入侵為下沉氣流，水汽輻合軸線呈明顯的NW-SW帶狀，與700 hPa西南急流軸一致，暖濕氣流沿著冷空氣墊爬升，在8日夜間—9日早晨出現強降雪，再一次印證了前述結論。

圖9 2016年11月7日08時(a)、8日20時(b)沿30°N水汽通量散度垂直剖面圖(單位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.9 Vertical profiles of water vapor flux divergence along 30°N at 0800 hours (a) and 0800 hours (b) on November 7，2016 (unit∶10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)

2.3.3 有利的溫度層結條件 此次暴雪發生在秋季，對比恩施州各國家觀測站60余年歷史資料，比歷史初雪日普遍提前20～30 d，為有氣象資料記錄以來首次。而此次暴雪有一個由暴雨轉換為暴雪的相態變化，這也是預報之難點，故有必要探討秋季雨雪轉換中的溫度指標條件。

假相當位溫θse反應了大氣的溫濕狀況，其分布反應了大氣中能量分布特征和溫度分布特征。從假相當位溫時間剖面圖看(圖略)，7日，從高層到地面均為暖平流，θse≥320 K，其中在400 hPa附近為340K左右的高能中心，說明西南暖濕氣流發展較強。8日白天開始，850 hPa及以下出現θse≤300 K的小值區，小值中心區出現在8日14時的850 hPa附近，340 K左右的高值區仍位于400 hPa附近，此時，高能舌疊加在低能舌之上，形成上暖下冷的溫度層結，低層冷空氣墊的形成，為雨轉雪提供了條件，從前述利川站實測，于8日11時35分轉雨夾雪，從理論分析，地面海拔更高山區也已轉雪或雨夾雪。

恩施州海拔1 000 m以上地區大范圍轉純雪主要出現在8日20時后，本文選取11月8日08時和20時恩施站探空圖做對比分析(圖10)。

圖10 2016年11月8日08時(a)、20時(b)恩施站T-lnp圖Fig.10 T-lnp map of 08:00(a),20:00(b) on November 8, 2016

20時與08時比較，冰相層(高層)相差不大，重點關注中低層，有以下兩個不同點。一是逆溫層的變化，20時相對于08時,逆溫層增厚，由08時的600～650 hPa之間加厚到600～700 hPa之間，同時逆溫由08時的-2～-3 ℃升高到-1～-2 ℃；二是0 ℃層和近地面溫度的變化，08時0 ℃層高度在2 120 m(840 hPa),20時降低到1 600 m(850 hPa),近地面925 hPa由08時的6 ℃降低為4 ℃，地面氣溫在海拔1 000 m附近降至2 ℃以下，以利川為例，降至1.6 ℃。徐雙柱等[5]在分析研究中得到湖北降雪特點，即地面氣溫在2 ℃或以下、850 hPa在0 ℃以下時，降水性質為雪或雨夾雪，與8日20時利川站、9日08時海拔800 m以下出現降雪的咸豐、宣恩站溫度條件吻合，該指標也可作為鄂西南地區降雪指標。

3 結論與討論

綜合上述分析，有以下主要結論：

①2016年11月7—9日出現在湖北省西南部山區的暴雨轉暴雪天氣，是東移南下強冷空氣與西南強暖濕氣流共同作用的結果。低空急流的形成與維持，南支槽前正渦度的加強以及中層正好處于冷暖氣流交匯區，這種高層輻散、低層輻合的有利配置，是7—8日產生大范圍大雨、局部暴雨的主要天氣背景；8日夜間到9日的暴雪產生，除中層700 hPa西南暖濕氣流加強對降雪增幅的貢獻外，還主要受東、西兩路冷空氣匯合加強共同影響。

②動力鋒生產生的正、反兩支鋒面次級環流是造成降雪最直接的中尺度系統，正反環流圈伴隨強的上升運動，暖濕空氣沿冷墊爬升，產生強降雪。

③此次雨雪持續期間，水汽充沛，影響區上空NE-SW帶狀水汽通道一直存在，且伴有強的水汽輻合。在強降雪影響期間，影響區上空同樣存在NE-SW帶狀動力結構，這種鋒面斜壓性特征，加強了輻合上升運動。

④針對秋季雨雪轉換的溫度層結特點，重點關注中層逆溫和近地層氣溫變化。綜合相關文獻及本文研究結果，針對湖北地區降雪，850 hPa在0 ℃或以下、地面氣溫在2 ℃或以下，可作為雨轉雪或雨夾雪的溫度指標。中層逆溫不是降雪必備條件，但對于產生強降雪需要適宜的中層逆溫，本次暴雪災害個例逆溫出現在-1 ℃附近，該指標也可作為秋季降雪的參考指標。