2020年初內蒙古一次暴雪天氣過程的成因分析

黃曉璐，林弘杰，李一平*，李瑞青

（1.內蒙古自治區氣象臺，內蒙古 呼和浩特010051；2.內蒙古氣象干部培訓學院，內蒙古 呼和浩特010051；

3.內蒙古大學，內蒙古 呼和浩特010051）

暴雪是內蒙古冬季的主要災害性天氣之一，隨著社會經濟的發展，暴雪天氣對交通運輸、水利電力、工農業生產和人們的生活等造成的影響越來越大，公眾和政府對降雪及雨雪相態轉化的預報也越來越關注。眾多學者對暴雪天氣過程中各尺度系統間的相互作用和發生發展的動力機制等方面研究表明，低空西南急流、中層切變線和鋒面的配合最容易產生暴雪天氣[1-5]。靳冰凌等[6]分析指出上暖下冷的穩定形勢是暴雪形成的重要特征。周雪松等[7]認為華北回流暴雪的主要動力機制是動力鋒生。王迎春等[8]對北京降雪個例進行分析指出，南方的暖濕空氣在華北地區近地面層的冷空氣墊上爬升造成降雪。低層回流冷空氣是干冷的，回流降水的水汽來自南方的暖濕空氣[9-11]。顧佳佳等[12]研究指出，冷空氣沿東北路侵入河南地區并在低層形成冷空氣墊，迫使暖濕氣流抬升，形成顯著的鋒生和次級環流，有利于暴雪的維持和發展。還有一些學者對鋒生函數各項進行了細致的分析[13-15]，但大部分針對暴雨事件。濕位渦在暴雪中具有較好的指示性，當對流層低層MPV1>0，MPV2<0時，易發生暴雪天氣[16]。壽紹文等[17]指出，高空正的濕位渦與對流層頂下降相對應，當高空有正的濕位渦向下游移動疊加在低空鋒區上空時，可以誘生出氣旋式環流并向下伸展，可見分析暴雪天氣中鋒區特征、濕位渦及二者的關系是十分有必要的。

趙桂香等[18]2007年首次將“回流與倒槽共同作用”歸為一種暴雪影響形勢，即在回流高壓底部和倒槽頂部的偏東氣流共同影響下產生的暴雪天氣。馬素艷等[19]從物理量場、衛星和雷達等方面分析對比了兩次內蒙古回流與倒槽作用下的暴雪天氣，指出了這種形勢對內蒙古暴雪天氣的重要影響，但目前對內蒙古自治區回流與倒槽作用下的暴雪天氣研究非常少，對其鋒區結構的分析更少。本文以2020年2月13日夜間—14日內蒙古的暴雪天氣過程為例，利用常規觀測資料和NCEP再分析資料，探討暴雪天氣的環流背景、水汽來源、動力條件、鋒生函數及各項的貢獻和濕位渦與鋒區的關系，以期加深對內蒙古回流與倒槽作用下降雪天氣成因的認識，為今后內蒙古回流降雪天氣的預報提供參考。

1 天氣實況

圖1a給出2020年2月13日20時—14日20時的降雪量分布，內蒙古119個國家站中有60站出現降雪天氣，24站出現大雪，大雪主要發生在錫林郭勒盟南部、赤峰市大部（114°～118°E，41°～44°N），其中7個站出現暴雪：巴林右旗12.3 mm、正藍旗12 mm、克什克騰旗11.5 mm、赤峰10.6 mm、林西縣10.3 mm、崗子10.1 mm、喀喇沁旗10 mm。從降雪的時間分布可以看出（圖1b），降雪從14日02時開始明顯增大，14日10時開始減弱，14日02—08時，巴林右旗降雪量＞10 mm，巴林右旗、正藍旗、克什克騰旗出現逐小時降雪量＞2 mm，其中正藍旗在14日05時降雪強度最大，達2.4 mm·h-1。強降雪區域積雪深度大，均＞10 cm，48 h內新增積雪達9～14 cm（圖1c），導致多條高速公路封閉，交通運輸受阻，航班延誤甚至取消。本次降雪過程具有強度強、范圍廣、伴隨大風降溫天氣的特點。

圖1 2020年2月13日20時—14日20時累計降雪量（a）、14日02—18時巴林右旗、正藍旗、克什克騰旗、赤峰的逐小時降雪量（b）和強降雪站點13、15日的積雪深度及新增積雪量（c）

2 環流形勢分析

降雪開始前期（13日20時），對流層高層300 hPa有較強的高空急流存在（圖2a），中心軸風速達50 m/s以上，內蒙古中東部偏南地區位于高空急流入口區右側的輻散區中，具有強的高空輻散，強烈的抽吸作用促進整層的上升運動，500 hPa（圖2c）呈現“兩槽一脊”的形勢，阻塞高壓脊位于70°～95°E，高壓脊東移加強，脊前橫槽轉豎，為強降雪天氣的發生提供了有利的大尺度環境場，堆積的強冷空氣東移南壓，內蒙古中東部偏南地區位于高空槽前的西南氣流里。低層700 hPa內蒙古中部存在切變線（圖2a），內蒙古中東部偏南地區處于低空西南急流左前側的強輻合區內，內蒙古中東部偏南地區等溫線和等高線密集，存在與強冷空氣對應的明顯鋒區。850 hPa（圖2b）存在明顯的偏東風急流，錫林郭勒盟和赤峰市位于東南風和東北風急流的切變中，有利于低層輻合上升運動。考慮對流層高低空急流的耦合作用，有利于增強鋒面次級環流上升支，為降雪提供有利的動力抬升條件和水汽條件。圖2d給出12日20時—14日20時地面冷高壓路徑及地面冷鋒的演變和14日02時地面倒槽的位置，12日20時開始，地面冷高壓東移南壓，在14日08時中心強度達1 068 hPa，12日20時—13日08時，冷鋒隨冷高壓東移南壓，移入內蒙古，內蒙古地區處于西北高東南低的氣壓場中，原位于河套地區西南部的地面低壓東移北抬形成地面倒槽，內蒙古中東部偏南地區受地面冷高壓底部和地面倒槽頂部偏東氣流的共同影響，13日20時—14日02時伴隨地面冷鋒過境，降雪加強。08時后隨著地面冷鋒逐漸東移南壓移出內蒙古，降雪開始減弱，14日14時后，500 hPa高空槽東移南壓，逐漸移出內蒙古，700 hPa由偏南風轉為偏西風，850 hPa以下由偏東風轉為西北風，700 hPa以下風力開始減弱，降雪趨于結束。

圖2 13日20時300 hPa風速（陰影，單位m/s）和散度場（黑色實線，單位10-5/s）、700 hPa風場（風矢量，單位m/s）的疊加（a）、850 hPa（b）、500 hPa（c）環流場以及12日20時—14日20時地面影響系統的時間演變圖（d）

環流形勢分析表明，暴雪發生前，內蒙古中東部偏南地區在對流層上層有顯著的輻散，對流層中低層存在明顯的輻合，利于上升運動的發生和維持，700 hPa西南急流向該地區輸送暖濕氣流，為本次暴雪過程提供了充足的水汽條件，地面冷高壓和倒槽的有利配置和維持利于偏東風在近地層不斷地輸送冷空氣，在850 hPa及以下偏東風氣流的作用下，冷空氣形成“冷墊”，迫使暖濕空氣沿“冷墊”爬升，為內蒙古中東部偏南地區暴雪過程提供了有利的動力條件，配合冷鋒過境有利于內蒙古中部偏東偏南地區強降雪天氣的加強和維持，當低層轉為西北風，風力開始減弱后，降雪趨于結束。

3 物理量的診斷分析

3.1 水汽條件分析

14日02時沿42.5°N（切變線）做水汽通量散度、風場和比濕的剖面（圖3a），在發生強降雪的范圍內，800 hPa以下盛行東北風，800 hPa以上盛行西南風，從地面到850 hPa，117°E以東為水汽通量散度輻散區，說明低層東北風帶來的主要是干冷空氣，地面到600 hPa有明顯的水汽通量散度輻合區，水汽通量散度在700 hPa附近、116°E處輻合最強，最大值超過20×10-6g/（s·cm2·hPa），比濕的大值中心位于700 hPa附近，最大值超過3 g/kg。可見，水汽主要源于800～700 hPa西南風的輸送。同時給出700 hPa水汽通量、比濕和風場的分布（圖3b），圖3b中110°～130°E和35°～45°E范圍，有明顯的水汽輸送帶，與700 hPa西南風急流對應，暴雪主要發生在錫林郭勒盟南部和赤峰市西部，這一區域比濕＞2.5 g/kg，局地水汽條件很好，有＞5×10-5g/（（s·cm·hPa）的水汽通量高值舌輸入，有利于水汽的輸送。

圖3 14日02時水汽通量散度（陰影，單位：10-6 g/（s·cm2·hPa））、風場（單位：m/s）和比濕（等值線，單位：g/kg）沿42.5°N的剖面（a）及700 hPa水汽通量（陰影，單位：10-5 g/（s·cm·hPa））和比濕（等值線）（b）

綜上分析，比濕、水汽通量散度和水汽通量都有較好的指示意義，水汽輸送主要來自中低層的西南風急流，不僅為低層提供了強的動力輻合條件，也有利于南方暖濕氣流的輸送，促進水汽的輻合積聚，為暴雪提供了充足的水汽供應。

3.2 上升運動和冷暖平流

低層輻合、高層輻散是構成氣流上升運動的充分必要條件，此外水汽的匯合和抬升主要也是靠低空流場的輻合來完成[20-21]。從14日02時散度場和垂直速度沿42.5°N的剖面圖可知，114°～118°E 500 hPa以下散度值為負，700 hPa附近有輻合中心，中心值＜-5×10-5/s，500～200 hPa散度值為正，300 hPa附近為輻散中心，中心值＞4×10-5/s，中低層的輻合強于高層輻散，有利于垂直運動的發展。垂直速度場在強降雪區呈負值分布，高度達300 hPa，垂直速度大值中心位于500～400 hPa，最大值超過16×10-1Pa/s，呈現明顯的上升氣流，有利于水汽的垂直輸送。垂直上升運動的中心與散度場中的輻合與輻散中心高度耦合，為暴雪過程提供了強烈的上升運動，促進過程中水汽的匯合和抬升。從14日02時溫度平流沿42.5°N的垂直剖面可知，850 hPa以下為偏東或者東北氣流所控制，存在明顯的冷平流，114°～118°E 850 hPa以上為深厚的暖平流，與垂直速度的疊加可以看出，配合顯著的上升運動，即存在暖空氣的強烈抬升。112.5°～118°E 800 hPa附近，為溫度平流的密集區，即高層暖空氣和低層冷空氣重疊而形成的鋒區，進一步說明低層自東北向西南輸送的冷空氣起到冷墊的作用，冷空氣沿低層東北風自北向南輸送，暖濕的空氣沿冷空氣爬升，促進錫林郭勒盟南部和赤峰市西部產生暴雪，大到暴雪天氣出現在鋒面附近及鋒后區域。

錫林浩特700 hPa以上為偏西風和西南風，850 hPa以下為偏北風和東北風，500 hPa西南風風速為27 m/s，700 hPa西南風風速為16 m/s，850 hPa東北風風速為14 m/s，垂直風切變非常強，850 hPa為干層，到700 hPa存在7.5℃的逆溫層。850 hPa以下為干冷的東北氣流，700 hPa以上為西南暖濕氣流。綜上分析，本次暴雪過程中，低層輻合高層輻散，配合顯著的上升氣流，垂直風切變強，一方面促進了上升運動，另一方面有利于水汽積聚與輸送，受地面冷鋒影響，暖濕氣流沿低層冷墊爬升，有利于錫林郭勒盟南部和赤峰市西部地區發生大到暴雪天氣。

4 鋒面特征分析

強降雪過程的發生與地面冷鋒密切相關，為了研究地面冷鋒的強度變化，通過計算鋒生函數進行診斷分析。鋒生函數的計算過程中，考慮到假相當位溫θse是一個包含溫度、氣壓和濕度的綜合物理量，在干絕熱、濕絕熱和假絕熱過程中都守恒[22-23]，降雪過程中空氣濕度較大，上升和下沉運動可近似看成濕絕熱過程，所以利用θse來計算鋒生函數，其表達式為[24-25]：

其中，

式中，F1為變形項，F2為輻合項，F3為垂直項，當F>0時，為鋒生，F<0時，為鋒消。

4.1 假相當位溫

圖4a給出14日02時700 hPa假相當位溫和風場的分布圖，110°E以東，45°N以北為假相當位溫的低值區（<276 K），以南為假相當位溫的高值區，暖濕氣流位于114°～118°E，41°～44°N，濕舌伸展到42°N，西南風急流中心風速＞22 m/s，降雪強度明顯增大。850 hPa上，110°E以東，假相當位溫在41°N以北為低值區，且受東北急流控制，說明來自東北平原的冷空氣為干冷空氣，與來自西南的暖濕空氣在41°N附近交匯。沿（38°N，123°E）至（48°N，112°E）做假相當位溫、溫度和風場的剖面（圖4b），在內蒙古中東部偏南地區形成θse的密集區，即鋒區（272～298 K的區域），強鋒區由近地面向上伸展到700 hPa，南北跨越5個緯距（38°～43°N），鋒區內有明顯的逆溫，鋒區向北傾斜，傾斜鋒區之下為假相當位溫低值區，以東北風為主，屬于干冷空氣，強鋒區上空為假相當位溫高值區，38°N處假相當位溫呈近似漏斗狀分布，漏斗狀右側受西南風影響，暖濕氣流沿鋒面爬升，說明中高層北上的暖濕氣流在低層南下的冷空氣上爬升，大到暴雪天氣發生在鋒面附近及鋒后區域，來自東北平原的冷空氣起到了冷墊的作用。

圖4 14日02時700 hPa假相當位溫（黑色等值線，單位：K）和風場（單位：m/s；陰影是急流）分布圖（a）及假相當位溫和溫度（紅色等值線，單位：℃）沿38°N，123°E至48°N，112°E的剖面（b）

4.2 鋒生函數和次級環流

降雪過程的形成和加強與鋒面的發展有緊密的聯系，錫林郭勒盟正藍旗站，13日08時—14日14時出現連續鋒生，在850～700 hPa上有明顯的正值中心帶，在14日02時出現最強鋒生，14日14時以后鋒生函數數值減小出現負值，出現鋒消，正藍旗降雪停止，可見鋒生與鋒消的變化與降雪天氣的發生與結束相呼應。

總鋒生函數F的分布（圖5a）可知，鋒生落區的分布和降雪落區的分布形狀相似，鋒生主要發生在倒槽中，800 hPa以上的暖濕氣流沿低層冷墊爬升，溫度梯度加大，產生鋒生，內蒙古中東部偏南地區有明顯的鋒生，存在＞20×10-10K/（m·s）的鋒生區，其中錫林郭勒盟南部和赤峰市西部地區鋒生函數值超過36×10-10K/（m·s），與暴雪落區相對應，進一步說明了鋒生作用在強降雪過程的重要性。因為垂直運動項的作用對強降雪過程的鋒生函數貢獻特別小，圖5b、5c給出F1和F2的分布圖。水平變形場作用項和水平輻合輻散項在強降雪過程中均是有利于鋒生的，其中主要的貢獻項是水平變形場作用項，在暴雪區域可達24×10-10K/（m·s），水平輻合輻散項的貢獻作用相對較小，暴雪區數值＞4×10-10K/（m·s）。綜上分析可知，鋒生作用主要是冷暖空氣交匯產生的，強鋒生落區與強降雪區域相對應，水平變形作用項對鋒生的貢獻最大，垂直運動項對鋒生的貢獻最小。

由鋒生函數F、水平風矢量和垂直速度沿116.5°E的剖面圖（圖5d）可知，鋒區隨高度向北傾斜，42.5°N附近800 hPa處鋒生函數強度最大，超過44×10-10K/（m·s），在鋒區北側高空下沉氣流及1 000～800 hPa上東北氣流的共同作用下，干冷氣流形成“冷墊”，迫使暖濕空氣沿冷墊抬升，同時不斷的有干冷空氣向中低層暖濕氣流下方入侵，形成次級環流，導致上升運動加強，降雪隨之加強，次級環流的上升支與高層擴散下來的下沉冷空氣交匯鋒生后，又與西南暖濕氣流輻合鋒生，促進上升支的加強，有利于次級環流的維持，次級環流的上升支與暴雪落區（42°～44°N）相對應，由此可見，鋒生區和次級環流的正反饋作用有利于降雪增強，也是暴雪天氣維持和發展的重要原因。

圖5 2020年2月14日02時850hPa總鋒生函數F（a）、水平變形場項F1（b）、水平輻合輻散項F2（c）的分布（單位：10-10 K/（m·s））、鋒生函數和水平風場及垂直速度沿116.5°E的剖面（d）

4.3 鋒區與位渦的關系

位渦對于許多中高緯度的天氣系統的移動與發展有指示意義，其分布一般是高緯度大于低緯度，高層大于低層，位渦的分布對應著一定的氣流結構，相對高位渦區域（在同一等熵面上，相同緯度上，位渦的值相對于其他的位渦值）是和高度場的槽以及氣旋式氣流相聯系的，而相對的低位渦區域是和高度場的脊以及反氣旋氣流相聯系的[26]。

濕空氣的位渦即濕位渦，吳國雄等[27]從原始方程出發并推導出濕位渦，并證明了絕熱無摩擦的飽和大氣中濕位渦的守恒性，濕位渦是綜合反映大氣熱力、動力和水汽性質的物理量，在暴雪等方面的應用較廣泛，濕位渦分為兩部分：

其中，MPV1是濕位渦的垂直分量，即濕正壓項；MPV2是濕位渦的水平分量，即濕斜壓項，當對流層低層MPV1>0，MPV2<0時，表示大尺度上大氣處于層結對流穩定狀態，但中尺度上發展出斜升氣流，存在對稱不穩定能量，有利于氣旋性渦度發展和暴雪的發生[28]。

14日02時，的分布。在114°～118°E，41°～44°N的強降雪區域，均出現了MPV1>0，MPV2<0，量值較大且分布非常密集，MPV1和MPV2的這種分布有利于暴雪天氣的發生。14日02時假相當位溫、MPV1和MPV2沿116.5°E的剖面。鋒區內對應著負的MPV2區，說明此處斜壓性較大，中低層的高MPV1區和鋒區緊密疊加，高層的MPV1濕舌與鋒區中的中高層對應，高空正MPV1向下伸展貫通，促使冷空氣向下擴散，下傳的正位渦氣塊會引起低層冷空氣的加強，冷暖空氣對比度加大，有利于鋒生，同時濕斜壓性增強，斜壓氣流的發展有利于氣旋性渦度的增強，從而進一步增強降雪。

5 結論

利用常規觀測資料和NCEP（1°×1°）再分析資料，對2020年2月13—14日發生在內蒙古的一次回流與倒槽共同作用下的暴雪天氣過程進行分析，得到以下結論：

（1）500 hPa阻塞高壓脊穩定維持，脊前橫槽轉豎，為暴雪過程提供了大尺度的環流背景，高空急流、700 hPa切變線和西南風急流、850 hPa偏東風急流、地面冷高壓和倒槽的配置提供了有利的動力條件。

（2）700 hPa西南風急流不僅提供了低層強的動力輻合條件，也有利于南方暖濕氣流的輸送，促進水汽的輻合積聚，為暴雪過程提供了充足的水汽供應，暴雪區域比濕＞2.5 g/kg，700 hPa水汽通量散度在此區域輻合最強，并與水汽通量高值舌區重合。

（3）在高空下沉氣流及1 000～800 hPa上東北急流的共同作用下，干冷氣流形成“冷墊”，迫使暖濕空氣沿冷墊抬升，形成深厚的鋒區和次級環流，鋒生與鋒消的變化與降雪天氣的發生結束相呼應，鋒面次級環流的形成有利于鋒生加強，鋒生與次級環流的這種正反饋作用，是暴雪天氣維持和發展的重要原因。

（4）強鋒生落區與暴雪區域相對應，其中水平變形作用項對鋒生的貢獻最大，垂直運動項對鋒生的貢獻最小。濕位渦在強降雪落區內MPV1>0，MPV2<0，有利于暴雪的發生。高空下傳的正MPV1會引起低層冷空氣加強，冷暖空氣對比度加大，有利于鋒生，同時濕斜壓性增強，誘發氣旋式環流，進一步增強降雪。