河北北部強降雪統計特征及預報

楊 杰，范俊紅，段宇輝，王 宏

（1.承德市氣象局，河北 承德 067000；2.河北省氣象服務中心，河北 石家莊 050021；3.河北省氣象臺，河北 石家莊 050021）

降雪是我國北方冬季常見天氣之一，而強降雪作為一種災害性天氣，對國民經濟和人民生活具有重大影響，其影響越來越受到社會各界廣泛關注。承德市冬季降水少，水資源短缺，強降雪雖可以補充水資源，但也會造成積雪成災，因此準確預報強降雪對科學利用、儲存水資源和做好防災減災氣象服務具有重要意義。

我國研究人員早期對強降雪的研究大多針對西北高原[1-5]，對于華北強降雪研究相對較少。進入21世紀，對華北強降雪研究逐漸增多。張恒德等[6]對2010年3月14日華北強降雪進行模擬，得出螺旋度大值區對應強降雪中心。段麗等[7]分析2009年深秋北京大雪過程，指出強降雪發生前500 hPa正渦度平流區、對流層中上層水平輻散中心及對流層中下層水平輻合中心呈垂直結構控制北京，為北京提供有利動力環境。吳振玲等[8]對2011年2月下旬天津一次大到暴雪進行診斷，發現降雪前天津及其周邊有較強對流不穩定能量和對稱不穩定性。王宏等[9]引入濕位渦對河北東北部暴雪過程進行分析，指出降雪過程中MPV1值為正，且純雪過程的MPV1值大于雨夾雪的MPV1值。隨著研究深入，對華北強降雪的認識也越深，研究人員認為華北冬季降雪以回流降雪為主，華北回流是引起華北冬季強降雪的主要天氣形勢之一[10-12]。張守保等[13]普查1980—2002年華北回流天氣，依據500 hPa環流將其高空形勢分為“兩槽一脊”和“高緯低壓帶”。張迎新等[14]發現低層冷空氣雖然經渤海侵入華北平原，但仍保持干冷，在降水中起“冷墊”作用。閻訪等[15]發現回流暴雪開始階段的云水含量能夠顯示水汽迅速增加。張迎新等[16]從風廓線反演產品中發現邊界層和中低層風速加大與降水加強有很好的應關系。宋曉輝等[17]對2009年11月9—12日河北省回流暴雪進行模擬，指出暴雪區近地層為干冷氣團形成的冷墊，暖濕氣流沿鋒面上界向高層輸送，暴雪的出現與高溫高濕能量輸送密切相關。此外，王叢梅、王麗榮、田秀霞等[18-20]也對河北南部回流暴雪進行了深入分析。這些工作雖然從不同方面對河北降雪進行研究，但多集中在河北中南部，對于河北北部降雪的研究則較少，有必要進行深入分析。

雖然河北冬季降雪主要為回流降雪，但氣旋、低壓倒槽等系統也常給河北造成強降雪，如2007年3月3—4日，江淮氣旋沿東北方向移動與北方強冷空氣相遇，冷暖空氣交匯造成河北中北部出現大到暴雪、東南部出現大到暴雨；2012年11月3—4日，在地面氣旋和高層系統共同影響下，河北出現強雨雪天氣，多地日降水量突破同期極值，其中承德地區同時出現暴雨和特大暴雪。承德位于河北省東北部燕山腹地，北與內蒙古高原接壤，高原以下為燕山山地，獨特的地理位置和地形使承德既易受回流冷空氣影響，也易受北上的低壓系統影響，強降雪頻發，預報難度大。因此，對承德市強降雪過程進行深入分析，對提高強降雪預報準確率、做好防災減災救災氣象服務具有重要意義和科學價值。

1 資料和方法

對1986—2016年承德市9個氣象觀測站降雪資料進行篩選，并對強降雪的時空分布及降水特征進行統計分析。篩選條件為有1個以上觀測站（包括1站）日降雪量≥5.0 mm（過渡季節有雨雪混合時，須觀測記錄顯示純降雪量≥5.0 mm）。

選取2000—2016年范圍廣、影響大的強降雪過程，利用常規觀測資料和NCEP（1°×1°）再分析資料進行天氣學分型，再采用氣候統計、天氣學分析、動力學診斷、相關性分析等方法進行物理量分析，以找出有指示意義的物理量及其特征值作為預報指標，建立預報方法。

2 強降雪的統計特征

2.1 時間分布

對1986—2016年承德市降雪進行統計發現：共有67次日降雪量≥5.0 mm，其中有20次日降雪量≥10.0 mm。強降雪過程最多的是1990和2007年，均為5次；最少的是1994、1995、2005、2008和2014年的0次，無強降雪過程的最長時間間隔為2 a。全市共有173站次出現大雪，50站次出現暴雪（圖1a）。在統計出的67次強降雪過程中，有1次發生在10月，28次在11月，4次在12月，6次在1月，2和3月均出現14次，可見強降雪集中發生在11、2和3月，最早出現在10月，最晚結束于次年3月（圖1b）。

圖1 1986—2016年承德市大雪、暴雪過程降雪站數及大雪、暴雪站數（a）和大雪、暴雪過程的月分布（b）

2.2 空間分布

1986—2016年承德地區大雪、暴雪發生次數從南到北遞減，南部的強降雪過程明顯多于北部（圖2）。強降雪發生次數最多的是興隆站（34次），其次是承德站（33次），最少的是豐寧站（14次）。從降雪量級來看，雖然豐寧站強降雪次數最少，但極端性降雪次數卻最多。

圖2 1986—2016年承德市強降雪發生次數空間分布

2.3 降水特征

由于資料原因，選取2000—2016年降雪天氣過程進行統計分析，共統計出37次強降雪個例。通過對這些個例的降雪站數、降雪量≥5 mm和降雪量≥10 mm的站數、最大降水量以及降水相態進行統計發現：過渡季節的強降雪過程常伴有降水相態轉換，該時段的降雪量明顯大于冬季純雪過程的降雪量（表1）。

表1 2000—2016年承德市強降雪過程的降水特征

3 大尺度環流背景

對2000—2016年承德地區37次強降雪過程的環流形勢及影響系統進行歸納總結：高空西風槽幾乎伴隨所有強降雪過程，在影響系統中是共有的，而地面影響系統卻有較大差別。地面系統主要為回流冷鋒和地面低壓系統（低壓倒槽或氣旋），另有少數過程的地面形勢為弱流場。根據地面環流形勢及影響系統可將強降雪分為回流型（59.46%）、地面低壓型（32.43%）和弱流場型（8.11%），其中回流型和地面低壓型強降雪發生次數多、影響范圍廣，因此主要分析回流型和地面低壓型強降雪。

3.1 回流型

降水發生前，200 hPa急流軸呈東西走向，承德位于急流軸左前側的輻散區（圖3a）。500 hPa上40°～60°N范圍內為低壓帶，環流經向度較小，河北受偏西氣流影響。700 hPa在內蒙古至山西一帶常有切變線，河北上空為西南低空急流，暖濕氣流直達河北北部。850 hPa以下為東北或偏東氣流，冷空氣由我國東北回流到河北地區。海平面氣壓場呈“北高南低”型，河套附近多有向東北方向伸展的倒槽。降水期間，200 hPa急流軸穩定少動。500 hPa低壓帶中的冷空氣不斷補充南下，河套附近常有短波槽活動（圖3b）。700 hPa切變線東移，暖濕氣流在河北上空產生輻合，850 hPa以下東北或偏東氣流加強。地面冷高壓緩慢東移加強，海平面氣壓場持續呈“北高南低”形勢，河套附近仍有向東北方向發展的倒槽，冷暖空氣在承德上空長時間交綏形成強降雪。

圖3 200 hPa風速（填色，單位：m/s）、500 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）、700 hPa風場（風向桿，單位：m/s）的合成流場和海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）

進一步分析地面冷高壓中心分布特征可知，高壓中心出現范圍為90°～120°E、40°～55°N，中心強度在1 040 hPa及以上占59.1%。因此如果在90°～120°E、40°～55°N范圍內出現強度在1 040 hPa以上的冷高壓，同時在河北上游高空有低壓帶或短波槽出現，承德即有產生回流型強降雪的可能性。

從回流型強降雪過程的典型探空曲線（圖4）可以看出，850 hPa以下為東北風，將東北平原的冷空氣向降雪區輸送，形成冷墊；850 hPa以上是暖濕的西南風，偏南暖濕氣流沿著冷墊向北向上爬升，因此其上部常有逆溫出現。降雪開始前，冷墊層多為干冷氣團，850 hPa以上為濕層；降雪開始后，濕層變得深厚（圖4a、4b）。冷墊不僅為降雪提供必要的溫度條件，也為暖濕空氣爬升提供抬升機制，有利于強降雪的形成。

圖4 回流型強降雪過程的典型探空曲線

3.2 地面低壓型

降水發生前，200 hPa急流軸呈東西走向，承德位于急流軸左側附近（圖5a）。500 hPa經向環流明顯，105°～115°E范圍內有一南北向低槽，河北受槽前西南氣流影響（圖5b）。700 hPa切變線與高空低槽接近垂直，切變線右側西南氣流直達河北北部，850 hPa及以下為偏南氣流，暖濕氣流持續向河北輸送水汽。海平面氣壓場呈“西北高、東南低”特征，河北北部位于倒槽或低壓范圍內。降水期間，200 hPa急流軸穩定少動，500 hPa低槽東移加深，環流經向度加大，槽前西南氣流加強。700 hPa切變線東移加強，其右側西南氣流可增至急流，持續向承德輸送水汽。850 hPa以下偏東或偏南暖濕氣流隨著低壓系統北上，可形成氣旋性環流。海平面氣壓場仍呈“西北高、東南低”特征，地面冷高壓減弱，而倒槽或低壓（氣旋）則發展加強并緩慢東移，大量水汽被輸送至承德上空，冷暖空氣長時間交綏形成強降雪。

圖5 200 hPa風速（填色，單位：m/s）、500 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）、700 hPa風場（風向桿，單位：m/s）的合成流場和海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）

4 物理量場診斷

4.1 水汽條件

回流型強降雪過程中（圖6a），整層氣柱總含水量為6～12 mm，且在河北北部地區存在西北—東南走向的濕舌，這種分布特點是回流型強降雪的一個典型特征。800 hPa水汽輸送強度為1～3 g/（hPa·cm·s），同時伴有-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）的水汽通量散度輻合，即低層水汽通道暢通，有水汽源源不斷向降雪區輸送的同時，也伴有水汽輻合，水汽條件十分有利于形成強降雪。地面低壓型強降雪過程中（圖6b），水汽含量為8～12 mm。由于地面形勢為倒槽或氣旋等低壓系統，低層常伴有東南或偏東、偏南的暖濕氣流，隨著低壓系統北上，大量水汽隨著低壓系統源源不斷北上，因此850 hPa主要為偏南或偏東氣流輸送水汽，水汽輸送強度為1～2 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度輻合強度為-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s），即低層既存在水汽輸送，也存在水汽輻合。

圖6 氣柱總含水量（等值線，單位：mm）和850 hPa（回流型為800 hPa）水汽通量（風矢量，單位：g/（hPa·cm·s））、水汽通量散度（填色，單位：g/（hPa·cm2·s））的水平分布

從兩種強降雪過程降水期間的水汽特征來看，兩種強降雪的水汽含量分布特征很相似，并且在低層均存在持續水汽輸送和水汽輻合，這非常有利于低層水汽集中上升形成強降雪。由于地面影響系統不同，低層大氣環流存在較大差異，兩種強降雪過程的水汽輸送通道和層次具有明顯差異，回流型強降雪的水汽輸送通道及輻合高度更高些。

4.2 動力抬升條件

強降水的形成需要有利的動力條件將低層水汽持續向上輸送。回流型強降雪的上升運動主要在800 hPa以上的暖濕氣流中（圖7a），上升速度為-0.1～-0.05 Pa/s。比濕呈“上高下低”特征，800 hPa以下為東北氣流影響下的比濕低值區，且南部比濕值明顯大于北部，說明近地層回流冷空氣多為干冷，干冷氣團形成“鍥形”冷墊，暖濕氣流沿著冷墊向北向上爬升，將低層水汽向北向上輸送，這對降雪加強和維持有促進作用[21]。地面低壓型強降雪的上升運動條件明顯強于回流型強降雪（圖7b），上升速度為-0.5～-0.1 Pa/s，并且上升運動底層高度隨海拔升高逐漸抬升，說明地形對低層偏南氣流有一定抬升作用。比濕值呈“上低下高”特征，說明地面倒槽或低壓（氣旋）等系統攜帶的偏東、偏南氣流為暖濕空氣。

圖7 沿118°E垂直速度（等值線，單位：Pa/s）和比濕（填色，單位：g/kg）的緯度—高度剖面

4.3 熱力條件

溫度平流能直接引起大氣熱力結構變化，其垂直分布可以反映大氣層結發展趨勢，而假相當位溫θse可表征大氣溫濕特征。

回流型降雪期間，承德地區800 hPa以下為東北風，溫度平流為負值，說明近地層為冷平流，回流冷空氣形成冷墊；800～600 hPa為沿冷平流傾斜上升的正溫度平流區，即暖平流沿冷墊爬升，斜升氣流不斷發展，具備對稱不穩定發展特征。地面低壓型降雪期間，950 hPa以下由南到北依次為西南—偏南—偏東—東北氣流，這種風向轉變說明近地層為低壓系統控制。承德地區950 hPa以下為偏東風，說明承德位于地面低壓系統北側。950～700 hPa為西南或偏南暖濕氣流區，而500 hPa附近為弱冷平流，這種垂直分布結構有利于大氣層結不穩定發展。從850 hPa露點與假相當位溫θse疊加來看（圖8a、8b），低層干鋒的維持與發展是回流強降雪的典型特點，地面低壓型強降雪的低層空氣顯然更為暖濕。

圖8 沿118°E溫度平流（等值線，單位：10-5 K/s）緯度—高度剖面和850 hPa的露點（等值線，單位：℃）與假相當位溫疊加θse（填色，單位：K）

5 強降雪預報模型

當出現以下環流形勢時，可初步判斷存在產生強降雪的可能性。

回流型強降雪，500 hPa上河北常處于低壓帶的偏西氣流影響下或位于短波槽前，700 hPa西南急流直達河北北部，850 hPa及以下為東北或偏東氣流。海平面氣壓場在90°～120°E、40°～55°N范圍內出現強度大于1 040 hPa的冷高壓，并且地面環流形勢呈“北高南低”型，在河套附近有向東北方向伸展的倒槽。濕度分布多呈“上濕下干”特征，低層存在干鋒，水汽輻合集中在800～700 hPa之間，上升運動主要在800 hPa以上的偏南氣流區，回流冷空氣在河北上空形成“楔形”冷墊，暖濕氣流沿冷墊傾斜上升（圖9a）。

地面低壓型強降雪，500 hPa上河北上空有西風槽東移發展，冷空氣沿500 hPa引導氣流南下，中低層有切變線或氣旋性環流。海平面氣壓場呈“西北高東南低”型，承德位于倒槽頂部附近或低壓（氣旋）右側，常有東南到偏東、偏南的暖濕氣流隨著低壓系統北上影響承德。濕度分布呈“下濕上干”特征，濕層深厚，水汽集中在700 hPa以下。上升運動主要在800 hPa以上的偏南氣流區，強上升運動有利于降低層水汽向上層輸送，暖濕氣流與冷空氣在承德上空交綏，形成強降雪（圖9b）。

圖9 強降雪天氣預報模型

6 結論與討論

對1986—2016年承德市強降雪過程進行統計分析，選取2000—2016年范圍廣、影響大的強降雪過程作為典型個例，對典型個例的環流背景和物理量場進行深入分析，得到以下結論：

（1）強降雪過程集中發生在11、2和3月，最早出現在10月，最晚結束于次年3月。承德南部的強降雪過程明顯多于北部。過渡季節的強降雪過程常伴有降水相態轉換，其降雪量級明顯大于隆冬季節。

（2）西風槽幾乎伴隨所有強降雪過程，在影響系統中是共有的，而地面影響系統差別較大。根據海平面氣壓場特征可將強降雪分為回流型、地面低壓型和弱流場型，其中回流型和地面低壓型為主要類型。

（3）當地面環流形勢為回流型或地面低壓型且物理量特征值滿足以下條件時，承德地區出現強降雪可能性極大：回流型——水汽含量≥6～12 mm，700 hPa比濕≥2 g/kg、垂直速度≤-0.1 Pa/s，800 hPa水汽通量≥1～3 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。地面低壓型——水汽含量≥8～12 mm，700 hPa比濕≥2 g/kg、垂直速度≤-0.4 Pa/s，850 hPa水汽通量≥1～2 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。

由于地理位置和地形較特殊，承德易受東北回流的冷空氣影響而產生強降雪，但其形成機理與華北平原地區的回流降雪存在顯著差異。以上得出的結論僅是基于承德地區部分典型個例的分析，其普適性存在一定局限性，還需要更多的個例進行驗證。另外，承德南部的強降雪區位于燕山南麓迎風坡，未對地形抬升作用進行深入分析，這也是未來研究需要解決的一個問題。