烏魯木齊達坂城谷地一次極端暴雪成因分析

萬 瑜，胡順起，李 輝，曹 興

（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.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；4.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；5.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

暴雪天氣有利于空氣凈化、促進越冬作物生長，但極端暴雪會對交通運輸、農牧業生產以及城市運行帶來不利影響。國內學者從暴雪形成的大尺度成因、熱動力環境條件、鋒生強迫和不穩定機制、山脈地形和城市邊界層等多角度，對不同地區的暴雪進行研究并取得了諸多成果[1-5]。從降雪時間分布看，冬末春初出現大雪和暴雪概率最高[6]；從影響范圍看，局地暴雪出現頻次遠高于大范圍暴雪和區域暴雪[7]。有研究表明，我國北方暴雪形成多為回流型，低層回流不僅對水汽有貢獻，還能形成冷空氣墊，利于西南暖濕氣流爬升，加強地面的動力抬升作用，增強垂直運動[8-10]，高、低空急流耦合作用也對動力抬升和水汽匯合有重要貢獻[11]。20世紀80年代，新疆氣象工作者在《新疆降水概論》[12]論著中，總結了新疆強降雪的3種天氣形勢，給出北疆降雪的天氣尺度影響系統，以及地形對強降雪的作用，至今仍是強降雪預報的主要參考依據。近年來，隨著區域自動氣象站、天氣雷達、微波輻射計、風廓線雷達等觀測和模擬手段的不斷改進，非常規觀測資料在預報業務和研究中也取得了進展[13-17]，為新疆強降雪預報和研究提供了有力支撐。楊蓮梅等[18]利用近50年降水資料，研究發現暴雪區均存在300 hPa極鋒急流、500 hPa強西風鋒區和700 hPa低空西風急流，造成新疆持續性暴雪的水汽源地有高緯北大西洋、巴倫支海，中緯地中海、里咸海，低緯紅海，但主要以中低緯水汽輸送為主。劉晶等[19]對北疆北部一次暴雪天氣過程研究分析得出，暴雪區與中尺度云團邊緣TBB等值線梯度大值區有較好的對應。楊霞等[20]研究發現南疆西部一次大暴雪過程存在偏西、偏東和偏南3支異常水汽輸送，中β尺度云團是造成大暴雪的主要系統，強降雪出現在中尺度云團增強階段。萬瑜等[21-22]認為中天山北坡暴雪與非地轉濕Q矢量散度輻合及鋒生函數的最強區有較好的對應關系。但與暴雨研究相比，對暴雪的研究和認識深度仍顯薄弱，非常規觀測資料在暴雪研究中的應用仍不夠充分，尤其是暴雪預報中涉及的難點，例如強降雪落區、小時雪強、持續時間等，以及其成因的研究明顯不足。達坂城谷地常年干旱少降水、多大風，年平均降水量為70.5 mm，年大風日數為145.1 d，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的84.9%，所以目前多以大風天氣作為達坂城谷地氣候和天氣的研究對象，少見其暴雪天氣的研究工作，達坂城谷地在地理分區上屬于烏魯木齊，但其降水的極端性卻有別于北疆其他地區。

2018年3月17—18日烏魯木齊達坂城谷地出現大暴雪天氣，其天氣發生條件尚未達到凝練的暴雪預報指標，造成暴雪漏報，此次暴雪天氣是達坂城氣象站自1956年建站以來最強的降雪天氣過程，對公路、鐵路等交通以及城市運行帶來嚴重影響。此次最大暴雪落區出現在降雪極少、以大風著稱的達坂城谷地，故對此次極端暴雪的氣候背景、大尺度環流特征、動熱力條件、水汽來源及中尺度云團特征等問題進行探討十分必要，有助于豐富對達坂城谷地暴雪天氣發生機理的認識，為極端暴雪預報預警提供科學依據和有益思路。

1 研究區概況和資料選取

1.1 研究區概況

達坂城位于烏魯木齊市區東南，呈西北—東南走向，長約80 km，寬約15～30 km的谷地（圖1）。北倚東天山北麓的博格達山，南接天山中段山脈的天格爾山，東處喀拉塔格山腳下與吐魯番市托克遜縣交界，西臨烏魯木齊縣，是南北疆地理、氣候的分界線。

圖1 達坂城谷地地形及測站位置

1.2 資料與方法

本文利用1959—2020年冬半年（10月—次年3月）烏魯木齊達坂城區氣象站（43°35′N，88°32′E，海拔1 103.5 m）降水資料以及美國氣象環境預報中心（NCEP）空間分辨率為1°×1°全球再分析資料，同時結合水汽后向追蹤、FY2G衛星相當黑體亮溫（TBB）等資料，采用天氣動力學分析方法，對暴雪天氣過程的大尺度環流背景及動力、水汽、熱力條件進行診斷分析。

文中采用新疆降水量級標準（修訂版）規定，24 h降雪量（R），R≥12.1 mm為暴雪，并按照中國氣象局評分辦法，當出現雨轉雪時，積雪深度增加10 cm以上認定為暴雪。

2 達坂城冬半年降水氣候特點及大暴雪實況

2.1 達坂城冬半年降水氣候特點

1959—2020年冬半年達坂城降水量總體呈緩慢上升態勢，傾向率為1.1 mm·（10 a）-1（R=0.364，P＜0.01）。冬半年平均降水量為6.6 mm，峰值出現在2018年，為36.4 mm；谷值出現在2008年，為0.4 mm。從滑動平均曲線來看，除2018年，降水量年際間波動差異較小，年較差為17 mm；1964—1986年為降水量偏少階段，1987—2007年轉為波動性偏多階段，2008—2015年降水量為偏少階段，2016—2020年轉為偏多，尤其是2018年降水量突增（圖2），高達36.4 mm。此次暴雪天氣發生在3月中旬，且降水量達到冬半年平均降水量的4.35倍。以往研究認為新疆北部降雪的高頻中心主要出現在伊犁州、塔城地區，古爾班通古特沙漠邊緣附近為低頻區[23]。也有研究表明在全球變暖的大背景下，極端天氣事件出現的概率增加[24]，此次達坂城谷地暴雪天氣降水量突破冬半年極值，屬于區域內一次典型的極端天氣氣候事件。

圖2 1959—2020年達坂城冬半年降水量年際變化

2.2 暴雪前氣溫異常偏高

2018年3月5—17日，新疆長時間處于高壓脊控制下，氣溫持續攀升且維持較高，烏魯木齊平均氣溫較歷年偏高6.1℃，偏高幅度居歷史同期第二位。達坂城4日受冷空氣影響，日平均氣溫接近氣候平均值，5—17日達坂城站日最高氣溫維持在8～16℃（圖3）。前期氣溫異常偏高，為本次暴雪天氣積蓄了較好的熱力條件。

圖3 2018年3月5—17日達坂城區氣溫變化

2.3 大暴雪天氣實況

3月17日19：00—18日18：00（北京時，下同），新疆天山北坡出現暴雪天氣，烏魯木齊天山區站、米東站、昌吉州天池站過程累積降雪量分別為16.6、13.2和14.4 mm（圖4a），其中達坂城站3月18日02：00—18：00累積降雪量為28.7 mm，最大積雪深度達19 cm，日降雪量突破歷年冬半年總降雪量極值。從達坂城站逐小時降雪量可以看到，有2個強降雪時段，分別集中在18日02：00—08：00和18日12：00—17：00，累計降雪分別為14.5和12.1 mm，6 h降雪量均達暴雪量級，18日04：00、05：00和12：00的雪強＞3 mm·h-1，04：00—05：00的最大雪強達4.2 mm·h-1，表明此次降雪具有降雪強度強且集中的特征（圖4b）。

圖4 2018年3月17日19：00—18日18：00國家站累計降雪量（a，單位：mm）和18日02：00—18：00最大降雪中心達坂城站逐小時降水量（b）

3 天氣成因分析

3.1 環流背景和影響系統

降雪前期，15—16日500 hPa歐亞范圍中高緯為兩脊一槽經向環流，烏拉爾山至新疆為高壓脊，中亞低渦維持在巴爾喀什湖至咸海附近，中亞低渦分裂短波槽影響北疆西部。17日20：00北歐低槽分裂部分冷空氣東移南下，中亞低渦加深東移至新疆西部，槽底鋒區加強并南伸至42°N，低渦前偏西氣流達25 m·s-1，降水主要出現在博州和塔城地區（圖5a）。18日08：00隨著天山北坡降雪的持續和加強，200～500 hPa深厚的低渦系統隨高度向西北傾斜，呈后傾結構；500 hPa里咸海脊北挺發展，推動中亞低渦繼續緩慢東移向南加深，低渦槽前強盛的西南暖濕氣流與北部干冷氣流交綏至中天山北坡（圖5b）。強降雪時段700 hPa達坂城附近存在氣旋式輻合中心，出現偏南風風速輻合，其東南部建立10 m·s-1的偏南氣流，且長時間維持明顯的偏北風與偏南風切變線，18日14：00表現最為顯著（圖5c）。850 hPa中天山北坡維持14～20 m·s-1的向山西北低空急流，由于冷暖空氣長時間交綏，大暴雪落區位于西北風與東南風切變線附近。地面形勢場上，地面冷高為西北路徑，自歐洲中部由西北向東南方向移動，16日20：00經烏拉爾山南端折向東移，17日20：00位于巴爾喀什湖北部中心強度為1 030 hPa的冷高壓開始影響新疆，18日02：00緩慢東移并加強到1 032.5 hPa，同時配合地面準靜止鋒長時間維持在天山山脈附近，造成達坂城谷地持續性強降雪。

圖5 500 hPa位勢高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）風場（風羽，單位：m·s-1，陰影區風速＞20 m·s-1）（a為3月17日20：00，b為3月18日08：00）和3月18日14：00 700 hPa風場（c為風羽，單位：m·s-1）

綜上，200～500 hPa深厚的低渦系統，500～850 hPa中層較強西南暖濕氣流和低層西北急流疊加，700～850 hPa風速輻合及風向切變，地面強冷鋒和地形抬升共同作用，為達坂城谷地強降雪維持和加強提供了有利的環流背景。

3.2 動力及不穩定機制

3.2.1 垂直運動

為了分析此次暴雪天氣的中小尺度特征，了解暴雪過程中西北氣流遇天山山脈阻擋后的垂直結構，沿43°N做垂直剖面（圖6）可以看到，18日14：00，86°～88°E達坂城附近400 hPa以下為強上升運動區，此時低空西北氣流在天山北坡加強為急流，向山的西北急流受天山阻擋沿地形爬升，在600～850 hPa形成閉合中β尺度次級環流圈，地形強迫對中尺度垂直上升支起加強作用，其較強的上升支氣流為暴雪提供了中尺度上升運動（圖6a）。分析暴雪中心達坂城垂直速度高度—剖面可知（圖6b），降雪過程前，400 hPa以下一直維持上升運動區；18日02：00，降雪開始后，地面至500 hPa的上升運動強度增強，中心達9×10-2m·s-1，隨著降雪強度的加強，最強上升運動區主要位于700～850 hPa，最大垂直上升運動中心超過12×10-2m·s-1；20：00，400 hPa以下迅速轉為下沉運動區，降雪天氣趨于結束。中低層上升運動加強時段與暴雪時段對應，長時間維持的強垂直上升運動為暴雪天氣發生提供持續的動力支持。

圖6 3月18日14：00合成風場（單位：m·s-1，流線）及垂直速度（單位：10-2 m·s-1，彩色區）沿43°N垂直剖面（a）和3月16日08：00—20日08：00合成風場（單位：m·s-1，流線）及垂直速度（單位：10-2 m·s-1，彩色區）達坂城站時間高度剖面（b）

3.2.2 熱力及穩定度

17日08：00近地層～700 hPa天山北坡有θse等值線密集帶，θse隨高度增大，干暖氣團位于冷濕氣團之上，層結穩定，且θse垂直梯度隨時間增強，一直維持至17日20：00，近地層比濕最大為3 g·kg-1。18日02：00隨著低空西北急流攜帶濕冷空氣的進入，700 hPa以下θse垂直梯度開始減小，暖濕氣流被迫沿鋒面爬升釋放潛熱。18日14：00隨著暖濕氣流繼續沿低空冷墊爬升，使得鋒區在600～850 hPa加強且隨高度向北傾斜，暴雪中心43°～44°N附近850 hPa以上θse等值線明顯上凸，說明此時冷平流更強，近地層比濕最大達4 g·kg-1，此種冷暖和干濕空氣的劇烈交綏，使得斜壓不穩定增長，這種機制的維持有利于烏魯木齊城區至達坂城一線暴雪的持續與增強（圖7a）。結合烏魯木齊微波輻射計溫濕水汽演變圖也可以發現相同的特征，2個強降雪時段分別是18日03：00—08：00和11：00—17：00，強降雪時段中低層相對濕度維持較高，空氣達到飽和，配合水汽密度分布可知，較高的水汽密度在4 km以下，0～2和2～4 km為4～7 g·m-3，2 km達到最大，為8 g·m-3以上（圖7b）。達坂城谷地距烏魯木齊80 km左右，烏魯木齊微波輻射計溫濕水汽演變特征在此次天氣過程中對達坂城谷地暴雪要素變化有較好的指示作用，所以今后可以將微波輻射計資料應用于暴雪天氣預報業務和研究中。

圖7 3月18日14：00假相當位溫θse（單位：K，實線）、比濕q（單位：g·kg-1，陰影）沿88°E垂直剖面（a）和17日12：00—20日10：00烏魯木齊微波輻射計水汽要素變化特征（b）

3.3 水汽特征

3.3.1 水汽源地及路徑

從地面～300 hPa整層水汽積分發現（圖8a），水汽主要由中亞低渦偏西和西南氣流自身攜帶的水汽和西北路徑輸送的水汽匯合至大暴雪區。由暴雪中心達坂城水汽通量散度的高度—時間剖面（圖8b）可以看出，17日20：00—18日20：00達坂城中高層500～700 hPa均為水汽通量散度的正值區，即輻散區；低層700～850 hPa均為水汽通量散度的負值區，低層輻合強度強于中高層。18日02：00降雪開始，低層出現-4×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1的輻合區，08：00隨著雪強增強，輻合區強度也隨之增強，14：00—20：00輻合中心最大值達-10×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，與達坂城谷地強降雪時段吻合。隨著降雪強度的減弱，水汽通量散度高層輻散，低層輻合的配置也逐漸消失，水汽輻合中心大值區也逐漸減小。水汽通量與水汽通量散度分布基本一致，水汽主要集中在700～850 hPa，低層水汽貢獻高于中高層，新疆境內最大水汽通量為4 g·cm-1·hPa-1·s-1。達坂城2次強降雪時850 hPa均有西北路徑的水汽輸送，18日02：00—08：00，第一個強降雪時段700 hPa有偏西和西南路徑的水汽輸送，18日12：00—17：00第二個強降雪時段隨著中亞低渦系統東移，700 hPa主要為西南路徑的水汽輸送，西北、偏西、西南3路水汽在地形抬升作用下，快速集中并輻合，為暴雪區提供了充沛的水汽條件。

圖8 3月18日08：00地面～300 hPa整層水汽通量（a，單位：g·cm-1·s-1）及3月16日08：00—20日08：00水汽通量（矢量，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1）和水汽通量散度（陰影區，單位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1）達坂城站時間高度剖面（b）

3.3.2 水汽后向軌跡追蹤

HYSPLIT 4軌跡模式模擬采用NCEP GDAS全球1°×1°氣象資料作為背景初始場，該資料是應用全球中期預報譜模式（MRF）同化多種觀測資料和預報結果，水平分辨率為191 km，垂直方向分為12個等壓面層，時間間隔為6 h。本次研究計算為240 h后向軌跡，起始點經緯度為43.30°N、88.30°E，距離地面高度設為3層，分別為1 100、2 100、3 200 m。

使用HYSPLIT水汽后向軌跡模式，選取追蹤點初始高度即平均海平面以上3個高度（AMSL），向前倒推達坂城240 h的水汽質點軌跡，可以發現18日08：00一支高度為3 200 m的軌跡通過地中海—紅海—波斯灣，經過塔里木盆地東部沿偏西路徑向中天山北坡中段輸送，一支高度為2 100 m的軌跡通過北大西洋—東歐—西西伯利亞南下，經過咸海東移沿西南路徑向中天山北坡中段輸送；一支高度為1 100 m的軌跡通過額爾齊斯河南部向南經巴爾喀什湖東部沿西北方向匯入降雪區。18日14：00前兩支水汽均通過北大西洋—東歐—西西伯利亞南下，經過咸海東移沿西南路徑向中天山北坡中段輸送，另一支水汽通過伊塞克湖，經伊犁河谷南部沿偏西路徑輸送至暴雪區。水汽后向軌跡追蹤結果與水汽特征分析一致，此次暴雪過程的水汽來源主要是地中海、紅海的水汽沿著偏西氣流經波斯灣—阿拉伯海加強后，隨著低渦前西南氣流輸送至暴雪區，另一支為低層西北路徑水汽輸送，同時由低渦攜帶的里、咸海水汽，隨著其東移沿其前部的偏西氣流輸送補充至暴雪區。

3.4 云頂亮溫演變特征

分析逐小時FY2G衛星紅外亮度溫度（TBB）資料可以看到（圖9），第一個強降雪時段18日02：00—08：00影響達坂城谷地暴雪的為TBB≤-50℃的中β云團A和其西南方向快速東移北上的TBB≤-46℃中β云團B，2個云團先后持續影響近6 h，造成14.5 mm的明顯降雪，小時雪強最大為4.2 mm·h-1。云團A 18日03：00加強并造成04：00—05：00強降雪，云團B強度比云團A略弱，06：00開始加強，09：00減弱東移出達坂城谷地，第一時段強降雪區位于云團A、B東北側TBB等值線梯度最大區。18日07：00 B云團西南方向新生出2個TBB≤-50℃的中β云團C、D，10：00隨著C云團東移與東移北上的D云團合并加強，形成TBB≤-54℃的中α云團E，第二個強降雪時段18日12：00—17：00，云團E隨著低渦前西南引導氣流緩慢東移北上，維持時間長達5 h，造成達坂城谷地降雪量達14 mm，小時雪強最大為2.9 mm·h-1。E云團從09：00開始生成至10：00加強，一直維持至16：00減弱消失，其生命史近7 h，主要影響烏魯木齊至達坂城一線，強降雪時段也出現在TBB最強的12：00，第二時段強降雪區位于云團E北側TBB等值線梯度最大區。本次暴雪天氣主要是由2個中β云團A、B和1個中α云團E先后東移北上共同影響，E是本次暴雪天氣維持時間長且形狀完整強度最強的云團，強降雪區均位于中尺度云團的北至東北側TBB等值線梯度最大區。

圖9 2018年3月18日日分辨率為0.1°×0.1°的逐小時FY2G紅外云圖TBB演變

4 結論

（1）1959—2020年冬半年達坂城谷地平均降雪量為6.6 mm，降雪量呈緩慢上升態勢，2018年3月18日出現的極端暴雪天氣，突破冬半年降水極值，是冬半年歷年平均降水量的4.35倍，為區域內一次罕見的極端暴雪天氣過程。

（2）此次極端暴雪過程是以500 hPa中亞低渦、700 hPa氣旋性輻合中心及切變線、850 hPa西北氣流作為環流背景的低渦型暴雪，3月5—17日達坂城谷地日最高氣溫異常偏高，為暴雪天氣積蓄了較好的熱力條件。

（3）極端暴雪水汽來源主要是地中海、紅海的水汽沿著偏西氣流經波斯灣—阿拉伯海加強后，隨中亞低渦前西南氣流輸送至暴雪區，另一支為低層西北路徑水汽輸送，同時由低渦攜帶的里、咸海水汽，隨著系統東移沿其前部的偏西氣流輸送補充至暴雪區。

（4）700～850 hPa達坂城谷地附近為強上升運動區，存在閉合的中β尺度次級環流圈，其較強的上升支氣流為暴雪提供了中尺度的上升運動；烏魯木齊至達坂城一線受斜壓不穩定增長，這種機制的維持有利于暴雪的持續與增強。

（5）中尺度云團是造成暴雪最直接的影響系統，先后有2個中β云團和1個中α云團東移北上影響，最強TBB≤-54℃，小時雪強最大達4.2 mm·h-1，強降雪區均位于中尺度云團的北至東北側TBB等值線梯度最大區。