2020年初夏中天山一次罕見雨轉暴雪天氣成因分析

周雪英，仇會民，溫 春，努 加，張云惠

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

巴音布魯克山區位于新疆中天山南麓，海拔約2 500 m，具有獨特的高寒山區氣候，為巴音郭楞蒙古自治州綠洲主要水源地，近年來巴音布魯克山區暖季降水中暴雨貢獻率增加，但出現雨轉暴雪為小概率事件。2020年6月底出現罕見雨轉暴雪，致使牲畜凍死、交通受阻、大量游客滯留。目前巴音布魯克山區夏季暴雨精細化預報一直是預報工作難點和短板，對于發生的罕見高影響雨轉暴雪天氣缺乏客觀認識。

近年來研究者構建了南疆西部、天山北坡、伊犁河谷、新疆東部夏季暴雨概念模型[1-5]，包括100 hPa南亞高壓東西震蕩、200 hPa急流南北擺動、500 hPa中亞低槽或低渦、700～850 hPa偏東氣流的切變輻合。夏季山區暴雨水汽源地和輸送路徑呈多樣化特征，伴有低空偏東急流接力輸送時，常造成范圍廣、強度大的降水[6-9]。暴雨始作俑者是中尺度對流系統（MCS），造成山區強降水云團為中γ尺度和中β尺度對流云團[10-11]，常利用TBB≤-32℃的連續冷云區面積大小對中-α對流系統（MαCS）和中-β對流系統（MβCS）進行區分[12]。不同尺度對流云團在特殊下墊面抬升觸發，天氣尺度提供動力條件、α中尺度上反映次級環流[13]。邊界層準靜止干線觸發的中尺度暴雨，干線兩側干濕平流加強，造成局部鋒生[14]。干空氣侵入一方面有利于鋒區形成和維持[15]，另一方面有利于加劇低層對流不穩定增強降水強度[16]。位于環境穩定度大的氣塊，在沿陡峭的θse面下滑的過程中，因環境大氣穩定度減弱，導致傾斜渦度的快速增長[17]，在不穩定層結中低層南方暖濕擾動的北進，以及高層北方干冷氣流的南侵下滑，兩者的耦合疊置與相互作用易造成中尺度暴雨系統的強烈發展[18]。伊犁河谷極端暴雨研究表明低層鋒面和地形抬升，垂直運動發展造成山前降水，中尺度氣旋生成啟動強降水，冷鋒鋒生與中、低層鋒區爬坡疊加時，形成明顯垂直環流圈，增強降水強度[19-20]。南疆西部和北疆暴雪研究表明低空偏南急流、中低層輻合線、鋒面以及干線疊置區最易形成強降雪[21-22]，中低層鋒生，鋒區隨高度向東北傾斜，暖濕氣團強盛并沿底層冷楔爬坡，暴雪落區在暖鋒鋒區前沿處[23]。低層冷墊有利于暖濕氣流抬升，易造成鋒生和次級環流發展[24]，對暴雪的維持和發展起著重要作用。夏季發生雨轉暴雪天氣，冷鋒和高空冷平流至關重要，研究表明700 hPa以上出現冷平流或者冷平流加強且高度降低，是降雪開始的特征[25]。

巴音布魯克山區地處中天山背風坡、下墊面復雜多樣，夏季暴雨形成的動力機制和水汽特征與北疆沿天山、伊犁河谷、南疆西部存在差異，2020年初夏還發生罕見雨轉暴雪天氣。因此本文利用常規觀測、FNL、ERA5再分析等資料，對此次雨轉暴雪天氣的環流背景、溫濕層結及動力維持機制進行診斷，以期提高當地夏季山區雨轉雪天氣的預報預警準確率，為防災減災提供參考和依據。

1 降水概況

2020年6月27—30日新疆出現強降水天氣，中天山海拔2 000 m以上區域出現大范圍雨轉雪，和靜縣巴音布魯克山區出現雨轉暴雪，巴音布魯克測站積雪深度達15 cm，日降水量為22.4 mm，為近33 a歷史同期最大，積雪深度突破夏季歷史同期極值，巴音布魯克山區東南側大小尤勒都斯盆地局部雪深達60 cm，為初夏罕見高影響天氣。

巴音布魯克山區28日18時開始出現降水（圖1），降水相態為雨，持續8 h，累計降雨量為7.8 mm；29日01時氣溫降至0.8℃，降水相態轉為雨夾雪并持續4 h，氣溫為0.3～0.8℃，累計降水量為6 mm；29日05時氣溫降至0℃，降水相態為雪并持續13 h，氣溫在-0.5～0.7℃，29日13—14時雪強最大，為2.6 mm/h，累計降雪量，為12.3 mm，達到暴雪等級。

圖1 2020年6月28日18時—29日20時巴音布魯克測站逐時氣溫、降水量及降水相態變化

2 環流背景

2.1 高低空配置

新疆暴雨多為3支氣流典型配置[1-2]，天山兩側及南疆西部暴雨常在南亞高壓西強東弱的背景中[3-5]。6月26—28日100 hPa歐亞范圍內南亞高壓為雙體型，29日02時西部高壓中心增強，呈西強東弱，200 hPa中天山南坡在南疆＞48 m/s的強盛西偏南急流出口區左側，同時也在北疆西北部＞40 m/s的西南急流入口區右側，暴雪區200 hPa存在兩支急流相互作用（圖2a），有利于上升運動發展和不穩定能量釋放[26]。500 hPa兩脊一槽，環流經向度大，中亞北渦原地打轉增強發展，低渦外圍形成強的鋒區，低槽底部南伸至35°N，新疆西部槽前西南鋒區風速由22 m/s增加至32 m/s，-14℃冷溫槽進入天山南麓影響中天山（圖2b）。700 hPa巴音布魯克山區位于西北、東北、東南3股氣流的匯合區，其中東南氣流有＞12 m/s的低空急流，暴雪區位于東南低空急流出口區前部（圖2c）。28日20時地面冷空氣在40°N以南堆積（圖2d），冷鋒過境中天山，巴音布魯克山區整層溫度快速下降，冷平流控制山區，地面氣溫快速降至0℃左右，冷空氣長時間盤踞山區，在低層冷墊上形成雨轉暴雪天氣。

圖2 2020年6月29日02時100 hPa（a）高度場（黑色等值線，單位：dagpm，下同）和200 hPa急流（彩色陰影區，單位：m/s，下同）；500 hPa（b）高度場、溫度場（紅色點線，單位：℃）、風場（單位：m/s，下同）；700 hPa（c）流場（矢量單位：m/s，下同）和低空急流；6月28日20時（d）地面海平面氣壓場（單位：hPa，黑點為暴雪中心）

2.2 垂直溫度層結

夏季山區雨轉暴雪天氣與高空溫度快速下降密切相關。降雨時段28日20時—29日00時，中低層風向發生轉變，由東北或東南風轉為西北風，暖平流轉為冷平流，冷平流從低層向高層延伸，28日20時冷鋒過境中天山，700 hPa西北風風速最大為12 m/s，并出現明顯0℃冷溫槽，冷平流最強中心達-2.4×10-5K/s（圖3a）。29日01時轉雨夾雪時，600～700 hPa溫度降至-2～-4℃，500 hPa偏南風風速增至22 m/s，垂直方向冷、暖平流交替分布，隨著南疆盆地暖空氣不斷被北抬，雨夾雪時段暖平流中心在700～650 hPa為1×10-5K/s。29日08時轉大雪時，600～700 hPa溫度降至-3～-5℃，500 hPa偏南急流增強至24 m/s，高層和近地層冷平流包裹著中層強盛暖平流，暖平流強度和范圍增強，暖平流中心呈東北向上斜升，在550 hPa附近最大為2.4×10-5K/s，且暖平流延伸到400 hPa（圖3b）。雨轉暴雪天氣發生在近地層冷墊上冷暖平流交匯的交界面中，700 hPa始終維持6～8 m/s的西北氣流，500 hPa為20～26 m/s的偏南急流，整個降水期間500 hPa溫度維持在-10℃左右，溫度變化主要發生在對流層中低層。

圖3 2020年6月28日14時—29日14時巴音布魯克站風場、溫度（紅色實線，單位：℃）、溫度平流（彩色陰影區，單位：10-5 K/s）時間—高度剖面（a）和29日02時（b）溫度、溫度平流、比濕（綠色實線，單位：g/kg）沿84.09°E的垂直剖面

強降雪時段600 hPa以上強盛的偏南暖平流與近地層西北冷平流傾斜交匯長時間維持，山區西南側為斜伸高濕、高能舌，西北側為冷鋒入侵，中天山高空鋒區陡立，利于不穩定層結。

3 暴雪形成與維持

3.1 水汽條件

3.1.1 水汽源地

強降水形成離不開充足水汽供應，分析水汽通量和流場（圖4a、4b）可知，雨轉暴雪天氣有3條水汽輸送路徑：西方路徑水汽源地在咸海北部、西南路徑水汽源地在阿拉伯海、偏東路徑水汽的源地在北疆至河西走廊。29日02—08時隨著高空系統減弱，西南路徑水汽接力輸送被切斷。500～600 hPa源于歐洲的水汽南下后與高原西南側北抬翻山下沉的水汽在南疆盆地匯合堆積，沿偏南風持續向中天山輸送。700 hPa咸海北部水汽一路沿西北風翻山進入南疆盆地，中心強度達16×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，另一路蒙古北側水汽沿北風進入河西走廊至北疆后沿偏東風進入南疆盆地。

圖4 2020年6月28日20時地面～300 hPa水汽通量和流場（a，彩色區，單位：10-5 g/s·cm-1）及6月29日02時700 hPa水汽通量和流場（b，彩色區，單位：10-5 g·cm-1·hPa-1·s-1，下同）

3.1.2 水汽輸送特征

降水時段最大水汽通量在550～500 hPa（圖5a），雨夾雪和強降雪時段均有≥8×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的強中心，中高層≥6×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心維持近20 h。雨夾雪時段南疆盆地700 hPa以下有-10×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量散度輻合中心，地面水汽不斷向中低層傾斜伸展，遇天山南坡地形水汽進一步輻合抬升，不斷堆積和增強。強降雪時段最大水汽輻合帶在650～550 hPa，600 hPa水汽通量輻合中心增強至-20×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，對流層近10 h維持＜-6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合帶（圖5b），為強降雪提供充沛的水汽條件。

圖5 2020年6月28日14時—29日14時巴音布魯克站水汽通量、水汽通量散度（陰影區，單位：10-5 g·cm-2·hPa·-1s-1，下同）的時間—高度剖面（a）和29日02時（b）水汽通量、水汽通量散度沿84.09°E的垂直剖面

3.2 動力維持特征

3.2.1 局地鋒生

28日午后，700 hPa中天山形成西南東北向的溫度鋒區，南疆東部暖舌頂伸至中天山，一個緯距內東西向溫差9℃，冷暖空氣劇烈交匯，山區出現鋒生，地面伴有降雨。29日02時（圖6a）溫度鋒區南壓，并轉為南北向，鋒生中心增強至6×10-7K/m·s-1，降水相態轉為雨夾雪，同時在東天山88°E、43°N附近有3×10-7K/m·s-1的鋒生中心，對應天池一帶的降雪中心。29日08時，受下游暖脊阻擋，中天山東西兩側的鋒生中心此長彼消，冷暖空氣在天山山區附近東西兩側形成劇烈中尺度鋒生擾動（圖6b）。

圖6 ERA5 0.25°×0.25°2020年6月29日02時（a）和29日08時（b）700 hPa溫度場（紅色等溫線，單位：℃）、風場、600 hPa鋒生函數（彩色陰影區，單位：10-7 K/m·s-1）

3.2.2 傾斜渦度與中尺度低渦

低層假相當位溫等值線密集的鋒區中，鋒區動力強迫有利于低層能量和水汽向上輸送，陡立區易出現渦度的傾斜發展，由于等位溫面的傾斜，大氣水平風垂直切變和濕斜壓性將使垂直渦度顯著發展[27-28]。28日20時建立假相當位溫鋒區，600 hPa有＞9×10-5/s的正渦度中心，地面出現降雨。29日02時雨夾雪時段，鋒區陡立發展，不斷向上和向南伸展，正渦度中心達到24×10-5/s。29日08時強降雪階段，陡立鋒區伸至550 hPa，正渦度中心與陡立鋒區在巴音布魯克山區疊加，600 hPa正渦度中心增強至28×10-5/s（圖7a）。表明巴音布魯克山區發生雨轉暴雪期間，假相當位溫鋒區傾斜發展，致使中低層垂直渦度顯著增加，正渦度中心強度增長約一倍。29日08時巴音布魯克暴雪區正好位于600 hPa中尺度低渦的北西切變線附近（圖7b），中天山巴音布魯克和天池一帶雨轉暴雪區與中尺度低渦對應。

圖7 2020年6月29日08時假相當位溫（黑色等值線，單位：℃）、渦度（彩色陰影區，單位：×10-5/s（下同））沿84.09°E的垂直剖面（a）；600 hPa渦度和風場疊加（b）

3.2.3 邊界層擾動與次級環流

沿43.02°N做溫度平流、風場和垂直速度的緯向垂直剖面可以看到，28日14時中天山整層處于冷鋒前上升運動區，在其東側為顯著下沉運動區，形成一支較大尺度的次級環流圈（圖8a、8b）。冷暖氣團匯合局地鋒生，29日02時中天山東部88°E附近600 hPa出現鋒生，有明顯中尺度次級環流發展（圖8c），山區復雜下墊面觸發中尺度環流圈，與600 hPa鋒生對應。29日08時近地層長時間受冷墊下沉氣流控制，東西兩側有中尺度上升支匯入大尺度的上升氣流中，使中高層長時間維持強上升運動，垂直速度負中心＜-1.6 Pa/s，范圍和強度顯著增加，中心強度增至-3.2 Pa/s，降雪強度達最大（圖8d）。說明巴音布魯克山區四周存在多個局地鋒生形成的中尺度環流圈，隨著中尺度對流系統增強發展，上升運動進一步增強。

圖8 2020年6月28日14時—29日08時溫度冷平流（紅色實線，單位：10-5 K/s）、垂直速度（彩色陰影區，單位：Pa/s）、垂直環流（流線，u風場和垂直速度w×（-100）的合成）沿43.02°N的垂直剖面

4 抬升觸發與中尺度云團

4.1 抬升觸發

巴音布魯克山區發生雨轉暴雪天氣前，700 hPa流場在中天山一帶有西北、東南、東北3個方向的水汽匯集，輻合線不斷地自西向東移過巴音布魯克山區（圖9a、9b），觸發對流云團生成和發展。在中天山輻合線上形成多個尺度較小的次級環流圈，次級環流圈上的輻合抬升運動是觸發對流性降水的主要原因。除此之外，垂直方向上干冷空氣的侵入也是觸發對流的重要原因，干入侵是指從對流層頂附近下沉至低層的干空氣，其具有高位勢渦度和低濕球位溫的特點，研究表明干侵入對次天氣尺度的位勢不穩定和中氣旋有促進作用[29]。暴雪發生前，干冷空氣從西北和東北方向進入中天山，呈傾斜狀向巴音布魯克山區延伸（圖9c）。雨夾雪時段，巴音布魯克山區高位渦向下延伸至650 hPa附近，東西兩側干空氣塊具有較低的相當位溫，沿著較密集的等熵面下滑，侵入到對流層低層具有較高的假相當位溫的濕空氣上方，增強了大氣的對流不穩定性，有利于增強降水強度。中天山穩定維持的輻合線是此次雨轉暴雪過程中尺度云團觸發的主要原因，干冷空氣和暖濕空氣在中天山長時間對峙，致使降雪時間長。

圖9 2020年6月28日18時（a）、29日02時（b）700 hPa比濕（彩色陰影區，單位：g/kg）與流場及2020年6月29日18時（c）、29日02時（d）位渦（等值線代表1、2、3，單位：PVU）與相對濕度（彩色陰影區，單位：%）沿84.09°E的垂直剖面

4.2 中尺度云團特征

28日18時分別在北疆和南疆有2個尺度較大的中尺度對流云團，地面對應冷鋒降水，北疆云團TBB最強中心為-54℃，在巴音布魯克山區有中β尺度對流云團初生（圖10a），地面伴有小雨。28日20—22時，中天山兩側存在多個中β尺度對流云團生消演變，巴音布魯克山區以降雨為主，氣溫持續走低，冷鋒云系影響南疆。29日00—04時南疆盆地大范圍云團沿天山南坡不斷東移北抬，與中天山的多個中β尺度對流云團在伊犁河谷至巴音布魯克山區一帶合并增強（圖10b、10c），形成TBB中心＜-48℃的水平尺度＞500 km的大范圍云團，中心強度達-56℃，形成水平尺度接近200 km的中尺度云團，隨著云團持續增強，地面氣溫逐步降至1℃以下，出現雨夾雪，且4 h雨夾雪量達6 mm。29日05時隨著地面氣溫降至0℃，出現雨夾雪轉雪。不斷東移北抬合并增強的中α尺度對流云團長時間維持，＜-40℃TBB較強冷云中心長時間控制巴音布魯克山區（圖10d）。

圖10 2020年6月28日14時—29日08時巴音布魯克山區FY—2G衛星云圖TBB演變

此次巴音布魯克山區夏季雨轉暴雪是由中β和中α尺度對流云團合并增強和長時間維持造成的，強降雪落區位于中尺度云團的西南和東南部的TBB梯度大值及其中天山南坡高海拔區域偏暖空氣一側，研究表明[30]巴州平原暴雨TBB中心強度一般為-52℃，且持續時間較短，而此次巴音布魯克山區發生夏季雨轉暴雪天氣TBB＜-50℃的冷云中心持續近10 h。

5 巴音布魯克山區雨轉暴雪的高低空配置概念模型

構建此次巴音布魯克山區初夏雨轉暴雪天氣高低空配置的三維空間結構概念圖（圖11），與新疆其他區域暴雨模型特征不同，南亞高壓雙體型西部強于東部，200 hPa處于偏西急流和西南急流中下，500 hPa低槽鋒區明顯、短波低槽曲率增大后沿天山南坡東移北抬，新疆下游阻塞高壓向北發展強盛，槽前上升運動劇烈且中層水汽通量輻合明顯。雨轉暴雪天氣發生時，地面氣溫驟降至0℃左右，中低層600～700 hPa溫度迅速降至-5～-2℃，500 hPa溫度變化不大，始終維持在-10℃左右。暴雪落區北側700 hPa～近地面為干冷空氣，冷鋒為暴雪的發生提供“冷墊”，中低層600～700 hPa暖平流明顯提供高能、高濕，暴雪落區南側通過西南和東南氣流輸送水汽，干冷空氣與暖濕氣流在暴雪區中低層交匯、輻合。600 hPa中尺度低渦發展致使局地鋒生，西南暖濕氣流與東北干冷氣流在中天山附近從水平與垂直方向上使中尺度對流系統增強發展。在冷墊上抬升的西南暖濕空氣形成傾斜高能、高濕舌，上升運動伸展高度更高，斜升氣流發展更旺盛，致使在中天山南坡鋒生和斜向發展次級環流圈增強，同時鋒生和次級環流的疊加又有利于降雪強度的增加，為巴音布魯克山區夏季出現罕見雨轉暴雪天氣提供了有利動力維持條件。

圖11 2020年初夏巴音布魯克山區雨轉暴雪天氣三維空間結構概念模型

6 結論

本文利用多種觀測資料，對2020年初夏巴音布魯克山區一次罕見雨轉暴雪天氣分析，主要結論如下：

（1）雨轉暴雪發生在100 hPa南亞高壓雙體西部偏強型和200 hPa雙急流共同作用下，500 hPa低槽鋒區進入南疆盆地東移北抬，是一次典型的低槽冷鋒降水過程。暴雪落區位于200 hPa西風急流出口區左側、500 hPa西南暖濕急流、600 hPa中尺度渦旋鋒生、700 hPa東南急流出口區及切變輻合線疊置區。雨轉雪時，500 hPa溫度維持在-10℃左右，600～700 hPa溫度下降至-5～-2℃，地面氣溫驟降至0℃左右。

（2）降雪時冷暖平流交匯長時間維持，高濕、高能利于不穩定層結，鋒區陡立積蓄能量，強降雪落區與傾斜假相當位溫密集區對應。

（3）中高層水汽源于咸海北部和阿拉伯海，中低層源于北疆和河西走廊，水汽在南疆盆地堆積后，向中天山低層傾斜抬升，在中高層增強。強降雪時段最大水汽輻合帶在650～550 hPa，最強水汽通量輻合中心在600 hPa，為強降雪提供充沛的水汽條件。

（4）低層偏北氣流為暴雪發生提供“冷墊”，與中層西南暖濕氣流形成強的垂直風切變，增強斜升運動，暴雪區強烈發展的傾斜鋒區使垂直渦度顯著發展，造成中尺度次級環流與大尺度次級環流疊加，上升運動進一步增強，并對降雪強度起增幅作用。

（5）中天山低層切變及輻合線觸發β中尺度對流云團，并合并增強，強降雪時TBB＜-50℃的中尺度對流云團穩定維持，是降雪時間長、強度大的原因之一。