哈爾濱暴雪過程物理機制分析

王曉雪 幺東妮 劉玉嬌 國世友

(1.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象數據中心，黑龍江 哈爾濱 150030;3.牡丹江市氣象臺，黑龍江 牡丹江 157000)

1 天氣背景

黑龍江省地處中國最北端，冬季常出現暴雪天氣，對生產生活、交通等易造成重大影響。一次較大范圍暴雪天氣過程于2016年11月10日—12日影響黑龍江省[1]，主要影響范圍為黑龍江省中西部以及東南部部分地區。哈爾濱站降雪15.1mm，主要降雪時段出現在10日08時—11日08時。地面低壓配合高空蒙古大槽是本次暴雪過程的主要影響系統。500hPa由蒙古大槽自西向東影響黑龍江省，配合700hPa和850hPa的切變線，系統較為深厚，地面低壓逐漸加強，由西南向東北移動進入黑龍江省，中心氣壓維持1010hPa。鋒面云系(見圖1)不斷盤旋在黑龍江省上空，10日08時—20時為鋒面云系組織加強的過程，在10日20時—11日08時附近組織結構表現的較好。降雪時段內鋒面表現為東移北抬，哈爾濱站處于暖鋒后冷鋒前[2]。本文旨在利用常規地面觀測資料、衛星資料、再分析資料，基于MICAPS4平臺顯示、交互與剖面功能，通過對熱力、動力等物理量場的分析，探究暴雪天氣發生發展機理。

圖1 10日08時—11日20時云圖+鋒面演變

2 物理量場空間結構

本文詳細分析散度場、渦度場、垂直速度場、相對濕度、水汽通量散度場、假相當位溫等物理量場的空間結構，從而加深對暴雪形成的物理機制的認識[3-5]。

2.1 動力條件

2.1.1 渦度場、散度場空間分布特征

渦度場和散度場是在一定程度上反應大氣水平輻合輻散的物理量。逆時針方向旋轉的趨勢為正渦度，順時針方向旋轉的趨勢為負渦度。流體在運動中集中的區域為輻合，運動中發散的區域為輻散。散度值為負時為輻合，此時有利于氣旋等對流天氣系統的發展和增強，為正時表示輻散，有利于反氣旋等天氣系統的發展[6]。高層輻散與低層輻合配合越明顯、高低層散度相差越大，抽吸作用越明顯，對強降雪天氣的發生越有利。

分析哈爾濱站渦度場時間垂直剖面可知(圖略)，10日08時附近開始，到11日08時左右，中低層分別有兩個正渦度中心，表示氣旋發展在此時段最為強烈。到11日20時近地面層表現為負渦度，轉為順時針方向旋轉，系統影響趨于結束。分析哈爾濱站散度場時間垂直剖面可知(圖略)，強降雪時段哈爾濱站上空低層表現為強輻合、中高層表現為強輻散，強輻散加大了大氣的抽吸作用，這種天氣形勢對對流層中低層暖濕空氣的聚集和上升較為有利，并持續維持低層上升運動，提供了暴雪發生發展的必要動力條件。10日08時—10日20時925hPa高度層以下表現為輻合，輻合中心達-30×10-6s-1，300～850hPa高度層為輻散，輻散中心40×10-6s-1，高層輻散較低層輻合更強，上升運動發展，形成垂直環流，上升運動較為強烈。10日20時到11日08時650hPa高度層以下表現為輻合，輻合中心達-22×10-6s-1,450～650hPa高度層為輻散，輻散中心40×10-6s-1，高空抽吸作用明顯，高低層散度相差特別大，大氣上升運動劇烈。11日08時—20時925hPa高度層以下表現為輻合，輻合中心達-42×10-6s-1,750～900hPa高度層出現輻散區，輻散中心40×10-6s-1，近地面輻合較強烈，散度相差較大，但是低層輻合較強于高層輻散，影響系統逐漸減弱，直至11日20時后消失，降雪逐漸結束。

2.1.2 垂直速度場空間分布特征

分析哈爾濱站垂直速度場時間垂直剖面可知(圖略)，10日08時—11日20時500hPa以下大氣層以上升氣流為主。10日15時開始垂直速度增加，上升運動增強，在600～850hPa高度層出現強中心，由-30×10-2m·s-1增長到-50×10-2m·s-1，配合水汽條件，降雪強度隨之增強。上升運動較為強烈，進一步對對流層中低層的暖濕氣流起到了抬升作用，暖濕氣流在輻合上升運動中冷卻凝結釋放潛熱，加熱大氣，使得大氣變得更加不穩定，也促進了暴雪的發生發展。11日08時開始，大氣上升運動開始減弱，到11日20時逐漸變為下沉運動，地面降雪隨之結束。

2.1.3 相對濕度和水汽通量散度場分析

本次暴雪過程由低空急流輸送來自渤海灣的水汽，同時氣旋旋轉過程中帶來日本海的水汽。分析哈爾濱站相對濕度時間垂直剖面可知(圖略)，10日08時開始相對濕度逐漸增大，濕層厚度增加，到了10日20時—11日20時從200hPa到近地面層整層相對濕度幾乎飽和，配合強烈的上升運動，降雪量也在這一時段出現峰值。充足的水汽條件為暴雪的發生發展提供了有利條件。

水汽通量散度是一個與垂直運動密切相關的物理量，水汽通量輻合區與垂直運動上升區往往一致。水汽通量散度為正的地區表示水汽自該地區的四周輻散，稱該地區為水汽源，在這種情況下，水汽源的降水比較少；反之散度為負的地區，表示四周有水汽向該地區匯集，稱該地區為水汽匯[7]，降水比較多。如圖2所示，10日08時—11日20時925hPa以下全部表現為水汽輻合區，大氣的中低層是水汽輸送的主要來源，11日20時以后，哈爾濱站沒有明顯的水汽輻合，降雪結束，這與垂直速度場的變化相一致。研究表明，水汽通量輻合是暴雪產生的必備條件，但是水汽通量散度不需要很強。

圖2 哈爾濱站水汽通量散度場時間垂直剖面

2.2 熱力條件

假相當位溫分布常被用于分析大氣潛在能量，而假相當位溫隨高度的變化可以反映空氣對流性穩定度，其大小能反映空氣的溫濕差異[8]。如圖3哈爾濱站假相當位溫垂直剖面所示，10日08時—11日20時，低層為弱不穩定層，假相當位溫由0℃轉為10℃左右；中高層為不穩定層，假相當位溫由5℃轉為20℃左右。低層假相當位溫大說明空氣暖濕，提供了有利的水汽條件。另外，大氣相對不穩定狀態，越不穩定受到的浮力就越大，則大氣被抬升的高度就越高，更容易發展為不穩定，而在這個時段冷空氣自上而下，結合低層相對暖濕的不穩定能量，建立了中低層的位勢不穩定，為降雪的發生發展提供了一定熱力條件。10日08時和11日20時附近的能量梯度也一定程度上揭示了冷暖鋒面的移動過程。

圖3 哈爾濱站假相當位溫時間垂直剖面

2.3 探空資料分析

10日20時哈爾濱站探空圖上(見圖4)濕層深厚，中高層500hPa到近地面層整層表現為濕層。925hPa附近有弱的逆溫存在。逆溫層的存在表明有一定的位勢不穩定，利于累積一定的不穩定能量，整層大氣的溫度均在0℃，不考慮降雪相態轉換的問題。中層西南風隨高度逆轉為偏南風有冷平流，低層偏南風隨高度順轉為西南風有暖平流，西南急流輸送水汽，此時高空槽位于哈爾濱西部，槽前冷平流與西南暖平流匯合，冷空氣堆積和逆溫層的存在有利于暴雪天氣發生[9]。

圖4 10日20時哈爾濱站探空圖

3 結束語

地面低壓配合高空蒙古大槽是本次暴雪過程的主要影響系統。500hPa由蒙古大槽自西向東影響黑龍江省，配合700hPa和850hPa的切變線，地面低壓逐漸加強，中心氣壓維持較低。降雪時段內鋒面表現為東移北抬，哈爾濱站處于暖鋒后、冷鋒前。從渦度場、散度場和垂直速度場分析動力條件可知，低層表現為強輻合、中高層表現為強輻散，這種天氣形勢對對流層中低層暖濕空氣的聚集和上升較為有利并持續維持低層上升運動，提供了暴雪發生發展的必要動力條件。從相對濕度、水汽通量散度場分析水汽條件可知，充足的水汽條件為暴雪的發生發展提供了有利條件。水汽通量輻合是暴雪產生的必備條件，但是水汽通量散度不需要很強。從假相當位溫分析熱力條件可知低層假相當位溫大說明空氣暖濕，提供了有利的水汽條件。分析探空資料可知，逆溫層的存在表明有一定的位勢不穩定，利于累積一定的不穩定能量；西南急流輸送水汽，此時高空槽位于哈爾濱西部，槽前冷平流與西南暖平流匯合，冷空氣堆積和逆溫層的存在有利于暴雪天氣發生。