2017年沙潁河流域一次暴雪天氣成因分析

顧佳佳， 單鐵良

(1.漯河市氣象局，河南 漯河 462300； 2.河南省沙潁河流域氣象中心，河南 漯河 462300)

引 言

暴雪是我國北方冬季常見的災害性天氣，常伴有冰凍、覆雪等災害，對城市交通、農業生產及人民生命財產造成較大威脅。對于暴雪，氣象工作者從不同方面進行了研究，得出一些有意義的結論[1-11]。張寧等[12]對2010年湖北東部一次暴雪天氣進行分析，認為500 hPa高空槽東移，低層低渦北上，干濕冷暖交匯的楔型結構邊緣有多個鋒生環流導致暴雪發展。申李文等[13]對2011年山西一次連續性降雪成因進行分析表明，在高低空急流及暖切變共同作用下，強烈的上升運動和水汽輻合是降雪增強的重要因子。陳紅專等[14]對2011年湖南暴雪成因分析表明，700 hPa西南急流建立與500 hPa正渦度東傳，提供了有利的水汽和動力條件，高空急流與鋒面的耦合作用導致暴雪發生發展。閆慧等[15]對2013年山西一次存在多種相態轉換的暴雪天氣分析，認為低層溫度變化、逆溫層增厚與垂直風切變加大是判斷降雪過程相態變化和降雪強度增強的重要指標。

近年來河南暴雪天氣頻繁發生，造成的損失越來越大，許多專家曾作過研究[16-19]。馬振升[20]基于大量暴雪個例分析了河南省暴雪時空分布及其天氣形勢特征, 建立了橫槽型和兩槽一脊型的暴雪天氣學模型。靳冰凌等[21]對2009年11月河南北部一次暴雪天氣診斷分析，認為中高緯上“南槽北脊”環流形勢，以及低空急流發展形成了暴雪天氣背景，深厚濕層、持續水汽輻合及上暖下冷的穩定形勢均是暴雪的重要成因。顧佳佳等[22]對2014年河南持續暴雪成因分析結果表明，河套低槽東移發展，配合近地層冷空氣活動，兩支干冷下沉氣流在中層形成明顯干層，加強了對流不穩定性，從而暴發強降雪。張彩英[23]基于風廓線雷達對河南平頂山暴雪天氣研究發現，風場資料反映了暴雪過程風場“天南地北”的垂直結構，垂直速度、折射率結構常數等指標對降雪起止、強度指示較好。以上研究對提高河南省暴雪天氣預報水平均有重要意義。沙潁河流域(33.07°-34.98°N、111.70°-115.63°E)位于河南省中部，跨9地市34縣市，流域面積34440 km2，地理位置特殊，暴雪天氣發生發展原因復雜，因此，針對沙潁河流域暴雪天氣有必要進行深化研究。2017年2月21日沙潁河流域出現一次暴雪過程，持續時間短，降雪強度大,影響范圍廣,降水相態復雜，本次預報最大難點在于由于持續時間較短而降雪量級難以把握。本文利用多種常規和非常規觀測資料、NCEP 0.25°×0.25°高分辨率逐6 h分析資料,對此次暴雪過程的環流形勢、成因等進行研究，旨在為今后沙潁河流域暴雪預報提供一些有價值的信息。

1 暴雪概況特征

2017年2月21日08-20時，沙潁河流域出現了一次大范圍雨雪天氣過程(圖1a)，暴雪主要集中在沙潁河中下游，降雪量≥10 mm的站點有16個國家氣象觀測站(流域共34站)，>16 mm的站點有11個，最大降雪量出現在太康(20.8 mm)，次大的出現在項城(18.5 mm)。沿暴雪發展路徑依次在沙潁河上游、中游和下游選取平頂山、漯河、項城3站分析逐時降水(雪)量(圖1b)。21日08時沙潁河上游出現降水(雨)，并逐漸增強且向中下游發展，之后雨雪性質開始發生轉變，降水狀態逐漸轉為雪。平頂山地區13時后轉為雪，到14時流域全部為雪，20時流域降雪趨于結束。降水最強時段出現在21日14時前后，平頂山達2.6 mm·h-1，漯河與項城降雪量分別為8.3 mm·(3h)-1、6.7 mm·(3h)-1。本次沙潁河流域雨雪天氣雖然持續時間較短，但影響范圍廣，降雪強度大，且降水相態復雜，并伴隨一定強度的冰凍，對交通、農業和日常生產生活造成了較大的影響。

圖1 2017年2月21日08-20時降雪量(a)及平頂山、漯河、項城逐時降水(雪)演變(b)單位：mm

2 環流特征與影響系統

2017年2月20日20時(圖略),500 hPa歐亞大陸中高緯地區環流形勢為“兩槽一脊”型，從貝加爾湖到日本北部為一寬廣的低槽區，華北地區為高壓脊控制，河套西北部有低槽活動，在四川南部的南支槽穩定，南北兩支槽呈階梯狀分布。21日08時(圖2a)，500 hPa中高緯維持兩槽一脊形勢，河套地區低槽東移，南支槽北上，兩槽逐漸合并，導致環流經向度加大，槽前西南暖濕氣流強盛。受槽后冷空氣東移影響，沙潁河流域處于顯著的降溫區中，為降雪提供了適宜的冷源條件；700 hPa河南地區處于高濕飽和狀態，700 hPa西南急流、850 hPa偏南急流兩支低空急流在沙潁河流域交匯，不僅為雨雪天氣提供了充足的水汽，也提供了有利的動力抬升條件；925 hPa上-4 ℃等溫線南壓至沙潁河南部，偏東風與等溫線夾角較大，冷平流明顯，有利于底層冷墊形成，導致中層暖濕氣流抬升，從而發生雨雪天氣(圖2b)。地面21日08時(圖略)，我國東北地區冷高壓不斷擴散冷空氣南下，川東地區有一1007.5 Pa的低壓形成并發展，其前側等壓線密集，地面冷鋒顯著。14時(圖2c)，冷鋒東移南下，地面倒槽不斷向北發展，其頂部暖濕氣流與東路擴散南下的冷空氣在沙潁河流域交匯，氣壓梯度明顯加大，斜壓性加強，暴雪增強；偏北風增強，導致底層冷墊加厚，也加速了相態轉變。

由平頂山風廓線雷達逐時風場(圖2d)可知，21日08時中低空(1500-2500 m)有東南風、偏南風急流，偏東風、東北風在1000 m以下，近地面層冷墊較薄，降雨逐漸開始。隨時間推移，東北風逐漸向高層發展，13時500-1500 m為偏東北風，冷墊明顯增厚，近地面500 m以下偏北風逆轉為西北風，冷平流加強，降水相態由雨或雨夾雪轉雪。同期，低空急流加強，14時2000-3000 m上西南風風速增大到最大(24 m/s)；中層暖濕氣流沿底層冷墊爬升，上升運動增強，降水(雪)強度增大，實況是平頂山14時降雪強度最大，達到2.6 mm·h-1。之后，低空急流逐漸減弱，風向逐漸轉為西南風，降雪強度逐漸減弱；低層冷墊繼續增厚，15時0-2000 m為一致的偏北風，到20時0-3000 m為偏北風、偏西北風，降雪趨于結束。

此次過程是在500 hPa河套低槽與南支槽東移發展的有利環流背景下，中低層槽前強盛的西南急流與底層東路強冷空氣結合，導致強雨雪天氣發生發展，屬于河南典型的暴雪天氣形勢。與以往不同的是，風場精細化演變顯示，中低空首先在持續不斷的偏南暖濕氣流供應下，降水相態為雨；之后隨著低空也轉為東北風并不斷增強，冷墊持續增厚，降水相態在轉為雪的同時強度也迅速發展；最后中低空冷空氣加強，鋒區迅速南壓，降雪很快結束。

圖2 2017年2月21日08時500 hPa等高線與風場(a)和中尺度綜合分析(b)、14時地面天氣圖(c)與沙潁河上游平頂山風廓線08-20時逐時風場演變(d)(b)中風向為925 hPa風場

3 暴雪成因

3.1 水汽條件

從暴雪中心(33.25°N、114.75°E)水汽通量、水汽通量散度與風場的時間剖面圖(圖3a)可知，受持續不斷的暖濕氣流影響，暴雪中心在過程期間一直存在較強的水汽輸送和明顯的水汽輻合區。尤其是在2017年2月21日11-14時中低空冷墊增厚、全流域降水轉為雪之后，中低層上出現水汽通量大值區，中心為10～12 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽輻合中心出現在600 hPa上，高達-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1。這一時段降雪發展，項城站14-17時3 h累積降雪量在8 mm以上。同時，在21日14時沿33.25° N的水汽通量、水汽通量散度及風場剖面(圖3b)上，沙潁河流域水汽通量高值區范圍較廣，113°-115°E附近存在水汽通量高值中心，位于800-600 hPa上，量值達10 g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽輻合明顯加強，兩個輻合中心分別位于113°E和114.5°-115.0°E附近，中心均為-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1且高度在600 hPa上，對應流域中下游強降雪區。同時刻沿114.75°E剖面圖(圖3c)上，700 hPa水汽通量高值區達12 g·cm-1·hPa-1·s-1，600 hPa水汽輻合中心達到-120×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，與上述分析一致。綜上所述，暴雪區水汽一部分由中層槽前西南氣流輸送，一部分來自底層偏東氣流的水汽輸送，分別對應700-500 hPa西南急流和900 hPa偏東急流，充分的水汽輸送與較強的水汽輻合有利于沙潁河流域大范圍強雨雪天氣發展。

圖3 2017年2月21日暴雪中心(33.25°N、114.75°E)的水汽通量值、水汽通量散度與風場時間剖面圖(a)及14時沿33.25°N(b)和沿114.75°E(c)的水汽通量值、水汽通量散度與風場垂直剖面分布等值線為水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；色斑為水汽通量散度，單位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1

3.2 動力條件

暴雪天氣發生在高空正渦度區、高空輻散與低層輻合疊加區域。在降水相態轉為雪之后，暴雪發展最強時段的21日14時，500 hPa高空槽發展，正渦度向東發展，114°-115°E附近正渦度區從近地層伸展到300 hPa上，并隨高度向東傾斜，中心增加到20×10-5s-1，高度位于500 hPa上(圖4a)。33.25°-33.50°N范圍內500 hPa上出現正渦度區，中心強度達15×10-5s-1(圖4b)，正渦度平流使高層輻散,導致低層減壓，進一步促進中低層輻合加強，形成深厚輻合上升區。對應14時33.25°N的垂直速度、散度垂直剖面(圖4c)上，114°-115°E附近地區700-500 hPa出現強輻合中心，強度為-150×10-6s-1，高層300 hPa維持強度達250×10-6s-1的強輻散中心，中低層輻合、高層輻散結構較為明顯，同時該結構位置上對應一支明顯的上升運動中心，500 hPa中心強度達到-2.5 Pa·s-1。在114.75°E經向垂直剖面(圖4d)上可以看到，33.25°N附近1000-900 hPa與700-500 hPa上各出現一個-60×10-6s-1的輻合中心，300-200 hPa上輻散中心較為明顯，強度達到180×10-6s-1，高層輻散、中低層輻合的配置有利于上升運動強烈發展，其中心在-2.0 Pa·s-1以上，暴雪得以發展和維持。

從假相當位溫θse水平分布來看，21日08時(圖4e)，沙潁河地區850 hPa上θse等值線密集，北部低能舌南伸,表明冷空氣南下擴散，高能舌向沙潁河流域輸送暖濕空氣，冷暖空氣交匯明顯，鋒區顯著。到14時(圖略)，850 hPa鋒區進一步南下，等θse線密集帶與低層切變線、暴雪落區均對應較好。沿暴雪中心(33.25°N、114.75°E)的時間剖面圖(圖4f)上，近地層維持一θse低值區。到14時，900 hPa以下θse有所減小，低值區明顯上凸，表明底層冷空氣加強，冷墊有所增厚。900-700 hPa等θse線垂直梯度明顯并向高空傾斜，說明逐漸增厚的冷墊強迫中低層暖濕氣流抬升，鋒區加強。同時500 hPa有高能舌下伸，這與500 hPa南北兩槽合并加強及西南急流強盛有關，有利于降雪發展。20時后等θse線開始發散，鋒區減弱，降雪趨于結束。

圖4 2017年2月21日14時沿33.25°N(a)、沿114.75°E(b)的渦度垂直剖面及其垂直環流和沿33.25°N(c)、沿114.75°E(d)的垂直速度(色斑)、散度(等值線)的垂直剖面及08時850 hPa假相當位溫θse與風場分布(e)、暴雪中心(33.25°N、114.75°E)08-24時假相當位溫的時間剖面(f)

3.3 鋒生與次級環流

鋒生可導致天氣劇烈變化，其變化用鋒生函數表示，即如下公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

當F>0時為鋒生，當F<0時則為鋒消。式中，F1為變形項，F2為輻合項，F3為垂直項[24]。在大尺度雨雪過程中，變形項F1和輻合項F2對鋒生函數起主要作用，因此本文主要考慮前兩項之和。強降雪區從21日08時起上空900-700 hPa存在明顯的鋒生，直到21日夜間鋒生減弱并趨于零，強鋒生作用維持了本次整個雨雪過程，最強鋒生出現在21日11-17時850 hPa附近，對應沙潁河流域降雪增強時段。沿114.75°E的經向垂直剖面圖上，21日08時(圖5a)沙潁河流域低層鋒區明顯，34.25°N附近鋒區下側內垂直方向900 hPa上出現一明顯的垂直鋒面的正的次級環流，低層為偏東氣流，高層為偏西氣流，鋒區之上有暖空氣上升，鋒區之下有冷空氣下沉。此外，圖5(a)還顯示，33.00°-33.25°N與34°N兩個位置上鋒生中心和次級環流的上升支位置對應較好，鋒生中心強度為6×10-9K·m-1·s-1。14時(圖5b) 34.25°N次級環流略有北上，33.5°N附近區域又新生一正次級環流，高度也位于900 hPa附近，兩個次級環流的上升支疊加，導致上升運動增強，降雪隨之增強；33.00°-33.25°N與34°N附近的鋒生中心強度也分別增至10×10-9K·m-1·s-1、8×10-9K·m-1·s-1，并與次級環流的上升支對應，分別對應流域兩個暴雪中心區。綜上所述，低層出現垂直鋒面的正次級環流，鋒區以下冷空氣下沉，暖濕氣流沿鋒面抬升，鋒生作用增強；次級環流的兩個上升支疊加，導致上升運動進一步增強，同時次級環流產生的上升運動與鋒生中心對應較好，有利于強降雪發展維持。

圖5 2017年2月21日08時(a)、14時(b)沿114.75°E的鋒生函數(色斑為正值)、假相當位溫θse(等值線)及垂直環流(u-ω)的垂直剖面(ω擴大20倍)鋒生強度單位：10-9K·m-1·s-1，θse單位：℃

3.4 對稱不穩定分析

由于冷空氣從底層侵入形成冷墊，700 hPa以上暖濕氣流沿冷墊爬升，鋒區上形成明顯的“上暖下冷”溫度層結，鋒區內θse值隨高度增加，這種穩定層結似乎不支持強雨雪天氣形成。由于本次過程是由中高層暖濕氣流沿低層冷墊作傾斜上升運動導致，可從對稱不穩定上進行分析。對稱不穩定是指大氣在垂直方向上的對流穩定與水平方向上的慣性穩定情況下，作傾斜上升運動仍然可能發生的一種不穩定。Bennetts等[25]將飽和潮濕大氣中的對稱不穩定稱為條件性對稱不穩定(CSI)，并指出濕位渦MPV小于0是大氣發生CSI的充要條件，能夠反映CSI的強弱。侯瑞欽[26]、索渺清[27]等發現負MPV有利于冬季暴雪的發展。

圖6為21日08時、14時和20時850 hPa上濕位渦的水平分布。08時(圖6a)沙潁河流域上游地區西南部為0～0.5 PVU，其余大部分地區在-1.0～-0.5 PVU，整個流域內大部分地區以較弱的負MPV為主，大氣處于弱對稱不穩定條件下，此時上游地區降水較弱，平頂山降水量僅僅0.1 mm，下游未出現降水。14時(圖6b)，隨著低空急流發展，負MPV高值區東移北上，流域中下游地區位于MPV<-1.0 PVU的區域，中心強度達到-2.0 PVU，對稱不穩定性增強，降雪得到發展，漯河單站3 h降雪量達到8.3 mm。結合降雪分布(圖1a)可知，MPV負值區域與本次強降雪區具有較好的對應關系。其中MPV<-1.0 PVU區域對應了10 mm以上的暴雪區，MPV<-1.5 PVU區域主要對應14 mm以上的暴雪區，MPV<-2.0 PVU區域主要對應16 mm以上的強降雪中心。到20時(圖6c)，流域地區MPV為0，大氣層結對稱穩定，降雪過程結束。此次過程，從08-14時負MPV明顯增加，CSI增強；在CSI作用下，上升運動顯著增強，降雪也隨之明顯增強。張芳華等[28]在一次冬季降水中的條件對稱不穩定分析中也印證了這一點，因此負MPV和CSI增強是本次暴雪發展的重要原因。

圖6 2017年2月21日08時(a)、14時(b)、20時(c)850 hPa濕位渦分布濕位渦單位：PVU，1PVU=10-8m2·s-1·K·kg；黑色加粗邊界為沙潁河流域，雙虛線為鋒區

4 雷達回波特征

2017年2月21日11:07 2.4°仰角反射率(圖7a)上，整個區域上呈現明顯的圓弧狀亮帶回波，這主要是高層冰晶物下落到0 ℃層附近開始融化，其表面水膜導致后向散射增強，形成0 ℃層亮帶。沙潁河流域上游寶豐、葉縣、平頂山等地出現大片層狀云降水回波，回波結構連續均勻，中心強度為30～45 dBZ，相態為雨或雨夾雪，1 h降水量達到1.2 mm。隨后強回波區東移，逐漸影響流域中下游地區，到13：45(圖7b)，亮帶回波逐漸消失，這是因為冷空氣加強，導致中低層溫度下降，整層變為冷層，冰晶或雪花對反射率因子貢獻較小造成的。同時回波結構表現為絮狀的降雪回波，說明降水相態已經轉雪。流域上游回波減弱到30 dBZ以下，中下游地區回波不斷發展，強度顯著增強，局地達到45～50 dBZ，對應實況降雪強度明顯增強。15：41(圖7c)，回波結構松散，強度明顯減弱，中上游回波為零星狀且分布散亂，30 dBZ以上強回波區也主要位于下游地區，對應反射率剖面上，回波頂主要在6 km以下。11：07(圖7d)，最大強度為30～40 dBZ的回波維持在3 km附近，且分布連續完整，對應0 ℃亮帶位置，也說明此時相態為雨或雨夾雪。13：45(圖7e)，強回波發展明顯，最大強度達40 dBZ以上，3 km附近強回波向下延伸至地面，降雪強度明顯增強。15：41(圖7f)，3 km以下回波明顯減弱，最強回波在高度上不連續，降雪逐漸減弱。

雷達回波演變對本次降水(雪)的變化有較好的指示意義。強降雪回波強度主要為30～45 dBZ，回波高度在6 km以下，反映了穩定性降雪特征；0 ℃層亮帶變化則說明雨或雨夾雪轉雪，反映了降水相態多變。

圖7 2017年2月21日11：07(a、d)、13：45(b、e)、15：41(c、f) 駐馬店雷達2.4°仰角基本反射率及對應時次的反射率垂直剖面單位：dBZ，圖a、b、c中黑線為剖面位置

5 結論和討論

(1)500 hPa上河套低槽與低緯南支槽合并發展，槽前強盛的西南急流與東路不斷擴散南下的底層強冷空氣結合，形成流域強雨雪天氣，這是河南典型暴雪天氣形勢。不同點在于，風場精細化演變顯示，中低空首先在持續不斷的偏南暖濕氣流供應下，降水相態為雨；之后隨著低空也轉為東北風并不斷增強，冷墊持續增厚，降水相態在轉為雪的同時強度也迅速發展；最后中低空冷空氣加強，鋒區迅速南壓，降雪很快結束。

(2)中高空西南急流和低空偏東急流兩條通道帶來充分的水汽，及在暴雪區較強的輻合是有利的水汽條件。在較強正渦度區，中低層冷空氣不斷侵入，既使中低空降溫，降水相態轉為雪，也使中層暖濕氣流被迫抬升，有利于中低層輻合增強，同時高層強輻散疊加在此區域，進一步促進低層輻合加強，形成深厚上升區，降雪發展。

(3)次級環流上升運動與鋒生中心、強降雪三者對應較好。強降雪期間低層出現垂直鋒面的正次級環流，冷空氣下沉，暖濕氣流上升，鋒生作用增強；次級環流的兩個上升支疊加，導致上升運動進一步增強，降雪發展。CSI與鋒面附近的降雪發展密切相關,負MPV明顯增加，CSI增強，上升運動隨之顯著增強，降雪增大。條件對稱不穩定分析中也印證了這一點，因此負MPV和CSI增強是本次暴雪發展的重要原因。

(4)雷達回波演變特征反映了降水(雪)加強、維持、減弱、消散及降水相態的變化。強降雪回波強度多為30～45 dBZ，回波高度在6 km以下，反映了穩定性降雪特征。0 ℃亮帶的變化，反映雨雪轉換特征。

這次過程具有持續時間較短，存在相態轉換，降雪量級難以把握的特點。在預報中針對此類過程，首先要把握降水相態的轉變，著重分析中低空冷空氣的演變，即冷墊厚度的變化趨勢；其次要把握水汽和動力條件的演變，即在相態轉變之后，水汽和動力條件是否維持較強或有加強的趨勢；再者要考慮暖濕氣流沿冷墊爬升造成的條件對稱不穩定的作用。在監測預警中，一是要通過雷達回波強度和0 ℃層亮帶的演變，估計相態的轉變和降水的強度；二是利用風廓線雷達中低空風向的變化和風速的大小，估計相態的轉變和降水的強度。