伊犁州一次大風降雪天氣過程分析

伊爾潘江·牙生 李如琦

（新疆維吾爾自治區氣象臺,新疆 烏魯木齊 830002）

在全球氣候變暖的背景下，頻繁發生的寒潮、大風、暴雪、低溫、暴雨等極端天氣對人民的生命財產安全構成嚴重威脅，因此加強災害性天氣過程的預報研究很有必要。新疆的大風和降雪天氣研究方面，萬瑜等（2013）對中天山附近城市2011年初春一次暴雪天氣進行分析，結果表明南、北兩支鋒區在中亞一帶匯集后東移發展，大氣垂直結構表現為高層輻散、低層輻合，而降雪地區發生東南大風，地面溫度急劇上升，氣壓下降，為暴雪天氣的發生提供有利的熱力條件[1]。張書萍等（2011）研究阿勒泰地區2009年冬季持續暴雪過程發現，貝加爾湖西側區域異常冷性低槽引導冷空氣南下，與源于里海的水汽輸送匯集于北疆，推動阿勒泰一帶暴雪天氣的形成和發展[2]。于碧馨等（2020）對天山兩麓一次暴雪天氣進行研究，指出歐洲高壓脊的衰退和烏拉爾山低壓槽與中亞低壓槽的結合東移使低槽在中亞南伸加強，而南北兩支槽前偏西氣流的匯合有利于水汽輸送，從而造成天山北坡暴雪[3]。艾克代·沙拉木等（2018）分析克州2015年春季一次大風天氣，指出西伯利亞低槽的作用下冷鋒南壓侵入南疆西部，同時低空出現切變線與急流，而冷暖氣流的交匯增加了熱力不穩定性并加強垂直運動促使鋒生，導致克州出現大風過程[4]。宋佳（2015）通過分析塔城地區2014年春季一次大風天氣過程，指出500 hPa高度層呈“2脊1槽”型，巴爾喀什湖低壓槽南壓后快速東移北上，且低壓槽后部有強勁北風帶的建立是造成塔城地區區域性大風天氣的重要環流形勢之一[5]。周雪婧（2016）對克拉瑪依2015年一次大風降水天氣進行研究，指出烏拉爾山低壓槽南下過程中分裂成南北兩支，其中北支東移北收，在冷暖氣團交匯、中低層水汽及特殊背風坡的配合下，克拉瑪依容易出現大風降水天氣[6]。

伊犁哈薩克自治州地處新疆維吾爾自治區西部天山北側的伊犁河谷內，而伊犁河谷位于烏孫山和中天山之間，東部狹窄、西部寬闊，海拔西高東低，呈喇叭口形狀。伊犁州境內地形地貌復雜，主要包括山地、丘陵、平原及沙漠，氣候類型屬于溫帶大陸性氣候。伊犁州冬季常出現大風、降雪天氣，一旦遭遇風雪天氣，不僅會對交通運輸安全造成不良影響，還嚴重影響農牧業生產。基于此，本文利用常規氣象觀測資料和NCEP全球再分析資料對2021年1月22日—25日伊犁州一次大風降雪天氣過程進行診斷分析，以掌握伊犁州風雪天氣的形成規律，為提升冬季大風、降雪天氣的預報能力提供一定參考。

1 天氣實況

2021年1月22日下午至1月25日早晨，新疆伊犁州爆發一次大風降雪天氣。其中，降雪天氣主要集中發生于1月22日傍晚至1月25日早晨，強降雪主要分布在新源縣、伊寧縣、鞏留縣南部山區及霍城縣北部山區，其中國家站最大降雪中心為伊寧縣站（17.7 mm），次中心為新源縣站（13.5 mm）（見圖1）；大風主要發生于1月22日下午至1月23日早晨，有8個國家站風力為8～9級，34個區域站風力為10～12級，其中國家站極大風速中心為新源縣站（24.1 m/s，9級），次中心為尼勒克縣站（21.2 m/s，9級）（見圖2）。

圖1 2021年1月22日19：00至1月25日09：00伊犁州降水量分布圖（單位：mm）

圖2 2021年1月22日14：00至1月23日08：00伊犁極大風速分布圖（單位：m/s）

2 形勢分析

歐亞范圍內為經向環流，西伯利亞至里咸海地區為低槽活動區，冷中心達-40 ℃，歐洲脊發展，引導冷空氣南下徑向發展，西西伯利亞低槽分裂短波與中亞低槽匯合，中緯度鋒區加強，低槽快速東移造成包括伊犁州在內的北疆出現大風降雪天氣。整個環流形勢屬于北疆大降水類型：歐洲脊發展，西西伯利亞低槽南深，南北鋒區結合。過程中，各層主要影響系統特征（見圖3）：（1）200 hPa，西南急流，暴雪發生在急流軸附近；（2）500 hPa，西西伯利亞低槽南深，與中亞短波結合，槽底南壓制35°N區域，低槽前西南氣流強勁；（3）700 hPa，偏北急流建立并維持；（4）850 hPa，西北風和偏西風，冷式切變；（5）冷鋒，天山附近，強迫抬升；（6）地面冷高，偏西路徑，1 045 hPa；（7）地形，偏北急流在天山山脈輻合抬升。有利的高低空配置為大風降雪天氣提供了有利的天氣背景。通過分析500 hPa形勢場（高度場、溫度場、風場）可知，2021年1月22日08：00（見圖4a），亞歐中高緯大氣環流形勢呈“1槽2脊”型，有一深厚低槽處于西西伯利亞至中亞一帶，低槽曲率較大，槽底延伸至30°N，溫度槽落后于高度槽，冷平流使低槽發展增深，槽后脊前北風帶強勁，同時，源于極北的冷空氣持續南下堆積，高壓脊區處在黑海北側，淺脊區處于新疆至蒙古一帶，而伊犁州主要受低槽下游區西風急流的作用；1月22日20：00（見圖4b），在歐洲高壓脊的作用下，中亞低槽逐漸東移，伊犁州逐漸受槽前西南氣流的影響，降雪天氣開始陸續出現；1月23日08：00（見圖4c）至1月23日20：00，伊犁州主要受槽前西南急流的作用；1月24日08：00，低槽曲率不斷減小；1月24日20：00（見圖4d），低槽東移北收，南段移動至新疆東部，伊犁州受槽后西北氣流的作用，降雪強度也減弱；1月25日08：00，本次天氣過程基本結束。而對應地面形勢，1月21日08：00，地面冷高壓位于黑海，高壓中心值為1 035 hPa；1月21日20：00，高壓穩定維持；1月22日08：00，冷高壓不斷加強朝東南移動，高壓中心值達1040 hPa，為典型的偏西路徑；1月22日20：00，冷高壓中心在咸海到巴爾喀什湖之間，強度為1 041 hPa，冷鋒已壓至新疆西部，西部國境線附近氣壓梯度達35 hPa，最大梯度達42 hPa，伊犁州3 h變壓為10 hPa，說明冷空氣已開始影響新疆西部；1月23日08：00，冷高壓維持東移至巴爾喀什湖南側，中心強度達1 041 hPa，伊犁州出現明顯大風和降雪天氣，甚至南疆西部出現明顯翻山風，可見冷空氣很強且偏南。

圖3 大風降雪天氣過程高低空系統配置

圖4 500 hPa高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）、風場（單位：m/s）

3 物理量場分析

3.1 水汽條件

大氣中的水汽含量雖少，但變化較大，是影響天氣變化的重要因素之一。通過分析本次降雪過程中伊犁州水汽通量散度、風場時間-高度剖面場可知，天氣發生期間，水汽通量散度輻合區處于750 hPa高度層以下；1月22日夜間，強降雪發生時段水汽通量散度輻合區處于800 hPa高度層以下，輻合中心值為-5.0×10-5g·cm－2·hPa－1·s－1；1月22日20：00，850 hPa低空急流核風速達26.0 m/s，有利于水汽的輻合積聚。水汽通量散度的演變情況正好對應降雪強度變化的時間段。此外，對比濕條件進行分析發現，2021年1月22日20：00至1月23日20：00，1.5 g/kg比濕線擴展至600 hPa高度層，2.0 g/kg比濕線擴展至850 hPa高度層以上，近地面比濕超過2.5 g/kg，為本次天氣提供了一定水汽條件。

3.2 假相當位溫

假相當位溫表示空氣塊在上升過程中，其內部水汽凝結脫落，氣塊由不飽和變成飽和，之后絕熱下沉至1 000 hPa處所具有的溫度。通過分析本次降雪落區伊寧站假相當位溫場（θse）可知，2021年1月22日20：00至1月23日08：00，伊犁州上空假相當位溫線越來越密集，大氣的斜壓性越來越大，冷鋒鋒區也越來越強，并與降雪強度不斷增強的時段基本一致，因此假相當位溫在預報降雪強度時有一定的指示意義。

3.3 渦度和散度

渦度描述流體質塊的旋轉程度及方向，氣象上常考慮垂直渦度，空氣微團氣旋式旋轉為正渦度，反氣旋式旋轉則為負渦度，當相對渦度沿氣流方向減弱時有正渦度平流，沿氣流方向增強時有負渦度平流。散度表示流體在空間某點的匯合或流散程度，氣象上常考慮水平散度，氣流向某地凈流入為輻合，凈流出為輻散，其中輻合為負，輻散為正。本次天氣發生期間，500 hPa槽前西南氣流上正渦度輸送，500～300 hPa高度層存在正渦度且平流最強時段是降雪最強時期。500 hPa高度層的低渦強且正渦度輸送有利于輻合（見圖5a），輻合區在中低層600 hPa高度層以下，700～850hPa高度層之間輻合中心值為-0.7×10-5s-1（見圖5b）。地面冷鋒不斷由西西伯利亞平原向伊犁州推進，并且冷鋒東移過程中有所加強，提供強盛的冷鋒強迫抬升動力作用。300 hPa高空西南急流出口區和700 hPa西北急流入口區呈高空輻散、低空輻合結構，提供有利的動力抽吸作用。中高層正渦度平流輸送、地面冷鋒、高低空輻散輻合動力抽吸非常有利于300 hPa高度層以下大氣的垂直上升運動發展。

圖5 渦度及散度垂直剖面（線條為散度，單位：10-5s-1；陰影為渦度，單位：10-5s-1）

3.4 850 hPa溫度平流和風場

空氣從高溫區域向低溫區域流動時稱為“暖平流”，而從低溫區域向高溫區域流動時稱為“冷平流”，冷暖平流是導致天氣出現大規模變化的主要因素之一。在850 hPa高度層上，2021年1月22日14：00后，冷平流對伊犁州造成影響，上游至伊犁州存在風速輻合；1月22日20：00，冷平流完全進入伊犁州，此時本地中心值為-1.5×10-5℃/s，伊犁州西部低空西風急流核風速超過30 m/s；1月24日08：00，伊犁州冷平流及低空急流均有所減弱，降雪強度也隨之變弱；1月24日20：00，暖平流開始影響伊犁州，本次天氣過程趨于結束。

4 結論

（1）整個環流形勢屬于北疆大降水類型：歐洲脊發展，西西伯利亞低槽南深，南北鋒區結合。在本次天氣發生前，亞歐中高緯500 hPa高度層呈“1槽2脊”的環流形勢，深厚低槽處于西西伯利亞至中亞一帶，冷平流促進低槽發展增深，極北冷空氣持續南下堆積，在位于黑海北部一帶的高壓脊作用下，中亞低槽逐漸東移對新疆伊犁一帶產生影響，最終造成本次大風降雪天氣。

（2）降雪期間，水汽通量散度輻合區位于750 hPa高度層以下，水汽通量散度的演變對應降雪強度變化的時間段；850 hPa低空急流的水汽輸送與近地面超過2.5 g/kg的比濕為本次天氣的發生提供較有利的水汽條件。

（3）天氣過程中，假相當位溫線越密集，則鋒區越強，降雪強度也越強，三者之間呈正相關關系。

（4）中高層正渦度平流輸送、地面冷鋒的強迫抬升、高空輻散低空輻合的動力抽吸等特征促進大氣的垂直上升運動。

（5）冷平流加大氣壓梯度使變壓和風速增大，有利于大風天氣的形成；冷平流引起冷暖交匯，起到抬升作用，使較暖空氣沿冷鋒鋒面爬升，有利于大范圍降雪；同時，低空急流強度和降雪強度的變化基本一致。

（6）預報伊犁州降雪天氣時，比濕不一定像強降雨時那么大，但中低層往往存在明顯的水汽通量散度負值區和大風速軸，需要預報員關注。低層的急流或顯著氣流不但有助于水汽的輻合，還能在大風速軸附近加強垂直運動，急流強時水汽輻合一般不會弱。預報伊犁州冬季大風天氣時，地面冷高壓或低層冷平流越強，高壓前沿的等壓線或低層等高線越密集，則氣壓梯度越大，由地轉風關系可知此時容易出現大風天氣，因此預報員需關注地面冷高壓和低層冷平流。