北京一次極端雨雪天氣異常診斷分析

翟 亮，王 林，郭金蘭，雷 蕾，杜 佳，張迎新

（1.北京市氣象臺，北京 100089；2.中國科學院大氣物理研究所，北京 100029）

在我國雪災總體呈增長趨勢[1]的背景下，北京作為國際化大都市，災害性天氣對城市運行有著嚴重影響，尤其與降雪相關的“城市次生災害”一直備受關注。劉勇洪等[2]研究構建了冰雪災害對北京城市交通運行的預警評估指標體系。如何最大限度減少此類災害的影響，需依賴氣象部門的準確預報。從預報業務角度，深入分析大雪以上量級且伴有復雜雨雪相態轉換的天氣過程，研究其成因和極端性特征，能夠為北京地區冬季極端雨雪天氣過程的預報積累寶貴經驗，提高氣象預報和服務水平。

針對北京地區冬季暴雪天氣的形成機制已有很多研究[3-6]，這些研究大多基于北京典型暴雪天氣進行分析，也有學者從華北區域型暴雪的角度出發，討論北京地區暴雪的成因[7-9]，但所用天氣個例多為單純暴雪過程，亦或是發生在季節轉換期間的雨雪天氣。對2月發生在北京且伴有明顯相態轉換的暴雪天氣少有研究。

2020年2月13日夜間北京普降中雨，14日08：00（北京時，下同）北京大部分地區由雨轉為雪，14日20：00降水結束。北京市平均累計降水量（雨、雪）為22.5 mm。其中北京市區平均降雪量為7.5 mm，城區平均為10.1 mm，最大降雪為平谷門樓莊的16.4 mm。此次天氣過程中，北京20個國家級氣象觀測站中有14個站日降水量突破冬季日降水量歷史極值。北京觀象臺單站降水量達29.5 mm，突破1951年有觀測記錄以來2月最大日降水量極值。

本次極端雨雪天氣具有累計降水量大、持續時間長、相態轉換、積雪分布不均等突出特點。本文利用EC再分析資料、風廓線雷達產品、氣候資料等，分析本次極端雨雪天氣過程的成因和極端性，以期能夠進一步認識和了解此類罕見的極端雨雪天氣過程，為該類天氣更準確的預報預警總結經驗。

1 成因分析

1.1 大尺度環流背景

2020年2月13—14日，華北大部地區出現明顯雨雪天氣。2月14日08：00北京地區處在200 hPa高空西南急流分流區（圖1），內蒙古西部500 hPa存在完整的大尺度低渦環流，700 hPa大濕度區（相對濕度＞90%的區域）呈逗點狀分布，覆蓋京津冀地區。河北中部的中尺度輻合中心渦旋特征明顯，并在風場上呈現明顯“人”字形切變。位于渦旋東北側的橫切變緩慢北抬，切變線北側強盛的偏東氣流對北京的降水產生重要影響。與此同時，受北京外圍山脈阻擋，地面冷高壓自北京東部回流至平原地區，與北京西部緩慢越山的冷空氣形成華北錮囚鋒。此種天氣系統配置特征，基本符合華北低渦暴雪天氣概念模型，具有清晰的動力結構和特征。

圖1 14日08：00 500 hPa位勢高度（黑色實線，單位：dagpm）、700 hPa相對濕度（陰影）、850 hPa中尺度低渦中心及切變位置（紅色字母D及紅色雙實線）

1.2 中尺度渦旋分析

盡管蒙古低渦等天氣系統為本次極端雨雪天氣提供了較好的大尺度環流背景，但暴雪的形成往往需要中小尺度天氣系統的參與。張迎新等[7]研究發現，中尺度低渦系統對華北暴雪有增強作用。中小尺度天氣系統的參與能使降雪進一步加強[10-11]。14日08：00，北京處于500 hPa高空正渦度平流區，850 hPa垂直上升速度達-3 Pa·s-1。在大尺度低渦前部偏南氣流中，850 hPa發展形成一個中尺度渦旋（圖2），其中心位于河北中部，渦旋東側橫切變強度強，且向北緩慢移動，為本次極端降水提供強大動力抬升作用和水汽輻合條件，是影響北京地區降水的關鍵因素。該中尺度渦旋系統的發展和穩定維持，是降水過程中重要的動力和水汽來源，其作用與夏季的中尺度渦旋對暴雨的作用相似[12]。

圖2 14日08：00 850 hPa比濕（黑色實線，單位：g·kg-1）、850 hPa風場（藍色風向桿，單位：m·s-1）、中尺度低渦中心及范圍（D及紅色方框）

為進一步認識該中尺度渦旋的特征，分析其所控區域（圖2中紅色方框）內平均渦度在垂直方向的分布發現，渦旋區內的平均渦度隨高度呈“S”型分布（圖3），600 hPa以下為正渦度，600 hPa以上為負渦度，且正、負渦度極值分別穩定在800及400 hPa。在降水過程中，高空負渦度極值點保持在約-3×10-5s-1，而800 hPa正渦度極值點不斷加強（圖3）。觀測顯示，14日02：00—07：00雨強增強，最大為8.5 mm·h-1，出現時間為14日06：00。雨強與中尺度渦旋低層正渦度增加有密切關系。

圖3 13日14：00—14日14：00渦旋區平均渦度廓線

1.3 不穩定層結

北京冬季降雪大多伴隨底層偏東風回流特征，在北京形成一個“冷墊”[12-14]，造成上暖下冷的穩定層結。而14日04：00—07：00雨強明顯增大階段，衛星云圖中有云階特征，這說明降水可能有對流活動。

對流活動出現，需不穩定層結為基礎。通常溫度平流能直接引起大氣熱力結構發生變化，冷、暖平流垂直方向的疊加會使大氣層結趨向不穩定。由海淀站風廓線雷達產品（圖4）可知，14日02：00前后，大氣底層有明顯冷平流“楔入”，上層西南暖濕氣流形成深厚的暖平流。但在約4 000 m高度又存在一定厚度的冷平流，因此在500 hPa以下存在冷暖平流上下疊加，有利于層結不穩定大氣的形成。

圖4 2020年2月13日20：00—14日20：00海淀站風廓線（風向桿，單位：m·s-1）和溫度平流（陰影，單位：10-4℃·s-1）

為進一步驗證本次過程中存在對流活動，選擇13日20：00北京南郊觀象臺假相當位溫廓線和探空曲線進行分析和訂正，發現785 hPa為逆溫層頂，如訂正該點為飽和狀態，并由此作為抬升凝結高度，那么大氣將出現明顯的不穩定層結。

這需要滿足2個條件：（1）785 hPa以下迅速增濕到飽和。（2）785 hPa以上的大氣溫度變化穩定。

實況大氣的溫濕演變中（圖5），785 hPa以下隨著降水的開始，相對濕度迅速增加，并于14日00：00前后接近100%。同時，高空溫度變化基本穩定，滿足上述2個基本條件。因此，可以確定降水過程有對流活動，促使降水強度加大，降水效率提高。

圖5 2月13日20：00—14日17：00溫度（陰影，單位：℃）、相對濕度（等值線，單位：%）時空廓線

2 異常特征分析

本次過程發生在北京2月，其突出的異常特征是降雨量的極端性和相態轉換異常。

2.1 相態轉換異常

北京地區年極端最低氣溫一般出現在1月或2月上、中旬，個別年份也有出現在2月下旬。2月氣候平均氣溫在-2℃左右。北京2月強降水極少伴有雨雪轉換，而本次過程不但存在復雜相態轉換，且轉換時間較預期延遲2～3 h，雨轉雪（除山區外）空間方向為自東向西，同時北京東部積雪明顯，而西部（除山區外）則基本無積雪，這與普通的雨雪天氣過程恰恰相反。

本文選取2月14日08：00（北京大部分雨雪轉換時間發生在08：00前后），沿40°N做溫度、云水含量、云冰含量的時間垂直剖面（圖6）。回流造成的0℃層高度西高東低的分布特征，造成東部先出現相態轉換，而北京中西部相態轉換時間晚2～3 h。

雪花形成首先需要大量冰晶，而冰晶形成概率會隨溫度降低而增加，當溫度＜-8℃時，云中的冰晶出現概率接近70%；當溫度＜-20℃時，云中基本為冰晶[16]。另有研究表明[17]，-13～-17℃冰晶碰并勾連效率最高，生長率最快。因此，-8～-20℃層為雪花生長的“關鍵層”。14日08：00之前，北京大部降水均為雨或雨夾雪（圖6a），-8～-20℃層的云冰含量僅為0.015 g·kg-1，造成空中雪花生長受到影響。同時，0℃層高度維持在950 hPa附近（約700 m），即使高空形成雪花，但在落地之前也會被700 m高的暖層融化，無法實現相態轉換[18]。14日08：00之后，-8～-20℃層的云冰含量迅速增大到0.03 g·kg-1以上，0℃層高度也降至近地面（圖6b），滿足了雪花能夠降落地面的環境要求，完成相態轉換。

圖6 2月13日20：00—14日07：00（a）和14日08：00—20：00（b）云冰含量（黑色實線，單位：g·kg-1）、云水含量（色斑圖，單位：g·kg-1）、溫度（紅色虛線，單位：℃）剖面

在冬季相態轉換預報中，除了要關注高空系統變化和大氣低層濕度狀態外，底層溫濕變化同樣重要[19]。應通過從雪花形成到降落地所經歷的大氣綜合溫濕狀態來判斷降水相態。本次過程中-8～-20℃層云冰含量少，0℃層高度持續偏高是造成雨轉雪推遲的根本原因。

2.2 水汽輻合異常分析

無論是降雨還是降雪，都是水汽在動力抬升作用下冷卻凝結，并最終降落地面的天氣過程。有研究表明水汽含量與降水量存在密切關系[20]，在極端降水過程發生前（2月12—13日，圖7a），京津冀地區僅有弱的水汽通量輻合異常，而在降水過程中（13—14日，圖7b），京津冀一帶有明顯的水汽通量輻合異常，這種極端的水汽通量輻合異常為降水提供了充沛的水汽。

圖7 2月12—14日整層水汽通量異常（矢量，單位：kg·m-1·s-1）及水汽通量散度異常（陰影，單位：kg·m-2·s-1）

為進一步分析這種水汽輻合的極端程度，選取北京地區（圖7中方框區域：39.25°～41.25°N，115.5°～117.5°E）進行區域平均，并與該區域歷史同期的水汽通量異常極值進行對比（圖8），2月13—14日的水汽通量輻合異常程度處于歷史同期峰值，這種極端的水汽通量輻合異常，成為本次降水量極端性的重要原因。

圖8 2月1—15日區域平均的整層水汽通量散度異常值（等值線，單位：kg·m-2·s-1）和歷史同期極大值（陰影）

3 結論和討論

本文利用實況高空觀測資料、EC再分析數據、風廓線雷達等多種探測資料對北京2月一次極端雨雪天氣進行深入分析和異常特征討論，主要結論如下：

（1）大尺度低渦、高/低空急流、鋒面等天氣系統，為降水提供了良好的天氣背景條件。

（2）河北中部形成和發展的中尺度渦旋，是本次極端雨雪天氣形成的重要原因。

（3）中高空的冷、暖溫度平流疊加以及溫濕狀態演變，致使降水過程初期出現對流活動，這提高了降水效率，導致過程累計降水量進一步加大。

（4）850 hPa切變線北側強盛的偏東氣流，在本次天氣過程的動力抬升和水汽輸送及輻合中發揮重要作用。

（5）-8～-20℃層云冰含量低，同時0℃層高度＞700 m的大氣狀態是造成相態轉換節點延遲的直接原因。

（6）回流冷空氣自北京東部向西侵入，導致0℃層高度下降，進而為相態轉換提供條件。

（7）通過氣候異常診斷，發現本次極端降水過程中，北京地區存在明顯的水汽通量輻合異常，且異常程度處于歷史同期峰值，這是本次天氣過程極端性的重要原因。

本文對2020年2月一次極端雨雪天氣過程進了成因分析和異常診斷，下一步將深入研究本次過程中尺度渦旋系統的發展機制，探尋其對華北冬季極端雨雪天氣的作用。