哈密降雪異常的大氣環(huán)流及水汽特征

梁田甜，苗運玲，周嘉珍，李如琦，潘存良

（1.新疆氣象災害防御技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；4.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000）

哈密市位于新疆最東端，地處96°23′～91°06′E，40°52′～45°05′N，橫跨天山南北的獨特地貌使哈密素有“新疆縮影”之稱。哈密市屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，天山山脈自東向西橫亙其中，形成中部和南北部迥然不同的兩大自然環(huán)境區(qū)，中部的巴里坤、伊吾兩縣草原廣闊，夏季涼爽宜人，冬季冰優(yōu)雪豐；山南哈密（伊州區(qū)）盆地、山北的淖毛湖盆地干燥少雨，晝夜溫差大，日照時間長。

降雪使積雪增加，有利于緩解旱情，但持續(xù)、大范圍的降雪又會致災，可見降雪與人們的生活息息相關(guān)，也吸引了許多氣象工作者的關(guān)注。李如琦等[1]、楊霞等[2]、劉成武等[3]分析了北疆不同量級降雪的時空分布和環(huán)流特征，指出新疆北部是降雪較為集中的區(qū)域，因此，更多的分析集中于北疆降雪特別是暴雪的成因[4-7]，對北疆暴雪的研究已經(jīng)深入到對其鋒面結(jié)構(gòu)、動力特征及中尺度系統(tǒng)的分析[8-10]，同時對水汽、物理量特征的研究也取得了成果[11-13]。相比而言，對南疆、東疆暴雪的研究較為少見，楊利鴻等[14]、施俊杰等[15]對南疆西部暴雪的個例進行了分析，李如琦等[16]、阿衣夏木·尼亞孜等[17-18]則分析了哈密南、北部暴雪的特征和成因。已開展的研究主要針對暴雪，對于不同區(qū)域降雪特征的分析較少，未見到對哈密市降雪特征的研究。為深入了解哈密市降雪的特征，本文在分析哈密市降雪事件的空間分布和時間變化特征的基礎上，進一步研究與哈密市降雪異常相聯(lián)系的環(huán)流配置和水汽輸送特征，為全面認識新疆降雪、提升降雪預報能力提供技術(shù)支撐。

1 資料和方法

采用1960—2020年哈密市6個氣象站的日降水量資料和NCEP/NCAR逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，分析哈密降雪的時空分布特征，以降雪量的±1個標準差[19]為界限選取哈密降雪異常年，合成分析降雪異常年的大氣環(huán)流和水汽特征。根據(jù)哈密市各站的氣候概況，在選取降雪數(shù)據(jù)時，先以日最高氣溫＜4℃為標準選取所有降水日，其中日最高氣溫＜0℃的降水均認定為降雪，對于日最高氣溫在0～4℃且不在11、12、1、2月的降水日重新進行資料核查，降水期間有觀測記錄為雪、雨夾雪、雨轉(zhuǎn)雪且有積雪增加的均保留，否則予以剔除。20時—次日20時（北京時，下同）的降雪量≥0.1 mm作為1個降雪日樣本，哈密市6站共2 981個降雪樣本。降雪量級采用新疆量級標準，即0.1～3.0 mm為小雪，3.1～6.0 mm為中雪，6.1～12.0 mm為大雪，12.1～24.0 mm為暴雪。

2 哈密降雪事件的時空特征

2.1 空間分布

哈密市降雪具有極為明顯的區(qū)域性特征（表1），降雪量和降雪日數(shù)均以哈密市中部偏西的巴里坤最多，較其他5站合計還多，中部偏東的伊吾次之，北部淖毛湖盆地少于南部哈密盆地，南部偏西的十三間房最少。不同量級的降雪也表現(xiàn)為相同的特征，南部偏西的十三間房和南部偏東的紅柳河從未出現(xiàn)過暴雪，巴里坤出現(xiàn)暴雪次數(shù)最多，為5次。日降雪極值出現(xiàn)在伊吾，時間為1998年3月8日，日降雪量為22.2 mm。

表1 哈密市各站降雪統(tǒng)計

2.2 月變化

哈密市的降雪量和降雪日數(shù)存在明顯的月際變化（圖1），降雪最早出現(xiàn)在9月，最晚出現(xiàn)在5月，夏季6—8月無降雪。降雪日數(shù)的月變化呈單峰型，峰值出現(xiàn)在12月。降雪量的月變化呈雙峰型，主峰值出現(xiàn)在11月，次峰值出現(xiàn)在3月，在季節(jié)交替時的次均降雪量明顯較大，與氣溫變化大導致的降水相態(tài)變化有直接關(guān)系。

圖1 哈密市降雪量和降雪日數(shù)距平的月變化

2.3 年際變化

從哈密市降雪的年變化趨勢（圖2）來看，降雪量和降雪日數(shù)總體呈增多趨勢，降雪量的增量約為12.1 mm/10 a，降雪日數(shù)增量約為1.1 d/10 a，但主要是在2010年前增多，而在2010年后呈減少趨勢。降雪量最大值出現(xiàn)在1998年，最小為1997年；降雪日數(shù)最多出現(xiàn)在2010年，最少在2017年。哈密市降雪量和降雪日數(shù)變化具有較好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)達0.61，通過0.001的顯著性檢驗。

圖2 哈密市1960—2020年降雪量和降雪日數(shù)距平

2.4 不同量級的降雪貢獻

哈密市各站不同量級的累計降雪量及其在總降雪量的占比（表2）存在與降雨明顯不同的特點，除淖毛湖的暴雪降雪量較大雪貢獻大、紅柳河的大雪降雪量較中雪貢獻略大外，總體上量級越小的降雪對總降雪量的貢獻越大。各站均為小雪的貢獻最大，紅柳河最大，達85.5%，最小的巴里坤小雪占比也達到53.5%。中雪累計降雪量除紅柳河占比不足10%以外，其他站的中雪占比均達15%以上。這說明哈密降雪以小雪為主，大雪以上量級降雪較少。

表2 不同量級累計降雪量及其占比

3 哈密降雪異常的大尺度環(huán)流特征

基于1960—2020年哈密市6站降雪量的年際變化序列，以±1個標準差為界限，挑選出哈密市5個降雪偏多年（1998、2005、2009、2010、2015年）和7個降雪偏少年（1965、1968、1986、1989、1995、1997、2013年），針對11、12、1、2月主要降雪月進行環(huán)流特征分析。

3.1 200 hPa緯向風

從對流層高層平均緯向風風速的分布看，30°N附近存在一個高空偏西急流帶，在新疆北部有大風速區(qū)向北擴展至西伯利亞。在哈密降雪偏多年（圖3a），偏西風急流軸線附近為正距平中心，高空急流較常年偏強且急流軸偏西，另一個正距平中心位于55°N的西西伯利亞，新疆及其以北區(qū)域均為正距平，表明高空偏西急流明顯偏強，急流區(qū)北擴，哈密市也位于增強的高空急流區(qū)，高空輻散抽吸作用增強，促使低層上升運動發(fā)展，對降水有利。在降雪偏少年（圖3b），2個帶狀正距平中心25°N以南的低緯度地區(qū)和貝加爾湖以北的西伯利亞地區(qū)，中緯度地區(qū)為負距平區(qū)，表明高空急流較常年偏弱，急流軸偏南，哈密市上空的偏西急流弱于常年，不利于上升運動發(fā)展，降水偏少。

圖3 哈密市降雪偏多年（a）和偏少年（b）對應的200 hPa合成緯向風速（等值線，單位：m·s-1）及其距平（陰影區(qū)，單位：m·s-1）

3.2 500 hPa位勢高度

影響哈密市降水的天氣系統(tǒng)主要有2個，一是主體位于47°N以南的中亞槽，由上游里海脊發(fā)展東擴推動，低槽沿天山北坡東移，影響哈密市造成降水；二是主體位于47°N以北的北支槽，受上游系統(tǒng)東移的影響，北支槽南下東移影響哈密市。在500 hPa位勢高度平均場上，巴爾喀什湖—北疆為弱脊，哈密市位于脊前西北氣流帶上。在哈密市降雪偏多年（圖4a），中緯度新疆及其以西地區(qū)為正距平區(qū)，正距平中心位于伊朗高原北側(cè)的里海地區(qū)，新疆以北、以東為負距平區(qū)，負距平大值區(qū)位于60°N以南，表明伊朗副高較常年偏強并北抬，脊線偏西，脊前的西北氣流偏強，極鋒鋒區(qū)位置偏南，影響槽強于歷年且位置偏南，哈密市處于低槽活動區(qū)，有利于降水的出現(xiàn)。當哈密市降雪偏少時（圖4b），新疆以西、以北地區(qū)均為負距平區(qū)，負距平大值區(qū)位于60°N以北，北疆及其以東為正距平區(qū)，正距平中心位于蒙古高原，表明伊朗副熱帶高壓弱于常年，極鋒鋒區(qū)位置偏北，新疆脊脊線東移，哈密市位于脊區(qū)，沒有明顯的低值系統(tǒng)影響，不利于降水的形成。

圖4 哈密市降雪偏多年（a）和偏少年（b）對應的500 hPa位勢高度合成（等值線，單位：dagpm）及其距平（陰影區(qū)，單位：dagpm）

3.3 700 hPa溫度

從低層氣溫的變化可以判斷冷空氣的路徑和強度，冷空氣的活動有利于降雪的出現(xiàn)。冬季700 hPa平均氣溫場上，新疆區(qū)域的0℃線一般位于35°N以南，哈密市附近溫度為-9℃左右。在哈密市降雪偏多年（圖5a），中亞—新疆均為正距平，氣溫偏高，正距平中心位于里海、咸海，北疆沿天山一帶—哈密市氣溫較常年偏高1℃左右，哈密市東部、北部為負距平區(qū)，氣溫偏低，表明冷空氣東移，氣溫回升，在東移冷空氣的影響下，哈密市降雪偏多。當哈密市降雪偏少時（圖5b），南疆為弱的負距平區(qū)，主要的負距平區(qū)位于60°N以北的區(qū)域，北疆及其以東為正距平區(qū)，正距平中心位于蒙古高原，表明冷空氣主要在極區(qū)活動，很少有南下的冷空氣影響到哈密市及其以東的地區(qū)，氣溫高于常年，降水也較常年偏少。

圖5 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對應的700 hPa合成溫度（等值線，單位：℃）及其距平（陰影區(qū)，單位：℃）

3.4 850 hPa風場

低層切變線或輻合線是降水的重要影響系統(tǒng)。分析850 hPa平均風場發(fā)現(xiàn)，哈密市南部區(qū)域多為西南或偏西風。在哈密市降雪偏多年（圖6a），南部區(qū)域為西南風，但其西部有西北風加強并指向哈密區(qū)域，與西南風形成風向輻合，并在哈密市附近形成氣旋性切變，風速在整個區(qū)域均為正距平，且出現(xiàn)西北風區(qū)域的正距平值較大，表明哈密市降雪偏多時水汽輸送強于常年，并會出現(xiàn)西北風和西南風的輻合，形成氣旋性切變，使低層輻合抬升，有利于降雪的出現(xiàn)。在哈密降雪偏少年（圖6b），南部為西南風，哈密市及其以東區(qū)域為西風，以西區(qū)域風速較小，表明低層水汽輸送較常年偏弱。整個區(qū)域的風速也為正距平，但哈密市以東的距平值明顯大于西部，表明哈密市降雪偏少時低層風速略大于常年，東部偏大幅度大于西部，低層更易出現(xiàn)輻散，不利于上升運動的加強，導致降水偏少。

圖6 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對應的850 hPa合成風場（箭頭，單位：m·s-1）及風速距平（陰影區(qū)，單位：m·s-1）

3.5 海平面氣壓

在海平面氣壓平均場上，一般呈北高南低形勢，高壓中心位于新疆以北的西伯利亞地區(qū)，高壓區(qū)南擴至天山山脈，南疆盆地主要由低壓控制，哈密市位于1 030 hPa等壓線附近。在哈密市降雪偏多年（圖7a），南疆盆地為正距平，正距平中心位于43°N附近，西伯利亞為負距平中心，哈密市位于正負距平中心之間梯度較大的負距平區(qū)，南疆出現(xiàn)加壓，而西伯利亞高壓強度低于常年，表明北方地面鋒面氣旋強于常年，南下影響哈密市，造成哈密市的降雪多于常年。在哈密市降雪偏少年（圖7b），南疆也是正距平，但強度較弱，正距平中心也偏南至35°N以南，西伯利亞至新疆北部、東部為弱的負距平區(qū)，西伯利亞高壓接近常年，哈密市也屬于高壓控制區(qū)，表明北方西伯利亞地面氣旋較弱，很難南下影響到哈密市，因此哈密市的降雪也較常年偏少。

圖7 降雪偏多年（a）和偏少年（b）對應的海平面氣壓合成（等值線，單位：hPa）及其距平（陰影區(qū)，單位：hPa）

4 哈密降雪異常的水汽特征

水汽是形成降水的重要條件，水汽輸送則是影響當?shù)靥鞖膺^程和氣候的重要原因。由哈密市降雪的平均水汽通量場可知，水汽主要來自河西走廊向西北方向的輸送。從哈密市降雪偏多年的整層水汽通量及其距平（圖8a）來看，水汽主要為東南方向的輸送，一條水汽輸送帶經(jīng)過哈密市附近，區(qū)域大部均為正距平，在哈密市的東北部有一個正距平中心，表明有明顯強于常年的水汽向哈密市東北部地區(qū)輸送，更多的水汽輸送有利于更多降水的出現(xiàn)。大的水汽通量散度負值區(qū)基本位于北部，哈密大部尤其是北部區(qū)域存在明顯的水汽輻合，表明水汽輻合區(qū)偏北，而哈密北部的降雪貢獻大，造成哈密降雪偏多。在哈密市降雪偏少年的整層水汽通量及其距平圖（圖8b）上，區(qū)域內(nèi)水汽輸送是東南輸送，且大部區(qū)域為距平場，但距平強度明顯弱于降雪偏多年，水汽輸送帶位于哈密市以北地區(qū)，正距平中心位于哈密市偏東和偏北區(qū)域，表明輸送至哈密市的水汽接近常年略偏多，水汽輸送量少使降水過程少，氣候較干燥。水汽通量散度絕對值明顯小于偏多年，且負值區(qū)在哈密南部呈帶狀分布，表明水汽輻合小且位置偏南，不利于哈密降雪。從哈密市降雪異常年850 hPa比濕的合成分析可知，南方水汽含量明顯大于北方，偏多年（圖8c）比濕更大，并有濕舌向東北伸至哈密，表明降雪偏多年低層水汽含量大，且有水汽向哈密輸送，而偏少年（圖8d）比濕總體小于偏多年，向東北伸的濕舌偏弱且位置更偏南，表明低層水汽含量小，水汽向北輸送少。

圖8 降雪偏多年（a）和偏少年（b）的整層合成水汽通量（箭頭，單位：10-5 g·cm-1·s-1）、距平（陰影區(qū)，單位：10-5 g·cm-1·s-1）、水汽通量散度（等值線，單位：10-5 g·cm-2·s-1）和偏多年（c）、偏少年（d）的850 hPa比濕（陰影區(qū)，單位：g·kg-1）

5 結(jié)論與討論

分析近61 a哈密市降雪事件的空間分布和時間變化特征，以及與哈密市降雪異常相聯(lián)系的環(huán)流配置和水汽輸送特征，得到以下結(jié)論：

（1）哈密市降雪日數(shù)和降雪量具有一致的空間差異，中部的東天山北坡最多，南北部的戈壁盆地最少，大雪及以上降雪主要出現(xiàn)在巴里坤和伊吾，其他地區(qū)很少出現(xiàn)。哈密市除夏季以外均有降雪，降雪日數(shù)12月最多，降雪量11月最多。哈密市的降雪量和降雪日數(shù)總體呈增多趨勢，增量分別為12.1 mm/10 a和1.1 d/10 a，但主要是在2010年前增多，2010年后呈減少趨勢，降雪量最大值出現(xiàn)在1998年，最小為1997年；降雪日數(shù)最多出現(xiàn)在2010年，最少在2017年。哈密市降雪以小雪為主，大雪以上量級降雪較少。

（2）在降雪偏多年，高層偏西急流明顯增強，急流區(qū)北擴，高空輻散抽吸作用增強，上升運動發(fā)展；中層伊朗副高偏強北抬，極鋒鋒區(qū)南下，西北氣流加強，低槽攜帶冷空氣南下東移；低層風速大于常年，出現(xiàn)西北風和西南風的輻合，并形成氣旋性切變，低層輻合抬升，地面鋒面氣旋強于常年，同時有較多的水汽向哈密市東北部地區(qū)輸送，水汽輻合區(qū)強且偏北，近地層水汽含量大，造成哈密市的降雪多于常年。

（3）在降雪偏少年，高層急流較常年偏弱，急流軸南移；中層伊朗副高弱于常年，極鋒鋒區(qū)位置偏北，新疆脊東移，冷空氣活動偏北，氣溫高于常年；低層風速東部偏大幅度大于西部，輻散性加強；北方地面氣旋偏北偏弱，東南水汽輸送量少，水汽輻合弱且偏南，近地層水汽含量大，降雪過程少于常年。

本文重點分析了與哈密市降雪異常相關(guān)聯(lián)的環(huán)流配置和水汽輸送特征，從氣候分析的角度定性地分析了哪些因子對哈密降雪的變化具有影響，但對于哈密市降雪的物理過程和機理究竟如何，可以用于哈密降雪預報的前期信號有哪些等諸多問題還需進一步從天氣學角度深入研究，以期增進哈密市降雪機理的認識，提升降雪的預報能力，為新疆防災減災服務。