近30年青海省東北部大到暴雪天氣機理研究

張婷華，彭毛青措，牛俊強，安海燕

1.青海省西寧市氣象局，青海西寧 810016；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青海西寧 810001；3.中國人民解放軍 31668部隊，青海西寧 810000

冬季暴雪是我國北方地區(qū)常見的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。暴雪天氣對農(nóng)林業(yè)、牧業(yè)、交通運輸?shù)榷喾矫婢鶗斐刹焕绊懀笛┮材軌蛱岣咴黾愚r(nóng)田土壤墑情、凈化空氣和抑制病菌傳播[1]。準確地預報暴雪天氣不僅能夠為決策部門制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供保障，還能為廣大人民群眾防災(zāi)避險給予提示[2]。

國內(nèi)外氣象工作者在對大到暴雪天氣的時空分布特征[3]、天氣尺度特征[4]、中尺度特征[5]、物理量診斷[6]和預報指標方法[7]的研究方面頗有進展。青海省大到暴雪大多集中在1次或幾次暴雪個例分析上，管琴等[8]對2016年3月下旬青海發(fā)生的1次大到暴雪天氣過程進行動力診斷。李昌玉等[9]研究了西寧市大到暴雪的發(fā)生機制。通過研究青海省東北部典型的大到暴雪個例，通過環(huán)流形勢分析和物理量診斷，建立東北部大到暴雪預報的短期預報思路。

1 資料和方法

1.1 觀測資料

使用青海省東北部14個國家觀測站1991—2020年的常規(guī)MICAPS高空、地面的氣象觀測資料。

1.2 大到暴雪天氣個例的選取

所研究的大到暴雪天氣參照中國氣象局的暴雪定義、降水相態(tài)觀測實況定義：

大雪：24 h降雪量≥5 mm，雪深≥5 cm；暴雪：24 h降水量≥10 mm，雪深≥10 cm；當國家站大雪≥3站或暴雪≥1站即為1次大到暴雪天氣過程，1991—2020年共收集26次過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 大到暴雪天氣的時空特征

分析青海省東北部30年間大到暴雪天氣過程的月分布特征（圖1）：從發(fā)生季節(jié)來看，大到暴雪天氣主要出現(xiàn)在春季和秋季，春季發(fā)生次數(shù)為18次，發(fā)生次數(shù)全年最多，其次為秋季，發(fā)生次數(shù)為9次，隆冬季節(jié)無大到暴雪天氣出現(xiàn)；從發(fā)生月份來看，大到暴雪在4月出現(xiàn)最多，共12次，11月出現(xiàn)次數(shù)最少，僅為2次。

圖1 青海省東北部大到暴雪天氣發(fā)生次數(shù)

圖2是青海省東北部各國家站大到暴雪天氣發(fā)生次數(shù)的空間分布圖。由圖可知：近30年來，大通發(fā)生大到暴雪天氣的次數(shù)最多，為22次，有2站發(fā)生次數(shù)大于20次，分別為大通和湟中；6站發(fā)生次數(shù)少于10次，循化近30年無大到暴雪天氣出現(xiàn)。

圖2 不同地區(qū)大到暴雪天氣年發(fā)生次數(shù)

2.2 大到暴雪天氣環(huán)流形勢

依據(jù)500 hPa高空環(huán)流形勢，可以將青海省東北部大到暴雪天氣形勢分為蒙古低槽型、西高東低型、北脊南槽型、脊前短波槽型、高原切變線型和南北槽疊加型。

2.2.1 蒙古低槽型 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)7次，占27%，有如下特征：貝加爾湖至蒙古為寬廣的低槽區(qū)或存在蒙古低槽，低槽經(jīng)向度大，有時等高線密集，位勢梯度大，青海省東北部地區(qū)受蒙古低槽底部不斷分裂小槽影響，或處在低槽底部受偏西氣流控制，配合低槽有相應(yīng)的冷溫槽，有時等溫線密集，鋒區(qū)強。

2.2.2 西高東低型 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)5次，占19%，巴爾喀什湖至烏拉爾山為高壓脊，低槽位于我國東北至鄂霍次克海附近，青海省東北部處于高壓脊前偏西氣流，且受短波槽東移影響，此種類型與脊前短波槽型較為相似。

2.2.3 北脊南槽型 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)4次，占15%，即中高緯度一般為兩槽一脊型，低槽位于西西伯利亞和我國東北以北地區(qū)，高壓脊則位于2個低壓槽之間的貝加爾湖至新疆附近。內(nèi)蒙古至青海省東北部一般位于高壓脊底部的低槽，且受到低槽底部分裂的短波槽東移影響，青海省東北部一般處于冷溫槽。

2.2.4 脊前短波槽 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)4次，即中高緯度一般為兩槽一脊型，低值中心一般位于里海和鄂霍茨克海附近，低壓中心底部有低槽，低槽經(jīng)向度大，高壓脊則位于2個低壓槽之間的貝加爾湖至新疆附近。青海省東北部一般位于高壓脊前的偏西氣流，且受短波槽東移的影響，此種類型與西高東低型較為相似。

2.2.5 高原切變型 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)3次，占12%，即中高緯度一般為多波動型，且槽脊經(jīng)向度不大，青海省北部至內(nèi)蒙古有短波槽東移，高原槽自西向東移動影響青海省大部分，青海省東北部有明顯的風切變，配合高原槽有相應(yīng)的冷溫槽，但冷溫槽發(fā)展不深。

2.2.6 南北槽疊加型 此類型大到暴雪天氣出現(xiàn)3次，即中高緯度一般為多波動型，青海省北部至內(nèi)蒙古有短波槽東移，南支槽已經(jīng)移上西藏高原，青海省青南地區(qū)處于南支槽前的西南氣流。隨著系統(tǒng)發(fā)展東移，南北槽疊加，此類降水量級較大、范圍較廣。

2.3 探空圖特征

大到暴雪形成首先需要充沛的水汽、較強的抬升動力、適宜的溫度層結(jié)構(gòu)。此外，以上條件還需要持續(xù)一定的時間，才能形成暴雪。圖3是發(fā)生大到暴雪的典型探空圖，從溫度場來看，降雪發(fā)生時，整層大氣溫度在0 ℃以下，地面附近溫度基本降至0 ℃左右，有時在1～2 ℃時就已有降雪出現(xiàn)；從濕度場來看，濕層伸展高度較高，至對流層中層（一般在500 hPa以上），濕層深厚，水汽條件充沛。這種冰相層的水汽近飽和為雪花的迅速生長提供了充足的冰晶和過冷卻水，再經(jīng)過足夠長的下降距離，容易產(chǎn)生大到暴雪；從垂直風場來看，低層一般為東南風，高層西南風或偏西風，有明顯風向和風速垂直風切變，低層和高層偏南風為西寧地區(qū)帶來了較為充沛的水汽，有利于降水維持。

圖3 2002年4月4日08:00（a）和2014年10月10日20:00（b）探空圖

從26個大到暴雪環(huán)境背景場分析統(tǒng)計可以看出（表1、表2）：

表1 大到暴雪高空場環(huán)境指標

表2 大到暴雪地面環(huán)境場指標

（1）水汽條件：大到暴雪天氣發(fā)生時，在當日08:00（20:00）的高空圖中，中層（500 hPa）濕度一般，相對濕度在46%以上；低層（700 hPa）濕度條件較好，比濕≥6 g/kg，相對濕度在50%以上；地面濕度條件更好，溫度露點差≤7 ℃。

（2）溫度：在大到暴雪天氣發(fā)生時當日08:00（20:00）的高空圖中，中層的溫度較低，500 hPa的溫度≤-10 ℃，而低層的溫度（700 hPa）≥-4 ℃；地面的溫度較低，基本≤5 ℃。

（3）風向風速：大到暴雪天氣發(fā)生時當日08:00（20:00）的高空圖中，中高層（500 hPa以上）為偏西風，帶來干冷空氣，風速≥6 m/s，或者為西南風，帶來充沛的水汽；而低層（700 hPa和地面）為偏東風，帶來暖濕氣流，風速≥2 m/s，冷暖氣流交匯產(chǎn)生了大到暴雪天氣。

（4）變壓場：地面變壓場是分析天氣系統(tǒng)移動、強度變化和確定鋒面位置、分析鋒面變化的重要依據(jù)。在大到暴雪天氣發(fā)生時08:00（20:00）的高空圖中，可以看到，地面3 h變壓≥0.7 hPa，而24 h變壓≥0 hPa，冷空氣入侵較為明顯。

2.4 物理量特征

2.4.1 水汽條件 當南支槽躍上高原自西向東移動時，即中高層西南風將孟加拉灣的暖濕空氣帶上高原，此時高原地區(qū)水汽充沛，青海中東部有水汽輻合中心，強度在-10×10-8g/（cm2·hPa·s)以上，而700 hPa比濕能夠達到4～5 g/kg以上，降雪強度大，范圍廣；當中高層為西北風、低層為偏東風，東部水汽通道并未打開，水汽僅為西風槽自帶時，水汽條件差，水汽輻合強度僅在-4×10-8g/（cm2·hPa·s)左右，700 hPa比濕在2～53 g/kg，降雪強度弱，范圍小。

2.4.2 動力條件 在渦度場上，當出現(xiàn)量級和范圍較大的降雪過程時，中低層為正渦度區(qū)，500 hPa上渦度一般為2×10-5～4×10-5s-1，而高層為負渦度區(qū)，渦度一般為-2×10-5～ -5×10-5s-1。這種低層輻合、高層輻散的配置提供了有利于降水發(fā)生的動力條件；在垂直速度場上，較強的上升運動是大到暴雪降雪的動力機制，發(fā)生大到暴雪時，一般從低層至高層垂直速度為負，即有明顯的上升運動，上升強度一般為-20×10-3～ -50×10-3hPa/s。

2.4.3 熱力條件 從假相當位溫場來看，當出現(xiàn)大到暴雪過程時，從低層到高層，降雪區(qū)域處于θse線密集區(qū)中，θse一般在60 ℃以上，處于高能區(qū)；當降雪范圍和強度較小時，從低層至高層θse一般在50 ℃以下，能量一般；從溫度平流場來看，當降雪強度和范圍較大時，從低層至高層一般為較強的冷平流，冷平流強度在-8.0×10-5K/s以上；在降雪前1 d，從低層至高層一般為暖平流控制，在轉(zhuǎn)為冷平流時，降雪開始，隨著冷平流的增強和降雪強度的增大，范圍增加。

3 討論和結(jié)論

（1）主要從大尺度環(huán)流背景和影響系統(tǒng)入手，分析了青海省東北部大到暴雪的環(huán)流特征，能夠得到一些有指導意義的結(jié)論。但形成大到暴雪天氣的天氣形勢是極其復雜的，如果僅依賴固有的指標，有可能會模糊對天氣演變過程內(nèi)在機制的認知[10]。

（2）本研究僅對發(fā)生強對流天氣時的實況進行總結(jié)分析，下一步應(yīng)當結(jié)合數(shù)值模式，找出實況場與預報場之間的關(guān)系，充分利用各種模式提供的診斷暴雪天氣的參數(shù)，做出強降雪的潛勢預報，也是一種數(shù)值預報解釋應(yīng)用的思路。