華北一次冷空氣回流路徑對降水相態(tài)的影響分析

劉 正，文 軍*，王宗敏

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225；2.高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都 610225；3.中國氣象局雄安大氣邊界層重點開放實驗室，河北 保定 071800；4.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 石家莊 050021；5.河北省氣候中心，河北 石家莊 050021）

河北省冬春過渡期間容易出現(xiàn)降水相態(tài)的變化，包含雪、雨夾雪、冰粒等復(fù)雜相態(tài)。降水相態(tài)一直是降水預(yù)報中的難點[1-5]，受到眾多學(xué)者和預(yù)報員的關(guān)注[6-8]。河北省所處的華北地區(qū)在冬春季的降水，以回流降水最為常見[9-10]。冷空氣從東北平原南下，途經(jīng)渤海，向西回流到華北平原，產(chǎn)生華北回流的天氣形勢[11-13]。張守保等[14]普查近20 年華北回流天氣個例，根據(jù)500 hPa 環(huán)流形勢將環(huán)流天氣形勢分為兩槽一脊型和高緯低壓型。張迎新等[9]發(fā)現(xiàn)河北中南部地區(qū)的回流天氣中，來自東北的低層偏東氣流，在降水中起“冷墊”作用。楊杰等[15]發(fā)現(xiàn)承德冬季回流型強降雪的環(huán)流形勢為850 hPa 以下呈東北風(fēng)，來自東北平原的冷空氣輸送到降雪區(qū)形成冷墊，850 hPa 以上為暖濕西南風(fēng)。

雨雪轉(zhuǎn)換或暴雪天氣對農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和交通運輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響。河北省是冬季凍害多發(fā)區(qū)域，強降雪天氣產(chǎn)生的次生災(zāi)害—凍害會對花期梨果和冬小麥造成嚴(yán)重危害[16]。河北作為冬小麥生產(chǎn)大省，冬小麥在越冬或者返青期間由于持續(xù)低溫導(dǎo)致凍害[17]。道路結(jié)冰、積雪等災(zāi)害性天氣嚴(yán)重威脅交通運輸安全，冰雪是僅次于霧的對河北高速通行影響嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣[18]。王潔等[19]分析2013—2017 年河北省高速公路交通事故數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以雨夾雪和降雪為主的天氣現(xiàn)象中，有82.6%交通事故發(fā)生在降雪過程中，雪天事故會造成巨大損失。

2018 年4 月3 日08 時—5 日08 時，在從東北平原回流到華北的冷空氣和西來槽共同影響下，京津冀地區(qū)、山西東部、山東北部發(fā)生一次大范圍降水過程，并且伴有快速的雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換，是一個典型的華北回流降水天氣。本文從降水實況、天氣形勢、回流冷空氣路徑、形態(tài)、影響范圍，以及回流冷空氣對降水相態(tài)的影響等方面分析此次降水過程，并給出冷空氣影響過程的概念模型，以加深對此類天氣過程的認(rèn)識。

1 降水實況及天氣形勢

1.1 降水實況

2018 年4 月4 日08 時—5 日08 時（北京時，下同），京津冀、山西東部、山東北部出現(xiàn)大范圍降雨、雨夾雪、降雪天氣，其中河北省張家口中南部達(dá)到暴雪以上量級，降水中心河北省陽原站24 h 降雪量達(dá)21.7 mm。這是一次典型的冷空氣從東北平原回流到京津冀地區(qū)，具有復(fù)雜相態(tài)降水的華北回流天氣過程。

1.2 天氣形勢

2018 年4 月4 日08 時對流層高層（200 hPa），中緯度地區(qū)（40°～50°N）環(huán)流較為平直，有一支東西走向的西風(fēng)急流，風(fēng)速＞40 m/s，京津冀地區(qū)位于高空急流中心的右前方。京津冀地區(qū)上游（95°～115°E）存在明顯的冷平流。對流層中層（500 hPa），西風(fēng)急流的風(fēng)速超過25 m/s，同時存在明顯鋒區(qū)。鄂霍茨克海存在一低渦系統(tǒng)，其南部低槽向西南延伸至內(nèi)蒙古東部，槽后為顯著冷平流，影響京津冀地區(qū)。西風(fēng)帶40°N 附近短波槽東移加強。對流層中低層，環(huán)流經(jīng)向度加大，冷暖平流加強。700 hPa 鄂霍茨克低渦后部高壓脊明顯，低渦向西南延伸的低槽所對應(yīng)的平直鋒區(qū)和冷平流更加顯著。對應(yīng)500 hPa 短波槽，黃河河套地區(qū)為明顯的高空槽。850 hPa 鄂霍茨克低渦后部，即內(nèi)蒙古東部，形成呈閉合高壓中心的蒙古高壓。鄂霍茨克低渦后部、蒙古高壓前部的冷平流愈加顯著，冷空氣經(jīng)東北平原、渤海，以東北、偏東氣流形勢灌入京津冀地區(qū)，形成華北回流天氣，帶來降溫及復(fù)雜相態(tài)的降水。

2 回流冷空氣的路徑及其對降水相態(tài)的影響

鄂霍茨克低渦后部、蒙古高壓前部的冷空氣，經(jīng)東北平原、渤海到達(dá)京津冀地區(qū)，由于太行山脈、燕山山脈的阻擋，冷空氣路徑、堆積形式及對降水相態(tài)的影響，隨時間不斷變化。利用ECMWF 的ERA5 0.25°×0.25°再分析資料，分析從冷空氣開始侵入京津冀地區(qū)（2018 年4 月3 日08 時）到回流冷空氣影響結(jié)束（4 月5 日15 時），共55 h，回流冷空氣對京津冀地區(qū)影響，可分為以下4 個階段：（1）低層冷舌侵入：3 日08 時—4 日10 時，時間約26 h；（2）沿山堆積擴散：4 日10 時—17 時，時間約7 h；（3）增強維持：4 日17 時—22 時，時間約5 h；（4）變性消散：4 日22 時—5 日15 時，時間約17 h。

2.1 低層冷舌侵入階段

由4 月3 日14 時500、700、850、925 hPa 氣溫場、流場（圖1）為代表分析冷空氣侵入階段特點。850、925 hPa 冷空氣以冷舌形式經(jīng)東北、渤海侵入京津冀地區(qū)。兩層不同的是，925 hPa 冷舌位置偏東，位于渤海到河北東部，受山東泰山的影響，舌面變窄伸向河南北部；850 hPa 冷舌位置偏西，位于河北中部，相對于925 hPa 舌面變窄不明顯；925 hPa溫度高于850 hPa。700 hPa 京津冀地區(qū)為西南風(fēng)、暖平流；500 hPa 為西南偏西風(fēng)、弱的暖平流。

圖1 2018 年4 月3 日14 時不同高度的氣溫場（紅色等值線，單位：℃）和流場（白色流線）

為詳細(xì)分析侵入京津冀冷空氣結(jié)構(gòu)特征，沿圖1 中黑色實線AB、CD 給出溫度、相對濕度垂直剖面（圖2）。圖2a、2c 兩座山分別為燕山東端和太行山南端，圖2b、2d 兩座山分別為太行山北端和泰山。

圖2 2018 年4 月3 日14 時沿圖1 中AB、CD 的溫度（單位：℃）、相對濕度（單位：%）的垂直剖面

圖2a 為沿AB、由東北平原經(jīng)燕山東端到達(dá)京津冀的溫度剖面。如圖2 中黑色曲線所示，冷空氣侵入活動主要發(fā)生在800～925 hPa，京津冀冷舌高度在900 hPa 上下。冷舌伸到太行山時，由于受到阻擋而上翹。在冷舌之上，即800 hPa 之上，為明顯的逆溫層。由沿AB 的相對濕度剖面圖（圖2c）可知，冷舌之下相對濕度在40%以下，但是在冷舌之上為深厚濕層（相對濕度＞80%，下同），甚至達(dá)到飽和，厚度達(dá)150 hPa（約1 000 m），冷舌位于干、濕過渡區(qū)。這樣的濕層分布，有可能造成冷舌之上出現(xiàn)凝結(jié)，但降水粒子下降過程中由于蒸發(fā)，導(dǎo)致京津冀地區(qū)天空狀況為陰但沒有降水的情況。

圖2b、2d 為沿CD、垂直于冷舌的溫度、相對濕度剖面，冷舌明顯的西傾（圖2b 中黑色實線所示），這與前文850 hPa 冷舌位置偏西、925 hPa 冷舌位置偏東現(xiàn)象一致。冷舌厚度主要在750～925 hPa。由相對濕度剖面（圖2d）可知，在太行山區(qū)，冷舌進(jìn)入深厚濕區(qū)；而在太行山以東、山東泰山以西，冷舌位于干、濕過渡區(qū)，冷舌以下為濕度＜40%的干層，以上為厚度1 000 m 左右的濕層。

由2018 年4 月3 日14 時MICAPS 地面填圖可知，京津冀位于冷高壓底部，為偏東風(fēng)。冷高壓的形成和冷空氣侵入直接相關(guān)。由當(dāng)時的衛(wèi)星云圖可知京津冀上空有云層覆蓋。地面觀測無降水，證實了前文分析的由于降水粒子下降過程中蒸發(fā)導(dǎo)致天空為陰但沒有降水的情況。

2.2 沿山堆積擴散階段

以4 月4 日14 時為代表，分析此階段冷空氣影響路徑、形態(tài)等。圖3 為4 月4 日14 時500、700、850、925 hPa 氣溫場、流場。850、925 hPa 在水平方向冷空氣不再呈現(xiàn)冷舌形態(tài)，925 hPa 冷空氣以偏東風(fēng)進(jìn)入河北，遇太行山開始堆積，并沿山向南、北以扇形擴散，主要集中于太行山沿山至河北中部一帶。850 hPa 冷空氣同樣集中于河北中部，但是其西邊界擴展至太行山山區(qū)。500、700 hPa 京津冀地區(qū)仍為西南風(fēng)和暖平流。

圖3 2018 年4 月4 日14 時500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）和925 hPa（d）氣溫場（紅色等值線，單位：℃）、流場（白色流線）

為分析擴散階段冷空氣結(jié)構(gòu)特征，沿圖3 中黑色實線AB、CD 給出溫度、相對濕度垂直剖面（圖4）。圖4a、4c 山脈為燕山西段，圖4b、4d 山脈為太行山。

圖4 2018 年4 月4 日14 時沿圖4 中AB、CD 黑色實線的溫度（單位：℃）、相對濕度（單位：%）的垂直剖面

由沿A-B、由燕山西段到河北南部的溫度剖面（圖4a）可知，冷空氣中心高度由燕山山脈到河北平原逐漸降低，山區(qū)高于平原，說明冷空氣在向北擴展。由沿CD、太行山區(qū)到渤海的溫度剖面（圖4b）可以看到，冷舌不再西傾，轉(zhuǎn)為近似水平。冷空氣中心位于太行山區(qū)，-8 ℃中心位于山區(qū)800 hPa（1 600 m）上下，說明冷空氣向太行山區(qū)的堆積和抬升。

冷空氣擴散階段，相對濕度分布特點不同于侵入階段。侵入階段，冷舌在垂直方向基本位于干、濕過渡區(qū)，而在擴散階段，在燕山南部、太行山東部為深厚濕層，甚至飽和層，這與冷空氣擴散遇到山脈阻擋而抬升有關(guān)。此階段在遠(yuǎn)離山脈的平原地區(qū)，低層空氣依然較干。

在燕山西段、太行山區(qū)，氣溫均在-8～-4 ℃，且相對濕度為飽和，降水相態(tài)為雪。在距離山脈較近的平原地區(qū)，925～1 000 hPa 氣溫為0～4 ℃，降水相態(tài)為雨夾雪或雪。在距離山脈較遠(yuǎn)的平原地區(qū)，由于低層相對濕度小，降水粒子未到達(dá)地面就被蒸發(fā)，無降水。這樣的降水相態(tài)分布，可由4 日14 時地面實況（圖5）得到證實。

圖5 2018 年4 月4 日14 時MICAPS 地面填圖

圖5 為2018 年4 月4 日14 時MICAPS 地面填圖。圖中降水相態(tài)分布和冷空氣沿山擴散有關(guān)。由圖中風(fēng)場還可以在地面上直接看到，冷空氣自渤海吹進(jìn)京津冀地區(qū)后到達(dá)太行山向南北兩個方向的擴散。

2.3 增強維持階段

回流冷空氣經(jīng)過侵入、沿山擴散，進(jìn)入第三階段，即冷空氣維持階段。圖6 為此階段代表時刻即4日20 時的500、700、850、925 hPa 氣溫場、流場。由圖6 可知，此階段相較堆積擴散階段，有3 個特點：（1）冷空氣強度達(dá)到最強，850 hPa 冷中心溫度達(dá)到-8 ℃，925 hPa 冷中心溫度達(dá)到-4 ℃；（2）隨著冷空氣的持續(xù)堆積，冷空氣范圍達(dá)到最大，850 hPa上-5 ℃、925 hPa 上-2 ℃范圍控制整個河北平原；（3）925 hPa 河北中部出現(xiàn)反氣旋中心，850 hPa 氣流出現(xiàn)反氣旋式彎曲。500、700 hPa 京津冀地區(qū)依然為西南風(fēng)和暖平流。

圖6 2018 年4 月4 日20 時不同高度的氣溫場（紅色等值線，單位：℃）、流場（白色流線）

同樣，為分析此階段冷空氣結(jié)構(gòu)特征，沿圖6 中黑色實線AB、CD 給出溫度、相對濕度垂直剖面（圖7）。同圖4，圖7a、7c 山脈為燕山西段，圖7b、7d 山脈為太行山。

圖7 2018 年4 月4 日20 時沿圖7 中AB、CD 黑色實線的溫度（單位：℃）、相對濕度（單位：%）的垂直剖面

由沿AB、由燕山西段到河北南部的溫度剖面（圖7a），以及沿CD、太行山區(qū)到渤海的溫度剖面（圖4b）可知，冷空氣中心向南、向東擴展，高度略有抬升，冷空氣中心強度變化不大，仍維持在-8～-10 ℃。河北中部925 hPa 以下氣溫下降明顯，降幅達(dá)4 ℃。

由沿AB、CD 的兩個相對濕度剖面，可以看到深厚濕層向南、向東擴展，預(yù)示著降水范圍的擴大。

2018 年4 月4 日20 時降水范圍擴大到京津冀乃至山東地區(qū)，降水相態(tài)有雪、雨夾雪和雨。京津冀地區(qū)地面氣溫在0.5～5 ℃，由圖6d 可以看到925 hPa溫度為-3～-4 ℃，因此地面降水相態(tài)主要取決于近地面溫度。

比較14 和20 時2 個時次的氣壓場（圖5），京津冀地區(qū)均為高壓控制，氣壓值變化不大，說明這個時段高壓維持。

2.4 變性消散階段

隨著低層偏西氣流的建立，回流冷空氣影響進(jìn)入最后階段，即變性消散階段，該階段代表時次為5日11 時。此階段的特點是高層減弱早于低層，比較4日20 時（圖6）和5 日11 時的850 和925 hPa 的溫度場、流場，可知，兩層均建立了偏西氣流，850 hPa迅速回暖，冷中心消失，925 hPa 仍存在-4 ℃的冷中心，但其位置東移至天津地區(qū)。

5 日11 時，京津冀地區(qū)地面風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南或西南風(fēng)，降水趨于結(jié)束。

3 回流冷空氣的路徑及范圍演變概念模型

給出回流冷空氣影響京津冀地區(qū)4 個階段的概念模型（圖8）。在低層冷舌侵入階段，850、925 hPa冷空氣以冷舌形式經(jīng)東北、渤海侵入京津冀地區(qū)。925 hPa 冷舌位置偏東，位于河北東部；850 hPa 冷舌位置偏西，位于河北中部。在冷空氣沿山堆積擴散階段，925 hPa 冷空氣以偏東風(fēng)進(jìn)入河北，遇太行山堆積并向南北以扇形式擴散，主要集中于太行山沿山至河北中部一帶；850 hPa 冷空氣同樣集中于河北中部，但是其西邊界擴散至太行山山區(qū)。在冷空氣增強維持階段，冷空氣強度達(dá)到最強，范圍達(dá)到最大，控制整個河北平原，925 hPa 河北中部出現(xiàn)反氣旋中心，850 hPa 氣流出現(xiàn)反氣旋式彎曲。上述3 個階段500、700 hPa 京津冀地區(qū)維持西南風(fēng)和暖平流。在冷空氣影響消失階段，850、925 hPa 均建立了偏西氣流，850 hPa 回暖迅速，冷中心消失，925 hPa 仍存在冷中心，但其位置東移。

圖8 2018 年4 月3—5 日回流冷空氣影響京津冀地區(qū)4 個階段的概念模型

4 結(jié)論

以2018 年4 月3—5 日東北冷空氣回流到京津冀地區(qū)造成復(fù)雜相態(tài)降水過程為例，分析冷空氣路徑、形態(tài)、影響等，得出以下主要結(jié)論：

（1）回流冷空氣對京津冀地區(qū)的影響，可分為4個階段：低層冷舌侵入、沿山堆積擴散、增強維持、變性消散階段。

（2）在低層冷舌侵入階段，冷空氣以冷舌形式經(jīng)東北、渤海侵入京津冀地區(qū)，冷舌在不同高度位置不同，低層位置偏東。沿山堆積擴散階段，低層冷空氣遇太行山堆積，同時沿山向南北以扇形形式擴散，較高層次冷空氣西邊界擴散至太行山山區(qū)。增強維持階段，冷空氣強度達(dá)到最強，范圍達(dá)到最大，控制整個河北平原。變性消散階段，較高層次回暖先于較低層次，冷空氣變性消散。

（3）低層冷舌侵入階段，冷舌在垂直方向位于干、濕過渡區(qū)，降水粒子經(jīng)冷舌下方干區(qū)蒸發(fā)，造成陰天無降水天氣。沿山堆積擴散，燕山南部、太行山東部存在深厚濕層，且溫度較低，易出現(xiàn)降雪；在距離山脈較近的平原地區(qū)，易出現(xiàn)雨夾雪或雪；在距離山脈較遠(yuǎn)的平原地區(qū)，無降水。增強維持階段，深厚濕層從太行山、燕山向平原擴展，降水范圍擴大，降水相態(tài)主要取決于近地面溫度。變性消散階段，降水趨于結(jié)束。

需要強調(diào)的是，本文分析討論了一次典型的華北回流冷空氣路徑形態(tài)對京津冀降水相態(tài)影響的個例，得到了一些能體現(xiàn)其規(guī)律的特征，但要深入認(rèn)識此類天氣過程的演變機理，尚需要對更多實例進(jìn)行深入分析和總結(jié)。