2021年11月山東一次極端天氣成因分析

2024-12-31 00:00:00趙雯劉新磊

農業災害研究 2024年9期

摘要：利用地面自動氣象站觀測資料、美國國家環境預報中心再分析資料，對2021年11月6—7日發生在山東省西北部地區的一次極端天氣成因進行分析。結果表明：此次極端暴雪天氣具有強度大、范圍廣等特點，其主要受500 hPa冷渦、700 hPa

高空槽、850 hPa切變線，以及低空東南、西南急流等系統影響；此次極端暴雪過程發生時，山東省西北部地區水汽來源路徑眾多，其中700 hPa與850 hPa東南與西南暖濕氣流對此次降雪天氣的水汽貢獻最大，為其提供了充沛的水汽條件；低層強烈輻合、高層強烈輻散的結構配置，再加上低層強冷空氣的影響，輻合中心明顯抬升，并與低層切變線相耦合，導致上升運動明顯增強，為其提供了良好的動力抬升條件。

關鍵詞：極端暴雪；天氣成因；橫槽；高空槽

中圖分類號：P458.121 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

暴雪是我國冬季發生頻率較高的氣象災害之一，不僅會直接影響大眾日常出行及工農業生產，嚴重時還會危及人民群眾生命財產安全[1]。基于此，以2021年11月山東省一次極端暴雪天氣為研究對象，選用地面自動站觀測資料、美國國家環境預報中心再分析資料等，從環流背景、物理量診斷等角度研究了此次暴雪天氣成因，以期提高此類暴雪天氣的預報準確率，減少其帶來的影響及危害。

1 山東省概況

山東省地處中國華東地區，境內包括山地、丘陵、平原、盆地、湖泊等地貌類型，地勢低平。其屬暖溫帶季風氣候區，春秋短暫、冬夏較長，具有降水集中、雨熱同季等特點。省內冬半年發生暴雪天氣的頻次不高，年平均出現暴雪不足2.0 d。然而，一旦出現強暴雪，勢必會產生嚴重影響。

2 極端天氣實況

受寒潮天氣影響，2021年11月6日20：00—7日20：00，山東省大部分地區出現了極端暴雪天氣現象，并伴有雨雪、降溫、大風天氣。據統計，在此期間，山東省平均降水量為31.9 mm，遠大于歷年11月平均降水量（18.5 mm）。

如圖1a所示，本次強降水量呈現出西北多、東南少的特點。其中，有31個站點降水量超本月歷史極值，占全省站點總數量的25%。降水量＞50.0 mm的站點有20個，主要集中在魯西北地區，其中，東營市墾利區降水量最大，為75.5 mm，聊城市茌平區小時雨強最大，為17.8 mm/h。相對比而言，魯中東部與半島地區降水量較小。

如圖1b所示，山東省有47個站點出現暴雪天氣，以魯西北、魯中北部最為集中，其中，濟南、聊城、平原出現特大暴雪。

觀測資料顯示，此次降水過程中山東省氣溫大幅下降，且伴隨有大風天氣。以魯西降水量最大的德州禹城（圖2）為例，其降水主要集中在7日01：00～12：00。

其中，01：00～02：00小時雨強最大（15.9 mm/h），08：00～09：00小時降雪量最大（6.0 mm/h）。11月7日01：00～10：00，德州禹城氣溫大幅下降，由01：00的17.1 ℃下降至10：00的-1.5 ℃，氣溫降幅為18.6 ℃。

此外，結合極大風速序列圖可見，本次降水發生時，德州禹城11月7日05：00的風速最大，為17.6 m/s。

3 環流背景分析

大尺度環流背景是暴雪天氣過程發生與發展的一項重要條件[2]。11月3—5日（暴雪天氣發生前）500 hPa歐亞大陸維持“兩脊一槽”的環流形勢，其中，兩脊出現在鄂霍次克海與烏拉爾山，一橫槽出現在兩個暖脊之間的西伯利亞中部，烏拉爾山暖脊前維持東北氣流，在其作用下，大量冷空氣堆積于橫槽后部，溫度槽落后于高度槽，為橫槽的持續發展創造了有利條件。

11月6日夜間，橫槽逐漸東移且轉豎，在此過程中被切斷為低渦，后與-32 ℃的冷中心相互配合，槽前西南氣流控制與影響魯西北地區。到11月7日08：00（圖3a），高空槽逐漸向東移動，其強度也有所增加，與此同時，槽前西南氣流持續發展，并演變為西南中空急流，風速＞20 m/s，同時其跨度較大，表明此次降水過程持續時間長。

結合700 hPa天氣形勢圖（圖3b）可見，高空槽位于冀魯交界位置處，西南氣流位于槽前且強度持續增強，其中魯西北上空西南急流強度＞20 m/s，為這一區域降水提供了充沛的暖濕氣流。

同時，850 hPa（圖3c）低緯度地區有切變發展，東南氣流位于其前部且強度顯著增加，再加上700 hPa西南急流的相互配合，為此次極端天氣提供了良好的水汽輸送條件。結合溫度場，700 hPa以下鋒區坡度明顯且等溫線密集，由此可見，對流層低層斜壓性顯著增強。而冷暖氣流交匯于山東省西北部，為層結不穩定性增強創造了有利條件。

此外，結合圖3d可知，冷高壓主體出現在河套西部地區，其冷中心強度最強為1 040 hPa，其前部等壓線較為密集，致使地面冷鋒過境后出現大風天氣。隨著冷鋒逐漸向南延伸，這一區域溫度大幅下降，與此同時，降水逐漸轉變為雨夾雪或雪，此時鋒后偏北氣流影響與控制降雪區域。700 hPa及以上維持西南氣流，低層維持偏北風而形成的冷墊，這一上西南下偏北的典型回流形勢為降雪天氣的發生發展創造了有利條件。

分析降水中心周邊章丘站的探空圖可知，強降水落區上空大氣濕層較為深厚，其中，600 hPa以下基本飽和，整層水汽條件良好。850 hPa以下維持西北風，強冷空氣在低層西北氣流引導下逐漸形成冷墊，同時有明顯的逆溫出現在冷墊之上。700 hPa以上維持西南風，其風速＞20 m/s，并且冷空氣墊上還覆蓋有強盛的暖濕氣流，這種上暖下冷的層結條件為強降水天氣創造了有利條件。此外，0～6 km垂直風切變＞30 m/s，大氣動力不穩定較為強烈。

4 物理量診斷

4.1 水汽條件分析

充足的水汽供應是暴雪天氣過程發生與發展的一項關鍵條件[3-6]。11月，山東省氣溫與飽和水汽壓偏低，水汽含量較少。但暴雪天氣要求水汽充沛，因此暴雪天氣發生時的水汽來源與輸送尤為重要。選用HYSPLIT模式對此次暴雪天氣發生過程中500、700與850 hPa 3個高度72 h的水汽來源運動軌跡進行追蹤分析。

通過分析得出：中亞地區是500 hPa水汽的主要來源，持續東移途徑新疆、黃土高原最終移動至山東省西北部。最初氣團的濕度較高，比濕值為3～5 g/kg，水汽在輸送過程中損耗明顯，當輸送至降水落區后，其比濕值僅為0.2～0.3 g/kg。由此可見，中亞地區水汽對此次降雪天氣過程的水汽貢獻較小；就700 hPa水汽，其來源主要有2支，即青藏高原與重慶北部，相對而言，源于青藏高原的水汽初始濕度較小，比濕數值為0.3 g/kg，水汽在輸送中不斷吸收水汽，當輸送至降水落區時比濕值顯著增加，為4.7 g/kg。而源于重慶北部的水汽初始濕度較高，水汽在輸送中比濕大幅下降，其輸送至降水落區時比濕值為4.7 g/kg；850 hPa低層水汽來源也包括2部分，其一為東海，其二為朝鮮半島南部。在東南氣流的引導作用下，以上2支水汽均經黃海最終輸送至山東省西北部，水汽在輸送中不斷有源于黃海區域的水汽補充，其輸送至降雨落區時比濕值較高，為7.1 g/kg。

4.2 動力條件分析

通常情況下，選用散度表征大氣動力過程[7-9]。如圖4所示，降水發生過程中，36～37°N上空散度呈輻散—輻合交替分布現象，其中，900～700 hPa低空屬于強烈的輻合區，而900 hPa之下屬于強輻散區，并于800 hPa周邊出現強輻合中心，其強度為-20×10-5/s。其中，600 hPa之上屬于正散度區，并于500 hPa周邊出現輻散中心，其數值為15×10-5/s。這種低層強烈輻合、高層強烈輻散的結構配置為上升運動發展與降水增強創造了有利條件。

此外，低層強冷空氣明顯，輻合中心明顯抬升，并與低層切變線相耦合，導致輻合上升運動呈增強趨勢，這也是此次降水較強的一項重要原因。

5 結論

（1）此次極端暴雪天氣具有強度大、范圍廣等特點，其受500 hPa冷渦，700 hPa高空槽，850 hPa切變線，低空東南、西南急流等系統影響。

（2）此次極端暴雪過程發生時，山東省西北部地區水汽來源與路徑眾多，其中700 hPa與850 hPa東南與西南暖濕氣流對此次降雪天氣的水汽貢獻最大，為降雪天氣的發生發展提供了充沛的水汽條件。

（3）低層強烈輻合、高層強烈輻散的結構配置，再加上低層強冷空氣的影響，輻合中心明顯抬升，并與低層切變線相耦合，導致上升運動明顯增強，為此次降雪天氣提供了良好的動力抬升條件。

參考文獻

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