2018年1月2—4日陕西回流暴雪环流特征及成因分析

彭 力

(铜川市气象局，陕西铜川 727031)

暴雪作为北方冬季一种严重的灾害性天气，其出现概率较小，预报难度较大，常伴有结冰、低温冻害等其他气象灾害，往往给设施农业、交通运输、人民生命财产安全等带来不利影响。大量专家学者对近年来北方暴雪灾害天气的预报及成因进行了总结分析，得出了不少有价值的结论。康志明等[1]对西藏高原特大暴雪成因进行分析,认为不稳定大气层结、高层强辐散的抽吸效应对特大暴雪的发生起重要作用；黄海波等[2]对新疆暴雪天气研究指出,西南急流诱发的强上升运动和对流层低层天气尺度系统之间强烈的相互作用是暴雪形成的动力因子；庄晓翠等[3]对新疆西部暴雪个例中尺度研究指出，低空急流的厚度与降雪量呈显著正相关；孙仲毅等[4]对河南一次暴雪天气诊断分析，表明中低层辐合、高层辐散结构有利于低层垂直上升运动的持续加强；赵桂香等[5]对2004年华北大到暴雪过程进行了诊断分析,认为暴雪过程与中尺度切变线的发展和东移直接关联；王迎春等[6]对北京连续降雪个例进行分析指出，华北地区近地面层存在浅薄冷空气，暖湿空气在冷空气垫上爬升造成降雪。这些结论和成果对暴雨成因和机理研究具有重要意义。此外，一些学者[7-10]研究了华北等地回流暴雪天气结构特征，认为回流暴雪过程中高低空急流有非常重要的作用，中低层暖湿气流在干冷空气垫上辐合抬升，促使上升运动加强，造成异常强暴雪天气；顾佳佳、李津等[11-12]在例诊断分析的基础上给出了对应暴雪天气的三维物理模型。这些结论和成果对暴雪成因和机理研究具有重要参考意义。降雪天气在陕西冬季极易出现，但是陕西发生暴雪天气较少，研究也较少，缺乏概念模型的总结。本文以2018年1月陕西中部一次回流暴雪为例，围绕回流暴雪天气的环流、水汽、动力、锋生等方面加以分析探讨，总结此次回流暴雪的环流概念模型，以期加深对陕西回流天气成因的认识。

1 暴雪天气实况

2018年1月2日08：00至4日20：00，陕西出现近年来罕见的区域性暴雪天气，降水量在0.1～23.2 mm(图1)。2日14时开始，陕西中南部自西向东逐渐出现降雪，3日08：00—4日08：00降雪强度逐渐增大，降雪超过10 mm的区域集中在关中大部分地区，降雪量在10.0～22.0 mm，共42个国家站出现暴雪，4日08：00，关中大部分地区积雪深度为8～23 cm，最大为蒲城站，4日08：00—20：00降雪强度逐渐减弱，趋于结束。强降雪出现在3日20：00至4日08：00，多站12 h降雪量达10 mm以上。

图1 2018-01-02T08:00—01-04T20:00陕西累积降雪量(单位为mm)

2 环流特征

2日20：00至3日08：00，500 hPa天气图上新疆北部冷涡稳定少动，冷涡底部分裂短波东移，南支槽发展；700 hPa上高原东部低涡环流维持，偏南风急流向陕西中南部输送水汽，在关中地区形成辐合；850 hPa上河套北部冷空气南压，强的东北气流将东北地区冷空向南输送；地面图上陕西位于蒙古冷高压底部偏东风气流中，冷空气在华北南部—陕西中南部形成回流，大气低层温度不断降低，形成冷的下垫面，低层冷空气与850 hPa东北气流配合，楔入700 hPa暖湿气流下方，加速上升运动，关中地区降雪逐渐加强。

3日20：00 (图2)，500 hPa上冷涡底部分裂出的短波槽与南支槽东移加深；700 hPa偏南风急流加强，关中西部存在明显的切变线，关中北部为明显的风速辐合带；850 hPa(图略)上河南省上空东风急流增大,陕西中南部为东风急流的辐合区。来自西南的暖湿气流与东北地区回流的冷空气在关中大部分地区交汇，配合700 hPa切变线与500 hPa高空槽，关中大部分地区造成强烈的辐合上升；4日08:00 500 hPa西风槽移出，700 hPa偏南风急流减弱，850 hPa东风急流减小，降雪强度减弱；4日20：00，500 hPa高空槽移出，700 hPa转为偏西风，低层东风消失，降雪结束。2日08：00至4日20：00，200 hPa陕西上空存在大于30 m/s高空急流，暴雪发生时段，高空急流通风抽吸作用，加速了上升运动的发展。

图2 2018-01-03T20：00中尺度综合分析(阴影为暴雪区,单实线为500 hPa槽线,双实线为700 hPa切变线,锯齿线为850 hPa、700 hPa饱和湿区，箭头线代表200 hPa、700 hPa、850 hPa急流)

3 水汽特征分析

此次暴雪天气，中低空偏南风急流为暴雪提供了充足的水汽供应。暴雪发生前，2日08：00至3日08：00，500 hPa位于陕西西部的西南风急流逐渐加强，西安探空站西南风从20 m/s增大到32 m/s，700 hPa上偏南风从6 m/s增大到14 m/s，偏南风急流的加强和维持为暴雪发生提供了充足的水汽条件。分析3日夜间最大降雪量蒲城站(35°N、109.6°E)的水汽通量、水汽通量散度演变(图3)，可以看到暴雪前期，暴雪区上空低层到高层一直存在水汽输送，3日08：00后随着中低空偏南急流加强，水汽输送加大。3日08：00至4日08：00，水汽输送十分明显，水汽输送中心位于600～500 hPa, 中心值超过5 g/(cm·hPa·s)，正好对应暴雪发生时段,表明了中层水汽输送对暴雪的作用。暴雪前期，水汽通量辐合主要位于925～850 hPa,3日08：00之后，西南风急流在低层冷空气垫上爬升，水汽的辐合中心抬升到500 hPa附近，辐合强度增大，中心强度增大到-10×10-8g/(cm2·hPa·s),且在3日夜间到4日凌晨一直维持。4日02：00，500 hPa水汽通量散度场叠加风场图(图略)上,关中大部分地区为水汽通量辐合中心，偏南风急流为陕西中部提供水汽输送；中层较强的水汽输送以及持续的水汽辐合为陕西中部暴雪发生起到了增幅作用。

图3 2018-01-02—04蒲城(35°N、109.6°E)水汽通量(实线,单位为g/(cm·hPa·s)及水汽通量散度(阴影,单位为10-8 g/(cm2·hPa·s)剖面

4 动力条件分析

降雪开始后，陕西中部850 hPa之下受冷高压前偏东风回流冷空气影响，低层温度不断降低，陕西以东河南上空偏东风不断增大，低层冷空气在陕西中部辐合堆积，冷垫作用明显；中高层受偏南风影响，暖湿气流在冷空气上爬升，上升运动随之加强。温度叠加风的剖面图上(图略)，暴雪开始后，暴雪区(106～110°E)上空偏南暖湿急流在偏东风急流上爬升，配合700 hPa切变线，上升运动进一步加强。散度剖面图上，3日20时(图略)开始，中低层辐合，高层辐散；4日02时(图4)，中低层辐合，高层辐散达到最大。暴雪开始后，从低层至200 hPa均为上升区，4日02时上升运动达到最强，大的上升区位于600～300 hPa，中心值达到-8×10-3hPa/s,强烈的上升运动将低层水汽输送到高层，有利于暴雪的发生。在暴雪发生时，暖湿急流空气在低层冷垫上爬升辐合，高空急流通风抽吸，加速上升运动发展，为暴雪发生发展提供有利的动力条件。

5 热力条件诊断分析

5.1 冷空气作用

从温度平流沿109.6°E经向剖面发现，2日08时至3日08时，河套北部高空冷空气向低层渗透，在偏北风作用下，冷空气向暴雪区输送。3日08时温度平流经向剖面图(图略)上，40～45°N的冷平流达到-24×10-5℃/s，850 hPa以上受西南暖平流影响，暖平流中心位于700～500 hPa，850 hPa以下为冷平流。沿35°N温度平流纬向剖面发现，暴雪发生前，850 hPa以下存在一支自东向西输送的冷空气，这路冷空气是由高空冷空气下沉南压，受低层偏东风回流影响所致。3日08时温度平流纬向剖面(图5)图上，暴雪区温度平流达到-8×10-5℃·s-1，暴雪区上空存在东风急流风速辐合，冷平流的持续输送，850 hPa温度不断降低。此次暴雪过程的冷空气主要来自中高纬，高空冷空气下沉，在偏北风作用下南压，与低层偏东风急流在暴雪区辐合堆积，形成冷垫楔入暖湿气流下，加速气流抬升。

图4 2018-01-04T02沿109.6°E垂直速度(阴影区,单位为10-3 hPa/s)及散度(等值线,单位为10-5 s-1)剖面

图5 2018-01-03T08沿35°N温度平流叠加风场垂直剖面(风矢代表风场,单位为m/s；等值线为温度平流,单位为10-5 ℃/s,阴影为冷平流)

5.2 锋生及次级环流

4日02时从假相当位温经向剖面(图略)发现，低层θse的低值区楔入中高层θse的高值区，850 hPa以上θse向冷区倾斜，在暴雪区上空850～400 hPaθse线最为密集，表明在暴雪发生时，中高层暖湿急流与低层冷空气在陕西中北部相遇，形成对峙。

锋生函数可以从定量的角度来分析具体的天气现象、气象要素的变化状况,锋生函数大于0时表示锋生。李兆慧等[13]对武汉一次暴雪天气的分析表明，锋生、锋消变化与降雪天气的出现和停止一致，锋面次级环流产生，与暴雪的出现和停止相关。2日夜间起，冷暖空气交汇，在暴雪区上空出现锋生，冷空气下沉南压，锋生函数F逐渐增大，4日02时(图6)，暴雪区上空850～400 hPa存在强的锋生，500 hPa锋生中心强度达到12×10-10g·K/(m·s)，锋区随高度向北侧冷区倾斜，向上延伸到200 hPa，与暴雪区上空假相当位温密集带一致。锋区南侧为爬升的暖湿气流，锋区北侧冷空气下沉，受低层偏北风影响，在暴雪区辐合堆积，形成冷垫，楔入西南暖湿急流下，加速暖湿气流抬升，暴雪区上空形成了闭合的锋区次级环流，次级环流加速了上升运动发展，降雪强度随之加大。4日08时，锋区南压，次级环流消失，上升运动减弱，降雪逐渐较小。锋生及锋生产生的次级环流加速了暴雪区上空上升运动的发展，加强了冷暖气流的交汇对峙，是夜间暴雪发生的重要原因。

图6 2018-01-04T02沿109.6°E锋生函数(阴影,单位为10-10 g·K/(m·s)、垂直速度(等值线,单位为10-3 hPa/s)、风场(风矢,单位为m/s)垂直剖面(黑色粗线代表暴雪区，箭头代表环流的冷暖空气,黑色环状虚线代表锋区次级环流)

6 云顶亮温演变特征

分析此次暴雪过程中相当黑体亮温演变，2日08时，受高原槽东移和低层低涡切变影响，有一tBB≤-30 ℃的带状云系从陇东延伸至山西南部，高空槽前抬升和低层切辐合上升，带状云系不断发展；2日14时(图7a)，带状云系覆盖关中大部分地区，此时关中西部降雪已经开始；20时(图7b)带状云系面积扩大，云团发展，tBB≤-40 ℃的中心控制陕西中南部。2日20时至3日08时，南支槽和西风槽东移发展，700 hPa上偏南风加大，在低层冷空气上爬升，带状云系继续发展。3日08时(图7c)带状云系覆盖陕西大部分地区，西南风辐合抬升，陕西西南部有中心强度tBB≤-45 ℃的带状云系发展，云系中有tBB≤-50 ℃的强中心存在，西南风作用下强的带状云系不断向东北方向移动。南支槽和西风槽东移加深，低层偏东风急流楔入暖湿急流下，冷暖空气在关中及关中北部交汇，20时(图7d)陕西中南部大部分地区被tBB≤-45 ℃的带状云系覆盖，云系中存在大面积的tBB≤-50 ℃的强中心,中心强度最大tBB≤-55 ℃；3日夜间带状云系中的强中心从陕西中部自西向东移动。4日05时(图7e)，tBB≤-45 ℃的强中心移出陕西。4日08时，西风槽移出陕西，700 hPa南风减弱，tBB≤-30 ℃的带状云系覆盖陕西关中、陕南地区，降雪强度减小。4日14时(图7f)，tBB≤-30 ℃的带状云系移出陕西，降雪结束。可以看出此次陕西暴雪过程是由带状云系自陕西西南东移加强所致，系统加深，辐合上升运动加强，带状云系强中心不断加强，是产生暴雪的原因。tBB≤-30 ℃的冷云带出现时对应降雪，tBB≤-50 ℃的强冷云带出现时对应着强降雪，3日夜间陕西暴雪区位于带状云系中tBB≤-50 ℃的强中心移过的区域。

7 三维环流特征

分析此次暴雪发生前后环流形势，综合水汽、热力、动力条件特征分析，总结了此次暴雪天气的环流特征(图8)。高层冷空气逐渐下沉，在偏北风和低层东风急流作用下，在暴雪区低空辐合堆积，形成冷垫；700～500 hPa南支槽与西风槽东移加深，槽前强盛的西南风急流在冷空气垫上爬升，为暴雪发生提供了充足水汽供应，低层切变和高空槽前的辐合，加速了水汽的聚集。高空急流在暴雪区上空通风抽吸，加强了高层辐散、中低层辐合，上升运动的发展。中高层暖湿急流与低层冷空气在暴雪区上空对峙，形成了明显锋区，锋区两侧明显的次级环流，加速了暴雪区上空上升运动的发展，是暴雪发生的重要原因。

图7 2018年1月相当黑体亮温(TBB)演变(a 2日14时，b 2日20时，c 3日08，d 3日20，e 4日05时，f 4日14时)

图8 陕西中部暴雪过程三维空间环流特征

8 小结

(1) 此次暴雪，发生在西风槽与南支槽东移合并的大尺度环流背景下，850 hPa偏东风急流楔入700 hPa偏南暖湿急流下，配合低层切变线与高空槽叠加，造成冷暖空气在陕西上空交汇。

(2) 偏南风急流为暴雪区提供了充足的水汽供应，暴雪区上空持续的水汽辐合，为暴雪发生提供了充足的水汽条件。高空冷空气下沉南压，在低层偏东风作用下，在陕西中南部形成冷垫；暖湿急流在冷垫上爬升，配合高空急流的通风抽吸作用，加速上升运动发展，将低层水汽输送到高层，为暴雪发生提供了充足的动力和能量条件。

(3) 中高层暖湿急流与低层冷空气在陕西中北部对峙，暴雪区上空形成明显锋区。锋区次级环流加速了暴雪区上升运动的发展，为降雪起到增幅作用，是暴雪发生的重要原因。

(4) 暴雪发生时段，带状云系逐渐东移并不断加强，暴雪区位于带状云系中tBB≤-50 ℃的强中心移过的区域。