一次华北气旋造成的北京特大暴雪天气过程分析

詹正杰，尹仔锋，乔林，王将，孙秀忠，赵玮

（1.昆明市气象局，云南 昆明 650500；2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；3.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；4.北京市气象局，北京 100089）

一次华北气旋造成的北京特大暴雪天气过程分析

詹正杰1，2，尹仔锋2，3，乔林4，王将1，孙秀忠4，赵玮4

（1.昆明市气象局，云南 昆明 650500；2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；3.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；4.北京市气象局，北京 100089）

利用北京延庆站和海淀站风廓线产品、微波辐射计产品、北京市雷达产品（南郊和车道沟）、北京市58个称重雨量站观测资料、FY-2E卫星云图、常规气象资料，综合分析了2012年11月3—4日北京暴雪天气过程。结果表明：降水相态主要受锋面性质和锋面位置影响；过程雨雪量受气旋的强度、持续时间和水汽通道维持时间影响比重大；风廓线和微波辐射计产品资料在雨雪开始时间、雨雪相态转换方面有明显的指示性作用。

气旋；暴雪；雨雪相态；风廓线；微波辐射计

2012年中国气象局GB/T 28592—2012降水量等级标准增加了大暴雪（12 h降雪量：10～14.9 mm，24 h降雪量：20.0～29.9 mm）和特大暴雪（12 h降雪量≥15.0 mm，24 h降雪量≥30.0 mm）标准，之前把24 h降雪量≥10.0 mm的降雪统称为暴雪。暴雪是我国冬季和初春季节的重要灾害性天气之一，其降雪量有时可达50 mm（暴雨量级），所形成的深厚积雪往往造成交通中断、房屋倒塌、压折林木和农作物，给人民生命财产造成严重危害。因此做好暴雪天气预报，服务于国防、经济生产部门以便采取积极措施预防其危害、利用其有利因素，具有相当重要的意义。但暴雪是一个小概率事件，预报难度大，一直是气象预报研究的一个主要内容之一，许多气象学者都对其做了大量深入的研究并开发了一些预报系统工具[1-17]。我国目前已经有一批研究人员用不同的方式来提高预报技术，如北京市气象局成立的暴雪团队着力研究冬季降水相态和北京初雪预报；北京大学物理学院大气与海洋系用每年举办初雪预报竞赛的方式提高学生的初雪预报能力。像北京2012年11月3—4日这样的初雪即为雨雪量突破有气象记录以来历史同期极值，特大暴雪、雷暴、大风、强降温同时出现的特殊个例无疑是气象研究非常好的典型案例素材。本文从多角度分析这次特大暴雪成因，并重点分析风廓线产品资料、微波辐射计产品等现代新型观测产品资料的特征（尤其是在雨雪开始时间判定、雨雪相态转换方面），并找出一些预报指标，为暴雪、特大暴雪的预报和研究提供一些参考。

1 天气实况

1.1 雨雪天气实况

受强冷空气和西南暖湿气流的影响，2012年11月3日15时至4日白天北京出现暴（雨）雪，西北部出现特大暴雪天气过程。3日09时15分降水自西北开始。15时西北部的佛爷顶站最先观测到降雪；16时延庆开始降雪；18时西南部斋堂开始降雪，21时海淀霞云岭开始降雪；22时左右山区降雪加大，城区大部开始降雪，观象台01时开始降雪。西部3日夜间到4日白天持续降雪；城区夜间由降雨转为雨夹雪，后半夜转为雪，4日凌晨又转为雨夹雪；东部区域为降雨。整个降水过程雨雪分布地域特征明显，相态转换复杂。2012年11月3日08时至11月4日20时，北京地区全市平均降水量56.0 mm（气象+水文），城区平均62.0 mm（气象+水文）；最大降水出现在海淀凤凰岭99.6 mm，最大雨强出现在密云白河四合堂3日21—22时15.6 mm/h。北京20个国家站均突破有气象记录以来同期（11月）极值。除顺义、平谷、密云、通州和怀柔南部始终为降雨外，其余地区均出现降雪天气，全市平均降雪量达21.7 mm，西部山区出现特大暴雪：延庆降雪量达56.3 mm，最大积雪深度达47.8 cm；佛爷顶降雪量达75.4 mm，最大积雪深度为40.7 cm（图1）。

根据北京市气象局2011年《京气减函〔2011〕1号》文件《关于规范北京地区初雪日定义的通知》标准，2012年11月4日为2012—2013年冬初雪日，是近20 a来历史第四偏早（第一是1987年10月31日，第二是2009年11月1日，第三是1992年11月2日）。

图1 北京市2012年11月3日08时到4日20时降水量分布 （单位：mm）

1.2 大风、降温、雷暴天气实况

由于这次冷空气势力强，南下推进速度快，雨雪的同时伴随4～5级偏北风，个别地点出现强风，4日06时36分海淀凤凰岭出现26.4 m/s（10级）偏北风。同时降温显著，3日15—18时大部分地区气温骤降6℃左右。佛爷顶最高气温-3.7℃，最低气温降至-6.8℃。3日夜间城区还出现雷暴，属于北京雷暴偏早年份。

像这样初雪时间早，雨雪量大，降温强，大风同时伴有雷暴，属于北京有气象记录以来罕见的天气过程。

2 灾情统计

此次强雨雪天气过程对交通、农业、供暖等造成了一定的影响，其中对交通不利影响最明显，特别是出现特大暴雪的西部地区，交通受到严重影响，导致交通路网严重拥堵，一度北京及周边地区高速路封闭。3日下午北京市道路交通拥堵级别直接飙至“严重拥堵”。4日凌晨雨夹雪和大风把地铁13号线沿线的树木压倒吹断，部分树木还侵入地铁运营正线，造成13号线地铁短时停运。延庆树木倒伏1.2万株，延庆部分用户供水、供暖中断，部分鸡舍和日光温室倒塌。

3 天气系统分析

500 hPa天气图上1日08—20时，位于巴尔喀什湖（以下简称巴湖）和贝加尔湖（以下简称贝湖）之间的低槽转竖东移。2日08时槽加深东南移，槽线向东靠近贝湖，中纬度环流经向度加大，温度槽落后于高度槽。2日20时贝湖北段呈南北向，南段呈西南东北向，槽底向河套地区靠拢，温度槽落后于高度槽。3日08时槽北段快速东移，槽南段转竖东移到河套地区，华北大部受槽前西南气流控制，河套地区出现气旋式风向切变。温度槽与高度槽夹角变小，温度槽稍微滞后于高度槽，北京处于槽前西南暖湿气流内。3日20时槽继续东移，南端在华北西南部出现584位势什米闭合低压，-33℃冷中心与低压中心重合，温度槽与高度槽重合，即高空冷涡生成，北京处于冷涡东北象限的东南气流内。3日08时700 hPa槽落后于500 hPa槽，3日20时气旋中心位置与500 hPa一致，但是温度槽落后于高度槽，气旋后部仍有冷平流。地面图上：一强冷高压沿东南路径南下，2日05—17时移动缓慢，2日20时开始快速东南移，高压前侧锋面加强影响到华北西部。2日23时中心强度加强，南部扩展迅速。3日02时中心气压加强到1 050 hPa，冷高东南侧与渤海低压形成较强锋面，即华北气旋生成。冷暖锋交叉的锢囚锋位于华北西北部，02—17时锢囚锋由西北向东南穿过华北地区，17时北京受冷锋控制。3日20时冷高明显减弱，但是渤海低压维持，冷锋在华北地区移动缓慢，北京处于锢囚锋顶部，这个时段北京西北部开始降雪。3日20时到4日11时北京因受锋面的持续稳定影响，出现较长时间的雨雪天气。4日08时，高层200 hPa北京处于大槽的北端（图2a）；500 hPa（图2b）、700 hPa（图2c）、850 hPa（图2d）华北低涡位置一致，北京处于低涡中心区域的西北部。4日11时渤海低压开始减弱东移，冷锋减弱东南移，北京降水减弱。

图2 11月4日08时高度和流场图

使用NCEP一日4次再分析资料沿116.3°E（北京城区经度），30°～50°N做水汽通量散度、垂直速度、垂直流场剖面图。2012年11月3日08时（图3a）在北京以南32°N附近700 hPa层有较强的上升运动中心（中心强度50 m/s），30°N以南水汽通量散度为0～5区域，且高度升到600 hPa以上，表明南边水汽条件较好。3日14时（图3b）强上升运动区沿纬度向北推进，同时向高层延伸到400 hPa附近，此时北京逐步开始降水，但量级较小。3日20时（图3c）北京底层水汽通量散度绝对值加大，强上升气流区范围扩大，中心值加大到80 m/s，但强中心开始下降。4日02时（图3d）到4日08时（图3e）北京处于强上升运动中心区域内，上升运动强中心持续降低并沿纬度向北移动，也就是此时间段北京出现强降水天气，此时在32°N，600 hPa处生成一个强下沉气流中心。4日14时（图3f）上升气流中心向北移动过程中迅速减弱，南边强下沉气流中心加强向北移动，北京处于上升气流区后侧，水汽通量散度绝对值减少并降到800 hPa以下，北京的雨雪过程减弱趋于结束。由此可见，北京强降水过程与强烈上升气流持续时间和水汽辐合强度一致。

这次过程是由后倾槽演变结合地面强冷空气形成的华北气旋造成的。过程特点是：地面冷空气强度强，高层冷涡强，地面快速东南移的地面冷锋在北京北部与暖锋形成的锢囚锋维持时间长，水汽充沛。北京西北处于冷锋控制以降雪为主，城区先受暖锋影响，后在锢囚锋附近，而锢囚锋在北京城区小幅度摆动，造成城区雨雪相态来回转换；而北京东部受气旋暖锋控制，所以一直是降雨，而没有转为雨夹雪或者雪。由此可见：雨雪相态主要受华北气旋的锋面性质和位置影响，暖锋区是降水，冷锋区以降雪为主，而锢囚锋区雨雪相态复杂转换。

4 风廓线特征分析

4.1 延庆站风廓线资料分析

从延庆3日04:00到4日00:00风廓线图（图4）可以看出：3日9:00低层630 m以下以东南风为主，风力小，中层（750～1 900 m左右）为强南风区。9时到10时，南风层开始降低，低层东南风偏南分量加大，延庆地面站9:34开始出现降水。11:00—14:00低层逐渐由东南风转为南风，风速加大；15：00由南风转为东南风。15：00—17：00时东南风层向上抬升，18:00开始降低，19:00迅速降低，510～1 700 m附近转为北风，北风层逐渐加大并降低，这表征冷气团势力加强南压。22:00到4日12:00，400～1 500 m左右层都为强劲的偏北风，这个时段正好与地面降雪时段相对应。3日15:00开始低层东南气流开始向高层抬升，东南气流层在抬升过程中加厚，4日04: 00—05:00时达到较强盛时期，06:00左右开始逐渐转为偏东风，11:00—12:00时转为东北风。

图3 沿116.3°E，30°～50°N水汽通量散度（阴影区，单位10-6g/（hPa·s·cm2）、垂直速度（等值线，单位：10-3Pa/s）、垂直流场（矢量，单位：m/s）的垂直剖面

图4 北京延庆站2012年11月3日04时—4日00时风廓线图（m/s）

从风廓线资料分析得出：低层东南暖湿气流遭遇北方冷气团被迫抬升，冷气团急剧下沉，冷暖气团交汇，大气斜压性导致气流逆时针旋转形成气旋。暴雪出现在气旋形成维持的这段时间，为中高层东南暖湿气流比较强盛的时间段。

预报指标：中层南风层降低和低层东南风向南风转变的开始作为降水开始起报指标；把低层由东南风转西南风时刻作为降雪的开始时间。

4.2 海淀站风廓线资料分析

图5 北京海淀站2012年11月3日16时—4日12时风廓线图（m/s）

从海淀3日16:00到4日12:00风廓线图（图5）可以看出：16:00在480 m高度层气流存在明显的旋转特性，500 m以下为西南风，500 m左右为东风，540～900 m左右为东南风，以上为南风。17:00开始500～660 m转为北风，说明冷空气已经入侵到海淀，这时高空东南气流层明显抬升，东风气流层抬升和冷空气下沉阶段的17:00—20:00降水强度较大。22：00底层东北风加强，1 000 m左右北风强，高层东南风明显抬升，空中冷暖气流扰动强烈，强冷空气下沉，海淀降水相态转为雪。06:00—07:00低层冷空气减弱，高层偏东气流转为东北气流，降水转为雨夹雪并且强度明显减弱，08：00之后高空气流均明显减弱，海淀转为小雨，降水趋于结束。

5 微波辐射计产品分析

从延庆站微波辐射计产品2012年11月2日20:00到3日20:00和3日13:00到4日13:00可以看出降水开始时段、雨雪相态转换时、降水持续时段、降水结束时段在近地面温度图、大气总水汽量图、大气总液态水图、大气液态水密度廓线图、大气相对湿度廓线图、大气温度廓线图上都有明显的特征。降水开始时与微波辐射计所在高度温度剧烈下降时段相对应；与大气温度廓线的整体抬升时刻相对应；与中高层大气相对湿度突变相对应；与中高层大气液态水密度突升相对应。大气温度廓线：由于凝结潜热释放降水开始时大气温度突升，低层大气温度突升更加明显，出现“暖塔”特征，整个降水时段中上层大气温度维持稳定少变，降水强度减弱时整层温度突降，低层温度降幅最大。大气相对湿度廓线图：降水开始前上层为干空气，低层为湿空气，降水开始时刻中上层空气转为湿，而中低层转为干空气，强降水时段整层大气都处于饱和状态，降水强度减弱后高层转为干空气，而低层相对湿度仍然比较大。大气液态水密度廓线图显示降水开始前高层液态水密度比较小甚至有些层次为零，降水开始时中高层液态水密度突增，尤其是6 km左右高度层增加明显，16:00—17:00，6 km高度层出现液态水密度亮带，该亮带的维持时间与强降雪时段有较好的对应关系。

由上述特征总结出一些预报指标，降水开始指标：大气温度廓线“暖塔”初生，高层大气由干转湿（相对湿度突增）；中高层大气液态水密度增大时刻。雨雪相态转换指标：6 km高度层液态水密度亮带形成时期；低层大气由干转湿（低层相对湿度增大至饱和）时刻。

6 多普勒雷达产品资料分析

图6a可见，北京城区以块状回波为主，反射率因子回波强度强中心35～40 dBz，次为降雪回波。该降雪回波移动缓慢，维持时间长。

平均径向速度图（图6b）上底层有典型的反“S”型零速度线，风随高度呈顺时针旋转，底层冷平流较强。中高层零速度线较为凌乱多变，说明高层风向变化较快。平均径向风速随高度先增大后减小。在10 km左右处有24 m/s的偏北风急流。

图6 2012年11月4日05：58北京雷达反射率因子（a）(单位：dBz)和2.4°仰角径向速度（b） （单位：m/s）

7 结论

（1）这次特大暴雪过程是由华北气旋与地面冷空气共同影响造成的，降水相态主要受锋面性质影响，暖锋区以降水为主，冷锋区以降雪为主，锢囚锋附近雨雪相态随锢囚锋位置摆动而来回转换。雨雪持续时间和强度由气旋的持续时间和强度决定。

（2）风廓线资料产品和微波辐射计产品在降水开始时、雨雪相态转换时段、降水强度上都有一些典型的特征。多普勒雷达回波产品在锋面性质判断，雨雪强度及维持时间上有一些明显的特征，可以在短时临近预报中发挥较好的指导作用。

（3）华北水汽带与西太平洋洋面水汽带连接通道的形成和较长时间的维持提供这次特大暴雪的水汽条件，强降水过程与强烈的上升运动区域和水汽通量辐合相对应。

致谢：本文得到北京市气象局正研级高级工程师王令细心指导，得到副研级高级工程师焦热光热心帮助，在此特别感谢。

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Analysis of Beijing Snowstorm Weather Process Resulted from a North China Cyclone

ZHAN Zhengjie1，2，YIN Zifeng2，3，QIAO Lin4，WANG Jiang1，SUN Xiuzhong4，ZHAO Wei4（1.Kunming Meteorological Bureau,Kunming 650500，China；2.School of Atmospheric Sciences，Lanzhou
Univercity,Lanzhou 730000，China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China；4.Beijing Meteorological Bureau，Beijing 100089，China）

Using the wind profile products from the Beijing Yanqing railway station and Haidian station,microwave radiometer products,radar products from the southern outskirts of Beijing city and Chedaogou station，observation data of weighing rain-gauge data from 58 stations，FY-2E satellite images and conventional meteorological data,the Beijing Blizzard weather process on November 3 to 4 in 2012 was analyzed.The result shows that:the precipitation phase（rain,snow）is determined by frontal properties and frontal location of the North China cyclone;the process is determined by the intensity and duration of rain and snow cyclone with water vapor channel;the wind profile and microwave radiometer data of the rain and snow had obviously indicative function for the start time and precipitation phase change.

cyclone；snow；snow phase；wind profile；microwave radiometer

P458.12

B

1002-0799（2014）05-0010-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.002

2014-04-15；

2014-04-30

昆明市气象局科技创新项目《乌东德水电站灾害性天气档案系统》资助。

詹正杰（1976-），女，高级工程师，主要从事天气气候预报、分析与研究工作。E-mail：824350599@qq.com

詹正杰，尹仔锋，乔林，等.一次华北气旋造成的北京特大暴雪天气过程分析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：10-15.