巴州一次寒潮降雪天气的特征分析

周雪英，彭 军，段均泽，曹始珍

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒841000；2.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.和静县气象局，新疆 和静841300）

寒潮天气是我国严重的灾害性天气之一，往往对农业、林业、交通、电力和人民生活造成不利影响，寒潮天气的特点多数以降温和大风为主。新疆寒潮爆发时极涡位置一般偏东北半球，冷空气多沿超极地路径南下在西伯利亚上空堆积，天气爆发前存在气温异常，冷暖空气交汇明显，致使北疆寒潮天气多伴有降雪[1-6]。有研究表明阿勒泰强寒潮主要出现在冬季，并存在2～3 a周期震荡[7]，然而新疆南疆盆地冬季少见寒潮天气，目前关于南疆寒潮天气分析多见春季寒潮并伴有大风沙尘天气，这与春季冷锋前南疆热低压发展强盛密切相关[8-10]。近年来新疆降雪研究一方面集中在阿勒泰的暖区降雪上，与500 hPa极涡、中尺度短波以及强锋区密切联系[11]；另一方面集中在深秋与冬末春初的局地暴雪的螺旋度和湿位涡诊断应用上[12-13]。巴哈古丽[14]对2011年初春巴州北部局地暴雪研究表明，局地暴雪是出现在初春冷暖空气交汇频繁、高空低涡横槽的背景下，与局地有利地形和中尺度辐合对应较好。事实上巴州地处天山南侧，昆仑山系北侧，塔里木盆地的东部，新疆的中部，地形地貌较为复杂，地面冷空气多以绕流东灌和回流方式进入，冷暖空气在巴州地区是如何结合造成巴州北部大范围或局部雨雪天气，一直是预报的难点，然而巴州冬季降雪天气又较少，因此本文利用常规观测资料、MICAPS资料对2012年12月20—23日巴州较大范围的寒潮和降雪的天气原因进行诊断，为今后巴州冬季寒潮和降雪天气服务积累经验，提高预报准确率。

1 资料和方法

利用常规观测资料、自动站逐时资料以及T639客观分析资料，结合天气学原理和天气动力学诊断分析方法，对2012年12月20—23日巴州一次典型寒潮降雪天气过程进行分析。

寒潮标准根据中华人民共和国国家标准GB/T20484-2006冷空气等级划分[15]即：寒潮定义为某地的日最低气温24 h内降温幅度≥8℃，或48 h内降温幅度≥10℃，或72 h内降温幅度≥12℃，而且使该地日最低气温下降到4℃以下的冷空气，同时要求寒潮降温中48、72 h内的日最低气温必须连续下降的，并结合中央台的寒潮标准[16]规定的过程降温与温度负距平划分冷空气活动强度。

2 寒潮特点及成因

2.1 寒潮特点

（1）冷空气强度强，影响新疆大部。2012年12月19—22日新疆大部自北向南先后出现了寒潮天气，最低气温全疆显著下降，阿勒泰富蕴县吐尔洪乡降至-49.1℃，成为此次冷空气过境后的全疆的最低气温，同时乌鲁木齐最低气温也降至近28 a的最低值（-29.0℃）。巴州各地最低气温48 h内普遍下降了10℃以上，其中巴音布鲁克山区降温幅度最大为17.8℃，焉耆盆地则下降了15℃左右，其余地区下降了10.2～12.6℃。

（2）冷空气影响时间长，出现阶段性低温。从温度负距平可知：此次寒潮天气导致巴州各地与历年12月下旬平均气温之差超过5℃，其中平原北部超过8℃，巴仑台山区最大，为12.8℃。2012年12月下旬气温焉耆盆地、轮台、尉犁是近28 a最低；2013年1月上旬巴州无明显冷空气活动，盆地的冷湖效应与前期和季节降温使焉耆、尉犁、铁干里克三地1月上旬气温也降为近30 a最低。从表1可知巴州大部地区过程降温达8～9℃，各站均达到强冷空气标准，其中焉耆盆地和巴音布鲁克山区则达寒潮标准。

表1 巴州各地寒潮降雪过程日平均气温、降雪量、最低气温及其低温持续日数实况

（3）严寒日数多，部分林果幼树受冻。新疆库尔勒农业气候手册上把最低气温低于-20℃称为严寒日。从表1可知，此次寒潮天气过后，低于-20℃的日数焉耆与和硕达20 d，轮台、尉犁县和铁干里克在7～10 d。有研究表明[17]冬季严寒日持续的时间越长出现果树冻害的可能性越大，因此此次寒潮天气焉耆盆地部分地区和库尔勒、尉犁、轮台的局部地势低洼地带严寒日数多且持续时间长，造成部分林果幼树受冻。

2.2 寒潮成因分析

天气来临前12月17日高空500 hPa欧亚范围内中高纬度形成阻塞系统，阻塞高压脊顶东北伸至中西伯利亚一带，高纬冷空气在西西伯利亚附近堆积，此时高空500 hPa锋区已对北疆造成影响。18—19日阻塞高压受到新地岛小槽内的冷平流侵袭，切断了暖平流补充，减弱成高压脊且脊顶不断被上游短波槽袭扰，阻塞系统向南衰退和崩溃，与之相配合的北方横槽也转向南伸，致使高空锋区进入北疆，500 hPa-32℃等温线南压至巴州北部，同时高压脊向东南垮台，引导部分极地冷空气补充进入低槽（图1）。从地面图上可知：寒潮高压最初与高空系统配合出现在50°N，中心强度为1 055 hPa，随着横槽减弱北抬，寒潮冷高压18日也存在减弱的过程，19日由于北部有较强冷空气补充南下，东西向的冷高压变为南北向并向南移动，受到哈萨克丘陵及萨彦岭山脉阻挡，冷空气在巴尔喀什湖北部堆积加强，冷高压范围变大，中心强度加强，高压轴向逐渐转成西北东南走向。事实上寒潮能否爆发与冷空气的源地和不断堆积程度有着密切关系，17—19日的高空冷空气在西伯利亚一带不断堆积，并得到新地岛的冷空气补充，同时地面有利地形致使冷空气进一步加强。

20日北欧阻塞高压减弱成乌拉尔高压脊，脊前偏北气流不断引导极涡中心的冷空气南下，致使横槽转竖，同时90°E一带环流经向度明显加大，东北西南向低槽横跨 35°～85°N，500 hPa温度锋区南压至40°N以南，致使天山南坡出现了明显降雪。21—22日，欧洲脊东移减弱，西伯利亚低槽东移至新疆东部，温度槽稍落后于高度槽，槽后有较明显冷平流，低槽东移过程中进一步发展（图1），配合地面上冷空气主体沿河西走廊以回流形式灌入南疆盆地，进入巴州的冷高压中心强度达1 055 hPa，较为强盛，致使南疆盆地及巴州出现严寒天气。

本次巴州寒潮降雪天气是由于北欧阻塞系统完全崩溃，横槽转向东移，槽内冷空气和极地冷空气共同向南爆发造成的，冷空气路径属于北方路径（图2b）。根据新疆短期天气预报指导手册[18]，本次过程属于新疆寒潮天气三类六型乌拉尔脊欧洲类中的北欧阻塞高压东南衰退型，是在北方横槽转向东移南压与中纬度锋区相互作用下产生的，过程前期表现为欧亚大陆上空维持较长时间的经向环流后向纬向环流转换，北方横槽的形成、稳定与东移演变与此类天气密切联系。预报此类寒潮天气的关键在于，是否属于北欧阻塞高压的东南衰退。

3 降雪天气及诊断分析

3.1 降雪特点

3.1.1 降雪过程复杂，涵盖三种类型

本次寒潮天气降雪过程复杂，巴州平原北部的降雪分为3个阶段：第一阶段为20日横槽转竖引起的系统性降雪，第二阶段是21日东灌冷凝降雪，第三阶段为22—23日库尔勒局地的连阴雪天气。

3.1.2 强降雪时段集中，降雪量位于历史前列

从表1可知，此次寒潮降雪明显，降雪时段在2012年12月20日凌晨至上午，平原北部普遍出现小到中雪，和硕与焉耆降雪量在6 mm以上为大雪，主要是横槽转竖锋区南压的系统性降雪引起，使12月中旬尉犁降雪量位于历史同期第一位，为3.1 mm，和硕、焉耆位于历史同期第二位，轮台、库尔勒、和静位于历史同期第四位。

3.1.3 库尔勒局地降雪时间长，预报难度大

2012年12月20—23日库尔勒市区连续4 d出现降雪天气，且降雪量都在1 mm左右，致雪成因分析难度大，目前关于库尔勒冷凝降雪研究较少，同时就23日库尔勒局地出现1 mm以上有量的阴雪天气也实属罕见，一般情况下库尔勒阴雾天气雪量多以微量或0.5 mm以下为主。

3.2 降雪天气概念模型及高空风特征

第一阶段系统性降雪：降雪天气发生在北方横槽转竖的环流背景下，高空低槽配合-40℃冷中心，高空锋区南压至40°N附近（图2a），与巴州北部一般性降雪天气相比，此次高空系统环流经向度不是很大，锋区南压是降雪的主要原因。巴州北部地区南北向温差8℃，700 hPa塔里木盆地冷暖切变和辐合区位于巴州北部，同时低层850 hPa配合弱的冷平流，高低空冷暖空气在巴州北部交汇，研究表明巴州降雪天气始终与850 hPa和700 hPa气旋式环流和风场切变与辐合密切联系[14，19-20]。

第二阶段东灌冷凝降雪：西伯利亚低槽东移至新疆东部，地面北疆大部受1 060 hPa的冷高压控制，巴州处于冷高的底部，冷空气绕过天山东灌而影响巴州，850 hPa上北疆存在明显冷温槽，绕流东灌致使温度不断下降，前期系统性降雪使空气饱和度明显增高，高空温度下降到一定程度就形成了冷凝降雪。低层850 hPa的温度平流对于低层温度的变化有着决定作用，而冷凝降雪是一种低层大气运动的天气过程，因此850 hPa的温度冷平流的强弱与冷凝降雪密切相关（图3a）。

第三阶段库尔勒局地连阴雪：高空转为高压脊控制，中层500 hPa和700 hPa存在明显的暖平流，地面处于强大的蒙古冷高压的西南部，近地面到低层850 hPa南疆盆地降温明显，形成下干冷、上暖湿的层结，为阴雪天气发生的典型配置（图3b）。

从库尔勒单站高空风时间剖面图可知：2012年12月19日08时开始库尔勒700 hPa转偏北风，表明已有部分冷空气沿中天山缺口进入库尔勒地区，而850 hPa为弱偏南风，表明近地面至低层仍在增温增湿。在19日08时925 hPa温度平流场上表现明显，巴州偏东一带有暖平流，中心值为5。根据热成风原理可知，地转风随高度强烈逆时针旋转，850 hPa到500 hPa为冷平流，850 hPa以下为暖平流，表明大气层结不稳定。19日20时—20日08时，库尔勒高层500 hPa以上偏西南气流明显且风速加大，其中400 hPa表现更为突出，风速增大至28 m/s，700 hPa以下为偏东和偏北气流，19日20时出现明显的8 m/s偏东风，低层到高层垂直风切变增强，有利于动力抬升，有效增加了对流层中低层冷暖空气的交汇和扰动。

系统性降雪天气影响前后，500 hPa风向呈西风转西南再转西北的明显变化，700 hPa上为北—东北—西北，850 hPa为偏西—偏东—西，风速500 hPa有明显增大的过程，低层风速变化较弱，但风向呈明显变化，进一步证实了系统性降雪天气发生时高空垂直风切变表现显著。预报经验表明，高空垂直风切变的存在是巴州降雪天气的必要动力条件。而当20日20时从低层到高层风向统一转为西北风时，高空垂直风切变消失，尽管仍有降雪天气，但雪量较小，这与地面冷空气“东灌”有密切关系，表明冷凝降雪要求的高空动力抬升条件弱。

3.3 水汽条件

水汽条件是形成降水的重要条件之一，分析降雪前高空T-Td可知:高空横槽始终对应了T-Td的小值区，致使塔里木盆地的东部和西部增湿明显，而此时盆地低层700 hPa和850 hPa则较干，表明此次降雪水汽一部分来自500 hPa高空系统携带水汽，但水汽饱和区主体位置偏北，表明系统自身携带的水汽有限，但巴州偏东哈密至河西走廊存在明显水汽补充，水汽是随着冷空气东灌进入巴州北部，这与巴州一般降雪天气中阿拉伯海到中亚地区存在大范围深厚的高湿区[20]显然不同。

水汽通量散度是指单位时间内单位体积中水汽的净流失量。正值表示有水汽流失，负值表示有水汽积聚。从20日02—08时系统集中降雪时段700 hPa和850hPa水汽通量散度（图4～5）可知：700 hPa水汽从巴州偏西和偏东方向辐合，偏西盆地中部和东部有较大的水汽辐合中心，最强为-5.3×10-8g·cm-2（hPa·s）-1，同时西南也存在-4.88 ×10-8g·cm-2（hPa·s）-1的中心。850 hPa水汽主要从巴州西南方向辐合，偏西和偏南存在两个明显的水汽辐合中心，最强位于轮台，达-11.5×10-8g·cm-2（hPa·s）-1，同时850 hPa 偏东也有-5.18 ×10-8g·cm-2（hPa·s）-1水汽通量散度中心，从数值上850 hPa的水汽辐合明显强于700 hPa，同时低层850～700 hPa水汽是从西、南和东3个方向快速向巴州聚集和汇合，在动力上也表现为低层偏南方向的暖湿空气与东北向冷湿空气在巴州北部交汇。

分析19—20日各层相对湿度的演变情况可知：系统性降雪时段偏西和偏南的暖湿气流与绕流东灌的湿冷空气在塔里木盆地中部汇合，致使20日08时南疆盆地中东部对流层中低层湿度都在80%以上。这与水汽通量散度变化情况一致，进一步证实系统性降雪水汽源自塔里木盆地的西面和东面，并快速从低层辐合聚集到巴州北部。

而21—23日高空各层湿度发生了明显变化，尤其700 hPa以上已转为干区，仅850 hPa到近地面仍维持80%左右相对湿度高值区，表明冷凝降雪和阴雪天气水汽主要是局地形成的。因此，在预报巴州冬季降雪时要更多地关注850 hPa到近地面的空气湿度状况。

3.4 散度和垂直速度

当大规模的水汽集中辐合时,必须有大范围深厚的上升运动抬升水汽才能形成强降雪,因此动力条件是产生降雪天气的一个必要条件。高低空急流的耦合、高空辐散、低层辐合、强的垂直速度均可产生较强的辐合上升运动,为降雪的产生提供动力条件。

从2012年12月20日02时—21日14时库尔勒垂直速度时间剖面（图6）可知：降雪集中时段20日夜间和21日夜间低层850～700 hPa都出现上升运动，中层500 hPa表现为下沉运动，当上升运动中心越靠近低层850 hPa时，降雪越明显，而20日14时上升运动在500 hPa以上，整层抬升时，降雪则减弱，表明水汽来自低层，低层上升运动才有利于水汽的抬升和凝聚。对2012年12月20日02时降雪时段垂直速度沿巴州北部降雪集中区域做纬向剖面可知：中层500 hPa为下沉气流，700～850 hPa为上升气流，结合对应的散度剖面发现巴州500 hPa上空为正散度区，700 hPa至近地面为负散度区，进一步表明中低层暖湿气流向上辐合，中高层的干冷气流向下辐散，致使冷暖空气在中空汇合、聚集造成降雪。这与巴州明显降雪天气时850～500 hPa或更高400～200 hPa都表现为较深厚的上升运动[14，20]存在显著差异，也是今后冬季降雪预报中需要注意的。

从对应时刻垂直速度剖面可知：巴州西南方盆地整层有明显的上升运动，巴州北部上空中高层为下沉运动，中低层为上升运动。表明系统性降雪时段塔里木盆地西部高层辐合，低层辐散；巴州则相反中高层为辐散区，低层到近地面为辐合区，高低层的辐合和辐散加强了盆地里垂直环流发展，巴州北部降雪区正好处于500 hPa干冷空气下沉区域与近地层暖湿气流上升区域的交汇处。

分析21日08时涡度和散度的剖面图可知：巴州高空整层表现为明显的正涡度，为强烈的下沉运动，而散度场上则表现为500 hPa以上和近地面为正散度辐合区，700 hPa和850 hPa为负散度辐散区。表明冷凝降雪时段巴州高空整层为下沉运动，强冷空气从高空向地面辐散，近地面层存在弱辐合上升运动，低层强冷平流的冷却冷凝作用是致雪的重要因子。

3.5 层结稳定性分析

大气层结不稳定是产生降雪的重要条件之一，下面对此次寒潮天气中不同降雪时段的层结稳定度进行分析。系统性降雪阶段20日08时高空500 hPa气温下降了4℃，而700 hPa温度上升了5℃，呈现出中层干冷、低层暖湿的不稳定层结，同时K指数也出现增加，表明系统性降雪阶段大气的层结很不稳定，有不稳定能量释放。

在冷凝降雪阶段中低层700～850 hPa气温降幅明显，中低层降温在6℃左右，温度随高度呈现递减变化，整层表现为强的下沉运动，大气层结稳定（图7b）。

库尔勒阴雪阶段气温变化表现为500 hPa和700 hPa显著升温，而700 hPa以下则存在逆温层建立和加强的过程。具体表现为在22日20时逆温幅度已达10℃，但厚度仍较薄，而到23日08时逆温层厚度显著增加，700 hPa以下都为强逆温层。同时从地面到900 hPa附近有弱的不稳定层结，而且温度露点差在0～3℃之间，空气接近饱和，而700 hPa以上湿度是迅速减小的，且为正常的减温层。说明库尔勒阴雪阶段大气表现为中层以上层结稳定，700 hPa以下形成显著逆温层，而近地面层存在弱不稳定层结，致使近地面的水汽不断循环抬升凝结降雪。

4 小结

（1）本次寒潮天气是较典型的北欧阻塞高压东南衰退，北方横槽在干槽的作用下不断补充新地岛冷空气后转竖向南爆发的天气。

（2）系统降雪时段主要影响系统是高空锋区南压配合700 hPa的中尺度辐合，高空垂直风切变是触发降雪的重要动力因子，塔里木盆地存在一定的垂直环流，但上升运动表现相对浅薄。

（3）水汽主要源自高空系统自身携带的一部分和偏东哈密至河西走廊的不断补充，表现为西南暖湿气流与偏东冷湿空气在巴州北部快速汇合，水汽输送和辐合聚集主要集中在近地面1 000～700 hPa，一定程度上高空强冷气团加快了水汽的局地辐合。

（4）在系统性降雪，冷凝降雪和阴雪天气三种不同的降雪阶段，高空风场存在明显风向风速变化，水汽呈现先中低层增湿、后仅近地面存在湿区的特征，层结稳定性也由不稳定向稳定转变，阴雪阶段在700 hPa以下建立强的逆温层，形成中上层稳定层结，近地面层弱不稳定层结的大气垂直结构。

（5）本次寒潮天气降雪过程复杂，系统降雪表现出较明显的风场、水汽及动力特征，后期的冷凝降雪和阴雪天气的预报难度较大，需要更多的经验积累。

[1]白惠星，肖书君，肉孜阿基，等.冬季北疆一次转折性寒潮天气分析[J].安徽农业科学，2010，38（3）：1332-1335.

[2]方雯，刘忠礼，屈信军，等.博州地区一次强寒潮天气特征分析[J].青海气象，2011，8（2）：22-27.

[3]李海燕，张慧岚.2009年新疆一次入冬转折性天气分析[J].沙漠与绿洲气象，2011，5（6）：37-41.

[4]李海燕，杨霞，张超，等.新疆一次超极地路径寒潮天气分析[J].沙漠与绿洲气象，2012，6（5）：12-19.

[5]陈涛，崔彩霞.“2010.1.6”新疆北部特大暴雪过程中的锋面结构及降水机制[J].气象，2012，38（8）：921-931.

[6]张林梅，庄晓翠，胡磊.新疆阿勒泰地区一次强寒潮天气过程分析[J].干旱气象，2010，28（1）：72-75.

[7]庄晓翠，安冬亮，张林梅，等.阿勒泰地区寒潮天气特征分析及预报[J].沙漠与绿洲气象，2010，4（1）：32-35.

[8]王园香.“99·4”特强寒潮过程的分析[J].新疆气象，1999，22（6）：11-13.

[9]彭江良，卢英，杨志亭.库车一次寒潮天气分析[J].新疆气象，2003，26（6）：15-18.

[10]买买提阿布都拉，刘海涛，王永莉，等.和田地区2006年春季一次区域性寒潮天气过程分析 [J].沙漠与绿洲气象，2007，1（5）：38-41.

[11]赵俊荣，杨雪，杨景辉.新疆北部冬季暖区大降雪过程中尺度云团特征分析 [J].高原气象，2010，29（5）：1280-1288.

[12]李如琦，马雷凯.一次暴雪天气过程的螺旋度分析[J].沙漠与绿洲气象，2010，4（2）：16-20.

[13]吕新生，王莹，李圆圆，等.湿位涡在一次北疆暴雪天气中的应用[J].沙漠与绿洲气象，2012，6（5）：20-23.

[14]巴哈古力·买买提.巴州地区局地暴雪过程诊断分析[J].沙漠与绿洲气象，2013，7（1）：28-30.

[15]GB/T 21987-2008，寒潮标准[S].

[16]朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].第3版.北京：气象出版社，2000：305.

[17]张仕明，吴钧，史玉辉，等.库尔勒香梨冬季冻害指数及其变化特征分析[J].中国农业气象，2012，33（3）：462-467.

[18]张家宝，苏起元，孙沈清，等.新疆短期天气预报指导手册[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，1986：191.

[19]巴哈古力·买买提.2010年10月下旬新疆巴州地区秋季雨雪天气过程分析 [J].天气预报技术总结专刊，2011，3（3）：57-62.

[20]巴哈古力·买买提.焉耆盆地一次暴雪天气的分析[J]新疆气象，2002，25（5）：15-16.