承德市2015年2月20—21日强降雪成因分析

杨　杰，谭国明，尤国军，陆　倩，刘园园

（承德市气象局，河北　承德067000）

承德市2015年2月20—21日强降雪成因分析

杨杰，谭国明，尤国军，陆倩，刘园园

（承德市气象局，河北承德067000）

利用常规观测资料、卫星云图和NECP（1°×1°）逐6 h再分析资料，对承德市2015 年2月20—21日强降雪过程环流形势和物理量场进行分析。结果表明：中、低层西风槽、切变线和蒙古气旋共同构成有利天气形势，持续的西南气流对强降雪形成和维持至关重要。强降雪出现在斜压叶云系的暖侧。强降雪区上空相对湿度大且水汽供应充足，水汽通量变化与降雪变化相一致。强降雪区上空伴有强上升运动；整层为正涡度最有利于上升运动；垂直螺旋度整层为正或呈“上负下正”结构有利于降雪,低层正垂直螺旋度对强降雪变化有很好的指示意义。

强降雪；西南气流；水汽通量；涡度；垂直螺旋度

杨杰，谭国明，尤国军，等.承德市2015年2月20—21日强降雪成因分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：32-38. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.005

强降雪是一种灾害性天气，对国民经济和人民生命财产安全具有重大影响。承德市冬季降水稀少，水资源短缺，强降雪虽能补充水资源，但也会造成积雪成灾，因此准确预报强降雪对科学利用、储存水资源和做好防灾减灾气象服务具有重要科学价值和意义。

近年来，随着社会经济发展，强降雪造成的经济损失也越来越大，其成因一直备受关注。目前，许多气象工作者对强降雪的研究采用数值模拟和动力学诊断分析相结合的方法，对强降雪的发生发展机理进行了研究。孙建华等[1]通过对降雪过程进行数值模拟，得出可根据大气可降水量判断降雪维持时间。张恒德等[2]通过对强降雪过程进行模拟、诊断和特征分析，得出强降雪区存在强辐合上升运动，螺旋度大值区对应强降雪中心。任丽等[3]通过分析螺旋度分布与暴雪落区的关系，对降雪落区和强度预报进行了探讨。吴振玲等[4]，盛春岩等[5]则对强降雪过程的不稳定条件进行了研究。陈春艳等[6]对新疆地区的强降雪过程进行了诊断分析，归纳了落区预报思路及其预报指标。此外，还有一些气象工作者通过引入湿位涡对强降雪过程进行了诊断分析[7-9]，这些工作从不同方面对我国不同区域的强降雪过程进行了分析得出了一些有指导意义的结论，但由于强降雪出现的几率较强降雨更小,其预报至今仍是业务中的难点，还需要一线预报员对本地强降雪个例进行研究分析。

强降雪是承德主要灾害性天气之一，常常给当地生产、交通运输等带来极大危害。2015年2月20—21日承德市出现了一次强降雪天气，全市普降中到大雪，市气象台天气预报为小到中雪，预报降雪量级偏小，目前没有预报员分析此次强降雪过程。因此，对此次强降雪过程发生发展机制进行分析，找出强降雪形成原因，将有利于对同类天气的认识和预报。

1　资料和方法

利用承德市2015年2月20—21日9个气象站逐日降雪资料、卫星红外云图等常规资料和NCEP/ NCAR提供的水平分辨率为1°×1°的逐日4次再分析资料，包括垂直9层等压面（1000，925，850，700，600，500，400，300，200 hPa）上的位势高度、相对湿度、纬向风分量、经向风分量、垂直速度及地面气压，分析区域为116°～119°E、40°～42°N。采取天气学分析和动力学诊断分析的方法，对强降雪过程环流形势及强降雪中心（118.5°E，40.6°N）物理量场（相对湿度、水汽通量、垂直速度、涡度及垂直螺旋度）进行诊断分析，以期得出有指导意义的结论，为今后此类天气预报提供参考。

2　降雪概况

2015年2月20—21日承德市出现了一次强降雪天气，全市普降中到大雪，过程降雪量为1.8～9.9 mm，全市平均雪深为4 cm，其中东南部宽城县降雪量最大，累计降雪量达9.9 mm，积雪深度为7 cm（表1）。20日07时承德市西南部兴隆县最先开始出现降雪，然后降雪逐渐增强同时向东北方向扩展，降雪范围逐渐扩大，20日13时降雪范围扩大到全市。21 日02—09时大部地区降雪停止，部分地区有微量降雪。21日10时承德市中东部出现间歇性降雪，但强度较弱，最终降雪在21日18时左右结束。降雪过程中，降雪主要集中在20日07时—21日02时。

表1　2015年2月20日—21日降雪量/mm与积雪深度/cm

此次强降雪过程具有降雪持续时间长、分布不均、南部降雪大于北部降雪的特点。此外，自进入2014年11月后，承德市降水严重偏少，降水较历史同期偏少52.2%。由于长时间没有出现有效降水，承德市旱情严重，森林草原火险气象等级居高不下，空气质量也不容乐观。强降雪过程虽有效缓解了旱情、降低了森林草原火险气象等级、净化了空气，但也造成了严重交通堵塞。

3　环流背景分析

3.1天气形势演变

20日08时500 hPa上，新疆东部与蒙古国交界地区受高空冷涡及其低槽控制，冷涡中心位于97°E、53°N附近。影响河北的主槽位于河套西部，东部沿海有暖脊，南支槽位于104.2°～107.5°E、25.6°～33.7°N区域内，承德市上空为西南气流（图1a）。20 日08时—21日20时，500 hPa冷涡缓慢东移南压，并不断有冷空气从涡中分裂南下，南北两支槽在112°E附近同位相叠加后继续东移。700 hPa上河北上游有一冷式切变线，切变线缓慢向东移动，在从山西移至河北过程中逐渐加强，切变线右侧西南风速也逐渐加大，承德始终位于700 hPa切变线右侧（图1c）。850 hPa上河北上游风力较弱，但也存在一冷式切变线，切变线沿东南方向移动，在从山西移至天津及以南地区过程中不断加强，同时其右侧偏南风也不断增大（图1d）。切变线使承德上空产生较强动力抬升作用，有利于上升运动发展加强，同时切变线右侧西南暖湿气流源源不断向承德上空输送水汽，为强降雪的发生提供了丰富水汽。20日08时地面图上，与高空冷涡相对应的地面冷高压中心位于96°E、52°N附近，蒙古气旋中心位于110°E、46°N附近，内蒙古东北部有一冷暖锋，地面锋线位于高空槽前，槽后有较强冷平流，冷锋后冷空气不断侵袭华北（图略）。20日08时至21日20时海平面气压场呈“西北高东南低”型（图1b）。地面冷高压在涡后西北气流引导下缓慢移动，高压前部不断有副冷锋沿引导气流南下，冷空气的不断补充，促使气旋冷锋前后温度梯度加大，造成锋生。冷锋后的强冷空气为低空西南暖湿气流抬升创造了条件，锋前西南暖湿气流沿着暖输送带爬升与北方南下的干冷空气长时间在承德上空交汇。在冷空气的不断补充和高空槽前正涡度平流减压双重作用下，蒙古气旋逐渐加强，并以东偏南路径缓慢移动，持续影响承德而形成强降雪。3.2卫星红外云图演变

从红外云图演变可以看出降雪过程中云系的发展变化。降雪开始前，低槽前叶状云位于河套西部上空，云系后边界光滑整齐。云团在高空西南气流引导下，向东北方向移动并不断发展，承德地区降雪先后开始。云团移动过程中槽后西北气流不断侵入云区，云系西侧开始向南凹，呈气旋性弯曲，云系北端则向北凸起，呈反气旋弯曲，后边界开始呈现“S”形，云系逐渐发展演变为斜压叶状。高空槽线位于斜压叶云系后界附近，由于高空有西北冷平流侵入云区，云系后界处色调变暗。南北两支槽在东部高压脊阻挡下移动缓慢，并于112°E处同位相叠加，使得高空槽振幅加大，槽后偏北气流加大并侵入斜压叶云区，高空干冷下沉气流使得云区西北一侧云顶降低变暖，使其“S”形后边界更加明显。随着高空槽加深发展，等压线出现闭合中心，气旋性涡度加大，高空西北气流以气旋式侵入云区，斜压叶云系发生变形并移出承德上空，降水结束。降雪过程中，云团移动缓慢，长时间滞留在承德上空，导致降雪持续时间比较长而产生强降雪天气。结合气象站降水记录来看，强降雪出现在斜压叶云系的暖侧。

图1　20日08时500 hPa高度场和风场（a）和20日08时至21日20时平均海平面气压场（b）20日08时700 hPa风场（c）、850 hPa风场（d）

4　水汽条件诊断分析

4.1相对湿度

20日08时（图2a），降雪开始时，承德上空相对湿度≥90%，北京上空有一湿度大值中心。14时（图2b），湿度大值区向东南方向移动，湿度大值中心移至承德南部，承德上空湿度分布表现为“南高北低”。20时（图2c），湿度大值中心进一步向东南移动，承德东南部位于湿度大值区内。从20日08—20时850 hPa风矢量图可以发现，承德及北京上空始终受西南气流控制且西南风速逐渐增大，水汽通道通畅，西南气流将北京上空水汽源源不断输送至承德上空，承德南部风速明显大于北部且存在风速辐合。由地面观测资料可知（图2d），850 hPa相对湿度大于90%的区域与降雪大值区相对应。

4.2水汽输送

水汽通量可以很好反映水汽输送情况。从强降雪中心水汽输送来看（图3），20日08时—21日02时，降雪区上空水汽通量明显增大，中心值为40 g/ （hPa·cm·s），水汽输送强且维持时间长，降雪区上空水汽供应充足。21日02时，水汽通量明显减小，水汽输送减弱，降雪也随之减弱。21日14时，水汽通量明显增大，随着水汽输送加强降雪重新开始并逐渐加强，但由于持续时间比较短降雪量级较小。从风矢量来看，当承德上空从中层到低层均为一致西南气流时，水汽输送较强且降雪持续，降雪强度随着水汽通量增大而增大。降雪过程中低层水汽条件明显强于中层,这说明低层切变线右侧西南气流的水汽输送作用强于高空槽前西南气流。当承德上空转为西北气流时，水汽输送作用明显下降，降雪也随之减弱，这表明持续的西南气流对强降雪形成和维持至关重要。降雪过程中，西南暖湿气流持续向降雪区输送水汽，承德上空湿度不断增大。水汽输送加强，降雪强度也随之加强；水汽输送减弱，降雪强度也随之减弱。结合地面观测资料可知，水汽通量大小变化与降雪强度变化相一致。

图3　20日02时—21日20时沿118.5°E、40.6°N水汽通量时间—高度剖面（单位：g/（hPa·cm·s））

5　动力条件诊断分析

5.1垂直速度

由垂直速度时间—高度剖面可以看出（图4），20日02—08时，承德上空垂直运动相对较弱，这是由于冷涡和低层切变线距承德较远，承德上空动力抬升条件较弱，降雪强度也较弱。20日08—20时，整层垂直运动逐渐发展加强，700 hPa以上垂直速度为正值（下沉运动），正速度中心位于400 hPa附近，中心值为2×10-3hPa/s；700 hPa以下垂直速度为负值（上升运动），中心位于850 hPa附近，中心值为-4×10-3hPa/s，这种“高层下沉、低层上升”结构有利于增强上升运动。随着冷涡中心南压、切变线移近以及蒙古气旋迫近，承德上空产生较强动力抬升作用，引发垂直上升运动发展加强。垂直上升运动发展加强有利于水汽上升凝结，促进降雪加强[10]。21日02时，下沉运动发展旺盛，上升速度几乎为零，强下沉运动抑制了降雪发生发展，降雪迅速减弱。21日08—14时，随着上升运动再次发展引发降雪重新开始并逐渐加强，但由于持续时间短降雪量级较小。随着系统继续东移，下沉运动发展加强，降雪在傍晚逐渐减弱停止。

图4　20日02时—21日20时沿118.5°E、40.6°N垂直速度时间—高度剖面（单位：hPa/s）

5.2涡度

涡度的分布和演变能很好反映系统变化。从500 hPa涡度分布和风矢量可以看出（图5a），20日08时北京上空500 hPa有一正涡度中心，中心强度为6×10-5s，而北京及其东北部的承德上空处于高空槽前西南气流控制，有正涡度平流输送至承德上空，为承德地区提供了有利上升运动动力环境[11]。

从强降雪中心涡度时间—高度剖面可以发现（图5b）,20日02—20时整层为正涡度。20日02—08时，由于冷涡中心距承德较远，承德地区虽为正涡度区控制，但整层涡度强度较弱，冷空气活动不强，降雪较弱。20日08—14时，随着冷涡进一步东移南压，从高空冷涡区有明显正涡度向下输送至蒙古气旋所在区域，引发高低层涡度发展加强。整层为正涡度有利于加强降雪区的上升运动，使得降雪加强[12]。20日20时，上层负涡度中心值为-4×10-5/s，下层正涡度中心值为6×10-5/s，涡度场表现为“上负下正”结构。20日20时—21日02时，正涡度中心逐渐加强并向上扩展，低层850 hPa附近有负涡度发展。随着系统东移，承德上空转为平直纬向环流控制，蒙古气旋后部下沉运动不利于降雪发生发展，此时水汽输送也较弱，降雪逐渐减弱。21日08—14时，虽然逐渐发展的负涡度不利于降雪，但在蒙古气旋后部冷空气和水汽输送加强的共同影响下，降雪又重新开始但强度明显弱于20日，最终降雪在18时左右停止。降雪过程中，降雪区上空为正涡度最有利于上升运动和降雪，“上负下正”结构也有利于上升运动和降雪。

5.3垂直螺旋度

图5　20日08时500 hPa涡度（a）和20日02时—21日20时沿118.5°E、40.6°N涡度时间—高度剖面（b）（单位10-5/s）

螺旋度是将风矢量和涡度有效结合起来的物理量，常用于诊断强降水的气旋系统，能较好反映天气系统的发展变化。垂直螺旋度就是指螺旋度在垂直方向分量，p坐标系的垂直螺旋度计算表达式为：h=（∂v/∂x-∂u/∂y）（-ω/ρg=-ζω/ρg）。垂直螺旋度符合右手准则：在正涡度区（ζ>0），若有上升运动（ω<0），则有正垂直螺旋度；若有下沉运动（ω>0），则有负垂直螺旋度。由强降雪中心垂直螺旋度时间—高度剖面图可以看出（图6）：20日02—08时,降雪区上空为正垂直螺旋度。20日08—20时是降雪强盛期，垂直螺旋度以700 hPa为分界线，呈“上负下正”结构且低层正垂直螺旋度大于高层负垂直螺旋度，这种配置有利于维持较强上升运动，同时又能促进地面气旋发展，有利于促进降雪[13]。21日02时,从低层到高层的垂直螺旋度呈“负—正—负—正”交替结构且低层负垂直螺旋度强度明显强于上层正垂直螺旋度，即低层辐散远大于高层辐合，这种配置有利于下沉运动发展，降雪减弱停止。21日08—14时，低层正垂直螺旋度逐渐加强并向上扩展，降雪区出现强度较弱的降雪。降雪过程中，降雪区上空整层为正垂直螺旋度或呈“上负下正”结构有利于促进降雪，而925～700 hPa的正垂直螺旋度对降雪变化有很好指示意义。

图6　20日02时—21日20时沿118.5°E、40.6°N垂直螺旋度时间—高度剖面（单位：hPa/s2）

6　结论

（1）此次强降雪过程的主要影响系统为西风槽和蒙古气旋，同时低层有切变线相配合。降雪过程中，高空槽、蒙古气旋与低层切变线互相配合，前者带来干冷空气，后者右侧西南气流带来暖湿空气，两股气流在承德上空持续交汇产生强降雪。

（2）降雪过程中，云系在移动中不断发展，长时间滞留在承德上空，导致降雪持续时间长而产生强降雪。强降雪出现在斜压叶云系的暖侧。

（3）降雪大值区与850 hPa相对湿度大于90%的区域相对应，水汽通量大小变化与降雪强度变化相一致，强降雪期间850 hPa水汽通量达40 g/ （hPa·cm·s），持续的西南气流对强降雪形成和维持至关重要。

（4）降雪过程中,850 hPa附近上升运动明显，速度达-4×10-3hPa/s，低层上升运动的发展有利于水汽上升凝结，而“高层下沉、低层上升”的垂直结构有利于增强上升运动，促进降雪。降雪区上空整层为正涡度最有利于上升运动。

（5）垂直螺旋度将垂直运动和涡旋运动紧密联系起来，较好反映了天气系统发展变化。降雪过程中，降雪区上空整层为正垂直螺旋度或呈“上负下正”结构有利于促进降雪，而925～700 hPa的正垂直螺旋度对降雪变化有很好指示意义。

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Analysis of Heavy Snowfall Process in Chengde City on 20 to 21 February 2015

YANG Jie，TAN Guoming，YOU Guojun，LU Qian，LIU Yuanyuan
（Chengde Meteorological Bureau，Chengde 067000，China）

Based on conventional observational data,satellite cloud data,and NCEP/NCAR reanalysis（1°×1°）,the atmospheric circulation features and physical mechanisms of heavy snowfall process in Chengde City on 20 to 21 February 2015 were analyzed.The results are as follows. Westerly trough and shear line at mid-low levels,as well as Mongolia cyclone at the surface are propitious to the heavy snowfall.Sustained southwest warm moisture flux played a fundamental role in the occurrence and maintenance of heavy snowfall.Heavy snowfall appear in baroclinic leaf cloud warm side.The distribution of relative humidity and moisture flux indicates adequate supplication of water vapor over the heavy snowfall area.During the process,the snowfall intensity increased with moisture flux intensity.Evident ascending motion could be found from the heavy snowfall area.Heavy snowfall and ascending motion are most likely to occur when vorticity were positive at all levels.The vertical distribution of vertical helicity,both“positive values at all levels”pattern or“negative value at high levels-positive value at low levels”pattern prompt heavy snowfall.Therefore,positive vertical helicity at lower levels is a good indicator of heavy snowfall.

heavy snowfall；southwest airflow；vapor flux；vorticity；vertical helicity

P458.121

B

1002-0799（2016）04-0032-07

2015-11-11；

2015-12-25

河北省气象局预报员专项（14ky37）资助。

杨杰（1988-），男，助理工程师，主要从事短期天气预报工作。E-mail：805171539@qq.com