河北北部两次强降雪过程对比分析

杨杰，杨梅，高艳春，张晓辉

（承德市气象局，河北 承德 067000）

河北北部两次强降雪过程对比分析

杨杰，杨梅，高艳春，张晓辉

（承德市气象局，河北 承德 067000）

选取河北北部承德市2010年1月3—4日和2015年2月20—21日两次强降雪过程，利用常规观测资料和NECP（1°×1°）逐6 h再分析资料，对环流形势和物理量场进行对比分析。结果表明，两次过程影响系统虽有不同，但500 hPa贝加尔湖附近有冷涡、低层有切变线缓慢东移、地面上贝加尔湖以西存在冷高压,海平面气压场呈“西北高东南低”是其共同特征，也是承德出现强降雪的有利天气形势。物理量场在强降雪期间有以下共同特征：低层水汽通量呈辐合，辐合中心与强降雪有很好对应关系；700 hPa以下为强上升运动，且850 hPa附近有上升中心；850 hPa以上涡度为正值；垂直螺旋度整层为正值或呈“上负下正”结构。

强降雪；水汽；垂直速度；涡度；垂直螺旋度

我国气象工作者对不同强降雪过程的环流背景和物理量场等进行研究。张恒德等[1]通过对华北一次强降雪进行模拟和诊断，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[2]通过分析黑龙江省3次暴雪过程中螺旋度分布与暴雪落区的关系，得出垂直螺旋度空间分布特征可用于确定影响系统位置和降雪落区,垂直方向上螺旋度强度与降雪强度呈正相关。段丽等[3]通过分析2009年北京大雪过程，得出强降雪发生前500 hPa正涡度平流区、对流层中上层水平辐散中心及对流层中下层水平辐合中心呈垂直结构，为有利于上升的动力环境。吴振玲等[4]通过对天津一次大到暴雪天气进行诊断，得出降雪前天津及其周边有较强对流不稳定能量和对称不稳定性，有利于对流发展。宫德吉等[5]通过分析低空急流与内蒙古大（暴）雪的关系,指出高低空急流位置及强度可作为降雪量及暴雪落区短期预报指标。陈雪珍[6-9]对华北强对流与暴雪过程中急流特征作了分析。吕新生等[10]通过分析北疆一次暴雪过程中湿位涡特征，得出暴雪落区在700 hPa负湿位涡中心值附近。李如琦等[11]对北疆一次暴雪天气过程进行分析，指出暴雪发生在MPV1>0得到较大增长且MPV2绝对值较大增长、等θse线密集区域。这些工作从不同方面对强降雪发生发展机制进行了深入研究。

近年来承德市出现了两次强降雪过程，分别发生在2010年1月3—4日和2015年2月20—21日。强降雪导致高速公路关闭，山区道路无法行驶车辆，更有许多农户的蔬菜大棚被压垮，经济损失严重，对两次过程发生发展机制进行对比分析，找出相同或相似之处，得出对预报业务有指导意义的结论，为今后预报此类天气提供参考。

1 资料和方法

利用2010年1月3—4日和2015年2月20—21日承德市9个气象站的常规观测资料和NECP（1°×1°）逐6 h再分析资料，针对强降雪形成特点，采取天气学分析与物理量诊断方法，对比分析两次强降雪过程环流形势及物理量场特征，找出两次过程中物理量场与强降雪有较好匹配关系时的共同特征。

2 降雪概况

2010年1月3—4日（以下简称“过程1”），承德市出现了大范围强降雪天气，降雪开始于3日02时，4日08时降雪基本结束，降雪主要集中在3日05时—4日08时，过程降雪量为2.8～12.3 mm，最大降雪出现在承德市西部滦平县，累计降雪量达12.3 mm（表1）。3日02时承德市西北部丰宁县最先出现降雪，08时降雪范围扩大到全市；4日08时大部地区降雪停止，局部地区有零星降雪，10时左右全市停止降雪。2015年2月20—21日（以下简称“过程2”），承德市普降中到大雪，降雪主要集中在20日07时—21日02时，过程降雪量为1.8～9.9 mm，其中东南部宽城县降雪量最大，累计降雪量达9.9 mm（表1）。20日07时承德市西南部兴隆县最先开始出现降雪，13时降雪范围扩大到全市；21日02—09时大部地区降雪停止，局部有微量降雪，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18时左右结束。

表1 2010年1月3—4日和2015年2月20—21日降雪量/mm

两次强降雪过程相同点：降雪持续时间长，分布不均，中南部降雪大于北部；不同点：“过程1”强降雪中心（117.33°E，40.93°N）与“过程2”强降雪中心（118.5°E，40.6°N）位置不同，并且前者降雪明显大于后者。2010年和2015年承德市自进入冬季后降水均严重偏少，其中2015年较历史同期偏少了52.2%。

3 环流形势和影响系统

3.1 “过程1”

3日08时500 hPa上，贝加尔湖东南部有冷涡，中心位于112°E、50°N附近，冷涡维持稳定少动，其伸展出的低槽至河套北部。槽后有冷温度槽，冷平流明显，槽前偏南风与等温线有交角，有暖平流（上升区）。承德上空为纬向环流，与高纬度地区无显著能量交换，冷空气活动不强（图1a）。随着500 hPa低槽缓慢东移并逐渐加深，槽后不断有冷平流进入山西、河北，承德位于高空槽前，其槽前西南暖湿气流与东北南下回流冷空气在承德上空强烈交汇。4日20时承德上空转为槽后西北气流控制，降雪过程结束。700 hPa在河套东北部有弱气旋性环流，其伸展出的冷式切变线位于河套东北部至陕西南部,切变线右侧为低空急流区。850 hPa上河套北部有低涡，低涡伸展出的冷式切变线在河套东部—陕西—重庆一带，切变线右侧为西南急流区。700 hPa切变线和850 hPa低涡在东移至河北北部过程中逐渐加强，然后沿东南方向移出承德。低空西南急流从渝、鄂、豫,经河北南部直达河北北部，沿切变线右侧将大量水汽和暖湿气流源源不断输送至承德上空。3日08时地面图上（图1b），海平面气压场呈“东北高西南低”型。在东西两股冷空气夹击影响下，河套地区有倒槽生成，东北南下的回流冷空气形成冷垫，为暖湿空气爬升提供抬升机制,也为形成降雪提供必要温度条件。系统移动过程中，河套倒槽向东北方向发展加强，经向度加大，倒槽前西南暖湿空气与东南气流相遇,两支气流耦合加强,大量暖湿气流在南风带动下沿低层强冷垫向北、向上爬升,暖湿空气被强迫抬升，使冷暖气流在锋面附近强烈交汇。降雪过程中，暖湿气流和干冷空气在承德上空长时间强烈交汇形成强降雪。

图1 2010年1月3日08时500 hPa形势场（a）和海平面气压场（b）

3.2 “过程2”

20日08时500 hPa上，贝加尔湖西部受高空冷涡及其低槽控制，冷涡中心位于97°E、53°N附近，并伴有-44℃冷中心，等温线和等高线密集，温度槽落后于高度槽，槽底不断有冷空气分裂南下华北。河套西部有一西风带短波槽，槽前西南气流与等温线有明显交角，有暖平流向下游输送，同时其东侧沿海有暖脊，南支槽位于104.2°～107.5°E、25.6°～33.7°N区域内，承德上空为西南气流（图2a）。冷涡缓慢东移南压过程中不断有冷空气从冷槽中分裂南下并在华北地区堆积，南北两支槽在112°E附近同位相叠加后继续东移，槽前西南气流加大。700 hPa上在河北上游有一冷式切变线，在移至河北过程中发展加强，切变线右侧西南风速加大，承德始终位于切变线右侧。850 hPa上在河北上游也存在一冷式切变线，切变线不断加强并沿东南方向移至天津及以南地区，其右侧偏南风加大。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，其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20时地面图上（图2b），海平面气压场呈“西北高东南低”型。地面冷高压位于贝加尔湖西部，中心气压高达1050 hPa，冷高压在涡后西北气流引导下向东南方向缓慢移动，其前部不断有副冷锋南下。蒙古气旋中心气压为1010 hPa，中心位于46°N、110°E附近。地面锋线位于高空槽前，槽后有较强冷平流，促使气旋冷锋前后温度梯度加大，造成锋生，加强了抬升作用，有利于辐合上升运动。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，蒙古气旋发展加强，并以东偏南路径缓慢移动，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干冷空气在承德上空长时间交汇形成强降雪。

两次过程环流形势共同特征：500 hPa上贝加尔湖附近有冷涡,低层有切变线东移，持续的西南暖湿气流向承德上空输送了丰富水汽，地面上贝加尔湖以西有冷高压。不同的是：“过程1”中槽前西南暖湿气流与回流冷空气共同作用形成回流天气，低层有低涡并且有低空急流通过河北上空，地面影响系统为冷锋倒槽；“过程2”中高空冷涡、西风槽和蒙古气旋共同构成有利环流形势，与“过程1”相比没有低涡、低空急流和倒槽，地面影响系统为蒙古气旋。

图2 2015年2月20日08时500 hPa形势场（a）和20日20时海平面气压场（b）

4 物理量场诊断分析

4.1 水汽条件

水汽通量散度是一个与垂直运动密切相关的物理量[12]。从两次强降雪过程的水汽通量散度时间—高度剖面来看，“过程1”，降雪过程中850 hPa以下为辐合高值区（图3a），说明水汽输送主要来自低层且低层辐合上升运动明显。3日02—20时，850 hPa以下为辐合区，850 hPa附近为辐散区，700 hPa至600 hPa之间辐合，这种辐合辐散交替结构，有利于加强上升运动和降雪。3日20时—4日08时，850 hPa以下辐合逐渐减弱，850 hPa以上辐散也迅速减弱，降雪随之减弱。结合地面观测资料可知，水汽通量散度辐合增强，则降雪增强；水汽通量散度辐合减弱，则降雪逐渐减弱。水汽通量散度辐合大值中心与强降雪有很好对应关系。“过程2”，20日02—08时，850 hPa以下为辐散区（图3b），中心位于925 hPa附近，850 hPa以上为辐合区，这种垂直结构不利于上升运动和降雪，降雪也较弱。20日08—14时，850 hPa以下辐散逐渐减弱，降雪开始逐渐增强。20日14时—21日02时，925 hPa以下为辐合区，925～850 hPa为辐散区，850～700 hPa为辐合区，700 hPa以上为辐散区，这种从低层到高层辐合辐散交替结构，加强了大气抽吸效应，使低空暖湿气流上升运动加强，为发生强降雪提供有利水汽条件和动力条件，降雪强度也较大。21日02—14时，降雪区上空整层为辐散区，中心位于925 hPa附近，中心值为15 g/（hPa·cm2·s），这种结构有利于下沉运动发展而不利于降雪，降雪随之减弱停止。21日14—20时，低层辐合迅速增强，辐合中心位于850～700 hPa之间，其中心值为-15 g/（hPa·cm2·s），强烈的辐合非常有利于水汽集中上升，从而为降雪提供水汽，但由于降雪持续时间短，降雪量级较小，最终随着系统移出承德，降雪结束。

图3 “过程1”强降雪中心水汽通量散度时间—高度剖面（a）和“过程2”强降雪中心水汽通量散度时间—高度剖面（b）（单位：g/（hPa·cm2·s））

4.2 动力条件

4.2.1 垂直速度

“过程1”，2日20时—3日02时，850 hPa以上为下沉运动，850 hPa以下为上升运动（图4a）。3日02—20时，随着系统移近，动力抬升增强，上升运动逐渐加强同时向上扩展至400 hPa，850 hPa和500 hPa附近均有一中心值为-6×10-3hPa/s的上升中心；3日20时—4日08时，系统逐渐移出承德，动力下沉加强，上升运动逐渐减弱，下沉运动不断发展，降雪也随之减弱。上升运动最强时段与降雪最强时段相对应，可见强上升运动有利于降雪。“过程2”，20日02—08时垂直运动较弱，因为冷涡和低层切变线距承德较远，动力抬升条件弱，降雪也较弱（图4b）。20日08—20时垂直运动逐渐加强，700 hPa以上为下沉运动,中心位于400 hPa附近，中心值为2× 10-3hPa/s；700 hPa以下为上升运动，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”结构有利于促进降雪。随着冷涡中心南压、切变线及蒙古气旋迫近，承德上空产生较强动力抬升作用，引发上升运动发展，而上升运动发展有利于水汽上升凝结并增强降雪[13]。21日02时，下沉运动发展旺盛，强下沉运动抑制了降雪的发生发展，降雪减弱至停止。21日08—14时，随着上升运动发展而引发降雪重新开始并逐渐加强，但由于降雪持续时间短，降雪量级较小。随着系统继续东移，下沉运动发展加强，降雪在傍晚减弱停止。

图4 2010年1月2日20时—4日08时（a）和2015年2月20日02时—21日20时（b）强降雪中心垂直速度时间—高度剖面（单位：hPa/s）

4.2.2 涡度

“过程1”，2日20时—3日08时整层均为随时间减弱的负涡度；3日08—20时随着正涡度迅速发展加强同时向上下扩展（图5a），降雪也逐渐加强。850 hPa以上均为正涡度,正涡度大值中心位于400 hPa附近，中心值为12×10-5s-1；850 hPa以下为负涡度，负涡度大值中心位于925 hPa附近，中心值为-6×10-5s-1；3日20时—4日08时，涡度表现为整层均为正，降雪强度也明显小于3日白天，这是地面倒槽减弱东移逐渐远离承德的缘故。“过程2”，20日02—08时承德上空为正涡度区控制（图5b），强度较弱，冷空气活动不强，降雪也较弱。20日08时—14时，随着冷涡进一步东移南压，从高空冷涡区有正涡度向下输送，引发高低层涡度发展加强，而整层均为正涡度对上升运动最有利[14]，这种结构加强了上升运动，引发降雪加强。20日20时，上层负涡度中心值为-5×10-5s-1，0线位于500 hPa～400 hPa之间,下层正涡度中心值为6×10-5s-1，涡度场表现为“上负下正”结构，这种结构也有利于上升运动和降雪。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附近有负涡度在发展。随着系统东移，承德上空转为平直纬向环流，蒙古气旋后部的下沉运动也不利于降雪发生发展，水汽输送也较弱，降雪逐渐减弱停止。21日08—14时，负涡度虽逐渐发展，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，最终降雪在傍晚停止。

图5 “过程1”（a）和“过程2”（b）强降雪中心涡度时间—高度剖面（单位：10-5/s）

4.2.3 垂直螺旋度

垂直螺旋度就是指螺旋度在垂直方向分量。垂直螺旋度将垂直运动和涡旋运动紧密联系起来，在一定程度上不仅能反映系统维持状况，还能反映系统发展、天气现象的剧烈程度。p坐标系下垂直螺旋度h=（∂v/∂x-∂u/∂y）（-ω/ρg）=ω/ρg。从表达式可知：若有上升运动并伴有正涡度，则有正垂直螺旋度；若有下沉运动并伴有正涡度，则有负垂直螺旋度。由图6a可以看出,在“过程1”中，虽然2日20时—3日08时整层垂直螺旋度均为正值，但整层均为负涡度，垂直运动以弱下沉运动为主，降雪强度较小；3日08—17时850～400 hPa之间的垂直螺旋度为正值，中心位于600 hPa，中心值为32×10-9hPa/s2，850 hPa以下有较弱负垂直螺旋度，此时垂直上升运动强烈，降雪也逐渐加强；3日20时整层垂直螺旋度均为正值，中心位于700 hPa附近，中心值为40× 10-9hPa/s2；3日20时—4日08时正垂直螺旋度逐渐减弱，负垂直螺旋度开始发展。由图6b可见,在“过程2”中，20日08—20时降雪区上空均为正涡度，而垂直螺旋度以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[15]。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远大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并抑制降雪的发生发展，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，降雪再次开始，但强度较弱，降雪在傍晚结束。

图6 “过程1”（a）和“过程2”（b）强降雪中心垂直螺旋度时间—高度剖面（单位：hPa/s2）

5 结论

（1）“过程1”，500 hPa冷涡、700 hPa切变线、850 hPa低涡以及冷锋倒槽共同构成了有利天气形势，西南暖湿气流与回流冷空气共同作用形成回流天气，降水系统时空配置很好，同时低空急流输送了大量水汽和暖湿气流至承德上空与从北部南下冷空气强烈交汇，这些系统共同作用产生了强降雪。

（2）“过程2”中，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，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而产生强降雪，持续的西南气流对强降雪形成和维持至关重要。

（3）两次过程共同特征：500 hPa贝加尔湖附近冷涡、低层有切变线缓慢东移、持续的暖湿气流为降雪区提供了丰富水汽。在降雪强盛期，干冷空气与暖湿气流在低层汇合，低层暖湿空气旋转上升，产生强辐合上升运动，促进降雪；地面图上贝加尔湖以西存在冷高压,海平面气压场为“北高南低”型。

（4）两次过程中水汽充沛，水汽条件与强降雪区有很好匹配关系：水汽通量散度辐合中心与强降雪有很好对应关系。

（5）动力条件是形成强降雪的重要因素。降雪过程中，上升运动发展，有利于水汽上升凝结促进降雪；“高层下沉、低层上升”结构增强了大气上升运动，有利于增强降雪。降雪过程中,整层为正涡度最有利于上升运动和降雪；垂直螺旋度为正值或呈“上负下正”结构，有利于降雪。

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Contrast Analysis of Two Heavy Snowfall Processes in Northern Hebei Province

YANG Jie，YANG Mei，GAO Yanchun，ZHANG Xiaohui
（Chengde Meteorological Bureau，Chengde 067000，China）

In order to reveal the development mechanisms of heavy snowfall in Northern Hebei,two heave snow processes on January 3rd to 4th,2010 and February 20th to 21st,2015 were analyzed. A contrast analysis of their meteorological characteristics was made from aspect of synoptic situation and physical mechanism by means of numerical diagnosis with NCEP Reanalysis data and conventional observation data.The reasults show that the two processes have different effects on the system,but there is a cold vortex at 500 hPa near Lake Baikal,an eastward slow-moving shear line at mid-low levels,as well as the appearance of cold high pressure at the surface to the west of Lake Baikal and the sea level pressure field“northwest-high southeast-low”are their common conditons. This is also conducive to the emergence of heavy snowfall conditions in Chengde City.The physical field has the following common characteristics during heavy snow fall.The water vapor flux converges at the lower level,and the convergence center has a good correspondence with the heavy snowfall.There is a strong ascending motion below 700 hPa,and there is an ascending center near 850 hPa.The vorticity above 850 hPa is positive.The distribution of vertical helicity in the whole troposphere is positive or“up-negative and low-positive”structure.

heavy snowfall；vapor；vertical velocity；vorticity；vertical helicity

P426.63

B

1002-0799（2017）01-0028-07

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.004

2015-11-22；

2016-01-13

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

杨杰，杨梅，高艳春，等.河北北部两次强降雪过程对比分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（1）：28-34.