一次暴雪成因及相态演变分析

谷秀杰，邵宇翔， 王友贺，齐伊玲，冯丽莎

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003； 2.河南省气象台，郑州 450003)

暴雪是我国冬季常见的灾害性天气之一，随着社会经济的迅速发展，暴雪对城市生活、交通等造成的影响越来越大。同样量级的降雪量和降雨量，前者对生产和生活的影响要严重许多，尤其自2008年初我国南方雨雪冰冻灾害事件以来，暴雪天气的预报愈来愈受到社会的广泛关注。对于暴雪天气的研究前人已从诸多角度开展，并得出很多有意义的结论[1-7]。杨晓霞等[8]、周雪松等[9]和赵斌等[10]曾对不同的暴雪天气过程进行了对比分析，揭示了暴雪发生时几种不同的影响系统和其各自物理机制；陈涛等[5]和朱爱民等[7]讨论了锋生次级环流在暴雪形成过程中的作用；而针对华北地区的暴雪天气有研究[11-12]指出了低层偏东风的贡献。姚蓉等[13]分析了温度对降水相态演变的影响，地面气温在1 ℃以上时出现降雨，而地面气温降至0 ℃后才开始出现雨夹雪天气，可见当中低空满足一定固态降水条件，地面气温为0 ℃是南方雨雪转换的重要条件之一。本文通过天气学分析及物理量诊断方法，探讨一次暴雪的发生发展的机制，同时特别关注了2 m温度及中低空温度与降水相态演变之间的关系，以期为今后同类天气事件的分析和预报提供科学依据。

1 过程概况

2017年2月21日河南省自西向东出现了一次明显的雨雪天气过程，过程主要集中在21日白天到夜里。21日08时地面观测显示，河南省大部分站点出现了降水天气，其中西部的三门峡、济源两地区为降雪，南阳地区的西南部和许昌地区及黄河以北为雨夹雪，其他地区为降雨(图1a)。14时，信阳地区和商丘地区的南部仍为降雨，濮阳、鹤壁、新乡、郑州、开封为雨夹雪，其他地区为降雪，降雪范围覆盖黄淮之间大部分地区(图1b)。20时，除信阳地区外，其他大部分地区均为降雪，个别站点为雨夹雪，部分站点降雪已经结束并出现轻雾天气(图1c)。本次降水过程范围广、移速快、雨雪相态转换复杂，东南部的信阳地区从降水开始到结束均维持为雨，西部的三门峡、济源两地区始终为雪，其它地区由过程开始的降雨、雨夹雪或冰粒逐渐转为降雪。东部的商丘、周口两地区21日14时以后转为降雪，14—20时6 h累计降雪量为10 mm以上，达到暴雪级别。截止21日20时积雪深度图(图略)显示，淮河以北为1～3 cm，其中西部及西北部达4～11 cm。

图1 2017-02-21河南省雨雪相态(a 08时，b 14时,c 20时)

2 影响系统分析

此次降水过程前500～700 hPa在100°E、28°N～42°N附近有一低槽，河南省为高压脊控制，850～925 hPa为偏东风。21日08时低槽东移到105°E附近，河南省转受槽前脊后的西南气流影响，850～925 hPa的偏东风增加到12 m/s以上，达到急流强度，河南省西部位于急流出口区，存在明显的风向风速辐合(图2a)。同时700 hPa以下t-td均小于2 ℃，湿度明显增强，此时，河南省大部均有降水出现。地面强冷空气于20日20时南下，至21日08时1 032.5 hPa冷高压中心位于渤海湾一带(图2b)；另外在贵州西南部有一1 007.5 hPa的低压中心，锋区位于30°N ～33°N之间。

随后高空低槽继续东移，21日下午，系统东移到河南省东部地区，在该地区上空出现气旋性辐合并维持至20时。20时以后(图2c)，高空槽前西南急流东移至湖北东部经安徽到山东半岛一带，低层偏东风急流逐渐东退到江苏境内，河南省降雪天气逐渐结束。14时地面图(图2d)显示，从江西到安徽一线有暖倒槽发展，河南省东部、东南部地区处在倒槽左侧的偏东气流里，在东移的高空系统影响下，河南省东部、东南部地区水汽及辐合上升运动明显增强，降水随之增强，河南省东部的商丘、周口两地区14—20时6 h降雪量达暴雪级别，信阳地区达大雨级别。地面暖倒槽东移至浙江到江苏境内,河南省降水基本结束。

图2 2017-02-21高空中分析(a 08时，c 20时)和海平面气压场(单位hPa)(b 08时， d 14时)

3 水汽通量散度场特征

充足的水汽是产生降水的必要条件。从21日08时700 hPa水汽通量散度图(图3a)可知，由陕南经河南西部、北部至河北省南部一带均为水汽辐合区，与700 hPa强盛的西南急流相对应。与此同时，随着冷空气的南下，边界层顶(850 hPa，图3b)水汽幅合区域位于黄河以南，河南省西部、西南部地区与700 hPa水汽幅合区相重叠，因此该区域降水较为明显(与08时地面图明显降水区相对应)。其它地区由于整层水汽幅合配置较差，降水较弱或还没开始。21日14时，随着700 hPa低槽的逐渐东移，水汽辐合区随之移到京广线以东地区，其中东南部信阳地区为强水汽辐合中心(图3c)。同时850 hPa水汽辐合区也东移到信阳以南的湖北到安徽南部一带(图3d)，较700 hPa辐合区偏南，河南省东部、东南部降水明显增强，其西部地区整层均无水汽辐合，降水逐渐减弱并停止。

4 相态演变与温度变化

4.1 相态演变与2 m温度

降雪的持续时间受相态转变影响较大，大气的温度是影响相态演变的关键因素。目前业务上仍然依据2 m温度及高空温度层结变化来预报雨雪相态。

为了探讨雨雪相态演变与2 m温度变化的关系，选取河南省从西北到东南出现不同降水相态的三个观测站(三门峡、宝丰、固始)对其降水相态及其2 m温度演变(图4)进行统计分析，由地面观测可知，三门峡站始终为雪、宝丰站由雨夹雪转雪、固始站始终为雨。从三门峡站的2 m温度变化可知，21日08时温度为-0.6 ℃，并持续下降，到12时温度降至-2.6 ℃；宝丰站08时温度为0.5 ℃，14时降至-0.7 ℃，此时降水相态由雨夹雪转为雪；固始站21日00—20时温度一直高于0.5 ℃，降水相态始终为雨。通过上述统计可知，当2 m温度高于0.5 ℃时为雨；低于-0.5 ℃时为雪；在-0.5 ℃～0.5 ℃之间时，降水相态较复杂，会出现不同的降水相态。

图3 2017-02-21水汽通量散度场(单位为10-8g/(cm2·hPa ·s))(a 08时700 hPa；b 08时850 hPa；c 20时700 hPa；d 20时850 hPa)

图4 2017-02-21T00—23不同降水相态站点逐时最低温度

上述观测站点的选择大致为西北—东南向，对于整层大气来说，一般是北冷南暖，纬向方向温度差别大于经向。为了进一步分析不同纬度上各站降水相态与温度的关系，选取大致在同一经度(113°E)上由北向南的太原、郑州、南阳、宜昌四个观测站对比分析。从表1各站不同时次降水相态及其2 m温度可知，当2 m温度大于1 ℃时为雨，小于-1 ℃时为雪，1 ℃时为雨夹雪，0 ℃时为雨或雪，-1 ℃时为雨夹雪或雪，由此可知，当2 m温度在-1.0～1.0 ℃之间时三种降水相态均可出现。

4.2 相态演变与高空温度

通过以上分析发现，当2 m温度在-1.0～1.0 ℃之间时相态比较复杂，仅根据2 m温度很难确定降水相态，因此过113°E作温度及温度平流垂直剖面图(图5)，分析整层大气的温度层结与相态演变关系。

表1 2017-02-21不同站点、不同时刻降水相态及其相应的2 m温度 ℃

由08时温度剖面(图5a)可知，太原站从地面到400 hPa高度的温度均为低于-2 ℃的冷层，对应相态为雪。郑州站1 000 hPa附近温度为0 ℃左右，南阳站为1 ℃左右，并且两站在750 hPa附近均有大于0 ℃逆温层存在。不同点是郑州上空的逆温及逆温层的厚度均明显弱于南阳站，郑州站温度在0～2 ℃之间，南阳站温度在2～4 ℃之间，两站近地层(1 000 hPa以下)温度及2 m温度均为1～2 ℃。此时，两站降水相态不同(表1)，郑州为雨夹雪、南阳为雨,这说明在近地层温度和2 m温度基本相同的情况下，降水相态与750 hPa附近的暖温层强度有一定的关系，即：当近地层温度及2 m温度在1～2 ℃时，并且750 hPa附近的温度高于2 ℃时，降水相态为雨；若温度低于2 ℃则为雨夹雪或雪。宜昌站气温从地面到675 hPa高度均高于1 ℃，并且在825 hPa附近有6～8 ℃强逆温层，较厚的暖层使得空气中的水汽以液态水的状态存在。

图5 2017-02-21沿113°E温度(实线，单位为℃)和温度平流(色斑，单位为10-5K/s)剖面图(a 08时,b 14时,c 20时)

14时(图5b)，受低层强冷平流影响，中层的逆温层明显减弱，仅宜昌站上空温度高于0 ℃，其它站上空均低于0 ℃。南阳站925 hPa附近存在25×10-5K/s冷平流，虽然2 m温度为0 ℃，但降水相态为雪；而郑州站2 m温度为-1 ℃，其上空冷平流较弱，降水相态为雨夹雪。20时(图5c)，太原、郑州降雪结束。宜昌站2 m温度已经降至0 ℃(表1)，但750 hPa附近温度仍然高于2 ℃，因此降水相态依然是雨。南阳站2 m温度下降到-1 ℃(表1)，同时高空冷平流继续维持，整层温度均低于0 ℃，维持降水相态为雪。综合上述相态演变与2 m温度及高空温度数据分析可知，当2 m温度大于1 ℃或700 hPa以下温度均高于0 ℃时为雨；当2 m温度小于-1 ℃时或700 hPa以下温度均低于0 ℃时为雪。当2 m温度在±1 ℃之间时，降水相态较复杂，要结合中低空的温度来确定降水相态，即近地层温度(1 000 hPa以下)在1～2 ℃时，并且750 hPa附近有高于2 ℃的暖温层时，降水相态为雨；若低于2 ℃则为雨夹雪或雪。

5 结论与讨论

(1)本次暴雪天气产生在有利的环境场条件下，700 hPa西南急流及850～925 hPa的偏东急流为暴雪提供了充沛的水汽，东南部暖倒槽的发展为暴雪的产生提供了有利的动力抬升条件。降水落区与水汽通量散度辐合区相对应，明显降水区与700 hPa和850 hPa水汽辐合重叠区对应较好。

(2)当2 m温度大于1 ℃或700 hPa以下温度均高于0 ℃时，降水相态为雨。当2 m温度小于-1 ℃或700 hPa以下温度均低于0 ℃时降水相态为雪。当2 m温度在-1.0～1.0 ℃之间时，近地层温度(1 000 hPa以下)在1～2 ℃时，并且750 hPa附近有大于2 ℃的暖温层时，降水相态为雨；若低于2 ℃则为雨夹雪或雪。

(3)相态的决定因素比较复杂，受云层范围、云顶温度、冰雪层厚度等因素的影响，涉及到云物理、环境大气温度等，单纯依赖温度这一个指标还不够科学，以后工作中应进一步加强云物理方面的诊断分析。