2015年12月新疆极端暴雪天气过程分析

张俊兰，杨 霞，李建刚，秦 贺， 闵 月

（1.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐830002； 2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；3.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002）

暴雪是在多种天气系统的共同作用下产生的，关于暴雪的研究，早在20世纪80年代新疆气象专家就对新疆大降水的环流形势、影响系统、高低空配置和急流、水汽及地形影响等进行了全面研究[1-2]，2006年又进一步进行归纳和总结[3]，这些研究对于揭示新疆降雪天气的演变过程和机制、成因等认识具有较大的推动作用，近年来，新疆暴雪研究在卫星云图、雷达等领域也有一定进展[4-7]。北方其它地区在暴雪的环流背景、高低空系统配置以及动力、热力条件的物理量场分布与暴雪的关系等方面有许多的科研成果[8-13]；在降雪中尺度天气系统监测和运用雷达、风廓线雷达、加密自动站、云顶亮温TBB等新型探测资料方面获得了不少新认识[14-18]。为新疆暴雪分析和研究提供了较好的思路和借鉴。

在全球气候变暖和超强厄尔尼诺背景下，致使2015年新疆极端降水事件偏多，年累计暴雪日数为44站日，较常年偏多25站日，偏多幅度居历史第三位[19]。新疆针对暴雪开展了一些研究，但对极端暴雪发生的概率、暴雪落区和降雪强度等研究涉及不多，准确的暴雪预报在防灾减灾中起到关键作用，本文利用常规气象资料、NCEP1°×1°再分析资料、云图TBB和新一代天气雷达资料，针对2015年12月10—12日新疆极端暴雪天气过程的环流背景、高低空天气系统配置以及水汽、动力条件等方面研究此次暴雪形成机制，探讨极端暴雪的形成原因，进一步明确预报思路，为提高新疆暴雪预报预警水平提供技术支持和预报参考。

1 暴雪天气概况及灾情

2015年12月10—12日，新疆出现暴雪天气过程（新疆降雪标准：24 h降雪量12.1～24.0 mm为暴雪、24.1～48.0 mm 为大暴雪），具有以下特点：（1）暴雪范围广。18站出现暴雪、2站大暴雪，北疆沿天山一带为主要暴雪区，乌苏到木垒一线东西长约450 km范围内有（有17个国家观测站）13站出现暴雪，最大积雪深度 20～62 cm（小渠子站，为62 cm），大暴雪中心位于乌鲁木齐及其周边（乌鲁木齐、米东为大暴雪），最大积雪深度 30～62 cm。（2）多地出现极端暴雪（图1），11日为极端暴雪日，15站突破12月日极大值（北疆沿天山一带17站中有12站），10站突破冬季日极大值（北疆沿天山一带有7站）。乌鲁木齐11日降雪量35.9 mm，突破近51 a来的冬季日极大值，最大积雪深度45 cm。（3）降雪持续时间长。大部地区降雪持续20 h以上，乌鲁木齐持续37 h。（4）平原地区的降雪强于天山山区。乌鲁木齐为最大降雪中心，过程累计降雪量46.3 mm，超过历年冬季平均降雪量40.1 mm，而天山山区的小渠子和牧试站累计降雪量为23.0 mm和15.5 mm。

深厚的积雪对设施农业、畜牧业、林果业等带来不利影响，影响最大的是公路交通和民航飞行，此次暴雪导致乌鲁木齐城区交通严重堵塞，多处道路拥堵，机动车辆不及平时的1/5，公共交通车辆行速不到平时的一半，不少市民选择步行或乘坐公交出行，11日就发生交通事故180余起；乌鲁木齐国际机场许多航班延误、取消和备降，延误进出港航班共201班（其中进港98班，出港103班），取消142班，备降17班。乌鲁木齐市教育局要求全市各中小学11日下午停课。新疆气象台和乌鲁木齐市气象台分别发布暴雪蓝色、橙色和红色预警信号，新疆气象局发布四级应急响应命令，乌鲁木齐、昌吉、伊犁、石河子等地进入四级应急响应状态，市政部门启动应急预案，组织大量机械和环卫工人彻夜清雪除冰。据统计，乌鲁木齐、昌吉、博州近1300人受灾，损失300余万元。

2 大尺度环流特征

2.1 环流形势演变

此次极端暴雪过程属典型的欧洲脊发展衰退、乌拉尔低槽东移型，并有南支低值系统结合，南、北低值系统的叠加和结合对新疆大降水有利，属典型的后倾槽结构。降雪前7日08时—9日08时欧亚范围500 hPa环流经向度不断加大，为两脊一槽型，高压脊分别位于欧洲地区和新疆至贝加尔湖一带，低槽位于乌拉尔山地区。地中海、黑海高压脊发展与欧洲沿岸脊叠加，欧洲沿岸脊向北发展东移至东欧地区，乌拉尔山长波槽向南加深，里海南部有一低涡减弱东移成槽与南下的乌拉尔山大槽合并，槽前的西南风伸至30°N以南。9日20时—10日20时，东欧高压脊顶受到冷平流的侵袭，向东南方向衰退，推动乌拉尔山大槽东移南下，槽后极锋锋区强，偏北急流带上最大风速42 m·s-1，槽前副热带急流带上西南风明显加强（最大18 m·s-1），高空槽前偏南急流逐渐东移，南疆盆地偏南风增强，9日夜间，天山北坡低层转为偏北气流，降水开始；11日乌拉尔低槽东移到巴尔喀什湖附近，槽前西南风增强转为偏南风，08时，偏南风东移过程中风速增强，南疆盆地出现偏南急流（图2a），最大南风为20 m·s-1（出现在天山南麓巴州境内的库尔勒站）；天山北坡低层偏北风增强为急流，此时为暴雪最强降水时段，11日20时—12日20时，低槽逐渐减弱东移，降水区东移、降水强度减弱，12日20日后天气基本结束。此次暴雪过程南、北低值系统的叠加、结合以及中层南疆盆地的偏南急流为天山北坡极端暴雪提供了有利的大尺度环流背景。2.2 高低空气流配置

图1 12月10—12日新疆极端暴雪过程累计降雪量（a）和11日极端暴雪日降雪量（b）

图2 12月11日08时500 hPa高空形势（a）和ECWMF初始场850 hPa风场（b）

此次暴雪天气中高低空气流配置与新疆大降水吻合，高低空出现了3支急流（图2b），分别是高层（300 hPa）的西南气流、中层（500 hPa）的偏南气流、低层（700～850 hPa）的西北气流和偏北气流，300 hPa的风速和散度分布表明，高空西南急流自乌拉尔山南部持续东移南下至新疆境内，在高空西南急流入口区的右侧有辐散中心，这支急流使高空辐散，产生较强的上升运动。

中层500 hPa强盛的偏南急流是此次暴雪天气特征中的重要信号，乌拉尔山长波槽自乌拉尔山南部东移南下，9—10日与跨越青藏高原的阿拉伯海北部—印度半岛的西南急流在新疆汇合，这支位于南疆的西南急流在东移南下过程中，南风分量不断增强为偏南急流，11日08时天山南麓的库尔勒站南风达20 m·s-1，它向北翻过天山后风速减弱，在天山北坡出现了风速辐合，也为暴雪区提供了偏南路径的水汽输送。9—10日，低层700～850 hPa天山北坡的偏北风不断加大，10日20时加强为偏北急流，850 hPa风速更强，11日08时急流轴风速最大值20 m·s-1，乌鲁木齐位于低空急流前沿风速辐合处，受天山地形阻挡，在北疆沿天山一带出现了风速辐合和地形强迫抬升，也有利于偏西路径的水汽输送。中空和低空急流前沿风速辐合区与300 hPa高空急流入口区右侧的辐散区重叠，暴雪位于300 hPa高空急流右侧、500 hPa偏南急流和700～850 hPa偏北急流前部风速辐合区内，使大尺度垂直运动得以持续发展。

3 水汽条件

3.1 水汽输送路径及强度

水汽向暴雪区输送是形成暴雪的重要条件，水汽输送机制的建立对此次极端暴雪过程至关重要，利用 NCEP1°×1°再分析资料计算 1000～100 hPa 共21层水汽通量反映暴雪过程中水平方向上水汽输送的情况，中空急流和低空急流相伴的风速辐合形成明显的水汽输送和水汽辐合场，此次暴雪中存在3条水汽输送路径，分别是中层400～650 hPa的西南路径、西北转西南路径（400～925 hPa）、西南转西北路径（850～500 hPa）。

（1）西南路径（中层400～650 hPa）：水汽主要来源于阿拉伯海，通过这条路径向新疆输送水汽的时间较早，7日14时随高空槽东移，650～550 hPa阿拉伯海至中亚的西南偏南风带里建立了西南路径的水汽通道，出现了沿西南气流自阿拉伯海向东北偏北方向的水汽输送，这条西南水汽输送带东移过程中由西南偏南路径顺转为西南路径，并向高层逐渐伸展，8日08时—9日08时，每6 h后水汽输送顶层向高层抬升50 hPa，9日08时水汽输送顶层达400 hPa，9日14时—10日14时水汽输送顶层自450 hPa下降，10日14时仅650 hPa存在西南水汽输送。最大西南水汽输送 7 g·（cm·hPa·s）-1出现在 9日 02—08时、850 hPa中亚南部地区（图 3a），随着阿拉伯海—印度半岛—巴尔喀什湖南部—北疆的西南风带东移，前沿部分水汽输送进入新疆地区。

从偏西方向输送的水汽主要出现中低层850～400 hPa，这条路径的水汽输送来源于欧洲沿岸，还有部分来自里海、咸海地区，其路径又分为两条：

（2）西北转西南路径：7日20时—11日20时，中低层水汽在西北—偏西—西南风的接力输送下到达北疆地区，7日20时—10日02时，水汽输送层达400～850 hPa，10日08时—11日20时，水汽输送层迅速降至400～925 hPa。低空急流在水汽输送进入北疆中起到重要作用，10日08时—11日14时，低层650～850 hPa存在自欧洲沿岸沿西北转西南气流接力向里海和咸海输送的水汽路径，水汽达到里海和咸海地区后又向北疆输送，承担输送水汽的偏西急流进入北疆后转为西北风并增强为西北急流，急流核中心向东南方移动靠近暴雪区，暴雪区位于水汽通量高值区附近，最大水汽输送 3.5 g·（cm·hPa·s）-1出现在700～850 hPa巴尔喀什湖附近（图3b）。

（3）西南转西北路径：11日20时—12日14时，低层500～850 hPa水汽在西南—偏西—西北风的接力输送下到达北疆地区，最大水汽输送≥3 g·（cm·hPa·s）-1出现在850 hPa附近的咸海东北部附近（图3c）。

3条水汽输送路径中，西北转西南路径水汽输送的时间最长（96 h），西南路径次之（54 h），西南转西北路径时间最短（30 h）；水汽输送湿层厚度中，西北转西南路径最厚（400～925 hPa），西南转西北路径次之（500～850 hPa），西南路径最薄（400～650 hPa）；3条路径在中亚地区附近的水汽输送强度不同，西南路径最强（7 g·（cm·hPa·s）-1）、两条偏西路径（3 g·（cm·hPa·s）-1）相对较小。水汽输送过程中，还存在西南路径和西北转西南路径的水汽叠加输送出现，8日14：00—9日20时的30 h，西南路径和西北转西南路径的水汽输送同时650～450 hPa出现，存在西南路径与西北转西南路径水汽输送的叠加和汇合，两条路径的汇合使进入北疆最大的水汽输送高达＞2 g·（cm·hPa·s）-1。

3条水汽输送路径在不同高度将水汽接力输送至北疆地区，水汽输送累计时间长达114 h，输送厚度自925 hPa伸至400 hPa（输送厚度为525 hPa），中亚南部最大水汽输送达 7 g·（cm·hPa·s）-1，中低层抵达输入北疆的水汽输送长时间维持在1～3 g·（cm·hPa·s）-1，西南和西北转西南两条水汽路径在中层（650～450 hPa）叠加输送30 h，水汽长时间通过不同路径输送至暴雪区，为北疆提供了源源不断的水汽条件，是极端暴雪形成的重要机制和成因。

图3 12月9—11日水汽通量矢量场

为分析此次暴雪中北疆水汽通量垂直结构，沿44°N（乌鲁木齐纬度 43.78°N、经度 87.64°N）乌鲁木齐附近作水汽通量垂直剖面结构图，可以看出，（1）在不同路径的水汽输送下，低层水汽输送虽然有所减弱，但经过中亚关键区的水汽输送东移过程中不断向高层发展，9日 08时—10日 08时，60°～80°E中亚地区低层800 hPa以下有2个大值中心，一个中心（64°～68°E 的 950 hPa附近）水汽输送由7 g·（cm·hPa·s）-1（图 4a）降至 4.5 g·（cm·hPa·s）-1（图4b），输送高度变化不大，输送中心逐渐东移；另一个中心（70°E、900 hPa附近）9日20时分裂为2个中心，西段水汽输送高度下降、强度减弱（由 7 g·（cm·hPa·s）-1（图 4a）降至 4.5 g·（cm·hPa·s）-1（图4b），东段中心则向高层发展并东移，10日08时升至 800 hPa 附近、中心强度 3.5 g·（cm·hPa·s）-1，东移至 75°E 附近（图 4b）。

（2）随水汽输送带东移，低层水汽输送高度抬升后下降，强度增强。水汽输送东边界由75°E逐渐东移，低层水汽输送层抬升，9日08时、75°E 600 hPa出现 4 g·（cm·hPa·s）-1水汽大值区（图 4a），10 日08时，600 hPa水汽输送区东移至80°E，强度为1 g·（cm·hPa·s）-1（图4b），10日20时东移至85°～92°E，高度升至 500 hPa，强度增至 1.5 g·（cm·hPa·s）-1（图4c），乌鲁木齐上空（87°E附近）水汽输送强度增强，高度升高，厚度增厚，由 800 hPa的2.0 g·（cm·hPa·s）-1（图 4a） 升至 700 hPa 的2.5 g·（cm·hPa·s）-1（图4b），同时水汽输送高度向低层延伸至850 hPa，最大水汽输送强度出现在850 hPa，为3.0 g·（cm·hPa·s）-1（图4c），水汽输送厚度明显增厚，9日14时—10日20时，乌鲁木齐附近的水汽输送厚度增厚约200 hPa。

（3）11日02—14时，72°E附近的水汽输送中心又向高层发展，东移时逐渐减弱；乌鲁木齐附近的水汽输送层逐渐下降，强度减弱，由11日02时、850 hPa＞3.0 g·（cm·hPa·s）-1降为 12 日 02 时、900 hPa 的 0.5 g·（cm·hPa·s）-1。

虽然水汽输送层顶高达300 hPa，中层500 hPa附近也有一定的水汽输送大值，但最强的水汽输送在700～850 hPa，且持续时间较长，低层为主要的水汽输送层。低层水汽输送在东移过程中向高层发展并向低层延伸，水汽输送强度增强、厚度增厚，最强降水（11日02时）出现在最强水汽输送（10日20时）之后的6 h。

3.2 水汽辐合

8日08—20时的水汽输送过程中，石河子以西的北疆沿天山一带800 hPa以下出现了最强-2.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1的水汽辐合，（1）9 日02—14时，随着水汽辐合区东移，水汽辐合强度加强，水汽辐合层高度抬升。此时段内，水汽辐合区东移至乌苏—木垒一线的北疆沿天山一带（暴雪区），9日14时水汽辐合层升至750～925 hPa，中心强度增为-2.5×10-7～-9.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1，乌鲁木齐上空 750～900 hPa 为-5.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1；10日14时和20时，水汽辐合层持续抬升至650～850 hPa和 550～850 hPa（图 5a），最强水汽辐合中心分别位于800 hPa北疆沿天山一带西部（-6.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1）和 700 hPa 北疆沿天山一带中部（-10.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1），乌鲁木齐700 hPa 为-3.5×10-7g·（cm2·hPa·s）-1（图 5c）。（2）11日02时，水汽辐合区东移，辐合层稳定（550～850 hPa），但辐合强度减弱，此时北疆沿天山西侧800 hPa 又出现了-6.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1的水汽辐合中心。08时，水汽辐合区继续东移（图5b），辐合层下降，强度继续减弱，此时位于北疆沿天山西侧800 hPa强辐合中心高度下降（850 hPa）、强度减弱（-4.0×10-7g·（cm2·hPa·s）-1）（图 5d）。

以上分析说明，暴雪区低层水汽辐合区东移过程强度加强，辐合层抬升，虽然500 hPa出现水汽辐合对降水也有利，但水汽辐合层出现在650～850 hPa，但最强水汽辐合层位于700～850 hPa（最强可达-10.0×10-7·g·（cm2·hPa·s）-1），水汽辐合主要在700～850 hPa。因此认为，700 hPa以下的水汽对暴雪贡献较大。最强降水出现前水汽辐合最强，当水汽辐合层降低、强度减弱，最强降水开始。

4 动力抬升条件

图4 12月10日沿44°N水汽通量垂直剖面结构

图5 12月10—11日水汽通量散度及沿44°N水汽通量散度垂直剖面结构

10日08时后，天山北坡有一支自西向东伸进北疆深厚的上升气流，这支气流从对流层低层直达300 hPa左右，最大上升运动出现在700～850 hPa，11日02—08时最强，850 hPa天山北侧的北疆沿天山一带最大上升运动-28×10-2Pa·s-1，乌鲁木齐上空达-12×10-2Pa·s-1（图6a）。天山山脉特殊的地形条件增强了低层辐合和强迫抬升，低层冷空气进入北疆，受天山地形阻挡，在天山北坡形成东西方向的地形强迫抬升和水汽辐合区。乌鲁木齐上空的垂直分布呈现低层负散度和高层正散度的垂直结构（图6b），10日08时—12日08时，乌鲁木齐低层700～800 hPa维持负散度，11日 08时前后最强，达-10×10-5·s-1，负散度高度也伸展至 450 hPa，400～200 hPa 辐散特征明显，250 hPa 达 6×10-5·s-1，这种结构特征有利于垂直运动的发展和维持。天山高度以上（约700 hPa）上升运动明显减弱说明地形强迫抬升作用强于天气系统本身的上升运动，两者叠加产生了强烈的上升运动，高空辐散和低空辐合耦合作用的加强和维持有利于上升运动的维持和发展。

5 云图云顶亮温演变

卫星云图和云顶亮温可以反映天气系统下云系发展和演变情况，利用FY-2E红外云图数据通过等值线处理得到此次暴雪天气的云顶黑体亮温强度变化，9日随着乌拉尔山大槽东移南下，槽前有高空急流云系发展，高空云系存在3个相对独立的中β尺度云团，对应有3个云顶亮温低值带自西向东移过暴雪区上空，通过对云顶亮温的强度、路径与降水强度的判断分析，云系发生发展中云顶亮温和降雪强度有一定关系，每一次云顶亮温低值带东移均对应着降雪增强的过程：（1）第1个中β尺度云团。沿偏东方向移动，此云团的偏东云体自西向东移动，云体云顶亮温低值区位于北疆沿天山一带的北部，云团东移时其南部云体经过北疆沿天山一带，北疆沿天山一带的云顶亮温最低值约-44℃（图 7a），10日14：30—20：30 影响北疆，持续时间6 h，乌鲁木齐的最大降雪强度0.3 mm/h。（2）第2个中β尺度云团。沿偏东方向方向移动，此云团强度最强，持续时间最长，东移过程中不断加强，11日00：00—11：30影响北疆，持续时间11.5 h，乌鲁木齐多个小时降水强度超过2.0 mm/h，覆盖北疆沿天山一带的TBB均＜-56 ℃，其中 11 日 00：00—11：30，TBB 最低，强度最强（TBBmin=-64℃，云顶亮温均＜-56℃），时间最长（持续11.5 h，降水强度 2.0 mm/h），新疆境内TBB＜-56℃面积超过4个纬距×2个经距范围，4：30—5：00，TBB＜-64 ℃区域约 1个纬距×2个经距范围（图7b）。（3）第3个中β尺度云团。沿东北方向移动，云团自西南向东北移动，影响北疆的时间也较长，11日 15：30—12日 1：00的约 10 h影响北疆，由于TBB最低值为-56℃（图7c），降雪强度也明显弱于第2个中β尺度云团，最大降雪强度1.0 mm/h。

以上分析还可看出，3个中β尺度云团移过暴雪区上空，暴雪出现在中尺度云团边缘TBB等值线梯度最大处或云团合并的地方，此次暴雪过程TBB≤-64℃云团在沿天山上空维持 3～4 h，TBB≤-56℃云团持续10 h以上，较赵俊荣[15]得出新疆阿勒泰地区暖区降雪的最低TBB值偏低4～6℃，持续时间也更长。

红外卫星云图TBB移动方向、最低值大小和持续时间对降雪强度和累计降雪量有较大影响，TBB越低、持续时间越长累计降雪量和降雪强度都较强，TBB大小对降水强弱具有一定预示作用，TBBmin＜-56℃区域可能出现较强降雪，最大小时降水强度可能＞2 mm·h-1，5 min降雪强度＞3 mm的概率较大。

6 结论

图6 12月11日08时北疆850 hPa垂直速度场（a）和乌鲁木齐上空散度—高度时间剖面（b）

图7 12月10—11日FY2红外云图云顶亮温/℃

（1）2015年12月发生在新疆大面积暴雪是一次极端强天气过程，环流形势、高低空配置、水汽输送、地形影响与新疆大降水研究成果[1-3]吻合，高低空三支急流是大尺度上升运动维持和水汽输送、辐合的重要系统，此次极端暴雪过程中环流经向度大、低槽南伸明显、槽前偏南风强、低槽移动缓慢等特点是导致极端暴雪发生的基本环流特征。

（2）此次暴雪过程存在3条水汽输送路径，以西北转西南路径的水汽输送贡献最大，输送时间最长（114 h）、厚度最厚（525 hPa），西南路径和西北转西南路径在中层叠加出现，水汽输送和辐合主要出现在700～850 hPa，输入北疆的水汽输送长时间维持在 1～3 g·（cm·hPa·s）-1。低层水汽输送向高层发展并向低层延伸，暴雪区上空的水汽辐合经历了从低层发展，东移过程中水汽辐合层抬升、强度加强，最强降水出现前水汽输送和辐合最强，当水汽输送和辐合层降低、强度减弱，最强降水开始。

（3）天山地形的强迫抬升作用明显，低层700 hPa以下偏西气流进入北疆后转为偏北气流并增强为偏北急流，偏北急流遇天山地形阻挡形成强迫抬升，天山北坡低层辐合和高层辐散的垂直结构使上升运动发展和维持，水汽迅速聚集和抬升，低层冷垫进入北疆有利于中层西南暖湿气流向北输送，这些构成了此次极端暴雪形成的重要机制。

（4）受下游高压脊阻挡高空槽移动缓慢、卫星云图3条中尺度云带不断东移持续影响北疆致使降雪长时间维持，导致极端暴雪的发生。

致谢：中央气象台马学款首席预报员对本文的悉心帮助和指导！