1999—2018 年鲁南地区暴雪天气的影响系统及环流特征

王玉亮，胡顺起

（1.临沂市气象局，山东 临沂276004；2.喀什地区气象局，新疆 喀什844000）

鲁南地区主要包括临沂、济宁、菏泽、枣庄、日照5 地级市、43 县（县级市、区），面积5.05×104km2，占山东近三分之一，人口稠密。鲁南地区地貌大势总体表现为中部高，东西低。东部为起伏缓和的低山丘陵，中部山地突出，西部属华北大平原的一部分。暴雪是鲁南地区冬半年主要气象灾害之一，它经常造成交通运输中断，交通事故频发，房屋、蔬菜大棚坍塌，直接危害人民生命财产安全，气象灾害防御任务繁重。近些年以来，鲁南地区出现多次暴雪高影响天气灾害[1]。2015 年11 月23—24 日，鲁南地区出现特大暴雪天气过程，造成巨大经济损失。多个气象站出现1962 年有气象记录以来11 月的最大积雪深度，兖州市积雪深度最大为32.0 cm。

在暴雪研究方法方面，国内学者多采用诊断方法[2-5]分析暴雪的流型配置、各种物理量场与暴雪落区的关系、动力和热力结构等。一些暴雪研究在高、低空急流对暴雪的维持和加强机制方面进行了深入分析[6-8]，并获得不少新的认识。目前对暴雪研究多集中在单个或多个暴雪个例过程分析方面[9-14]，鲁南地区南临江苏，暖湿气流与北方入侵的冷空气交汇频繁，暴雪过程在山东虽出现较少，但灾害影响和预报难度很大。而针对鲁南地区暴雪研究较少，对环流形势和影响系统分析更少。本文结合历史资料，系统分析鲁南地区暴雪天气在不同影响系统下环流形势演变及对暴雪落区、强度的影响，探索切实可行的暴雪预报方法，以期提升鲁南地区暴雪预报水平和防灾减灾能力。

1 资料和方法

1.1 资料及暴雪定义

利用山东省气候中心提供的1999—2018 年123 个观测站地面逐日降水资料、NCEP 资料（水平网格距为1°×1°，时间分辨率为6 h），20：00 BT 至次日20：00 BT 累积降水量作为日降水，规定全省24 h只要有一个站出现暴雪，就算一个暴雪日；只要有一个暴雪日出现就算一次暴雪过程。若降水过程是纯雪，暴雪就是指24 h 降雪量≥10.0 mm，若“雨夹雪”（雨和雪同时下）24 h 的总量值达≥10.0 mm 且雪深南方≥5 cm，北方≥10 cm 时才算暴雪。山东省灾害性天气预报技术手册规定[15]，局地性暴雪：山东省123 个国家气象观测站，≤5 个站出现暴雪；区域性暴雪：山东省123 个国家气象观测站，6～29 个站出现暴雪；大范围暴雪：山东省123 个国家气象观测站，≥30 个站出现暴雪。本文局地性、区域性和大范围暴雪按以上标准进行统计。

1.2 影响系统的定义

鲁南地区暴雪的影响系统主要有回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋。

回流暴雪是指从东北平原南下的冷锋过境转东—东北风后产生的降水，属于锋后降水，对流层低层冷空气先从东北地区回流影响降水区域，形成冷空气垫，对流层中高层的西南暖湿气流沿着冷垫爬升，水汽凝结形成降雪。中纬度地区700 hPa 有中支槽和南支槽存在，山东处于槽前，受西南风影响。如果中支槽在东移过程中跟南支槽合并发展，可产生大范围回流暴雪。根据500 hPa 环流形势将回流暴雪分为高纬低压带型和两槽一脊型。

高纬低压带型回流暴雪：（1）低压带或低涡位于（50°～65°N，75°～130°E）。（2）乌拉尔山附近（50°～70°N，50°～70°E）有高压脊。（3）河套地区附近（35°～41°N）有低压槽。

冷空气在低涡附近堆积，乌拉尔山到贝加尔湖以北的中西伯利亚地区一般为阻塞高压，鄂霍次克海到西西伯利亚东部总体为一横槽，高纬度以经向环流形势为主。中纬度环流平直，河套地区附近有中支槽在东移过程中与南支槽合并发展，鲁南地区处于槽前受西南风影响。随着阻塞高压崩溃，横槽转竖南压，强冷空气南下影响鲁南地区，常伴有大幅降温和暴雪天气过程。

两槽一脊型回流暴雪：（1）乌拉尔山附近（50°～70°N，50°～70°E）有低压槽或低压；（2）贝加尔湖地区及以西（50°～65°N，75°～100°E）有高压脊；（3）贝加尔湖以东（45°～60°N）范围内维持低压槽或低压。

河套地区附近有中支槽（35°～41°N，100°E 附近）在东移过程中与南支槽合并发展，鲁南地区处于槽前，受西南风影响。随着地面从渤海回流冷空气的加强，鲁南地区降水逐渐开始。

江淮气旋暴雪是指产生于长江和淮河之间的气旋。江淮气旋暴雪发生次数多、范围广、强度大，是造成鲁南地区暴雪的主要天气系统之一。

切变线暴雪产生于鲁南地区，是受切变线影响形成的暴雪。

低槽冷锋暴雪是鲁南地区频次最高的影响系统，高空为低压槽，地面为冷锋，500 hPa 以下各层低槽几乎重合。

2 暴雪年平均日数空间分布

从近20 a（1999—2018 年）暴雪年平均日数分布来看，山东半岛北部（含冷流暴雪）和潍坊的西部山区暴雪日数最多，达到了1.0 d。鲁西南地区暴雪出现最少，年平均暴雪日数一般在0.3～0.4 d；鲁东南地区年平均暴雪日数一般在0.4～0.6 d（图1a）。

图1 山东省123 站暴雪年平均日数空间分布

对比过去38 a（1971—2008 年）的年平均暴雪日数分布（图1b）发现，鲁南地区年平均暴雪日数减少明显。鲁西南地区的年平均暴雪日数由过去38 a（1971—2008 年）的0.5～0.6 d，减少到近20 a（1999—2018 年）的0.3～0.4 d；鲁东南地区由过去38 a 的0.8～1.0 d，减少到近20 a 的0.4～0.6 d；临沂市东北部山区近20 a 年暴雪平均日数1.0 d 的中心消失。

3 四类暴雪影响系统及暴雪过程统计

3.1 四类暴雪影响系统的时空分布特征

1999—2018 年间，鲁南地区共出现25 次暴雪过程。产生鲁南地区暴雪的主要影响系统可分为4类，按照发生频次从多到少依次为：回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋（表1）。回流形势是产生鲁南地区暴雪次数最多的天气系统，20 a 间共发生13次，占总次数的52.0%，11 月可以产生大范围回流形势暴雪。江淮气旋暴雪6 次，占总次数的24.0%，多产生大范围暴雪，降雪持续时间长，降雪量大，一般雨雪共存，降水相态复杂。切变线暴雪4 次，占总次数的16.0%，多产生区域性暴雪。低槽冷锋暴雪发生概率较低，为局地性暴雪。

表1 鲁南地区1999—2018 年4 类影响系统的月分布 次

在25 次暴雪过程中，山东范围内影响鲁南地区的大范围暴雪过程有9 次，区域性暴雪8 次，局地性暴雪8 次。产生大范围暴雪的影响系统或形势仅有回流形势和江淮气旋，以回流形势最多。区域性暴雪多由回流形势产生，其次是江淮气旋和切变线。

从鲁南地区暴雪发生的时间来看，11 月至次年3 月，各月均可产生暴雪，但3 月仅发生过2 次暴雪过程。各月的影响系统有所差异，11 月仅产生回流形势暴雪。

3.2 四类影响系统的过程统计

针对鲁南地区1999—2018 年回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋（表2~4）四类不同影响系统，统计分析了暴雪过程的暴雪站数、降雪区域、最大日降雪量、暴雪范围和环流分型。影响鲁南地区的回流暴雪次数多，影响大，大范围回流暴雪就出现5 次，且主要出现在11 月（表2）；江淮气旋发生在12 月至次年2 月，以2 月居多，6 次江淮气旋暴雪过程中，有4 次发生在2 月（表3）；切变线暴雪出现4次，鲁南地区切变线暴雪降水量自南向北减少（表4），降雪前2～3 d 有一次较强冷空气影响山东，导致前期降温明显，气温较低，由此产生降雪；低槽冷锋暴雪出现2 次，都发生在12 月，且都为局地性暴雪。

4 回流暴雪的环流特征

4.1 鲁南地区回流暴雪天气模型

表2 鲁南地区1999—2018 年回流暴雪过程统计

表3 鲁南地区1999—2018 年江淮气旋暴雪过程统计

表4 鲁南地区1999—2018 年切变线和低槽冷锋暴雪过程统计

回流降水最显著的环流特征是：“下东北、上西南”，即700 hPa 以上为西南气流，925 hPa 以下为东北气流，850 hPa 为转向层，有时为东北风（通常为一般性降雪过程）有时为东南风（通常为暴雪过程），以此构建鲁南地区回流暴雪天气模型（图2）。500 hPa 天气图上，亚洲中纬度环流平直，锋区一般分为两支：北支在40°~45°N 之间，南支在30°N 附近；两支锋区上都有低槽，北支槽振幅小而平浅，南支槽振幅大而深厚。产生暴雪的天气形势中，700 hPa 天气图上，从长江中游至山东省存在强西南低空急流，风速一般在16 m/s 以上，山东省各探空站比湿为3～5 g/kg；850 hPa 存在弱低压环流或偏北风与东南风之间形成的倒槽，山东省中西部为东北风，东部为东南风，有时候东南风可到达鲁西北地区。

4.2 大范围回流暴雪和局地回流暴雪典型个例

大范围回流暴雪和区域型暴雪的天气形势高低空配置类似，但与局地回流暴雪的天气形势高低空配置有较大差异，主要表现在700 hPa 和850 hPa，因此重点分析大范围回流暴雪与局地回流暴雪的差异。

4.2.1 大范围回流暴雪

选取2009 年11 月11—12 日和2015 年11 月23—24 日（图3）为典型的大范围回流暴雪天气过程。大范围回流暴雪是北支槽、中支槽和南支槽共同作用的结果，持续时间长，降雪量大。

图2 鲁南地区回流暴雪天气模型

500 hPa 天气图上，3 支槽发展明显，东移过程中同位相叠加，产生经向度大的环流形势，如果冷空气强，在北支槽上可产生低涡。700 hPa 天气图上，发展东移的中支槽与南支槽同位相叠加，使100°E以东的环流经向度加大，山东下游110°～120°E 之间发展为较强的高压脊，高压脊延伸至东北地区，脊后槽前西南暖湿气流强烈北上，到达山东全省，西南风速可达16～20 m/s。由于高压脊的稳定存在，使得脊后低槽移动缓慢，槽前低空急流为强降雪提供了充足的水汽，导致降雪持续时间长，降雪强度大。暴雪大多位于700 hPa 西南急流核的下风方的风速辐合区内，700 hPa 转为西北气流后，降雪过程结束。850 hPa 天气图上，河套西部、东北地区（或黄海）各有一个高压或反气旋环流，两高或反气旋环流之间的东北风与东南风形成风向辐合，通常东北风区域为降雪，东南风较大的区域为降雨（图4）。925 hPa 以下为一致的东北风，从高纬度回流的冷空气垫有利于上升气流的发生发展和维持。

4.2.2 局地性回流暴雪

影响鲁南地区的局地性回流暴雪出现4 次，2001 年12 月4—5 日的降雪过程为局地回流暴雪典型个例，全省只有5 站暴雪，5 日郯城最大降雪量为25.4 mm（图5）。局地回流暴雪一般发生在500 hPa 亚洲中纬度环流平直形势下，东亚地区无明显高压脊；700 hPa 上中支槽不明显，或中支槽与南支槽未合并，因此槽前西南低空急流仅影响到山东部分地区，如鲁南或鲁西北；相应925 hPa 上山东区域为小高压或东北气流，无东北风与东南风的辐合。

由于此型暴雪在山东省下游地区无高压脊发展，系统移速较快，降雪持续时间短。在这种形势配置下，一般降雪范围小，且只产生局地暴雪。

5 江淮气旋暴雪的环流特征

5.1 典型个例

产生鲁南地区暴雪的江淮气旋多产生大范围雨雪及大风天气，有时候伴有冻雨、雷电、冰雹等。2005年2 月14 日暴雪过程（图6）是典型的江淮气旋暴雪。其环流形势特征是：北支槽和西南涡结合，冷锋进入地面倒槽与暖锋相接产生的气旋。500 hPa 高原低槽与北支槽合并发展东移，700 hPa 西南涡与北支槽结合，地面河西冷锋进入西南倒槽与暖锋相接产生气旋，因高空涡度平流、温度平流和潜热释放对气旋发展都有较大贡献，故气旋发展强烈。各层的环流形势特点为：①北支槽与南支槽合并。500 hPa上，青藏高原有南支槽，巴尔喀什湖附近有北支槽，二者合并东移。②北支槽与西南涡结合。700 hPa上，有西南涡与北支槽结合，槽后冷空气侵入低涡后部，使得气旋强烈发展。③西南低空急流的建立。700、850 hPa 上，西南涡前部的西南风增大形成一支低空急流，这支急流在东移过程中不断加强北上，其暖湿气流与西南涡后部入侵的冷空气汇合，锋区加强。④冷锋进入倒槽后产生地面气旋。北支槽与西南涡结合后，地面冷锋南下进入倒槽后部与暖锋相接，槽前正涡度平流使地面减压，气旋强烈发展。

5.2 江淮气旋降雪开始与结束时的环流特征

江淮气旋形成前，鲁南地区先出现地面倒槽，当地面转为东北风，低空急流发展北上，700 hPa 西南急流或850 hPa 东南急流到达鲁南时，降水开始。

图3 2015 年11 月24 日08 时BT 高空和地面环流形势

图4 850 hPa 位势高度场、温度场和风场

图5 2001 年12 月4 日20 时BT 高空和地面环流形势

降雪结束与否取决于高低空系统的配置，通常在500 hPa 槽过境前后，地面由东北风转为西北风，降雪结束；如果高空槽后倾明显，在700 hPa 槽过境转西北风后，500 hPa 槽未过境槽前西南气流很强，则降雪仍可持续几个小时，但此时降雪强度会大大减弱；如果500 hPa 槽略有后倾，则700 hPa 槽过境后，降雪很快就结束。当江淮气旋东移至126°E 以东（接近朝鲜半岛），鲁南地区降雪结束。

6 切变线暴雪的环流特征

暖切变线一般出现在850 hPa 上，有的过程700 hPa 也可见到切变线，但比850 hPa 的弱。

2003 年3 月5 日的降雪是典型的暖切变线暴雪过程。500 hPa 上，亚洲中低纬度为纬向环流，高原槽东移至河套南部地区，槽较浅，120°E 附近为弱脊控制。

700 hPa 上，切变线南部有西南低空急流，等温线密集，而河套至华北地区则等温线稀疏；暖切变线延伸至鲁南。850 hPa 上，切变线南侧有一支来自东海的东南低空急流抵达鲁南，急流轴上风速最大达16 m/s；华北冷锋锋区很弱。地面图上，鲁南地区为东北风。在这种环流形势下，东南低空急流输送的暖湿空气沿近地面冷垫爬升产生降雪。

图6 2005 年2 月14 日08 时BT 高空和地面环流形势

单纯的暖切变线降雪过程，因无北支槽配合，没有明显的冷空气，西南涡东移时地面无气旋生成，故不伴有大风和明显降温。其降雪往往是因为前期先有较强冷空气入侵降温。

7 低槽冷锋暴雪的环流特征

低槽冷锋降雪次数虽多，但是一般降雪量较小，少有暴雪出现。1999—2018 年间，鲁南地区只有2次低槽冷锋暴雪过程。一次暴雪过程仅有2～3 个站发生暴雪。降雪量小、局地性是低槽冷锋暴雪的主要特点。低槽冷锋暴雪过程中，500 hPa 以下各层低槽都比较明显，且各层槽几乎重合。降雪发生在槽前，槽过则降雪过程结束。

8 结论

分析1999—2018 年鲁南地区近20 a 暴雪天气过程的特征、环流形势及影响系统，发现：

（1）近20 a 鲁南地区暴雪过程明显减少。鲁西南地区年平均暴雪日数由过去38 a（1971—2008年）的0.5～0.6 d（杨成芳，2013）减少到近20 a（1999—2018 年）的0.3～0.4 d，鲁东南地区年平均暴雪日由过去38 a 间的0.8～1.0 d（杨成芳，2013），减少到近20 a 的0.4～0.6 d。

（2）1999—2018 年，鲁南共出现了25 次暴雪过程。产生鲁南暴雪的主要影响系统可分为4 类，按照发生频次从多到少依次为：回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋。

（3）回流暴雪出现次数最多，大多为大范围回流暴雪，常发生在11 月，灾害重、影响大。回流暴雪形势分为高纬低压带型和两槽一脊型。

（4）江淮气旋暴雪主要发生在2 月，是鲁南所有降雪影响系统中相态最复杂的。鲁南地区通常“先雨后雪，南雨北雪”，往往先倒槽降雨，后转为回流形势降雪。并揭示了江淮气旋降雪开始与结束时的环流特征。

（5）切变线暴雪降水量自南向北减少，以山东省区域性暴雪为主。

（6）低槽冷锋暴雪特点是降雪量小、局地性。500 hPa 以下各层低槽都比较明显，且各层槽几乎重合。降雪发生在槽前，槽过则降雪过程结束。