中卫降雪天气过程成因诊断分析

杨苑　钱倩霞　白春燕

摘 要：利用常规观测资料、MICAPS实况资料及NCER/NCAR 1x1°逐6h再分析资料对宁夏中卫2017年2月20日区域性大雪、局地暴雪的成因进行了诊断分析。结果表明：此次降雪是在中高纬“两槽一脊”、“东高西低”的有利降水环流形势下产生的;在200hPa高空急流辐散场，700hPa低空急流发展强盛，暖湿气流沿低层冷垫爬升，切变线辐合上升强烈，850hPa东西两路冷空气配合华北高压底后部回流带来的暖湿空气，形成气旋式切变;0℃以下的暖舌，地面锢囚、回流形势、倒槽系统的综合配置影响下，非常利于降雪天气的发生;主要降水时段开始时，高空辐散、低空辐合的不稳定层结及强盛的上升运动为此次降雪过程提供了动力条件和不稳定条件;降水前各层假相当位温明显增强或有高能舌存在，南部能量值较高的地区是本次降雪量级较大的区域;而海原南部比湿达到4g·kg-1，也为其暴雪的产生提供了充沛的水汽。

关键词：暴雪;高低空急流;锢囚;回流

中图分类号：S16

文献标识码：A

2016年秋冬季中卫市降水明显偏少，各地无降水日数超过100d，加之气温持续偏高，南部山区各地土壤失墒明显，旱情形势严峻，对农、牧、林业生产带来较大的不利影响。2017年2月20日下午—21日上午，中卫市出现了一次明显的降雪天气过程，最大降雪量出现在海原县红羊乡，为12.1mm，量级达到暴雪，海原中南部达到大到暴雪量级，沙坡头区兴仁镇及其以南、中宁东部地区普降大雪。此次区域性大雪、局地暴雪过程，持续时间长、降雪强度大、范围广，有效缓解了兴仁（含）至海原地区较重的旱情。因此，有必要对此次降雪过程成因及其影响天气系统发生发展的物理机制进行分析探讨，总结当地降雪量级达到大雪、暴雪的指标，为中卫市降雪天气的预报及防灾减灾提供一定参考依据。目前，国内科研工作者对其它地区降雪天气成因及其产生的灾害开展了大量有成效的研究[1-5]，有从环流型、水汽场入手的，有从中尺度切变线发生、发展的动力演变特征入手的。宁夏也开展了一些卓有成效的研究，施新民等[6]研究了2006年1月19日宁夏北部暴雪成因;贾宏元等[7]对宁夏2002年初冬一次大暴雪天气过程成因进行了分析。本文将利用2017年2月20—21日常规观测资料、MICAPS实况资料及NCEP/NCAR 1x1°逐6h再分析资料，应用天气动力学理论，参照前辈的研究思路与方法，对此次降雪天气过程的环流背景、影响系统及物理量场进行综合分析。

1 实况

2017年2月20日15∶00—21日11∶00，中卫市出现一次明显的降雪天气过程，降雪相态为纯雪，过程降雪量0.1～12.1mm，沙坡头区兴仁及其以南、中宁东部普降大雪，海原中南部达到大到暴雪量级，其中海原红羊出现暴雪（12.1mm），其它地区出现小到中雪。此次降雪天气过程的主要特点是持续时间长、强降雪范围大。雪量自西至东、自北至南呈阶梯式增加，暴雪主要集中在海原南部，有明显的大尺度系统的天气背景。根据自动站监测，强降雪主要集中的时段为20日傍晚至夜间（表1）。

2 形势背景及影响系统分析

2.1 500hPa环流背景

2017年2月19日20∶00，500hPa亚欧中高纬度为“两槽一脊”形势，槽分别位于东北平原至华北北部及巴湖北侧，脊位于两槽之间的蒙古国，宁夏处于槽后脊前的西北气流中，此时温度场落后于高度场，槽脊发展，经向度增大，华北槽位置变化不大，巴湖北侧槽底不断有冷空气扩散东移。20日08∶00，南支槽建立，宁夏处于南支槽前的西南气流。20日20∶00，巴湖北侧冷槽东移了10～15个经距，槽前蒙古国为宽广的近乎平直的西风带，但槽底部扩散冷空气由新疆进入我国，另在内蒙东部地区形成一个弱脊，阻挡冷空气东移，在青藏高原东部上空停滞，导致南支槽更加深厚，且槽前脊后西南气流加大，暖湿气流向宁夏输送强度增强，宁夏仍处于南支槽前的西南气流中。至此有利于宁夏出现降水的“东高西低”形势建立。

2.2 700hPa、850hPa影响系统分析

叠加700hPa位势高度场与流场可以看出，2月19日20∶00，700hPa内蒙西部、宁夏处于一个“歪脖子”高压脊中，南疆、青藏高原东部有一低压区，在新疆、西藏、青海交接处形成了一个低涡。但“歪脖子”高压处于冷平流中，不利于其维持。20日08∶00，歪脖子高压减弱，移至华北，低压区向东南移动，范围增大，南支槽建立，而低涡东移至青海扎陵湖西侧，且增强了4hPa。20日20∶00（图2左），西南低空急流建立，将孟加拉湾的水汽向北输送，与巴湖北侧槽扩散东移的冷空气在河套西侧形成切变。低涡沿东南引导气流移至宁夏中南部与四川、青海、西藏交界处之间。

从图2（右）可看出，近地面层上有3股气流影响宁夏，华北高压底后部回流带来的偏东暖湿气流、从蒙古带来的西北气流（西路冷空气）、华北高压后部偏东气流（东路冷空气）。这3股气流在甘肃南部、宁夏西吉、泾源西部一带交汇形成一明显的气旋式辐合线。另外20日20∶00，700hPa巴湖北部槽底扩散而来的偏北气流与来自孟加拉湾的强盛西南暖湿气流在E105°附近形成气旋式切变。从流场来看，低层形成了较强的辐合区，而中卫市位于宁夏西部，处于辐合区影响范围，再加上高层的辐散区，在上空造成了明显上升运动。

对照图3来看，850hPa上寧夏处于明显的暖舌中，且温度在-4～0℃，而700hPa暖湿气流是沿低层冷垫爬升，因此此次降雪相态为纯雪。

2.3 地面影响系统分析

从图4可以看出，2月20日20∶00，宁夏处于明显的锢囚形势中，倒槽从四川中部延伸到内蒙中部，回流形势明显，受前者共同影响，宁夏出现降雪。至21日08∶00，冷空气侵入宁夏，锢囚形势崩溃，宁夏处于均压场中，降雪范围及量级均显著减小，直至停止。

2.4 急流

2月20日20∶00 700hPa（图略），N36.5°以南形成1支风速≥12m·s-1的西南低空急流，甚至部分地区风速达20m·s-1以上，在宁夏南部有气旋式辐合。该西南低空急流不仅将孟加拉湾水汽不断向北输送，为区域性降水提供了持续充足的水汽条件，且提供了上升运动条件。而在200hPa（图1），有2支强盛的风速≥30m·s-1的高空急流，1支位于青藏高原N33.5°附近，呈东西走向，急流核风速达到70m·s-1以上，另1支位于贝湖至华北、东北地区，呈西北-东南走向的倾斜状，急流核风速达到60m·s-1以上，宁夏处于2支高空急流包围的西南风风速较小区域，即夹在青藏高原急流核的左前方与华北东北地区高空急流核的右后方之间。叠加200hPa超过30m·s-1的速度场及散度场，20日08∶00青藏高原急流的前端在E96°，至21日14∶00其东移了18个经度，且急流核南下至N30°附近，终与东北一带的急流汇合。此时宁夏风速≥30m·s-1，其中惠农石炭井≥35m·s-1。宁夏在30h内一直处于辐散场，尤其在20日20∶00（图5）中部有一强辐散中心。因此，在2支急流之间的区域存在强烈的辐散上升运动，而对应的低层为辐合上升区，通过高低层环流之间质量与动量的调整，该区域的下方形成1个次级环流，可以促进低层西南急流的形成及上升运动的发展。

综合以上分析，此次降雪是出现在500hPa中高纬“两槽一脊”、“东高西低”的有利降水环流形势下。宁夏处于200hPa高空急流辐散场，700hPa低空急流发展强盛，暖湿气流沿低层冷垫爬升，切变线辐合上升强烈，850hPa东西两路冷空气配合华北高压底后部回流带来的暖湿空气，形成气旋式切变，且处于暖舌中，而宁夏恰处于0℃以下，地面锢囚、回流形势、倒槽系统明显。高低空配置较好，非常利于降雪天气的发生。

3 物理量场特征分析

3.1 比湿

从图6可以看出，在降水开始前到开始降水，比湿从底层到高层都有一个逐渐增大的过程，降水开始前比湿500hPa以下均小于2g·kg-1，到2017年2月20日20∶00，850～700hPa比湿为3g·kg-1，700～500hPa比湿为2～3g·kg-1，可见降水开始时从高层到底层一直维持一个深厚的湿层。到21日08∶00后，比湿值慢慢降低到2g·kg-1以下。从700hPa比湿场（图略）上分析，20日20∶00湿舌覆盖中卫全市，并且南方的水汽输送一直维持，海原南部的比湿达到4g·kg-1，为暴雪提供了充沛的水汽保证。

3.2 动力条件

3.2.1 散度和涡度

低层辐合、高层辐散有利于垂直运动的发展。从图7来看，此次降水中卫市为高层辐散、低层辐合的标准配置。由图分析，2月20日08∶00降水尚未开始，这种低层辐合高层辐散的配置也尚未完全形成，此后辐合、辐散层逐渐深厚，到20∶00 550hPa以下均成为辐合区，550hPa以上均为辐散区，这种对流层中低层辐合、高层辐散的建立，在垂直方向上形成了较好的抽吸效应，使低层动力辐合作用进一步加强，降水也开始出现并逐步加强。

从涡度变化上（图略）来看，降水还未开始前即20日08∶00整层还为负涡度，随着时间推移，负涡度中心和正涡度中心逐步建立，到20∶00在700hPa附近有正涡度中心，而强负涡度区出现在200hPa附近，这也证明降水开始时200hPa存在高空急流与之配合。這种中低层正涡度、高层负涡度结构的稳定维持，加强了高空辐散，低空辐合的不稳定结构，为此次降雪过程提供了动力条件和不稳定条件。并且从涡度的时空分布上来看，20∶00高层南部一直存在1个强的负涡度中心，配合中低层的正涡度中心也正好位于南部，也正是此次降雪南强北弱的原因之一。从中卫涡度时间剖面图（图8）来看，20日20∶00，700hPa左右有1个正涡度中心，中心数值达15×10-5·s-1，对应的高层250hPa左右负涡度中心数值达-6×10-5·s-1，这与前面分析的中卫站有利于降雪发生的散度场时间一致。

3.2.2 垂直速度

当水汽条件具备后，还必须有使水汽冷却凝结的条件，才能形成降水。对降水来说，促使水汽冷却凝结的主要条件是上升运动。从垂直速度空间剖面图上（图9）可以看出，2月20日08∶00降水开始前北部300hPa以下均为上升气流，南部200hPa以下均为上升气流;到20∶00剖面图中显示，上升气流有所加强，上升气流大值区存在于南部地区，这种在南部地区形成的上、下层一致的上升气流，对南部地区出现暴雪十分有利。

3.3 不稳定能量场

假相当位温（θse）是表征大气温度、压力、湿度分布的综合物理量。从2月20日20∶00各层的假相当位温分布图（图10）可以看出，降水前期20日700～500hPa宁夏地区θse明显增强。850hPa、700hPa上均有一向北凸起的高能舌影响中卫市。500hPa上中卫市则是位于高能量中心附近，中心数值达52℃。200hPa高层的θse值由北自南呈递增状态，南部明显高于北部，北部相对低能区是冷空气入侵的一个标志，也促使本次降雪的形成。综合来看，本次降雪过程中卫市自上而下整层均有明显的能量分布，能量较高的区域是本次降雪量级较大的区域。

4 探空资料分析

从附近的银川探空站资料（图11）可以看出，2月20日20∶00银川站400hPa以下近似饱和，湿层深厚，比湿超过了2g·kg-1，有利于降雪天气的发生。而700hPa以下出现了低于0℃的逆温，且与850hPa形势场上的-4～0℃的暖舌相对应，低层气温低于0℃，故而此次降雪相态为纯雪。

5 小结

此次区域性大雪、局地暴雪是基于中高纬“两槽一脊”、“东高西低”的有利环流背景下产生的;高低空急流、切变线、低层0℃以下的暖舌、地面锢囚、回流形势、倒槽等系统配置较好，极其有利于降雪天气的发生，且降雪相态为纯雪;主要降水时段开始时，海原南部比湿达到4g·kg-1，为当地暴雪的产生提供了充沛的水汽;高空辐散、低空辐合及强盛的上升运动为此次降雪过程提供了动力条件;降水前各层假相当位温明显增强或有高能舌存在，能量值较高的地区是本次降雪量级较大的区域;2017年2月2日20∶00银川站400hPa以下近似饱和，湿层深厚，比湿超过了2g·kg-1，700hPa以下出现了低于0℃的逆温，可辅助预报此次降雪相态为纯雪。

参考文献

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（责任编辑 常阳阳）