豫西一次致灾暴雪天气诊断分析

许方璐 陈红霞

摘 要：利用常规气象资料和NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析资料，从天气形势、物理量场等方面分析了2018年1月4日豫西地区暴雪的产生机理。结果表明：这次暴雪属于典型的南支槽前西南急流配合地面东路冷空气共同作用的结果;中低层正涡度、高层负涡度，涡度带随高度向北倾斜，散度场上中低层辐合、高层辐散，这种配置有利于上升运动的发展和维持，为暴雪的产生提供了动力条件;中低层的水汽通量散度、上游水汽辐合区的强度和移动方向对降雪落区和强度预报有一定的指示意义;豫西上空有明显的锋生带自北向南移动，在南部的稳定维持有助于暴雪的产生，与暴雪带对应较好;锋生函数主要受水平散度项的影响，水平风场的辐合作用既有利于锋生，又有利于南方暖湿气流汇聚到暴雪区，暖湿气流沿锋面倾斜上升有助于暴雪的产生。

关键词：暴雪;西南急流;水汽通量散度;锋生函数

中图分类号：P458.121.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0129-06

Abstract： Using conventional observations and NCEP CFSv2 global 0.5°×0.5° final-analysis data， the circulation feature and physical quantity field of a heavy snowfall event in Luoyang on January 3 in 2018 were analyzed. The results show that this heavy snowfall event in Luoyang belonged to typical transverse trough circulation background field， the conversion of transverse trough into perpendicular trough would guide cold airflow into Henan. The relative vorticity was positive in the middle-low troposphere and negative in the upper troposphere. The relative vorticity band tilted towards the north in the vertical direction. The vertical structure of convergence at low level and divergence in upper level caused to persist increase of ascending motion， thus provided dynamic condition for heavy snowfall. The moisture flux divergence field in the middle-low troposphere had better implications of the areas and strength of heavy snowfall. The frontogenesis band had moved from north to south over Luoyang， the stable maintenance of frontogenesis in the south of Luoyang was conducive to the development of heavy snowfall. The frontogenesis band had a good prediction of the heavy snowfall areas. Frontogenesis function was mainly affected by the divergence term. The convergence of horizontal wind field was conducive to frontogenesis and moisture convergence， thus warmer and wetter airflow tilting upward along the front could be conducive to the development of heavy snowfall.

Keywords： heavy snowfall;transverse trough;moisture flux divergence;frontogenesis function

豫西地處河南省西部，为秦岭东延的余脉，多山区和丘陵。暴雪是豫西山区冬季主要的灾害性天气之一，常常伴随着寒潮、大风、低温等天气，严重影响交通、运输和工农业生产，给国民经济和人民财产造成巨大损失。对于暴雪天气，欧美一些研究指出，暴雪多与温带气旋和暖湿输送带有关[1-2]。在日本，研究者认为降雪多与东亚大陆出海后发生发展的低压系统有关[3]。我国对暴雪的研究也取得了一定的成就。刘志勇等[4]对湖北一次区域性暴雪进行研究，并指出高空东移小槽、中低层切变线和地面冷锋是其主要影响系统。王新敏等[5]根据暴雪的天气形势特征，将河南省暴雪分为横槽型、不稳定小槽发展型和两槽一脊三种类型。孙仲毅[6]等通过对河南北部暴雪天气的物理量诊断分析指出，中低层正涡度、中高层负涡度结构的稳定维持为降雪提供了动力条件。冷暖空气稳定对峙是造成暴雪持续、增幅的重要原因之一。杜丽娅[7]从雷达速度图分析暴雪过程时指出，中层西南急流和超低空东北风急流的长时间维持是暴雪产生的重要原因。李津等[8]利用锋生函数、能量收支和水汽输送等物理量，深入探讨了暴雪形成的原因。邵宇翔等[9]利用湿位涡分析了斜压项MPV2与降雪落区的对应关系。本文利用高分辨率的再分析资料，通过对物理量场的演变，分析豫西地区暴雪发生、发展的机理及与暴雪中心的对应关系，提出预报着眼点，以期提高对此类暴雪预报的准确率，更好地为政府提供科学的决策依据。

1 降雪实况及主要灾情

2018年1月3—4日，河南省西部出现了一次明显降雪天气过程，过程降雪量如下：东边的偃师最小，仅有5.7 mm（雪深6 cm），南边的嵩县最大，为25.7 mm（雪深21 cm），积雪深度范围在6～21 cm;4日降雪量（3日20：00至4日20：00）除偃师外，其他县在10.3～17.8 mm，达到暴雪，暴雪中心在偏南山区的栾川-嵩县-汝阳一带。降雪集中时段在3日17：00至4日08：00，其中，6 h最大降雪量出现的栾川，为8.8 mm，时间为4日02：00—08：00，3 h最大降雪量出现在嵩县，为7.5 mm，出现时间为3日17：00—20：00。对于降雪强度，南边明显强于北边且持续时间较长。

此次降雪对交通运输、工业生产、设施农业及居民生活等带来较大影响和危害。据民政局救灾办统计，嵩县、洛宁、栾川、灵宝4个县19个乡镇365人受灾，严重损坏房屋、大棚数间，造成直接经济损失282.26万元。

2 大尺度环流背景及影响系统分析

2018年3日08：00，500 hPa上（图略），河套以北贝加尔湖以南为宽广的东西带状的纬向环流，河北省南部到河南省东部为弱高压脊，孟加拉湾到四川盆地再到陕西省南部一线为南支槽前西南急流所控制，河南省西部上空为西南偏西气流;20：00，西南急流加强，恩施风速最大，为46 m·s?1，风速最小的安康也有22 m·s-1。4日08：00，高压脊明显东移到沿海，槽线位于山西省南部、陕西省南部到四川省南部一线，槽前西南急流将充沛的水汽输送至河南省的大部地区。

2018年3日08：00，700 hPa上，西北-东南向的弱高压脊位于河套地区、山西省南部、河南省东部、山东省到沿海一线，新疆有一低涡，西南急流已到长江流域，但10～12 m·s?1的风速辐合带在河南省南部，陕西省南部到河南省西部有东西向弱切变线存在;20：00，高压脊东移，切边线向东伸展，南侧的汉中-卢氏-南阳-郑州一线西南风速为4～8 m·s?1，其上游的宜宾、沙坪坝、恩施、宜昌风速在18～22 m·s?1，存在强的风速辐合。4日08：00，陕西省南部转偏西风，西南急流明显东移。850 hPa始终处贝加尔湖经河套到淮河流域的高压底部一致的偏东气流中。

3日14：00地面图上（图略），在贝加尔湖西南堆积的强冷空气（高压中心1 089 hPa）经河套地区、河南省等地已扩散到长江流域及其以南的广大地区，豫西偏南山区的卢氏、灵宝、栾川、嵩县等地的温度降至-4 ℃，降温幅度达6 ℃，加压8 hPa，河南省上空转受一致的偏东风，说明有冷空气补充扩散南下。11：00—14：00豫西南部山区首先出现小雪，17：00开始出现大范围降雪，自南向北展开。降雪期间强冷空气中心位置略有东南移，始终维持东北到东风。4日上午降雪逐渐结束。

综上所述，高空南支槽、中层切变线及地面东路强冷空气是此次暴雪的主要影响系统;高空西南急流在豫西南部形成的强辐合带及地面东风辐合对豫西南部暴雪有较大贡献。

3 物理量诊断分析

NCEP CFSv2高分辨率（0.5°×0.5°）再分析资料被广泛用于数值模式及天气、气候的诊断分析研究中[10]。下面利用再分析资料对此次暴雪的动力、水汽和锋生函数等物理量场进行分析。

3.1 涡度和散度

由强降雪时刻涡度的经向和纬向垂直剖面图（见图1）可以看出，洛阳上空（112.27°E，34.41°N，下同）在700～300 hPa正负涡度区交替出现，垂直方向上涡度带随高度向北倾斜;由垂直方向合成风矢量可以看出（见图1），700 hPa以下为东风，以上为西风，高空西风分量明显大于低层东风分量，洛阳上空有倾斜上升运动，中高层的上升运动明显强于低层。同样，由强降雪时刻散度的经向和纬向垂直剖面图（图略）也可以看出，500 hPa以下为辐合区，以上为辐散区，垂直方向上辐合辐散带随高度也向北倾斜。

综上所述，洛阳上空中低层正涡度区、高层负涡度区及强上升运动位于对流层中高层的这种配置，可促使中低层气旋性涡度环流增强。散度在中低层辐合，高层辐散也有助于上升运动的稳定维持，从而为暴雪的产生提供动力条件。

3.2 水汽通量散度

暴雪過程只有动力抬升条件还不够，还需要充沛的水汽供应。水汽通量散度可以用来诊断强降水的落区和强度。水汽通量散度值为正表示有水汽流失，为负表示有水汽积聚[11]。

分析500～600 hPa水汽通量散度的时间演变（见图2）可以看出：3日08：00—14：00，洛阳上空大部分地区为正的水汽通量散度，与南支槽前的西南气流受到高压脊阻挡有一定的对应关系，但陕西省南部到南阳西部一带有负的水汽通量散度，影响栾川和嵩县出现小雪;对比分析3日20：00、4日02：00水汽通量散度的演变，洛阳暴雪正是由于上游大范围的水汽辐合东移至洛阳上空所致，且中心强度明显增强，由-3.47×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1增大到-9.42×10?6 kg·m?2·s?1·hPa?1，充分说明这一时段降雪最强。4日14：00，洛阳转受西北气流控制，水汽通量散度为正值区，暴雪结束。

综上所述，分析上游对流层中低层水汽通量散度的强度和移动路径对于预报洛阳地区的降雪落区和强度有很好的指示意义。

3.3 假相当位温和锋生函数

假相当位温（[θse]）是能够综合反映温度和湿度的物理量，可用它来分析大气的温湿状况。[θse]高值区代表高温、高湿度区，低值区代表低温、低湿区[12]。从强降雪时刻假相当位温的垂直剖面图[见图3（a）]可以看出，洛阳上空为等假相当位温密集带且随高度向北倾斜，有锋面存在。对流层低层（700 hPa以下，下同）为低值区，对流层中层（500～700 hPa）为高值区，[?θse/?<0]，说明对流层中低层为大气稳定层结。从温度的垂直剖面[见图3（b）]也可以看出，洛阳上空对流层低层有强冷空气堆积，近地面层的温度在-5 ℃以下，有利于降雪的产生。

为了分析洛阳上空锋面发生、发展机理，引入锋生函数F，其表达式为[13-14]：

式中：[F1]、[F2]、[F3]和[F4]分别为非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项和垂直运动有关的倾斜项。选取具有代表性的600 hPa水平辐散项[F2]和水平变形项[F3]进行分析。

从豫西暴雪过程锋生函数及其各项的时间演变情况（见图4）可以看出，3日20：00，山西南部到豫北及豫西南部到豫南分别有总锋生函数正值带，说明有锋生作用，豫西大范围降雪开始，水平散度项主要作用于豫西南部。4日02：00为降雪最强时刻，总锋生函数正值带位于陕南、豫西南部到漯河一线，正值明显增大，水平散度项[F2]的贡献最大，南部为锋生区，与暴雪区有很好的对应关系。4日08：00，强降雪维持，南部仍然为强的总锋生函数正值带，有强烈的锋生作用。4日14：00位洛阳降雪结束时刻，总锋生函数正值带快速向东南移动到信阳地区，洛阳处于锋后，水平散度项在豫西上空基本为零，水平变形项为弱的正值，锋生作用很弱。

从以上分析可知，暴雪过程中豫西上空为假相当位温密集带且随高度向北倾斜，有锋面存在;干冷空气从对流层低层侵入，起到了冷垫的作用。强锋生带在豫西南部的稳定维持有助于暴雪的产生，与暴雪带有很好的对应关系;暴雪过程中，锋生函数主要受水平散度项的影响;水平风场的辐合作用既有利于锋生，又有利于将南方暖湿气流汇聚到暴雪区，暖湿气流沿锋面倾斜上升利于暴雪的产生。

4 结论与讨论

①此次暴雪为典型的横槽转竖引导冷空气南下和来自孟加拉湾南支槽前西南气流在洛阳上空交汇所致，同时槽前暖湿气流受低层强冷空气（一致的东风）的抬升利于降雪的产生。

②洛阳上空中低层正涡度高层为负涡度，正负涡度带随高度向北倾斜;700 hPa以下为东风，以上为西风，西风分量明显强于东风分量，气流呈倾斜上升运动;散度场特征表现为中低层辐合，高层辐散。上述配置有利于上升运动的稳定维持，为暴雪的产生提供了动力条件。

③分析对流层中低层的水汽通量散度，判断上游水汽辐合区的强度和移动情况，对下游降雪落区和强度有较好的指示意义。水汽通量散度的演变过程解释了预报员过早预报暴雪的原因，高压脊的阻挡导致水汽无法北抬到洛阳上空，暴雪延迟。

④洛阳上空假相当位温密集带随高度向北倾斜，有锋面存在;干冷空气从对流层低层侵入，起到了冷垫的作用;明显的锋生带自北向南移动，锋生带在南部的稳定维持有助于暴雪的产生，锋生带与暴雪带有很好的对应关系;此次过程锋生函数主要受水平散度项的影响，水平风场的辐合作用既有利于锋生，又有利于将南方暖湿气流汇聚到暴雪区，暖湿气流沿锋面倾斜上升有助于暴雪的产生。

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