2018年10月乌鲁木齐暴雪过程锋面分析

李 娜，李如琦，秦 贺，于碧馨，赵凤环

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

暴雪是新疆的主要灾害天气之一。近些年来，国内学者在对降雪天气诊断分析中发现，锋面是暴雨雪常见的天气系统之一，锋面活动中伴有锋生（消）现象，锋生函数作为一个综合性的物理量，既考虑了大气的动力特征也考虑了热力特征，函数大值区与锋区位置重合，可作为诊断锋面强度及时空分布特征的重要指标[1-2]。杨金锡等[3]用梅雨锋生函数公式计算了1981年淮河流域一次静止锋的生消演变过程，指出锋生函数大值带与降雨区配合较好，锋生大值带中也存在多个强中心，锋生过程在降雪天气中具有重要作用[4-6]。对于锋生动力的研究，朱乾根[7]认为，锋生造成水平位温梯度随时间增加，使得热成风平衡破坏，根据地转偏差与加速关系，形成垂直于锋区中暖区上升、冷区下沉的次级环流，励申申等[8]对梅雨锋暴雨过程的诊断分析，认为1991年7月暴雨过程中锋生环流为热力正环流，它与低空急流出口区的横向反环流合并加强了低层上升运动，高空反环流与低层梅雨锋横向环流叠加形成的深厚上升运动是有利的动力学条件。目前，对于新疆暴雪的研究也表明，高低空急流、强锋区、强辐散抽吸及充足的水汽是导致暴雪的必要条件[9-16]，刘晶等[17]对新疆暴雪天气中锋生、锋面特点进行研究，张淑芬等[18]利用假相当位温和锋生函数分析冷暖锋的垂直结构，陈涛等[19]也指出北疆大暴雪过程中地形前暖平流增强伴有清楚的锋生。前期研究为探究新疆锋面暴雪提供了思路和方法，但对锋生过程、锋面结构的认知仍较匮乏。2018年10月17日13时—18日18时（北京时，下同）乌鲁木齐出现了累计降水量35.5 mm的罕见大暴雪天气，锋生过程明显，本文将借鉴前期研究方法和思路，利用常规观测、NCEP/NCAR再分析资料并结合风廓线雷达观测资料的应用，对此次大暴雪的锋生、锋面结构的演变特征进行诊断，分析锋生过程中的动力和水汽条件特征，以期提高对新疆冷锋暴雪的认识，为实际预报提供参考。

1 资料方法及降雪实况

1.1 资料方法

本文使用2018年10月17—18日常规观测资料、0.25°×0.25°NCEP/NCAR每日4次再分析资料，计算暴雪过程中的温度平流、垂直运动、锋生函数及假相当位温等要素，分析暴雪天气中冷锋强度演变及垂直结构、垂直环流等特征，并结合风廓线雷达中（工作频率1280 MHz，波长0.234 m，最大探测高度3～6 km）风、相对湿度的精细观测资料总结锋面特征判识。

锋生是指锋区内温度或位温梯度增强的过程，通常定义锋生函数为：

F＞0 时锋生，F＜0 时锋消[18]。

1.2 降雪实况

2018年10月17 日13时—18日18时，乌鲁木齐出现首场雨转雪天气，主城区累计降水量为35.5 mm（图1a），最大积雪深度20 cm。17日13时开始降雨，很快转为雨夹雪，17时后转雪，至18日18时降雪结束，17日20时—18日20时日降水量为26.1 mm（日降水量历史第三），为大暴雪（新疆降雪标准，日降雪量＞24.0 mm），雪强峰值为2.8 mm·h-1（18日12—13时）（图1b）。

本次大暴雪持续时间长、落区集中、累计雪量大，是“2018年新疆十大气候事件之一”。暴雪导致市区道路拥堵、树枝断裂、大面积停水停电、航班延误，居民生活和出行受到极大的影响。

2 环流形势演变

500 hPa上，16日欧亚范围内为经向环流，欧洲高压脊北伸至70°N，脊顶较历年同期偏北4个纬距，脊前强的北风带引导新地岛冷空气南下在西西伯利亚堆积，冷中心增强至-36℃，西西伯利亚低槽南压至中亚南部35°N，槽底较历年同期偏南10个纬距，中亚槽建立，槽前等温线和等高线密集，锋区增强；17日白天随着欧洲脊东南衰退，中亚槽分裂为南北两段，北段由西西伯利亚迅速东移北上，南段移至巴尔喀什湖至西天山一线并分裂短波东移影响天山北坡，20时乌鲁木齐上空偏南风增强至24 m/s，02时以后短波移出新疆；17日夜间持续的脊前强冷平流输送使南段低槽发展形成闭合冷涡，在乌拉尔山干冷空气南下的推动下东移，18日08时低涡开始影响乌鲁木齐，随后逐渐东移并减弱为槽，20时冷空气主体移出乌鲁木齐（图2）。700～850 hPa，17日20时低槽位于塔里木盆地上空，形成了明显的后倾槽形势，偏南风转为偏北风并增强至10～12 m·s-1，低空偏北急流是大暴雪的触发因子[15]。地面冷高压由巴尔喀什湖附近以偏西路径影响新疆，17日14时冷高压前沿进入天山造成地面加压，冷锋移至乌鲁木齐辖区并维持近30 h。此次强降雪发生在中亚低槽为“后倾槽”环流形势和低空西北气流与中层西南急流叠加的有利环流背景下，低槽、地面冷锋等共同作用。本文将重点通过分析降雪过程中的锋面结构及其演变特征探讨其与强降雪的关系。

图1 2018年10月17日13时—18日18时乌鲁木齐降雪分布（a，单位：mm）及2018年10月17日13时—18日18时乌鲁木齐站逐时降雪量（柱状，单位：mm）、温度（黑实线，单位：℃）（b）

3 冷锋变化及垂直结构特征

3.1 乌鲁木齐的锋生过程

通过分析锋生函数（图3），探究本次冷锋演变特征及其对降雪的作用。降雪前17日08时500 hPa锋区进入乌鲁木齐上空开始出现锋生，由于短波冷空气作用，低层锋区发展，14时700 hPa附近出现锋生，中心值为 0.9×10-14K·（m·s）-1，降水开始。 14—20时锋生不断加强，锋区中心增强（中心值为1.3×10-14K·（m·s）-1） 并抬升至 600 hPa， 锋面伸展至500 hPa附近，小时雨（雪）强增强，均超过 1 mm·h-1。18日02—08时短波东移，乌鲁木齐出现短暂的锋消过程，降雪强度亦随之减弱。18日由于低涡东移冷空气主体影响，乌鲁木齐450 hPa以下出现更强的锋生过程，强锋生区集中在低层，14时700 hPa为锋生中心（1.3×10-14K·（m·s）-1），降雪强度再次加强，13 时雪强达峰值（2.8 mm·h-1），20 时后低槽移出乌鲁木齐，伴随锋消冷锋减弱，降雪结束。此次天气，乌鲁木齐经历了两次锋生过程，锋生时雪（雨）强大。

图2 500 hPa高度场（实线，单位：dagpm）、温度场（虚线，单位：℃）、风场（风羽，单位：m·s-1）

图3 2018年10月17日08时—18日20时乌鲁木齐锋生函数时间—高度剖面

3.2 冷锋的垂直结构变化

经典锋面理论指出，斜压结构的锋区内位温线密集且与等温线正交，锋区基本沿着等位温线的方向，假相当位温θse能够综合表征大气温湿特征[20]，可结合θse场和温度场（T）来确定锋区的位置和垂直结构，沿暴雪区垂直于锋面的87.5°E做θse和T垂直经向剖面（图4）。17日08时等θse线为水平方向分布，垂直梯度大，水平梯度小。14时降雪开始（图4a），北疆低层偏北风和冷空气由于地形强迫抬升，在天山北坡上空形成随高度向南倾斜的等温线密集带，42.5°～43.75°N 区域 600 hPa 以下等 θse线抬升，垂直梯度减小，形成随高度略向北倾斜的密集而陡立的带状区域，在此区域等温线、等θse线密集且正交，为锋区位置。随后冷空气不断在天山北坡堆积和加强，锋区增强，高度伸展至500 hPa，此时乌市锋生且降雪强度增强，16时雪强为2.2 mm·h-1。20时500、850 hPa出现短暂急流区，锋区位于急流右侧，动力、热力条件都加强，θse线密度带再一次加强且与水平夹角变大，锋区的强度和斜压性增强，乌鲁木齐锋强生，小时雪强持续≥1 mm。18日02时后，冷空气减弱，θse密集度减小指示锋区减弱，对应着乌鲁木齐锋消过程，降雪强度减弱。18日08时（图4b），中低层湿冷空气主体到达中天山，天山北坡爬升而后沿南疆暖气团坡面抬升，等温线再次发展成为随高度向南倾斜的密集带，θse线也更加密集陡立，锋区伸展高度至550 hPa，冷锋再次加强并呈带状准垂直分布，上升运动增强，降雪持续。θse的演变特征能够很好地表征乌鲁木齐锋生（消）过程，对降雪（雨）强度预报有一定的指示意义。

3.3 冷锋形成的动力及热力条件

影响锋生的要素不同，如梅雨锋为温度、湿度、风场的共同作用[1]，前文分析锋生时存在明显的温度密集带，温度分布对锋生有重要作用。此次天气过程冷暖空气交汇主要发生在对流层中低层。17日14时700 hPa至地面西北风输送冷平流，在41°～45°N区域堆积形成湿冷垫，中高层偏南气流携带暖湿空气沿湿冷垫爬升至800～600 hPa，乌鲁木齐上空为低层西北气流与中高层西南气流叠加，增强风场辐合及垂直切变，有利于垂直上升运动及冷暖交汇，是锋生有利的动力和热力条件，温度平流梯度、风场辐合、垂直切变区有明显锋生（图5a）。20时700 hPa西北风增强，加强了42°～44°N的风速辐合，冷平流进一步发展至700 hPa，温度梯度大值区和垂直切变也被抬升，热力、动力条件更有利，锋生加强并发展至500 hPa，锋生中心位于冷暖梯度大值带中（图5b）。此次冷锋是温度和风场共同作用，逐渐形成准垂直带状结构。

图4 87.5 °E θse（黑实线，单位：K）、温度（红点线，单位：℃）和锋区边界（粗黑实线）的剖面

图5 87.5°E温度平流和锋生函数剖面（a，b）和700 hPa温度平流和锋生函数分布（c，d）

锋生中心位于700 hPa温度平流密集带，利用700 hPa温度平流及锋生函数，直观分析此次冷锋的演变特征。17日14时冷空气前端扩散东移，一支冷平流（中心值为-9×10-5K·s-1）进入伊犁州，将暖平流推至中天山，温度平流密集区为锋生区（2×10-14K·（m·s）-1），此时东北—西南向冷锋位于伊犁州，锋生中心伊宁雪强达1.3 mm·h-1。14—20时中亚长波槽分裂东移冷空气补充，700 hPa冷平流中心增至-12×10-5K·s-1，中天山温度平流梯度加强，锋生值为3.5×10-14K·（m·s）-1，锋面发展，乌鲁木齐位于最强锋区（图5c），雪（雨）强度大，小时雪（雨）强≥1 mm·h-1，6 h降水量达9.4 mm。18日02—08时，冷暖交汇剧烈区位于伊犁州，锋生正值中心（3.5×10-14K·（m·s）-1）位于新源县附近，出现强降雪（峰值为1.0 mm·h-1），中天山冷平流减弱，乌鲁木齐上空锋生值转为负，锋面和降雪减弱。18日08—20时，冷涡东移北上，冷空气主体东移与中天山相对更暖的空气团再次对峙，锋区两侧温度梯度再度增大，锋生增强，冷锋发展（图5d），小时雪强再次≥1 mm·h-1，降雪量为17.8 mm。

综上所述，乌鲁木齐经历了两次锋生过程，锋生时雪强大，冷锋在维持过程中，坡度增大，斜压性增强，为降雪强度的增大提供了非常有利的动力条件。低层冷湿空气在地形和低层暖空气共同强迫下爬升至600 hPa，对锋生提供热力、动力条件，700 hPa温度平流密集区的演变表征着锋面位置、强度变化，锋生中心对降雪中心预报有一定指示意义。

4 暴雪区的动力和水汽条件

4.1 垂直运动与次级环流

根据动力锋生理论，由于地转偏差在锋区内外分布不均，低层锋区暖边界处有地转偏差辐合，相应上空有地转偏差辐散，引起上升运动，与之相反，冷边界高层有地转偏差辐合，低层有地转偏差辐散，引起下沉运动[19]。为了分析暴雪过程中冷锋两侧的垂直环流，沿暴雪区87.5°E做垂直经向剖面（图6）。17日08时，低层偏北冷湿气流遇山后强迫抬升形成上升运动与南疆北上的暖干气流在42.5°N上空相遇辐合时部分下沉，使温度梯度加大，动力和热力作用出现锋生，锋区两侧开始形成垂直面上的次级环流。 由于锋生动力，锋区暖边界（42.5°～43°N）近地层辐散，850～600 hPa辐合，引起地面至500 hPa上升运动，垂直速度中心≥0.15 m·s-1，反之，锋区冷边界（43.0°～43.5°N）， 500 hPa至地面为下沉运动，下沉气流在地面辐散向北与西北风汇合进一步加强乌鲁木齐上升运动。随着冷空气在天山北坡持续堆积，锋区逐渐增强，其冷暖边界激发的动力垂直运动强度和垂直伸展尺度也增强，17日20时（图6a）天山锋区两侧两个次级环流圈达最强并发展至500 hPa，天山北坡上空维持中心强度达0.4 m·s-1的上升区，伸展高度至600 hPa，乌鲁木齐正处于这一上升区的中心，雪强大，表明锋区两侧次级环流的增强为此阶段强降雪提供了动力条件；随后，锋消时次级环流减弱，乌鲁木齐上升速度降至0.05 m·s-1，地面降雪减弱；18日08时（图6b），再次锋生时次级环流继续发展，地面至700 hPa西北风与冷边界下沉支辐合又增强，乌鲁木齐周边上升运动中心增大至0.15～0.20 m·s-1，高度升至 600 hPa，降雪亦增强，20时堆积冷空气爬过天山向南扩散，冷锋结构逐渐松散消亡，锋区两侧垂直运动也逐渐减弱、消失，乌鲁木齐降雪随之减弱、结束。

在此次暴雪天气过程中，西北气流遇山后强迫抬升使水平温度梯度加强，促使锋生，动力锋生产生的地转偏差辐合、辐散的增强激发了锋面次级环流，在这样的正反馈机制下，乌鲁木齐的上升运动持续近30 h，为强降雪提供稳定的动力抬升条件。

4.2 水汽输送及辐合的空间结构

分析降雪时段各层水汽通量矢量和散度的时间—高度剖面发现（图7a），锋生过程中，乌鲁木齐主要水汽来源为400～600 hPa西南暖湿水汽输送带（Ⅰ区），650～800 hPa偏东暖湿水汽输送（Ⅱ区）和地面至850 hPa西北冷湿水汽输送带（Ⅲ区），Ⅰ区和Ⅲ区的水汽贡献较大，并一直在乌鲁木齐上空维持。降雪期间：600～800 hPa一直维持着强的水汽辐合，正是乌鲁木齐强锋生区，最大辐合中心在700 hPa 附近，为-10×10-5g·（cm2·hPa·s）-1。 冷锋降雪过程中，垂直方向的水汽输送也发挥了重要作用（图7b），冷锋中地面至800 hPa的上升输送，与700～500 hPa的下沉输送相遇，进一步加强了600～800 hPa的水汽辐合，这与郭英莲等[1]水平锋生提供水汽输送和加强辐合抬升结论相一致，水汽输送、辐合强度变化与乌鲁木齐市降雪演变有很好的对应关系。

图6 沿87.5°E垂直环流（黑实线）和垂直速度（填色，单位：10-1m·s-1）的剖面

5 风廓线雷达资料分析

根据动力锋生理论，运动学锋生导致水平温度梯度增大，热成风平衡遭到破坏，为了维持热成风平衡，风垂直切变相应增大，在高层强迫形成非地转南风分量，低层为非地转北风分量[21]。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品，可用于动力锋生过程的分析。

5.1 水平风向风速

由图8可以看出，17日08时1.5 km以下为偏北风，其上为东南风，风随高度逆转，低层为冷平流。随后偏北风和西南风都加强并向上伸展，垂直风切变也向上传递，15时 1.5 km（850 hPa）西北风速达低空急流强度（≥12 m·s-1），并在 1.0～2.0 km 发展持续至20时。西北风有组织地发展，与前文分析的17日14—20时锋生、锋区加强一致，风廓线雷达观测到的这种高层西南风和低层偏北风的加速是动力锋生过程中风场调整的有力证明。17日夜间，西北风和垂直风切变逐渐减弱，高度降落至2.5 km，锋面强度减弱、结构松散，降雪强度减弱。18日白天，低层西北风再次出现向上发展及短暂的风速跃增，3.0 km以上偏南风增强，垂直风切变增强并上升至3.0 km，冷锋增强，锋生动力强迫的上升运动发展。20时以后风廓线雷达探测高度迅速降落至2 km以下，各层风场减弱，尤其近地层西北风结构松散，出现锋消减弱，降雪结束。风廓线雷达中风速的激增或垂直风切变增强上传、风速减弱的时间与锋面的增强或减弱时间一致。

图7 2018 年 10 月 17 日 08 时—19 日 02 时乌鲁木齐水平水汽通量（a，填色，单位：g·（cm·hPa·s）-1））、水汽通量散度（a，点线，单位：10-5g·（cm2·hPa·s）-1）、垂直水汽通量（b，等值线，单位：10-5g·（cm·hPa·s）-1）和风（b，风羽，单位：m·s-1）的时间—高度变化

图8 2018年10月17日08时—19日08时乌鲁木齐风廓线雷达风场（矢量，单位：m·s-1）和（ 填色，单位：dB）观测资料（实线：垂直切变）

5.2 折射率常数

风廓线雷达折射率常数与大气湿度有关，可看作不同时段多普勒雷达的RHI强度回波，其探测高度变化与风向风速一致[22-23]。分析此次降雪过程中风廓线雷达，可以清楚地看到，在乌鲁木齐上空1.0 km以下及3.0 km以上存在2个大于-120 dB的湿度中心，可以很好地反映出降雪过程的水汽积聚特征。17日08时，探测的高度在3 km以下，≤-150 dB，说明大气比较干，10时后随着近地层西北风增大，2 km以下由-160 dB增长至 -130 dB，在冷锋增强的过程中低层湿度增大，水汽集中，13时降雪开始。17日白天整层≥ -130dB，整层水汽条件良好，17日夜间有减弱的趋势，18日08—14时再次增加。18日18时以后探测高度降低，迅速减弱至-160 dB以下，随后降水结束。的变化趋势亦与冷锋变化特征一致。

分析表明，风廓线雷达监测的风向转变、风速增大（减小）、垂直风切变传递及演变能够清晰地反映锋面生消和水汽积聚特征，实际预报业务以此为参考可对锋生过程做出判断，进而预测地面降水变化。

6 结论

（1）大暴雪发生在欧洲高压脊衰退、中亚长波槽分段东移的背景下，地面冷高压沿偏西路径加强东南下，在天山北坡引发强烈锋生，并持续近30 h，为持续降雪提供有利条件。伴随两次高空槽东移，天山北坡先后出现两次锋生，与乌鲁木齐降雪强度变化对应。温度平流和风垂直切变为锋生提供了动力、热力条件，700 hPa温度平流密集带为锋生区，其强度变化与锋面强度、降雪强度正相关。

（2）西北冷湿气流强迫抬升造成锋生，动力锋生产生的地转偏差辐合、辐散引发的次级环流使暴雪区垂直运动发展并维持，而次级环流的出现又使锋区水平温度梯度加强，促使锋区增强，次级环流建立引发垂直运动为大暴雪提供动力条件。暴雪过程有400～650 hPa西南气流、850 hPa至地面西北气流、700～800 hPa偏东气流3支水汽输送带。400～600 hPa和850 hPa至地面强的水平输送水汽，经锋区内的垂直运动输送至600～800 hPa形成强烈的水汽辐合，辐合强度与乌鲁木齐降雪强度正相关。

（3）风廓线雷达监测的风向风速转变、垂直风切变传递及变化能够清晰地反映锋面和水汽的演变特征，也从观测事实上证实了锋面动力抬升对水汽辐合的重要作用。