哈尔滨机场“2019 12.28-12.30”持续降雪成因分析

（民航黑龙江空管分局，黑龙江哈尔滨 150079）

1 引言

黑龙江省位于中国东北部，南北跨10 个纬度、14 个经度，冬季漫长且寒冷干燥，大雪、暴雪是冬半年的主要气象灾害，往往给交通行业造成不便[1]。对于航空，冬末春初的降雪是威胁哈尔滨太平国际机场的主要天气现象之一，持续性降雪过程不但造成跑道积雪和积冰，还常常导致能见度低于飞行标准，造成航班返航、备降、延误等[2]。

国世友[3]对比黑龙江省两次强降雪过程，高空槽配合地面蒙古气旋，低涡切变和辐合区的持续存在为降雪提供动力条件，低空西南急流带来了充沛的水汽输送。回流天气是冬季黑龙江省一种特殊的产生暴雪的天气形势，杨艳敏和赵燃[4]指出动力锋生机制在回流暴雪形成与发展的过程中发挥了重要作用，强降雪产生在暖区，迎风坡和背风坡的地形强迫对降雪起明显的增幅作用。秦铜[5]等对哈尔滨市一次暴雪天气过程进行分析，指出此次降雪暖锋区持续时间以及位置是产生强降雪的关键，急流提供了大范围强降雪产生的必要动力条件和水汽条件。近期，王波等[6]统计分析了黑龙江降雪的气候变化特征，指出黑龙江省大部分地区的年平均降雪量增加趋势明显，中雪和大雪日数增多趋势明显，但小雪日数减少趋势明显。上述工作对防灾减灾及天气、气候预测提供重要参考。

2 资料

本文使用哈尔滨太平国际机场观测实况记录，以及欧洲中期天气预报中心 (ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 最新一代的再分析资料ERA5（doi:10.24381/cds.6860a573）的逐小时资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，该套资料采用四维变分同化法，相较于之前的ERA-interim，ERA5 更准确并且具有更高的时空分辨率，适合分析局地天气过程。本文使用的物理量包括：位势高度、纬向风速、经向风速、垂直速度、比湿和相对湿度，垂直层为1000-100 hPa，共19 层。

3 降水实况分析

根据民航气象的雪强与能见度的关系，小雪能见度≥1000 m、中雪能见度500-1000 m、大雪能见度<500 m，短临的中雪和持续性小雪天气均会影响正常的飞机飞行，以此为准，本文挑选2019 年12 月28 日-30 日的一次持续降雪过程作为研究对象。

观测实况记录如下：28 日23 时53 分小雪-24时，29 日00 时小雪-10 时53 分转中雪-11 时47 分转小雪-11 时59 分转中雪-15 时47 分转小雪-19 时55 分停，21 时31 分小雪-24 时，30 日00 时小雪-05时49 分停，07 时17 分小雪-09 时47 分停。此次降雪过程时间长达34 h，过程降水量为6.9 mm，且连日来降雪未融化，积雪深度较厚，最大积雪深度为19.0 cm，新增积雪深度为10.0 cm。其中主要降雪时段集中在29 日08-14 时，该时段内的短时降雪强度一度达到中雪量级，14 时后降雪强度逐渐转为小雪，直至30 日降雪停止。另外，根据哈尔滨太平国际机场的地理位置，将此次分析的关键区确定在45°N-46°N,126°E-127°E。

4 大气环流作用

大尺度大气环流背景场对短临天气过程的发生与维持具有重要影响。在对流层中层500 hPa（图1），中高纬地区整体呈现两脊一槽型，12 月28 日20 时-30 日08 时，位于贝加尔湖地区的东北-西南倾向的槽逐渐向东移动至中国东北地区，黑龙江北部地区12 月29 日建立起闭合的气旋性环流，哈尔滨附近地区存在西南风，北方冷空气与南方暖湿气流汇合有利于产生降水，槽前的气旋性涡度有利于上升运动，上升运动也是形成降水的重要条件之一，随着低压槽的进一步向东移动，黑龙江地区槽前的西南风逐渐撤出。

图1 500 hPa 位势高度场（等值线，单位：gpdm）和风场（箭头，单位：m/s）。2019 年12 月(a)28 日20 时；(b)29 日08 时；(c)29 日20 时；(d)30 日08 时。

图2 2019 年12 月(a)28 日20 时；(b)29 日08 时；(c)29 日20 时；(d)30 日08 时850 hPa 位势高度场（等值线，单位：gpdm）和风场（箭头，单位：m/s）。

在对流层低层850 hPa（图2），仅关注中国东部地区，12 月28 日20 时-29 日20 时，西北太平洋地区存在一个闭合的反气旋性环流，反气旋西侧的偏南风向北输送较暖湿的空气，而12 月29 日后，该反气旋性环流向东移动，不再影响中国大陆地区，阻断了水汽的输送，不利于降雪的维持。另一方面，12 月28 日内蒙古高原北部（对流层中层槽前）存在闭合的气旋性环流，环流东侧的偏南风同样有利于暖湿水汽的向北输送，哈尔滨地区偏南风维持至12 月29日晚，之后偏北风控制黑龙江地区，不利于降雪。

5 水汽作用

有利的水汽作用是强降雪过程发生和维持的充分条件之一，一般来说，持续性降雪过程一定要有充沛的水汽和持续的水汽输送至关键区[7]，以下将从相对湿度和水汽通量两个方面进行阐述。

5.1 相对湿度

图3 2019 年12 月28 日08 时-30 日08 时，哈尔滨（45°N-46°N,126°E-127°E）区域平均的相对湿度（单位：%）的时间演变-高度图。

图3 给出关键区相对湿度的时间演变-高度图，12 月28 日08 时-29 日14 时，对流层中低层的相对湿度逐渐增加，且中层的相对湿度增加领先于低层，随着低层相对湿度的增加，小雪逐渐发展为中雪。12月29 日2-14 时是降雪过程最集中的时段，对流层中低层的相对湿度达90%以上，说明该时段内关键区水汽处于较为饱和的状态，有利于降雪的发生发展。12 月29 日14 时之后，对流层中低层相对湿度骤减，数小时内从90%降低至降雪过程发生前的水平，这与观测实况对应的很好，也与高空槽的东移、低层南风变为北风互相匹配，此时不利于降雪的维持。

5.2 水汽通量

图4 2019 年12 月28 日08 时-30 日08 时，哈尔滨（45°N-46°N,126°E-127°E） 区域平均的水汽通量 （阴影，单位：m s-1）与水汽通量散度（等值线，单位：10-7 s-1）的时间演变-高度图。

从水汽通量的时间演变上看 （图4 阴影），12 月28 日08 时-12 月29 日14 时，关键区上空对流层中低层的水汽通量随时间逐渐增加，而500 hPa 以上水汽通量分布比较均匀，表明此次持续降雪过程主要受对流层中低层的机制影响。12 月29 日08-14 时，净的水汽通量流入在对流层低层800 hPa 左右达到极大值（深色阴影），伴随着小雪转为中雪的天气过程。12 月29 日14 时后，水汽通量数值快速减小，降雪强度也随之减弱。

另一方面，与水汽通量配合的是水汽通量散度（图4 等值线），虚线对应的是水汽通量散度的辐合，实线对应辐散。可以发现12 月28 日20 时-29 日8时，对流层低层1000-800 hPa 的水汽通量辐合增强，上层的辐合并不明显，甚至在12 月29 日8 时前后的800 hPa 左右还存在水汽通量辐散区，此时的天气过程为小雪。而12 月29 日8-14 时，对流层900-700 hPa 水汽通量辐合急剧加强，配合着大量的水汽通量净流入，小雪加强为中雪，之后水汽通量散度转为辐散，降雪随之减弱停止。

6 动力作用

除了大气环流以及水汽的作用，垂直运动、散度和涡度等动力作用对持续性降雪过程的发生和维持也十分重要。

6.1 垂直运动

图5 2019 年12 月28 日08 时-12 月30 日08 时，哈尔滨（45°N-46°N,126°E-127°E）区域平均的垂直运动（单位：10-1 Pa s-1）的时间演变-高度图。

短临对流天气事件往往伴随着强烈的上升运动，图5 给出关键区垂直速度的时间演变-高度图，实线正值代表下沉运动，虚线负值代表上升运动。12月28 日14 时-29 日08 时，关键区对流层中低层产生垂直上升运动，且逐渐加强，位于800 hPa 左右的最强值达到-0.4 Pa/s。12 月29 日08-14 时，对流层800-400 hPa 的垂直上升运动迅速增强，位于600 hPa 左右的最强值达到-0.8 Pa/s，对流层中层强烈的上升运动对应着观测实况中的中雪。12 月29 日14时后，垂直上升运动减弱，当日20 时后转为以下沉运动为主。

6.2 散度场

图6 2019 年12 月28 日08 时到12 月30 日08 时，哈尔滨（45°N-46°N,126°E-127°E）区域平均的散度场（单位：10-5 s-1）的时间演变-高度图。

散度场有利于了解降雪过程发生发展前后的动力配置。图6 给出此次持续降雪过程中关键区对流层大气散度的时间演变-高度图，实线正值代表辐散，虚线负值代表辐合。12 月28 日14 时-29 日08时，对流层低层出现辐合，并逐渐加强，对流层中高层以辐散为主，这阶段低层的辐合强度相对较弱，对应观测实况的小雪天气。12 月29 日08-14 时，对流层低层的辐合迅速增强，并在850 hPa 左右出现大值中心，对流层中高层仍为辐散，低层辐合高层辐散的散度场配置有利于形成上升运动，有利于小雪进一步增强发展为中雪。12 月29 日20 时后，低层辐合转为辐散，不利于降雪的维持。

6.3 涡度场

涡度场同样有利于了解降雪过程发生发展前后的动力配置。图7 给出此次持续降雪过程中关键区对流层大气涡度的时间演变-高度图，实线正值代表正涡度，虚线负值代表负涡度。12 月28 日14 时起，对流层中低层出现正涡度并逐渐增强，对应于图1中槽前黑龙江地区的正涡度平流，正涡度有利于产生上升运动。12 月29 日8 时，对流层950 hPa 附近的正涡度达到最强，维持至当日14 时，对应于实况观测中小雪转中雪的过程，再之后正涡度逐渐减弱。

图7 2019 年12 月28 日08 时-12 月30 日08 时，哈尔滨（45°N-46°N,126°E-127°E）区域平均的涡度场（单位：10-5 s-1）的时间演变-高度图。

7 结论

本文利用ERA5 再分析资料，结合观测实况资料，对一次影响民航航空的持续性降雪事件进行分析，得到以下的结论：

（1）此次持续降雪过程受大尺度大气环流影响。对流层中层位于贝加尔湖地区槽向东移动至中国东北地区，槽前的气旋性涡度有利于形成上升运动，低槽的进一步东移使得降雪停止；对流层低层西北太平洋地区的反气旋性环流以及内蒙古高原北部 （对流层中层槽前）的气旋性环流，共同向黑龙江地区输送较为暖湿的水汽，有利于对流的发生发展；

（2）降雪发生数小时前，对流层相对湿度梯度大，大气快速变湿，这是由于对流层低层偏南风水汽净汇入，水汽通量净流入达到极值时，水汽通量辐合强度也达到最强，导致强烈的降雪过程；

（3）此次持续降水过程发生发展期间，哈尔滨上空存在明显的上升运动，并与槽前的正涡度平流相配合，对流层低层辐合、中层辐散的散度配置导致的抽吸作用也有利于上升运动与降雪，为此次持续性天气过程的发生和维持提供有利的动力条件。