江苏3次不同量级降雪过程的对比分析

王 喜，张 玲，郑 炜，杨梦兮

(江苏省泰州市气象局，江苏 泰州 215300)

0 引言

江苏省冬季出现降雪，尤其是区域性降雪的次数虽然不多，但降雪会给交通、设施农业、电力等带来较大的危害，给国民经济和人民生命财产造成巨大损失，对降雪天气的准确预报能有效降低其带来的不利影响，因此降雪也是江苏冬季日常预报和服务工作中的重点和难点。近年来对暴雪的研究相对较多[1-9]，但对一般性的降雪天气很容易被忽视。降雪与降雨影响明显不同，通常中雨甚至大雨不会对交通、防汛以及人民生产生活带来太大影响；而降雪则不同，随着社会经济的发展、城市规模的扩大，即使是一般性的降雪也已成为影响城市生活的高敏感天气之一。考虑到降雪预报服务效果，在业务上有必要对不同量级的区域性降雪过程进行分析。江苏区域性暴雪评判标准为24 h内5站或以上日降水量≥10 mm且积雪深度≥10 cm，区域性大雪标准为24 h 10站或以上降水量≥5 mm且积雪深度≥5 cm，区域性中雪为24 h 10站或以上降水量≥2.5 mm且积雪深度≥3 cm。按照上述标准，本文选取2013年2月18日、2009年11月15—16日和2016年1月31日发生在江苏省的3次降雪过程，分别作为区域性暴雪、区域性大雪和区域性中雪的典型个例进行对比分析研究，希望为今后做好降雪分级预报提供一些参考，更好地为政府部门科学决策提供依据。

1 3次降雪过程天气概况

2013年2月18日江苏省淮河以南地区出现暴雪(简称“130218”过程)，2月18日上午以降雨为主，下午至傍晚随着气温的下降，江苏省自北向南开始转为降雪天气，19日08时降雪趋于停止。18日08时—19日08时(图1a)江苏淮河以南地区雨雪量10～40 mm，江淮之间南部及苏南地区在25 mm以上；强降雪集中在18日20时—19日02时，沿江和江淮之间大部积雪深度在10 cm以上，有28站积雪深度超过10 cm，最大积雪深度21.3 cm出现在扬州。

2009年11月15—16日,15日江苏省出现了降雨天气(简称“091116”过程)，16日凌晨淮河以南开始转为降雪天气，17日凌晨降雪结束，15日20时—16日20时(图1b)过程雨雪量5～20 mm，淮河以南中西部大雪，中东部温度较高，以中雨为主。这次过程降雪主要集中在16日白天，淮河以南中西部积雪深度在3～10 cm，有10站积雪深度超过5 cm，最大积雪深度13 cm，出现在南京六合。

2016年1月31日受冷空气南下影响，江苏省自北向南出现降雪天气(简称“160131”过程)，2月1日凌晨降雪结束，由于基础温度低，这次过程一开始就以纯雪为主。1月31日08时—2月1日08时(图1c)淮河以南雨雪量为1～8 mm，江苏东北部无降水，降雪主要出现在31日白天，淮河以南地区积雪深度在1～5 cm，有16站积雪深度超过3 cm，最大积雪深度5.2 cm。

图1 3次降雪过程的降水量落区图(a)2013年2月18日08时—19日08时；(b)2009年11月15日20时—16日20时；(c)2016年1月31日08时—2月1日08时

综上，可以发现，“130218”过程和“091116”过程存在降水相态转换，这两次过程开始都是以降雨为主，而后随着气温的下降才转为降雪天气，而“160131”过程以纯雪为主，不存在相态转换；其次，“130218”过程和“160131”过程降雪落区基本上都集中在江苏淮河以南地区，“091116”过程落区在淮河以南中西部地区，较另外两次过程落区明显更偏西。

2 环流形势和影响系统分析

“130218”过程2013年2月18日08时(图2a)，500 hPa中高纬欧亚大陆为稳定的经向环流型，属于典型的西阻型，阻高位于里海至巴尔喀什湖一带，低槽位于贝加尔湖以东至我国东北地区，极地冷空气不断沿着脊前的西北气流南下影响长江流域。中纬度环流较平直，其上有西风槽东移；孟加拉湾有一深厚南支槽发展，584 dagpm位势高度线稳定维持在东南沿海省市上空，江苏处于南支槽前和副高外围强盛的西南暖湿气流及西风带低槽携带的冷空气交汇区中。700 hPa(图2d)有切变线和西南低空急流，南京站的西南风在20 m/s以上，18日20时增强至24 m/s。850 hPa处于暖式切变线北侧的东北气流中。地面图上北方有强冷空气南下，冷高压中心强度达1 052.5 hPa，配合高空锋区，江苏处于冷高压底前部的东北气流中。

“091116”过程2009年11月15日08时(图2b)，500 hPa中高纬也属于西阻型，阻塞高压位于里海至巴尔喀什湖一带，在鄂霍次克海地区有冷涡发展活动，不断引导冷空气南下，中纬度环流较平，在110°E附近维持一高空低槽，江苏处于高空槽前暖湿气流和冷涡后部冷空气的交汇区中。700 hPa(图2e)有切变线存在，切变线南侧有西南急流，江苏处于急流出口区的左前方，南京站西南风从15日20时的14 m/s增强至16日08时的16 m/s。850 hPa从贵州、湖南至江西一线有暖湿切变线东伸，江苏沿江及以北地区处于切变线北侧的东北气流中。地面图上在贝加尔湖东部有一强冷高压，冷高压中心强度1 060 hPa，江苏处于冷高压底前部的东北气流中。

“160131”过程2016年1月31日08时(图2c)500 hPa中高纬为两槽一脊型，低槽分别位于乌拉尔山和鄂霍次克海，贝加尔湖附近为一强大高压脊，脊前西北气流引导冷空气南下，与中纬度高空槽前的西南暖湿气流交汇，为降雪提供有利的形势背景。中低层有明显的切变线和西南急流(图2f)，南京站西南风最大达16 m/s。地面图上北方有强冷空气南下，冷高压中心强度为1 060 hPa，31日08时冷锋已南下，江苏处于冷锋后部的偏北风场中。

图2 降雪发生时500 hPa高度场(a、b、c)和700 hPa风场和高度场(d、e、f)(a、d)2013年2月18日08时；(b、e)2009年11月15日08时；(c、f)2016年1月31日08时

综上分析可以发现，3次区域性降雪过程具有以下共同特点：500 hPa中高纬以经向环流为主，冷空气沿着脊前偏北气流长驱直下影响江苏，中纬度地区以纬向环流为主，河套以南至云南一带在110°E都有高空槽，江苏处于高空槽前西南气流中，700 hPa和850 hPa均有切变线存在，且700 hPa切变线南侧有西南低空急流，西南急流在降雪发生时都有增强的过程，地面上有冷空气影响，3次过程地面冷高压中心气压值均在1 052.5 hPa以上，江苏处于冷高压底前部，从850 hPa到地面为一致的东北风，低层形成深厚冷垫，促使中层暖湿气流在冷垫上爬升，有利于降雪天气的形成。不同之处在于：“130218”过程和“091116”过程中高纬都出现了明显的阻塞高压，更有利于冷空气长驱直下，与高空槽前输送的暖湿气流交汇，产生江苏省冬季降雪的有利环流背景。从地面冷空气来看，“130218”过程和“160131”过程冷空气均以中路南下，“091116”过程以中路偏西路径南下，冷空气路径明显偏西，造成这次过程降雪主要集中在淮河以南中西部地区。

3 水汽条件分析

分析3次降雪过程期间水汽通量沿120°E的剖面图(图3)，3次过程在700 hPa附近都存在水汽通量大值中心，结合700 hPa风速剖面图，可见水汽通量大值中心与该层的西南急流相对应，水汽通量中心值均超过10 g·cm-1·hPa-1·s-1，800 hPa以下水汽通量迅速减小，说明降雪发生时水汽通道主要在700 hPa，850 hPa以下对水汽贡献不明显。从水汽通量中心值来看，“130218”过程水汽通量中心值达20 g·cm-1·hPa-1·s-1，且10 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值区向北输送至34°N(图3a)，这与此次过程西南急流的北抬位置密切相关，图3d 32°N附近维持一个强风速中心，中心值为30 m/s，给区域性暴雪提供了充足的水汽条件。“091116”过程(图3b)水汽通量中心值位于28°N附近，为18 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽大值区北伸至32°N；“160131”过程发生时(图3c)，700 hPa水汽通量虽也有一个增强的过程，但中心值仅达到12 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽输送大值区位置也更偏南，位于30°N以南，降雪过程中700 hPa强风速中心始终位于28°N附近(图3f)，且中心值也较小为20 m/s，从降雪落区实况看，“160131”过程降雪落区也明显偏南。从以上分析表明，江苏发生区域性降雪时，水汽主要来源于中层700 hPa，水汽通量中心值均大于10 g·cm-1·hPa-1·s-1，而降雪量的大小与700 hPa低空急流强度密切相关，暴雪时急流强度最强，且急流核发展位置最北，说明水汽输送位置更北，更有利于江苏发生区域性降雪。

图3 沿120°E的水汽通量垂直剖面(a、b、c)和沿120°E、32°N 700 hPa全风速剖面图(d、e、f)(a、d)“130218”过程；(b、e)“091116”过程；(c、f)“160131”过程

分析3次降雪过程比湿的区域平均如图4，“130218”过程(图4a)和“091116”过程(图4b)比湿垂直伸展高度较高，达到400 hPa，表明这两次过程水汽发展旺盛，500 hPa以下比湿都在3 g/kg 以上，“130218”过程700 hPa附近比湿中心值达5.3 g/kg，“091116”过程中心值为3.5 g/kg，“160131”过程(图4c)比湿发展高度较低，比湿相对小，降雪区绝对水汽在降雪发生时仅700 hPa达到3 g/kg，700 hPa以下比湿均小于3 g/kg。可见，江苏发生区域性降雪时700 hPa比湿场基本上都达到3 g/kg以上，而降雪强度越强，需要水汽越多，湿层也越深厚。

图4 沿120°E、32°N比湿垂直剖面图：(a)“130218”过程；(b)“091116”过程；(c)“160131”过程

综上，江苏发生区域性降雪时，水汽主要由700 hPa西南急流输送至降雪区上空，而850 hPa及以下对水汽贡献不明显，说明主要水汽输送层高度在冬季降雪时明显比夏季降雨时抬高，且水汽输送强度和水汽向北输送位置对江苏降雪强度和落区有重要指示意义，水汽输送愈强，湿层越深厚，降雪强度愈强，强水汽输送到达位置愈北，降雪落区也向北扩的更明显。

4 动力条件分析

对3次降雪过程垂直速度、涡度沿120°E作垂直剖面(图5)，“130218”过程850 hPa以下为负涡度，850～400 hPa为深厚的正涡度区，分别在700 hPa和400 hPa有两个中心(图5a)，中心值为7×10-5s-1和4×10-5s-1，400 hPa以上又转为负涡度控制，正涡度区强度明显强于负涡度区，有利于强辐合抬升运动；降雪区上空整层基本都为上升运动区，随着高度升高，强上升运动区由南向北倾斜，强上升运动中心出现在700～400 hPa(图5d)，中心值为-1.4 pa·s-1，强上升运动区与正涡度区配合较好。“091116”过程700 hPa以下为负涡度，在900 hPa有-5×10-5s-1的负涡度中心(图5b)，700～400 hPa为正涡度区，正涡度中心位于600 hPa附近，中心值为7×10-5s-1，400 hPa以上为负涡度区，相应时次垂直速度剖面显示，800 hPa以下为弱上升运动，800～300 hPa为上升运动区(图5e)，垂直速度大值区位于700～600 hPa，中心值为-0.6 pa·s-1。“160131”过程31～35°N之间750 hPa以下为负涡度区(图5c)，中心值为-3×10-5s-1，700～550 hPa为正涡度区，正涡度区浅薄，中心值为4×10-5s-1，正涡度强度与负涡度强度相当，500～300 hPa为负涡度区，300 hPa以上转为正涡度，从垂直速度剖面可以看出，400 hPa以下都为负值区，在600 hPa和500 hPa分别存在两个负值中心(图5f)，中心值为-0.4 pa·s-1。以上分析表明，降雪区上空基本整层都为上升运动，涡度的垂直分布遵循低层负涡度、中层正涡度和高层负涡度的配置，“130218”过程降雪区上空的正涡度强且正涡度区最为深厚，辐合抬升运动也最强，“160131”过程的正涡度区相对最为浅薄，不利于形成强辐合抬升，因此垂直速度也是3次过程中最小的，降雪强度也是最弱的。

图5 沿120°E涡度(上)和垂直速度(下)垂直剖面：(a、d)2013年2月19日02时；(b、e)2009年11月16日08时；(c、f)2016年1月31日14时

沿120°E作垂直螺旋度垂直剖面(图6)，“130218”过程(图6a)降雪区上空几乎整层垂直螺旋度都为正值，在700～400 hPa有一正螺旋度柱，中心值达到30×10-8hPa·s-2，垂直螺旋度大值区与强上升运动区相匹配。从垂直螺旋度定义可知，垂直螺旋度正值愈大，表明涡度和垂直速度的配合愈好，动力抬升作用也愈强。“091116”过程(图6b)同样有这一特征，只不过正螺旋大值区集中在700～500 hPa，中心值也为30×10-8hPa·s-2。“160131”过程(图6c)降雪区上空垂直螺旋度为弱正值，没有出现明显的正值中心，这从上文的分析中也可以发现，“160131”过程上空的正涡度区较为浅薄，正涡度中心强度也较弱，辐合较弱，虽然在垂直方向上有上升运动的发展，但强度不强，动力抬升和辐合作用相对弱。因此，江苏发生区域性降雪时，降雪区上空整层基本上都为正垂直螺旋度，这在区域性暴雪和大雪中体现最为明显，表明在暴雪区上空，不仅存在强烈的上升运动，还存在较强的气旋性旋转，为区域性暴雪的产生提供了有利的动力条件，区域性中雪时动力条件相对来说要差一些。

图6 沿120°E垂直螺旋度垂直剖面：(a)2013年2月19日02时；(b)2009年11月16日08时；(c)2016年1月31日08时

5 热力条件分析

决定降水相态最为关键的是温度，因此中低层的热力状况是一个重要的因素。图7给出了降雪过程前后温度的时间—高度剖面图，“130218”过程在700 hPa有一明显的暖舌，表现为中层暖上下冷，700～800 hPa具有明显的逆温层。从18日20时沿32°N温度平流纬向垂直剖面图，降雪区上空800 hPa以下为冷平流，800～500 hPa之间为暖平流(图7a)，700 hPa由于西南低空急流的加强，中层的暖平流明显增强，形成一个50×10-5K·s-1的暖平流中心，暴雪区位于低层冷平流、中高层暖平流相叠加的区域。暖平流有利于上升运动的发展，在暖平流中心上升运动增强，暴雪区上空除了暖平流产生的上升运动外，还有冷暖空气的交汇产生的辐合上升运动。“091116”过程温度平流纬向剖面显示除在近地面层为冷平流外(图7b)，降雪区上空400 hPa以下都为暖平流，850 hPa以下虽然都为东北风，但在925 hPa和600 hPa分别存在两个暖平流中心，中心值分别为10×10-5K·s-1和30×10-5K·s-1，中层的暖平流强于低层，由于上下层暖平流的差异，中层750～700 hPa存在逆温层。“160131”过程(图7c)800 hPa以下为一致的冷平流，800～600 hPa为暖平流，降雪区上空低层冷平流和中层暖平流强度相当，绝对值都在10×10-5K·s-1以下，从温度剖面看，在降雪发生期间中低层没有形成明显的逆温层结，但整层温度都比较低，在0 ℃以下，满足了降雪基本温度条件。从3次过程中南京站单站温度层结曲线也显示了这样的特征：“130218”过程中18日20时850～700 hPa之间有逆温存在(图7g)，逆温强度5～6 ℃；“091116”过程(图7h)中750～650 hPa也有明显的逆温存在，逆温强度2～3 ℃；“160131”过程(图7i)1月31日08时整层温度都在0 ℃以下，满足降雪的气温条件，800～700 hPa之间出现温度直减率很小的等温层，逆温不明显。可见，产生区域性降雪时整层温度基本上都在0 ℃以下，中层有暖平流发展；不同之处在于暴雪及大雪过程时中低层都具有明显的逆温层，降雪时中层700 hPa暖平流使逆温加强，中高层西南急流造成的对流层中层的爆发性增温是逆温层形成的关键，且随着降雪量级的增大，逆温强度和逆温层厚度明显增强、增厚。而中雪发生时不一定有逆温层结，只要近地层温度条件合适，就能产生降雪。

图7 沿32°N温度平流纬向垂直剖面图(上)、沿120°E、32°N温度时间—高度剖面图(中)及南京单站温度垂直剖面(下)(a、d、g)2013年2月18日20时；(b、e、h)2009年11月16日14时；(c、f、i)2016年1月31日08时

6 湿位涡分析

图8给出了3次降雪过程沿120°E、32°N作湿位涡分量的时间演变情况，分析图可发现，3次降雪过程中，MPV1均为正值，并且在中层都出现了MPV1大值中心，MPV1正值区表示垂直方向有正涡度发展，并且水汽含量相对较大，从MPV1的垂直分布可以看出，MPV1大值区与正涡度大值区分布较为一致。“130218”过程(图8a)2月18日14时，MPV1迅速增大，至18日20时在700 hPa MPV1最大值达到了3 PVU，在强降雪时段MPV1都维持在2PVU以上，19日14时，MPV1迅速减小为0.5 PVU，降雪停止。“091116”过程(图8b)在降雪时段15日20时—17日08时，600～700 hPa对应MPV1为1 PVU的正值带，16日02时和16日14时，650 hPa附近分别有两个大值中心相对应，最大值为1.5 PVU，对应降雪增强。“160131”过程(图8c)在400 hPa以下为弱的MPV1正值，31日14—20时700 hPa 出现两个孤立的MPV1大值中心，中心值仅为1 PVU。可以看出，暴雪过程中，MPV1均在2 PVU以上，明显要强于大雪和中雪过程，可以认为，随着降雪量级的增大，MPV1中心值明显增强。另外，MPV1增大的过程与强降雪时段有较好的对应关系，MPV1增大意味着降雪增强，MPV1减小意味着降雪将减弱，这在暴雪和大雪中反应较好，中雪时没有明显的反应。从MPV2垂直剖面分析发现，3次过程MPV2在900 hPa以上都为负值，且暴雪和大雪发生时在700 hPa都存在MPV2负值中心，“130218”过程(图8d)18日20时中低层的MPV2负值绝对值中心值达-0.15PVU，“091116”过程(图8e)在16日14时750 hPa负值中心值达-0.08PVU，MPV2负值绝对值的增大可以反映大气斜压性的增强，MPV2绝对值越大，大气斜压性越强，表明冷暖空气在此强烈交汇，有利于强降雪的发生。“160131”过程(图8f)降雪发生时，31日白天中低层没有出现明显的MPV2负值中心，表明这次过程大气斜压性较弱，这从温度平流的分析中也可发现这次过程中层暖平流没有出现明显的爆发性增温，降雪区上空没有形成等温线密集带，使得大气斜压性较弱。

图8 沿120°E、32°N湿位涡正压项(上)和湿位涡斜压项(下)时间—高度剖面图(a、d)“130218”过程；(b、e)“091116”过程；(c、f)“160131”过程

从以上分析可以看出，3次过程在降雪期间，MPV1为正值，MPV2为负值，满足湿位涡守恒原理，有利于垂直涡度的发展，为降雪的发生和发展提供了动力机制，强降雪伴随着湿位涡的发展和加强，随着降雪量级的增大，MPV1绝对值和MPV2绝对值明显增大，这从一定程度上反应了降雪强度与湿位涡分量绝对值存在一定的正相关关系。

7 结论

通过对发生在江苏的3次不同量级的区域性降雪过程的典型个例进行对比分析，得出以下主要结论：

①江苏发生区域性降雪时，水汽主要由700 hPa西南急流输送至降雪区上空，而850 hPa及以下对水汽贡献不明显，说明主要水汽输送层高度在冬季降雪时明显比夏季降雨时抬高；3次过程时700 hPa水汽通量中心值均大于10 g·cm-1·hPa-1·s-1，“130218”过程中心值为20 g·cm-1·hPa-1·s-1，“091116”过程和“160131”过程分别为18 g·cm-1·hPa-1·s-1和12 g·cm-1·hPa-1·s-1，即水汽输送强度和水汽向北输送位置对江苏降雪强度和落区有重要指示意义，水汽输送愈强，湿层越深厚，降雪强度愈强，强水汽输送到达位置愈北，降雪落区也向北扩的更明显。

②降雪区上空基本上整层都为上升运动，涡度的垂直分布遵循低层负涡度、中层正涡度和高层负涡度的配置，暴雪时降雪区上空的正涡度强且正涡度区最为深厚，动力抬升作用强，中雪发生时正涡度区相对最为浅薄，不利于形成强辐合抬升，动力抬升作用弱。且暴雪和大雪发生时基本上整层都为垂直螺旋度正值区，中雪时没有出现明显的正值区。

③江苏发生区域性降雪时整层温度基本上都在0 ℃以下，中层有暖平流发展；不同之处在于暴雪及大雪过程时中低层都具有明显的逆温层，降雪时中层700 hPa暖平流使逆温加强，中高层西南急流造成的对流层中层的爆发性增温是逆温层形成的关键，且随着降雪量级的增大，逆温强度和逆温层厚度明显增强、增厚。而中雪发生时不一定有逆温层结，只要近地层温度条件合适，就能产生降雪。

④降雪期间，MPV1为正值，MPV2为负值，有利于垂直涡度的发展。随着降雪量级的增大，MPV1绝对值和MPV2绝对值明显增大，这从一定程度上反应了降雪强度与湿位涡分量绝对值存在一定的正相关关系。