大范围持续暴雪中多种影响因子的对比分析

张 昊 黄天赐 隋 妍 崔春杰

（1.延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133000；2.岳阳市气象局，湖南岳阳 414000）

1 引言

吉林省位于我国东北地区中部， 在每年漫长而寒冷的冬季中，降水性质以雪为主，而暴雪则是吉林省冬半年最为严重和常见的自然灾害之一，有时还会伴有寒潮降温、 大风等天气， 对工业生产、人民生活、交通运输等方面产生严重影响。 多年来， 国内气象工作者对暴雪的形成机制和物理诊断进行了大量研究。 胡顺起等[1]和宫德吉等[2]对低空急流与暴雪的关系进行分析， 认为偏南急流与偏北风的辐合是极端大暴雪的重要成因。 阎琦等[3]发现强降雪主要发生在倾斜涡度强烈发展的时段内，且二者区域重合。 张桂莲等[4]对大兴安岭地区的暴雪天气进行分析， 发现暴雪天气是发生在条件对称不稳定（MPV2＜0）的背景下，暴雪落区位于MPV2 等值线密集带附近。刘胜胜等[5]对聂拉木3 次特大暴雪过程的云顶亮温特征进行对比分析发现，TBB 的变化情况与强降雪时间段有显著的相关性， 在降雪过程发生时，TBB 会明显下降。王晓明等[6]对吉林省不同类型的暴雪天气进行总结和分析， 发现吉林省暴雪的高空影响系统以高空槽为主，其次是冷涡，切变最少，而气旋和低压倒槽是主要的地面影响系统。 本文利用区域自动站数据、 常规气象观测资料、ERA5 再分析资料、GDAS 数据， 对吉林省2020年2月14日和2019年11月17日两次暴雪天气的环流形势、 物理量场特征等进行对比分析， 旨在进一步完善预报思路、提高预警能力，为气象防灾减灾服务工作提供帮助。

2 实况分析

2019年11月17—18日，吉林省自西向东出现明显雨夹雪转雪天气，东部出现暴雪天气，延边出现局地大暴雪（24h 降水量达20～25mm）。 至18日08 时，共出现17 站暴雪、5 站大雪（图1a）。 中东部地区积雪深度6～13cm，局地达16～25cm。

2020年2月14—17日， 吉林省东南部出现历史同期罕见的强降雪天气， 通化和白山部分地区出现大暴雪或特大暴雪（图1b）。 此次过程特点如下：一是雪量大。 共出现4 站特大暴雪、4 站大暴雪、14 站暴雪。二是降水梯度大。强降雪主要集中在东南部， 中部出现小到中雪， 西部基本无降雪。三是降水相态以纯雪为主。四是积雪深。东部部分地方积雪深度达20～49cm。

图1 2019年11月17日过程（a）和2020年2月14日过程（b）累计降水量分布

3 环流形势及影响系统

过程Ⅰ亚洲中高纬地区呈“两槽一脊”环流形势（图2a）。 2019年11月17日08 时，500hPa高空槽位于我国河套地区；14 时移至内蒙古地区东部，槽后西北气流不断引导北方冷空气南下影响我国东部地区；20 时高空槽发展加强为高空低涡，强度为510dagpm，冷中心强度达-40℃。 此时吉林中西部地区受东移北上的地面气旋影响，暖湿条件充足，冷暖气团交绥致使出现锋面降水。18日02 时原本位于黑龙江省东部的蒙古气旋与地面气旋合并，气压梯度明显增加，且前部的东南风从海上继续向吉林东部地区补充更多的水汽，加强了过程降水，主要降水时段来临。 18日08 时，高空槽移至黑龙江东部，地面气旋入海，降水过程趋于结束。 850hPa 主要影响系统为位于吉林省西北部的高空低涡，低涡南部风切变自西向东移动，吉林省中东部地区存在明显西南急流和南风急流，急流轴风速达16m/s（图2c），暴雪主要落区位于急流左侧， 该区域辐合上升运动明显、 水汽充沛，利于出现降水天气。

图2 过程Ⅰ（a）和过程Ⅱ（b）500hPa 平均高度场（黑色实线，单位：gpm）、温度场（红色虚线，单位：℃）、海平面气压场（阴影填色，单位：hPa），及过程Ⅰ（c）和过程Ⅱ（d）850hPa 风场（蓝色箭头，单位：m/s）、急流区（阴影填色，单位：m/s）

从过程Ⅱ环流形势看到， 亚洲中高纬地区呈“两槽一脊”（图2b）。500hPa 主要为一“倒Ω”环流形势， 位于巴尔克什湖地区的高空槽东移至贝加尔湖地区并发展为高空低涡， 强度为535dagpm，冷中心强度达-30℃。 2020年2月14日08 时，高空槽后偏北气流引导高纬度地区冷空气南下进入我国东北地区。 14日20 时，吉林省中部受地面倒槽控制，偏南暖湿气流与冷空气相互作用，开始出现降水。由于鄂霍茨克海高压阻挡，地面倒槽维持时间较长，至17日08 时才移出吉林省，这也是此次过程持续时间长，降水量大的原因之一。850hPa主要影响系统同样为低涡， 该低涡始终维持在吉林省西南部，受其影响吉林省通化、白山一带始终存在切变线（图2d），提供了动力及不稳定能量触发条件。虽然低空没有出现急流，但低涡前部显著的西南气流， 源源不断地为此次降水提供暖湿条件。

4 物理量特征对比分析

4.1 水汽通量及水汽通量散度

分别对两次过程的水汽通量及水汽通量散度进行分析。过程Ⅰ中700hPa 水汽源地主要为渤海湾、黄海北部和日本海一带。水汽通量在吉林省东南部存在一个大值密集区； 水汽通量散度在白山东部、长白山地区、延边南部有明显的辐合带，最大辐合中心为-4×10-5kg·m-2·s-1， 说明该区域水汽强烈辐合，水汽条件充沛。 850hPa 水汽来源同样为渤海湾和日本海，与700hPa 相比水汽通量辐合区范围更广，中心值一般在-5×10-5kg·m-2·s-1。

过程Ⅱ中700hPa 主要有两条水汽通道，来自川陕一带和华北地区的西北向水汽和来自孟加拉湾和南海的西南向水汽在江淮地区和山东半岛交绥， 并继续沿西南方向输送至吉林省东南部地区。对比两条水汽通道可以看到，西南方向的水汽通量要明显高于西北方向。 水汽通量散度在江淮地区、山东半岛和东北地区南部存在一条明显的辐合带，在本次过程降水量较大的通化、白山地区水汽通量辐合中心达-6×10-5kg·m-2·s-1。 850hPa 水汽通量与700hPa 类似，但西北向水汽通量加强，西南向水汽通量明显减弱，在山东半岛至渤海湾一带有明显的水汽通量辐合区。 吉林省通化、白山地区的水汽通量辐合强度略有减弱， 大多在-5×10-5kg·m-2·s-1。综合来看， 中低层良好的水汽输送为两次暴雪过程提供了有利条件。

4.2 水汽来源

目前HYSPLIT4 模型主要用于研究水汽条件的来源和输送途径[7]。 为近一步分析两次过程水汽条件的区别，选取500m、1 500m、3 000m 三个最终高度（对应925hPa、850hPa、700hPa 高度）对两次过程中降水量最大的珲春市 （42.90°N，130.28°E）和白山市（41.93°N，126.43°E）进行72h 气团后向轨迹模拟分析（图3）。

图3 过程Ⅰ（a）、过程Ⅱ（b）气团后向轨迹模拟

过程Ⅰ（图3a）中3 种高度气团来源分别为贝加尔湖以东、 蒙古西部和我国新疆地区北部等中高纬地区， 但此类地区空气中水汽含量有限且以冷湿性质为主。 沿气团轨迹变化可以发现：3 000m 高度气团在16日08 时移至山东半岛， 后经黄海北部、 朝鲜半岛和日本海到达珲春市；1 500m 和500m 高度气团在17日08 时移至日本海，后经朝鲜东部到达珲春市。虽然3 种高度气团始发地和前期输送途径中水汽稀少， 但在到达降水落区前24h 内都不同程度的补充了一定的水汽，为过程Ⅰ的形成提供了有利条件。

与过程Ⅰ相比，过程Ⅱ（图3b）气团来源和轨迹要更加有利。 3 000m 高度气团从江西省出发，沿西南方向经江淮地区、 渤海湾和辽宁省到达白山市。 1 500m 高度气团自山东半岛出发，将渤海湾充沛的水汽输送至白山地区。500m 高度气团没有经过海洋， 自河北东部先沿西南方向行进至吉林省西部，再南下到达白山市，对本次暴雪天气贡献较小。

4.3 垂直速度与散度

过程Ⅰ （图4a） 中18日02 时珲春市上空600hPa 以下散度辐合区十分深厚，存在2 个水平散度辐合中心， 中心值均在-15×10-6s-1左右，600hPa 以上呈明显辐散形势；700hPa 存在明显垂直速度上升区，中心值达-2.5Pa·s-1，与700hPa 散度辐合中心几近重叠，此时动力条件强盛，主要降水时段开始。 18日08 时低层925—850hPa 散度辐合强度迅速减弱， 对应600—300hPa 高空转为辐合区， 中心值在-1.0×10-6s-1左右，500hPa 以下无明显垂直运动上区，降水趋于结束。

图4 过程Ⅰ（a）、过程Ⅱ（b）水平散度场（填色，单位：10-6s-1）和垂直速度场（等值线，单位：Pa·s-1）高度—时间剖面

过程Ⅱ （图4b） 中14日14 时白山市上空700hPa 存在较弱的水平散度辐合区，对应中高层有较弱的垂直上升运动，地面出现弱降水，随后垂直上升运动迅速减弱。随着主要影响系统临近，15日02 时450hPa 出现深厚水平散度辐合区， 两个辐合中心值都在-1.5×10-6s-1左右，450hPa 以上呈明显辐散形势， 对应850—500hPa 垂直上升运动逐渐增强，至15日08 时中心值达-1.2Pa·s-1，主要降水时段开始。15日08 时—17日08 时中低层一直存在散度辐合区和较弱的垂直上升运动， 降水持续。 17日14 时，整层转为辐散区，降水结束。

4.4 地形影响

两次过程中暴雪落区主要位于吉林省东部山区（海拔高度1 000m 左右），包括吉林南部、通化、白山和延边地区。 由于长白山脉的存在，地形对环流形势的影响非常明显。2019年11月17日08 时吉林省700hPa（图5a）上空为西南风，与长白山脉近乎平行；20 时风向逐渐转为偏南风，且出现明显风速切变。 850hPa（图5b）吉林省中东部存在西南急流和东南急流的交汇，配合地形的抬升作用，上升运动进一步加强。 此外，吉林省中部还存在明显西北风与西南风切变， 在东移过程中受山脉的阻挡作用影响，切变有所加强。 2020年2月15日02时吉林省东部地区700hPa（图5c）上空为偏西风，最大风速达18m·s-1，受地形抬升作用影响，上升运动得以维持和加强；08 时风向转为偏南风，并存在偏南风与东南风的切变。 850hPa（图5d）整体为偏南风，但在东部山区存在明显的风速辐合。 另外，由于过程Ⅱ中系统移动速度缓慢， 在进入吉林省东部地区后受到长白山脉迎风坡和山区地形摩擦作用影响，移速有所减小[8]，使系统影响时间延长，从而降雪量增加。

图5 过程Ⅰ700hPa（a）、850hPa（b）风场，过程Ⅱ700hPa（c）、850hPa（d）风场（填色表示地形高度，单位：m；风速单位：m·s-1）

4.5 不稳定条件

对两次过程白山站假相当位温和温度平流作高度—时间剖面。 发现过程Ⅰ中17日20 时后有从高空传导至地面的假相当位温高能舌， 说明此时有强冷空气侵入，影响吉林省东南部地区，降水开始。 18日02 时之后925—400hPa 开始出现向西倾斜的能量锋区， 这样的结构有利于不稳定能量的积聚和低层对流发展，降水集中时段来临。过程Ⅱ中假相当位温整体随高度增加， 大气层结较为稳定， 且假相当位温值要高于过程Ⅰ，850—500hPa 等值线平直且分布较为均匀，无明显能量锋区。这也说明过程Ⅰ中动力条件起主导作用，过程Ⅱ中则是水汽条件做出了重要贡献。

5 相当黑体亮温对比

过程Ⅰ中2019年11月17日16 时白山站相当黑体亮温（以下简称TBB）为-35℃；随后上升至-23℃；18 时开始逐渐下落， 降水逐渐开始；至17日23 时已经下降至-54℃。 在18日03 时之前TBB 值都在-40℃以下，降水集中时段来临。 随后TBB 开始快速抬升，18日08 时已经回升至-10℃，降水基本结束（图6a）。

过程Ⅱ中15日03 时白山站TBB 为-25℃；之后逐渐下降， 期间略有起伏；15日12 时TBB降至谷值-57℃；之后略有起伏；18 时开始逐渐回升，但整体来看回升速度较慢，至16日08 时才升至-20℃。 在17日08 时降水基本结束之前，TBB一直维持在-20℃左右， 且24 h 内谷值在-30℃左右。 对比两次过程可以发现，降雪开始时TBB 都有所下降，最低值分别为-54℃和-57℃左右，虽然后续变化情况有所不同， 但都在低值区有一段比较稳定的时期（图6b）。整体来看TBB 的变化情况与降水的强度和持续时间对应关系较好， 说明强降水发生在对流云团增强和发展阶段。

6 结语

（1）两次过程的环流背景较为相似，都是高空低涡使冷空气南下堆积， 与地面气旋和倒槽输送的西南暖湿气流在吉林省东南部地区交汇导致暴雪天气出现。 高空槽与850hPa 低涡、急流和切变带来的辐合上升运动为降雪天气的产生提供了动力和不稳定能量触发条件。

（2）过程Ⅰ中水汽来源主要为渤海湾、黄海北部和日本海一带；过程Ⅱ主要有两条水汽通道，分别是来自川陕一带和华北地区的西北向水汽通道和来自孟加拉湾和南海的西南向水汽通道。 从水汽源地来看， 过程Ⅰ中水汽始发地为蒙古国等中高纬地区；过程Ⅱ中水汽主要源于我国东南地区。整体来看，过程Ⅱ的水汽条件要明显优于过程Ⅰ。

（3）从动力条件来看，两次过程主要降水时段内都出现了水平散度辐合中心， 最大值在-15×10-6s-1左右。 垂直速度场中850—500hPa 垂直上升运动明显，强度变化与降水时间分布较为一致，且过程Ⅰ上升运动强度大于过程Ⅱ。 长白山脉地形的抬升和摩擦作用也对两次降水过程的形成和发展做了一定贡献。从假相当位温的分布情况发现，过程Ⅰ中动力条件起主导作用， 过程二中则是水汽条件做出了重要贡献。

（4） 两次过程降雪开始时TBB 都有所下降，最低值分别在-54℃和-57℃左右， 且在低值区都有一段比较稳定的时期。 整体来看TBB 与降水强度和持续时间对应关系较好。