徐娟娟，郝 麗，劉嘉慧敏，郭大梅，趙 強

(1.陜西省氣象臺，陜西 西安 710014； 2.陜西省氣候中心，陜西 西安 710014)

引 言

暴雪作為冬季重要災害性天氣之一，一直備受關注。氣象學者對于暴雪的產(chǎn)生機理進行了大量研究[1-4]，取得很多成果。陜西天氣氣候條件復雜，冬季黃土高原、關中平原及秦嶺山脈都出現(xiàn)過暴雪天氣，對交通和人們生活帶來諸多不便。王川等[5]對陜西兩次冰雪災害天氣過程進行對比分析，發(fā)現(xiàn)200 hPa西風急流演變對連陰雪天氣發(fā)生發(fā)展有指示意義；楊文峰等[6]對陜西一次特大暴雪進行診斷，指出500 hPa短波槽、700 hPa和850 hPa切變線是暴雪發(fā)生的主要影響系統(tǒng)，中尺度對流云團是造成暴雪的直接原因；王丹等[7]對2011年冬季陜西兩次降雪過程進行對比，指出兩次過程冷空氣條件的差異直接導致了降雪強度的差異，850 hPa相對濕度大于90%的高濕區(qū)對大到暴雪落區(qū)有很好的指示意義。

目前對暴雪機理的研究多集中在環(huán)流形勢、物理量分析等方面[8-19]，由于冬季能量偏低，暴雪強度較暴雨明顯偏小，因此對于暴雪過程的不穩(wěn)定條件分析往往會被忽視。相關研究認為強降雪的發(fā)生是由于對稱不穩(wěn)定導致[1,20-24]，對稱不穩(wěn)定能量的釋放使對流發(fā)展，產(chǎn)生暴雪天氣。俞小鼎等[25]認為條件不穩(wěn)定導致的垂直對流、條件對稱不穩(wěn)定導致的傾斜對流以及中性條件下鋒生強迫的較強垂直環(huán)流是冷季高架對流形成的三種機制。2018年1月3日，陜西省出現(xiàn)了自2010年以來范圍最大、強度最強的暴雪天氣過程，此次強降雪過程持續(xù)時間短(歷時12 h)，強度大(12 h降雪量達18.4 mm)，模式及主觀預報對此次強降雪的起始及持續(xù)時間出現(xiàn)了較大偏差(起始時間預報偏晚約8 h，持續(xù)時間預報較實況偏長)，本文利用多種觀測資料，在環(huán)流、物理量等分析的基礎上，分析在短時間內(nèi)產(chǎn)生強降雪的不穩(wěn)定機制，試圖找出此次強降雪產(chǎn)生的原因，以期為今后此類過程的預報提供一些參考。

1 資料選取

資料包括2018年1月2—4日探空資料、地面觀測資料、陜西自動站逐時降水資料、ECWMF(0.125°×0.125°)逐6 h再分析資料和FY-2G衛(wèi)星紅外波段黑體亮度溫度TBB。

2 降雪實況

2018年1月2日14:00(北京時，下同)，寶雞地區(qū)開始出現(xiàn)降雪， 3日08:00之前降雪主要集中在關中地區(qū)，降雪強度小于1 mm·h-1，之后降雪范圍逐漸擴大至全省，并在3日夜間迎來本次過程的最強降雪時段。圖1為陜西省2018年1月3日08:00至4日08:00降雪量空間分布。可以看出，3日08:00至4日08:00，延安南部、關中、商洛北部地區(qū)均出現(xiàn)暴雪(≥10 mm)天氣，其中3個監(jiān)測站出現(xiàn)大暴雪(≥20 mm)，分別為蒲城21.9 mm，華山20.3 mm和永壽20.2 mm。4日08:00，關中及延安大部分地區(qū)積雪深度達10 cm以上，其中渭南、華山、淳化和白水積雪深度達20 cm以上，渭南蒲城最深為23 cm。4日08:00之后，降雪趨于結束。

圖1 陜西省2018年1月3日08:00至4日08:00降雪量空間分布(單位：mm)Fig.1 The spatial distribution of snowfall in Shaanxi Province from 08:00 BST on 3 to 08:00 BST on 4 January 2018 (Unit: mm)

3 大尺度環(huán)流形勢

2017年12月29日，500 hPa烏拉爾山附近有高壓脊發(fā)展，高壓脊西部強烈暖平流使環(huán)流經(jīng)向度不斷增大，至2018年1月3日08:00(圖略)，烏拉爾山阻塞高壓建立，由于持續(xù)的暖平流輸送作用，阻塞高壓形勢一直維持至6日。高壓脊發(fā)展導致極地強冷空氣沿高壓脊東側南下并堆積，在新疆北部形成中心溫度達-40 ℃的切斷低壓。該切斷低壓穩(wěn)定維持在新疆北部長達5 d，其外圍不斷有低槽攜帶冷空氣東移，為陜西暴雪提供了充足的冷空氣。2日20:00，切斷低壓底部分裂一股冷空氣緩慢東移，東移過程中又有來自切斷低壓底部的冷空氣不斷進行補充，3日20:00[圖2(a)]，冷空氣到達甘肅東部，堆積加深為低槽并緩慢東移南壓，陜西強降雪落區(qū)也向東發(fā)展。與此同時，中低緯孟加拉灣附近南支槽偏強，西南風達20 m·s-1以上，隨著冷空氣東移，南支槽也開始東移，南支槽前強西南氣流逐漸與其北部冷槽前的西南氣流合并，共同引導強暖濕氣流北上，槽前正渦度平流為暴雪發(fā)生提供了有利動力條件，陜西開始出現(xiàn)強降雪，隨著低槽東移，強降雪區(qū)也向東發(fā)展。4日08:00(圖略)，低槽已移至陜西東部，并快速減弱移出陜西，降雪趨于結束。

隨著500 hPa兩股西南氣流的合并，3日20:00，700 hPa中心風速大于20 m·s-1的強西南低空急流在貴州至重慶一線建立，陜西位于急流軸左前側，并與寧夏南部的北風在關中西部形成東北—西南向切變。同時，850 hPa貝加爾湖附近強冷高壓底部回流冷空氣向西輸送，風速達10 m·s-1，在陜西形成明顯的風速輻合。在強暖濕氣流與冷空氣共同作用下，陜西出現(xiàn)大范圍暴雪天氣。4日，陜西受槽后西北氣流控制，降雪過程結束。6—7日，伴隨著切斷低壓減弱東移，低壓底部低槽過境使得陜西再次出現(xiàn)降雪天氣，但強度明顯偏弱，之后陜西受槽后西北氣流控制，天氣轉(zhuǎn)好。

在整個降雪期間，巴爾喀什湖和貝加爾湖之間有強冷高壓穩(wěn)定維持，高壓主體呈西北—東南向分布，其中心氣壓值高達1060 hPa[圖2(b)]，持續(xù)的強冷空氣不斷向東南方向輸送。在中低緯度，四川倒槽持續(xù)加強向東北方向伸展，倒槽前的暖濕氣流與冷高壓底部的東路回流冷空氣在陜西地區(qū)長時間強烈交匯，造成陜西暴雪天氣。

圖2 2018年1月3日20:00 500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)、風場(風向桿，單位：m·s-1)(a)和海平面氣壓場(b，等值線，單位：hPa)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (contours, Unit: dagpm), wind (wind stems, Unit: m·s-1) (a) and sea level pressure (b, isolines, Unit: hPa) fields at 20:00 BST on 3 January 2018

4 云圖特征

此次暴雪過程為層狀云伴有對流云團的混合性質(zhì)降水。3日08:00開始，長約1000 km、寬約150 km、TBB<-40 ℃的狹長降水云帶由四川中部不斷東移北伸向陜西發(fā)展，至17:00降水云帶北邊界發(fā)展至延安北部，TBB<-40 ℃的范圍略有增大，降水云帶長約1100 km，寬約200 km，呈東北—西南走向，此時延安以南地區(qū)出現(xiàn)大范圍降雪，大部分地區(qū)TBB>-50 ℃，降雪強度大都在1 mm·h-1以下。隨后云帶略有南壓，至20:00[圖3(a)]，云帶北側壓至延安南部，范圍縮小，呈橢圓形，覆蓋陜西中南部地區(qū)，此時關中西部和陜南西部對流加強，有多個中心TBB<-52 ℃、尺度<20 km的圓形中-γ尺度對流云團發(fā)展，永壽地區(qū)19:00—20:00，2 h降雪量達3.2 mm。隨后降水云帶繼續(xù)東移北伸，強度和范圍都略有減小，至23:00云帶形態(tài)和位置都與17:00相似，降雪范圍也進一步擴大至全省。之后，降水云帶整體開始東移，雖然TBB<-40 ℃的區(qū)域逐漸減小，整體強度逐漸減弱，但其中不斷發(fā)展的中尺度對流云團造成了強降雪的發(fā)生。4日00:00[圖3(b)]，云帶移至關中—陜南中部，內(nèi)有多個TBB<-50 ℃、水平尺度小于20 km的中-γ尺度對流云團發(fā)展，關中多個站點降雪強度大于2 mm·h-1，乾縣達2.4 mm·h-1。4日01:00[圖3(c)]，云帶繼續(xù)東移，關中中北部有TBB>-50 ℃的中-β尺度對流云團發(fā)展，此時的中尺度對流云團發(fā)展最為旺盛，水平尺度達100 km，成橢圓形，降雪強度也達到本次過程最強，小時降雪量耀州達3.0 mm，蒲城為2.6 mm。此后對流云團在云帶東移過程中強度有所減弱，03:00[圖3(d)]云帶移至陜西東部，在渭南和商洛的交界處對流云團又增強，有TBB<-52 ℃、水平尺度約為80 km的橢圓形中-β對流云團發(fā)展，此時蒲城小時降水量達2.4 mm，隨后云帶和其中的對流云團減弱東移出陜西，降雪過程逐漸結束。

5 不穩(wěn)定機制

3日23:00至4日05:00，6 h降雪量耀州為11.8 mm，蒲城為12.6 mm、華陰為11.4 mm，均達到暴雪以上。圖4為2018年1月3日20:00西安站T-lnP和1月4日00:49西安站CB天氣雷達0.5°仰角反射率因子?？梢钥闯觯?00 hPa以下T-Td除714 hPa為2 ℃外，其余均為1 ℃，500～250 hPaT-Td≤3 ℃ ，整層大氣接近飽和。500 hPa為西南風，風速為25 m·s-1,700 hPa為強偏南風，風速為14 m·s-1， 850 hPa以下為強偏東風，最大風速為16 m·s-1，結合850 hPa溫度場來看，強的東路冷空氣提供了強的冷墊，有利于700 hPa暖濕氣流爬升。0～6 km風矢量差達34 m·s-1，風切變?yōu)槲髂巷L，與熱成風方向一致，風場具有較強斜壓性。最強降雪反射率因子達33 dBZ；從暴雪區(qū)的位置來看，3日20:00地面冷鋒(圖略)前緣已抵達華南一帶，鋒后北風加強，陜西位于冷鋒后部的冷區(qū)內(nèi)，距離冷鋒約500km；925～900hPa及700～600hPa均存在比較深厚逆溫層，地面至900 hPa為深厚冷墊，厚度達100 hPa左右，屬于一次冷季高架對流過程[25]。

圖3 2018年1月3日20:00(a)和4日00:00(b)、01:00(c)、03:00(d) FY-2G衛(wèi)星TBB空間分布(單位：℃)Fig.3 Spatial distribution of TBB from FY-2G satellite at 20:00 BST on 3 (a)and 00:00 BST (b), 01:00 BST (c), 03:00 BST (d) on 4 January 2018 (Unit: ℃)

圖4 2018年1月3日20:00西安站T-ln P圖(a)和1月4日00:49西安站CB天氣雷達0.5°仰角反射率因子(b, 單位: dBZ)Fig.4 The T-ln P diagram of Xi’an sounding station at 20:00 BST on 3 (a) and reflectivity factor on 0.5° elevation angle at 00:49 BST on 4 January 2018 from the Xi’an CB weather radar (b, Unit: dBZ)

此次過程的西安站雷達回波顯示雪帶回波基本呈現(xiàn)出多個平行于0～6 km深層垂直風切變的回波帶，回波頂高位于6 km左右，最強反射率因子大于30 dBZ，屬于強回波?；夭@示雪帶隨氣流移動，無傳播效應，屬于較典型的由條件對稱不穩(wěn)定導致的傾斜對流所形成的帶狀回波[25]。

進一步沿109°E做絕對地轉(zhuǎn)動量Mg[25](Mg=Ug-fy)和假相當位溫θse(整層大氣幾乎飽和，相當位溫與飽和相當位溫幾乎相等，而一般認為相當位溫約等于假相當位溫[26]，故此處用假相當位溫表示飽和位溫)的緯度-高度剖面(圖5)，發(fā)現(xiàn)在強降雪區(qū)(34°N—36°N)上空，700～500 hPa，θse斜率大于絕對地轉(zhuǎn)動量Mg斜率，滿足條件對稱不穩(wěn)定判據(jù)，因此可以認為條件對稱不穩(wěn)定導致的傾斜對流是造成本次高架對流發(fā)生的機制。

圖5 2018年1月 3日20:00 Mg(彩色等值線，單位：m·s-1)與 θse(黑色等值線，單位：K)沿109°E的緯度-高度剖面(紅色框為強降雪區(qū)域)Fig.5 The latitude-height cross section of Mg (color isolines, Unit: m·s-1) and θse (black isolines, Unit: K) along 109°E at 20:00 BST on 3 January 2018(the red rectangle for snow storm area )

6 物理量分析

6.1 水汽條件

1月3日08:00，低層水汽通道已經(jīng)建立。700 hPa(圖略)受南支槽影響，在長江以南有一條西南—東北向水汽通量的高值帶，暴雪的水汽主要來自于孟加拉灣地區(qū)；重慶地區(qū)有一個水汽通量高值區(qū)，強西南氣流在重慶北部有分支轉(zhuǎn)為西北氣流向陜西輸送，陜西中南部水汽通量大于10 g·cm-1· hPa-1·s-1。850 hPa(圖略)，東海經(jīng)河南至陜西境內(nèi)有一條水平的水汽通量高值區(qū)，東海水汽沿東風氣流輸送至陜西。此時700和850 hPa陜西中南部水汽通量散度為-1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右，輻合較弱，陜西大部分地區(qū)出現(xiàn)零星小雪。此后隨著西南急流的建立，水汽輸送逐漸增強并略微北抬，3日20:00(圖6)，強降雪發(fā)生時，700 hPa位于重慶北部的水汽輸送大值中心北抬至陜南南部，風向轉(zhuǎn)為西南向，強降雪發(fā)生在水汽通量密集區(qū)的北側。同時陜西中南部水汽輻合增強，水汽通量散度為-6×10-7～-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。850 hPa東路的水汽輸送帶繼續(xù)維持，水汽輻合有所加強。隨著影響系統(tǒng)逐漸東移，低層水汽輸送增強，并在4日02:00(圖略)達到最強，此后隨著冷空氣南壓，低層水汽輸送也逐漸南壓，4日08:00，陜西大部低層水汽通量低于2 g·cm-1· hPa-1·s-1，水汽通量散度大于-1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，降雪逐漸趨于結束。

6.2 冷暖平流作用

3日08:00，受南支槽影響，陜西地區(qū)850～500 hPa為暖平流，此時西南暖濕氣流較強，降水還處于發(fā)展階段，降雪強度弱。3日20:00， 500 hPa[圖7(a)]甘肅東部為強大的冷平流區(qū)，陜西及以東地區(qū)為暖平流，冷暖兩股氣流在陜西西部交匯，強降雪出現(xiàn)在溫度平流梯度最大的區(qū)域。此時700 hPa陜西受西南暖濕急流影響，為暖平流，為暴雪區(qū)輸送了充足的水汽和能量條件。850 hPa受冷高壓影響，維持冷平流。有研究表明，陜西暴雪天氣往往和西路、東路兩股冷空氣的夾擊有關[5],這兩股冷空氣與偏南暖濕氣流相互作用，有利于低層輻合上升和對流發(fā)展，增強雨區(qū)的輻合和濕斜壓不穩(wěn)定。隨著低槽東移，500 hPa冷平流持續(xù)向東發(fā)展，冷暖氣流交匯的鋒區(qū)也不斷東移進入陜西，強降雪區(qū)也逐漸向東發(fā)展，4日02:00[圖7(b)]，陜西中南部轉(zhuǎn)為冷平流，強度為-5×10-5℃·s-1，此時鋒區(qū)位于關中北部，等值線最為密集，對應于降雪最強時段。隨后，鋒區(qū)減弱東移，至4日08:00陜西上空已完全轉(zhuǎn)為冷平流，降雪逐漸結束?？梢钥闯?，此次強降雪是500 hPa西路和850 hPa東路冷空氣以及700 hPa暖濕空氣的共同作用形成，500 hPa冷暖空氣交匯的鋒區(qū)與降雪區(qū)對應，說明500 hPa冷空氣的侵入是此次降雪的觸發(fā)機制。當鋒區(qū)移出陜西，降雪趨于結束。

圖6 2018年1月 3日20:00 700 hPa(a、c)、850 hPa(b、d)水汽通量(a、b，單位：g·cm-1· hPa-1·s-1)及水汽通量散度(c、d，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.6 The water vapor flux (a, b, Unit: g·cm-1· hPa-1·s-1) and moisture flux divergence (c, d, Unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) on 700 hPa (a, c) and 850 hPa (b, d) at 20:00 BST on 3 January 2018

圖7 2018年1月3日20:00(a)和4日02:00(b)500 hPa溫度平流(單位：10-5 ℃·s-1)Fig.7 The temperature advection on 500 hPa at 20:00 BST on 3 (a)and 02:00 BST on 4 (b) January 2018 (Unit: 10-5 ℃·s-1)

6.3 動力抬升條件

散度和渦度是研究大氣動力過程中兩個很重要的物理量，散度表征大氣在運動過程中的輻合和輻散，渦度描述大氣的空氣微團旋轉(zhuǎn)運動的強弱程度，強烈的垂直上升運動，為暴雪的產(chǎn)生提供原動力[27]。圖8為2018年1月 4日02:00沿109°E的散度、渦度和垂直速度緯度-高度剖面。

3日08:00(圖略)，在34°N—35°N(暴雪區(qū))，800～400 hPa為寬廣的輻散區(qū)，輻合區(qū)位于800 hPa以下，800 hPa以下為負渦度，700～500 hPa為正渦度，數(shù)值小于6×10-5s-1，此時輻合層較低，低層負渦度不利于對流發(fā)展，整層為弱上升運動，此后隨著低槽發(fā)展東移，西南急流建立，3日20:00(圖略)，該區(qū)域輻合加強，散度場呈現(xiàn)出明顯的高層輻散、低層輻合特征，輻合中心位于600 hPa附近，與散度場相對應，渦度場500 hPa以下為正渦度，以上為負渦度，散度及渦度場的有利配置，使得上升運動增強，此時沿109°E為寬廣的上升運動區(qū)，與云系的南北走向?qū)瑥娚仙\動位于34°N，與強降雪區(qū)吻合，上升運動中心位于500 hPa附近，數(shù)值為4×10-3hPa﹒s-1。此后，隨著系統(tǒng)東移，輻合進一步加強，4日02:00，強輻合區(qū)移至35°N附近，輻合層高度伸展至500 hPa，600 hPa附近有-4×10-5s-1的輻合中心，400 hPa附近有5×10-5s-1的輻散中心，渦度場上，整層均為正渦度，500 hPa上有10×10-5s-1的正渦度中心，此時散度和渦度更加有利的配置使得整層上升運動也進一步加強，在500～400 hPa生成強度為-8×10-3hPa·s-1的強上升運動中心，此時也是暴雪過程的最強降雪時段。隨后，隨著系統(tǒng)逐漸減弱移出陜西，34°N—35°N區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)為輻散下沉運動區(qū)，陜西強降雪逐漸減弱結束。

綜上所述，暴雪區(qū)高層輻散、低層輻合配置的發(fā)展和維持，產(chǎn)生了強上升運動，同時中低層深厚正渦度的維持是陜西暴雪形成的動力機制。與以往的陜西深冬暴雪相比[6,7,28]，此次暴雪過程的上升運動更強(以往過程垂直速度大但中心位置較低，中心位置高則數(shù)值較小)，這可能與條件對稱不穩(wěn)定導致的高架對流有關。

圖8 2018年1月 4日02:00沿109°E的散度(a)、渦度(b)(單位： 10-5 s-1)和垂直速度(c， 單位： 10-3 hPa·s-1)緯度-高度剖面Fig.8 The latitule-height cross sections of divergence (a), vorticity (b) (Units: 10-5 s-1)and vertical velocity (c, Unit: 10-3 hPa·s-1) along 109°E at 02:00 BST on 4 January 2018

7 結 論

(1)500 hPa切斷低壓底部分裂低槽東移發(fā)展，為2018年1月此次暴雪天氣提供了持續(xù)的冷空氣輸送，冷槽與強南支槽前西南氣流疊加，共同引導低層暖濕氣流北上的同時，槽前正渦度平流也為暴雪的發(fā)生提供了有利的動力條件；700 hPa西南急流和850 hPa偏東急流為暴雪產(chǎn)生提供充沛水汽條件的同時，也提供了良好的動力條件。

(2)長約1100 km、寬約200 km、TBB<-40 ℃的狹長降水云帶的發(fā)展東移，是造成本次降雪天氣的主要原因，云帶內(nèi)發(fā)展的TBB最低為-52 ℃、尺度介于20～100 km的中-β尺度對流云團是造成小時降水量超過2.0 mm，產(chǎn)生區(qū)域性暴雪的主要原因。

(3)本次暴雪屬于一次冷季高架對流過程，700 hPa暖濕氣流沿著冷墊爬升，條件對稱不穩(wěn)定導致的傾斜對流造成了強降雪的發(fā)生，不穩(wěn)定層大致位于700～500 hPa，雷達回波表現(xiàn)為平行于深層垂直風切變的平行帶狀結構，并且雪帶隨氣流移動。

(4)700 hPa西南急流和850 hPa偏東氣流攜帶來自孟加拉灣和東海兩個源地的水汽到達陜西地區(qū)，為陜西暴雪的產(chǎn)生提供了充沛的水汽，最大降雪區(qū)位于水汽通量密集區(qū)北側。

(5)強降雪區(qū)與500 hPa鋒區(qū)對應，說明中層冷空氣的侵入是本次暴雪發(fā)生的主要觸發(fā)機制，同時850 hPa的濕冷氣流從東部配合，700 hPa暖濕氣流沿著850 hPa的濕冷氣流爬升，共同導致了暴雪的發(fā)生。

(6)暴雪區(qū)高層輻散、低層輻合，維持較強的上升運動，同時中低層深厚的正渦度產(chǎn)生和維持是陜西暴雪形成的動力機制。與以往的陜西暴雪相比，此次暴雪過程的上升運動更強，可能與條件對稱不穩(wěn)定導致的高架對流有關。