楊 杰，范俊紅，段宇輝，王 宏

（1.承德市氣象局，河北 承德 067000；2.河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021；3.河北省氣象臺(tái)，河北 石家莊 050021）

降雪是我國(guó)北方冬季常見天氣之一，而強(qiáng)降雪作為一種災(zāi)害性天氣，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活具有重大影響，其影響越來(lái)越受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。承德市冬季降水少，水資源短缺，強(qiáng)降雪雖可以補(bǔ)充水資源，但也會(huì)造成積雪成災(zāi)，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)強(qiáng)降雪對(duì)科學(xué)利用、儲(chǔ)存水資源和做好防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)具有重要意義。

我國(guó)研究人員早期對(duì)強(qiáng)降雪的研究大多針對(duì)西北高原[1-5]，對(duì)于華北強(qiáng)降雪研究相對(duì)較少。進(jìn)入21世紀(jì)，對(duì)華北強(qiáng)降雪研究逐漸增多。張恒德等[6]對(duì)2010年3月14日華北強(qiáng)降雪進(jìn)行模擬，得出螺旋度大值區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)降雪中心。段麗等[7]分析2009年深秋北京大雪過程，指出強(qiáng)降雪發(fā)生前500 hPa正渦度平流區(qū)、對(duì)流層中上層水平輻散中心及對(duì)流層中下層水平輻合中心呈垂直結(jié)構(gòu)控制北京，為北京提供有利動(dòng)力環(huán)境。吳振玲等[8]對(duì)2011年2月下旬天津一次大到暴雪進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)降雪前天津及其周邊有較強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定能量和對(duì)稱不穩(wěn)定性。王宏等[9]引入濕位渦對(duì)河北東北部暴雪過程進(jìn)行分析，指出降雪過程中MPV1值為正，且純雪過程的MPV1值大于雨夾雪的MPV1值。隨著研究深入，對(duì)華北強(qiáng)降雪的認(rèn)識(shí)也越深，研究人員認(rèn)為華北冬季降雪以回流降雪為主，華北回流是引起華北冬季強(qiáng)降雪的主要天氣形勢(shì)之一[10-12]。張守保等[13]普查1980—2002年華北回流天氣，依據(jù)500 hPa環(huán)流將其高空形勢(shì)分為“兩槽一脊”和“高緯低壓帶”。張迎新等[14]發(fā)現(xiàn)低層冷空氣雖然經(jīng)渤海侵入華北平原，但仍保持干冷，在降水中起“冷墊”作用。閻訪等[15]發(fā)現(xiàn)回流暴雪開始階段的云水含量能夠顯示水汽迅速增加。張迎新等[16]從風(fēng)廓線反演產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)邊界層和中低層風(fēng)速加大與降水加強(qiáng)有很好的應(yīng)關(guān)系。宋曉輝等[17]對(duì)2009年11月9—12日河北省回流暴雪進(jìn)行模擬，指出暴雪區(qū)近地層為干冷氣團(tuán)形成的冷墊，暖濕氣流沿鋒面上界向高層輸送，暴雪的出現(xiàn)與高溫高濕能量輸送密切相關(guān)。此外，王叢梅、王麗榮、田秀霞等[18-20]也對(duì)河北南部回流暴雪進(jìn)行了深入分析。這些工作雖然從不同方面對(duì)河北降雪進(jìn)行研究，但多集中在河北中南部，對(duì)于河北北部降雪的研究則較少，有必要進(jìn)行深入分析。

雖然河北冬季降雪主要為回流降雪，但氣旋、低壓倒槽等系統(tǒng)也常給河北造成強(qiáng)降雪，如2007年3月3—4日，江淮氣旋沿東北方向移動(dòng)與北方強(qiáng)冷空氣相遇，冷暖空氣交匯造成河北中北部出現(xiàn)大到暴雪、東南部出現(xiàn)大到暴雨；2012年11月3—4日，在地面氣旋和高層系統(tǒng)共同影響下，河北出現(xiàn)強(qiáng)雨雪天氣，多地日降水量突破同期極值，其中承德地區(qū)同時(shí)出現(xiàn)暴雨和特大暴雪。承德位于河北省東北部燕山腹地，北與內(nèi)蒙古高原接壤，高原以下為燕山山地，獨(dú)特的地理位置和地形使承德既易受回流冷空氣影響，也易受北上的低壓系統(tǒng)影響，強(qiáng)降雪頻發(fā)，預(yù)報(bào)難度大。因此，對(duì)承德市強(qiáng)降雪過程進(jìn)行深入分析，對(duì)提高強(qiáng)降雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、做好防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)氣象服務(wù)具有重要意義和科學(xué)價(jià)值。

1 資料和方法

對(duì)1986—2016年承德市9個(gè)氣象觀測(cè)站降雪資料進(jìn)行篩選，并對(duì)強(qiáng)降雪的時(shí)空分布及降水特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。篩選條件為有1個(gè)以上觀測(cè)站（包括1站）日降雪量≥5.0 mm（過渡季節(jié)有雨雪混合時(shí)，須觀測(cè)記錄顯示純降雪量≥5.0 mm）。

選取2000—2016年范圍廣、影響大的強(qiáng)降雪過程，利用常規(guī)觀測(cè)資料和NCEP（1°×1°）再分析資料進(jìn)行天氣學(xué)分型，再采用氣候統(tǒng)計(jì)、天氣學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)診斷、相關(guān)性分析等方法進(jìn)行物理量分析，以找出有指示意義的物理量及其特征值作為預(yù)報(bào)指標(biāo)，建立預(yù)報(bào)方法。

2 強(qiáng)降雪的統(tǒng)計(jì)特征

2.1 時(shí)間分布

對(duì)1986—2016年承德市降雪進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：共有67次日降雪量≥5.0 mm，其中有20次日降雪量≥10.0 mm。強(qiáng)降雪過程最多的是1990和2007年，均為5次；最少的是1994、1995、2005、2008和2014年的0次，無(wú)強(qiáng)降雪過程的最長(zhǎng)時(shí)間間隔為2 a。全市共有173站次出現(xiàn)大雪，50站次出現(xiàn)暴雪（圖1a）。在統(tǒng)計(jì)出的67次強(qiáng)降雪過程中，有1次發(fā)生在10月，28次在11月，4次在12月，6次在1月，2和3月均出現(xiàn)14次，可見強(qiáng)降雪集中發(fā)生在11、2和3月，最早出現(xiàn)在10月，最晚結(jié)束于次年3月（圖1b）。

圖1 1986—2016年承德市大雪、暴雪過程降雪站數(shù)及大雪、暴雪站數(shù)（a）和大雪、暴雪過程的月分布（b）

2.2 空間分布

1986—2016年承德地區(qū)大雪、暴雪發(fā)生次數(shù)從南到北遞減，南部的強(qiáng)降雪過程明顯多于北部（圖2）。強(qiáng)降雪發(fā)生次數(shù)最多的是興隆站（34次），其次是承德站（33次），最少的是豐寧站（14次）。從降雪量級(jí)來(lái)看，雖然豐寧站強(qiáng)降雪次數(shù)最少，但極端性降雪次數(shù)卻最多。

圖2 1986—2016年承德市強(qiáng)降雪發(fā)生次數(shù)空間分布

2.3 降水特征

由于資料原因，選取2000—2016年降雪天氣過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共統(tǒng)計(jì)出37次強(qiáng)降雪個(gè)例。通過對(duì)這些個(gè)例的降雪站數(shù)、降雪量≥5 mm和降雪量≥10 mm的站數(shù)、最大降水量以及降水相態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：過渡季節(jié)的強(qiáng)降雪過程常伴有降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，該時(shí)段的降雪量明顯大于冬季純雪過程的降雪量（表1）。

表1 2000—2016年承德市強(qiáng)降雪過程的降水特征

3 大尺度環(huán)流背景

對(duì)2000—2016年承德地區(qū)37次強(qiáng)降雪過程的環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)進(jìn)行歸納總結(jié)：高空西風(fēng)槽幾乎伴隨所有強(qiáng)降雪過程，在影響系統(tǒng)中是共有的，而地面影響系統(tǒng)卻有較大差別。地面系統(tǒng)主要為回流冷鋒和地面低壓系統(tǒng)（低壓倒槽或氣旋），另有少數(shù)過程的地面形勢(shì)為弱流場(chǎng)。根據(jù)地面環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)可將強(qiáng)降雪分為回流型（59.46%）、地面低壓型（32.43%）和弱流場(chǎng)型（8.11%），其中回流型和地面低壓型強(qiáng)降雪發(fā)生次數(shù)多、影響范圍廣，因此主要分析回流型和地面低壓型強(qiáng)降雪。

3.1 回流型

降水發(fā)生前，200 hPa急流軸呈東西走向，承德位于急流軸左前側(cè)的輻散區(qū)（圖3a）。500 hPa上40°～60°N范圍內(nèi)為低壓帶，環(huán)流經(jīng)向度較小，河北受偏西氣流影響。700 hPa在內(nèi)蒙古至山西一帶常有切變線，河北上空為西南低空急流，暖濕氣流直達(dá)河北北部。850 hPa以下為東北或偏東氣流，冷空氣由我國(guó)東北回流到河北地區(qū)。海平面氣壓場(chǎng)呈“北高南低”型，河套附近多有向東北方向伸展的倒槽。降水期間，200 hPa急流軸穩(wěn)定少動(dòng)。500 hPa低壓帶中的冷空氣不斷補(bǔ)充南下，河套附近常有短波槽活動(dòng)（圖3b）。700 hPa切變線東移，暖濕氣流在河北上空產(chǎn)生輻合，850 hPa以下東北或偏東氣流加強(qiáng)。地面冷高壓緩慢東移加強(qiáng)，海平面氣壓場(chǎng)持續(xù)呈“北高南低”形勢(shì)，河套附近仍有向東北方向發(fā)展的倒槽，冷暖空氣在承德上空長(zhǎng)時(shí)間交綏形成強(qiáng)降雪。

圖3 200 hPa風(fēng)速（填色，單位：m/s）、500 hPa位勢(shì)高度（等值線，單位：dagpm）、700 hPa風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）的合成流場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)（等值線，單位：hPa）

進(jìn)一步分析地面冷高壓中心分布特征可知，高壓中心出現(xiàn)范圍為90°～120°E、40°～55°N，中心強(qiáng)度在1 040 hPa及以上占59.1%。因此如果在90°～120°E、40°～55°N范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)度在1 040 hPa以上的冷高壓，同時(shí)在河北上游高空有低壓帶或短波槽出現(xiàn)，承德即有產(chǎn)生回流型強(qiáng)降雪的可能性。

從回流型強(qiáng)降雪過程的典型探空曲線（圖4）可以看出，850 hPa以下為東北風(fēng)，將東北平原的冷空氣向降雪區(qū)輸送，形成冷墊；850 hPa以上是暖濕的西南風(fēng)，偏南暖濕氣流沿著冷墊向北向上爬升，因此其上部常有逆溫出現(xiàn)。降雪開始前，冷墊層多為干冷氣團(tuán)，850 hPa以上為濕層；降雪開始后，濕層變得深厚（圖4a、4b）。冷墊不僅為降雪提供必要的溫度條件，也為暖濕空氣爬升提供抬升機(jī)制，有利于強(qiáng)降雪的形成。

圖4 回流型強(qiáng)降雪過程的典型探空曲線

3.2 地面低壓型

降水發(fā)生前，200 hPa急流軸呈東西走向，承德位于急流軸左側(cè)附近（圖5a）。500 hPa經(jīng)向環(huán)流明顯，105°～115°E范圍內(nèi)有一南北向低槽，河北受槽前西南氣流影響（圖5b）。700 hPa切變線與高空低槽接近垂直，切變線右側(cè)西南氣流直達(dá)河北北部，850 hPa及以下為偏南氣流，暖濕氣流持續(xù)向河北輸送水汽。海平面氣壓場(chǎng)呈“西北高、東南低”特征，河北北部位于倒槽或低壓范圍內(nèi)。降水期間，200 hPa急流軸穩(wěn)定少動(dòng)，500 hPa低槽東移加深，環(huán)流經(jīng)向度加大，槽前西南氣流加強(qiáng)。700 hPa切變線東移加強(qiáng)，其右側(cè)西南氣流可增至急流，持續(xù)向承德輸送水汽。850 hPa以下偏東或偏南暖濕氣流隨著低壓系統(tǒng)北上，可形成氣旋性環(huán)流。海平面氣壓場(chǎng)仍呈“西北高、東南低”特征，地面冷高壓減弱，而倒槽或低壓（氣旋）則發(fā)展加強(qiáng)并緩慢東移，大量水汽被輸送至承德上空，冷暖空氣長(zhǎng)時(shí)間交綏形成強(qiáng)降雪。

圖5 200 hPa風(fēng)速（填色，單位：m/s）、500 hPa位勢(shì)高度（等值線，單位：dagpm）、700 hPa風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）的合成流場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)（等值線，單位：hPa）

4 物理量場(chǎng)診斷

4.1 水汽條件

回流型強(qiáng)降雪過程中（圖6a），整層氣柱總含水量為6～12 mm，且在河北北部地區(qū)存在西北—東南走向的濕舌，這種分布特點(diǎn)是回流型強(qiáng)降雪的一個(gè)典型特征。800 hPa水汽輸送強(qiáng)度為1～3 g/（hPa·cm·s），同時(shí)伴有-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）的水汽通量散度輻合，即低層水汽通道暢通，有水汽源源不斷向降雪區(qū)輸送的同時(shí)，也伴有水汽輻合，水汽條件十分有利于形成強(qiáng)降雪。地面低壓型強(qiáng)降雪過程中（圖6b），水汽含量為8～12 mm。由于地面形勢(shì)為倒槽或氣旋等低壓系統(tǒng)，低層常伴有東南或偏東、偏南的暖濕氣流，隨著低壓系統(tǒng)北上，大量水汽隨著低壓系統(tǒng)源源不斷北上，因此850 hPa主要為偏南或偏東氣流輸送水汽，水汽輸送強(qiáng)度為1～2 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度輻合強(qiáng)度為-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s），即低層既存在水汽輸送，也存在水汽輻合。

圖6 氣柱總含水量（等值線，單位：mm）和850 hPa（回流型為800 hPa）水汽通量（風(fēng)矢量，單位：g/（hPa·cm·s））、水汽通量散度（填色，單位：g/（hPa·cm2·s））的水平分布

從兩種強(qiáng)降雪過程降水期間的水汽特征來(lái)看，兩種強(qiáng)降雪的水汽含量分布特征很相似，并且在低層均存在持續(xù)水汽輸送和水汽輻合，這非常有利于低層水汽集中上升形成強(qiáng)降雪。由于地面影響系統(tǒng)不同，低層大氣環(huán)流存在較大差異，兩種強(qiáng)降雪過程的水汽輸送通道和層次具有明顯差異，回流型強(qiáng)降雪的水汽輸送通道及輻合高度更高些。

4.2 動(dòng)力抬升條件

強(qiáng)降水的形成需要有利的動(dòng)力條件將低層水汽持續(xù)向上輸送?；亓餍蛷?qiáng)降雪的上升運(yùn)動(dòng)主要在800 hPa以上的暖濕氣流中（圖7a），上升速度為-0.1～-0.05 Pa/s。比濕呈“上高下低”特征，800 hPa以下為東北氣流影響下的比濕低值區(qū)，且南部比濕值明顯大于北部，說明近地層回流冷空氣多為干冷，干冷氣團(tuán)形成“鍥形”冷墊，暖濕氣流沿著冷墊向北向上爬升，將低層水汽向北向上輸送，這對(duì)降雪加強(qiáng)和維持有促進(jìn)作用[21]。地面低壓型強(qiáng)降雪的上升運(yùn)動(dòng)條件明顯強(qiáng)于回流型強(qiáng)降雪（圖7b），上升速度為-0.5～-0.1 Pa/s，并且上升運(yùn)動(dòng)底層高度隨海拔升高逐漸抬升，說明地形對(duì)低層偏南氣流有一定抬升作用。比濕值呈“上低下高”特征，說明地面倒槽或低壓（氣旋）等系統(tǒng)攜帶的偏東、偏南氣流為暖濕空氣。

圖7 沿118°E垂直速度（等值線，單位：Pa/s）和比濕（填色，單位：g/kg）的緯度—高度剖面

4.3 熱力條件

溫度平流能直接引起大氣熱力結(jié)構(gòu)變化，其垂直分布可以反映大氣層結(jié)發(fā)展趨勢(shì)，而假相當(dāng)位溫θse可表征大氣溫濕特征。

回流型降雪期間，承德地區(qū)800 hPa以下為東北風(fēng)，溫度平流為負(fù)值，說明近地層為冷平流，回流冷空氣形成冷墊；800～600 hPa為沿冷平流傾斜上升的正溫度平流區(qū)，即暖平流沿冷墊爬升，斜升氣流不斷發(fā)展，具備對(duì)稱不穩(wěn)定發(fā)展特征。地面低壓型降雪期間，950 hPa以下由南到北依次為西南—偏南—偏東—東北氣流，這種風(fēng)向轉(zhuǎn)變說明近地層為低壓系統(tǒng)控制。承德地區(qū)950 hPa以下為偏東風(fēng)，說明承德位于地面低壓系統(tǒng)北側(cè)。950～700 hPa為西南或偏南暖濕氣流區(qū)，而500 hPa附近為弱冷平流，這種垂直分布結(jié)構(gòu)有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定發(fā)展。從850 hPa露點(diǎn)與假相當(dāng)位溫θse疊加來(lái)看（圖8a、8b），低層干鋒的維持與發(fā)展是回流強(qiáng)降雪的典型特點(diǎn)，地面低壓型強(qiáng)降雪的低層空氣顯然更為暖濕。

圖8 沿118°E溫度平流（等值線，單位：10-5 K/s）緯度—高度剖面和850 hPa的露點(diǎn)（等值線，單位：℃）與假相當(dāng)位溫疊加θse（填色，單位：K）

5 強(qiáng)降雪預(yù)報(bào)模型

當(dāng)出現(xiàn)以下環(huán)流形勢(shì)時(shí)，可初步判斷存在產(chǎn)生強(qiáng)降雪的可能性。

回流型強(qiáng)降雪，500 hPa上河北常處于低壓帶的偏西氣流影響下或位于短波槽前，700 hPa西南急流直達(dá)河北北部，850 hPa及以下為東北或偏東氣流。海平面氣壓場(chǎng)在90°～120°E、40°～55°N范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)度大于1 040 hPa的冷高壓，并且地面環(huán)流形勢(shì)呈“北高南低”型，在河套附近有向東北方向伸展的倒槽。濕度分布多呈“上濕下干”特征，低層存在干鋒，水汽輻合集中在800～700 hPa之間，上升運(yùn)動(dòng)主要在800 hPa以上的偏南氣流區(qū)，回流冷空氣在河北上空形成“楔形”冷墊，暖濕氣流沿冷墊傾斜上升（圖9a）。

地面低壓型強(qiáng)降雪，500 hPa上河北上空有西風(fēng)槽東移發(fā)展，冷空氣沿500 hPa引導(dǎo)氣流南下，中低層有切變線或氣旋性環(huán)流。海平面氣壓場(chǎng)呈“西北高東南低”型，承德位于倒槽頂部附近或低壓（氣旋）右側(cè)，常有東南到偏東、偏南的暖濕氣流隨著低壓系統(tǒng)北上影響承德。濕度分布呈“下濕上干”特征，濕層深厚，水汽集中在700 hPa以下。上升運(yùn)動(dòng)主要在800 hPa以上的偏南氣流區(qū)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)有利于降低層水汽向上層輸送，暖濕氣流與冷空氣在承德上空交綏，形成強(qiáng)降雪（圖9b）。

圖9 強(qiáng)降雪天氣預(yù)報(bào)模型

6 結(jié)論與討論

對(duì)1986—2016年承德市強(qiáng)降雪過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取2000—2016年范圍廣、影響大的強(qiáng)降雪過程作為典型個(gè)例，對(duì)典型個(gè)例的環(huán)流背景和物理量場(chǎng)進(jìn)行深入分析，得到以下結(jié)論：

（1）強(qiáng)降雪過程集中發(fā)生在11、2和3月，最早出現(xiàn)在10月，最晚結(jié)束于次年3月。承德南部的強(qiáng)降雪過程明顯多于北部。過渡季節(jié)的強(qiáng)降雪過程常伴有降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，其降雪量級(jí)明顯大于隆冬季節(jié)。

（2）西風(fēng)槽幾乎伴隨所有強(qiáng)降雪過程，在影響系統(tǒng)中是共有的，而地面影響系統(tǒng)差別較大。根據(jù)海平面氣壓場(chǎng)特征可將強(qiáng)降雪分為回流型、地面低壓型和弱流場(chǎng)型，其中回流型和地面低壓型為主要類型。

（3）當(dāng)?shù)孛姝h(huán)流形勢(shì)為回流型或地面低壓型且物理量特征值滿足以下條件時(shí)，承德地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雪可能性極大：回流型——水汽含量≥6～12 mm，700 hPa比濕≥2 g/kg、垂直速度≤-0.1 Pa/s，800 hPa水汽通量≥1～3 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.4～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。地面低壓型——水汽含量≥8～12 mm，700 hPa比濕≥2 g/kg、垂直速度≤-0.4 Pa/s，850 hPa水汽通量≥1～2 g/（hPa·cm·s）、水汽通量散度≤-0.6～-0.2 g/（hPa·cm2·s）。

由于地理位置和地形較特殊，承德易受東北回流的冷空氣影響而產(chǎn)生強(qiáng)降雪，但其形成機(jī)理與華北平原地區(qū)的回流降雪存在顯著差異。以上得出的結(jié)論僅是基于承德地區(qū)部分典型個(gè)例的分析，其普適性存在一定局限性，還需要更多的個(gè)例進(jìn)行驗(yàn)證。另外，承德南部的強(qiáng)降雪區(qū)位于燕山南麓迎風(fēng)坡，未對(duì)地形抬升作用進(jìn)行深入分析，這也是未來(lái)研究需要解決的一個(gè)問題。