張 鑫，王智楷，樓俊偉，許浩翊

（1.新疆石河子氣象局莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；2.四川省德陽市中江縣氣象局；3.浙江省金華市武義縣氣象局）

1 引言

1.1 課題背景

寒潮天氣過程是一種冷空氣大范圍活動(dòng)的過程，其主要特征是大幅度降溫和大風(fēng)，有時(shí)還伴隨有雨、雪、雨凇或霜凍出現(xiàn)[1]。早在20 世紀(jì)50 年代我國(guó)就已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)寒潮類型進(jìn)行過研究，他們通過對(duì)冷空氣的傳播、冷高壓的結(jié)構(gòu)、環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)等進(jìn)行研究，得出了經(jīng)典的東亞寒潮理論。近年來，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者從高空急流、低層鋒生、環(huán)流形勢(shì)等方面對(duì)我國(guó)的各種寒潮天氣做了診斷分析及原理研究，并取得了重要的成果[2-4]。很多學(xué)者通過對(duì)低層冷平流、垂直速度、假相當(dāng)位溫等物理量對(duì)寒潮天氣進(jìn)行診斷分析，清楚的講明了眾多物理量與寒潮天氣之間的聯(lián)系[5-7]。本文利用常規(guī)氣象資料以及ECMWF 再分析數(shù)據(jù)，對(duì)2018 年4 月發(fā)生在新疆烏魯木齊市的一次雨雪天氣過程進(jìn)行了診斷分析，旨在提高和了解新疆地區(qū)寒潮發(fā)生的一般規(guī)律，以為新疆的寒潮預(yù)報(bào)工作提供參考。

1.2 烏魯木齊市地理概況

烏魯木齊地處東經(jīng) 86°37'33 ～ 88°58'24， 北緯42°45'32 ～ 45°08'00，位于中國(guó)西北部、新疆中部、亞歐大陸中心，地處天山山脈中段以北、準(zhǔn)噶爾盆地南緣。烏魯木齊地勢(shì)復(fù)雜，各地間起伏相差較大，山地面積廣闊，占總面積50%以上，北部平原不到總面積的1/10。南部、東北部較高，中部、北部較低，自然坡度為12‰ ～15‰。 烏魯木齊海拔高度在580 ～920 m 之間，市區(qū)平均海拔高度800 m，天山博格達(dá)峰頂為烏魯木齊最高點(diǎn)，海拔高度達(dá)5 445 m；最低點(diǎn)處在猛進(jìn)水庫(kù)的大渠南側(cè)，海拔490.6 m。兩地水平相距75 km，海拔高度相差4 954.4 m。

烏魯木齊市區(qū)三面環(huán)山，北部平原開闊。東部有博達(dá)山、喀拉塔格山、東山；西部有喀拉扎山、西山；南部有伊連哈比爾尕山東段（天格爾山）、土格達(dá)坂塔格等。烏魯木齊地勢(shì)由東南向西北逐漸降低，大致可以分為3 個(gè)階級(jí)：第一級(jí)為山地，海拔在2 500 ～3 000 m或更高；第二級(jí)為丘陵與山間盆地，海拔在1 000 ～2 000 m；第三級(jí)為平原，海拔在600 m以下。

1.3 研究方法

利用micaps 常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和ECMWF 再分析資料，結(jié)合環(huán)流形勢(shì)分析，溫度平流、水汽、動(dòng)力條件等物理量分析，對(duì)此次烏魯木齊雨雪天氣過程進(jìn)行一次綜合性診斷分析。

2 天氣實(shí)況

2018年4月11 日至12 日，新疆北疆發(fā)生了一次大范圍寒潮天氣過程，寒潮天氣為北疆大部分地區(qū)帶來不同程度的降雨、雨夾雪或雪。本次寒潮天氣過程強(qiáng)降水落區(qū)主要位于烏魯木齊市及其南部山區(qū)，烏魯木齊于11 日11 時(shí)開始降雨，14 時(shí)轉(zhuǎn)為降雪，總降水量達(dá)到24.1 mm。

3 環(huán)流形勢(shì)分析

3.1 環(huán)流形勢(shì)演變

對(duì)500 hPa環(huán)流形式進(jìn)行分析，結(jié)果表明，4月10日20時(shí)亞歐范圍內(nèi)整體為經(jīng)向環(huán)流，歐洲東部和西伯利亞中部受高壓脊控制，西西伯利亞至亞洲中部存在多個(gè)短波槽，新疆處于槽前脊后。受巴倫支海冷空氣南下影響，東歐脊逐漸向南衰退，推動(dòng)西西伯利亞低槽向東移動(dòng)，鋒區(qū)得到加強(qiáng)，且受下游脊的阻擋作用，西西伯利亞低槽向南加深，冷空氣在新疆西北堆積。11日08時(shí)冷空氣持續(xù)補(bǔ)充，西西伯利亞低槽繼續(xù)加深東移，東歐脊向東衰退，此時(shí)冷空氣已進(jìn)入新疆，影響北疆大部分地區(qū)產(chǎn)生降水降溫天氣。11日20時(shí)里海上空高壓脊向東發(fā)展并擴(kuò)大，脊前分裂出多個(gè)短波槽影響南疆地區(qū)出現(xiàn)降水大風(fēng)天氣。南北疆短波槽匯合使北疆沿天山一帶出現(xiàn)強(qiáng)降水。12日08時(shí)，隨著西西伯利亞低槽及南疆短波槽東移南下移出新疆，此次伴隨降水、降溫、大風(fēng)的天氣過程趨于結(jié)束。

地面冷高壓中心以西北路徑移動(dòng)，影響新疆時(shí)中心強(qiáng)度基本維持在1 035 ～1 040 hPa之間。 10日20時(shí)來自里海、咸海的冷空氣對(duì)冷高壓進(jìn)行補(bǔ)充，冷空氣在新疆以西堆積。11日08時(shí)，冷高壓快速東移南下，冷鋒開始入侵新疆西部，為部分地區(qū)帶來寒潮天氣。 11日20時(shí)，冷高壓繼續(xù)加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的冷鋒也因受天山地形的影響，形成準(zhǔn)靜止鋒，由于鋒面移動(dòng)很慢，有利于天山中部?jī)蓚?cè)的降水發(fā)展。 12日08時(shí)冷高壓東移離開新疆，寒潮趨于結(jié)束。

3.2 高低空配置

11日14時(shí)，300 hPa 西南急流尺度很大，由南向北貫穿北緯40 ～50°，急流中心風(fēng)速超過50 m/s，其穿過天山中部一帶時(shí)有明顯的分流，烏魯木齊上空正處于該分流區(qū)中，輻散下沉作用強(qiáng)盛。 500 hPa西西伯利亞低槽進(jìn)入北疆，中亞短波槽與其配合，經(jīng)向環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，北方的冷空氣與來自南方的暖濕氣流交匯劇烈，槽前強(qiáng)冷鋒長(zhǎng)時(shí)間控制北疆大部地區(qū)。 700 hPa 有 2 支偏西急流，位于 45°N 附近，兩者風(fēng)向輻合，有利于輸送并匯集來自偏西路徑的水汽于北疆沿天山一帶，天山中部存在風(fēng)切變，有利于中低層輻合上升運(yùn)動(dòng)，為烏魯木齊強(qiáng)雨雪天氣過程水汽集中提供條件。850 hPa位于天山中部以北有大范圍飽和濕區(qū)（相對(duì)濕度大于90%），且飽和濕區(qū)范圍內(nèi)有4 g/kg的比濕，水汽凝結(jié)條件與濕度條件較好，低層水汽旺盛，且天山中部一帶為強(qiáng)的偏北急流，急流走向與等溫線夾角大，冷平流強(qiáng)盛，有利于雨轉(zhuǎn)雪，同時(shí)低空急流遇天山地形阻擋后抬升又進(jìn)一步增強(qiáng)了低層垂直上升運(yùn)動(dòng)。溫度場(chǎng)上0 ℃線已快速進(jìn)入北疆，烏魯木齊附近溫度已達(dá)-2 ℃左右，冷鋒已移至天山北坡，并受天山地形影響長(zhǎng)時(shí)間在天山以北滯留，地面加壓迅速，天山北坡一帶最大3 h變壓達(dá)正5 hPa。本次天氣過程中，冷空氣經(jīng)西北路徑進(jìn)入新疆，水汽條件充沛，300 hPa 高空急流，5 00 hPa低槽區(qū)，配合700 hPa 切變線和850 hPa 的偏北氣流以及地面冷鋒在烏魯木齊附近高低層疊加，加上天山地形的影響，為此次烏魯木齊雨轉(zhuǎn)雪天氣提供了有利的動(dòng)力條件。

4 溫度平流分析

分析北疆上空850 hPa到500 hPa的溫度平流，結(jié)果表明，烏魯木齊本次雨雪天氣過程伴隨較強(qiáng)冷平流入侵。 4月10日20時(shí)（降水前），以700 hPa為例，此時(shí)新疆北部有較強(qiáng)冷平流，烏魯木齊以西有較強(qiáng)暖平流；11日08時(shí)，冷平流迅速加強(qiáng)并南下，影響南疆西部地區(qū)；11日20時(shí)，冷平流快速東移北上控制了北疆大部地區(qū)，同時(shí)烏拉爾山以東的較強(qiáng)暖平流南下至北疆西部邊境線附近；12 日08 時(shí)，北疆冷平流強(qiáng)度有所減弱，范圍減小并東移至北疆東部地區(qū)，隨后東移離開新疆，暖平流迅速減弱并開始進(jìn)入北疆地區(qū)。

5 溫濕風(fēng)隨時(shí)間的演變

為了解此次雨雪天氣過程中烏魯木齊地區(qū)高空各層濕度、溫度和風(fēng)隨時(shí)間的演變情況，對(duì)烏魯木齊44°N，87°E這一點(diǎn)作溫度、相對(duì)濕度與風(fēng)場(chǎng)三者結(jié)合的高度-時(shí)間剖面圖進(jìn)行分析（圖1），可以看出：10 日02 時(shí)至10 日14 時(shí)近地層相對(duì)濕度多大于80%，高層500 hPa 以上相對(duì)濕度多大于90%，降雪開始前低層與高層水汽條件充分；9 日20 時(shí)至10日08時(shí)中層600 hPa以下均為西北風(fēng)，冷平流持續(xù)輸送，受冷平流影響，500 hPa高度層以下溫度大幅下降，為后期雨雪天氣提供降溫條件。 11 日14 時(shí)（降雪開始時(shí)段）高層500 hPa 至300 hPa 相對(duì)濕度均達(dá)到90%以上，水汽條件強(qiáng)盛，有利于降雪持續(xù)進(jìn)行。

6 物理量診斷分析

6.1 水汽條件

6.1.1 水汽通量分析

此次雨雪天氣過程的水汽輸送主要為西南路徑，其水汽源地為阿拉伯海，由低渦帶至新疆，且水汽條件主要存在于低層700 hPa及以下。分析700 hPa水汽通量可知造成此次天氣的水汽主要由兩部分組成，主體由低渦攜帶，最大水汽通量達(dá) 6 g/（hPa·cm·s），水汽條件旺盛，由于受到天山山脈的阻擋抬升作用對(duì)天山北坡帶來大量降水；另一部分水汽則由低渦東北部的短波提供，最大水汽通量為 3 g/（hPa·cm·s），這些水汽沿天山南部向東移動(dòng)，于11日中午在天山中部與北疆大量水汽匯合，烏魯木齊爆發(fā)強(qiáng)降水。之后經(jīng)匯合后的水汽隨偏西氣流繼續(xù)東移，于12日白天移出新疆，降水趨于結(jié)束。

圖2 2018年4月11日08時(shí)垂直速度（陰影區(qū)）與風(fēng)場(chǎng)沿 87°E 的剖面

6.1.2 水汽通量散度分析

分析烏魯木齊雨雪時(shí)段低層水汽通量散度情況，表現(xiàn)為低層水汽輻合明顯。 700 hPa高度層上，11日08時(shí)北疆大部地區(qū)水汽通量散度均為負(fù)，即為水汽輻合區(qū)，此時(shí)最大水汽輻合中心位于塔城地區(qū)東部，烏魯木齊水汽通量散度值達(dá)-6×10-6g/（hPa·cm2·s），低層水汽輻合強(qiáng)盛，為后期雨雪天氣提供水汽條件。

6.2 動(dòng)力條件

6.2.1 垂直運(yùn)動(dòng)分析

分析烏魯木齊此次雨雪天氣過程的垂直運(yùn)動(dòng)特征（圖2），結(jié)果表明，降雪開始前，天山北坡300 hPa以下均為上升運(yùn)動(dòng)，烏魯木齊南部山區(qū)高層上升運(yùn)動(dòng)尤為強(qiáng)烈，且低層800 hPa附近存在明顯的渦旋，表明西北氣流遇到天山山脈阻擋后在天山北坡被迫抬升，這種垂直結(jié)構(gòu)為后期烏魯木齊雨轉(zhuǎn)雪的發(fā)生和增強(qiáng)提供了動(dòng)力支持。

圖3 2018年4月9日至13日在烏魯木齊 44°N，87°E 散度的高度 - 時(shí)間剖面

6.2.2 散度分析

沿烏魯木齊 87°E，44°N 作散度的高度 - 時(shí)間剖面圖進(jìn)行分析（圖3），結(jié)果可知，降雪開始前，10日14 時(shí)烏魯木齊高層400 ～250 hPa 存在明顯的強(qiáng)輻散區(qū)，輻散中心在300 hPa 附近，中心值達(dá)到3×10-5/s，其下700 ～400 hPa高度層為強(qiáng)輻合區(qū)，輻合中心位于550 hPa附近，中心值達(dá)到-3×10-5/s。11日08時(shí)后低層輻合、高層輻散持續(xù)維持，11日14時(shí)高層400 hPa以上為強(qiáng)輻散區(qū)，輻散中心位于300 hPa附近，中心值達(dá)到2×10-5/s，到12日02時(shí)低層輻合中心位于700 hPa 附近，中心值達(dá)到-2×10-5/s。此次天氣過程低層輻合、高層輻散的高低空配置十分明顯，這種次級(jí)環(huán)流的抽吸作用有利于大氣的上升運(yùn)動(dòng)和水汽在中上層的匯聚與抬升，進(jìn)而產(chǎn)生降水。

7 寒潮成因總結(jié)

（1）此次烏魯木齊市雨雪天氣過程是在東歐脊向東南衰退，推動(dòng)西西伯利亞低槽東移南下，同時(shí)南支低槽東移共同配合下產(chǎn)生的。 （2）本次天氣過程中冷空氣經(jīng)西北路徑進(jìn)入新疆，水汽條件充沛，300 hPa高空急流，500 hPa低槽區(qū)，配合700 hPa切變線和850 hPa 的偏北氣流以及地面冷鋒在烏魯木齊附近高低層疊加，加上天山地形的影響，為此次烏魯木齊雨轉(zhuǎn)雪天氣提供了有利的動(dòng)力條件。 （3）雨雪區(qū)上空具備較好的動(dòng)力抬升條件，低層輻合、高層輻散的高低空配置有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。暴雪過程中有較強(qiáng)的冷暖空氣交匯，造成斜壓不穩(wěn)定增強(qiáng)，有利于對(duì)流的產(chǎn)生和水汽凝結(jié)。 （4）此次雨雪天氣過程的水汽輸送主要為西南路徑，其水汽源地為阿拉伯海，由低渦帶至新疆，且水汽條件主要存在于低層700 hPa及以下。水汽主要由兩部分組成，主體由低渦攜帶，另一部分則由低渦東北部的短波提供，過程中低層水汽輻合明顯。