李?；ǎ瑥堅苹?，張 萌，洪 月

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

北疆是新疆重要的農(nóng)牧業(yè)區(qū)，其開春期一般在3 月中下旬，但由于春季冷空氣活動頻繁，常出現(xiàn)明顯的降雪天氣，而大范圍的強降雪會對農(nóng)作物播種與出苗、林果開花坐果、牧業(yè)轉(zhuǎn)場及產(chǎn)羔育幼等造成嚴重影響。多年來，新疆很多專家針對冬季暴雪的大尺度環(huán)流背景、關鍵環(huán)流配置、水汽源地、路徑及水汽輸送異常等方面做了研究[1-6]，表明高、低空急流的配置、低層強水汽輸送及輻合強度與暴雪強度有較好的對應關系。也有不少學者對中天山北坡暴雪天氣機理做了許多研究[7-12]，指出降雪前期烏魯木齊近地層有較強的逆溫、風場擾動及低層東南急流，干暖蓋起到了儲蓄和積累能量的作用；而強降雪時冷暖空氣在山前交匯，促進了斜壓不穩(wěn)定增長。中層低槽前偏南氣流與中緯度偏西氣流匯合是判斷烏魯木齊周圍暴雪落區(qū)的重要指標，地形因素是烏魯木齊市城區(qū)降雪量較大的原因之一；西南暖濕氣流沿著阿拉伯海和孟加拉灣形成水汽輸送帶，為暴雪提供了充沛的水汽。雖然針對中天山北坡暴雪機理研究很多，但對春季強降雪天氣過程研究較少[8-9]，因此，有必要做進一步的分析研究，以期提高對春季中天山北坡強降雪的預報能力。

2018 年 3 月 17—18 日（簡稱“03·17”過程）和2018 年 4 月 11—12 日（簡稱“04·11”過程），中天山北坡出現(xiàn)強降雪天氣，強降雪落區(qū)主要在烏魯木齊市及其周邊。強降雪天氣造成道路濕滑結(jié)冰、嚴重擁堵、交通事故明顯增加、航班大量延誤，也影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫使春耕備耕推后。本文在分析兩場強降雪天氣環(huán)流背景的基礎上，重點對比分析形成強降雪的動力機制和水汽輸送異同，以期進一步加深對春季中天山北坡強降雪的理解和認識，為此類天氣預報預警提供參考。

1 資料及降雪實況

1.1 資料選取與方法

本文所用資料包括常規(guī)觀測、自動站逐小時降雪資料、烏魯木齊風廓線雷達資料及歐洲中期天氣預報中心（ECMWF，簡稱 EC）0.25°×0.25°再分析資料。主要采用天氣學分析、動力診斷、拉格朗日軌跡模式等方法開展研究。降雪量按照新疆降雪等級標準，即 24 h 降雪量≥12.1 mm 為暴雪，24 h 降雪量≥24.1 mm 為大暴雪。

1.2 天氣實況

由 3 月 17 日 20：00（文中均為北京時）至 18 日18：00 累積降雪量（圖1a）可以看到，強降雪集中在中天山北坡的烏魯木齊市和昌吉州，6 站暴雪，1 站大暴雪，降雪時段主要在 3 月 18 日 01：00—18：00（圖1b），最大降雪中心位于烏魯木齊市達坂城站，降雪量28.7 mm，突破3 月歷史極值，有6 個時次雪強為2 mm·h-1以上，04：00—05：00 最大雪強達 4.2 mm·h-1；次降雪中心是烏魯木齊市城區(qū)，降雪量16.6 mm，最大雪強為2.5 mm·h-1；第三是昌吉州天池站，降雪量14.4 mm，最大雪強為 1.7 mm·h-1。

4 月 11 日 11：00—12 日 00：00 累積降雪量表明（圖1c），強降雪仍集中在中天山北坡烏魯木齊市及南郊、昌吉州東部，14 站暴雪，4 站大暴雪。強降雪時段集中在 4 月 11 日 11：00—12 日 05：00（圖 1d），最大降雪中心位于昌吉州天池站，降雪量25.7 mm，11日 17：00—18：00 雪強達 2.7 mm·h-1；次降雪中心是烏魯木齊市城區(qū)，降雪量為24.1 mm，11 日14：00—15：00 最大雪強4.4 mm·h-1；第三是烏魯木齊市小渠子站，降雪量 24.1 mm，11 日 13：00—14：00 最大雪強為 5.0 mm·h-1。

“04·11”過程降雪范圍及強度均較“03·17”過程偏大偏強，但強降雪中心位置和強度不同，“03·17”過程大暴雪在烏魯木齊市達坂城站，范圍小且集中，而“04·11”過程大暴雪在中天山北坡呈帶狀分布，且過程累積降雪量和小時雪強均明顯大于“03·17”過程。

2 環(huán)流背景及高低空系統(tǒng)配置

2.1 環(huán)流背景

“03·17”過程：降雪前即 3 月 15—16 日，500 hPa 歐亞范圍中高緯為兩脊一槽，環(huán)流經(jīng)向度加大，烏拉爾山附近和新疆為高壓脊，中亞低渦在咸海到巴爾喀什湖之間，16—17 日中亞低渦不斷分裂短波東移影響新疆西部，17 日20 時（圖2a），北歐低槽分裂短波南下，中亞低渦得到冷空氣補充加深，使里海南部至巴爾喀什湖南部的槽脊系統(tǒng)經(jīng)向度加大，推動中亞低渦沿天山北坡緩慢東移，槽底南伸至40°N附近。18 日08 時，咸海脊發(fā)展東移，中亞低渦繼續(xù)加深，槽底南伸至35°N 附近，烏魯木齊附近的西南風速增大至14 m·s-1。18 日20 時中亞低渦減弱成槽東移至烏魯木齊以東，降雪結(jié)束。

圖1 過程累積降雪量（a，c）和強降雪中心自動氣象站逐小時降雪量（b，d）

“04·11”過程：4 月 10 日 500 hPa 歐亞范圍內(nèi)為兩脊一槽的經(jīng)向環(huán)流，東歐和中西伯利亞為高壓脊，西西伯利亞至中亞為低槽活動區(qū)，新疆受淺脊控制。隨著新地島冷空氣快速南下，東歐高壓脊向南衰退，推動西西伯利亞低槽東移，鋒區(qū)逐漸加強，受下游高壓脊阻擋，西西伯利亞低槽東移南伸。11 日08時（圖2b），西西伯利亞低槽進入北疆與中亞短波槽結(jié)合，環(huán)流經(jīng)向度進一步加大，新地島低槽發(fā)展成低渦南下，使東歐脊減弱東移，西西伯利亞低槽繼續(xù)東移，開始影響北疆，同時，里海至咸海的高壓脊東擴，在北疆沿天山一帶與西西伯利亞低槽匯合，低槽南伸至 35°N 附近，冷暖交匯劇烈。11 日 20 時，西西伯利亞低槽東移至新疆東部，降雪趨于結(jié)束。

2.2 高低空系統(tǒng)配置

“03·17”過程，200 hPa 新疆為偏西急流（圖3a），500 hPa 中亞低渦前西南氣流自南疆西部翻越天山至北坡（圖 3a），與 700～850 hPa 天山北坡偏北氣流攜帶的濕冷空氣在烏魯木齊附近匯合，地面冷鋒壓至天山附近，冷暖交匯明顯，同時，天山地形強迫抬升有利于上升運動，為烏魯木齊至達坂城一線強降雪提供了有利的動力及水汽輻合條件。

“04·11”過程，200 hPa 新疆為西南急流，500 hPa 天山北坡受中亞低槽前西南氣流持續(xù)影響（圖3b），低層塔城地區(qū)北部—克拉瑪依—中天山北坡一線為西北急流，兩支急流在中天山附近匯合，增強了水汽輸送及輻合上升運動，為烏魯木齊附近的強降雪提供有利水汽及動力條件。

圖 2 3 月 17 日 20 時（a）與 4 月 11 日 08 時（b）500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：dagpm）和風場（風向桿，陰影區(qū)風速≥20 m·s-1）疊加

圖 3 3 月 17 日 20 時（a）和 4 月 11 日 08 時（b）高低空主要天氣系統(tǒng)配置及對應時段地面溫度場（c，d）

兩次過程冷高壓均為西北路徑，“03·17”過程冷高壓中心位于巴爾喀什湖北部，“04·11”過程位于巴爾喀什湖附近，溫度場上（圖3c，3d）降雪大值中心均處于冷暖空氣交匯處，鋒區(qū)較強，有利于不穩(wěn)定發(fā)展。

上述分析表明，中天山北坡均受500 hPa 低槽前西南氣流影響，在700～850 hPa 西北急流出口區(qū)附近，低空西北急流與中層較強西南急流疊加并維持的有利環(huán)流背景下，由700～850 hPa 的風切變及風速的輻合、地面冷鋒及地形強迫抬升等共同作用，加強了風場輻合及垂直上升運動，這種高低空配置的維持是烏魯木齊附近強降雪持續(xù)的有利動力條件[10-12]。

3 地形影響下的動力機制

3.1 垂直速度和流場

圖 4 為“03·17”過程和“04·11”過程強降雪時沿降雪中心（87.5°E，43.50°N） 的垂直速度和流場的經(jīng)、緯向剖面圖。兩次降雪過程均表現(xiàn)為低空西北氣流遇天山地形強迫抬升，與中高層西南氣流匯合，在43°～44°N（強降雪范圍內(nèi)）產(chǎn)生強的垂直上升運動（圖 4a，4b），＞7×10-2m·s-1的垂直上升運動高度伸展至 400 hPa 附近，在 88°～89°E（強降雪范圍內(nèi)）也有垂直速度大值中心（圖 4c，4d），可見強上升運動區(qū)與強降雪區(qū)域較吻合。但“04·11”過程低空西北氣流、中高層西南氣流、＞7×10-2m·s-1的垂直上升運動的范圍及強度均較“03·17”過程明顯偏強，這也是“04·11”過程降雪范圍、強度均較“03·17”過程偏大偏強的動力因素之一。

3.2 垂直螺旋度

螺旋度在垂直方向的分量或投影即垂直渦度和垂直速度的積，稱作垂直螺旋度。垂直渦度大的系統(tǒng)與劇烈天氣現(xiàn)象（如中尺度氣旋）聯(lián)系密切，垂直速度是實際大氣中造成天氣現(xiàn)象的最直接原因。因此，垂直螺旋度充分反映了兩個與天氣現(xiàn)象緊密聯(lián)系的物理量配合情況，它不僅能反映系統(tǒng)的維持狀況，還能反映系統(tǒng)發(fā)展、天氣現(xiàn)象的劇烈程度[13]，螺旋度的強弱和移動對天氣系統(tǒng)的移動、發(fā)展有一定的指示意義。

沿 43.5°N 作螺旋度剖面，“03·17”過程（圖 5a），600 hPa 以下為正值區(qū)，大值中心在700 hPa 附近為20 m2·s-2，600～400 hPa 為負值區(qū)，大值中心在 550 hPa 達-60 m·2s-2，表現(xiàn)為低層輻合上升和高層輻散的下正上負型。強降雪落區(qū)在正值中心與高空負值對應較好的 87°～89°E 區(qū)域內(nèi)?！?4·11”過程（圖5b），550 hPa 以下為正值區(qū)，大值中心在 700 hPa 附近為 60 m2·s-2，550～300 hPa 為負值區(qū)，大值中心在450 hPa 達-60 m·2s-2，表現(xiàn)為低層強烈的輻合上升和高層輻散的下正上負型。強降雪落區(qū)在正值中心與高空負值對應較好的87°～89°E 區(qū)域內(nèi)。

圖 4 沿 87.5°E（a，b）和 43.5°N（c，d）的垂直速度（填色區(qū)，單位：10-2 m·s-1）與流場（流線）的剖面

沿87.5°E 作螺旋度剖面，在強降雪區(qū)域43°～43.5°N，“03·17”過程（圖 5c），700 hPa 以下為正值區(qū)，大值中心在800 hPa 附近為40 m2·s-2，700～400 hPa為負值區(qū)，大值中心在 650 hPa 為-120 m2·s-2?！?4·11”過程（圖 5d），550 hPa 以下為正值區(qū)，大值中心在 700 hPa 為 60 m2·s-2，550 hPa 以上為負值區(qū)，大值中心在 450 hPa 為-60 m2·s-2。

兩次過程強降雪時的螺旋度均呈下正上負分布，表明低層有輻合上升、高層有輻散下沉，這與李如琦[14]等研究一致。“04·11”過程低層正值中心大于“03·17”過程，即低層輻合上升運動更強，這也是“04·11”過程降雪較強的原因之一。

4 水汽條件

4.1 水汽源地及水汽輸送路徑

充沛的水汽輸送是形成大降雪的必要條件。為了分析兩次過程對流層中低層及整層水汽源地與水汽輸送情況，計算各層及地面至300 hPa 垂直積分水汽通量，可以看到，“03·17”過程水汽源地主要是咸海至巴爾喀什湖之間的中亞地區(qū)（圖6a），有中亞低渦自帶的偏西水汽路徑，還有阿拉伯海的一部分水汽通過低槽前的西南氣流向北輸送的西南路徑，水汽在暴雪區(qū)匯合，最大水汽通量值達10×10-3g·hPa-1·cm-1·s-1。

“04·11”過程水汽輸送路徑較“03·17”過程明顯（圖6b）。水汽源地一是咸海至巴爾喀什湖的中亞地區(qū)，水汽隨著500 hPa 中亞低槽前的西南氣流和低層偏西氣流輸送至新疆；二是沿著長距離的脊前偏北氣流的西北路徑向新疆輸送并與中亞低槽前偏南氣流在中天山北坡匯合。另外，由于4 月8—9 日北疆地區(qū)出現(xiàn)了降雪，使得近地面存在一定的水汽，“04·11”過程水汽通量＞12×10-3g·hPa-1·cm-1·s-1的范圍和強度均較“03·17”過程偏大。

4.2 拉格朗日方法的水汽來源分析

圖 5 3 月 18 日 14 時和 4 月 11 日 14 時沿 43.5°N（a，b）和 87.5°E（c，d）的螺旋度

圖 6 3 月 18 日 08 時（a）與 4 月 11 日 14 時（b）地面至 300 hPa 整層水汽通量

HYSPLIT 模式是由NOAA 的Draxler 等開發(fā)的供質(zhì)點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)，是一種歐拉·拉格朗日混合計算模式，其平流和擴散計算采用拉格朗日方法。這個模式通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向。模式使用的是0.5°×0.5°GDAS 資料。

進一步使用HYSPLIT 水汽后向軌跡模式，選取追蹤點初始高度即平均海平面以上高度（AGL）1、1.5、3 km 三層，向前倒推出強降雪中心72 h 的水汽質(zhì)點軌跡（圖 7）?！?3·17”過程，以達坂城站（88.3°E，43.3°N）為源點（圖 7a），可以看到?jīng)]有明顯的長距離的水汽來源輸送通道，水汽輸送通道的距離都較短，共3 支水汽輸送路徑：（1）1 km 高度上主要是西北路徑水汽輸送，前期水汽自南疆西部翻越中天山至天山北坡，西北路徑方式進入中天山北坡；（2）1.5 km 高度上還有一支偏東路徑水汽輸送，即隨新疆東部高壓底后部的偏東氣流自河西走廊中部（100°E，41°N）至塔里木盆地向中天山北坡輸送；（3）3 km 高度以上的水汽路徑以西南路徑向天山北坡中低層輸送。

“04·11”過程，以天池站（88.1°E，43.8°N）為源點（圖7b），3 個高度水汽輸送通道不盡相同。1 km高度上西北路徑水汽輸送，進入中天山北坡；1.5 km高度上為偏西路徑，由中亞地區(qū)中高層向中天山北坡輸送；3 km 高度以上還有一支西北路徑的遠距離水汽輸送，水汽來源可追溯到挪威海地區(qū)，經(jīng)過莫斯科、哈薩克斯坦到巴倫支海經(jīng)西西伯利亞東南下，隨著降雪天氣的開始，水汽由西南路徑輸送至天山北坡，與偏西路徑水汽在中天山北坡匯合。這與前述水汽輸送路徑結(jié)果相一致。

兩次過程的水汽后向軌跡追蹤結(jié)果表明均有低層西北、中層偏西和西南路徑的水汽輸送，但“03·17”過程存在一支偏東路徑的水汽輸送，3 支氣流的水汽匯聚與新疆典型大降雪模型一致[15-19]，也是達坂城降雪強于天池并破極值的原因之一。

5 烏魯木齊風廓線雷達分析應用

由于兩場過程強降雪中心均在烏魯木齊及周邊地區(qū)，為了進一步探討天山北坡兩個過程中的動力機制及水汽條件，下面主要分析烏魯木齊風廓線雷達資料。

5.1 水平風向和風速

“03·17”過程，3 月 17 日 16：00，1.0 km 以下為弱偏北風和偏東風的垂直切變，說明近地層存在擾動，降雪前1—2 h 即18：00，雷達探測高度伸展至4.5 km，2 km 以下轉(zhuǎn)為西北氣流，2 km 以上轉(zhuǎn)偏南氣流，20：00—23：00 整層風速增強，烏魯木齊出現(xiàn)降雪；18 日 00：00—06：00，2 km 以下轉(zhuǎn)為偏西風，而2 km 以上轉(zhuǎn)為西南風，且整層風速明顯減弱，第一波弱降雪結(jié)束。18 日 07：00—17：00 主降雪時段（圖8a），雷達探測高度達5.5 km，2.5 km 以下西北氣流及2.5 km 以上偏南氣流維持，強降雪持續(xù)，這與前述低空西北急流與中層較強西南急流疊加并維持是中天山北坡強降雪維持的動力機制相一致。18日18：00 雷達探測高度從5.0 km 迅速降至3.0 km，整層轉(zhuǎn)為西北風，降雪結(jié)束。

“04·11”過程，4 月 11 日 08：00—10：00，雷達探測高度升至5.5 km，2.5 km 以下為偏北氣流，2.5 km以上為西南氣流（圖 8b）。11 日 11：00—21：00 降雪時段，低層偏北風速增大至14 m·s-1，高度由2.5 km抬升至4 km，與烏魯木齊市南部天山地形相垂直，冷空氣在天山北坡堆積加強，而地形強迫抬升使風速輻合加強，4 km 以上偏南氣流風速增大至22 m·s-1，這也說明低空西北急流與中高層西南急流疊加是強降雪維持的動力機制。11 日22：00 雷達探測高度下降至3.5 km，整層轉(zhuǎn)偏北風，降雪結(jié)束。

圖 7 3 月 18 日 20 時達坂城站（a）和 4 月 11 日 20 時天池站（b）不同高度向后 72 h 氣體軌跡分布

5.2 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（Cn2）

風廓線雷達的Cn2與大氣的濕度有關，可以把它看成不同時段的多普勒天氣雷達的RHI 強度回波，其探測高度變化與上述水平風向風速一致。

“03·17”過程，3 月 17 日 08：00—17：00，Cn2探測高度在 3 km 以下，Cn2值維持在-176～-144 dB，說明大氣比較干，17 日19：00 時隨著低層西北風速增大，2 km 以下 Cn2突然增大到-136～-128 dB，低層大氣開始增濕，隨著降雪的開始及持續(xù)，-136～-128 dB 的大值區(qū)上升至3.5 km，這與2.5 km 以上偏南風增大相對應，水汽的垂直輻合增強。隨著第一階段降雪結(jié)束，Cn2值也迅速減弱至-168～-152 dB。18 日 06：00 第二階段降雪開始（圖 8a），Cn2-136～-128 dB 的大值探測高度從1.5 km 猛升至4.0 km，18 日 10：00 開始整層大氣的 Cn2值維持在-136～-120 dB，強降雪持續(xù)，17：00 隨著降雪減弱，Cn2反射率也迅速減弱至-168～-144 dB。

“04·11”過程（圖 8b），4 月 11 日 08：00—09：00，Cn2值維持在-176～-152 dB ，大氣比較干；10：00—11：00 隨著低層轉(zhuǎn)偏北風，2 km 以下 Cn2值-144～-136 dB，略有增濕；11：00—12：00 強降雪時，4 km以下的Cn2值增大至-136～-120 dB，表明中低層大氣均被高濕區(qū)控制；13：00—20：00，4 km 以下Cn2值維持在-144～-128 dB，水汽含量豐富，降雪持續(xù)；12 日 01：00，值迅速減弱至-168～-144 dB，降雪結(jié)束。

圖8 水平風場（單位：m·s-1）和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2逐小時變化（單位：dB）

上述分析表明，兩次過程降雪前Cn2值均在2.0 km 以下且較弱，降雪時Cn2明顯增強且高度上升至4.0 km，值維持在-144～-120 dB ，當Cn2值迅速減弱至-168～-144 dB，降雪逐漸結(jié)束。

6 結(jié)論

（1）兩次強降雪過程的環(huán)流形勢、高低空配置、水汽輸送強度、地形影響與大多學者[7-12]研究成果相吻合，“04·11”過程烏魯木齊附近500 hPa低槽前西南氣流、低空西北氣流的強度、鋒區(qū)及地面冷空氣均較“03·17”過程偏強。

（2）兩次強降雪均表現(xiàn)為強上升運動區(qū)與暴雪區(qū)域吻合，垂直螺旋度均為上負下正分布，有利的垂直結(jié)構(gòu)為暴雪的維持及增強提供了動力條件，且天山地形的強迫抬升作用明顯?！?4·11”過程的范圍、強度、螺旋度的正負中心值均強于“03·17”過程。

（3）兩次過程均有低層西北、中層偏西和西南路徑的水汽輸送。“03·17”過程有一支弱的偏東路徑水汽輸送；“04·11”過程有一支西北路徑的遠距離接力水汽輸送，其經(jīng)挪威海—莫斯科—巴倫支海到西西伯利亞地區(qū)東南下，將水汽接力輸送至天山北坡，這也是“04·11”過程降雪范圍偏大偏強的原因之一。

（4）兩次強降雪發(fā)生時，2.5 km 以下均維持偏北氣流，并且風速增強，偏北氣流遇天山地形阻擋形成強迫抬升，2.5 km 以上均為西南（偏南）氣流，風向隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流。低層輻合和高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)使上升運動發(fā)展和維持，降雪時Cn2值迅速增大至-136～-120 dB 并伸展到4.0 km。強降雪時水汽迅速聚集、抬升并維持，是產(chǎn)生暴雪的重要原因。但“04·11”過程中，無論是 2.5 km 以下偏北氣流的風速值，還是2.5 km 以上西南（偏南）氣流的風速值均比“03·17”過程大。