李桉孛，李如琦，李 娜*，鄭育琳

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都610225）

新疆北部暴雪常引發(fā)雪災，給當?shù)亟煌ㄟ\輸、電力輸送和設施農(nóng)業(yè)帶來巨大損失，嚴重威脅人民生命及財產(chǎn)安全，因此，深入認識新疆北部暴雪成因，提高其預報能力，對新疆的防災減災有重要意義。國內(nèi)外學者對暴雪的氣候背景、天氣系統(tǒng)演變、水汽輸送和動力、熱力條件及中尺度系統(tǒng)結構等開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)降雪過程多與鋒生、條件對稱不穩(wěn)定引發(fā)的傾斜對流等因素有關[1-3]；暴雪過程動力機制研究表明[4-5]，正渦度變率增大對強降雪中心位置及強度變化有顯著指示作用，冀蘭芝等[6]通過數(shù)值模擬，指出暴雪發(fā)生的動力機制為降雪前期低層正渦度增強,低層輻合、高層輻散；中尺度模式MM4對暴雪過程的模擬分析發(fā)現(xiàn)[7-8]，渦度場、散度場、垂直速度場與相當位溫場的配合有利于暴雪的形成與維持。以上研究主要是針對因冷鋒引發(fā)的暴雪而言的，暖區(qū)暴雪是新疆北部獨有的暴雪類型，其特征與冷鋒暴雪有明顯的差異。

近些年來，新疆的氣象工作者對暖區(qū)暴雪開展了許多研究，莊曉翠等[9]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)北疆地區(qū)冬季降水呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，尤其是強降雪，而北疆北部又是暖區(qū)降水量和降水日數(shù)最多的區(qū)域；新疆北部暴雪過程的環(huán)流特征、中尺度特征、水汽輸送路徑和降雪落區(qū)分析指出[10-13]，暖區(qū)暴雪與冷鋒暴雪存在一定差異，減壓升溫是暖區(qū)暴雪最典型地面要素特征，冷鋒暴雪則相反，冷鋒暴雪區(qū)具有較強的對流不穩(wěn)定層結，而暖區(qū)暴雪區(qū)相對較弱等；暖區(qū)暴雪的鋒面結構分析表明[14-15]，強降雪的發(fā)生發(fā)展與中低層暖鋒鋒生有關，大尺度環(huán)流背景、中低層切變線、低空急流、鋒面氣旋等天氣系統(tǒng)的配置有利于暴雪的發(fā)生。研究表明，動力條件是暴雪發(fā)生的關鍵因素，對動力條件的分析有助于加深對暴雪成因的認識，暖區(qū)暴雪過程中具有怎樣的動力特征是需要進一步深入分析探討的問題。2016年11月10—17日，新疆北部的塔城地區(qū)北部和阿勒泰地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)暖區(qū)暴雪，此次持續(xù)性暖區(qū)暴雪天氣過程范圍廣、強度大、持續(xù)時間長、災害重。本文針對此次典型的暖區(qū)暴雪過程，從兩個階段強降雪中心各相關物理量變化特征的對比分析入手，探討暖區(qū)暴雪動力結構及演變規(guī)律，加深對暖區(qū)暴雪的認識，為提高此類天氣的預報能力提供參考。

1 資料

利用地面氣象觀測站逐時降水、常規(guī)觀測以及美國氣象環(huán)境預報中心（NCEP）全球逐日4次1°×1°再分析等資料，通過計算不同層次渦度、散度、螺旋度、濕位渦等物理量，對2016年11月10—17日新疆北部暖區(qū)暴雪過程的動力特征進行分析。

文中采用新疆降雪標準：24 h降水量為R，當6.0 mm

2 暴雪過程實況

2016年11月10 —17日，新疆北部出現(xiàn)罕見的持續(xù)性強降雪過程（圖1），其中塔城地區(qū)北部、阿勒泰地區(qū)平均降雪量40 mm以上，積雪深度達20 cm以上，阿勒泰東部青河縣最大積雪深度67 cm。此次強降雪過程分為兩個階段：第一階段為10—13日，塔城地區(qū)北部、阿勒泰地區(qū)自西向東出現(xiàn)降雪，過程最大累計降雪中心為塔城地區(qū)北部裕民縣，達55.3 mm，12日降雪量達41.4 mm，其中11日14時—12日02時12 h降雪量32.3 mm（雨夾雪轉(zhuǎn)雪），11日20時—12日02時6 h降雪量22.1 mm，最大小時雪強5.5 mm（11日22—23時）；第二階段為14—17日，塔城地區(qū)北部、阿勒泰地區(qū)自西向東再次出現(xiàn)降雪，過程最大累計降雪中心為阿勒泰地區(qū)東部的青河縣，降雪量達51.6 mm，16日降雪量29.3 mm，其中15日20時—16日08時12 h降雪量17.1 mm，16日02—08時6 h降雪量8.7 mm，最大小時雪強2.2 mm（16日04—05時）。裕民、青河站日降雪量均居歷史同期第一位。

圖1 2016年11月10—17日北疆降雪量空間分布（單位:mm）

3 環(huán)流形勢演變特征及地面要素變化

對流層高層，極渦為偏心型分布，極渦中心位于120°E的西伯利亞，極鋒急流帶位置南下至西伯利亞地區(qū)長時間維持，是新疆北部暖區(qū)強降雪的典型環(huán)流背景[13]，極渦逆轉(zhuǎn)，副熱帶西風急流北移，兩支急流帶在新疆北部匯合是形成暴雪的主要天氣尺度環(huán)流形勢。

500 hPa暴雪開始前歐亞范圍為兩槽兩脊形勢，歐洲東部和貝加爾湖附近為高壓脊區(qū)，歐洲沿岸和西西伯利亞為低槽活動區(qū)，歐洲脊較為強盛，極地冷空氣沿脊前偏北氣流南下堆積，冷中心降至-40℃以下，西西伯利亞低渦底部形成強鋒區(qū)，伊朗脊向東歐伸展與東歐阻塞高壓合并疊加，南支鋒區(qū)斷裂，僅在里、咸海北部存在弱的鋒區(qū)。隨著東歐脊減弱東移，西西伯利亞低渦緩慢逆轉(zhuǎn)南壓，低渦底部強鋒區(qū)南下，與里、咸海弱的南支鋒區(qū)在巴爾喀什湖以北地區(qū)匯合，并東移至新疆北部區(qū)域，45°～50°N等溫線加密，位勢高度梯度達20 dagpm，風速增大至36 m/s，北疆北部開始出現(xiàn)降雪。11日20時（圖2a）匯合后的鋒區(qū)控制北疆北部，降雪強度迅速增大，6 h降雪量達22.1 mm。12日20時短波槽進入新疆北部緩慢東移，降雪減弱。14日歐洲脊和伊朗脊再次疊加西移并形成阻塞高壓，導致槽脊系統(tǒng)移動緩慢，脊前北風帶加強，使冷空氣南下至巴爾喀什湖北部地區(qū)，冷中心強度再次增強至-40℃以下，里、咸海地區(qū)有短波槽發(fā)展，南支鋒區(qū)迅速發(fā)展，西西伯利亞低渦東移南壓，底部鋒區(qū)再次加強并與南支鋒區(qū)在巴爾喀什湖地區(qū)匯合，新疆北部風速迅速增至40 m/s，第二階段降雪開始。15日20時（圖2b），鋒區(qū)強度逐漸達到最大，青河12 h降雪量達17.1 mm。隨后，環(huán)流形勢穩(wěn)定維持，降雪持續(xù)，強度逐漸減弱。

在700 hPa上10—13日46°N始終維持一支風速≥16 m/s的偏西低空急流，將里、咸海和巴爾喀什湖水汽不斷向新疆北部上空輸送，同時與高空強鋒區(qū)耦合作用引起強烈的上升運動，隨著風速的加強，加大了向暴雪區(qū)的水汽輸送，降雪也有所增強，急流核位于塔城地區(qū)北部，最大可達42 m/s，于13日20時減弱，降水隨之減弱；14—17日偏西低空急流再次加強，但強度較前期偏弱，位置偏北1°左右，從而使得垂直上升運動較弱，也不利于水汽向暴雪區(qū)的匯集，降雪小時強度明顯較前次偏弱。850 hPa上10日14時—12日20時塔城地區(qū)北部始終位于切變線前側，同時北部伴有偏西急流的加強，而阿勒泰地區(qū)東部則在14日02時—17日08位于切變線前側，期間東西風向輻合時降水加強，隨著冷空氣東移，阿勒泰地區(qū)東部轉(zhuǎn)為西北氣流控制，切變線消失，降水趨于結束。

圖2 2016年11月11日20時（a）和15日20時（b）500 hPa高度場和風場

綜上所述，在兩個階段強降雪過程中，500 hPa由于東歐地區(qū)長時間維持阻塞形勢，使得西伯利亞低渦及其底部強鋒區(qū)始終存在，并與降雪強度正相關，700 hPa降雪區(qū)北側維持一支風速≥16 m·s-1的偏西低空急流，850 hPa降雪中心西側均出現(xiàn)明顯的切變線。

海平面氣壓場11月中旬北半球中高緯冷暖氣團頻繁更替，10日08時西西伯利亞和蒙古地區(qū)為高壓活動區(qū)，中心強度分別為1 027.5 hPa和1025 hPa。兩高壓區(qū)之間，新疆以北為低壓活動區(qū)，北疆受負3 h變壓控制，裕民（圖3a）地面氣壓維持持續(xù)下降的趨勢，地面氣溫迅速上升，隨著降雪開始，氣壓不斷下降，氣溫維持較高，此時青河（圖3b）氣壓在降雪開始后也維持下降，氣溫迅速抬升，在降雪期間維持較高并呈上升趨勢，至11日20時低壓中心氣壓下降至1 007.5 hPa，裕民降雪強度最大，氣壓達到最低，氣溫維持最高，這種降雪期間的減壓升溫具有明顯的暖區(qū)降雪性質(zhì)，在青河雪強最大時，其氣壓同樣達到最低點，氣溫最高，降雪減小至結束后，氣壓迅速上升，氣溫斷崖式下降近20℃。由此可見，青河的降雪也為典型的暖區(qū)降雪。13日08時隨著氣團東移，上游冷高壓東移南下，北疆大部受高壓控制加壓，冷鋒影響下降雪較前期減弱；而此時又有高壓與低壓系統(tǒng)自西向東移至西西伯利亞與新疆以北地區(qū)，在 40°E～110°E 范圍再次形成“高—低—高”形勢，冷高壓中心分別達1030、1 037.5 hPa，北疆不斷減壓，至14日20時最低降為1 012.5 hPa，第二階段降雪期間與第一階段相似，雪強大時，氣溫維持相對較高，氣壓下降，隨著氣溫下降，氣壓上升，降雪間歇。兩個階段降雪區(qū)均處于暖低壓外圍，地面氣壓和氣溫變化與降雪強度有明顯的相關關系，區(qū)別在于第一階段位于蒙古高壓后部暖低壓前部區(qū)域，降雪發(fā)生在低壓向高壓東南部伸展的過程中，而第二階段位于西西伯利亞冷高壓前部暖低壓后部區(qū)域，降雪發(fā)生在高壓向低壓東南部伸展的過程中。由于環(huán)流系統(tǒng)的配置沒有改變，兩個階段降雪間歇期短，第一階段偏東區(qū)域降雪尚未結束，第二階段偏西區(qū)域的降雪已開始，形成了持續(xù)性的降雪過程。

圖3 2016年11月10—17日裕民（a）和青河（b）的氣溫/℃、氣壓/hPa、降水量/mm（柱狀）隨時間變化

4 強降雪動力特征

4.1 渦度、散度、垂直速度場垂直結構

分析暴雪中心裕民（46.20°N,82.90°E）上空的渦度、散度、垂直速度廓線表明，11日08時（圖4a），降雪前，800 hPa以下散度為負，最大值位于850 hPa，為-5×10-5s-1；整層渦度均為負值，最大值在750 hPa附近，為-14×10-5s-1；垂直速度在700 hPa以下為負值，表明800 hPa以下為弱的輻合，以上為弱輻散，上升運動較弱，但中層負渦度較大，使輻散發(fā)展，有利于上升運動的加強。11日14—20時是系統(tǒng)發(fā)展階段（圖4b），散度負值區(qū)迅速向上擴展到700 hPa，最大值仍位于850 hPa附近達-13×10-5s-1；整層仍然維持負渦度，最小值的高度下降，出現(xiàn)在800 hPa附近，最大值為-15×10-5s-1，500 hPa正散度值增大到6×10-5s-1；垂直速度值變化不大，但負值區(qū)向上擴展到500 hPa，表明低層輻合中層輻散的耦合作用發(fā)展到最強盛階段，上升運動加強，水汽在低層聚積，同時通過垂直運動向上輸送使高層大氣濕度增加，裕民開始出現(xiàn)降雪并逐漸增強，6 h降雪量達10.2 mm。12日02時（圖4c），負散度區(qū)回落至800hPa以下，中高層正散度值略有減?。徽麑泳S持負渦度，但中低層的絕對值明顯減小；400 hPa以下垂直速度均為負值，最大值在 700 hPa，達-4×10-3hPa·s-1，表明低層輻合高層輻散的配置沒有改變，上升運動達到最大值，裕民的降雪強度也達到最大，6 h降雪量22.1 mm。之后散度、渦度、垂直速度隨高度的分布和強度幾乎維持不變，降雪持續(xù)。20時（圖4d），散度、渦度的數(shù)值均減小，垂直速度也明顯減弱，700 hPa以上轉(zhuǎn)為下沉運動區(qū)，降雪減弱趨于結束。第二階段裕民上空的散度、渦度、垂直速度的變化與第一階段基本類似，只是數(shù)值偏小，最大降雪強度為4.6 mm/6 h?？梢?，在裕民降雪過程中，上升運動主要出現(xiàn)在700 hPa附近，最強時可擴展至500 hPa，渦度主要對中層輻散的發(fā)展有正貢獻，中層輻散的發(fā)展使上升運動和低層輻合加強。

圖4 裕民上空渦度（單位:10-5s-1）、散度（單位:10-5s-1）和垂直速度（單位:10-3hPa·s-1）的垂直廓線

青河（46.67°N,90.38°E）降雪時段渦度、散度、垂直速度廓線特征圖中，14日08時（圖5a），750 hPa以下正渦度增大，800 hPa附近最大值達5×10-5s-1；700 hPa以下為負散度，最大值-9×10-5s-1也位于800 hPa；低層垂直速度增大，這種低層正渦度輻合、中層負渦度輻散的配置有利于上升運動發(fā)展，系統(tǒng)加強，青河開始降雪，6 h降雪量在2.6～6.1 mm，15日08時（圖5b），中、低層渦度、散度的數(shù)值均減小，垂直速度也接近于0，降雪減弱。在正渦度的支持下，650 hPa以下的低層負散度再次發(fā)展，15日20時（圖 5c），750 hPa負散度數(shù)值最大達到-8×10-5s-1，650 hPa以上負渦度、正散度也再次強烈發(fā)展，低層輻合高層輻散的配置使抽吸作用加劇，上升運動加強并擴展至600 hPa，降雪強度逐漸達到最大，6 h降雪量達8.4 mm。16日02時—17日02時，上升運動強盛，增大了低層水汽向上輸送，有利于形成深厚的濕層，青河維持6 mm/6 h以上的強降雪。17日08時（圖5d），中、低層渦度、散度數(shù)值均迅速減小，垂直速度在負值區(qū)回落至700 hPa以下，上升運動減弱，降雪減弱，20時轉(zhuǎn)為低層輻散中層輻合，上升運動基本停止，降雪也逐漸結束。青河降雪過程中，低層輻合中層輻散的配置更清晰，渦度對輻合、輻散的正貢獻也更明顯，最強時上升運動可伸展至500 hPa，但主要位于700 hPa以下，低層輻合中層輻散的耦合作用使上升運動加強。

4.2 垂直螺旋度

螺旋度是表征流體邊旋轉(zhuǎn)邊沿旋轉(zhuǎn)方向運動的動力特性的物理量，其不僅考慮了大氣旋轉(zhuǎn)的特性，同時又考慮了水平和垂直方向上的輸送。

計算裕民500 hPa以下各層的垂直螺旋度，沿46°N作垂直螺旋度的剖面圖，可以看到，在降雪發(fā)生前，850 hPa暴雪區(qū)垂直螺旋度為正值區(qū)，表明系統(tǒng)低層氣旋輻合及上升運動的初步建立，中層有明顯的負垂直螺旋度相對應且逐漸壓縮至600 hPa以下，有利于中低層系統(tǒng)發(fā)展；11日20時，低層垂直螺旋度中心增至100×10-5Pa·s-2，中層負值區(qū)范圍中心進一步壓縮至700 hPa以下，說明低層垂直方向的氣旋式旋轉(zhuǎn)加強，降雪增強，對應11日22—23時小時降雪強度達最大值5.5 mm/h；12日02時低層正值中心減弱，中層負值區(qū)范圍向上擴展，降雪開始減弱；12日08時，低層正值區(qū)范圍明顯擴大，強度增強，并逐漸形成與中層負值區(qū)緊密連接對應的正值中心，說明低層氣旋式輻合加強，中層負值區(qū)范圍縮小，中心強度達 150×10-5Pa·s-2，中層強烈的輻散抽吸使得中低層系統(tǒng)進一步發(fā)展，降雪再次增強，雪強由4.0 mm/6 h增至12.1 mm/6 h。因此，強降雪期間裕民附近的垂直螺旋度在600 hPa以下呈上“負”下“正”結構分布，垂直螺旋度正負值中心數(shù)值都較大，表明低層輻合中層輻散強度大，對上升運動的發(fā)展和維持提供動力，強的上升運動主要在700 hPa以下。

圖5 青河上空渦度（單位:10-5s-1）、散度（單位:10-5s-1）和垂直速度（單位:10-3hPa·s-1）的垂直廓線

計算青河500 hPa以下各層的垂直螺旋度，沿46°N做垂直螺旋度的剖面圖發(fā)現(xiàn)，在降雪發(fā)生前，暴雪區(qū)925～800 hPa垂直螺旋度為正值區(qū)且中心強度不斷增強，750 hPa附近負垂直螺旋度范圍逐漸減小東移，中低層系統(tǒng)發(fā)展，700 hPa以上為正值區(qū)，初步形成“+-+”的垂直結構，降水開始；14日14時—15日02時，低層正值中心增至25×10-5Pa·s-2，750 hPa附近負值區(qū)中心迅速增強，中低層垂直方向的氣旋式旋轉(zhuǎn)加強，“+-+”的垂直結構更加顯著，降雪增強；15日白天低層正值中心減弱消失，中低層負值區(qū)范圍向上擴展，降雪開始減弱，雪強小于1.0 mm/6 h；15日20時，低層正值區(qū)范圍明顯擴大，強度增強，低層氣旋式輻合加強，中低層負值區(qū)形成閉合中心，中心強度達-20×10-5Pa·s-2，與低層正垂直螺旋度中心梯度增加，“+-+”的垂直結構再次建立，在中層強烈的輻散抽吸與低層氣旋式輻合的相互作用下，使得暴雪系統(tǒng)強烈發(fā)展，降雪再次增強并維持在6 mm/6 h以上；最后，隨著低層轉(zhuǎn)為負垂直螺旋度，降雪減弱并結束。綜上，強降雪期間青河上空的垂直螺旋度在500 hPa以下為“+-+”結構，有利于700 hPa以下低層上升運動的發(fā)展和維持，垂直螺旋度正負值中心數(shù)值都相對較小，表明上升運動強度也偏弱。

4.3 濕位渦分析

分析沿46°N濕位渦正壓項MPV1的垂直剖面發(fā)現(xiàn)，10日前，500 hPa以下MPV1均為正值，大值區(qū)位于86°E的800 hPa附近，中心值18 PVU。11日MPV1逐漸增大，14 h中心值增大至24 PVU，位置下降至86°E的850 hPa附近，隨后整層MPV1開始減小，裕民附近的近地面層負的濕位渦開始發(fā)展。至降水開始后12日02時（圖7a），MPV1最大值僅為9 PVU，且在85°E以東隨高度向東傾斜，裕民上850 hPa以下為負值區(qū)，中心值-2 PVU，800 hPa出現(xiàn)值為6 PVU的正值中心，此階段降雪強度也是最大的，6 h降水量達22.1 mm。表明前期有冷空氣影響，強度逐漸減弱，裕民上空低層有暖平流發(fā)展，冷平流位于800 hPa附近，低層對流不穩(wěn)定發(fā)展，高濕位渦疊加在對流不穩(wěn)定擾動之上，有利于位勢不穩(wěn)定能量釋放及低層氣旋式輻合的增強，使降雪加強。而從濕位渦斜壓項MPV2和θse的垂直剖面（圖7b）可以看到，500 hPa以下整層MPV2均為負值，裕民上空800 hPa為-7×10-1PVU的大值中心，θse等值線形成隨高度向北傾斜的相對密集陡立帶，表明低層大氣存在對流不穩(wěn)定，根據(jù)下滑傾斜渦度發(fā)展理論[17]，800 hPa以下垂直渦度得到顯著發(fā)展，使上升運動加強，使降雪增強，裕民降雪達到強盛階段，至12日02時12 h降雪量達到32.3 mm，小時雪強也達 5.5 mm/h。MPV1 上正下負、MPV2＜0 且等 θse線隨高度向北傾斜使得垂直渦度得到較大增長，上升運動強烈，由此可見，裕民上空800 hPa附近有對流發(fā)展，降雪具有一定的對流性特征。

圖6 2016年11月11日20時（a）和15日08時（b）垂直螺旋度沿46°N剖面（單位:10-5Pa·s-2）

圖7 2016年11月12日02時沿46°N的垂直剖面（△處為裕民，灰色陰影區(qū)為地形）

對比分析青河MPV1的垂直剖面（圖8a）發(fā)現(xiàn)，主要降雪時段在900 hPa以下也出現(xiàn)MPV1負值區(qū)，但強度較小，中心值僅為-0.5 PVU，800 hPa附近的MPV1增長較快，發(fā)展成值為+10 PVU的中心，表明900 hPa以下低層也存在暖平流之間，但強度較裕民明顯偏弱，降雪量也較裕民小，至16日14時12小時降雪量15.9 mm。在MPV2和θse的垂直剖面圖（圖8b）上，500 hPa以下整層MPV2也為負值，但中心值僅有-4×10-1PVU，θse等值線密集帶位于青河以西區(qū)域，幾乎垂直于地面，低層渦度沒有明顯的發(fā)展，上升運動也明顯偏弱，沒有對流發(fā)展，因此，青河的降雪強度低于裕民，最大雪強僅為2.2 mm/h，但因降雪持續(xù)時間長，還是出現(xiàn)了大暴雪。

圖8 2016年11月16日14時沿46°N的垂直剖面（☆處為青河，灰色陰影區(qū)為地形）

5 結論

（1）強降雪出現(xiàn)在500 hPa西伯利亞低渦底部強鋒區(qū)與南支鋒區(qū)匯合風速加強與700 hPa偏西低空急流、850 hPa切變線、地面暖低壓綜合疊置的有利環(huán)流背景下。降雪期間存在明顯氣壓下降、氣溫升高的要素變化，為典型暖區(qū)暴雪。

（2）暴雪過程中低層輻合、中層輻散的耦合作用為上升運動的發(fā)展和維持提供動力條件；不同區(qū)域暴雪的上升運動強度有差異，但上升運動層均較為淺薄，主要在700 hPa以下；渦度對上升運動的發(fā)展有正貢獻。

（3）強降雪期間，裕民和青河兩地700 hPa以下垂直螺旋度均為“上負下正”結構，700 hPa為正值但強度明顯不同；裕民上空正負垂直螺旋度的數(shù)值大，上升運動強，降雪強度也大。

（4）暴雪區(qū)MPV1呈“上正下負”結構，有利于低層對流性不穩(wěn)定增大；MPV2＜0,裕民上空等θse線密集陡立帶向暖區(qū)傾斜時，垂直渦度增長、上升運動增強，有利于低層淺薄層的對流發(fā)展；青河上空等θse線與地面接近垂直，上升運動偏弱，沒有對流發(fā)展。