（民航黑龍江空管分局，黑龍江哈爾濱 150079）

1 引言

黑龍江省位于中國東北部，南北跨10 個(gè)緯度、14 個(gè)經(jīng)度，冬季漫長且寒冷干燥，大雪、暴雪是冬半年的主要?dú)庀鬄?zāi)害，往往給交通行業(yè)造成不便[1]。對(duì)于航空，冬末春初的降雪是威脅哈爾濱太平國際機(jī)場的主要天氣現(xiàn)象之一，持續(xù)性降雪過程不但造成跑道積雪和積冰，還常常導(dǎo)致能見度低于飛行標(biāo)準(zhǔn)，造成航班返航、備降、延誤等[2]。

國世友[3]對(duì)比黑龍江省兩次強(qiáng)降雪過程，高空槽配合地面蒙古氣旋，低渦切變和輻合區(qū)的持續(xù)存在為降雪提供動(dòng)力條件，低空西南急流帶來了充沛的水汽輸送?；亓魈鞖馐嵌竞邶埥∫环N特殊的產(chǎn)生暴雪的天氣形勢，楊艷敏和趙燃[4]指出動(dòng)力鋒生機(jī)制在回流暴雪形成與發(fā)展的過程中發(fā)揮了重要作用，強(qiáng)降雪產(chǎn)生在暖區(qū)，迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的地形強(qiáng)迫對(duì)降雪起明顯的增幅作用。秦銅[5]等對(duì)哈爾濱市一次暴雪天氣過程進(jìn)行分析，指出此次降雪暖鋒區(qū)持續(xù)時(shí)間以及位置是產(chǎn)生強(qiáng)降雪的關(guān)鍵，急流提供了大范圍強(qiáng)降雪產(chǎn)生的必要?jiǎng)恿l件和水汽條件。近期，王波等[6]統(tǒng)計(jì)分析了黑龍江降雪的氣候變化特征，指出黑龍江省大部分地區(qū)的年平均降雪量增加趨勢明顯，中雪和大雪日數(shù)增多趨勢明顯，但小雪日數(shù)減少趨勢明顯。上述工作對(duì)防災(zāi)減災(zāi)及天氣、氣候預(yù)測提供重要參考。

2 資料

本文使用哈爾濱太平國際機(jī)場觀測實(shí)況記錄，以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心 (ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 最新一代的再分析資料ERA5（doi:10.24381/cds.6860a573）的逐小時(shí)資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，該套資料采用四維變分同化法，相較于之前的ERA-interim，ERA5 更準(zhǔn)確并且具有更高的時(shí)空分辨率，適合分析局地天氣過程。本文使用的物理量包括：位勢高度、緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、垂直速度、比濕和相對(duì)濕度，垂直層為1000-100 hPa，共19 層。

3 降水實(shí)況分析

根據(jù)民航氣象的雪強(qiáng)與能見度的關(guān)系，小雪能見度≥1000 m、中雪能見度500-1000 m、大雪能見度<500 m，短臨的中雪和持續(xù)性小雪天氣均會(huì)影響正常的飛機(jī)飛行，以此為準(zhǔn)，本文挑選2019 年12 月28 日-30 日的一次持續(xù)降雪過程作為研究對(duì)象。

觀測實(shí)況記錄如下：28 日23 時(shí)53 分小雪-24時(shí)，29 日00 時(shí)小雪-10 時(shí)53 分轉(zhuǎn)中雪-11 時(shí)47 分轉(zhuǎn)小雪-11 時(shí)59 分轉(zhuǎn)中雪-15 時(shí)47 分轉(zhuǎn)小雪-19 時(shí)55 分停，21 時(shí)31 分小雪-24 時(shí)，30 日00 時(shí)小雪-05時(shí)49 分停，07 時(shí)17 分小雪-09 時(shí)47 分停。此次降雪過程時(shí)間長達(dá)34 h，過程降水量為6.9 mm，且連日來降雪未融化，積雪深度較厚，最大積雪深度為19.0 cm，新增積雪深度為10.0 cm。其中主要降雪時(shí)段集中在29 日08-14 時(shí)，該時(shí)段內(nèi)的短時(shí)降雪強(qiáng)度一度達(dá)到中雪量級(jí)，14 時(shí)后降雪強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)為小雪，直至30 日降雪停止。另外，根據(jù)哈爾濱太平國際機(jī)場的地理位置，將此次分析的關(guān)鍵區(qū)確定在45°N-46°N,126°E-127°E。

4 大氣環(huán)流作用

大尺度大氣環(huán)流背景場對(duì)短臨天氣過程的發(fā)生與維持具有重要影響。在對(duì)流層中層500 hPa（圖1），中高緯地區(qū)整體呈現(xiàn)兩脊一槽型，12 月28 日20 時(shí)-30 日08 時(shí)，位于貝加爾湖地區(qū)的東北-西南傾向的槽逐漸向東移動(dòng)至中國東北地區(qū)，黑龍江北部地區(qū)12 月29 日建立起閉合的氣旋性環(huán)流，哈爾濱附近地區(qū)存在西南風(fēng)，北方冷空氣與南方暖濕氣流匯合有利于產(chǎn)生降水，槽前的氣旋性渦度有利于上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)也是形成降水的重要條件之一，隨著低壓槽的進(jìn)一步向東移動(dòng)，黑龍江地區(qū)槽前的西南風(fēng)逐漸撤出。

圖1 500 hPa 位勢高度場（等值線，單位：gpdm）和風(fēng)場（箭頭，單位：m/s）。2019 年12 月(a)28 日20 時(shí)；(b)29 日08 時(shí)；(c)29 日20 時(shí)；(d)30 日08 時(shí)。

圖2 2019 年12 月(a)28 日20 時(shí)；(b)29 日08 時(shí)；(c)29 日20 時(shí)；(d)30 日08 時(shí)850 hPa 位勢高度場（等值線，單位：gpdm）和風(fēng)場（箭頭，單位：m/s）。

在對(duì)流層低層850 hPa（圖2），僅關(guān)注中國東部地區(qū)，12 月28 日20 時(shí)-29 日20 時(shí)，西北太平洋地區(qū)存在一個(gè)閉合的反氣旋性環(huán)流，反氣旋西側(cè)的偏南風(fēng)向北輸送較暖濕的空氣，而12 月29 日后，該反氣旋性環(huán)流向東移動(dòng)，不再影響中國大陸地區(qū)，阻斷了水汽的輸送，不利于降雪的維持。另一方面，12 月28 日內(nèi)蒙古高原北部（對(duì)流層中層槽前）存在閉合的氣旋性環(huán)流，環(huán)流東側(cè)的偏南風(fēng)同樣有利于暖濕水汽的向北輸送，哈爾濱地區(qū)偏南風(fēng)維持至12 月29日晚，之后偏北風(fēng)控制黑龍江地區(qū)，不利于降雪。

5 水汽作用

有利的水汽作用是強(qiáng)降雪過程發(fā)生和維持的充分條件之一，一般來說，持續(xù)性降雪過程一定要有充沛的水汽和持續(xù)的水汽輸送至關(guān)鍵區(qū)[7]，以下將從相對(duì)濕度和水汽通量兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

5.1 相對(duì)濕度

圖3 2019 年12 月28 日08 時(shí)-30 日08 時(shí)，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區(qū)域平均的相對(duì)濕度（單位：%）的時(shí)間演變-高度圖。

圖3 給出關(guān)鍵區(qū)相對(duì)濕度的時(shí)間演變-高度圖，12 月28 日08 時(shí)-29 日14 時(shí)，對(duì)流層中低層的相對(duì)濕度逐漸增加，且中層的相對(duì)濕度增加領(lǐng)先于低層，隨著低層相對(duì)濕度的增加，小雪逐漸發(fā)展為中雪。12月29 日2-14 時(shí)是降雪過程最集中的時(shí)段，對(duì)流層中低層的相對(duì)濕度達(dá)90%以上，說明該時(shí)段內(nèi)關(guān)鍵區(qū)水汽處于較為飽和的狀態(tài)，有利于降雪的發(fā)生發(fā)展。12 月29 日14 時(shí)之后，對(duì)流層中低層相對(duì)濕度驟減，數(shù)小時(shí)內(nèi)從90%降低至降雪過程發(fā)生前的水平，這與觀測實(shí)況對(duì)應(yīng)的很好，也與高空槽的東移、低層南風(fēng)變?yōu)楸憋L(fēng)互相匹配，此時(shí)不利于降雪的維持。

5.2 水汽通量

圖4 2019 年12 月28 日08 時(shí)-30 日08 時(shí)，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E） 區(qū)域平均的水汽通量 （陰影，單位：m s-1）與水汽通量散度（等值線，單位：10-7 s-1）的時(shí)間演變-高度圖。

從水汽通量的時(shí)間演變上看 （圖4 陰影），12 月28 日08 時(shí)-12 月29 日14 時(shí)，關(guān)鍵區(qū)上空對(duì)流層中低層的水汽通量隨時(shí)間逐漸增加，而500 hPa 以上水汽通量分布比較均勻，表明此次持續(xù)降雪過程主要受對(duì)流層中低層的機(jī)制影響。12 月29 日08-14 時(shí)，凈的水汽通量流入在對(duì)流層低層800 hPa 左右達(dá)到極大值（深色陰影），伴隨著小雪轉(zhuǎn)為中雪的天氣過程。12 月29 日14 時(shí)后，水汽通量數(shù)值快速減小，降雪強(qiáng)度也隨之減弱。

另一方面，與水汽通量配合的是水汽通量散度（圖4 等值線），虛線對(duì)應(yīng)的是水汽通量散度的輻合，實(shí)線對(duì)應(yīng)輻散?？梢园l(fā)現(xiàn)12 月28 日20 時(shí)-29 日8時(shí)，對(duì)流層低層1000-800 hPa 的水汽通量輻合增強(qiáng)，上層的輻合并不明顯，甚至在12 月29 日8 時(shí)前后的800 hPa 左右還存在水汽通量輻散區(qū)，此時(shí)的天氣過程為小雪。而12 月29 日8-14 時(shí)，對(duì)流層900-700 hPa 水汽通量輻合急劇加強(qiáng)，配合著大量的水汽通量凈流入，小雪加強(qiáng)為中雪，之后水汽通量散度轉(zhuǎn)為輻散，降雪隨之減弱停止。

6 動(dòng)力作用

除了大氣環(huán)流以及水汽的作用，垂直運(yùn)動(dòng)、散度和渦度等動(dòng)力作用對(duì)持續(xù)性降雪過程的發(fā)生和維持也十分重要。

6.1 垂直運(yùn)動(dòng)

圖5 2019 年12 月28 日08 時(shí)-12 月30 日08 時(shí)，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區(qū)域平均的垂直運(yùn)動(dòng)（單位：10-1 Pa s-1）的時(shí)間演變-高度圖。

短臨對(duì)流天氣事件往往伴隨著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，圖5 給出關(guān)鍵區(qū)垂直速度的時(shí)間演變-高度圖，實(shí)線正值代表下沉運(yùn)動(dòng)，虛線負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)。12月28 日14 時(shí)-29 日08 時(shí)，關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層中低層產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng)，且逐漸加強(qiáng)，位于800 hPa 左右的最強(qiáng)值達(dá)到-0.4 Pa/s。12 月29 日08-14 時(shí)，對(duì)流層800-400 hPa 的垂直上升運(yùn)動(dòng)迅速增強(qiáng)，位于600 hPa 左右的最強(qiáng)值達(dá)到-0.8 Pa/s，對(duì)流層中層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著觀測實(shí)況中的中雪。12 月29 日14時(shí)后，垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱，當(dāng)日20 時(shí)后轉(zhuǎn)為以下沉運(yùn)動(dòng)為主。

6.2 散度場

圖6 2019 年12 月28 日08 時(shí)到12 月30 日08 時(shí)，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區(qū)域平均的散度場（單位：10-5 s-1）的時(shí)間演變-高度圖。

散度場有利于了解降雪過程發(fā)生發(fā)展前后的動(dòng)力配置。圖6 給出此次持續(xù)降雪過程中關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層大氣散度的時(shí)間演變-高度圖，實(shí)線正值代表輻散，虛線負(fù)值代表輻合。12 月28 日14 時(shí)-29 日08時(shí)，對(duì)流層低層出現(xiàn)輻合，并逐漸加強(qiáng)，對(duì)流層中高層以輻散為主，這階段低層的輻合強(qiáng)度相對(duì)較弱，對(duì)應(yīng)觀測實(shí)況的小雪天氣。12 月29 日08-14 時(shí)，對(duì)流層低層的輻合迅速增強(qiáng)，并在850 hPa 左右出現(xiàn)大值中心，對(duì)流層中高層仍為輻散，低層輻合高層輻散的散度場配置有利于形成上升運(yùn)動(dòng)，有利于小雪進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)展為中雪。12 月29 日20 時(shí)后，低層輻合轉(zhuǎn)為輻散，不利于降雪的維持。

6.3 渦度場

渦度場同樣有利于了解降雪過程發(fā)生發(fā)展前后的動(dòng)力配置。圖7 給出此次持續(xù)降雪過程中關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層大氣渦度的時(shí)間演變-高度圖，實(shí)線正值代表正渦度，虛線負(fù)值代表負(fù)渦度。12 月28 日14 時(shí)起，對(duì)流層中低層出現(xiàn)正渦度并逐漸增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)于圖1中槽前黑龍江地區(qū)的正渦度平流，正渦度有利于產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)。12 月29 日8 時(shí)，對(duì)流層950 hPa 附近的正渦度達(dá)到最強(qiáng)，維持至當(dāng)日14 時(shí)，對(duì)應(yīng)于實(shí)況觀測中小雪轉(zhuǎn)中雪的過程，再之后正渦度逐漸減弱。

圖7 2019 年12 月28 日08 時(shí)-12 月30 日08 時(shí)，哈爾濱（45°N-46°N,126°E-127°E）區(qū)域平均的渦度場（單位：10-5 s-1）的時(shí)間演變-高度圖。

7 結(jié)論

本文利用ERA5 再分析資料，結(jié)合觀測實(shí)況資料，對(duì)一次影響民航航空的持續(xù)性降雪事件進(jìn)行分析，得到以下的結(jié)論：

（1）此次持續(xù)降雪過程受大尺度大氣環(huán)流影響。對(duì)流層中層位于貝加爾湖地區(qū)槽向東移動(dòng)至中國東北地區(qū)，槽前的氣旋性渦度有利于形成上升運(yùn)動(dòng)，低槽的進(jìn)一步東移使得降雪停止；對(duì)流層低層西北太平洋地區(qū)的反氣旋性環(huán)流以及內(nèi)蒙古高原北部 （對(duì)流層中層槽前）的氣旋性環(huán)流，共同向黑龍江地區(qū)輸送較為暖濕的水汽，有利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展；

（2）降雪發(fā)生數(shù)小時(shí)前，對(duì)流層相對(duì)濕度梯度大，大氣快速變濕，這是由于對(duì)流層低層偏南風(fēng)水汽凈匯入，水汽通量凈流入達(dá)到極值時(shí)，水汽通量輻合強(qiáng)度也達(dá)到最強(qiáng)，導(dǎo)致強(qiáng)烈的降雪過程；

（3）此次持續(xù)降水過程發(fā)生發(fā)展期間，哈爾濱上空存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)，并與槽前的正渦度平流相配合，對(duì)流層低層輻合、中層輻散的散度配置導(dǎo)致的抽吸作用也有利于上升運(yùn)動(dòng)與降雪，為此次持續(xù)性天氣過程的發(fā)生和維持提供有利的動(dòng)力條件。