寶樂(lè)爾

（阿拉善盟氣象局，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750306）

近年來(lái)，氣象工作者對(duì)降雪天氣，尤其是大雪、暴雪天氣的研究顯示，大雪、暴雪天氣中常見(jiàn)的天氣系統(tǒng)有鋒面活動(dòng)。鋒面活動(dòng)，即指鋒消、鋒生現(xiàn)象。綜合性物理量鋒生函數(shù)，既考慮了大氣的熱力特征也考慮了動(dòng)力特征，鋒區(qū)與函數(shù)大值區(qū)位置重合，可作為診斷鋒面時(shí)空分布特征及強(qiáng)度的重要指標(biāo)[1-2]。朱乾根等[3]研究指出，鋒生作用使水平位溫梯度隨時(shí)間增加，造成熱成風(fēng)平衡被破壞，從而形成垂直于鋒區(qū)中暖區(qū)上升、冷區(qū)下沉的次級(jí)環(huán)流。楊金錫等[4]指出降雨帶與鋒生函數(shù)大值區(qū)配合度較好，且鋒生大值區(qū)中存在多個(gè)強(qiáng)中心。降雪天氣中，鋒生過(guò)程具有重要的指示意義[5-12]。

前期研究為探究阿拉善盟大雪天氣提供了研究思路及方法，但對(duì)于鋒面結(jié)構(gòu)、鋒消、鋒生的認(rèn)識(shí)仍然匱乏。2020 年11 月20 日至21 日阿拉善盟大部地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣，其中賀蘭山及沿山一帶降雪量普遍達(dá)到大到暴雪，且鋒生過(guò)程明顯。本文將利用NECP/NCAR 再分析資料、常規(guī)資料、自動(dòng)站資料等，對(duì)本次過(guò)程的鋒消、鋒生結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行研究診斷，分析其動(dòng)力、水汽條件特征，望提高阿拉善盟大到暴雪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率及預(yù)報(bào)提前量，為實(shí)際預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及天氣實(shí)況

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用2020 年11 月20 日至21 日NECP/NCAR再分析資料、常規(guī)資料、自動(dòng)站資料，計(jì)算分析大雪過(guò)程中的鋒生函數(shù)、垂直運(yùn)動(dòng)、溫度平流及假相當(dāng)位溫等要素，分析大雪天氣中冷鋒垂直結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度演變。

鋒生是促使新鋒面形成或原有鋒面加強(qiáng)的過(guò)程。主要表現(xiàn)為：在等壓面圖上，由于空氣水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和非絕熱變化等過(guò)程，使某地帶等溫線隨時(shí)間而加密，即溫度或位溫梯度增強(qiáng)的過(guò)程，稱為鋒生;當(dāng)?shù)孛鎴D上某地帶的氣象要素和天氣現(xiàn)象顯示出鋒面特征，或者已有鋒面表現(xiàn)得更清楚和活躍，也稱為鋒生。鋒生函數(shù)通常定義為：

F＞0 為鋒生，預(yù)示未來(lái)鋒區(qū)將加強(qiáng)；F＜0 為鋒消，預(yù)示未來(lái)鋒區(qū)將減弱[13]。

1.2 天氣實(shí)況

2020 年11 月20 日08 時(shí)至21 日13 時(shí)，內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟出現(xiàn)首場(chǎng)大雪天氣，賀蘭山及沿山地區(qū)普遍量級(jí)達(dá)大雪。政府所在地巴彥浩特鎮(zhèn)降雪量7.2mm，積雪深度達(dá)6.0cm。最大降雪量出現(xiàn)在北寺為10.2mm，達(dá)到暴雪量級(jí)。

11 月20 日08 時(shí)開(kāi)始，阿拉善盟自西向東出現(xiàn)降雪天氣，20 日20 時(shí)降雪強(qiáng)度增強(qiáng)，11 月20 日20 時(shí)至21日08 時(shí)12 小時(shí)間，巴彥浩特降雪量達(dá)6.0mm，雪強(qiáng)峰值為0.9mm/h（22 日02-03 時(shí)），北寺降雪量達(dá)7.7mm，雪強(qiáng)峰值為1.1mm（22 日03-04 時(shí)）。21 日08 時(shí)降雪減弱，13時(shí)全盟降雪天氣趨于結(jié)束。

本次大雪天氣落區(qū)集中、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、累積降雪量大。大雪導(dǎo)致市區(qū)道路濕滑擁堵、航班延誤，居民出行和生活受到了極大的影響。

2 天氣形式演變

20 日08 時(shí)歐亞大陸為“兩槽兩脊”型，脊前偏北急流將極地冷空氣源源不斷地向北輸送，阿拉善盟上空被槽前西南、偏西氣流控制。20 日20 時(shí)，隨著脊前強(qiáng)冷平流輸送使南段低槽發(fā)展東移，阿拉善盟上空西南氣流由10m/s 增強(qiáng)至16m/s。在干冷空氣的推動(dòng)下，槽后冷空氣主體開(kāi)始影響阿拉善盟地區(qū)。21 日08 時(shí)冷槽轉(zhuǎn)向呈南-北向，且基本移出阿拉善盟。低層700hPa，20 日08 時(shí)，冷式切變線位于阿拉善盟西部地區(qū)上空，其前部偏南低空急流為本次大雪提供了豐富的水汽條件。20 日20 時(shí)，高度場(chǎng)與溫度場(chǎng)交角呈90°，強(qiáng)冷平流不斷向南輸送冷空氣且由于偏南氣流的加強(qiáng)，原位于四川地區(qū)的低槽加深形成低渦，其北部暖式切變線攜帶暖濕空氣與北方冷空氣在阿拉善盟地區(qū)交匯，有利于鋒生，進(jìn)一步加強(qiáng)降雪強(qiáng)度。降雪開(kāi)始前，冷高壓中心盤踞于蒙古至新疆北部，冷鋒位于新疆中部至蒙古國(guó)西南部。從高壓母體中分裂了南下一個(gè)高壓中心位于錫林郭勒盟，其前部存在副冷鋒。此時(shí)，阿拉善盟上空為地面倒槽控制。20 日20 日，隨著高壓母體中又分裂一個(gè)高壓中心東移南下，倒槽減弱南退，冷鋒掃過(guò)阿拉善盟大部地區(qū)，造成大部地區(qū)降雪天氣。本次大雪過(guò)程發(fā)生在高層西北風(fēng)急流配合低層暖濕氣流的有利背景下，冷槽、地面冷鋒等共同作用。本文將重點(diǎn)通過(guò)分析鋒面演變特征與其結(jié)構(gòu)，探討與降雪之間的關(guān)系。

3 冷鋒垂直結(jié)構(gòu)及變化特征

3.1 冷鋒的垂直結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)典鋒面理論指出，鋒區(qū)基本沿著等位溫線的方向，鋒區(qū)內(nèi)位溫線密集且與等溫線正交。能夠綜合表征大氣溫濕特征的物理量為假相當(dāng)位溫，故可結(jié)合溫度場(chǎng)和假相當(dāng)位溫場(chǎng)確定鋒區(qū)的位置及結(jié)構(gòu)，沿大雪區(qū)垂直于鋒面的105°E 做溫度和假相當(dāng)位溫垂直經(jīng)向剖面。19 日08時(shí)等假相當(dāng)位溫線水平梯度小，垂直梯度大，即沿水平方向分布。20 日08 時(shí)開(kāi)始，鋒區(qū)主體位于40°N 至50°N。20日20 時(shí)開(kāi)始，隨著母體高壓中強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充南下，鋒區(qū)加強(qiáng)，32°N 至40°N 區(qū)域內(nèi)，等假相當(dāng)位溫線抬升，垂直梯度減小，形成隨高度向北傾斜的陡立且密集的帶狀區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)，等假相當(dāng)位溫線、等溫線密集且?guī)缀跽?，為鋒區(qū)位置，此時(shí)巴彥浩特及賀蘭山山區(qū)降雪強(qiáng)度開(kāi)始加強(qiáng)，20 日20 時(shí)至21 日08 時(shí)巴彥浩特累積降雪量為6.0mm，北寺降雪量為7.7mm。21 日08 時(shí)，鋒區(qū)主體東移，巴彥浩特上空假相當(dāng)位溫線密集度減小且700hPa 以上假相當(dāng)位溫呈水平分布，指示著鋒區(qū)減弱，對(duì)應(yīng)鋒消過(guò)程，降雪強(qiáng)度減弱。假相當(dāng)位溫的演變特征能夠表示鋒生（消）過(guò)程，對(duì)降雪強(qiáng)度預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

3.2 冷鋒形成的動(dòng)力及熱力條件

影響鋒生的要素不同，其中溫度分布對(duì)鋒生有重要的作用，正如前文所分析，存在明顯的溫度密集帶。此次天氣過(guò)程中，鋒生活動(dòng)主要發(fā)生在對(duì)流層中低層。20 日08 時(shí)西北急流輸送冷空氣，從而在地面34°N 至50°N 區(qū)域內(nèi)形成冷墊，暖濕氣流沿冷墊爬升。20 日20 時(shí)，隨著冷平流進(jìn)一步向南擴(kuò)展加強(qiáng)，垂直方向發(fā)展至500hPa，形成閉合冷中心。700hPa 由于西南低渦的建立，暖平流增強(qiáng)并繼續(xù)沿冷墊爬升，溫度平流梯度增大，有利于鋒生。綜合08 時(shí)和20 時(shí)，可分析出36°N 至44°N 區(qū)域，即巴彥浩特上空，溫度平流梯度增強(qiáng)且被抬升至600hPa 至500hPa 之間，而鋒生中心大值區(qū)恰好位于冷暖梯度大值帶中。此次冷鋒是風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下逐漸形成的準(zhǔn)垂直帶狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 105°E 溫度平流（線條，單位：10-5 K·s-1）、鋒生函數(shù)（填色，單位：10-8K·（m·s）-1）剖面

鋒生中心位于600hPa 溫度平流密集帶，利用600hPa 鋒生函數(shù)及溫度平流，直觀分析此次冷鋒的演變特征。20 日08 時(shí)冷空氣前端擴(kuò)散南下，溫度平流密集區(qū)，即鋒生區(qū)位于100°E 以西地區(qū)，巴彥浩特位于暖平流區(qū)。20 日20 時(shí)，600hPa 冷平流中心值為-11×10-5K·s-1，冷鋒發(fā)展南壓，鋒生值為8×10-8K·（m·s）-1，巴彥浩特位于最強(qiáng)鋒區(qū)，降雪強(qiáng)度增大。21 日08 時(shí)，巴彥浩特處于鋒后，鋒生值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，鋒面和降雪減弱（見(jiàn)圖2）。

圖2 600hPa 溫度平流（線條，單位：10-5K·s-1）、鋒生函數(shù)（填色，單位：10-8K·（m·s）-1）分布

綜上所述，巴彥浩特經(jīng)歷了一次鋒生過(guò)程，鋒生時(shí)雪強(qiáng)大，冷鋒在維持過(guò)程中，斜壓性增強(qiáng)，坡度增大，為降雪強(qiáng)度的增大提供了非常有利的動(dòng)力條件。600hPa 溫度平流密集區(qū)的演變表征著鋒面強(qiáng)度、位置變化，鋒生中心對(duì)降雪中心預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

4 水汽輸送及輻合的空間結(jié)構(gòu)

研究表明在一區(qū)域內(nèi)本身存在的水汽不足以引發(fā)降水過(guò)程，要形成降水必須建立水汽輸送通道，分析4 個(gè)時(shí)間段的整層水汽通量及散度可以看出，本次降雪過(guò)程主要有兩個(gè)通道。一是由偏西氣流帶來(lái)的水汽，另一個(gè)是西南方向傳輸?shù)乃?1 日20 時(shí)，來(lái)自西南方向和偏西氣流的兩條水汽樹(shù)洞相遇在阿拉善盟東南部地區(qū)，產(chǎn)生明顯的整層水汽輻合，降雪強(qiáng)度加強(qiáng)。次日08 時(shí)水汽輸送和輻合帶移出阿拉善盟，降水結(jié)束。

分析19 日20 時(shí)至21 日20 時(shí)巴彥浩特上空水平水汽通量、水平水汽通量散度時(shí)間剖面圖，時(shí)間間隔為6 小時(shí)?？梢钥闯?0 日14 時(shí)開(kāi)始，巴彥浩特上空600hPa 至500hPa 開(kāi)始有水汽輸送，20 時(shí)以后高空水汽開(kāi)始輻合，22 日02 時(shí)，水汽輸送及輻合達(dá)到最強(qiáng)，正是巴彥浩特上空強(qiáng)鋒生區(qū)。

垂直方向運(yùn)動(dòng)也發(fā)揮了重要作用，分析巴彥浩特相對(duì)數(shù)度、垂直速度時(shí)間剖面圖，21 日02 時(shí)，巴彥浩特上空上升運(yùn)動(dòng)與下沉運(yùn)動(dòng)相遇，上升運(yùn)動(dòng)峰值中心與下沉運(yùn)動(dòng)峰值中心對(duì)稱分布于500hPa，進(jìn)一步加強(qiáng)了600hPa至500hPa 的水汽輻合，此時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到峰值，降雪強(qiáng)度達(dá)到最大，巴彥浩特21 日02 時(shí)至03 時(shí)降雪量為0.9mm/h。以上分析與郭英蓮等[1]研究結(jié)論相一致，水平鋒生加強(qiáng)輻合抬升并提供水汽輸送，即水汽輸送、輻合強(qiáng)度變化與巴彥浩特降雪演變有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 結(jié)論

（1）本次大雪過(guò)程發(fā)生在高層西北風(fēng)急流配合低層暖濕氣流的有利背景下，隨著高壓母體中分裂一個(gè)高壓中心東移南下時(shí)，冷鋒掃過(guò)阿拉善盟大部地區(qū)，造成大部地區(qū)降雪天氣。

（2）伴隨著高空冷槽東移，巴彥浩特經(jīng)歷了一次鋒生過(guò)程，與巴彥浩特降雪強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)。鋒生時(shí)雪強(qiáng)大，冷鋒在維持過(guò)程中，坡度增大，斜壓性增強(qiáng)，為降雪強(qiáng)度的增大提供了非常有利的動(dòng)力條件。600hPa 溫度平流密集區(qū)的演變表征著鋒面位置、強(qiáng)度變化，鋒生中心對(duì)降雪中心預(yù)報(bào)有一定指示意義。

（3）本次過(guò)程建立了兩個(gè)水汽輸送通道，當(dāng)偏西通道和西南通道在我盟東南部相遇時(shí)，巴彥浩特上空水汽輻合，相對(duì)濕度增大，加上較為強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，以及鋒面過(guò)境帶來(lái)的冷平流，致使巴彥浩特地區(qū)產(chǎn)生大雪天氣。