美麗巴奴·艾則孜 ,張俊蘭 ,王小亞
(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;2.中亞大氣科學研究中心,新疆 烏魯木齊830002;3.新疆氣象臺,新疆 烏魯木齊830002;4.哈密市氣象局,新疆 哈密839000)
北疆具有獨特的溫帶大陸型干旱氣候,冬半年氣候寒冷、降雪天氣頻繁、積雪較厚。暴雪天氣是白災(zāi)的主要致災(zāi)因子,是北疆重要的氣象災(zāi)害之一,對農(nóng)、林、牧、交通、電力、通信以及人民生產(chǎn)、生活等均帶來嚴重的影響和危害。2009 年12 月—2010 年3月,北疆60 a 一遇的連續(xù)暴雪過程,大部分觀測站累計降水量超過50 mm,富蘊等17 個測站累計降水量突破歷史同期極大值。北疆暴雪受不同天氣系統(tǒng)的影響分為冷鋒暴雪和暖區(qū)暴雪,通常情況下,天山北坡的暴雪為冷鋒暴雪,而塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)的暴雪過程多為暖區(qū)暴雪。
關(guān)于暖區(qū)暴雪,新疆氣象學者在環(huán)流配置、影響系統(tǒng)、水汽輸送等方面做了不少研究,張家寶[1]認為,冬季環(huán)流形勢、天氣系統(tǒng)以及地形影響是形成暖區(qū)暴雪的重要因素。楊霞等[2]對新疆暖區(qū)暴雪天氣研究的綜述中指出,單阻型是暖區(qū)暴雪的大尺度環(huán)流形勢之一,低空偏南氣流是暖區(qū)暴雪天氣的必要條件,與莊曉翠等[3]“北疆暖區(qū)強降雪區(qū)位于低槽前部,低空急流出口區(qū)前側(cè)輻合區(qū)和高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū),以及700 和850 hPa 輻合線和暖切變線東部、北部及干線東南部,地面輻合線附近減壓升溫的重疊區(qū)域內(nèi)”結(jié)論基本一致。在天氣系統(tǒng)南北結(jié)合和動力抬升方面,有關(guān)研究[4-5]表明500 hPa 極鋒鋒區(qū)偏西急流與中緯度西南急流交匯,南北兩支鋒區(qū)匯合。沙依然·維力等[5]指出,高空輻散、低層輻合和整層深厚的上升運動以及較強的位勢不穩(wěn)定是暖區(qū)暴雪的動力學條件。李如琦等[6]認為北疆暖區(qū)暴雪極鋒急流起主導作用,暖區(qū)暴雪與地形的關(guān)系極為密切,暴雪區(qū)主要位于山區(qū)或迎風坡上有地形強迫抬升和輻合的區(qū)域。暴雪發(fā)生前后地面氣象要素、云圖云型及云頂亮溫TBB 等特征,揭示了暖區(qū)暴雪與新疆冷鋒降雪的不同[7-12],為北疆暖區(qū)暴雪分析和研究提供了較好的思路和借鑒。2016 年11月10—13 日北疆北部出現(xiàn)了較強暖區(qū)暴雪天氣,也是2011 年以來北疆最強的暖區(qū)暴雪過程,通過綜合分析,可進一步提升對北疆暖區(qū)暴雪高低空天氣系統(tǒng)空間配置、水汽輸送和云圖云頂亮溫TBB變化的認識水平,為提高暖區(qū)暴雪預(yù)報能力提供參考,對提高北疆暖區(qū)暴雪預(yù)報準確率和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。
研究區(qū)域為北疆北部的塔城和阿勒泰地區(qū),其中最大暴雪區(qū)裕民縣和富蘊縣地形特殊。裕民縣位于塔額盆地南緣、巴爾魯克山北部,平原平均海拔為750 m 左右,氣象站海拔為721 m。富蘊縣位于阿爾泰山中段南麓、額爾齊斯河上游,海拔為800~1 200 m,氣象站海拔為860 m。選用常規(guī)地面監(jiān)測、高空探測數(shù)據(jù)分析此次暴雪的環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu),利用NCEP 1°×1°再分析資料計算 925~100 hPa共21 層的物理診斷量,包括溫度平流、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度場以及沿裕民和富蘊2 個暴雪點診斷量的垂直剖面,利用FY-2G 紅外云圖數(shù)據(jù),通過等值線處理得到云頂黑體亮溫TBB 資料。
2016 年11 月10—13 日,北疆北部的塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)近年來較強的暴雪天氣(新疆暴雪標準:24 h 累計降雪量達12.1~24.0 mm 為暴雪,24 h 累計降雪量達24.1~48.0 mm 為大暴雪),大部出現(xiàn)20 mm 以上降雪,新增積雪多地超過20 cm,10日13 時—13 日19 時,累計降雪量前5 位分別是裕民縣(55.3 mm)、塔城市(44.2 mm)、哈巴河縣(34.9 mm)、富蘊縣(30.9 mm)、吉木乃縣(30.1 mm),裕民縣為最大降雪中心(圖1a)。12 日降雪最強,裕民縣和富蘊縣2 站出現(xiàn)大暴雪,降雪量分別為41.4、25.2 mm;托里縣、青河縣和塔城市3 站暴雪,降雪量分別為 17.9、16.8、13.6 mm,12 日裕民縣降雪量居11 月歷史第一位,富蘊、青河居歷史第三位。裕民縣降雪強度最強,最大雪強為5.5 mm/h,出現(xiàn)在11 日22—23 時;富蘊縣次之,最大雪強為2.8 mm/h,出現(xiàn)在 12 日 02—03 時(圖 1b)。
圖1 2016 年11 月10—13 日新疆降雪量分布(a)和裕民縣、塔城縣逐小時降雪量曲線(b)
此次暴雪致使阿勒泰地區(qū)多地交通受阻,吉木乃、布爾津、哈巴河等縣部分路線雙向交通管制,禁止通車或客運班車停發(fā)。
500 hPa 歐亞范圍中高緯維持一脊一槽“單阻型”經(jīng)向環(huán)流,東歐高壓脊和西西伯利亞低渦(槽)相對穩(wěn)定,東歐(50°~75°N,40°~60°E)高壓脊向北發(fā)展,加強為阻塞高壓(11 日08 時),閉合中心位于70°N,45°E 附近,中心強度為 556 dagpm;西西伯利亞低渦外圍低槽在巴爾喀什湖以北的中亞地區(qū),強度為516 dagpm,低渦(槽)未影響北疆,北疆北部始終處于低渦底部極鋒鋒區(qū)的西北急流帶上。
中高層500~200 hPa 西西伯利亞低渦(槽)深厚,垂直分布呈前傾結(jié)構(gòu),東歐阻塞高壓緩慢向東南衰退,西西伯利亞低渦(槽)逐漸東移南壓,其底部極鋒鋒區(qū)上西北風加強為急流,8 日08 時,500 hPa 巴爾喀什湖—北疆上空有風速≥20 m·s-1的西北急流,12 日 08—20 時最強(圖 2a),塔城、阿勒泰西北風風速分別達 44、36 m·s-1;200 hPa 也有西北急流,8 日 20 時塔城、阿勒泰西北風風速≥35 m·s-1,12日風速分別增至46、40 m·s-1(圖2b),中高層西北急流持續(xù)至13 日08 時。
圖2 2016 年 11 月 12 日 08 時位勢高度場(單位:dagpm)疊加風場(單位:m·s-1)
11 日08 時700~850 hPa 巴爾喀什湖附近偏西氣流加強為急流(≥12 m·s-1),并維持至 13 日。11日20 時低渦底部分裂短波,塔城700 和850 hPa 西北風風速分別達32、22 m·s-1,阿勒泰700、850 hPa轉(zhuǎn)為西南風(12 m·s-1)和東南風(10 m·s-1),塔城與阿勒泰之間出現(xiàn)冷式切變線(圖3a),加劇了低層局地輻合與抬升。北疆北部中低層濕度較大,塔城和阿勒泰 T-lnP 圖上,2 站 500 hPa T-Td為 2 ℃、700 和850 hPa T-Td均為 1 ℃,500 hPa 以下溫濕廓線近乎平行,中低層空氣濕潤,低層空氣接近飽和。暴雪區(qū)位于低層切變線附近飽和濕區(qū)內(nèi)。
圖3 2016 年 11 月 11 日 20 時 850 hPa 溫度場(a,單位:℃)和地面氣壓場形勢(b,單位:hPa)疊加風場(單位:m·s-1)
特殊地形增強了強迫抬升和水汽輻合,裕民縣和富蘊縣低層分別出現(xiàn)西北風和偏南風,受東北—西南向的巴爾魯克山和西北—東南向的阿爾泰山阻擋,在山前均形成地形強迫抬升和水汽輻合,兩地特殊地形遇不同風場增強了強迫抬升和水汽輻合。由于裕民縣低層西北急流風速明顯強于富蘊縣,地形強迫抬升和水汽輻合作用更明顯,降水強度更強。
暴雪過程中,700 hPa 暴雪區(qū)有明顯的暖平流(圖 4),裕民站 600~850 hPa 的暖平流自10 日 14 時持續(xù)至12 日22 時,持續(xù)時間約56 h,暖平流強度為(10~20)×10-5℃·s-(1圖4a);富蘊站暖平流主要出現(xiàn)在 11 日 08 時—13 日 02 時 600 hPa 附近,持續(xù)時間約42 h,暖平流強度為(10~25)×10-5℃·s-(1圖4a),700 hPa 暖平流為(5~10)×10-5℃·s-(1圖4b)。由于裕民縣較富蘊縣平均海拔低200~500 m(約15~45 hPa),因此可認為,裕民站暖平流的高度更低、持續(xù)時間更長、低層暖平流更強。
圖4 2016 年11 月9 日08 時—14 日02 時溫度平流的時間—高度剖面(單位:10-5℃·s-1)
10 日,隨喀拉海北部熱低壓的不斷南壓和烏拉爾山—中亞—新疆高壓帶東移,地面氣壓場演變?yōu)椤皟筛邐A一低”態(tài)勢,并持續(xù)至12 日17 時。10 日08時喀拉海北部熱低壓南壓至北疆北部,烏拉爾山—中亞—新疆的帶狀高壓分裂成兩段,東段移至蒙古地區(qū),西段在中亞滯留,形成了蒙古高壓、中亞高壓和北疆北部熱低壓的“兩高夾一低”態(tài)勢,熱低壓位于北疆北部境外,北疆受熱低壓控制,冷鋒并未入侵北疆,冷鋒位于巴爾喀什湖北部,暖鋒在蒙古高原西部,冷鋒前部和暖鋒后部暖空氣活躍,塔城和阿勒泰處于此暖區(qū)內(nèi)。11 日14—23 時北疆北部熱低壓中心為1 007.5 hPa,20 時中亞和蒙古2 個高壓達最強,中心均為1 025.0 hPa,暴雪區(qū)發(fā)生在兩高之間熱低壓南部的暖區(qū)內(nèi)(圖3b),暴雪區(qū)地面氣象要素表現(xiàn)為減壓升溫。隨著熱低壓東移至蒙古中部,冷高壓入侵北疆,暖區(qū)降水結(jié)束。
此次暖區(qū)暴雪環(huán)流形勢呈“單阻型”經(jīng)向環(huán)流,西西伯利亞低渦(槽)位于境外,500~200 hPa 西西伯利亞低渦(槽)深厚且垂直呈前傾結(jié)構(gòu),其底部極鋒鋒區(qū)上西北風加強為西北急流,北疆位于此西北急流帶上。700~850 hPa 有暖平流,塔城為西北急流、阿勒泰為偏南風,兩地之間存在切變線。地面氣壓場上呈現(xiàn)“兩高夾一低”態(tài)勢,熱低壓位于北疆北部境外,北疆受熱低壓控制,冷鋒未入侵北疆。500 hPa低渦底部的西北急流、700~850 hPa 低槽前偏西急流以及850 hPa 北疆東部東南氣流的高低空3 支氣流在暴雪區(qū)上空匯合,暴雪區(qū)位于高空西北急流、低層切變線和暖平流區(qū)以及地面冷鋒前部、暖鋒后部的暖區(qū)內(nèi),上述環(huán)流形勢和高低空天氣系統(tǒng)配置符合以往暖區(qū)暴雪研究成果的天氣學特征[1-3],不僅為此次暴雪提供了熱力條件,還為暴雪區(qū)輸送水汽和動力抬升發(fā)揮了關(guān)鍵作用,暴雪出現(xiàn)在冷空氣入侵前,因此地面氣象要素表現(xiàn)為減壓和升溫(圖5),另外,塔城盆地和阿勒泰地區(qū)的特殊地形發(fā)揮了重要作用,增強了強迫抬升和水汽輻合。
圖5 2016 年11 月11 日20 時高低空天氣系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)配置
源源不斷的水汽向暴雪區(qū)輸送是暴雪形成的重要條件,此次暴雪過程中,850~400 hPa 自低層到高層僅有一條水汽輸送路徑——西方路徑。選取700 hPa水汽輸送層,自歐洲大西洋沿岸的水汽沿偏西風經(jīng)過地中海、黑海、里海接力輸送至北疆地區(qū),隨著高空極鋒鋒區(qū)南壓,西方水汽輸送帶也明顯南壓和增強(圖6)。
圖6 11 月 10 日 08 時 700 hPa 水汽通量(a)、11 月 12 日 08 時 700 hPa 水汽通量(b)(陰影區(qū),單位:g·(cm·hPa·s)-1)疊加風場(單位:m·s-1)
對比裕民縣和富蘊縣(圖7),西方路徑的水汽輸送帶從7 日08 時持續(xù)至14 日08 時,但兩縣水汽輸送帶的厚度、強度、時間不同。裕民縣7 日08 時中層700~500 hPa 出現(xiàn)了西方路徑的水汽輸送,10 日08 時水汽輸送向低層伸展至地面,并持續(xù)至14 日08 時,500 hPa~地面的水汽輸送帶持續(xù)了約96 h。700 hPa 11 日 08 時水汽輸送明顯增強,≥8×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送持續(xù)至 12 日 14 時(持續(xù)約 30 h),11 日 20 時—12 日 08 時達最強,為 10×10-3g·(cm·hPa·s)-1,水汽輸送增強約 10 h 后降雪強度增強,11 日17 時—12 日12 時降雪較強,平均小時降雪強度為2.3 mm·h-1。600 hPa~地面的水汽輸送于11 日14 時—12 日20 時較強,最強水汽≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1,垂直厚度在 400 hPa 左右,≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送持續(xù)了約 96 h。另外,11 日 20 時,≥1×10-3g·(cm·hPa·s)-1的最高水汽輸送頂層到達380 hPa(圖7a)。
富蘊縣水汽輸送帶的垂直高度偏高、強度偏弱、持續(xù)時間偏短,7 日 20 時中層 600~450 hPa 出現(xiàn)西方路徑的水汽輸送,9 日14 時開始加強,11 日14時,450 hPa 水汽輸送向低層伸展至地面,持續(xù)至12日20 時,500 hPa~地面的水汽輸送帶持續(xù)了約30 h。9 日 20 時—10 日 14 時水汽輸送較強,500~700 hPa≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送持續(xù)了約 18 h,垂直厚度為200 hPa 左右。11 日14 時600 hPa 水汽輸送高度降至 700 hPa 附近,12 日 08時,700 hPa 水汽輸送≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-(1持續(xù)約18 h)。9 日14 時 600 hPa 水汽輸送明顯增強,≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送持續(xù)至 10 日 14 時。11 日 19時—12 日05 時降雪較強,平均降雪強度為1.8 mm·h-1,600 hPa 水汽輸送增強約50 h 后降雪強度增強。9日 20 時—10 日20 時,≥1×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送頂層到達320 hPa(圖7b)。
圖7 2016 年 11 月 9 日 08 時—14 日 02 時水汽通量(單位:10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1)時間—高度垂直剖面
此次暴雪水汽主要來源于歐洲沿岸的大西洋海域,還有地中海、黑海、里海地區(qū)的部分水汽補充。水汽輸送主要出現(xiàn)在500 hPa 以下的中低層,只有一條西方路徑,最強水汽輸送在600~700 hPa,此高度水汽輸送增強10 h 以上雪強才加大,水汽輸送強中心下降時出現(xiàn)最強降雪。雖同為一條水汽路徑,但兩站水汽輸送帶的空間垂直厚度、強度和持續(xù)時間不同,裕民縣較富蘊縣平均海拔偏低500 m(不足50 hPa),裕民縣和富蘊縣≥1×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送頂層到達380 和320 hPa,最高水汽輸送厚度相當。裕民縣≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1的水汽輸送比富蘊縣偏長近80 h,厚度比富蘊縣偏厚約200 hPa,特別是700 hPa 最強水汽輸送,裕民縣水汽輸送≥8×10-3g·(cm·hPa·s)-1,持續(xù)約 30 h,富蘊縣水汽輸送≥4×10-3g·(cm·hPa·s)-1,持續(xù)約 18 h;700 hPa 水汽輸送裕民縣較富蘊縣明顯偏強、持續(xù)時間偏長,低層充裕水汽和長時間輸送致使裕民縣累計雪量更多、雪強更強。
此次過程水汽輻合主要在700 hPa 以下,裕民縣在 700~900 hPa,≤-10.0×10-6g·(cm2·hPa·s)-1的水汽輻合自11 日08 時持續(xù)至14 日20 時,持續(xù)時間約 84 h,最強水汽輻合≤-25.0×10-6g·(cm2·hPa·s)-1,出現(xiàn)在 12 日 02—08 時的 850 hPa(圖 8a)。富蘊縣水汽輻合高度也在700~900 hPa,但強度明顯偏弱,最強水汽輻合≤-10.0×10-6g·(cm2·hPa·s)-1,出現(xiàn)在11 日 20—12 日 08 時,持續(xù)約 12 h,最強水汽輻合也在850 hPa 附近(圖8b),但裕民縣的水汽輻合時間更長、強度更強。
圖8 2016 年 11 月 9 日 08 時—14 日 02 時水汽通量散度(單位:10-6 g·hPa-1cm-2·s-1)的時間—高度垂直剖面結(jié)構(gòu)
隨著高空西西伯利亞低渦外圍極鋒鋒區(qū)南壓與加強,北疆上空急流云系發(fā)展,較強降雪均在TBB低值云團移出暴雪區(qū)上空后出現(xiàn)。圖9 為裕民縣和富蘊縣最大小時雪強TBB 分布,11 日23 時裕民縣小時雪強最大,為 5.5 mm·h-1,TBB 為-19 ℃(圖9a)。12 日03 時富蘊縣小時雪強最大,為2.8 mm·h-1,TBB 為-33 ℃(圖 9b)。
圖9 2016 年 11 月 11—12 日 FY-2G 紅外云圖云頂亮溫 TBB(單位: ℃)
裕民縣和富蘊縣小時平均雪強分別為1.3和0.9 mm·h-1,平均 TBB 分別為-24.2 和-34.6 ℃,降雪過程中,裕民縣和富蘊縣降雪強度≥1.0 mm·h-1的TBB 平均值分別為-20.5 和-31.3 ℃,裕民縣的降雪強度更大、TBB 較富蘊縣平均偏高10 ℃左右。
通過綜合分析2016 年11 月10—13 日北疆北部的暖區(qū)暴雪過程成因,得出以下結(jié)論:
(1)此次暴雪過程的環(huán)流形勢、高低空氣流和地面要素等具有暖區(qū)暴雪的特征。環(huán)流形勢呈“單阻型”經(jīng)向環(huán)流,西西伯利亞低渦(槽)位于境外,北疆位于低渦(槽)底部極鋒鋒區(qū)的西北急流帶上。700~850 hPa 有暖平流和切變線。地面氣壓場“兩高夾一低”,北疆受熱低壓控制,暴雪區(qū)位于高空西北急流、低層切變線和暖平流區(qū)以及地面冷鋒前部、暖鋒后部的暖區(qū)內(nèi)。中高層西北急流、低層偏西氣流和偏東氣流在暴雪區(qū)上空匯合,山區(qū)地形增強了強迫抬升和水汽輻合。
(2)水汽主要來源于大西洋,并有地中海、黑海、里海的水汽補充。水汽輸送主要在500 hPa 以下,只有一條西方路徑的水汽輸送,最強水汽輸送在600~700 hPa。但裕民縣與富蘊縣相比,相同強度的水汽輸送(≥8×10-3g·(cm·hPa·s)-1)裕民縣偏長近 80 h、厚度偏厚約200 hPa。700 hPa 最強水汽輸送裕民縣較富蘊縣偏強1 倍,持續(xù)時間偏長約12 h。水汽輻合主要在700 hPa 以下,最強水汽輻合位于850 hPa,裕民縣水汽輻合時間更長、強度更強,最強水汽輻合裕民縣較富蘊縣偏強約 15.0×10-6g·(cm2·hPa·s)-1,≤-10.0×10-6g·(cm2·hPa·s)-1的水汽輻合較富蘊縣偏長72 h。
(3)裕民和富蘊兩站平均TBB 分別為-24.2 和-34.6 ℃,裕民縣的降雪強度更大、云頂亮溫TBB 更高,降雪強度相同(均≥1.0 mm·h-1)時,裕民縣TBB較富蘊縣平均偏高10 ℃左右。
(4)暖區(qū)暴雪主要表現(xiàn)為減壓升溫。降雪開始前和開始后,北疆3 h 變壓(△P3)為負變壓,暖區(qū)降雪出現(xiàn)在負3 h 變壓區(qū)內(nèi),但(△P3)開始上升,并不意味著暖區(qū)降雪立即結(jié)束,而要持續(xù)升壓6 h 左右,暖區(qū)降雪才停止。