高原气象

高原气象 >

2026 , Vol. 45 >Issue 1: 124 - 135

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00068

灾害性天气与短期气候预测

内蒙古两次回流型特大暴雪积雪深度差异对比分析

  • 林弘杰 , 1 ,
  • 黄晓璐 , 2 ,
  • 孟凡夫 3 ,
  • 李瑞青 4
展开
  • 1. 内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 2. 内蒙古自治区气象台，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 3. 赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000
  • 4. 内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010021
黄晓璐（1991 -）， 女， 内蒙古呼和浩特人， 高级工程师， 主要从事灾害性天气预报技术研究. E-mail：

林弘杰（1992 -）， 男， 内蒙古呼和浩特人， 工程师， 主要从事灾害性天气机理研究. E-mail：

收稿日期: 2025-02-13

  修回日期: 2025-05-20

  网络出版日期: 2026-01-26

基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2023QN04008)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2023MS04008)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2024LHMS04004)

中国气象局复盘总结专项(FPZJ2025-020)

一流学科科研专项项目(YLXKZX-ND-049)

收起

Comparative Analysis of the Depth Difference Between Two Backflow-Type Blizzards in Inner Mongolia

  • Hongjie LIN , 1 ,
  • Xiaolu HUANG , 2 ,
  • Fanfu MENG 3 ,
  • Ruiqing LI 4
Expand
  • 1. Inner Mongolia Institute of Meteorological Sciences，Hohhot 010051，Inner Mongolia，China
  • 2. Inner Mongolia Autonomous Region Meteorological Observatory，Hohhot 010051，Inner Mongolia，China
  • 3. Chifeng Meteorological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region，Chifeng 024000，Inner Mongolia，China
  • 4. Inner Mongolia University，Hohhot 010021，Inner Mongolia，China

Received date: 2025-02-13

  Revised date: 2025-05-20

  Online published: 2026-01-26

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

摘要

利用常规气象观测、 地面加密自动站、 ERA5（0.25°×0.25°）逐小时再分析及全球地形资料， 对2020年11月18 -19日（过程1）、 2021年11月7 -8日（过程2）内蒙古东南部两次回流型极端特大暴雪天气的特征和积雪深度差异成因进行对比分析， 为提升内蒙古暴雪及其影响预报能力提供一定参考。结果表明： （1）两次过程发生的季节、 强降雪落区和24 h累计降水量接近， 但过程1影响范围更广， 雪强更强且出现了罕见的冻雨天气， 过程2持续时间更长， 积雪更深， 11个站积雪深度突破历史极值。（2）过程1和2均是在500 hPa高空槽（涡）、 700 hPa西南急流、 925 hPa东北急流共同作用下， 暖湿空气沿低层冷垫爬升， 产生显著锋生， 中层锋区与低层东北回流叠加出现特大暴雪天气。（3）过程1低层冷空气强度偏弱、 持续时间偏短， 中层西南气流强度更强且厚度更厚， 导致中层大气更暖、 更湿， 暖层位势厚度深厚， 中低层大气云中液态水含量明显高于过程2， 有利于融化层建立， 雪花或冰晶在融化层融化， 前期为冻雨， 后期以湿雪形式落至地面； 过程2受冷涡影响， 系统配置更为深厚， 低层大气相对更冷， 冷垫更强且持久， 无融化层， 温度条件适合在空中形成片状雪花， 落地后以干雪为主， 更有利于形成较大积雪。（4）降雪初期， 过程1近地面气温在-1 ℃以上， 地表温度在0 ℃左右， 湿雪落至地面后不能快速凝结， 随着近地面气温降低易形成冻雨； 过程2近地面气温为-9 ℃， 地表温度-3 ℃， 近地面风速更弱， 有利于较干的大雪花落至地面后形成积雪。

关键词： 回流暴雪; 积雪深度; 冻雨; 干雪; 对比分析

本文引用格式

林弘杰 , 黄晓璐 , 孟凡夫 , 李瑞青 . 内蒙古两次回流型特大暴雪积雪深度差异对比分析[J]. 高原气象, 2026 , 45(1) : 124 -135 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00068

Abstract

By using conventional meteorological observations， ground densified automatic stations， ERA5 （0.25°×0.25°） hourly reanalysis and global topographic data， the differences between the characteristics and causes in snow depth of two extreme heavy snowfall events under the return flow pattern in southeastern Inner Mongolia on November 18 -19， 2020 （Process 1） and November 7 -8， 2021 （Process 2） were compared and analyzed， which can provide the certain references for improving the forecasting ability of heavy snowfall and its impacts in Inner Mongolia.The results show that： （1） The two processes occurred in the same season， with similar areas of heavy snowfall and 24-hour cumulative precipitation.Process 1 had a wider influence range， stronger snow intensity and rare freezing rain weather， while Process 2 lasted longer and had deeper snow accumulation， with 11 stations snow depth breaked the historical records.（2） Both Process 1 and Process 2 were caused under the effect of 500 hPa upper-level trough （vortex）， 700 hPa southwest jet stream， and 925 hPa northeast jet stream.Warm and humid air climbed along the cold air mass at the lower level， producing significant frontogenesis， and the combination of the mid-level front area and the low-level northeast reflux results in the extra large snowfall weather.（3） The intensity of the cold air at the lower level in Process 1 was weaker， the duration was shorter， while the intensity and thickness of the southwest airflow at the mid-level were stronger， resulting in a warmer and more humid mid-level atmosphere and deeper warm layer.The content of liquid water in the clouds at the mid and lower levels was significantly higher than that in Process 2， which conducived to the establishment of a melting layer.Snowflakes or ice crystals melt in the melting layer.In the early stage， it is freezing rain， and in the later stage， it falls to the ground in the form of wet snow.In Process 2， affected by the cold vortex， the system configuration was deeper， the lower-level atmosphere was relatively colder， the cold air mass was stronger and more persistent， which has no melting layer.The temperature conditions are suitable for the formation of flaky snowflakes in the air.After landing， it is mainly dry snow， which is more conducive to the formation of a larger snow depth.（4） At the initial stage of the snowfall， the near-surface temperature in Process 1 was above -1 ℃， and the surface temperature was around 0 ℃.Wet snow could not quickly freeze when it fell to the ground， and it was easy to form freezing rain with the near-surface temperature decreased.In Process 2， the near-surface temperature was -9 ℃ and the surface temperature was -3 ℃.The near-surface wind speed was weaker， which was conducive to the formation of snow accumulation when relatively dry large snowflakes fell to the ground.

Key words： backflow blizzard; snow depth; freezing rain; dry snow; comparative analysis

1 引言

暴雪是内蒙古地区冬半年最常见的灾害性天气， 初冬和初春是其高发期， 常常伴随寒潮、 大风、 暴风雪和相态转换等复杂天气现象， 如果降雪量过大， 积雪过厚， 甚至会导致白灾， 给道路运输、 电力设施、 农牧业生产和人民的生命财产安全造成极大影响与危害（张桂莲等， 2018； 马素艳等， 2022）。
回流天气是指入海高压后部或高压底部的气流， 从陆地移向海上又回流到陆地形成冷垫， 中层西南暖湿气流在冷垫上滑升所造成的阴雨（雪）天气， 多发生在大陆东岸地区， 回流天气经常导致极端暴雪的产生， 回流形势是造成华北地区暴雪甚至大暴雪的主要环流背景（胡顺起等， 2017； 孙艳辉等， 2017； 赵宇等， 2018； 赵桂香等， 2011）。与大多数普通暴雪不同， 普通暴雪的水汽是低层向高层输送， 而回流暴雪发生时南方暖湿空气沿低层冷垫爬升， 到达一定高度后水汽凝结产生降雪（张迎新和张守保， 2006； 崔慧慧和苏爱芳， 2019； 钤伟妙等， 2022）。张迎新等（2007）研究指出在回流类暴雪过程中， 中高层的西南暖湿气流与低层偏东气流叠加时对应降雪开始， 两者之一消失之时对应降雪天气结束。动力锋生作用是华北回流暴雪的主要动力机制（周雪松和谈哲敏， 2008）， 锋生过程导致的热力直接环流的上升支也可能是抬升触发机制之一， 暴雪的形成和加强与锋面强迫密切相关， 冷暖空气交汇对峙有利于锋生（Chen and Lin， 1999； Schultz and Schumacher， 1999； McWilliams et al， 2015； Yang et al， 2015）。
内蒙古东南部位于大兴安岭山脉东麓， 靠近沿海地区， 地理位置特殊且地形条件复杂， 近年来该地区多次发生极端回流暴雪事件（黄晓璐等， 2021）， 其中， 2020年11月18 -19日、 2021年11月7 -8日内蒙古东南部均出现了突破历史极值的暴雪事件， 其中2020年特大暴雪甚至入选了2020年中国十大天气气候事件， 两次过程均发生在回流背景下， 累计降雪量都达到特大暴雪量级， 均对内蒙古东南部地区造成严重的灾害和损失， 尤其过程2积雪深度异常深厚， 导致1人死亡， 多地棚圈倒塌、 牲畜死亡、 交通停滞、 学校停课， 造成直接经济损失7亿元以上， 连续两年的异常极端降雪引起政府、 民众以及气象部门的高度重视。
这两次暴雪过程都发生在秋末冬初， 暴雪的落区、 累计降雪量很接近， 但积雪深度差异较大， 过程1的积雪深度相对较低， 出现了内蒙古地区极为罕见的冻雨天气； 而过程2的积雪深度异常偏高， 出现了“坐冬雪”， 引发了严重的白灾。近年来， 很多学者通过分析某一次过程对回流型暴雪的成因及降雪特征进行研究（马素艳等， 2017； 黄晓璐等， 2022； 易笑园等， 2023）， 但为何在相似的大尺度环流背景下， 两次过程的降雪特征有较大不同？积雪深度差异如此之大？造成精细化预报难度很大， 因此十分有必要开展关于两次过程的深入分析， 从降雪实况特征、 重要影响系统、 高空和近地面气象要素等方面对两次极端暴雪过程进行对比， 探究两次暴雪天气的特征以及积雪深度差异的影响因素， 以期丰富对内蒙古回流暴雪天气的认知， 为提升此类灾害性天气精细化预报、 影响预报和预警能力提供参考依据。

2 资料来源及降雪实况

2.1　资料来源

本文分析采用的资料主要包括： （1）内蒙古气象数据中心提供的内蒙古自治区地面气象站（119个国家站、 2838个区域站）经质控后的常规气象观测和地面加密自动站资料， 包括地面逐日、 逐小时降水量、 2 m气温、 地表温度、 雪表温度、 10 m风向风速以及逐日积雪深度； （2）美国航天局（NASA）提供的全球地形资料； （3）欧洲中期天气预报中心网站下载的逐小时ERA5再分析资料， 水平分辨率为0.25°×0.25°， 垂直方向分为19层， 气象要素包括位势高度、 海平面气压、 水平风场、 温度、 相对湿度、 垂直速度、 特定云冰水含量、 特定云液态水含量等。
本研究的时间段为2020年11月18 - 20日和2021年11月6 -9日。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为 GS（2024）0650的标准地图制作， 底图无修改。

2.2　降雪实况

过程1是2020年11月18日09:00（北京时， 下同）开始， 到19日15:00基本结束， 持续时间近30 h， 11月18日08:0至19日08:00的24 h累计降雪量中， 内蒙古东南部有8个旗县出现特大暴雪， 11个旗县出现大暴雪， 14个旗县出现暴雪， 具体分布见图1（a）； 24 h累计降水量最大的3个站分别是通辽奈曼旗43.7 mm、 赤峰敖汉旗37.5 mm、 通辽科尔沁区36.3 mm。过程2是2021年11月7日08:00开始， 到9日08:00基本结束， 持续时间超过48 h， 7日08:00至8日08:00的24 h累计降雪量中， 内蒙古东南部4个旗县出现特大暴雪， 4个旗县出现大暴雪， 3个旗县出现暴雪， 具体分布见图1（b）； 24 h累计降水量最大的3个站分别是通辽库伦旗45.5 mm、 通辽科尔沁区39.1 mm、 通辽科尔沁左翼后旗31.9 mm。
图1 2020年11月18日08:00至19日08:00 （a）、 2021年11月7日08:00至8日08:00 （b）累计降雪量（单位： mm）

Fig.1 Accumulated snowfall from 08:00 on November 18 to 08:00 on November 19， 2020 （a）， and from 08:00 on November 7 to 08:00 on November 8， 2021 （b）.Unit： mm

图2分别给出两次降雪过程前24 h降水量最大三个站点的逐6 h降水量演变和24 h积雪深度。两次强降雪过程的24 h累计降水量接近， 但过程1的降雪时段较为集中， 降雪强度大， 三个站均有时段6 h降水量超过了15 mm， 6 h最大雪强出现在通辽站， 18日20:00至19日02:00达21.2 mm［图2（a）］， 小时最大雪强出现在奈曼旗18日19:00 -20:00和敖汉旗18:00 -19:00， 为4.8 mm·h-1； 而过程2降雪的持续时间长， 6 h最大雪强出现在通辽站， 连续近30 h每6 h降水量超过10 mm， 即6 h就达暴雪级别并持续， 其中8日14:00 -20:00达13.4 mm［图2（b）］， 小时最大雪强出现在库伦旗8日08:00 -09:00和09:00 -10:00， 为3.3 mm·h-1。两次过程的积雪深度和降雪含水比具有明显差异， 过程1中， 18日08:00至19日08:00 24 h新增最大雪深出现在通辽， 为27 cm， 降雪含水比为0.6 cm·mm-1， 伴随有冻雨天气； 过程2中， 7日08:00至8日08:00库伦24 h新增雪深达50 cm， 降雪含水比为1.1 cm·mm-1， 8日08:00至9日08:00有11个站超过积雪深度历史极值， 库伦24 h雪深达到68 cm， 出现了“坐冬雪”。本文重点针对两次极端暴雪过程降雪的不同特征及开始降雪的前24 h积雪深度和降雪含水比差异成因进行分析。
图2 2020年11月18日08:00至19日08:00 （a）、 2021年11月7日08:00至8日08:00 （b）降水量最大的3个站的6 h降水量演变、 24 h积雪深度

红线： 6 h累计降水量10 mm线， 蓝线： 6 h累计降水量20 mm线

Fig.2 Evolution of 6-hour precipitation and 24-hour snow depth at the three stations with the largest precipitation from 08:00 on 18 to 08:00 on 19 November， 2020 （a）， and from 08:00 on 7 to 08:00 on 8 November 2021 （b）.Red line represents 6 h accumulated precipitation of 10 mm line； blue line reprsents 6 h accumulated precipitation of 20 mm line

3 环流形势对比

两次过程均发生在500 hPa高空槽前西南暖湿气流沿低层冷垫爬升的大尺度环流背景下， 都属于典型的回流型降雪天气过程， 但冷空气强度、 西南暖湿气流的强度和厚度及关键系统的配置差异， 导致降雪特征和积雪深度有所不同。
过程1中， 18日08:00（图略）， 内蒙古中部偏东和东南部位于500 hPa高空槽前， 受西南气流控制； 700 hPa风场有“人”字形切变线， 风场辐合较弱， 其中偏东风和偏南风组成暖切位置偏北位于45°N附近， 内蒙古东南部主要位于切变线的暖区， 此时降水开始。18日20:00［图3（a）］伴随高空槽东移加深发展， 700 hPa辐合中心显著加强， 暖切正好压在内蒙古东南部上空， 西南风加强为急流， 强度达20 m·s-1， 强降雪落区位于低层西南急流和偏东急流左前侧的强烈辐合重合区， 降雪强度在20:00前后达最强； 西南急流不仅提供有利的动力抬升机制， 还为本次过程输送充足的水汽。从18日20:00海平面气压、 850 hPa风场和地形叠加图［图3（c）］可以看出， 内蒙古东南部地区在冷高压底部和江淮气旋顶部的偏东气流密集带锋区影响下， 从地面到800 hPa， 一致受偏东风回流影响， 回流冷空气形成冷垫， 迫使暖湿空气沿冷垫抬升； 在925~850 hPa存在较强的偏东风急流， 大兴安岭对偏东风急流具有显著的阻挡作用， 低层冷空气在大兴安岭东侧迎风坡一侧堆积， 不断的有冷空气向暖湿气流下方入侵， 促进冷垫增厚增强， 有利于西南暖湿气流的进一步爬升， 加强上升运动。24 h累计降水量超过30 mm的站点也主要位于山脉以东， 说明地形抬升作用在本次特大暴雪过程中起到增幅作用。
图3 2020年11月18日20:00 （a， c）和2021年11月7日20:00 （b， d）环流形势图（a）、 （b）中， 等值线为500 hPa等高线（单位： dagpm）， 风向杆为700 hPa风场（单位： m·s-1， 绿色： 12 m·s-1以上， 蓝色： 16 m·s-1以上， 紫色： 20 m·s-1以上）； 图（c）、 （d）中， 等值线为海平面气压（单位： hPa）， 风向杆为850 hPa风场（单位： m·s-1， 红色： 12 m·s-1以上）， 填色为地形高度（单位： m）， 紫色圆点为24 h累计降水量超过30 mm的站点

Fig.3 Circulation patterns at 20:00 on November 18， 2020 （a， c） and 20:00 on November 7， 2021 （b， d）.In Fig.3 （a） and （b）， the contour lines are the 500 hPa isohypse （unit： dagpm）， and the wind barbs are the 700 hPa wind field （unit： m·s-1， green： above 12 m·s-1， blue： above 16 m·s-1， purple： above 20 m·s-1）； in Fig.3 （c） and （d）， the contour lines represent sea level pressure （unit： hPa）， the wind barbs are the 850 hPa wind （unit： m·s-1， red： above 12 m·s-1）， the filled color is the topography （unit： m） and the purple dots are the stations with a 24-hour cumulative precipitation of more than 30 mm

过程2中与过程1不同的是， 7日08:00开始（图略）， 500 hPa影响内蒙古中西部的高空槽加深发展成高空冷涡， 伴随系统东移发展。7日20:00 ［图3（b）］高空冷涡越来越深厚， 可延伸至低层， 内蒙古中部偏东和东南部位于冷涡前部西南气流里， 低层700 hPa的冷式切变线在7日20:00发展成为“人”字形切变线， 低层辐合明显加强， 偏东风和西南急流构成的暖切位于内蒙古东南部偏南地区上空， 西南急流加强达24 m·s-1。8日08:00后（图略）偏东风加强为急流， 直到8日20:00（图略）， 内蒙古东南部偏东地区始终位于偏东风急流和西南风急流的左前侧强烈的辐合区。由［图3（d）］可见， 与过程1相似的是地面影响系统主要是地面冷高压、 江淮气旋及二者之间的密集锋区带， 但过程2中江淮气旋的位置偏东， 前期强度偏弱， 主要是其顶部的倒槽与地面冷高压底部的偏东气流共同作用形成冷垫。在7日20:00从地面到800 hPa均受偏东气流影响， 到8日08:00伴随江淮气旋北上加强， 高压底部和气旋顶部的偏东气流加强为急流； 925 hPa最强急流中心达28 m·s-1， 偏东风急流高度达500 hPa， 低层冷空气强度和持续侵入时间明显强于过程1， 大兴安岭的地形同样对本次降雪过程起到增幅作用。
综上分析， 两次过程均具备产生特大暴雪的回流型环流形势， 500 hPa高空槽（涡）、 中层西南急流、 低层及地面冷高压底部和地面气旋顶部的偏东气流锋区带是两次过程的关键系统， 两次过程中高低空都呈斜压结构， 有利于系统的加强发展， 大兴安岭地形对暴雪都起增幅作用； 但两次过程的高低空系统位置和强度有所差异， 过程2的高低空系统配置更为深厚， 过程1的西南气流强度和厚度要强于过程2， 低层冷空气的强度和持续时间弱于过程2， 导致了这两次极端特大暴雪过程降雪特征和积雪深度明显不同， 下文将针对他们的差异进行详细分析。

4 环境场特征对比

4.1　高空影响因素分析

4.1.1　云中冰晶形态特征

强降雪的发生离不开充足的水汽供应， 通畅的水汽通道和持续的水汽输送是极端暴雪天气形成的必要条件。两次过程均有明显的水汽输送带建立， 暴雪区上空700 hPa高度大气比湿均在3.5 g·kg-1以上（图略）， 达到了内蒙古地区秋冬季的暴雪标准（张桂莲等， 2022）。雪花的干湿情况及形态特征是影响积雪深度的主要高空因素， 研究表明， 降雪产生的积雪深度与冰晶的结构有关（Magono and Chung， 1966； Nakaya et al， 1954）， 决定冰晶形状最重要的环境条件是温度， 环境温度在-20~-10 ℃时， 冰晶主要是树枝状、 厚片状或盘状（Roebber et al， 2003）， -15 ℃为形成树枝状冰晶的环境温度峰区（Libbrecht， 2006； 封秋娟等， 2023）。为了探究大气水汽饱和区和强上升运动叠加区域的温度情况， 图4分别给出两次过程特大暴雪中心上空相对湿度、 垂直速度和气温随时间的演变。
图4 2020年11月18日08:00至19日08:00（a）沿暴雪中心（121.75°E， 42.75°N）、 2021年11月6日20:00至7日20:00 （b）沿暴雪中心（121°E， 42.25°N）相对湿度（填色， 单位： %）、 垂直速度（黑色等值线， 单位： Pa·s-1）、 温度（红色等值线， 单位： ℃）的时间-高度剖面

Fig.4 Time-height cross sections of relative humidity （shading， unit： %）， vertical velocity （black contour， unit： Pa·s-1）， and temperature （red contour， unit： ℃） along the center of the blizzard （121.75°E， 42.75°N） from 08:00 on November 18 to 08:00 on November 19， 2020 （a）， and along the center of the blizzard （121°E， 42.25°N） from 20:00 on November 6 to 20:00 on November 7， 2021 （b）

由过程1可见［图4（a）］， 自降雪开始至19日02:00前， 整层大气水汽饱和程度较高， 大气相对湿度达到95%以上， 上升运动最强区出现于18日20:00的850~700 hPa， 中心垂直速度达到-1 Pa·s-1， 850~925 hPa有明显的逆温层存在， 高温中心达到2 ℃， 出现于18日11:00前的850 hPa高度； 温度大于0 ℃的区域为融化层， 过程1在800~870 hPa高度上有显著的融化层存在， 持续到18日21:00后融化层消失， 20:00之前低层气温处于-1 ℃以上。在大气水汽饱和区域和最强上升运动叠加区域（18日20:00的850 hPa附近）温度在0 ℃以上， 冰晶在此融化， 而低层温度低于0 ℃， 近地面产生冻雨， 不利于形成积雪。20:00后低层气温开始下降， 融化层消失， 转为雪花， 但仍为湿雪， 因此导致过程期间积雪深度偏低。
过程2［图4（b）］和过程1相似的是， 整个降雪期间大气整层饱和程度高， 相对湿度95%及以上的区域一直延伸至高空200 hPa， 且大气垂直上升运动显著。不同的是， 过程2大气上升运动最强区域高度更高， 出现在500 hPa高度上， 强度更强， 中心垂直速度达到-1.2 Pa·s-1， 大气水汽饱和区与最强上升运动叠加区域（7日11:00的500 hPa附近）温度在-20 ℃左右， 有利于六角形的片状雪形成， 低层气温在-9 ℃以下， 使雪花保持干雪的状态直至落地， 片状雪晶占用空间大， 因而积雪深度更大。

4.1.2　高空降水粒子相态特征

4.1.2.1　探空曲线特征

适宜的温度（温度层结）是暴雪发生的必备条件（张桂莲等， 2023）， 研究表明， 降水的相态差异受温度层结的影响很大（张芳华等， 2024）。两次特大暴雪过程中， 通辽站都出现暴雪天气， 在过程1中24 h累计降水量位列第三， 且出现了冻雨天气； 在过程2中24 h累计降水量位列第二， 以雪为主， 且降雪持续时间非常长， 两次过程的降雪特征明显不同， 因此通过对比分析通辽站（54135）在两次过程中的探空曲线， 对进一步分析两次过程的积雪深度差异十分有意义。
过程1中［图5（a）］， 2020年11月18日08:00， 通辽的大气整层湿度较高， 抬升凝结高度在925 hPa以下， 从高至低呈现显著的冰相层、 逆温层、 融化层、 冰相层， 且在融化层高度上出现了表征冻雨的“象鼻”结构； 从表1大气各高度层气温分布来看， 大气逆温层出现在870~937 hPa， 逆温强度6.8 ℃， 融化层出现在826~870 hPa， 在逆温层高度以下、 融化层高度以上， 为冰相层。可见雪花从高处落下时， 在融化层融化成水滴， 在逆温层凝结， 到达地面时形成冻雨或湿雪。过程2［图5（b）］和过程1相似的是， 大气整层较湿， 且在中低层大气存在逆温层， 700~873 hPa逆温强度较强， 达6.2 ℃（表1）， 有利于能量的积累； 与过程1不同的是， 过程2整层气温远低于过程1， 大气没有融化层的存在， 尤其是近地面的温度， 比过程1低5 ℃以上。因此， 过程2的雪花在下降过程中未经历融化， 落地后以干雪为主。
图5 2020年11月18日08:00（a）、 2021年11月7日08:00（b）通辽站温度对数压力图

Fig.5 Temperature logarithmic pressure graph at Tongliao station at 08:00 on 18 November 2020 （a） and at 08:00 on 7 November 2021 （b）

表1 两次极端暴雪过程的大气温度层结特征

Table 1 Atmospheric temperature stratification characteristics of two extreme blizzard processes

过程 高度/hPa 气温/℃ 层次 过程 高度/hPa 气温/℃ 层次
过程1 700 -4.0 冰相层 过程2 678 -8.1 冰相层
791 -0.8 700 -7.0 逆温层
826 1.1 融化层 873 -13.2
850 1.8 925 -10.0 冰相层
870 2.5 逆温层、 融化层 959 -7.8
925 -2.1 逆温层 965 -7.4 逆温层
937 -4.3 973 -8.1
980 -1.7 冰相层 995 -6.7 冰相层
1000 -0.1 1000 -6.4

4.1.2.2　暖层位势厚度特征

较多的研究采用气层位势厚度来表征大气的冷暖状况， 且通常回流降雪中层大气冷暖状况用H700~850来表示（Lowndes et al， 1974； John and Stewart， 1995）。通过前文分析可以看出， 过程1和过程2的大气暖层均在700~850 hPa这个高度层上。分别作两次特大暴雪中心700~850 hPa气层位势厚度随时间变化曲线（图6）， 随着降雪的发生， 暖层的厚度均呈现下降的趋势， 与该层大气温度逐渐下降的特征相对应， 且下降最快的时段与降温最急剧的时段相一致， 过程1为18日23:00， 过程2为8日02:00。两次过程暖区位势厚度特征不同的是， 过程1的暖区位势厚度明显强于过程2， 过程1的暖区厚度最大值为155.64 dagpm， 降水结束时下降至150.38 dagpm［图6（a）］， 过程2的暖区厚度最大值为151.31 dagpm， 降水结束时下降至147.15 dagpm， 两次过程整体相差约4 dagpm［图6（b）］。这种暖层大气层厚度的明显差异与暖空气的强度和范围密切相关， 过程1中层大气更暖， 空气密度小， 大气膨胀， 暖层厚度更厚， 促进了雪花或冰晶在暖层融化； 而过程2中层大气相对更冷， 空气密度大， 大气收缩， 暖层厚度更薄， 使下落到暖层的雪花或冰晶产生了差异。
图6 2020年11月18日08:00至19日08:00（a）沿暴雪中心（120.75°E， 42.75°N）、 2021年11月6日20:00至8日08:00 （b）沿暴雪中心（122°E， 42.75°N）大气暖层700~850 hPa厚度随时间演变

Fig.6 Evolution of the thickness of the atmospheric warm layer （700~850 hPa） along the center of the blizzard （120.75°E， 42.75°N） from 08:00 on November 18 to 08:00 on November 19， 2020 （a）， and along the center of the blizzard （122°E， 42.75°N） from 20:00 on November 6 to 08:00 on November 8， 2021 （b）

4.1.2.3　云中冰（液）相粒子分布

云中冰相粒子和液相粒子的含量对降水的相态特征具有重要指示意义（杨成芳等， 2024）。图7所示分别是两次降雪过程暴雪中心上空的云中冰含量和云中液态水含量随时间的演变。过程1中［图7（a）］， 500 hPa以下中低层大气的云中液态水含量基本维持在8×10-5 kg·kg-1以上， 850 hPa高度存在云中液态水含量大值中心， 中心数值达42×10-5 kg·kg-1， 对应上文研究， 此处为融化层， 温度在0 ℃以上； 500 hPa以上为云冰含量的大值区， 中心值为15×10-5 kg·kg-1。过程2［图7（b）］和过程1一致的是， 对流层中上层为云冰含量的大值区， 且冰相粒子含量大值区所处高度与过程1接近， 不同的是， 过程2的云中冰相粒子含量的大值中心数值更高， 维持时间更长， 基本持续整个暴雪过程， 但整层云中液态水含量很低， 在2×10-5 kg·kg-1以下。由于过程2的云中液态水含量较低， 且云中温度低于-10 ℃， 云中的冰晶聚集、 增长， 有利于形成较大雪花， 显著增强了这次过程的积雪深度； 相反， 过程1云中温度较高， 云中未形成大雪花， 积雪深度较低。
图7 2020年11月18日08:00至19日08:00（a）沿暴雪中心（120.75°E， 42.75°N）和2021年11月7日08:00至8日08:00（b）沿暴雪中心（122°E， 42.75°N）的云中冰含量（等值线， 单位： ×10-5 kg·kg-1）、 云中液态水含量（填色， 单位： ×10-5 kg·kg-1）的时间-高度剖面

Fig.7 Time-height cross sections of cloud ice content （contour， unit： ×10-5 kg·kg-1） and cloud liquid water （shading， unit： ×10-5 kg·kg-1） along the center of the blizzard （120.75°E， 42.75°N） from 08:00 on 18 November 2020 to 08:00 on 19 November 2020 （a） and along the center of the blizzard （122°E， 42.75°N） at 08:00 on 7 November 2021 to 08:00 on 8 November 2021 （b）

4.2　近地面影响因素分析

4.2.1　近地面温度

雪花降落到地面后， 影响积雪深度的主要因素是2 m气温和地温（杨成芳等， 2024）， 而雪面温度对气温波动的响应最为敏感， 其具有区别于气温和地温的独特特征（杨成芳和赵宇， 2021）。图8所示为两次过程通辽（过程1）和库伦（过程2）的2 m气温、 地表温度、 雪表温度及小时雪强随时间的演变。过程1［图8（a）］， 2 m气温从18日08:00的-0.2 ℃开始呈下降趋势， 20:00之前一直维持在-3 ℃以上， 随后迅速下降； 地表温度在降雪发生时段维持在-1~0 ℃， 原本在空中就未形成大雪花的湿雪落在地表后更不容易积聚成积雪， 随着2 m气温的迅速下降有利于形成冻雨， 20:00后地表温度略有上升， 但总体浮动不大， 说明地表具有一定的积雪但积雪量不大； 雪表温度的整体变化范围在-8~-5 ℃， 降雪开始后有所下降， 随着降雪的进行而回升， 回升的幅度较小， 约1 ℃。过程2［图8（b）］， 2 m气温在整个降雪过程中均较低， 维持在-6 ℃以下； 地表温度在降雪初期较低， 为-3 ℃， 雪花从空中落到地表后， 有利于形成积雪， 随着降雪的发生， 7日06:00上升到0 ℃以上， 说明地表积雪较多； 雪表温度呈现降雪初期下降， 随着降雪的进行上升的特征， 这一特征与过程1相似， 但过程2雪表温度升的幅度更高， 到7日14:00上升至-1 ℃， 增幅约5 ℃， 这可能与过程2降雪持续时间更长， 积雪更多有关。
图8 2020年11月18日08:00至19日08:00通辽站（a）、 2021年11月6日20:00至8日08:00库伦站（b）2 m气温、 地表温度、 雪表温度、 逐小时降水量随时间演变

Fig.8 Evolution of 2-m air temperature， surface temperature， snow surface temperature， and hourly precipitation with time at Tongliao station from 08:00 on November 18 to 08:00 on November 19， 2020 （a）， and Kuerlen station from 20:00 on November 6 to 08:00 on November 8， 2021 （b）

从两次极端特大暴雪过程来看， 2 m气温和地表温度能够有效影响积雪深度， 随着积雪的增多地表温度有所上升， 雪表温度的变化趋势与地表温度类似， 都是降雪初期有所下降， 当地面有积雪后开始上升， 地表温度和雪表温度上升的程度能够表征积雪深度的变化。

4.2.2　近地面风速

研究表明， 积雪的形成和深度与近地面风速的大小存在密切联系， 近地面在低风速环境下更有利于积雪的长期存留， 而高风速会加速雪的升华和再分布（刘奇奇等， 2024； 张子晗， 2024）。图9给出为两次暴雪过程中24 h累计降雪量前3个站点10 m风场随时间的演变图。过程1中［图9（a）］， 三个暴雪站的风向均为东北风转偏北风， 其中通辽站的风速基本处于6 m·s-1以上， 奈曼和敖汉站的风速在降雪前期18日17:00之前处于3~5 m·s-1， 之后上升至6~7 m·s-1。过程2［图9（b）］ 三个暴雪站的风向以西北风为主， 风速在8日00:00之前较为平稳， 之后呈逐渐上升的趋势； 8日00:00之前， 通辽的10 m风速基本维持在1~3 m·s-1， 库伦和科左后旗的风速为5 m·s-1左右； 8日00:00之后风速虽有所上升， 但此时积雪已经形成， 近地面风速的加大已难以对积雪深度造成显著的影响。综上， 降雪前期过程2近地面风速低于过程1， 其中过程2中通辽站的10 m风速远低于过程1， 这种近地面风速的差异进一步导致了两次极端暴雪过程在24 h累计降雪量相近的情况下过程2的降雪含水比和积雪深度远超过程1。
图9 2020年11月18日08:00至19日08:00（a）、 2021年11月6日20:00至8日08:00（b）24 h累计降水量最大的3个站10 m风场随时间的演变

Fig.9 Time evolution of the 10 m wind field for the three stations with the largest 24-hour accumulated precipitation from 08:00 November 18 to 08:00 November 19， 2020 （a） and 20:00 November 6 to 08:00 November 8， 2021 （b）

5 结论

本文利用常规气象观测、 地面加密自动站、 ERA5再分析和全球地形资料等， 从大尺度环流背景、 高空大气环境特征、 近地面要素场特征等方面对2020年11月18 -19日、 2021年11月7 -8日内蒙古东南部两次回流型极端特大暴雪过程特征和积雪深度差异成因进行了对比分析， 得到以下结论：
（1） 两次暴雪过程均是在500 hPa槽（涡）、 700 hPa西南急流、 925 hPa东北急流以及地面冷高压底部和地面气旋顶部的偏东气流锋区带共同作用下， 暖湿空气沿冷垫爬升凝结产生的回流暴雪天气； 过程2受冷涡影响系统配置更为深厚， 过程1西南气流强度更强、 厚度更厚， 低层冷空气的强度更弱， 持续时间更短。
（2） 两次暴雪过程的发生均伴有充沛的水汽供应和显著的上升运动， 且降雪发生前大气均有逆温层和冰相层的存在。过程1的强上升区位置相对较低， 中层大气有融化层， 大气云中液态水含量远超过程2， 水汽饱和、 最强上升运动的重合区域温度为1 ℃， 有利于雪花在中层大气融化， 前期产生冻雨， 后期以湿雪形式落地， 不易形成积雪； 过程2中层大气没有融化层， 水汽饱和、 最强上升运动的重合区域温度低至-20 ℃， 水滴在空中特定的温度条件下聚集形成片状雪花， 有利于雪花以较干的形态落地， 形成更高的积雪深度。
（3） 两次暴雪过程的大气暖区均在700~850 hPa高度， 暖区位势厚度随降雪的发生而减小， 对流层中上层为云中冰相粒子含量的大值区； 过程1的暖区厚度显著更厚， 对流层中低层大气云中液态水含量远超过程2。
（4） 两次暴雪过程的2 m气温、 地表温度以及近地面风速均能有效影响积雪深度， 随着积雪的增加地表温度升高， 雪表温度呈现降雪初期下降， 随着降雪的持续呈现再次升高的趋势。降雪初期， 过程1的2 m气温和地表温度更高， 湿雪落地后不利于形成较厚的积雪深度， 随着2 m气温的迅速降低易形成冻雨； 过程2的2 m气温和地表温度远低于0 ℃， 近地面风速相比于过程1更小， 更有利于积雪深度的加深， 并且随着降雪的持续， 雪表温度上升的幅度更大。
回流型暴雪天气在内蒙古中东部频发， 有时伴有复杂的雨雪相态转换， 加之雪后强烈的寒潮大风使灾害更加严重， 开展雨雪相态转换和积雪深度的精细化预报对于防灾减灾的意义重大。近年来， 国内外学者多针对某一次过程中降雪量或积雪深度的极端性进行研究， 本文对两次相同季节、 相似环流背景下的极端暴雪过程的积雪深度差异及其成因进行了系统性对比分析， 下一步将利用垂直探测系统、 天气雷达等多种观测及再分析资料， 对降水粒子的相态变化特征、 成因等进行分析， 提炼定量预报指标， 为内蒙古秋冬季降水精细化预报提供更有力的参考。

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