暴雪是中国北方常见的严重灾害性天气之一, 不仅对工农业生产和交通运输及电力等行业带来巨大损失, 还给广大人民的生活带来极大的影响。山东强降雪主要出现在中北部地区, 鲁南地区较少出现。以临沂地区为例, 近30年中仅有的14次暴雪过程, 最大积雪深度达30 cm, 出现在1987年3月7日。近年来, 暴雪灾害性天气被广泛关注。杨成芳等(2008)基于山东半岛一次持续性强冷流降雪过程作出诊断分析, 找出了这次降雪持续时间长、强度大的直接原因, 即有利的大气环流形势造成强冷空气频发; 吴晓(2009)对2008年初全国雨雪冰冻天气的长波辐射资料(Outgoing Long-wave Radiation, OLR)的分析, 指出卫星OLR资料的等值线图能较好地反映降水天气事件, 尤其是长时间降水的极端天气气候事件; 康志明等(2007)对西藏地区极端暴雪的原因进行深入研究, 结果表明极端暴雪发生发展的重要原因是高层强辐散产生的抽吸效应; Hjelmfelt(1990)通过对与海效应降雪发生机制类似的北美大湖效应降雪进行研究, 指出不同路径的冷空气对降雪落区和降雪量影响较大。在暴雪研究方法方面, 国内外学者(陈雪珍等, 2014; Uccellini and Johnson, 1979; 俞樟孝等, 1981)多采用诊断方法分析暴雪的流型配置、各种物理量场与暴雪落区的关系、动力和热力结构等。朱乾根等(2007)在高、低空急流对强降水的维持和加强机制方面进行了深入分析。近些年, 国内学者在暴雪发生发展和影响机制方面的研究也取得了不少新的认识(孙殿光等, 2016; 杨成芳等, 2015; 杨霞等, 2015; 张芹等, 2015; 杨莲梅和刘雯, 2016)。然而, 针对山东省南部地区冬季极端暴雪事件的分析相对较少。

2015年11月2324日出现在山东省南部的极端特大暴雪天气过程是以500 hPa高空槽、700 hPa西南低空急流及切变线、以及850 hPa以下低层东北风为环流背景的回流形势降雪。本文对此次极端特大暴雪天气过程进行天气动力学诊断分析, 分析过程中利用多种常规观测数据、FY-2E长波辐射数据、NCEP/NCAR 1°×1°再分析数据及常规探空数据, 研究暴雪天气发生时山东省南部物理量场和天气形势特征, 为今后此类极端暴雪预报提供重要参考。

选用的资料包括: 2015年11月2324日高空探空资料、山东自动气象站逐10 min和逐时降水观测资料; NCEP资料用于对涡度平流、垂直速度等物理量分析, 水平网格距为1°×1°, 时间分辨率为6 h; OLR资料为FY-2E射出长波辐射格点资料, 水平网格距为1°×1°, 时间分辨率为3 h。利用天气动力学分析方法从水汽、动力等要素分析此次暴雪的发生发展机制。

2015年11月23日08:00(北京时, 下同)至24日20:00山东全省出现雨雪、降温过程, 其中鲁南出现特大暴雪天气。本次过程属于一次极端降雪事件, 其特点主要表现为:降水量大, 持续时间长, 范围广, 全省平均降水量为13. 2 mm, 暴雪主要发生在鲁南, 有24个站达到暴雪(10 mm), 17个站达到特大暴雪(30 mm以上), 最大降水量发生在成武站, 达46. 7 mm, 其转雪后降雪量达38. 2 mm(图 1a); 降水相态复杂, 鲁南地区雨转雪, 降雨时间很短降雪持续时间长, 其他地区以降雪为主; 多站降雪刷新了自1962年有气象记录以来11月的最大积雪深度, 积雪大于30 cm的有3个站, 其中兖州站最大达32 cm; 降雪过程伴随强降温, 2224日大部地区48 h内最低气温下降8 ℃以上, 且最低气温小于4 ℃, 达到寒潮标准。从暴雪中心区的费县(图 1b)自动站的逐10 min和逐时降水量变化可知, 降水发生在23日下午到24日下午, 其中24日02:0003:00为最强降雪时段, 1 h降水量达5. 6 mm, 24日02:1002:20降水量为1. 2 mm, 为本次过程最大10 min降水量。24日02:1003:00短短50 min内降水量达到5. 0 mm。这是自动称重式降水传感器布设以来, 首次观测到山东南部地区50 min内降雪量为5. 0 mm, 达到大雪量级。说明强降雪时段也可以出现在短时间内, 与暴雨过程类似, 为今后降雪强度的预报提供了重要参考依据。

图 1(Figure 1)

图 1 2015年11月23日08:00至24日20:00山东降水量分布(a, 单位: mm)及费县站降雪量演变(b) Figure 1 The distribution of precipitation in south Shandong province (a, unit: mm) and precipitation changes in Feixian Station (b) from 08:00 on 23 to 20:00 on 24 November 2015

此次极端特大暴雪天气过程是以500 hPa高空槽、700 hPa西南低空急流及切变线、以及850 hPa以下低层东北风作为环流背景的回流形势降雪。2015年11月23日08:00, 500 hPa亚欧中高纬地区从鄂霍次克海到西西伯利亚东部总体为一横槽, 乌拉尔山到贝加尔湖以北的中西伯利亚地区为阻塞高压, 横槽南部的西风带内, 新疆东部有短波槽东移, 青藏高原东部有南支槽发展, 到24日08:00(图 2a), 500 hPa中纬度环流平直, 西南气流已经覆盖了四川盆地以东、38°N以南地区, 500 hPa西南气流的发展、维持, 有利于低空四川盆地以东地区辐合系统的东移; 700 hPa, 南支槽前西南气流逐渐加强, 至23日20:00, 西南低空急流(≥12 m·s^-1)已达鲁南地区, 24日08:00 (图 2b), 苏皖北部西南低空急流跃增到20 m·s^-1以上, 西南低空急流为暴雪过程提供了持续充足的水汽条件, 此次特大暴雪位于700 hPa西南低空急流核的下风方的风速辐合区内, 24日20:00, 700 hPa转为西北气流后, 降雪过程结束; 850 hPa(图 2c)雨雪过程期间, 从四川盆地到鲁南地区始终维持了一条东北—西南向的切变线, 其两侧东北风与东南风风速均在12 m·s^-1以上, 东南低空急流是此次暴雪过程的另一条水汽输送通道, 由于冷暖空气长时间在切变线内交汇, 暴雪落区位于850 hPa切变线附近。此外, 23日08:00, 随着500 hPa北支槽东移到蒙古国东部到我国黑龙江的东北部地区, 北支槽后的北到东北风迅速沿东北平原、华北平原南下, 850 hPa锋区位于华北地区, 锋区前沿南移到鲁西北到鲁北地区, 5个纬距内温差达24 ℃; 925 hPa, 23日从渤海、山东半岛回流的冷空气向南直接越过长江, 并逐渐加强, 23日20:00到24日08:00 (图 2d), 山东东北风均维持在12 m·s^-1以上, 24日20:00, 东北风迅速减弱。

图 2(Figure 2)

图 2 2015年11月24日08:00 500 hPa (a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)、925 hPa (d)环流形势等值线为位势高度(单位: dagpm), 绿色阴影区为暴雪区, 粗箭头表示风速≥12 m·s-1的风速大值带 Figure 2 Distribution of circulation on 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c) and 925 hPa (d) at 08:00 on 24 November 2015. Contour represents geopotential height (unit: dagpm), the green shaded represents snowstorm area, thick arrow line represents the wind speed≥12 m·s-1

综上所述, 500 hPa、700 hPa的高压脊位置偏南控制山东中北部地区, 山东中北部高空以北风为主, 而南部为西南风, 700 hPa西南低空急流主要到达鲁南地区, 鲁南处在西南风和西北风的辐合区域, 且850 hPa东北风和东南风之间的切变偏南, 有利于水汽在鲁南地区辐合, 产生强降雪。925 hPa以下从高纬度回流的冷空气垫有利于上升气流的发生发展和维持, 并且在相态转换中起重要作用。

水汽的供应对暴雪发生发展具有重要作用, 此次暴雪过程的水汽主要来自孟加拉湾和南海, 由西南低空急流向北输送到山东南部地区。23日20:00, 鲁南附近的徐州站700 hPa比湿达到了5 g·kg^-1, 较通常山东暴雪的比湿阈值偏大, 为暴雪过程提供了充足的水汽。强西南低空急流一方面把水汽传输到鲁南地区, 另一方面在该地区的上方产生强的水汽辐合中心, 为本次鲁南极端特大暴雪提供了有利的水汽条件。23日08:00急流出现前, 鲁南地区的水汽通量(图略)较小, 不存在明显水汽辐合, 23日20:00西南低空急流建立后, 暴雪区上空水汽通量(图略)略有增加, 并形成水汽辐合中心, 中心最大水汽通量散度为-17×10^-8 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1 (图 3a)。24日02:00, 水汽通量增长到6 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1, 水汽辐合中心的最大水汽通量散度达到-20×10^-8 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1(图 3b), 此时为降雪最强时段。24日下午, 暴雪区上空水汽通量减小, 水汽通量散度转为正值, 降雪逐渐减弱并停止。

图 3(Figure 3)

图 3 2015年11月23日20:00(a)和24日02:00(b)700 hPa水汽通量(矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(阴影区, 单位: 10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)水平分布 黑色矩形框表示暴雪区上空 Figure 3 The water vapor flux (vector, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and the water vapor flux divergence (the shaded, unit: 10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1) on 700 hPa at 20:00 on 23 (a) and at 02:00 on 24 (b) November 2015. Black rectangle denote zone over the snowstorm area

强降雪的出现跟对流层低空急流的发生发展密切相关。低空急流发生发展跟高空急流周围正的涡度平流有很好的对应关系, 同时高空槽前正涡度平流使得低层减压, 产生上升运动, 有利于暴雪发生发展。所以将暴雪区上空高层正的涡度平流增强作为预报强降雪发生发展的参考依据。

暴雪出现前后, 从23日08:00至24日14:00沿36°N的涡度平流的垂直剖面(图 4)中可以看出, 23日08:00, 降雪区域上空800~600 hPa出现弱的正涡度平流, 但是此时高层仍为负涡度平流, 低层无急流出现, 降水较弱; 20:00, 降雪区域上空正涡度平流增强, 并从500 hPa伸展至200 hPa, 在500~400 hPa和300~200 hPa之间有两个大值区, 中心值为120×10^-5 s^-2, 在700 hPa生成风速大于12 m·s^-1的西南低空急流, 鲁南地区降水开始增强; 24日02:00, 在强降雪区域上空的正涡度平流明显增强, 中心最大强度超过180×10^-5 s^-2, 西南低空急流的风速超过20 m·s^-1, 暴雪区位于西南低空急流左前部辐合最大的地方, 24日下午, 西南低空急流减弱, 暴雪区域上空逐渐变为负涡度平流, 暴雪结束。

图 4(Figure 4)

图 4 2015年11月23日08:00至24日14:00涡度平流沿36°N的垂直剖面(单位: 10-5 s-2) (a) 23日08:00, (b) 23日20:00, (c) 24日02:00, (d) 24日14:00 Figure 4 Vertical sections of vorticity advection along 36°N from 08:00 on 23 to 14:00 on 24 November 2015. Unit: 10-5 s-2. (a) at 08:00 on 23, (b) at 20:00 on 23, (c) at 02:00 on 24, (d) at 14:00 on 24

由上述分析可见, 高空正涡度平流发展最强盛时, 低层对应的低空急流也最为强盛, 降水也最强, 低空急流发生发展跟高空急流周围正的涡度平流有较好的对应关系, 同时高空槽前正涡度平流使得低层减压, 产生上升运动, 有利于暴雪发生发展。

采用经向风速和纬向风速确定急流的中心位置和轴线, 提高了对急流研究的准确性和严谨性, 可以很好地表征低空急流和高空急流(朱乾根等, 2007)。此文利用经向风分量和纬向风分量来分析低空急流和高空急流。

图 5为沿117°E的暴雪区域上空的经向风和纬向风分量的垂直分布状况。由纬向风分量垂直剖面(图 5a, b)分析得出, 23日20:00, 暴雪区域南侧1000~800 hPa有东风急流生成并发展, 中心风力极值达到10 m·s^-1, 暴雪区域北侧300~200 hPa有西风急流生成并发展, 中心风力极值大于65 m·s^-1; 24日02:00, 高层西风急流通过动量向下传递使得600~500 hPa西风急流风速达到20 m·s^-1, 在暴雪区域上空900~800 hPa出现东风急流和西风急流风向辐合区。由经向风分量垂直剖面(图 5c, d)分析得出, 23日20:00, 暴雪区的低层900 hPa以下为弱的北风, 900 hPa以上为弱的南风; 24日02:00, 暴雪区的上空低层北风急流发展, 高层800~500 hPa南风风速最大达10 m·s^-1。在暴雪区域上空900 hPa上下出现南风急流和北风急流风向辐合区。可见, 从23日夜间至24日早晨, 暴雪区域上方有强的经向风辐合区和纬向风辐合区, 有利于产生大范围强的上升运动。

图 5(Figure 5)

图 5 2015年11月23日20:00 (a, c)和24日02:00 (b, d)纬向风分量(a, b)和经向风分量(c, d)沿117°E垂直剖面(单位: m·s-1) 图 5(b, d)中矩形框表示暴雪区上空风向辐合区 Figure 5 Vertical sections of the meridional wind component (a, b) and the zonal wind component (c, d) along 117°E at 20:00 on 23 (a, c) and 02:00 on 24 (b, d) November 2015. Unit: m·s-1. In Fig. 5b and 5d, the rectangle denote wind convergence zone over the snowstorm area

23日20:00(图 6a), 暴雪区上空上升运动强盛, 最高发展到200 hPa, 中心最大值达-100×10^-3 hPa·s^-1, 在800 hPa附近。在上升区的北侧41°N附近, 有强的下沉运动, 中心最大值达120×10^-3 hPa·s^-1, 上升运动和下沉运动构成的环流(图 6a方框)是由高低空急流耦合作用形成的次级环流(寿绍文等, 2003)。次级环流的上升区为暴雪提供天气尺度的上升运动, 触发并释放不稳定能量, 有利于降水天气的对流性发展。24日02:00(图 6b), 为降雪最强时段, 次级环流发展最强, 上升速度中心最大值达-180×10^-3 hPa·s^-1, 在500~400 hPa之间。次级环流北侧下沉气流在低层侵入上升区, 上升区在高层向北倾斜, 暖湿空气沿着低层干冷空气垫向上爬升, 有利于不稳定能量释放, 从而产生强降雪。

图 6(Figure 6)

图 6 2015年11月23日20:00(a)和24日02:00(b)垂直速度沿117°E的垂直剖面(单位: 10-3 hPa·s-1) 图 6a中矩形框表示次级环流 Figure 6 Vertical sections of vertical velocity along 117°E at 20:00 on 23 (a) and 02:00 on 24 (b) November 2015. Unit: 10-3 hPa·s-1. In Fig. 6a, the rectangle denote secondary circulation

23日17:00以前, 鲁南地区南部地面气温较高, 均为降雨。从探空和地面观测来看, 23日20:00, 青岛至郑州一线1000 hPa的温度已经降至-1 ℃, 鲁西南地区的地面2 m温度低于1 ℃, 因而该地区开始转为雨夹雪或降雪, 而靠近鲁东南地区的徐州探空站850 hPa、925 hPa和1000 hPa的温度分别为2 ℃、1 ℃和2 ℃, 鲁东南大部分站点的2 m气温为2~3 ℃, 近地层内各层的温度仍在降雨的阈值范围内(杨成芳等, 2013), 因而这些地区尚未转雪。

23日夜间, 随着低层强冷气流南下, 鲁南地区温度迅速下降, 23:00大部分地区降水相态由雨逐渐转为雪。对于23日夜间降水相态的变化, 由于发生在两次探空观测之间, 所以只能结合风场及自动站逐时要素进行分析。鲁东南南端的郯城站距离徐州探空站最近, 也是山东转雪最晚的站点。东北风的增强导致郯城2 m气温和露点温度不断下降(图 7), 24日05:00, 2 m气温为0. 3 ℃开始出现雨夹雪。06:00, 2 m气温为0. 2 ℃时开始降雪。此后冷空气继续南侵, 从徐州探空可以看出, 08:00, 徐州850 hPa的温度下降至-2 ℃, 925 hPa和1000 hPa分别下降到-6 ℃和-2 ℃, 徐州地面自动气象站的气温为0 ℃, 近地层温度, 特别是925 hPa, 温度较23日20:00下降明显, 各层已达到了雨转雪的温度阈值(杨成芳等, 2013)。因此, 24日08:00, 鲁南地区降水相态为雪。

图 7(Figure 7)

图 7 2015年11月23日19:00至24日09:00郯城逐时气温(T)、露点温度(Td)、风及降水相态变化 Figure 7 Changes of temperature (T), dew point temperature (Td), wind and the precipitation phase in Tancheng from 19:00 on 23 to 09:00 on 24 November 2015

FY-2E卫星产品OLR资料是卫星观测到的地表热辐射能量密度, 能很好的反映降水天气事件, 尤其是长时间降水的极端天气事件(孙仲毅等, 2010)。23日夜间到24日傍晚, 山东南部大部出现暴雪天气, 根据降雪量情况对应逐3 h的OLR平均值的演变可以看出, 降雪量和OLR值存在明显的负相关关系, 经过计算其相关系数达-0. 678。强降雪期间, 3 h的OLR平均值小于130 W·m^-2, 最低值出现在24日凌晨为115 W·m^-2, 这与地面强降雪量实况相对应(图 8)。综上所述, 3 h的OLR平均值小于130 W·m^-2的区域跟暴雪区域吻合, 对评估暴雪灾害影响范围起到重要的指示作用。

图 8(Figure 8)

图 8 2015年11月23日23:00至24日17:00 3 h最大降雪量与OLR逐3 h平均低值中心 Figure 8 3 hours maximum snowfall and average low center of OLR from 23:00 on 23 to 17:00 on 24 November 2015

(1) 本次极端特大暴雪是发生在横槽型寒潮天气过程中回流性降雪, 暴雪区位于700 hPa西南低空急流核下风方的风速辐合区内、850 hPa切变线附近和925 hPa东北急流内。

(2)50 min内降雪量达到大雪量级, 表明强降雪时段与暴雨过程类似, 也可以出现在短时间内。

(3) 本次鲁南极端特大暴雪过程主要由强西南低空急流输送来自孟加拉湾和南海的水汽, 保证了暴雪区充足的水汽和能量供应。

(4) 低空急流发生发展跟高空急流正的涡度平流有较好的对应关系。高空槽前正涡度平流使得低层减压, 产生上升运动, 有利于暴雪发生发展。

(5) 强冷空气入侵导致雨快速转雪, 降雪时间长使得出现异常强降雪。当地面2 m气温低于1 ℃时雨转雪。

(6) 暴雪区域OLR 3 h平均低值中心与3 h最大降雪中心存在明显的负相关关系, 对评估暴雪灾害影响范围起到重要的指示作用。