2018, Vol. 37
2. 中亚大气科学研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830002;
3. 新疆气象台, 新疆 乌鲁木齐 830002
暴雪对于国民经济和人民生活的危害有时比暴雨更大, 往往对城市交通、林业和畜牧业等造成巨大损失, 由于暴雪天气是在多天气系统综合作用下产成的, 形成机理复杂, 因而预报难度大, 国内外针对暴雪研究开展了大量的工作, 研究表明, 欧美的降雪多与温带气旋的形成、发展有关(Bosart, 1981; Marwitz et al, 1993; 刘宁徽等, 2009), 中国的暴雪多发生在东北地区和西北及其高原山区(高松影等, 2006; 陈传雷等, 2007)。新疆由于其广阔的地形和特殊纬度, 降雪量分布极不均匀, 特别是北疆地区位于中高纬度, 冬季受极锋锋区影响, 往往会出现暴雪甚至大暴雪, 其中以暖区强降雪所造成的影响最为严重(李如琦等, 2015; 张俊兰等, 2013; 庄小翠等, 2013)。目前针对冷锋降雪天气已有大量的研究成果, 陈涛等(2012)认为北疆一次强降雪过程中冷锋锋生强迫的垂直运动与暴雪区域有较好的对应关系; 杨莲梅等(2015)整理出新疆降雪的环流型和水汽来源, 认为冬季中纬度西风和低纬度阿拉伯海水汽可影响新疆; 李如琦等(2015)针对冷锋暴雪和暖区暴雪发生的环流背景进行对比分析发现两支急流的叠加和汇合是冷锋暴雪发生的主要大尺度环流形势。而在实际预报工作中北疆地区暖区降雪造成的雪灾往往比冷锋降雪更加严重, 受地面暖低压影响, 新疆北部常出现暖区暴雪, 降雪强度强, 持续时间长, 针对新疆北部暖区大暴雪产生的环流背景、多尺度天气系统配置、中尺度活动和水汽条件等方面已有一定的研究成果(张书萍等, 2011; 赵俊荣, 2011; 刘慧云等; 庄晓翠等, 2010; 赵俊荣, 2010), 这为研究北疆北部暴雪提供了思路和方法, 但对暴雪起止时间、暴雪中心的预报难度还是很大, 对锋面结构的认识仍较匮乏, 因而就2014年1月29—30日中纬度强锋区造成的北疆北部暖区降雪过程进行诊断分析, 并对锋面三维结构的演变及造成强降雪的动力、热力及中尺度云团特性进行详细分析, 为今后北疆北部暖区暴雪的预报预警提供一些参考依据。
2 资料和方法利用地面气象观测站逐时降水、常规探测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析以及逐时红外云图资料, 应用天气动力学方法、卫星气象学对此次暴雪天气环流形势、锋面结构演变及中尺度云团演变特征进行分析, 探讨暖区暴雪低层暖锋锋生、中尺度云团与暴雪区的关系, 为今后暖区暴雪预报提供一定的参考依据。
新疆属于干旱、半干旱区域, 考虑到该区域暴雪特点及暴雪灾害记录, 采用新疆现行的降雪业务标准: 24 h降雪量为R, 当0.1 mm＜R≤3.0 mm为小雪, 3.1 mm＜R≤6.0 mm为中雪, 6.0 mm＜R≤12.0 mm为大雪, 12.0 mm＜R≤24.0 mm为暴雪, 24.0 mm＜R≤48.0 mm为大暴雪, R≥48.1 mm为特大暴雪。
3 天气实况及环流形势 3.1 降雪实况2014年1月29—30日, 北疆北部出现强降雪, 地面伴有明显减压升温, 具有暖区降雪性质, 塔城北部和阿勒泰地区9站累积降雪量超过6 mm达到大雪, 暴雪中心裕民站降雪持续时间约20 h, 累积降雪量达20 mm[图 1(a)]。本次降雪过程分为两个时段:第一时段为29日17:00(北京时, 下同)至30日05:00, 降雪主要集中在塔城北部和阿勒泰西部地区, 降雪中心裕民站5 h累计降雪量9.5 mm[图 1(b)]; 第二时段为30日06:00—20:00, 塔城北部再次出现降雪[图 1(b)], 降雪持续时间较前期明显增长, 且范围逐渐东扩至阿勒泰东部, 降雪中心分别为裕民(11.3 mm)和青河(10.5 mm), 对应雪强最大时段集中在30日11:00—14:00(5.2 mm)和15:00—18:00(5.3 mm)。
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图 1 2014年1月29日17:00至30日20:00北疆北部降雪实况分布(a, 单位: mm)及最大暴雪中心裕民逐小时降雪量(b) Figure 1 The snowfall diagram in north of Xinjiang (a, unit: mm) and the hourly snowfall at the biggest blizzard center-Yumin station (b) from 17:00 on 29 to 20:00 on 30 January 2014 |
30日20:00后, 受地面冷锋过境影响, 上述地区降雪明显减弱, 仅出现小到中量降雪(0.3~3.7 mm)。
3.2 环流形势演变 3.2.1 500 hPa环流形势本次降水发生前(图略), 500 hPa欧洲沿岸到北欧为高压脊, 西伯利亚地区为极涡活动区, 极涡主体位于60°N以北, 新疆处于极涡底部偏西气流控制。2014年1月29日20:00[图 2(a)], 北欧高压脊向东北伸展, 极涡分裂一股冷空气在咸海北部切涡, 极锋急流和中亚低槽前西南急流交汇, 巴尔喀什湖(简称巴湖)附近锋区明显加强并东移进入北疆偏西地区, 40°N—50°N范围内温度梯度达12 ℃·(100km)-1, 位势高度梯度达20 dagpm, 塔城上空风速迅速增至40 m·s-1, 对应降雪开始。30日02:00(图略), 强锋区逐渐东移北抬至阿勒泰偏西地区, 阿勒泰站风速迅速增至35 m·s-1, 阿勒泰偏西地区出现降雪。高空锋区位置与暴雪区域有较好对应关系。随着这股强锋区东移, 第一段强降雪逐渐趋于结束。
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图 2 2014年1月29—30日500 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)和急流区(阴影, ≥20 m·s-1) Figure 2 The 500 hPa geopotential (contour, unit: dagpm) and the jet stream area (shaded for wind speed≥20 m·s-1) from 29 to 30 January 2014 |
30日08:00[图 2(b)], 500 hPa中亚低槽前西南气流进一步增强与极锋锋区偏西急流交汇于巴湖东侧, 北疆北部上空风速迅速由30 m·s-1增至36 m·s-1, 冷暖空气再次在北疆偏北地区剧烈交绥, 造成塔城北部第二段强降雪和阿勒泰东部强降雪。20:00(图略), 强锋区逐渐移出北疆北部上空, 阿勒泰上空风速也减弱至24 m·s-1, 此次地面暖区降雪趋于结束。
3.2.2 高低空急流2014年1月29日20:00至30日14:00, 暴雪区上空急流异常明显, 雪强最强时, 即30日14:00 200 hPa[图 3(a)]急流核区最大风速超过55 m·s-1, 塔城北部和阿勒泰东部先后处于高空西南急流出口区的右侧, 此处高层强烈的辐散抽吸利于低层上升运动的增强。700 hPa低值系统南伸至咸海地区并切涡[图 3(b)], 低涡底部偏西急流与中纬度西南急流汇合于巴湖西侧, 在急流轴前方形成风速辐合区域, 塔城和阿勒泰东部上空风速先后急增至24 m·s-1。来自极地干冷气团与中纬度暖湿气团剧烈交绥, 温度梯度迅速增大, 低层锋区不断增强, 通过Q矢量(图略)和散度场[图 3(c), (d)]诊断发现暴雪区(裕民站和青河站)在强降雪期间存在明显的低层辐合, 高层辐散, 高低空急流相互耦合使得暴雪区上空垂直上升运动明显增强。
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图 3 2014年1月30日14:00 200 hPa位势高度场(等值线, 单位: dagpm)及≥30 m·s-1急流区(阴影)(a), 700 hPa风场(b, 矢量, 单位: m·s-1, 阴影为≥16 m·s-1急流区), 29日20:00 (c)和30日14:00 (d)沿46°N散度场(等值线, 单位: ×10-5s-1)和垂直速度场(阴影, 单位: ×10-2m·s-1) 图(c)、(d)中▲代表裕民站, ◆代表青河站, 图形下方灰色阴影为地形 Figure 3 The geopotential field (contour, unit: dagpm, the shaded for wind speed≥30 m·s-1) at 200 hPa (a) and the wind field (vector, unit: m·s-1, the shaded for wind speed≥16 m·s-1) at 700 hPa (b) at 14:00 on 30 January, the convergence field (contour, unit: ×10-5s-1) and vertical velocity field (the shaded, unit: ×10-2m·s-1) along 46°N at 20:00 on 29 (c) and 14:00 on 30 (d) January 2014.In Fig. 3 (c) and (d), ▲ represents Yumin station, ◆ represents Qinghe station, and the grey shaded below in graphics is terrain |
本次降雪过程中, 500 hPa锋区不断加强, 高低空急流相互耦合, 为暴雪产生提供了动力抬升机制。那么在降雪过程中地面系统起怎样的关键性作用？相对于冷锋降雪, 暖区降雪过程中低层锋面结构是怎样的？下文将进一步探讨。
4 锋生对地面降雪的影响 4.1 海平面气压场2014年1月28—29日, 上游咸海南部为较强暖低压, 中心强度为1 007.5 hPa, 整个低压范围内气温都在0 ℃以上, 最高达17 ℃, 巴湖冷高压控制塔城、阿勒泰地区, 其中心强度1 032.5 hPa, 塔城、阿勒泰地区地面最低温度为-24~-16 ℃。29日20:00[图 4(a)], 暖低压北上至巴湖附近, 地面低压外围东扩至北疆偏西地区, 低压倒槽开始影响塔城北部和阿勒泰西部地区, 暖空气势力强盛不断推动冷空气东移北上, 暖气团逐渐进入塔城北部地区, 使得塔城北部温度迅速上升至-10~-4 ℃, 同时从锋生函数上也可以看出塔城北部存在明显的锋生过程, 裕民位于锋生最强处, 低压倒槽的稳定维持造成塔城北部第一阶段和阿勒泰西部地区强降雪。30日14:00[图 4(b)], 低压倒槽进入北疆北部地区, 低压中心位于阿勒泰东部, 强度达1 007.5 hPa, 除裕民外, 青河也位于暖锋锋生区, 暖气团的进入使得阿勒泰地区地面温度上升至-10~-4 ℃, 进而造成塔城北部第二段和阿勒泰东部降雪。20:00后, 随着冷高压逐渐进入新疆, 暖锋锋消, 暖区降雪趋于结束。
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图 4 2014年1月29—30日海平面气压(等值线, 单位: hPa)和锋生函数(阴影, 单位: ×10-7K·m-1·s-1) Figure 4 The sea level pressure (contour, unit: hPa) and frontogenesis function (the shaded, unit: ×10-7K·m-1·s-1) from 29 to 30 January 2014 |
中亚气旋来自较低纬度, 具有暖湿的特征, 暖湿能量有效的在暴雪区释放, 气旋前部暖锋锋生, 地面暖锋锋生区亦为强降雪中心, 1月29日20:00至30日06:00塔城北部第一阶段和阿勒泰西部降雪是由于地面低压倒槽所造成, 而30日08:00—20:00塔城北部第二阶段和阿勒泰东部降雪是由于地面暖锋造成的。
4.2 低层锋面结构从1月29日20:00沿83°E的假相当位温垂直剖面分析[图 5(a)]可以看出, 等假相当位温线密集区主要集中在700 hPa以下的中低层, 密集区随高度向北(冷平流一侧)倾斜, 倾斜角度小, 暖锋两侧冷暖平流都非常清楚。从水平气流的垂直配置看, 700~500 hPa间以西南急流为主, 925~850 hPa以东北气流为主(2~4 m·s-1), 西南风势力明显强于东北风势力, 大量的暖湿气流在偏南风的引导下沿冷空气向北、向上爬坡, 并推动冷气团北移, 这与暖锋降水(朱乾根等, 2000)的定义较为一致。降雪过程中地面暖锋分为两段, 南、北段暖锋前沿分别位于44.5°N和47°N附近, 裕民站(46°N, 83°E)位于南段暖锋前沿, 受暖锋影响, 塔城北部出现第一阶段强降雪。暖湿空气在爬坡的过程中不断推动冷空气向北移动, 30日14:00[图 5(b)], 南段暖锋仍稳定维持, 低层锋面结构较清楚, 继续造成塔城北部地区第二阶段强降雪, 北段暖锋北移至47.5°N附近, 且等假相当位温线梯度增大, 暖锋锋生明显, 造成阿勒泰东部地区在14:00后的强降雪。
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图 5 沿83°E(a、b)和90°E(c、d)垂直剖面上的等假相当位温线(黑色等值线, 单位: K)、风场(风羽, 单位: m·s-1)与温度平流(单位: ×10-5 K·s-1, 灰色等值线为暖平流, 阴影区为冷平流≤-2×10-5K·s-1) 图形下方灰色阴影为地形 Figure 5 The pseudo-equivalent potential temperature (the black contour, unit: K), the winds field (barb, unit: m·s-1) and the temperature advection (unit: ×10-5 K·s-1, the grey line for warm temperature advection and the shaded for the cold ≤-2×10-5 K·s-1) in the vertical section along 83°E (a, b) and 90°E (c, d).The grey shaded denotes the terrain |
随着高空强锋区东移, 近地面锋生较高空更加明显, 锋区随高度向东北方向伸展。85°E—90°E位于阿勒泰山脉南麓迎风坡, 地形高度从几百米陡升到约3 000 m, 从30日08:00沿90°E的假相当位温垂直剖面图[图 5(c)]上发现, 暖锋在90°E附近也存在, 青河站(46°N, 90°E)处于暖锋前沿附近, 暖平流中心位于700 hPa, 中心强度达3×10-4 K·s-1, 冷暖气团对峙剧烈, 地面暖锋锋生明显, 另外46°N—47°N风场上在850~700 hPa之间存在明显的风切变, 暖气团沿底层冷空气爬坡过程中配合阿勒泰山地形辐合抬升, 大量暖湿气团被快速携带至中高层, 阿勒泰中、东部地区开始出现降雪; 14:00[图 5(d)], 高空巴湖附近强锋区进入新疆北部, 阿勒泰再次处于锋区控制下, 冷空气不断堆积下沉, 与爬坡的暖空气相遇, 冷暖气团交绥剧烈, 对应低层暖锋锋面结构清楚, 伴随的锋面次级环流增强了上升运动, 另一方面伴随着地形迎风坡前一致西南气流, 强迫产生的地形性上升运动正比于基本气流速度, 两方面物理过程共同造成低层上升运动的发展, 造成阿勒泰东部地区出现强降雪。
结合图 5(a)和图 5(b)可以看出, 地面暖锋分为东西两端, 分别位于塔城北部(46°N)和阿勒泰东部地区(46°N), 锋面附近冷暖气团活动频繁, 强盛的暖空气沿底层冷空气爬坡并推动冷空气北移, 上升运动强烈。强降雪主要是地面低压倒槽和地面暖锋造成, 低层等假相当位温线梯度加强的同时对应地面雪强增强, 强降雪时段与中低层暖锋锋生有较好对应关系。
4.3 暖锋暴雪天气学概念模型结合地面锋面和高空形势演变共同分析, 构建了此次北疆暖锋暴雪过程的天气学概念模型[图 6(a)], 主要成员有200 hPa高空西南急流、500 hPa极锋锋区偏西急流和中纬度西南急流、700 hPa偏西急流、地面暖锋(倒槽)。500 hPa极锋锋区上干冷的偏西急流与中纬度暖湿西南气流汇合, 冷暖交绥剧烈, 高层锋区增强, 另外高低空急流耦合, 垂直运动发展, 为暴雪提供动力抬升机制; 低层偏南暖湿气流沿冷垫爬坡, 上升运动进一步增强, 促进地面暖锋进一步锋生; 由于地面暖锋锋生, 相应的锋面次级环流也得以加强。从30日14:00在高空急流出口区沿90°E的经向垂直环流结构可以看出[图 6(b)], 在阿勒泰东部地区存在强斜压锋区, 倾斜锋区上产生的横向垂直正环流圈非常清楚, 暖锋后部暖气团上升, 暖锋前冷气团下沉, 构成热力直接环流, 因而使斜压有效位能向动能转化, 利于垂直运动的发展, 这与冷锋降雪的研究结果(陈涛等, 2012)较为一致。但本次降雪过程中在低层能够分析出明显的暖锋锋面结构, 锋面附近强上升运动区也对应着地面暖区暴雪区, 对于今后北疆北部暖区降雪的预报预警具有一定的指示意义。
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图 6 天气系统综合分析(a, 阴影代表地形, 单位: m)和2014年1月30日02:00沿90°E垂直剖面上假相当位温(灰色等值线, 单位: K)和风速场(流线表示u, v, w合成风场, 阴影区为上升运动区, 单位: m·s-1)(b) 图(b)下方灰色阴影为地形 Figure 6 The synthetic analysis of synoptic systems (a, the shaded denote the terrain, unit: m), the pseudo-equivalent potential temperature (grey contour, unit: K) and the wind field (streamline for the synthesis of u, v and w, the shaded for w>0, unit: m·s-1) (b) in the vertical section along 90°E at 02:00 on 30 January 2014. In Fig. 6 (b), the grey shaded denotes the terrain |
通过分析本次强降雪过程的云图资料, 并结合环流形势场分析发现, 暖区降雪过程中TBB≤-56 ℃的中-β和中-α尺度云团处于东北-西南走向的带状云带中, 并随着锋区东移逐渐进入新疆北部地区, 造成塔城北部第一段强降雪和阿勒泰西部地区降雪。随着中纬度西南气流不断增强并与极锋锋区在塔城北部交汇, 带状云系中不断有中尺度云团生成、合并、东移和消亡, 再次造成塔城北部第二时段强降雪和阿勒泰东部地区强降雪。
1月29日20:00至30日08:00, 影响暴雪区为TBB≤-56 ℃的中-β和中-α尺度云团, 29日20:00[图 7(a)], 巴湖东南侧存在中-β云团B和中-α尺度云团A, 其西南侧有中-α尺度云团C, 随着高空强锋区进入及地面低压倒槽发展, 塔城北部处于云团B东北侧TBB等值线梯度最大区, 对应塔城北部测站开始出现降雪; 30日02:00[图 7(b)]强锋区进一步东北移, 冷云团C东移至塔城东北部, 造成塔城地区00:00—02:00达到中雪(4.1 mm)。
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图 7 2014年1月29—30日分辨率为0.1°×0.1°的逐小时FY-2G红外云图TBB演变(单位: ℃) 图中A、B、C、D、F分别表示锋区带状云系上不断生成的中尺度云团 Figure 7 FY-2G hourly infrared brightness temperature (resolution: 0.1°×0.1°) from 29 to 30 January 2014.Unit: ℃. The capital A, B, C, D and F represent for the mesoscale cloud formatted in the banded cloud at the frontal zonal |
30日06:00(图略)云团B进一步东移, 阿勒泰东部逐渐处于强锋区出口区右侧及冷云团B东北部TBB等值线梯度较大区, 对应阿勒泰东部开始出现降雪; 08:00[图 7(c)], 冷云团B逐渐东移并分裂出中-β云团, 阿勒泰东部处于该中-β云团南部TBB等值线梯度较大区域, 对应阿勒泰东部地区降雪持续; 前期影响塔城北部降雪的中尺度云团逐渐北移, 对应地面塔城北部第一阶段强降雪结束; 10:00 (图略)随着两支锋区交汇于巴湖地区, 极锋锋区和中纬度西南急流上的冷核云合并形成中尺度云团D, 塔城北部位于云团D东侧TBB等值线梯度较大区域, 塔城开始出现第二时段强降雪, 随后该云团在随西南气流向北移动过程中受到塔城北部山脉的阻挡, 位置基本稳定少动, 强度逐渐减弱, 对应11:00—14:00塔城北部3个测站3 h均达到中雪, 为雪强最大时段; 同时冷云团B分裂为两中心, 阿勒泰东部地区位于冷云团B东北侧。由于阿勒泰东部山区海拔高, 测站均为浅山区(1 000~1 500 m), 中低层西南气流在地形的辐合抬升下, 上升运动加强, 因而地面降雪持续, 但测站均为小量降雪; 15:00[图 7(d)], 中纬度西南急流上的中-α尺度云团F由境外东北移至伊犁河谷北部地区, 塔城北部处于云团F北侧TBB等值线梯度最强区域, 由于高空强锋区快速东北移动, 云团F在15:00—17:00快速移过塔城地区, 对应塔城北部降雪逐渐减弱, 而云团B移速缓慢, 阿勒泰东部地区处于云团B东部中心东侧TBB等值线梯度最大区域, 造成阿勒泰东部青河站3 h降雪达5.3 mm。
综合上述分析发现塔城北部地区强降雪主要是受中纬度西南急流上不断有中尺度云团生成、合并和东移的影响, 而阿勒泰东部地区强降雪主要受中-α尺度云团B缓慢东移影响, 因而塔城北部较阿勒泰东部地区降雪持续时间长, 出现两个强降雪时段。本次北疆北部强降雪属于东部型降雪(赵俊荣等, 2010), 与以往研究(赵俊荣等, 2010)不同的是, 本次阿勒泰东部地区降雪云团在阿勒泰沿山一带停滞, 但并未合并增强, 因而本次降雪过程阿勒泰东部中尺度云团TBB≤-32 ℃, 这说明暴雪落区仅与中尺度云团TBB梯度大值区有关, 而不完全取决于云顶亮温自身量值。
6 结论(1) 极涡旋转南下的过程中, 极锋锋区加强东移, 锋区上强偏西急流与中纬度西南气流在巴湖交汇并东移进入新疆北部, 冷暖交绥剧烈, 为大暴雪提供了有利的环流形势。高、低空急流相互作用, 低层辐合, 高层辐散, 整层上升运动强, 在地形和锋面强迫抬升下垂直上升运动进一步增强, 为暴雪产生提供动力抬升机制。
(2) 本次降雪过程是由于地面暖锋所造成, 降雪过程中, 中低层有明显的锋生过程, 锋区向东北倾斜, 暖气团在爬升过程中推动冷空气向北移动, 在地形强迫抬升作用下, 垂直上升运动得到加强。地面暖锋分为东西两段, 分别位于塔城北部(46°N)和阿勒泰东部地区(46°N), 暴雪区位于锋区前沿附近, 强降雪时段与中低层暖锋锋生有较好的对应关系。
(3) 本次暴雪过程中, 塔城北部较阿勒泰东部地区降雪持续时间更长, 出现两个强降雪时段。塔城北部地区强降雪主要是受中纬度西南急流上不断有中尺度云团生成、合并和东移的影响, 而阿勒泰东部地区强降雪主要受中-α尺度云团B缓慢东移影响。暴雪区与中尺度云团边缘TBB等值线梯度大值区有较好的关系。
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2. Center for central Asia Atmosphere Science Research, Urumqi 830002, Xinjiang, China;
3. Xinjiang Meteorological Bureau, Urumqi 830002, Xinjiang, China