2015年初冬河南省一次回流暴雪天气发展机理分析

杜丽娅

(濮阳市气象局，河南濮阳　457000)



2015年初冬河南省一次回流暴雪天气发展机理分析

杜丽娅

(濮阳市气象局，河南濮阳457000)

摘要：利用常规气象资料、多普勒雷达及NCEP客观分析资料，对2015年11月23—24日河南省出现的一次回流暴雪天气过程形成、发展的机理进行了分析。结果表明：此次回流暴雪天气由高原浅槽与地面强冷空气共同造成，垂直于锋区的次级环流是产生暴雪的中尺度系统。近地面自渤海回流到华北平原的冷空气是干冷的，水汽主要由对流层中层的西南急流输送。动力锋生是锋区附近出现超低空东北风急流和700 hPa西南急流的主要原因，是产生暴雪的主要动力机制。雷达速度图上，中层西南急流和超低空东北风急流的长时间维持是暴雪产生的重要原因，雷达风廓线清晰地反映了暴雪区上空存在锋面次级环流。

关键词：回流暴雪；急流；动力锋生；次级环流

华北回流是指冷空气从东北平原南下，经过渤海以偏东路径侵入华北平原[1]。冬季的回流天气常常伴有大范围的暴雪、大风和低温，给工农业生产、交通和人民生活带来危害。华北回流降雪的出现时间、量级大小及落区等在实际预报中存在较多的失误，因而对回流暴雪的研究逐渐受到气象工作者的重视。张迎新等[2]通过对一次回流暴雪的诊断分析和数值试验，认为回流暴雪在中高层西南气流与低层偏东气流叠加时开始；周雪松等[3]通过对一次华北回流暴雪的数值模拟，认为在西风槽和地面冷锋造成的暴雪中，动力锋生机制是主要动力机制；王迎春等[4]、万瑜等[5]认为强降雪中心倾向于出现在锋区的位置；刘敏等[6]总结了华北回流型强降雪天气的普遍特征，认为当渤海西岸东北风风速达到5 m/s以上时要注意强降雪的发生；孙密娜等[7]分析了偏东风在降雪发生前后的演变特征，发现地面东风出现在降雪开始前8 h以上；王丛梅等[8]分析了河北省南部回流暴雪天气特征，认为回流强降雪多发生在地面锋后冷气团中。

2015年11月23—24日，河南省发生一次大范围回流暴雪天气过程，但濮阳市气象台对此次降雪过程的预报量级偏弱。因此，利用NCEP/NCAR的FNL客观分析资料(1°×1°)、多普勒雷达资料和MICAPS常规观测资料从锋生动力学的角度分析此次暴雪发生、发展的机理，希望为此类回流暴雪天气的预报提供经验积累。

1降雪实况

2015年11月23日下午到24日，豫西、豫中、豫北和豫东地区出现暴雪天气，其中豫西和豫东分别出现降雪大值区(图1)，最大降雪出现在洛阳市的孟津，23日08时到24日08时降雪达31 mm。此次降雪造成历史罕见的低温天气，影响了小麦的正常分蘖和大棚蔬菜的生长。

图1　2015-11-23T08—24T14降水量(单位为mm)

暴雪发生的主要时段在23日下午到夜间。并一直持续到24日08时。此后，降雪逐渐停止。由于此次暴雪天气持续时间短、强度大，另外，11月20—22日已经连续3 d出现小雨天气，因此暴雪预报难度较大。

2环流背景

暴雪过程开始前(23日08时)500 hPa天气图上，欧亚中高纬度维持“一槽一脊”形势，巴尔喀什湖以北为高压脊，脊前蒙古国至中国东北为一宽广的低槽，其中贝加尔湖西侧有一个低涡，低涡以东为宽广的偏西气流，同时在青藏高原中部的格尔木—那曲有一浅槽。23日20时(图2)，高原浅槽东移至平凉—成都一带，河南处在槽前西南气流里，同时次700 hPa上，宜宾至南阳一线有西南急流逐渐加强北伸，急流出口区位于豫中地区。同时，850 hPa上从东北地区有东北风低空急流经渤海沿东北路径南下，受其影响，华北大部分地区气温明显下降，在同时次上有清晰的温度锋区位于华北南部，锋区内锋生强烈，有利于降水强度的增强。24日08时以后，随着冷空气主力东移南下，对流层低层850 hPa锋区消失，暴雪过程结束。

图2　2015-11-23T20 850 hPa风场、500 hPa低槽(实线)和700 hPa、850 hPa急流位置(带箭头的粗实线)、地面暴雪区(圆圈)

3物理量诊断分析

3.1假相当位温

925 hPa风场和假相当位温(θse)的分布图(图3a)上，河南大部分地区受来自东北平原的东北气流控制，相应的θse低值区一直伸展到113°E附近；其中在太行山地区为一南北向的θse密集带，太行山西侧为θse大值区。说明低层干冷空气来自于东北平原，且受阻于太行山东侧。从沿图3a中AB线所做的垂直剖面图(图3b)可以看出，925 hPa以下的干冷空气自东北向西南侵入，形状近似“楔”状，925 hPa以上到800 hPa存在θse梯度大值区，说明此处有明显的锋区，锋区以上到500 hPa为θse高值区，说明随着锋区的南下，中高层的暖湿空气在东北干冷空气的入侵下被迫爬升，从而产生暴雪。

图3　2015-11-23T20 925 hPa风场和θse分布(a)及θse沿AB的垂直剖面图(b)(单位为℃)

3.2水汽通量和水汽通量散度

水汽是产生降水的必要条件。从23日20时700 hPa流场和水汽通量场(图4a)上可以看出，在四川、湖南和湖北交界处有一条水汽输送带，其水汽通量为3～6 g/(cm·hPa·s)，其中大于2 g/(cm·hPa·s)的范围已达黄河以南的河南中北部，输送带正好与700 hPa急流对应。从郑州附近(34°N、113°E)水汽通量垂直分布时间演变图(图4b)可看出，水汽通量的大值区在850～500 hPa，且出现在23日下午到夜里的降雪集中时段中，最大值出现在23日20时左右。从水汽通量与风场来看，23日14时以前，中高层风向比较凌乱，水汽通量较小；14时，800～600 hPa转成西南气流，水汽通量开始增大，降水开始；20时，随着中层西南气流向上伸展，风速明显加大，在650 hPa水汽通量出现大于6 g/(cm·hPa·s)的大值区，降水强度加大，降雪量最大出现在24日02时左右；

图4　2015-11-23T20 700 hPa风场及水汽通量(a)及23—24日郑州附近(34°N、113°E)水汽通量时间序列图(b)(单位为g/(cm·hPa·s))

24日14时，伴随800 hPa以上西南气流转为西北气流，水汽通量迅速减小，降水结束。900 hPa附近在降水时段内也出现水汽通量较大值，这可能是由于降水带来的低层湿度加大造成的(从流场与水汽通量场配合可以看出)。水汽通量大值区范围和出现时段与降水区和降水强度对应，表明此次暴雪天气所需的水汽是由对流层中层800～600 hPa的西南气流输送的。

从23日20时700 hPa流场和水汽通量散度图(图5a)上可以看出，河南中东部有一水汽通量散度负值区，数值为-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，该水汽通量散度负值区正好与700 hPa急流的出口区和暴雪区对应。从郑州附近的水汽通量散度与水平风场的垂直分布时间演变图(图5b)可以看出，水汽通量散度负值区在925～700 hPa，且出现两个负值中心，分别在900 hPa和700 hPa，中心值达到-2×10-7g/(cm2·hPa·s)。小于-1 ×10-7g/(cm2·hPa·s)的水汽通量辐合区出现在23日14时—24日08时，与降水集中时段一致。水汽伴随中高层(800～600 hPa)的西南气流进入降水区，在强烈的动力辐合作用下，形成暴雪。

图5　2015-11-23T20 700 hPa水汽通量散度(a)及23—24日郑州附近(34°N、113°E)水汽通量散度时间序列图(b)(单位为10-7 g/(cm2·hPa·s))

4锋面次级环流

23日14时，地面强冷空气开始入侵河南，对流层低层水平温度梯度加大，形成明显的锋区。从垂直风场看，23日14时河南北部上空存在下沉运动，中南部上空存在上升运动，形成一个与锋区垂直的锋面次级环流。锋面次级环流中的上升气流把南方对流层低层的大量水汽带到对流层中高层，在975～700 hPa形成相对湿度大于90%的高湿区。此时降水开始，但由于近地层温度较高，降水相态以雨为主。

23日20时，在850 hPa假相当位温场上，河南地区出现较大的假相当位温线密集区(图3b)，说明锋区进一步加强。从垂直风场(图6a)看，对流层低层东风加大，925 hPa出现东北风超低空急流，对流层中高层为西风，700 hPa出现西南急流，锋面次级环流进一步加强。对应垂直速度图(图6b)上，在锋区的暖、冷边界处出现了明显的上升和下沉运动，上升运动伸展到300 hPa，最大上升速度为9×10-3hPa/s。由于锋前上升气流的影响，相对湿度大于90%的区域从地面一直延伸到300 hPa，垂直上升气流增强，系统发展旺盛，河南中东部降雪强度达到最大。随着锋区南移，降水系统随之南移，24日08时，低层东风分量减弱，同时锋面次级环流减弱，锋前湿区高度降低，降雪过程基本结束。

图6　2015-11-23T20垂直风廓线(a；单位为m/s；实线为水平等风速线)和沿115°E垂直速度的高度剖面图(b；单位为Pa/s)

5动力机制分析

为了深入探究此次回流暴雪发生、发展机理，下面从锋生动力学的角度分析此次暴雪的动力机制。

11月23日14时，地面强冷空气影响河南，850 hPa温度场上形成等温线密集带，水平温度梯度随时间增大，热成风平衡被破坏，为了维持热成风平衡，风垂直切变必须相应增大，即高层西风风速加强，低层东风风速加强[9]。从暴雪区附近(35°N，115°E)u分量的时间演变(图7a)可以看到，23日14时，对流层低层东风风速逐渐增大，23日20时，东风增大到14 m/s，与之对应，中高层的西风风速逐渐增大，从23日08时开始，250 hPa高度以上的西风风速增大到44 m/s以上并持续维持。根据地转偏差与加速度关系[9]，高层西风加速必然强迫产生南风分量的地转偏差，低层西风减速则强迫产生北风分量的地转偏差，这种非地转风分量在锋区内远大于锋区以外地区，这也是图6a中锋区附近出现超低空东北风急流和700 hPa西南急流的主要原因。

图7　2015-11-23—24暴雪附近(35°N，115°E)u分量(a，单位为m/s，粗实线为降雪时段)和垂直速度时间演变(b，单位为Pa/s)

从垂直速度时间演变图(图7b)中可以看出，从23日14时开始，位于锋区暖侧的暴雪区，对流层中低层的上升速度迅速增大，一直保持在8×10-3hPa/s,最大达到9×10-3hPa/s。这是由于地转偏差在锋区内外分布不均匀，在低层锋区的暖边界有地转偏差辐合，其相应的地区上空则有地转偏差辐散，引起上升运动，与其相反，锋面的冷边界高层有地转偏差辐合，低层有地转偏差辐散，引起下沉运动，形成了垂直于锋区的锋面次级环流；次级环流出现后，又对锋生发生作用，进一步使高低空锋区的水平温度梯度加强[9]。由此可见，在此次暴雪过程中，动力锋生机制产生的锋面次级环流是造成降水的直接中尺度系统。

6雷达资料分析

6.1组合反射率

11月23日13时降水回波进入河南中西部，其在东移过程中表现为范围较大的片状层状云降水回波。在距郑州雷达站20 km以内的低层出现了小范围的0 ℃ 层亮带，此时降水以雨为主。16时，0 ℃层亮带消失，降雨开始转变为降雪。由于冰晶对电磁波的散射作用较弱，因此大部分回波强度较弱，回波强度多在10～30 dBz，在大片的弱回波区中有多个30～35 dBz的回波存在(图8a)，总体上看反射率因子梯度不大。由于25 dBz以上的较强回波在23日16时—24日08时长时间维持，同时不断有30～35 dBz回波产生，造成豫西、豫中和豫东地区降雪强度较大。

6.2径向速度和风廓线

23日22：01郑州雷达35 km范围内(1.4 km高度以下)(图8b)有一对正负速度中心，最大速度达24 m/s, 经判断，该正负速度中心的风向为东北风(根据多普勒天气雷达原理[11]，在探测采样较好的情况下，若某高度层出现最大入流或出流径向速度中心，其风向即为该高度层的实际风向，因而近地层有超低空东北风急流存在)，与925 hPa天气图上河南上空的东北急流相对应。同时在雷达100～150 km范围内(3.5～5.6 km高度)，也有一对反方向的正负速度中心，最大速度为17 m/s，同理可判断对流层中高层有西南急流存在，高低空的这两对正负速度中心在降雪的过程中一直持续。分析同时刻雷达VAD风廓线(图8c)发现，郑州上空已经形成一个中尺度锋面次级环流，1.2 km高度以下有超低空东北急流存在，最大速度为22 m/s，3.7 km高度以上有西南急流存在，最大速度为20 m/s，这与速度图上高低空的两个正负速度对相对应。由于锋面次级环流的持续发展，西南暖湿空气在东北冷空气上持续爬升，产生了暴雪天气。

图8　2015-11-23T22：01郑州站多普勒雷达组合反射率(a)、径向速度(b， 1.5°仰角)和2015-11-23T22：01—23：00(图上为世界时)垂直风廓线(c)

7结论

(1)本次回流暴雪过程是由高原浅槽与地面强冷空气共同影响。地面强冷空气在对流层低层形成清晰的温度锋区，锋区内锋生强烈，有利于降雪强度的增强。

(2)近地面自渤海回流到华北平原的冷空气是干冷的，水汽主要由对流层中层的西南急流输送。在降水时段850～500 hPa为水汽通量大值区，950～700 hPa为深厚的水汽通量散度负值区，水汽伴随中高层(800～600 hPa)的西南气流进入降水区，在强烈的动力辐合作用下，形成暴雪。

(3)流场和温度场的相互作用造成锋面次级环流的出现，垂直于锋区的次级环流是产生暴雪的中尺度系统。动力锋生是锋区附近出现超低空东北风急流和700 hPa西南急流的主要原因，是暴雪过程的主要动力机制。

(4)雷达回波图上，反射率因子覆盖范围广，分布较为均匀，强度多在10～30 dBz，其中有多个30～35 dBz的回波存在。速度图上中层西南急流和超低空东北风急流的长时间维持造成暴雪。雷达风廓线清晰地反映了暴雪区上空锋面次级环流的存在。

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文章编号：1006-4354(2016)04-0006-07

收稿日期：2016-02-22

作者简介：杜丽娅(1983—)，女，汉族，河南濮阳人，学士，助理工程师，从事天气预报工作。

基金项目：中国气象局预报员专项(CMAYAY 2016-042)

中图分类号：P458.121

文献标识码：A

杜丽娅. 2015年初冬河南省一次回流暴雪天气发展机理分析[J].陕西气象，2016(4)：6-12.