楊　杰，譚國明，尤國軍，陸　倩，劉園園

（承德市氣象局，河北　承德067000）

承德市2015年2月20—21日強降雪成因分析

楊杰，譚國明，尤國軍，陸倩，劉園園

（承德市氣象局，河北承德067000）

利用常規(guī)觀測資料、衛(wèi)星云圖和NECP（1°×1°）逐6 h再分析資料，對承德市2015 年2月20—21日強降雪過程環(huán)流形勢和物理量場進行分析。結果表明：中、低層西風槽、切變線和蒙古氣旋共同構成有利天氣形勢，持續(xù)的西南氣流對強降雪形成和維持至關重要。強降雪出現在斜壓葉云系的暖側。強降雪區(qū)上空相對濕度大且水汽供應充足，水汽通量變化與降雪變化相一致。強降雪區(qū)上空伴有強上升運動；整層為正渦度最有利于上升運動；垂直螺旋度整層為正或呈“上負下正”結構有利于降雪,低層正垂直螺旋度對強降雪變化有很好的指示意義。

強降雪；西南氣流；水汽通量；渦度；垂直螺旋度

楊杰，譚國明，尤國軍，等.承德市2015年2月20—21日強降雪成因分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：32-38. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.005

強降雪是一種災害性天氣，對國民經濟和人民生命財產安全具有重大影響。承德市冬季降水稀少，水資源短缺，強降雪雖能補充水資源，但也會造成積雪成災，因此準確預報強降雪對科學利用、儲存水資源和做好防災減災氣象服務具有重要科學價值和意義。

近年來，隨著社會經濟發(fā)展，強降雪造成的經濟損失也越來越大，其成因一直備受關注。目前，許多氣象工作者對強降雪的研究采用數值模擬和動力學診斷分析相結合的方法，對強降雪的發(fā)生發(fā)展機理進行了研究。孫建華等[1]通過對降雪過程進行數值模擬，得出可根據大氣可降水量判斷降雪維持時間。張恒德等[2]通過對強降雪過程進行模擬、診斷和特征分析，得出強降雪區(qū)存在強輻合上升運動，螺旋度大值區(qū)對應強降雪中心。任麗等[3]通過分析螺旋度分布與暴雪落區(qū)的關系，對降雪落區(qū)和強度預報進行了探討。吳振玲等[4]，盛春巖等[5]則對強降雪過程的不穩(wěn)定條件進行了研究。陳春艷等[6]對新疆地區(qū)的強降雪過程進行了診斷分析，歸納了落區(qū)預報思路及其預報指標。此外，還有一些氣象工作者通過引入濕位渦對強降雪過程進行了診斷分析[7-9]，這些工作從不同方面對我國不同區(qū)域的強降雪過程進行了分析得出了一些有指導意義的結論，但由于強降雪出現的幾率較強降雨更小,其預報至今仍是業(yè)務中的難點，還需要一線預報員對本地強降雪個例進行研究分析。

強降雪是承德主要災害性天氣之一，常常給當地生產、交通運輸等帶來極大危害。2015年2月20—21日承德市出現了一次強降雪天氣，全市普降中到大雪，市氣象臺天氣預報為小到中雪，預報降雪量級偏小，目前沒有預報員分析此次強降雪過程。因此，對此次強降雪過程發(fā)生發(fā)展機制進行分析，找出強降雪形成原因，將有利于對同類天氣的認識和預報。

1　資料和方法

利用承德市2015年2月20—21日9個氣象站逐日降雪資料、衛(wèi)星紅外云圖等常規(guī)資料和NCEP/ NCAR提供的水平分辨率為1°×1°的逐日4次再分析資料，包括垂直9層等壓面（1000，925，850，700，600，500，400，300，200 hPa）上的位勢高度、相對濕度、緯向風分量、經向風分量、垂直速度及地面氣壓，分析區(qū)域為116°～119°E、40°～42°N。采取天氣學分析和動力學診斷分析的方法，對強降雪過程環(huán)流形勢及強降雪中心（118.5°E，40.6°N）物理量場（相對濕度、水汽通量、垂直速度、渦度及垂直螺旋度）進行診斷分析，以期得出有指導意義的結論，為今后此類天氣預報提供參考。

2　降雪概況

2015年2月20—21日承德市出現了一次強降雪天氣，全市普降中到大雪，過程降雪量為1.8～9.9 mm，全市平均雪深為4 cm，其中東南部寬城縣降雪量最大，累計降雪量達9.9 mm，積雪深度為7 cm（表1）。20日07時承德市西南部興隆縣最先開始出現降雪，然后降雪逐漸增強同時向東北方向擴展，降雪范圍逐漸擴大，20日13時降雪范圍擴大到全市。21 日02—09時大部地區(qū)降雪停止，部分地區(qū)有微量降雪。21日10時承德市中東部出現間歇性降雪，但強度較弱，最終降雪在21日18時左右結束。降雪過程中，降雪主要集中在20日07時—21日02時。

表1　2015年2月20日—21日降雪量/mm與積雪深度/cm

此次強降雪過程具有降雪持續(xù)時間長、分布不均、南部降雪大于北部降雪的特點。此外，自進入2014年11月后，承德市降水嚴重偏少，降水較歷史同期偏少52.2%。由于長時間沒有出現有效降水，承德市旱情嚴重，森林草原火險氣象等級居高不下，空氣質量也不容樂觀。強降雪過程雖有效緩解了旱情、降低了森林草原火險氣象等級、凈化了空氣，但也造成了嚴重交通堵塞。

3　環(huán)流背景分析

3.1天氣形勢演變

20日08時500 hPa上，新疆東部與蒙古國交界地區(qū)受高空冷渦及其低槽控制，冷渦中心位于97°E、53°N附近。影響河北的主槽位于河套西部，東部沿海有暖脊，南支槽位于104.2°～107.5°E、25.6°～33.7°N區(qū)域內，承德市上空為西南氣流（圖1a）。20 日08時—21日20時，500 hPa冷渦緩慢東移南壓，并不斷有冷空氣從渦中分裂南下，南北兩支槽在112°E附近同位相疊加后繼續(xù)東移。700 hPa上河北上游有一冷式切變線，切變線緩慢向東移動，在從山西移至河北過程中逐漸加強，切變線右側西南風速也逐漸加大，承德始終位于700 hPa切變線右側（圖1c）。850 hPa上河北上游風力較弱，但也存在一冷式切變線，切變線沿東南方向移動，在從山西移至天津及以南地區(qū)過程中不斷加強，同時其右側偏南風也不斷增大（圖1d）。切變線使承德上空產生較強動力抬升作用，有利于上升運動發(fā)展加強，同時切變線右側西南暖濕氣流源源不斷向承德上空輸送水汽，為強降雪的發(fā)生提供了豐富水汽。20日08時地面圖上，與高空冷渦相對應的地面冷高壓中心位于96°E、52°N附近，蒙古氣旋中心位于110°E、46°N附近，內蒙古東北部有一冷暖鋒，地面鋒線位于高空槽前，槽后有較強冷平流，冷鋒后冷空氣不斷侵襲華北（圖略）。20日08時至21日20時海平面氣壓場呈“西北高東南低”型（圖1b）。地面冷高壓在渦后西北氣流引導下緩慢移動，高壓前部不斷有副冷鋒沿引導氣流南下，冷空氣的不斷補充，促使氣旋冷鋒前后溫度梯度加大，造成鋒生。冷鋒后的強冷空氣為低空西南暖濕氣流抬升創(chuàng)造了條件，鋒前西南暖濕氣流沿著暖輸送帶爬升與北方南下的干冷空氣長時間在承德上空交匯。在冷空氣的不斷補充和高空槽前正渦度平流減壓雙重作用下，蒙古氣旋逐漸加強，并以東偏南路徑緩慢移動，持續(xù)影響承德而形成強降雪。3.2衛(wèi)星紅外云圖演變

從紅外云圖演變可以看出降雪過程中云系的發(fā)展變化。降雪開始前，低槽前葉狀云位于河套西部上空，云系后邊界光滑整齊。云團在高空西南氣流引導下，向東北方向移動并不斷發(fā)展，承德地區(qū)降雪先后開始。云團移動過程中槽后西北氣流不斷侵入云區(qū)，云系西側開始向南凹，呈氣旋性彎曲，云系北端則向北凸起，呈反氣旋彎曲，后邊界開始呈現“S”形，云系逐漸發(fā)展演變?yōu)樾眽喝~狀。高空槽線位于斜壓葉云系后界附近，由于高空有西北冷平流侵入云區(qū)，云系后界處色調變暗。南北兩支槽在東部高壓脊阻擋下移動緩慢，并于112°E處同位相疊加，使得高空槽振幅加大，槽后偏北氣流加大并侵入斜壓葉云區(qū)，高空干冷下沉氣流使得云區(qū)西北一側云頂降低變暖，使其“S”形后邊界更加明顯。隨著高空槽加深發(fā)展，等壓線出現閉合中心，氣旋性渦度加大，高空西北氣流以氣旋式侵入云區(qū)，斜壓葉云系發(fā)生變形并移出承德上空，降水結束。降雪過程中，云團移動緩慢，長時間滯留在承德上空，導致降雪持續(xù)時間比較長而產生強降雪天氣。結合氣象站降水記錄來看，強降雪出現在斜壓葉云系的暖側。

圖1　20日08時500 hPa高度場和風場（a）和20日08時至21日20時平均海平面氣壓場（b）20日08時700 hPa風場（c）、850 hPa風場（d）

4　水汽條件診斷分析

4.1相對濕度

20日08時（圖2a），降雪開始時，承德上空相對濕度≥90%，北京上空有一濕度大值中心。14時（圖2b），濕度大值區(qū)向東南方向移動，濕度大值中心移至承德南部，承德上空濕度分布表現為“南高北低”。20時（圖2c），濕度大值中心進一步向東南移動，承德東南部位于濕度大值區(qū)內。從20日08—20時850 hPa風矢量圖可以發(fā)現，承德及北京上空始終受西南氣流控制且西南風速逐漸增大，水汽通道通暢，西南氣流將北京上空水汽源源不斷輸送至承德上空，承德南部風速明顯大于北部且存在風速輻合。由地面觀測資料可知（圖2d），850 hPa相對濕度大于90%的區(qū)域與降雪大值區(qū)相對應。

4.2水汽輸送

水汽通量可以很好反映水汽輸送情況。從強降雪中心水汽輸送來看（圖3），20日08時—21日02時，降雪區(qū)上空水汽通量明顯增大，中心值為40 g/ （hPa·cm·s），水汽輸送強且維持時間長，降雪區(qū)上空水汽供應充足。21日02時，水汽通量明顯減小，水汽輸送減弱，降雪也隨之減弱。21日14時，水汽通量明顯增大，隨著水汽輸送加強降雪重新開始并逐漸加強，但由于持續(xù)時間比較短降雪量級較小。從風矢量來看，當承德上空從中層到低層均為一致西南氣流時，水汽輸送較強且降雪持續(xù)，降雪強度隨著水汽通量增大而增大。降雪過程中低層水汽條件明顯強于中層,這說明低層切變線右側西南氣流的水汽輸送作用強于高空槽前西南氣流。當承德上空轉為西北氣流時，水汽輸送作用明顯下降，降雪也隨之減弱，這表明持續(xù)的西南氣流對強降雪形成和維持至關重要。降雪過程中，西南暖濕氣流持續(xù)向降雪區(qū)輸送水汽，承德上空濕度不斷增大。水汽輸送加強，降雪強度也隨之加強；水汽輸送減弱，降雪強度也隨之減弱。結合地面觀測資料可知，水汽通量大小變化與降雪強度變化相一致。

圖3　20日02時—21日20時沿118.5°E、40.6°N水汽通量時間—高度剖面（單位：g/（hPa·cm·s））

5　動力條件診斷分析

5.1垂直速度

由垂直速度時間—高度剖面可以看出（圖4），20日02—08時，承德上空垂直運動相對較弱，這是由于冷渦和低層切變線距承德較遠，承德上空動力抬升條件較弱，降雪強度也較弱。20日08—20時，整層垂直運動逐漸發(fā)展加強，700 hPa以上垂直速度為正值（下沉運動），正速度中心位于400 hPa附近，中心值為2×10-3hPa/s；700 hPa以下垂直速度為負值（上升運動），中心位于850 hPa附近，中心值為-4×10-3hPa/s，這種“高層下沉、低層上升”結構有利于增強上升運動。隨著冷渦中心南壓、切變線移近以及蒙古氣旋迫近，承德上空產生較強動力抬升作用，引發(fā)垂直上升運動發(fā)展加強。垂直上升運動發(fā)展加強有利于水汽上升凝結，促進降雪加強[10]。21日02時，下沉運動發(fā)展旺盛，上升速度幾乎為零，強下沉運動抑制了降雪發(fā)生發(fā)展，降雪迅速減弱。21日08—14時，隨著上升運動再次發(fā)展引發(fā)降雪重新開始并逐漸加強，但由于持續(xù)時間短降雪量級較小。隨著系統(tǒng)繼續(xù)東移，下沉運動發(fā)展加強，降雪在傍晚逐漸減弱停止。

圖4　20日02時—21日20時沿118.5°E、40.6°N垂直速度時間—高度剖面（單位：hPa/s）

5.2渦度

渦度的分布和演變能很好反映系統(tǒng)變化。從500 hPa渦度分布和風矢量可以看出（圖5a），20日08時北京上空500 hPa有一正渦度中心，中心強度為6×10-5s，而北京及其東北部的承德上空處于高空槽前西南氣流控制，有正渦度平流輸送至承德上空，為承德地區(qū)提供了有利上升運動動力環(huán)境[11]。

從強降雪中心渦度時間—高度剖面可以發(fā)現（圖5b）,20日02—20時整層為正渦度。20日02—08時，由于冷渦中心距承德較遠，承德地區(qū)雖為正渦度區(qū)控制，但整層渦度強度較弱，冷空氣活動不強，降雪較弱。20日08—14時，隨著冷渦進一步東移南壓，從高空冷渦區(qū)有明顯正渦度向下輸送至蒙古氣旋所在區(qū)域，引發(fā)高低層渦度發(fā)展加強。整層為正渦度有利于加強降雪區(qū)的上升運動，使得降雪加強[12]。20日20時，上層負渦度中心值為-4×10-5/s，下層正渦度中心值為6×10-5/s，渦度場表現為“上負下正”結構。20日20時—21日02時，正渦度中心逐漸加強并向上擴展，低層850 hPa附近有負渦度發(fā)展。隨著系統(tǒng)東移，承德上空轉為平直緯向環(huán)流控制，蒙古氣旋后部下沉運動不利于降雪發(fā)生發(fā)展，此時水汽輸送也較弱，降雪逐漸減弱。21日08—14時，雖然逐漸發(fā)展的負渦度不利于降雪，但在蒙古氣旋后部冷空氣和水汽輸送加強的共同影響下，降雪又重新開始但強度明顯弱于20日，最終降雪在18時左右停止。降雪過程中，降雪區(qū)上空為正渦度最有利于上升運動和降雪，“上負下正”結構也有利于上升運動和降雪。

5.3垂直螺旋度

圖5　20日08時500 hPa渦度（a）和20日02時—21日20時沿118.5°E、40.6°N渦度時間—高度剖面（b）（單位10-5/s）

螺旋度是將風矢量和渦度有效結合起來的物理量，常用于診斷強降水的氣旋系統(tǒng)，能較好反映天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化。垂直螺旋度就是指螺旋度在垂直方向分量，p坐標系的垂直螺旋度計算表達式為：h=（?v/?x-?u/?y）（-ω/ρg=-ζω/ρg）。垂直螺旋度符合右手準則：在正渦度區(qū)（ζ>0），若有上升運動（ω<0），則有正垂直螺旋度；若有下沉運動（ω>0），則有負垂直螺旋度。由強降雪中心垂直螺旋度時間—高度剖面圖可以看出（圖6）：20日02—08時,降雪區(qū)上空為正垂直螺旋度。20日08—20時是降雪強盛期，垂直螺旋度以700 hPa為分界線，呈“上負下正”結構且低層正垂直螺旋度大于高層負垂直螺旋度，這種配置有利于維持較強上升運動，同時又能促進地面氣旋發(fā)展，有利于促進降雪[13]。21日02時,從低層到高層的垂直螺旋度呈“負—正—負—正”交替結構且低層負垂直螺旋度強度明顯強于上層正垂直螺旋度，即低層輻散遠大于高層輻合，這種配置有利于下沉運動發(fā)展，降雪減弱停止。21日08—14時，低層正垂直螺旋度逐漸加強并向上擴展，降雪區(qū)出現強度較弱的降雪。降雪過程中，降雪區(qū)上空整層為正垂直螺旋度或呈“上負下正”結構有利于促進降雪，而925～700 hPa的正垂直螺旋度對降雪變化有很好指示意義。

圖6　20日02時—21日20時沿118.5°E、40.6°N垂直螺旋度時間—高度剖面（單位：hPa/s2）

6　結論

（1）此次強降雪過程的主要影響系統(tǒng)為西風槽和蒙古氣旋，同時低層有切變線相配合。降雪過程中，高空槽、蒙古氣旋與低層切變線互相配合，前者帶來干冷空氣，后者右側西南氣流帶來暖濕空氣，兩股氣流在承德上空持續(xù)交匯產生強降雪。

（2）降雪過程中，云系在移動中不斷發(fā)展，長時間滯留在承德上空，導致降雪持續(xù)時間長而產生強降雪。強降雪出現在斜壓葉云系的暖側。

（3）降雪大值區(qū)與850 hPa相對濕度大于90%的區(qū)域相對應，水汽通量大小變化與降雪強度變化相一致，強降雪期間850 hPa水汽通量達40 g/ （hPa·cm·s），持續(xù)的西南氣流對強降雪形成和維持至關重要。

（4）降雪過程中,850 hPa附近上升運動明顯，速度達-4×10-3hPa/s，低層上升運動的發(fā)展有利于水汽上升凝結，而“高層下沉、低層上升”的垂直結構有利于增強上升運動，促進降雪。降雪區(qū)上空整層為正渦度最有利于上升運動。

（5）垂直螺旋度將垂直運動和渦旋運動緊密聯系起來，較好反映了天氣系統(tǒng)發(fā)展變化。降雪過程中，降雪區(qū)上空整層為正垂直螺旋度或呈“上負下正”結構有利于促進降雪，而925～700 hPa的正垂直螺旋度對降雪變化有很好指示意義。

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Analysis of Heavy Snowfall Process in Chengde City on 20 to 21 February 2015

YANG Jie，TAN Guoming，YOU Guojun，LU Qian，LIU Yuanyuan
（Chengde Meteorological Bureau，Chengde 067000，China）

Based on conventional observational data,satellite cloud data,and NCEP/NCAR reanalysis（1°×1°）,the atmospheric circulation features and physical mechanisms of heavy snowfall process in Chengde City on 20 to 21 February 2015 were analyzed.The results are as follows. Westerly trough and shear line at mid-low levels,as well as Mongolia cyclone at the surface are propitious to the heavy snowfall.Sustained southwest warm moisture flux played a fundamental role in the occurrence and maintenance of heavy snowfall.Heavy snowfall appear in baroclinic leaf cloud warm side.The distribution of relative humidity and moisture flux indicates adequate supplication of water vapor over the heavy snowfall area.During the process,the snowfall intensity increased with moisture flux intensity.Evident ascending motion could be found from the heavy snowfall area.Heavy snowfall and ascending motion are most likely to occur when vorticity were positive at all levels.The vertical distribution of vertical helicity,both“positive values at all levels”pattern or“negative value at high levels-positive value at low levels”pattern prompt heavy snowfall.Therefore,positive vertical helicity at lower levels is a good indicator of heavy snowfall.

heavy snowfall；southwest airflow；vapor flux；vorticity；vertical helicity

P458.121

B

1002-0799（2016）04-0032-07

2015-11-11；

2015-12-25

河北省氣象局預報員專項（14ky37）資助。

楊杰（1988-），男，助理工程師，主要從事短期天氣預報工作。E-mail：805171539@qq.com