李燕 賽瀚 辛明月 劉曉初 程航 李昊

(1.大連市氣象臺(tái)，遼寧大連 116001; 2.盤錦市氣象局，遼寧盤錦 124010)

引言

大連地區(qū)位于中國東北地區(qū)的最南端，是中國東北氣候最溫暖的地區(qū)。全區(qū)大雪以上量級(jí)的降雪過程相對(duì)中國東北其他地區(qū)要少，但局地大雪過程仍會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，這種相對(duì)小尺度天氣過程預(yù)報(bào)難度大，容易漏報(bào)而無法及時(shí)做好應(yīng)對(duì)措施，造成較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

大連地區(qū)西臨渤海，冬季的冷流性降雪天氣頻發(fā)，占所有降雪過程的一半以上[1-2]，這種降雪多發(fā)生在大連南部地區(qū)[3]，具有明顯的局地性特點(diǎn)。在冷空氣較強(qiáng)情況下，冷流性降雪可達(dá)到大雪量級(jí)[4]。大連地區(qū)局地大雪天氣過程，是否為冷流降雪造成，存在一些模糊的認(rèn)識(shí)，特別是在有低值天氣系統(tǒng)影響時(shí)，產(chǎn)生的降雪是冷流降雪、非冷流降雪還是混合降雪存在爭議，因此需要先為局地大雪天氣過程定性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析這種天氣過程的中小尺度特征。通過中小尺度的結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)一步確定強(qiáng)降雪的強(qiáng)度和落區(qū)[5-8]。

在冷流降雪的物理機(jī)制[3,9-10]及其與非冷流降雪的對(duì)比分析以及強(qiáng)降雪的中尺度特征方面[5-7]，均已有很多研究。冷流強(qiáng)降雪是發(fā)生在槽后西北氣流里的中小尺度不穩(wěn)定降雪,非冷流強(qiáng)降雪是發(fā)生在槽前西南氣流中大尺度穩(wěn)定性降雪[11]。冷流性強(qiáng)降雪過程存在多尺度作用機(jī)制[1]，山東半島冷流性降雪初期，其北部沿海地區(qū)地面存在γ中尺度低壓環(huán)流，雷達(dá)徑向速度上表現(xiàn)為低層有β中尺度渦旋[12]，冷流暴雪過程的形成受中尺度海岸鋒的生消過程影響，水平方向上強(qiáng)輻合帶局地環(huán)流中的上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，影響暴雪的落區(qū)和強(qiáng)度[13]。中國華北地區(qū)強(qiáng)降雪天氣過程，地面和低層水平風(fēng)場具有β中尺度渦旋性環(huán)流，是降雪長時(shí)間維持的原因[14]。

以上研究多為中國山東半島和華北地區(qū)[15]，遼東半島南部的研究較少。近年，遼東半島冷流性降雪天氣也發(fā)生頻繁。2018年12月7—8日和2019年12月20日大連南部地區(qū)出現(xiàn)大雪天氣，發(fā)生漏報(bào)和預(yù)報(bào)量級(jí)偏小情況，造成交通癱瘓，嚴(yán)重影響人們出行。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、再分析資料、雷達(dá)資料等，對(duì)大連地區(qū)這兩次降雪天氣過程進(jìn)行對(duì)比，分析兩次過程是否屬于冷流性降雪，以及兩次過程的物理機(jī)制等方面的異同點(diǎn)，探討冷流性降雪和非冷流性降雪的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為大連地區(qū)局地大雪預(yù)報(bào)、預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

利用來源于大連市氣象局的常規(guī)和加密氣象觀測資料，分析2018年12月7—8日和2019年12月20日大連地區(qū)兩次降雪的實(shí)況和環(huán)流形勢差異。利用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)逐6 h的0.25°×0.25°再分析資料[16]，分析兩次降雪過程的水汽輸送條件、大氣穩(wěn)定度、垂直運(yùn)動(dòng)等物理機(jī)制的差異。利用大連加密自動(dòng)站資料、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ECMWF-thin模式產(chǎn)品以及大連本地化(1 km×1 km)網(wǎng)格分析產(chǎn)品進(jìn)行形勢場和渦度場的中小尺度特征對(duì)比。利用多普勒雷達(dá)資料分析兩次降雪過程回波移動(dòng)方向與低層氣流之間的關(guān)系、降雪回波持續(xù)時(shí)間、回波強(qiáng)度與小時(shí)降雪量對(duì)應(yīng)關(guān)系等方面的差異。

1.2 探空圖的訂正

無明顯平流或天氣系統(tǒng)過境時(shí)，可用預(yù)報(bào)的午后地面溫度和露點(diǎn)溫度作為地面氣塊的起始溫度和露點(diǎn)，訂正探空曲線，再計(jì)算CAPE值、K指數(shù)等。有明顯平流或天氣系統(tǒng)過境時(shí)，根據(jù)平流過程造成的大氣層結(jié)不穩(wěn)定和水汽條件的變化做定性判斷。

1.3 本地化網(wǎng)格產(chǎn)品

大連本地化網(wǎng)格產(chǎn)品(1 km×1 km)是基于ECMWF-thin模式產(chǎn)品，根據(jù)準(zhǔn)對(duì)稱滑動(dòng)訓(xùn)練期方案，采用MOS等解釋應(yīng)用技術(shù)訂正后，生成的精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品。選取00時(shí)融進(jìn)加密氣象觀測資料的模式精細(xì)化分析產(chǎn)品，該產(chǎn)品空間分辨率較高，可以進(jìn)行中小尺度特征分析。

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)況分析

2.1.1 降雪實(shí)況

2018年12月7—8日大連南部地區(qū)(大連市區(qū)、旅順口區(qū)和金普新區(qū))出現(xiàn)了陣雪天氣，其中大連市區(qū)為大雪，旅順口區(qū)和金普新區(qū)為小雪(表1)。其他地區(qū)未出現(xiàn)降雪。從大連市區(qū)逐小時(shí)雪量可以看出(圖1a)，降雪為陣性，逐小時(shí)降雪量均為1 mm以下，降雪時(shí)間從7日19時(shí)至8日12時(shí)(北京時(shí)，下同)，歷時(shí)18 h。

表1 2018年12月7—8日大連地區(qū)主要站點(diǎn)降雪量和最大雪深Table 1 The snowfall and maximum snow depth in the Dalian area from December 7 to 8,2018

圖1 2018年12月7—8日(a)和2019年12月20日(b)大連地區(qū)主要站點(diǎn)逐小時(shí)降雪量Fig.1 The distributions of hourly snowfall at main stations in the Dalian area from December 7 to 8,2018 (a) and on December 20，2019 (b)

2019年12月20日09—14時(shí)，大連南部地區(qū)(大連市區(qū)、旅順口區(qū)、金普新區(qū)及長?？h)出現(xiàn)了降雪天氣(表2)，大連市區(qū)和旅順口區(qū)為中到大雪，長?？h為小雪，金普新區(qū)部分地區(qū)也出現(xiàn)明顯降雪，因區(qū)域自動(dòng)站冬天遮蓋的原因沒有觀測記錄，金普新區(qū)站點(diǎn)為微量降雪，大連其他地區(qū)未出現(xiàn)降雪。此次降雪時(shí)段主要集中在10—13時(shí)，最強(qiáng)時(shí)段為11—12時(shí)，1 h市區(qū)出現(xiàn)了3 mm降雪，旅順口區(qū)出現(xiàn)了2.2 mm降雪(圖1b)。

表2 2019年12月20日大連地區(qū)主要站點(diǎn)降雪量和最大雪深Table 2 The snowfall and maximum snow depth at main stations in the Dalian area on December 20,2019

2.1.2 環(huán)流形勢

2018年12月7—8日大連地區(qū)500 hPa由高空槽底偏西流場轉(zhuǎn)為槽后西北流場，850 hPa及700 hPa為槽后西北氣流場控制，850 hPa溫度較6日下降了10 ℃，存在較強(qiáng)冷平流(圖略)。地面受較強(qiáng)冷高壓控制，中心強(qiáng)度為1070 hPa左右。850 hPa及以下相對(duì)濕度較大，但850 hPa 及925 hPa比濕僅為1 g·kg-1，水汽的絕對(duì)含量很低。大氣層結(jié)較穩(wěn)定，無明顯低層切變系統(tǒng)，只850 hPa在渤海有非常弱的小切變，抬升觸發(fā)條件較差。925 hPa溫度為-15 ℃，850 hPa溫度為-20 ℃，地面溫度南部地區(qū)最低為-11～-9 ℃，最高為-6～-4 ℃，渤海海面為7級(jí)左右陣風(fēng)。從海水表溫實(shí)況看，渤海海表溫度為4 ℃左右，渤海海峽海表溫度為7 ℃左右，海氣溫差較大。渤海相當(dāng)于暖源，有利于暖濕水汽抬升至低層，強(qiáng)冷空氣經(jīng)過渤海與其上升的暖濕水汽交匯，有利于降水的產(chǎn)生。由于氣溫較低，降水相態(tài)為雪，在西北氣流的作用下，在其下游大連南部地區(qū)產(chǎn)生降雪，即冷流降雪。降雪期間850 hPa溫度偏低，環(huán)流形勢符合冷流降雪特征指標(biāo)。

2019年12月20日08時(shí)大連地區(qū)500 hPa受槽后偏西氣流控制，700 hPa為穩(wěn)定的偏西到西北流場，850 hPa為偏西氣流，無明顯切變線。地面形勢整體處于弱高壓內(nèi)部，渤海北部位于低壓底部，而山東半島存在一個(gè)弱倒槽，渤海北部和海峽存在地面輻合線和風(fēng)的氣旋性彎曲。從08時(shí)大連站探空曲線來看，大連南部地區(qū)及渤海海峽低空存在一定濕區(qū)，并且呈喇叭口結(jié)構(gòu)。受前期冷空氣影響，850 hPa溫度達(dá)到-13 ℃，并且其上有逆溫層，逆溫層上為明顯的干冷空氣(圖2a)，相當(dāng)于在850～925 hPa相對(duì)濕層(溫度露點(diǎn)差為3 ℃)上“加蓋”，上升運(yùn)動(dòng)在近地層和低空內(nèi)維持，有利于水汽的堆積[16-17]。近地面和850 hPa存在弱的垂直風(fēng)切變，有利于低層輻合抬升，為降雪提供動(dòng)力條件。由09時(shí)大連站訂正后的探空曲線可知(圖2b)，隨著日照強(qiáng)度增強(qiáng)及海風(fēng)風(fēng)速增大，地面溫度和濕度有所上升，近地面至850 hPa出現(xiàn)弱的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于低空輻合運(yùn)動(dòng)的維持和加強(qiáng)，此時(shí)大連南部降雪開始，并且不斷向北部發(fā)展增強(qiáng)。

綜上，兩次降雪過程均發(fā)生在12月，出現(xiàn)在大連南部地區(qū)，容易把兩次過程界定為冷流性降雪，但通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩次降雪過程存在較大差異。2018年12月7—8日降雪過程時(shí)間長，且降雪比較均勻，500 hPa以下均為冷渦后部偏北流場，850 hPa溫度降至-20 ℃，屬于強(qiáng)冷空氣影響時(shí)段，此次過程為冷流性降雪。而2019年12月20日降雪發(fā)生時(shí)間短，有短時(shí)強(qiáng)降雪特征，850 hPa以上為偏西流場，850 hPa以下在渤海有弱切變線，地面場中渤海南部有輻合線，此次降雪過程為非冷流性降雪，由于系統(tǒng)局地性以及系統(tǒng)較弱的原因出現(xiàn)漏報(bào)。

2.2 物理量場差異

2.2.1 水汽輸送條件

對(duì)比2018—2019年大連地區(qū)兩次降雪過程的水汽輸送條件(圖略)，2018年12月7日08時(shí)至8日20時(shí)大連地區(qū)700 hPa水汽通量均小于2 g·cm-1·hPa-1·s-1，表明有水汽輸送，但輸送并不明顯。2019年12月19日08時(shí)大連南部地區(qū)700 hPa水汽通量為2～3 g·cm-1·hPa-1·s-1，19日14時(shí)至20日08時(shí)均小于2 g·cm-1·hPa-1·s-1，表明南部的水汽輸送條件更明顯。由水汽通量散度場分布可知(圖3)，2018年12月降雪過程從降雪開始前(7日08時(shí))到降雪結(jié)束(8日14時(shí))，大連上游地區(qū)為-5×10-6～0 kg·hPa-1m-2s-1的水汽輻合區(qū)，即渤海為水汽輻合區(qū)，大連地區(qū)位于水汽通量低值區(qū)。2019年降雪過程中，12月19日08時(shí)大連北部地區(qū)為-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合區(qū)，南部為水汽輻散區(qū)，表明大連南部雖然水汽輸送條件較好，但并沒有輻合，不利于水汽累積。19日14時(shí)大連全區(qū)均為水汽輻合區(qū)，20時(shí)北部為水汽輻合區(qū)，南部為輻散區(qū)，20日02時(shí)全區(qū)均為水汽輻合區(qū)，此時(shí)水汽輻合較弱，不太穩(wěn)定。08時(shí)大連南部為-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的強(qiáng)水汽輻合區(qū)，北部為水汽輻散區(qū)，此時(shí)大連南部水汽輻合條件穩(wěn)定，開始降雪。

850 hPa、925 hPa與700 hPa的水汽通量散度基本一致。2018年12月降雪過程從7日14時(shí)至8日08時(shí)在金普新區(qū)東部、普蘭店市區(qū)東南部及長?？h為-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合區(qū)，其他時(shí)段全區(qū)均為水汽輻散區(qū)。2019年19日20時(shí)大連南部為-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合區(qū)，20日02時(shí)至08時(shí)全區(qū)均為-5×10-6～0 kg·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合區(qū)。

綜上，2018年12月7—8日降雪過程前，大連上游地區(qū)中低層為水汽輻合區(qū)，表明大連上游地區(qū)即渤海地區(qū)中低層不斷有水汽輻合抬升，為其下游大連南部地區(qū)降雪提供水汽條件。2019年12月20日降雪過程前12—24 h，水汽輻合條件不太穩(wěn)定，至降雪過程前12 h大連南部地區(qū)低層水汽輻合條件穩(wěn)定建立并逐漸增強(qiáng)。兩次降雪過程水汽通量水平方向的輸送明顯不同，2018年12月7—8日降雪過程水汽通量水平方向的輸送為自西北向東南，水汽輻合條件較弱(圖3a)，2019年12月20日降雪過程水汽通量水平方向的輸送為自南向北，水汽輸送條件較好(圖3b)。冷流強(qiáng)降雪水汽是來自西北方的干冷空氣經(jīng)過渤海水面時(shí)不斷通過海氣相互作用向大氣輸送，暖洋面通過蒸發(fā)作用實(shí)現(xiàn)水汽輻合抬升，水汽蒸發(fā)量相對(duì)小，需長時(shí)間累積，洋面暖濕作用維持時(shí)間較長，持續(xù)輻合抬升有利于下游地區(qū)長時(shí)間降雪。非冷流中小尺度降雪的水汽主要來自南方暖濕空氣的水平輸送，水汽條件建立時(shí)間短，降雪時(shí)間也較短。

等值線為水汽通量，單位為g·cm-1·hPa-1·s-1；陰影為水汽通量散度輻合，單位為10-6 kg·hPa-1·m-2·s-1圖3 2018年12月7日20時(shí)(a)和2019年12月20日08時(shí)(b)大連地區(qū)850 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.3 The water vapor fluxes and their divergences at 850 hPa at 20:00 on December 7,2018 (a) and at 08:00 on December 20,2019 (b) in the Dalian area

2.2.2 大氣穩(wěn)定度

溫度直減率是判斷大氣穩(wěn)定度的重要指標(biāo)之一，當(dāng)溫度直減率等于1.0 ℃·(100 m)-1( 氣塊的干絕熱上升的溫度直減率) ，大氣處于絕對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)溫度直減率大于0.6 ℃·(100 m)-1( 氣塊絕濕熱上升的平均溫度直減率,其值在對(duì)流層低層小于對(duì)流層高層)，大氣處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)溫度直減率小于0.6 ℃·(100 m)-1，大氣處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[18]。

2018年12月7—8日降雪過程，對(duì)流層中低層850 hPa與500 hPa之間的溫度差，大連地區(qū)及上游渤海地區(qū)均為14 ℃以下，溫度直減率為0.35 ℃·(100 m)-1，氣層非常穩(wěn)定。2019年12月20日降雪過程中，渤海、大連地區(qū)、黃海北部溫度差為18～21 ℃，溫度直減率為0.45～0.53 ℃·(100 m)-1，氣層也較穩(wěn)定，說明兩次降雪過程，中低層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。近地面與850 hPa之間溫度差，2018年12月7—8日降雪過程前24 h，溫度直減率大于0.6 ℃·(100 m)-1，為0.7～0.8 ℃·(100 m)-1，降雪過程中，溫度直減率為0.6～0.7 ℃·(100 m)-1，氣層處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。2019年12月20日降雪過程，只在臨近降雪開始時(shí)溫度直減率才大于等于0.6 ℃·(100 m)-1，氣層剛達(dá)到條件不穩(wěn)定狀態(tài)，說明兩次降雪過程850 hPa以下均為不穩(wěn)定狀態(tài)，只是建立時(shí)間早晚、長短、強(qiáng)度不同。

綜上，兩次降雪過程，大連地區(qū)及上游渤海地區(qū)對(duì)流層中低層大氣非常穩(wěn)定，2018年12月7—8日比2019年12月20日更穩(wěn)定。低層至近地層，兩次降雪過程均為條件不穩(wěn)定狀態(tài)，說明兩次降雪過程均屬于不穩(wěn)定性降雪，但2018年12月7—8日提前12 h達(dá)到不穩(wěn)定條件，而2019年12月20日臨近降雪開始時(shí)才達(dá)到不穩(wěn)定條件，2018年12月7—8日降雪比2019年12月20日降雪更不穩(wěn)定。說明冷流性降雪由于暖濕洋面產(chǎn)生弱小擾動(dòng)抬升，使低層較早建立不穩(wěn)定條件，冷流性降雪有時(shí)比非冷流性局地中小尺度降雪更不穩(wěn)定。

2.2.3 垂直運(yùn)動(dòng)

2018年12月7—8日降雪過程前及降雪過程中，500 hPa大連地區(qū)除莊河有-30～0×10-2Pa·s-1的弱上升運(yùn)動(dòng)外，其他地區(qū)及上游的渤海均為下沉運(yùn)動(dòng)，中心位于大連南部至西北部，為50×10-2Pa·s-1。925 hPa大連地區(qū)除東部和東北部為下沉運(yùn)動(dòng)外，大連其他地區(qū)及上游的渤海均為上升運(yùn)動(dòng)，中心位于瓦房店，為-60×10-2～-30×10-2Pa·s-1(圖4a和圖4b)。2019年12月20日降雪過程前(19日20時(shí)和20日02時(shí))，500 hPa大連西部均為上升運(yùn)動(dòng)中心，其他地區(qū)為下沉運(yùn)動(dòng)，南部有下沉運(yùn)動(dòng)中心(50×10-2～100×10-2Pa·s-1)(圖略)，降雪前1 h(20日08時(shí))，全區(qū)均為下沉運(yùn)動(dòng)(0～50×10-2Pa·s-1)(圖4c)。 19日20時(shí)925 hPa全區(qū)均為下沉運(yùn)動(dòng)，20日02—08時(shí)大連南部出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)中心，為-40×10-2～0 Pa·s-1(圖4d)。

單位為10-2Pa·s-1圖4 2018年12月8日02時(shí)500 hPa(a)和925 hPa(b)、2019年12月20日08時(shí)500 hPa(c)和925 hPa(d)垂直運(yùn)動(dòng)場Fig.4 The vertical velocity fields at 500 hPa (a) and 925 hPa (b) at 02:00 on December 8,2018,and at 500 hPa (c) and 925 hPa (d) at 08:00 on December 20,2019

以上分析表明，兩次降雪過程垂直運(yùn)動(dòng)場上存在明顯差異，2018年12月7—8日降雪過程前12 h，大連地區(qū)及上游中低層均為上升運(yùn)動(dòng)，500 hPa為下沉運(yùn)動(dòng)，說明在冷流性降雪中，渤海暖濕洋面輻合抬升作用長時(shí)間持續(xù)是產(chǎn)生降雪的主要原因。2019年12月20日降雪過程前1 h，大連地區(qū)及上游形成中低層上升運(yùn)動(dòng)，500 hPa為下沉運(yùn)動(dòng)的形勢，說明非冷流性降雪上升運(yùn)動(dòng)主要與系統(tǒng)影響時(shí)間相對(duì)應(yīng)。冷流性降雪中，渤海暖洋面作用時(shí)間長，抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)間也相對(duì)較長。而非冷流性的中小尺度降雪過程只需要短時(shí)間的上升運(yùn)動(dòng)就會(huì)觸發(fā)降雪天氣，預(yù)報(bào)難度較大。

2.3 中小尺度特征

2.3.1 精細(xì)化網(wǎng)格產(chǎn)品

2018—2019年大連地區(qū)兩次降雪過程均屬于中小尺度天氣，可利用大連加密自動(dòng)站資料、ECMWF_thin產(chǎn)品以及精細(xì)化(1 km×1 km)網(wǎng)格產(chǎn)品進(jìn)行中小尺度特征分析。2018年12月7日和2019年12月19日地面風(fēng)場見圖5。2018年12月7日08時(shí)大連及周邊均為一致的偏北流場(圖5a)，20時(shí)在大連市區(qū)至瓦房店南部形成弱的小氣旋，大連市區(qū)為偏東風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合(圖5b)，該形勢一致維持至8日08時(shí)(圖5c)。2019年12月19日20時(shí)渤海、大連地區(qū)以及黃海均為偏北風(fēng)(圖5d)，此時(shí)在遼寧西南部和天津北部有弱輻合線，20日08時(shí)在渤海中部(大連中南部的西部海域)有偏西風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合線(圖5e)，而黃海西部靠近大連南部的地區(qū)為反氣旋，該形勢有利于渤海輻合線的維持，因此處于其下游的大連南部地區(qū)降雪持續(xù)時(shí)間較長。

圖5 2018年12月7日08時(shí)(a)、20時(shí)(b)、8日08時(shí)(c)和2019年12月19日20時(shí)(d)、20日08時(shí)(e)大連地區(qū)地面風(fēng)場Fig.5 Surface wind fields at 08:00 (a),20:00 (b) on December 7,08:00 on December 8 (c),2018 and at 20:00 on December 19 (d),08:00 on December 20 (e),2019

利用精細(xì)化風(fēng)場資料對(duì)地面渦度場進(jìn)行分析表明，2018年12月7—8日降雪過程中，有正渦度大值(1×10-4s-1)，7日08時(shí)該大值區(qū)位于長興島至大連市區(qū)(圖6a)，而7日20時(shí)開始該大值區(qū)位于長興島至大連市區(qū)西北部(圖6b)，8日08時(shí)該大值區(qū)維持，同時(shí)，大連最南端旅順口區(qū)也出現(xiàn)大值區(qū)(圖6c)，表明冷流降雪落區(qū)根據(jù)風(fēng)向位于中小尺度輻合抬升的下游，而冷流降雪區(qū)域正渦度值不大。2019年12月20日降雪過程中，從18日20時(shí)開始正渦度大值(1×10-4s-1)位于大連市區(qū)，一直維持至20日08時(shí)降雪前(圖6d和圖6e)，為大連市區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雪提供了動(dòng)力條件。

圖6 2018年12月7日08時(shí)(a)、20時(shí)(b)、8日08時(shí)(c)和2019年12月19日20時(shí)(d)、20日08時(shí)(e)大連地區(qū)地面渦度場 Fig.6 Surface vorticity fields at 08:00 (a),20:00 (b) on December 7,08:00 on December 8 (c),2018 and at 20:00 on December 19 (d),08:00 on December 20 (e),2019 in the Dalian area

2.3.2 雷達(dá)回波特征

大連地區(qū)三面環(huán)海的特殊地形，缺少上游觀測數(shù)據(jù)，需要借助多普勒雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測。一般冷流性降雪最大回波強(qiáng)度為15～25 dBz，回波高度低于3 km。2018年12月7日夜間，大部分回波強(qiáng)度為15～25 dBz，雷達(dá)站西側(cè)零星回波的最大強(qiáng)度達(dá)30～35 dBz。從8日01:16徑向速度圖上看(圖7a)，雷達(dá)站西側(cè)20 km處有明顯風(fēng)向輻合，與渤海暖濕洋面輻合抬升、強(qiáng)回波相對(duì)應(yīng)，回波在高空西北風(fēng)的影響下迅速向東南方向移動(dòng)影響大連本站(圖7b)，與8日00—01時(shí)降雪較明顯時(shí)段對(duì)應(yīng)。8日10:46,大連本站西北方向強(qiáng)回波面積達(dá)5 km×5 km(圖7c)，向東南方向移動(dòng)。11:30，35 dBz強(qiáng)度回波完全經(jīng)過并且移出大連本站。 35 dBz強(qiáng)度回波5 min最大可出現(xiàn)0.2 mm降雪量，最小可出現(xiàn)0.1 mm降雪量，10—11時(shí)小時(shí)降雪量為0.6～1.2 mm，與實(shí)況小時(shí)降雪量為1 mm較為一致。11:30之后的回波強(qiáng)度為15～25 dBz，11—12時(shí)實(shí)況降雪量也相應(yīng)減弱為0.8 mm，回波強(qiáng)弱變化與降雪第二個(gè)較明顯時(shí)段10—12時(shí)雪量演變相對(duì)應(yīng)。

圖a、圖b和圖c仰角均為0.5°圖7 2018年12月8日01:16大連地區(qū)雷達(dá)(a)徑向速度、8日10:03(b)和10:46(c)基本反射率Fig.7 Radial velocity (a) at 01:16,reflectivity at 10:03 (b) and 10:46 (c),observed by radar on December 8,2018 in the Dalian area

從2018年12月8日10:29風(fēng)廓線產(chǎn)品可以看出，冷流性降雪與水平風(fēng)速的垂直演變存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1～2 km高度西北風(fēng)明顯增大，冷流性降雪增強(qiáng)，此次過程1～2 km高度風(fēng)速為8～16 m·s-1，2 km高度左右西北風(fēng)風(fēng)速最大達(dá)18～20 m·s-1，表明1 km以上有較強(qiáng)的冷空氣。而0～1 km高度近地層偏北風(fēng)風(fēng)速一直維持在8 m·s-1以下，表明強(qiáng)冷空氣還沒有影響到海面，海面仍有暖濕水汽抬升。當(dāng)1 km以下近地層偏北風(fēng)增大至8 m·s-1以上時(shí)，表明強(qiáng)冷空氣影響海面，水汽抬升減弱，冷流性降雪結(jié)束。

2019年12月20日09時(shí)，降雪從大連最南端旅順開始，降雪主體開始時(shí)間為10時(shí)。雷達(dá)回波平均強(qiáng)度為15～25 dBz，最大值達(dá)30～35 dBz，帶狀混合性回波沿海岸線自西南向東北移動(dòng)，與近地層切變輻合前西南風(fēng)場對(duì)應(yīng)。08時(shí)回波整體強(qiáng)度弱、分散、邊界不明顯。09—10時(shí)回波出現(xiàn)整體發(fā)展，北側(cè)邊界開始清晰，降雪開始。11—12時(shí)為回波最強(qiáng)階段，且發(fā)展為西南—東北向帶狀，與低層切變線和地面輻合線位置對(duì)應(yīng)，帶狀走向與回波移動(dòng)方向基本一致，表明回波不斷經(jīng)過同一個(gè)地方，形勢有利于降雪增強(qiáng)。10—12時(shí)回波帶上有多個(gè)強(qiáng)中小尺度回波(圖8a)，且大連市區(qū)西南部回波帶中夾雜多個(gè)強(qiáng)度達(dá)30～35 dBz的片狀回波(圖8b)。這些小而強(qiáng)的回波沿回波帶向東北方向(大連市區(qū))移動(dòng)，經(jīng)過大連市區(qū)的時(shí)間與短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段相對(duì)應(yīng)。10:31，回波高度均為2 km及以下(圖8c)，說明水汽抬升不是很高，與弱切變相對(duì)應(yīng)。13時(shí)影響大連地區(qū)的降雪回波強(qiáng)度和范圍開始減弱。

圖a和圖b仰角為0.5°圖8 2019年12月20日11:58(a)、10:31(b)大連地區(qū)雷達(dá)基本反射率和10:31(c)回波頂高Fig.8 Reflectivity at 11:58 (a) and 10:31 (b),echo tops (c) at 10:31 on December 20,2019 observed with radar in the Dalian area

3 結(jié)論

(1)2018年12月大連地區(qū)冷流性局地降雪過程高空均為西北氣流場控制，有較強(qiáng)冷平流，925～850 hPa溫度為-20 ～ -10 ℃。2019年12月大連地區(qū)非冷流性局地降雪過程，近地面至850 hPa存在風(fēng)切變，地面有輻合線，850 hPa以上有逆溫層，有利于低空輻合運(yùn)動(dòng)的維持和加強(qiáng)。

(2)2018年12月大連地區(qū)冷流強(qiáng)降雪過程，水汽是來自西北方的干冷空氣經(jīng)過渤海水面時(shí)不斷通過海氣相互作用向大氣輸送水汽，暖洋面通過蒸發(fā)作用實(shí)現(xiàn)水汽輻合抬升，水汽蒸發(fā)量相對(duì)小，需要長時(shí)間累積，而洋面暖濕作用維持時(shí)間較長，持續(xù)輻合抬升有利于下游維持長時(shí)間降雪。2019年12月大連地區(qū)非冷流中小尺度降雪過程的水汽主要來自南方暖濕空氣的水平輸送，水汽條件建立時(shí)間短，降雪時(shí)間也較短。對(duì)比兩次降雪過程，大連地區(qū)及上游渤海地區(qū)對(duì)流層中低層大氣非常穩(wěn)定，但兩次降雪過程邊界層內(nèi)均為條件不穩(wěn)定狀態(tài)，屬于不穩(wěn)定性降雪，冷流性降雪不穩(wěn)定條件建立早，而且比非冷流的局地中小尺度降雪更不穩(wěn)定。表明冷流性降雪中，渤海暖洋面作用時(shí)間長，抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)間也相對(duì)較長；而非冷流性的中小尺度降雪過程只需要短時(shí)間的上升運(yùn)動(dòng)就會(huì)觸發(fā)降雪天氣。

(3)大連地區(qū)冷流降雪時(shí)，降雪區(qū)域有偏東風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合，上游有小氣旋，長興島至大連市區(qū)西北部有正渦度中心，冷流降雪落區(qū)根據(jù)風(fēng)向位于中小尺度輻合抬升的下游。非冷流降雪時(shí)，降雪地區(qū)有偏西風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合線，其下游有反氣旋，該形勢有利于輻合線的維持，有利于降雪時(shí)間的持續(xù)，降雪區(qū)域有正渦度中心，表明非冷流性中小尺度降雪落區(qū)位于中小尺度輻合抬升區(qū)。

(4)雷達(dá)回波圖表明，2018年12月冷流性局地降雪回波從西北向東南移動(dòng)影響大連，2019年12月非冷流性局地降雪回波從西南向東北移動(dòng)影響大連。冷流性局地降雪強(qiáng)回波面積大，經(jīng)渤海移到陸地略有減弱。非冷流性局地降雪回波在大連西南海上生成，帶狀回波走向與回波移動(dòng)方向基本一致，帶狀回波上多發(fā)小面積的強(qiáng)回波，沿帶狀回波持續(xù)經(jīng)過同一個(gè)地方，形勢有利于降雪增強(qiáng)。冷流性局地降雪自底層到高層均為偏北風(fēng)，非冷流性局地降雪前和降雪時(shí)近地面為南到西南風(fēng)。