南疆西部初雪氣候特征及典型強初雪天氣分析

努爾比亞·吐尼牙孜，趙海軍，楊 鴻，艾克代·沙拉木，米日古麗·米吉提，賈孜拉·拜山

（1.喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 84400；2.臨沂市氣象局，山東 臨沂 276000；3.克州氣象局，新疆阿圖什 845350；4.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830046）

南疆西部三面環(huán)山，東部為塔克拉瑪干沙漠，天氣系統(tǒng)受地形影響顯著，降水形成機理復(fù)雜[1-3]。雖然南疆冬季降雪較新疆北部偏少，但是大到暴雪過程常有發(fā)生，降雪預(yù)報作為冬季預(yù)報服務(wù)工作的重點，特別是初雪預(yù)報備受各級政府部門和公眾的廣泛關(guān)注[4-6]。

自20世紀(jì)80年代以來，氣象工作者對新疆降雪的氣候特征、環(huán)流特點、動力過程及水汽條件等開展了大量的研究。如楊霞等[7]基于新疆北部1961—2018年冬季逐日降水量，研究了新疆北部地區(qū)不同類型暴雪的時空分布和環(huán)流特征，將新疆北部冬季暴雪的環(huán)流形勢分為3類6型。楊蓮梅等[8]基于1964—2010年新疆天山及其以北地區(qū)45個觀測站逐日降水資料，以暴雪落區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)將新疆北部持續(xù)性暴雪分為4類。莊曉翠等[9]分析新疆北部26次暖區(qū)強降雪天氣過程的中尺度環(huán)境特征和降雪落區(qū)，總結(jié)出北疆暖區(qū)強降雪落區(qū)的三維空間配置模型。崔彩霞等[10]針對北疆暴雪做了全面的天氣學(xué)分析，明確了北疆暴雪的中尺度環(huán)流特征。張云惠等[11]、陳春艷等[12]、李娜等[13]、李桉孛等[14]、張俊蘭等[15]基于典型暴雪個例，從不同角度分析了暴雪的成因、多尺度特征和物理量配置，為新疆暴雪天氣分析預(yù)報提供了預(yù)報思路。以上研究主要針對北疆暴雪，目前對南疆西部初雪的氣候特征及雨雪轉(zhuǎn)換機理的認(rèn)識不能滿足初雪精細(xì)化預(yù)報服務(wù)的需求，探討南疆西部初雪發(fā)生發(fā)展的機理對提高當(dāng)?shù)亟笛╊A(yù)報準(zhǔn)確率，氣象防災(zāi)減災(zāi)、趨利避害有重要的科學(xué)意義。

2020年11月南疆西部出現(xiàn)近10年來最強的初雪天氣，當(dāng)月累積降水量烏恰縣突破近40年（1981—2020年）同期極值，喀什、阿圖什、阿合奇等站降水量同期排名第二，喀什、阿圖什降水量較1981—2010年氣候值異常偏多624%和760%。雖然此次暴雪喀什地區(qū)氣象臺提前3 d發(fā)布了降雪專題預(yù)報，但因暴雪初期雨雪相態(tài)復(fù)雜，導(dǎo)致南疆西部積雪預(yù)報和精細(xì)化預(yù)報準(zhǔn)確率偏低，其雨雪轉(zhuǎn)換機制值得進一步探討和總結(jié)。為了加深氣象工作者對南疆西部初雪天氣的認(rèn)識，本文基于近60年南疆西部初雪氣候特征，研究2020年11月異常降水發(fā)生的大尺度環(huán)流背景和強初雪天氣的高低空配置，力求找出影響雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的主要因子，以期為南疆西部初雪和暴雪預(yù)報提供科學(xué)參考，提高對秋、冬季降雪的預(yù)報能力。

1 資料與方法

選取南疆西部16個氣象站1961—2020年逐日降水量和天氣現(xiàn)象資料，資料由新疆氣象信息中心提供，數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和均一性檢驗。定義每年7月1日—次年6月30日，第一次出現(xiàn)日降水量≥0.1 mm且天氣現(xiàn)象有雪的日期為初雪日。若某年無降雪，為了序列長度的同一性，用多年平均初雪日代替當(dāng)年初雪日。文中小雪（0.3 mm≤日降水量≤3.0 mm），中雪（3.1 mm≤日降水量≤6.0 mm），大雪（6.1 mm≤日降水量≤12.0 mm），暴雪（12.1 mm≤日降水量≤24.0 mm）采用新疆氣象局降水量級標(biāo)準(zhǔn)，氣候平均值統(tǒng)一采用1991—2020年。

南疆西部地理位置特殊，地貌復(fù)雜多樣，參照《新疆氣象地理區(qū)劃（試用版）》，結(jié)合氣象要素分布情況，將南疆西部劃分為山區(qū)和平原（圖1），采用線性趨勢分析和常規(guī)統(tǒng)計方法，分析南疆西部近60年初雪的氣候特征。

圖1 南疆西部站點分布

利用歐洲中心EAR5逐月平均0.25°×0.25°再分析資料，分析2020年11月南疆西部降水異常的500 hPa大尺度環(huán)流背景?；跉W洲中心ERA5逐小時0.25°×0.25°再分析資料、國家氣象衛(wèi)星中心風(fēng)云2G TBB資料分析2020年11月20—22日強初雪的高低空環(huán)流配置，中小尺度系統(tǒng)特征及雨雪相態(tài)差異的原因，選取全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）分析資料，采用拉格朗日軌跡模式（HYSPLIT）分析強降雪的水汽輸送特征。

2 分析與結(jié)果

2.1 初雪氣候特征

1961—2020年南疆西部平原各站平均初雪日在12月5—22日，山區(qū)各站平均初雪日在10月4日—11月2日。由圖2可知，平原地區(qū)初雪歷年變化曲線與1991—2020年平均初雪日近似重合，其線性趨勢線略呈下降趨勢，傾向率為1.5 d·（10 a）-1，未通過α=0.05的顯著性檢驗，表明近60年南疆西部平原地區(qū)初雪日穩(wěn)定年際變化趨勢不明顯。山區(qū)初雪日變化與平原相反，歷年變化曲線圍繞多年平均值呈波動上升趨勢，其線性傾向率為2.8 d·（10 a）-1，通過α=0.05的顯著性檢驗，表明近60年山區(qū)平均初雪日呈顯著延遲趨勢。可見南疆西部山區(qū)初雪對氣候變暖的響應(yīng)較平原地區(qū)更為明顯，山區(qū)初雪日的顯著延遲將不利于當(dāng)?shù)厣絽^(qū)積雪穩(wěn)定和冰川補給。

圖2 1961—2020年南疆西部初雪年際變化

由圖3可知，南疆西部平原10月—次年3月均出現(xiàn)初雪，初雪日主要集中在11—12月，12月為峰值，次年1月后迅速減小，初雪日數(shù)10、11、12月、次年1、2、3月分別占總初雪日的2.3%、30.8%、47.4%、15.4%、3.6%、0.5%。11—12月為平原初雪多發(fā)月份，10和3月出現(xiàn)初雪的概率不足5%。南疆西部山區(qū)10月初雪頻次最多，占總初雪頻次的61.2%；其次為11和9月，分別占總初雪頻次的31.6%和17.1%；8、1月最少，對總初雪日數(shù)的貢獻(xiàn)不足2%。南疆西部平原10、3月和山區(qū)8、1月初雪均為小概率事件。

圖3 1961—2020年南疆西部初雪月分布

為了進一步加深預(yù)報員對南疆西部初雪的認(rèn)識，為破紀(jì)錄初雪事件提供參考依據(jù)，普查近60年最早和最晚初雪日。平原地區(qū)異常偏早初雪時間較為集中，均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代之前的10月；近30年最早初雪出現(xiàn)在2018年11月3日（和田地區(qū)），其次為1993年11月6日（喀什地區(qū)）；而異常偏晚初雪時間分散，初雪最遲出現(xiàn)在2006年3月1—2日，其次為同年2月25日（表1）。

表1 南疆西部1961—2020年初雪日對比

2.2 2020年11月強初雪成因分析

2.2.1 實況

2020年11月20—22日，南疆西部普遍出現(xiàn)小量雨夾雪或雪，帕米爾高原北麓、中天山南麓淺山區(qū)和平原地區(qū)達(dá)中到大量，局地達(dá)到暴量（圖4a）。過程累計最大降雪量為21.5 mm、最大積雪深度15 cm出現(xiàn)在阿圖什市，強降雪時間集中在20日16：00—21日06：00，小時最強降雪量為1.3 mm，出現(xiàn)在20日22：00（圖4b），過程最低氣溫下降8～10℃。此次初雪天氣影響時間長，大部分地區(qū)降雪維持48 h，降雪強度強，累積雪量大，降雪分布不均勻，有中小尺度對流降水等特征，是南疆西部冬季一次極端性降雪天氣。

圖4 2020年11月南疆西部19日21：00—22日20：00累計降水量（a）和逐小時降水量（b）

2.2.2 初雪大尺度異常環(huán)流背景

2020年11月南疆西部降水距平百分率（R%），除麥蓋提和塔什庫爾干站偏少100%外，其余站降水量較歷年同期偏多50%～685%。圖5為500 hPa平均位勢高度場及其距平分布。在20°～90°N、20°～120°E高緯呈現(xiàn)“一脊一槽”型分布，東歐為高壓脊，北地群島以東為低壓槽；中緯呈現(xiàn)“兩脊一槽”型分布，波德平原及新疆為高壓脊，中亞為低槽；低緯呈現(xiàn)“兩槽兩脊”型分布，阿拉伯海地區(qū)低槽與中緯度中亞槽同向疊加，南疆西部處在狹長的槽區(qū)，槽前西南氣流向盆地輸送低緯水汽，為初雪天氣提供有利的大尺度環(huán)流背景。

圖5 2020年11月500 hPa平均位勢高度（等值線）及其同期氣候距平（陰影）

距平場顯示，歐亞范圍自北向南呈現(xiàn)異常的“-+-”距平分布，異常正距平以65°N（西西伯利亞平原）為中心南北遞減轉(zhuǎn)為負(fù)距平，強的南北向位勢梯度利于中高緯度冷暖空氣的強烈交匯和鋒區(qū)的加強，促使水汽和能量的循環(huán)。同時中緯度自西向東呈現(xiàn)異常的“+-+”距平分布，異常正距平中心位于波德平原和西西伯利亞平原，負(fù)距平中心位于巴爾喀什湖，南疆西部處在2個異常正距平之間的負(fù)距平（大值）區(qū)前側(cè)，表明2020年11月500 hPa歐洲高壓脊、中亞低槽及蒙古高壓脊等長波系統(tǒng)較常年異常偏強，下游蒙古脊的阻擋利于中亞低槽的穩(wěn)定維持和加深，為11月南疆西部降水提供有利的天氣尺度強迫抬升和水汽供應(yīng)。2020年11月500 hPa大尺度環(huán)流與常年有明顯差異，中緯度自西向東呈現(xiàn)的異?！?-+”距平分布是造成此次異常降水的主要原因。

2.2.3 初雪環(huán)流配置

此次天氣的環(huán)流配置為典型的“東西夾攻”形勢[16-20]，500 hPa主導(dǎo)系統(tǒng)為烏拉爾山高壓脊，影響系統(tǒng)為深厚的中亞低渦和新疆東部低槽。由圖6強降雪時段（2020年11月21日08：00）高低空環(huán)流配置可知，南疆西部處在200 hPa西風(fēng)急流核左側(cè)氣旋性渦度大值區(qū)前側(cè)和500 hPa中亞低渦前部的正渦度平流大值區(qū)，低層位于700～850 hPa東風(fēng)急流頂端強烈風(fēng)速輻合區(qū)及850 hPa冷高壓西南部。南疆西部喇叭口地形對低層偏東急流的收縮和抬升作用，高層的輻散抽吸作用與低層偏東氣流的耦合作用，為暴雪提供持久強有力的動力抬升條件；中高層深厚西南氣流為南疆西部輸送水汽和正渦度平流，同時500 hPa東疆槽后強冷平流導(dǎo)致低層冷高壓加壓，利于低層?xùn)|灌形勢的維持；700 hPa存在一支西方水汽輸送通道，水汽主要來自西方地中海、黑海及里海等洋面?！皷|西夾攻”形勢的維持為此次暴雪提供了充沛的水汽條件和強有力的動力抬升條件。

圖6 2020年11月21日08：00位勢高度場（實線，單位：dagpm）

2.2.4 強初雪水汽分析

選取暴雪中心阿圖什站（39.73°N，76.22°E）模擬初始點經(jīng)緯度，1 500、3 000和5 000 m高度層次為模擬初始高度，2020年11月21日02：00為模擬初始場，后向追蹤5 d的三維運動軌跡，并采用簇分析法對各類軌跡進行聚類，得到：（1）1 500 m高度存在5條水汽輸送軌跡，因帕米爾高原平均海拔高度3 000 m以上，境外1 500 m水汽對盆地降水的貢獻(xiàn)可忽略不計，1 500 m高度水汽主要來自塔里木盆地南部，隨東南風(fēng)輸送到達(dá)暴雪區(qū)的2條東路水汽。（2）3 000 m高度存在3條西路水汽和1條南路水汽輸送軌跡。西路水汽分別來自土庫曼斯坦、阿塞拜疆、德黑蘭地區(qū)，水汽借西風(fēng)氣流經(jīng)中亞向東輸送至南疆西部，占3 000 m水汽輸送總量的43%、22%、9%；南路水汽來自喀布爾地區(qū)，水汽向東輸送至伊斯蘭堡后再轉(zhuǎn)向東北輸送至南疆西部，占3 000 m水汽輸送總量的26%。（3）5 000 m高度水汽輸送軌跡復(fù)雜，共有6條通道。其中通道1水汽來自喀拉海，水汽向南輸送經(jīng)西伯利亞高原到達(dá)里海西部，再轉(zhuǎn)向東借西風(fēng)分量輸送至南疆西部，該通道自5 500 m高度緩慢下降至4 000 m左右，越過帕米爾高原后抬升至5 000 m高度，占5 000 m高度水汽輸送總量的35%；通道2和通道4均來自里海上空6 000 m左右高度，水汽借助西風(fēng)分量向東輸送至南疆西部，占輸送總量的22%和17%；通道3和通道5相似，分別來自黑海東部6 000 m左右高空和北歐地區(qū)5 500 m左右高空，水汽經(jīng)里海、中亞地區(qū)，繼續(xù)向東輸送到達(dá)南疆西部，僅占水汽輸送總量的4%、9%；通道5源自土耳其上空3 500 m左右高度，水汽隨西風(fēng)輸送至盆地西部的同時緩慢抬升與5 000 m高度水汽匯合，此通道占5 000 m水汽總量的13%。

暴雪過程中高層水汽的源地、輸送路徑有一定的差異。整體而言，中高層水汽主要來自歐洲、西西伯利亞、中亞等陸地和黑海、里海、喀拉海等海洋，低層水汽主要源自塔里木盆地南部隨東風(fēng)回流的水汽，低層偏東風(fēng)在水汽的聚集及向上輸送中有重要作用。值得關(guān)注的是，與已有的對南疆西部典型大降水的水汽輸送特征的認(rèn)識不同[17-20]，此次暴雪水汽主要來自偏西路徑，東路和南路水汽輸送不明顯，2020年11月南疆西部降水異常是否與水汽輸送路徑有關(guān)，秋冬季西路水汽輸送與極端降水有何關(guān)系，需要在今后的工作中進一步深入研究。

2.2.5 雨雪相態(tài)分析

南疆西部11月初雪預(yù)報關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的雨雪相態(tài)判別。20日阿圖什2 m氣溫為1.5～2.4℃，13：00—16：00降水相態(tài)為雨，17：00轉(zhuǎn)為雪，18：00轉(zhuǎn)雨夾雪，19：00轉(zhuǎn)雨，20：00再轉(zhuǎn)穩(wěn)定純雪?？κ舱練鉁貫?.9～4.8℃，巴楚站氣溫為2.2～3.8℃，均以降雪為主，特別是與阿圖什站相差約45 km的喀什市，在更高的氣溫條件下仍以純雪為主，其雨雪轉(zhuǎn)換機制值得進一步的分析和總結(jié)。

低層相對濕度由于能影響降水粒子融化和蒸發(fā)過程，故而也會影響到達(dá)地面的降水相態(tài)[21]。由地面相對濕度及氣溫差異可知（圖7），巴楚、喀什市降雪起始時段2 m氣溫為3～4℃，阿圖什2 m氣溫基本維持在1～2℃，而巴楚、喀什站相對濕度＜70%（19：00之前），阿圖什站相對濕度＞90%接近飽和。當(dāng)環(huán)境氣溫＞0℃雪花降落的過程中會發(fā)生融化，但由于喀什、巴楚低層環(huán)境較干，雪花融化過程中更容易蒸發(fā)，促使冰晶凝華故表現(xiàn)為固態(tài)降水，而阿圖什低層環(huán)境接近飽和，融化的雪水不易凝華，故而表現(xiàn)為濕雪，由此可見較干的低層濕度差異是上述3站雨雪相態(tài)差異的原因之一。

圖7 2020年11月20日08：00—22：00地面氣溫（紅色線）、濕度（綠色線）變化

20日14：00溫度—露點曲線顯示，喀什700 hPa低層為干區(qū)，而中上層為深厚的濕區(qū)，云系主要位于中高層。分析南疆西部云頂亮溫分布及時間變化可知（圖8），20日14：00—16：00阿圖什站TBB約-15℃，以低云降雨為主。16：00喀什上空新生β中尺度扁狀高云，TBB中心值迅速下降達(dá)-32℃并出現(xiàn)降雪。17：00—18：00喀什站西南側(cè)中β尺度云團向東北伸展，阿圖什轉(zhuǎn)為雪，但兩站TBB仍相差10℃左右，即喀什上空云頂高度更高，發(fā)展較阿圖什站旺盛，而巴楚站降雪時段TBB＜-30℃，始終以中高云降雪為主。在此次過程中，發(fā)現(xiàn)云底環(huán)境偏干而發(fā)展旺盛的高云較云底更為飽和的低云更有利于冰晶和雪花的形成，3站上空云的屬性差異和低層飽和程度的差異是造成雨雪相態(tài)差異的重要原因。

圖8 2020年11月20日南疆西部云頂亮溫時間變化（a）及分布（b）

在實際預(yù)報和研究中，我國中部、東部平原地區(qū)常用1 000、925、850和700 hPa等特征層溫度分析降水相態(tài)，我國東部地區(qū)常用的降雪指標(biāo)是850 hPa溫度＜-3℃[21-23]。南疆西部平原氣象臺站海拔高度為1 117.7～1 376.4 m，其中阿圖什、喀什、巴楚站海拔高度依次為1 299.5、1 290.6、1 117.7 m。對比阿圖什、喀什、巴楚站20日08：00—22：00對流層中低層850～700 hPa溫度演變可知，對流層低層溫度（850～800 hPa）存在較明顯的波動，20日12時3站0℃層高度均下降至850 hPa，午后溫度略有回升，850 hPa溫度為0～1℃，20：00之后850 hPa溫度再次降至0℃以下。800 hPa 08：00—10：00溫度為-2℃，之后溫度下降并穩(wěn)定維持在-3℃。對流層中層（750～700 hPa）氣溫變化較平穩(wěn)，750 hPa維持在-6℃，700 hPa為-11～-12℃。此次暴雪初期3站對流層中低層溫度演變極為相似，表明對流層中低層溫度差異并不是導(dǎo)致此次雨雪相態(tài)差異的重要影響因子。同時發(fā)現(xiàn)此次暴雪過程初期850 hPa溫度為0～1℃時，各站為雨雪并存，當(dāng)20日21：00溫度穩(wěn)定低于0℃時，各站為純雪。結(jié)合地形和業(yè)務(wù)實際，850 hPa氣溫＜0℃可作為此次暴雪天氣雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換指標(biāo)。由于基礎(chǔ)海拔高度的差異，此指標(biāo)數(shù)值高于同等壓面的我國東部地區(qū)雨雪相態(tài)指標(biāo)。

對比阿圖什、喀什、巴楚站20日08：00—22：00低層溫度平流演變可知，20日喀什、巴楚站摩擦層底部平流變化較平穩(wěn)，喀什存在弱的暖平流，巴楚為弱的冷平流。阿圖什邊界層內(nèi)08：00—13：00平流變化不明顯，14：00轉(zhuǎn)為暖平流并隨時間加強，19：00—20：00平流強度最大為1.1×10-4℃/s，與850 hPa以上冷平流形成不穩(wěn)定層結(jié)。強暖平流一方面促使強的垂直上升運動導(dǎo)致潛熱釋放，另一方面直接作用于邊界層大氣使其增溫，為17：00—19：00雪轉(zhuǎn)雨提供有利條件，此后太陽落山氣溫驟降，阿圖什又轉(zhuǎn)為穩(wěn)定降雪?？梢妼α鲗拥蛯訙囟绕搅鲗ΠD什站雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變有重要的影響。降水時段阿圖什低空氣溫處于雨雪臨界狀態(tài)，低層相對較強的氣流脈動引起溫度平流輸送的變化是導(dǎo)致降水相態(tài)差異的原因之一。

3 結(jié)論

利用1961—2020年南疆西部16個氣象臺站氣象資料，分析了盆地西部初雪的氣候特征，以2020年11月強初雪天氣為例，分析了異常降水的大尺度環(huán)流背景，暴雪發(fā)生的環(huán)流配置和水汽條件，基于多源資料重點討論了暴雪初期各地雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換差異的主要原因，得出以下結(jié)論：

（1）近60年南疆西部平原和山區(qū)初雪年際變化有差異。平原地區(qū)初雪變化不明顯，山區(qū)初雪呈顯著延遲趨勢，山區(qū)初雪的年際變化不利于當(dāng)?shù)乇ㄑa給和水資源穩(wěn)定。平原地區(qū)初雪發(fā)生在10月—次年3月，其中78%的初雪出現(xiàn)在11—12月。

（2）此次暴雪發(fā)生在中緯度大尺度環(huán)流呈現(xiàn)異常“+-+”的距平分布和500 hPa典型的“東西夾攻”形勢下，深厚的中亞低渦和新疆東部低槽的維持為暴雪提供了充沛的水汽條件和強的動力抬升條件。

（3）此次暴雪中高層水汽主要來自偏西路徑，過程東路和南路水汽輸送不明顯；低層水汽主要源自盆地南部隨東風(fēng)回流的水汽，低層偏東風(fēng)在水汽的聚集及向上輸送中有重要作用。

（4）低層環(huán)境濕度、邊界層溫度平流及云層屬性差異是造成阿圖什、喀什及巴楚站降水相態(tài)差異的重要原因，云頂發(fā)展旺盛的冰晶云在干燥的低層環(huán)境下更有利于降雪。結(jié)合南疆西部地形和業(yè)務(wù)實際，850 hPa氣溫＜0℃可作為此次暴雪南疆西部雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換指標(biāo)。