冷空氣在宿遷2次暴雪過程中的作用分析

邵禹晨，沈 偉，徐 恩，程 昕，龐 礴，唐 舟

宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800

暴雪是淮北地區(qū)冬季常見的災(zāi)害性天氣之一，其發(fā)生時(shí)段一般集中在10月至翌年4月。暴雪的出現(xiàn)往往對應(yīng)強(qiáng)冷空氣南下過程，伴隨降溫和大風(fēng)天氣，并可造成道路結(jié)冰、濕滑，給交通和冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。強(qiáng)冷空氣既是催生暴雪過程的一個(gè)重要因素，也是降雪過程與降雨過程區(qū)別的獨(dú)特條件。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對暴雪進(jìn)行了一系列的研究和探討。國外學(xué)者認(rèn)為歐美中緯度地區(qū)與亞洲日本的降雪多與溫帶氣旋或低壓系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[1-3]；尹東屏等[4]認(rèn)為低空急流為暴雪發(fā)生、發(fā)展提供了動(dòng)量、熱量和水汽。多項(xiàng)研究表明[5-7]，鋒面次級(jí)環(huán)流是造成回流降雪的主要原因。在低層降溫對暴雪降水相態(tài)的變化上，研究認(rèn)為低層溫度層結(jié)是影響降水相態(tài)的關(guān)鍵因素，僅0.5℃的溫差就能引起降水相態(tài)變化[8-10]。姚晨等[11]認(rèn)為強(qiáng)冷空氣與暖濕輸送的強(qiáng)度不同，會(huì)影響暴雪過程的強(qiáng)度。盡管對暴雪的研究很多，但對冷空氣強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間在暴雪過程中的作用研究較少。

本文利用地面基本站和自動(dòng)站常規(guī)觀測資料、FNL逐3 h再分析資料（空間分辨率0.25°×0.25°）對冷空氣在影響宿遷的2次暴雪過程中起到的不同作用進(jìn)行了分析，旨在抓住冷空氣對暴雪過程的關(guān)鍵作用，使對暴雪過程開始時(shí)間和降水量的預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)。

1 2次暴雪過程概況

2020年2月15 日與12月29日淮北地區(qū)在強(qiáng)冷空氣影響下均出現(xiàn)大到暴雪過程，積雪深度超過5 cm，并伴隨冰凍和道路結(jié)冰，對交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大危害。而強(qiáng)冷空氣在2次暴雪過程中都起到了重要作用。

1.1 2020年2月15日暴雪過程

14日夜間宿遷普降小雨，15日早晨10:00~12:00自北向南逐漸轉(zhuǎn)為降雪，白天全市普降大到暴雪，夜間19:00~20:00降雪逐漸停止，是一次明顯的雨轉(zhuǎn)雪過程。過程累計(jì)雨雪量11.3~15.7 mm，其中純雪量6.6~11.4 mm，雪深5~6 cm。在10:00雨轉(zhuǎn)雪前有明顯間隔期，主要降雪時(shí)段集中在15日14:00~16:00與18:00~20:00這2個(gè) 時(shí)段（圖1）。

1.2 2020年12月29日暴雪過程

28日夜間宿遷普降小雨，29日早晨06:00~08:00自北向南逐漸轉(zhuǎn)為降雪，白天全市普降大到暴雪，傍晚17:00~18:00降雪逐漸停止，同樣是一次明顯的雨轉(zhuǎn)雪過程。過程累計(jì)雨雪量11.5~18.5 mm，其中純雪量8.3~13.3 mm，雪深6~9 cm。雨轉(zhuǎn)雪過程沒有間隔期，降雪過程為持續(xù)性降雪，主要降雪時(shí)段集中在29日上午到中午，下午降雪逐漸減弱，沒有明顯的降雪集中時(shí)段（圖1）。

圖1 泗陽2次過程的逐小時(shí)雨雪量

1.3 2次暴雪過程的異同

相同之處：降雪量級(jí)接近，都是大到暴雪量級(jí)；降雪過程都是冷空氣南下引起的雨轉(zhuǎn)雪過程；降雪過程時(shí)間接近，都是上午轉(zhuǎn)雪，接近傍晚降雪結(jié)束。

不同之處：2月暴雪過程有明顯間隔性和集中降雪時(shí)段，12月暴雪過程則是持續(xù)性降雪；2月暴雪過程的雪深較12月暴雪過程低。而冷空氣在2次暴雪過程中的差別正是造成2次暴雪過程差別的關(guān)鍵。

2 利于暴雪的環(huán)流形勢

2次暴雪過程中雨轉(zhuǎn)雪時(shí)間都接近上午08:00，因此圖2使用08:00環(huán)流形勢圖作對比分析。

2月15日過程500 hPa上有冷渦東移南下，同時(shí)南支槽系統(tǒng)顯著，有明顯的偏西—西南急流（圖2a），利于水汽輸送但不利于高層冷空氣向下滲透；700~850 hPa上冷渦偏東，江蘇以北受偏西北氣流影響，江蘇有明顯西南急流輸送（圖2c），蘇北有明顯氣旋性切變（圖略）；地面圖上冷高壓已經(jīng)南壓至蘇南、浙北一線，整體受偏北氣流影響，地面完全受冷空氣控制。

12月29日過程500 hPa上有橫槽，南支系統(tǒng)不顯著，總體受平直偏西急流影響（圖2b），同樣利于水汽輸送但不利于高層冷空氣向下滲透；700~850 hPa上以大槽波動(dòng)為主，江蘇以北受西北氣流影響，江蘇有明顯西南急流輸送，在江蘇西北角有氣旋性波動(dòng)（圖2d）；地面圖上冷高壓已經(jīng)南壓至蘇南一線且冷高壓強(qiáng)度較2月15日過程強(qiáng)很多，整體受偏北氣流影響，地面完全受冷空氣控制。

2次過程中利于產(chǎn)生暴雪環(huán)流形勢的共同點(diǎn)是中低層700~850 hPa上的西南急流輸送、江蘇以北的冷空氣偏北氣流及江蘇北部對應(yīng)的氣旋性切變，這為暴雪形成提供了水汽條件、低層冷空氣層結(jié)條件和垂直運(yùn)動(dòng)條件；地面上冷高壓南壓，冷鋒前鋒位于蘇南一線，這利于降雪的相態(tài)轉(zhuǎn)換，強(qiáng)冷空氣在地面形成冷墊，強(qiáng)冷墊是形成暴雪的必要條件之一。

2次過程中環(huán)流形勢的主要不同點(diǎn)在于2月15日過程中500 hPa環(huán)流有冷渦和明顯的南支系統(tǒng)而12月29日過程500 hPa上則為橫槽和平直西風(fēng)氣流為主。這導(dǎo)致2月15日過程的中下層西南急流輸送更明顯，12月29日過程冷空氣強(qiáng)度更強(qiáng)，其雨雪量也較2月15日過程更大，由此可見冷空氣在暴雪過程中的作用尤為重要。

3 利于暴雪的水汽條件

水汽條件是形成暴雪的必要條件，而江蘇絕大部分暴雪過程其水汽條件都取決于西南急流輸送，兩次過程也都存在明顯的西南急流輸送。

2月15日過程由于南支系統(tǒng)顯著，西南急流在中上層配合較好，整體水汽輸送高度較高。從2月15日08:00水汽通量剖面圖（圖3a）上可以看出水汽集中于1 000~900 hPa層次，其中泗洪、宿遷一線位于33°N~34°N，濕層明顯下接至地面，是利于降雪的水汽條件。同時(shí)刻的水汽通量散度剖面圖（圖4a）在泗洪和宿遷兩點(diǎn)地面有明顯負(fù)水汽通量散度，而在地面周邊和泗洪、宿遷上空則為明顯正水汽通量散度，由此可見在1 000~900 hPa層次上水汽是向下輻合的，而地面周邊的水汽也向泗洪和宿遷輻合。地面的水汽輻合主要受中低層氣旋性切變的影響，34°N以北的水汽通量輻散則是由于冷空氣南下，干冷空氣將暖濕空氣向南擠壓。

結(jié)合2月15日11時(shí)的水汽通量剖面圖（圖3b）和水汽通量散度剖面圖（圖4b），可以看出14:00冷空氣完全南下后暖濕空氣受干冷空氣擠壓有明顯抬升，對應(yīng)的水汽通量大值區(qū)明顯上升和南壓，同樣水汽通量散度負(fù)值區(qū)也南壓和向上延伸。這說明冷空氣對水汽的作用以向南擠壓和向上抬升為主，這會(huì)增加宿遷南部地區(qū)濕層的厚度，從而導(dǎo)致宿遷南部的降雪強(qiáng)度增加，實(shí)況上宿遷南部的降雪也是從14:00開始明顯增加，最終降雪量也要超過宿遷北部地區(qū)（圖1）。

圖4 2月15日過程118.25°E水汽通量散度剖面（宿遷、泗洪一線）

12月29日過程南支系統(tǒng)并不顯著，西南急流輸送更偏緯向。環(huán)流形勢上，東南沿海的整層水汽含量明顯高于2月15日過程（圖2），這是因?yàn)?月15日過程西南急流更偏緯向。水汽通量剖面圖（圖3c）上可以看出整層水汽大值區(qū)集中于近地面925 hPa以下，且濕層濃度和范圍都明顯高于2月15日過程，這代表更大的降雪潛力，但最終降雪總量卻并沒有比2月15日過程高很多。原因在于強(qiáng)冷空氣的快速南下斷絕了西南急流水汽輸送通道，制約了降雪量。

圖3 2次過程118.25°E水汽通量剖面（宿遷、泗洪一線）

總體上，2次過程的水汽都是通過西南急流輸送的，利于暴雪的水汽條件主要取決于西南急流輸送的位置、方向和強(qiáng)度。偏經(jīng)向的西南急流在路徑上相比緯向會(huì)更為偏西偏北，使實(shí)際輸入江蘇的水汽量偏少；而強(qiáng)冷空氣在中低層的快速南下對水汽輸送來說是一個(gè)不利條件，與2月15日過程相比，12月29日過程中低層冷空氣的迅速南壓明顯削弱了水汽輸送的強(qiáng)度，使降雪過程結(jié)束較快。

4 冷空氣在暴雪過程中的作用

強(qiáng)冷空氣的迅速南下將削弱水汽輸送作用使降雪減弱，但冷空氣在暴雪過程中的作用更為復(fù)雜、重要。冷空氣是降雪過程區(qū)別于降雨過程的決定性條件，其主要作用：一在于為水汽相態(tài)變化提供熱力條件；二在于冷暖空氣交匯鋒生提供抬升條件；三在于南下時(shí)將暖濕空氣向南推動(dòng)從而造成局部的水汽輻合，產(chǎn)生增雪作用。

4.1 熱力條件

冷空氣為暴雪過程提供的熱力條件主要在于降溫，而降溫對暴雪過程的影響主要通過低層冷空氣降溫的冷墊作用和中層冷空氣滲透加快冰晶核凝結(jié)的微物理作用。

冷墊作用是近地面冷空氣降溫在地面形成冷墊為降雪過程提供相態(tài)變化的有利條件。這在兩次過程中都有體現(xiàn)。118.25°E溫度平流剖面圖上，2次過程在降雪最強(qiáng)時(shí)間段內(nèi)都有明顯的冷平流，但冷平流有較明顯的差別。1 000~925 hPa層結(jié)上，2月15日過程冷平流僅在08:00（圖5a）較為明顯，在14:00（圖5b）顯得較弱。與實(shí)況對比，08:00近地面層的強(qiáng)冷平流在地面形成冷墊是2月15日過程開始雨轉(zhuǎn)雪的明顯信號(hào)，14:00近地面層冷平流明顯減弱同時(shí)實(shí)況降雪明顯加強(qiáng)，說明近地面冷墊作用對降雪過程剛開始的相態(tài)轉(zhuǎn)化較為重要，在降雪實(shí)際開始后，近地面層的強(qiáng)冷空氣對降雪增強(qiáng)沒有明顯作用；12月29日過程冷平流在近地面層宿遷-泗洪一線（33°N~34°N）一直有明顯冷平流（圖5c），且近地面層冷平流在08:00最強(qiáng)，之后近地面層強(qiáng)冷平流逐漸南壓。實(shí)況雨轉(zhuǎn)雪時(shí)間正好在6:00~8:00之間，與08:00近地面層的強(qiáng)冷墊對應(yīng)。與2月15日過程不同，12月29日過程近地面層冷平流相當(dāng)強(qiáng)，實(shí)況開始降雪后降雪量就迅速增大且在10:00達(dá)到峰值，說明近地面層強(qiáng)冷墊可以一定程度上促進(jìn)降雪過程發(fā)展。

結(jié)合2次過程可以看出近地面層冷空氣造成地面降溫形成冷墊是暴雪過程開始相態(tài)轉(zhuǎn)化的明顯信號(hào)。近地面層較弱的冷空氣使得雨轉(zhuǎn)雪過程較慢，較強(qiáng)的冷空氣則使得雨轉(zhuǎn)雪過程較快且降雪發(fā)展迅速，但冷空氣完全控制降雪地區(qū)后，冷墊作用就不再明顯。

微物理作用主要在于中層冷空氣的滲透降溫加快了冷云中冰晶核的凝結(jié)。這在2月15日過程更為明顯。925~700 hPa層結(jié)上， 08:00中層冷平流還不明顯（圖5a），但14:00（圖5b）中層冷平流范圍增厚、強(qiáng)度明顯增加，對應(yīng)實(shí)況上14:00的降雪增強(qiáng)時(shí)段。12月29日過程08:00（圖5c）中層層結(jié)上也對應(yīng)有明顯的冷平流。這說明中層冷空氣滲透與降雪增強(qiáng)呈正相關(guān)，其滲透降溫主要是以微物理作用的形式，降低中層氣溫使得中層水汽加快凝結(jié)為冰晶核，加速了雪的形成。同時(shí)中層冷平流在熱力上也加快促進(jìn)水汽的凝結(jié)，為降雪過程提供了相態(tài)條件。

總體來看，冷空氣提供的熱力條件是使得降雪過程中相態(tài)變化的決定性條件，而熱力條件促成的中低層降溫則為中層大量水汽凝結(jié)、冰晶核凝結(jié)等微物理作用加速提供了有利條件，使降雪過程增強(qiáng)。

4.2 冷空氣補(bǔ)充南下的增雪作用

2月15日過程與12月29日過程相比，水汽條件和冷空氣強(qiáng)度都有一定差距，但最終降雪量較為接近，正是因?yàn)樵谂R近下午中層有強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充南下產(chǎn)生了增雪作用。冷空氣補(bǔ)充南下的增雪作用不僅有熱力作用，還有動(dòng)力作用。

熱力作用已經(jīng)在4.1節(jié)中提及。動(dòng)力作用上主要體現(xiàn)在提供抬升條件和水汽條件兩點(diǎn)。冷空氣從低層到高層的逐步滲透會(huì)抬升、擠壓暖空氣，冷暖交匯之下產(chǎn)生對流，造成上升運(yùn)動(dòng)顯著，提升降雪效率。這里結(jié)合溫度平流剖面圖（圖5）與垂直速度、散度剖面圖（圖6）來看，2月15日過程08:00冷平流還較弱，強(qiáng)冷平流位于35°N~36°N，而在34°N~35°N對應(yīng)有明顯的輻合上升運(yùn)動(dòng)（圖5a，圖6a）。14:00中層開始有強(qiáng)冷空氣滲透，中層強(qiáng)冷平流顯著，對應(yīng)33°N中低層有明顯輻合上升運(yùn)動(dòng)（圖5b，圖6b）。由此可見，低層冷空氣南下主要是抬升冷空氣產(chǎn)生對流，中層冷空氣不僅使得暖空氣進(jìn)一步抬升，還帶來了偏北急流與西南急流形成明顯切變，整層冷空氣滲透也利于動(dòng)量完全下傳，強(qiáng)氣旋性切變對應(yīng)了強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)。

圖6 2月15日過程118.25°E垂直速度散度剖面（宿遷、泗洪一線）

冷空氣的補(bǔ)充南下還會(huì)通過動(dòng)力作用影響水汽輸送通道。結(jié)合水汽通量散度剖面圖（圖4）和溫度平流剖面圖（圖5），2月15日過程隨著中低層冷空氣南下，水汽輻散大值區(qū)也隨之南下并且跟強(qiáng)冷平流區(qū)域很吻合。由此可見，冷空氣南下過程中將水汽向南擠壓抬升的同時(shí)，也會(huì)逐漸切斷西南急流的水汽輸送通道使降雪過程停止。與12月29日過程強(qiáng)冷空氣持續(xù)南下不同，2月15日過程冷空氣是逐漸補(bǔ)充南下，且冷空氣強(qiáng)度也較為平緩，這利于水汽通道長期維持，因此2月15日過程最終的總降雪量非常接近水汽條件、冷空氣條件、抬升條件都更好的12月29日過程。

圖5 2次過程118.25°E溫度平流剖面（宿遷、泗洪一線）

5 總結(jié)與討論

（1）2020年宿遷2次暴雪過程中，冷空氣都起到重要作用。2次過程冷空氣的共同作用在于使地面降溫提供了相態(tài)變化條件、冷暖交匯提供了抬升觸發(fā)條件。

（2）2月15日暴雪過程的差異在于強(qiáng)冷空氣主要從中層滲透，結(jié)合傍晚多股冷空氣的補(bǔ)充南下，使得過程開始降雪不強(qiáng)有間斷性，但伴隨強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充南下之后降雪強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，這對預(yù)報(bào)總降雪量是一個(gè)難點(diǎn)。

（3）12月29日暴雪過程的差異在于強(qiáng)冷空氣勢力非常強(qiáng)，從低層到中高層全方位南下，且低層冷空氣更早南下。這導(dǎo)致了過程初期雨雪轉(zhuǎn)換迅速，降雪強(qiáng)度一開始就迅速增強(qiáng)，但冷空氣南下速度過快使得最終降雪持續(xù)時(shí)間較短。

（4）緩慢而持續(xù)的中等強(qiáng)度冷空氣南下比強(qiáng)冷空氣的迅速南下更利于降雪過程的維持。