2022 年初冬伊犁河谷一次極端暴雪過程診斷分析

祝小梅，范宏云，喬麗盼·別肯

（1.中國氣象局交通重點開放實驗室，江蘇 南京 210041；2.伊犁州氣象局，新疆 伊犁 835000；3.新疆人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002）

暴雪是北疆冬季常見的災害性天氣之一，由降雪引發(fā)的雪災對交通、電力、通信和農(nóng)牧業(yè)造成嚴重的影響。研究表明，在增濕變暖的氣候背景下，新疆各季降水量均有所增加，新疆北部冬季降雪量增幅最大，暴雪日數(shù)呈顯著增加趨勢，暴雪中心主要位于伊犁河谷和塔城地區(qū)北部[1-4]，因此新疆的暴雪天氣受到廣泛關注。近些年，新疆的學者對暴雪的流型配置、影響系統(tǒng)、熱力和動力結構、水汽輸送及中尺度特征等進行了研究。楊霞等[3]通過對1961—2018 年新疆北部冬季暴雪研究指出，暴雪的主要環(huán)流形勢是鋒區(qū)波動型。新疆的暴雪通常由冷鋒引起，其中冷鋒前部的暖區(qū)更易形成暴雪，而低空急流、輻合線和切變線則是導致新疆北部暴雪的關鍵因素[5-6]。北疆暴雪區(qū)上空存在300 hPa 極鋒急流、500 hPa 強西風鋒區(qū)和700 hPa 低空西風急流配置，暴雪區(qū)處于極鋒急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)和低空急流出口區(qū)右側(cè)輻合區(qū)的高低空配置[5，7-8]。北疆暴雪的形成與水汽輸送息息相關，張俊蘭等[9]指出，北疆暴雪的水汽源地主要分布在地中海附近、紅海或波斯灣兩個海域附近；中低緯度的水汽主要通過地中?！锖！毯＝?jīng)中亞地區(qū)以接力方式輸送至暴雪區(qū)[10-11]。暴雪的形成受到多種因素的影響，其中最重要的是動力條件，中低層的輻合作用和高層的輻散作用都有助于暴雪區(qū)的上升運動[12-14]；暴雪區(qū)上空θse鋒區(qū)陡峭和條件的不穩(wěn)定也是導致暴雪的主要原因[15]。針對新疆暴雪的中尺度系統(tǒng)也有一些研究成果[7，16-17]。這些研究揭示了新疆暴雪的成因，為暴雪預報提供了很好的借鑒。在過去50 年[18]，北疆地區(qū)的降雪量呈現(xiàn)顯著的地域性變化，伊犁河谷是北疆暴雪主要發(fā)生區(qū)，其暴雪發(fā)生頻次僅次于天山山區(qū)。然而，目前關于伊犁河谷暴雪的研究有限，尤其是初冬出現(xiàn)的暴雪。

2022 年11 月22—24 日伊犁河谷的極端暴雪天氣過程是以500 hPa 強鋒區(qū)、700 和850 hPa 偏西低空急流為環(huán)流背景的鋒區(qū)降雪。本文對此次極端暴雪天氣過程進行天氣動力診斷分析，研究伊犁河谷暴雪發(fā)生時天氣形勢和物理場特征，為今后極端暴雪預報提供重要參考。

1 研究區(qū)概況及資料

研究區(qū)位于北疆西部的伊犁河谷，北、東、南三面環(huán)山，形成向西開口的喇叭口地形。選用的資料包括：2022 年11 月22—24 日伊寧探空、伊犁河谷10個國家站逐時降水觀測資料；NCEP/NCAR（水平網(wǎng)格為1°×1°，時間分辨率為6 h）用于對溫度平流、垂直速度、散度、濕位渦等物理量分析。運用天氣學診斷方法深入探究暴雪的形成機制，包括水汽、動力、對稱不穩(wěn)定等因素。根據(jù)新疆的標準，24 h 過程降雪量在6.1～12.0 mm 為大雪，12.1～24.0 mm 為暴雪，≥24.1 mm 為大暴雪。

2 雨雪實況及極端性

2.1 雨雪概況及極端性

2022 年11 月22 日03：00—24 日20：00（北京時，下同），伊犁河谷出現(xiàn)大范圍雨轉(zhuǎn)雪過程。降水自22 日03：00 從西部開始，24 日降水量＞25 mm，最大過程降水量出現(xiàn)在霍城站，為50.2 mm（圖1a）。23日有9 個站的日降水量位于建站以來歷史同期第一，8 個站達到新疆暴雪標準，暴雪主要分布在河谷西部和東部，伊寧市達到大暴雪（23 日00：00 之后轉(zhuǎn)雪，至24 日00：00 累計降雪量為26.1 mm）。

圖1 11 月22 日03：00—24 日20：00 伊犁河谷累計降水量（a，單位：mm）和伊寧市站點小時降水量（b，柱狀）和地面氣溫（b，折狀線）及降水相態(tài)演變分布

降水分為2 個階段，第一階段為22 日03：00—20：00，海拔低于1 000 m 的平原地區(qū)為降雨，其他地區(qū)為降雪或雨夾雪；第二階段為22 日21：00—24日20：00，平原地區(qū)自西向東隨著海拔的升高，先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪，這一階段也是強降雪和最大積雪深度的主要時期。

2.2 降水相態(tài)

22 日21：00 鞏留縣轉(zhuǎn)為降雪，之后隨著海拔的升高自西向東先后轉(zhuǎn)雪，大部地區(qū)的降雪主要出現(xiàn)在22 日夜間—24 日白天。河谷東部和南部山區(qū)的降水相態(tài)較為簡單，為雪或雨轉(zhuǎn)雪；河谷西部平原地區(qū)則經(jīng)歷了雨—雨夾雪—雪—雨夾雪的轉(zhuǎn)換。

以河谷西部的伊寧站為例（圖1b），22 日03：00—23 日00：00 伊寧站的降水相態(tài)以雨為主，在23 日00：00—01：00 轉(zhuǎn)為短暫的雨夾雪后，快速轉(zhuǎn)雪，23日01：00—12：00 以降雪為主，23 日12：00—24日12：00 又出現(xiàn)雪或雨夾雪的相態(tài)。根據(jù)圖1b、表1，降雨開始時，0 ℃層的高度在1 100 m 左右，850 hPa 的溫度保持在-2.0 ℃以上，而925 hPa 的溫度＞1 ℃，此外地面氣溫＞1 ℃。第二階段，850 hPa 溫度和地面氣溫持續(xù)下降，23 日02：00，850 hPa 溫度下降至-2.6 ℃，地面氣溫下降至0.4 ℃；08：00 溫度下降至-3.1 ℃，925 hPa 的溫度在-1 ℃以下，地面氣溫基本維持在0.5 ℃以下，0 ℃層高度下降至744 m。此時伊寧站已出現(xiàn)降雪天氣，23 日08：00 新增積雪7 cm。國內(nèi)已有研究表明，0 ℃層高度的變化可導致降水性質(zhì)轉(zhuǎn)變，一般在雨轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪之前會有明顯降低[18]，與本次過程相符。祝小梅等[19]研究表明，當850 hPa 溫度< -2.5 ℃、925 hPa 氣溫< -1.0℃，伊寧市會出現(xiàn)降雪，而這次降雪時伊寧站的溫度條件與該指標相吻合。從地面氣溫與降水相態(tài)的關系可以得出，當?shù)孛鏆鉁兀?.0 ℃時降水相態(tài)以雨為主；<0.5 ℃時，以雪為主；地面氣溫為0.5～1.0 ℃時，降水相態(tài)為雨夾雪。

表1 2022 年11 月22 日08∶00—23 日08∶00伊寧站地面和高空要素

3 環(huán)流形勢

11 月21 日08：00（圖2a），500 hPa 中高緯度里海以北為高壓脊，地中海為長波槽，西西伯利亞地區(qū)為深厚的低渦，且低渦穩(wěn)定少動，咸海至北疆為強的西風鋒區(qū)。北風帶在烏拉爾山地區(qū)建立，引導新地島冷空氣南下。21 日20：00（圖2b），地中海長波槽向南加深，槽前暖平流使里海脊向北發(fā)展，地中海處的暖濕氣流沿著里海脊后的西南氣流向北輸送并東移，與穩(wěn)定維持的西西伯利亞低渦引導南下的冷空氣在里咸海以北交匯，使得咸海至北疆的西風鋒區(qū)繼續(xù)加強，冷暖空氣溫差達8 ℃以上，之后西風鋒區(qū)不斷分裂短波東移。降水期間，700 hPa 中亞至北疆的偏西急流（≥12 m/s）不斷加強，21 日20：00，中心向東移動，并迅速增加至26 m/s，為暴雪形成提供了持久而豐富的水汽條件。在雨雪過程期間，850 hPa 從中亞至伊犁河谷也一直保持著西風急流（≥12 m/s），21 日20：00，西風急流中心值東移并增加到22 m/s，使得伊犁河谷成為偏東風和偏西風的交匯點，有助于水汽聚焦，最終形成強降雪。

圖2 11 月21 日位勢高度（實線，單位：dagpm）和溫度場（虛線，單位：℃）分布（a 為08：00，b 為20：00）

里海脊發(fā)展，地中海處暖濕氣流沿槽前西南氣流向北輸送，并與西西伯利亞低渦引導南下的冷空氣交匯，在西西伯利亞低渦底部中亞地區(qū)形成強西風鋒區(qū)，并分裂短波東移，是此次暴雪天氣的大尺度環(huán)流背景。低空偏西急流為暴雪區(qū)提供了持續(xù)充足的水汽條件。此次天氣具有典型北疆暴雪的高低空急流配置[5]，300 hPa 極鋒急流（中心值＞40 m/s），500 hPa 強西風鋒區(qū)，700 hPa 低空西風急流（≥12 m/s），暴雪區(qū)位于300 hPa 極鋒急流入口右側(cè)輻散區(qū)和低空急流出口區(qū)前部的輻合區(qū)內(nèi)。

4 水汽和動力特征

4.1 水汽特征

北疆暴雪的水汽來源主要是地中海、紅?；虿ㄋ篂砙9]，這些地區(qū)的水汽可以從西方、西南和西北3個方向輸送到暴雪區(qū)，水汽的供應對暴雪的形成和發(fā)展起著至關重要的作用。此次暴雪過程的水汽主要來自地中海，水汽從地中海沿槽前西南急流輸送至黑海以北，然后沿偏西急流經(jīng)里海北部、咸海加強后，最后經(jīng)巴爾喀什湖南部進入伊犁河谷。

21 日08：00 偏西急流在咸海至巴爾喀什湖之間建立，且急流中心偏向于咸海，自西向東的水汽通量高值帶與偏西急流中心相吻合，水汽通量為6～9 g·cm-1·hPa-1·s-1，此時伊犁河谷暴雪區(qū)上空水汽通量在2 g·cm-1·hPa-1·s-1左右，不存在明顯水汽輻合。隨著偏西急流向東推進加強，水汽向東輸送，水汽通量高值帶東移。22 日02：00（圖3a），水汽通量達顯著增加，并移至巴爾喀什湖以南，中心值達10 g·cm-1·hPa-1·s-1，此時暴雪區(qū)上空水汽通量略有增加，達3～4 g·cm-1·hPa-1·s-1，并形成水汽輻合中心，中心最大水汽通量散度為-1.5×10-5～-2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，03：00 以后伊犁河谷西部出現(xiàn)降水。20：00（圖3b），水汽通量增加至5～6 g·cm-1·hPa-1·s-1，暴雪區(qū)上空維持水汽輻合，且輻合中心東移至河谷東部，水汽通量散度中心值增加至-2×10-7～-2.5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，20：00 以后是降水最強時段。24 日08：00暴雪區(qū)上空水汽通量減小，水汽通量散度轉(zhuǎn)為正值，降雪逐漸減弱并停止。

圖3 11 月22 日02：00（a）和20：00（b）700 hPa 水汽通量（矢量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（陰影區(qū)，單位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1）水平分布

從大暴雪區(qū)（伊寧站）地面～300 hPa 水汽通量和水汽通量散度的時間—高度剖面可知，水汽輻合主要集中在700 hPa 以下。值的關注的是，中層出現(xiàn)強水汽輻合中心時并不是降水最強時段，而是在低層出現(xiàn)水汽的輻合中心時，強降雪才出現(xiàn)。

綜上所述，中亞至伊犁河谷的偏西急流不僅將大量的水汽輸送至暴雪區(qū)，還在暴雪區(qū)的上方形成強的水汽輻合中心，為本次暴雪天氣提供了有利的水汽條件。隨著水汽輸送的增加，水汽輻合隨之加強，但強降雪出現(xiàn)在中層強水汽輻合中心之后、低層出現(xiàn)水汽強輻合時，這是否可以成為預報強降雪時段指標，還需要一定的個例檢驗。

4.2 動力特征

從沿暴雪中心伊寧站的散度場垂直剖面（圖4）可看出，22 日08：00 低層輻合加強且向上抬升至200 hPa，在200～100 hPa 出現(xiàn)中心強度為3×10-5s-1的強輻散中心，低層輻合、高層輻散使得整層大氣的垂直上升運動加強，暴雪區(qū)上空上升運動明顯加強，最高發(fā)展到350 hPa，中心值達到-4.0 hPa·s-1，位于600～500 hPa，此時伊犁河谷開始出現(xiàn)降水，伊寧市以降雨為主。強降水時段（22 日14：00—23 日14：00），暴雪區(qū)上空并不是單純的低層輻合、高層輻散結構，而是出現(xiàn)了雙輻合—輻散結構，表現(xiàn)在500或700 hPa 以下為輻合區(qū)，以上到300 hPa 附近為輻散區(qū)，300～200 hPa 又為輻合區(qū)，200 hPa 以上為輻散區(qū)。而且隨著低層的輻合區(qū)向上抬升，中高層的輻散區(qū)也向高層抬升并加強，從垂直運動場上可以看出，此階段暴雪區(qū)上空整層都維持上升運動，500 hPa 以下上升運動也增至-1.0 Pa·s-1。上升運動的長時間維持及加強有利于降水的維持和加強。23日04：00—09：00 累計降雪量達12.3 mm（暴雪），小時降雪≥1.0 mm，06：00—07：00 小時降雪量達4.0 mm。24 日14：00 之后雙輻合—輻散結構減弱，高層的輻散中心消失，從垂直運動場上可以看出，此時暴雪區(qū)上空中低層為下沉運動，降雪趨于停止。雙輻合—輻散的散度場結構，以及低層的輻合區(qū)抬升，中高層的輻散區(qū)的加強，有利于暴雪上空上升運動的維持和加強，并出現(xiàn)大降水。因此雙輻合—輻散結構的散度場特征可以作為預報降雪加強的指標。

圖4 11 月21—24 日暴雪中心（伊寧站）散度場（單位：10-5 s-1）和垂直速度場（單位：hPa·s-1）剖面（陰影為散度場，等值線為垂直速度）

4.3 對稱不穩(wěn)定條件

濕位渦ξMPV可以反映大氣的穩(wěn)定性[20]，在暴雨診斷中對強降水的落區(qū)具有較好的指示意義[21-22]，近年來在暴雪也應用較廣[23-26]。濕位渦由渦度矢垂直分量（ξMPV1）和渦度矢水平分量（ξMPV2）組成，前者是正壓項，主要表征大尺度水平方向的慣性穩(wěn)定性和對流穩(wěn)定性；后者是溫斜壓項，主要包含溫斜壓性和水平風垂直切變的貢獻。當ξMPV1＞0 時，大氣處于對流（或慣性）穩(wěn)定狀態(tài)，反之不穩(wěn)定；當ξMPV2<0 時，大氣處于對稱不穩(wěn)定狀態(tài)，反之穩(wěn)定；當ξMPV1＞0 且ξMPV2<0 時，表示大尺度上大氣處于層結對流穩(wěn)定狀態(tài)，但在中尺度上發(fā)展出斜升氣流，存在對稱不穩(wěn)定能量，有利于氣旋性渦度發(fā)展和暴雪的發(fā)生。

21 日20：00 伊犁河谷整個區(qū)域ξMPV1＞0，但在暴雪區(qū)沒有出現(xiàn)ξMPV1＞0 且ξMPV2<0 的配置，說明此時大氣處于對流穩(wěn)定狀態(tài)。22 日20：00，伊犁河谷整個區(qū)域仍維持ξMPV1＞0 的狀態(tài)，說明在大尺度上是對流穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雪區(qū)出現(xiàn)了ξMPV1＞0 且ξMPV2<0 的配置，此時相應區(qū)域降水加強，23 日01：00 小時平均降水在1.7 mm 左右。23 日02：00（圖5），ξMPV1＞0 且ξMPV2<0 的配置仍維持，暴雪區(qū)的ξMPV1由4.2 PVU（1 PVU=10-6m2K kg-1s-1）減小到2.4 PVU，但ξMPV2中心絕對值由0.25 PVU 迅速增至1.8 PVU。08：00 降雪明顯增強，從自動站觀測到最大小時降雪達到4 mm，這與李如琦等[26]研究是一致的。

圖5 11 月23 日02：00 700 hPa 濕位渦（單位：PVU，1 PVU=10-6 m·2K·kg-·1s-1）（陰影為濕正壓項（ξMPV1），等值線為濕斜壓項（ξMPV2），灰色陰影表示地形）

5 結論

（1）本次極端暴雪天氣過程是發(fā)生在西西伯利亞低渦底部強鋒區(qū)中的鋒區(qū)降雪，具有典型北疆暴雪的高低空急流配置，暴雪區(qū)位于300 hPa 極鋒急流入口右側(cè)輻散區(qū)和低空偏西急流前部的輻合區(qū)內(nèi)。

（2）當?shù)孛鏆鉁兀?.0 ℃時，降水相態(tài)以雨為主；<0.5 ℃時，以雪為主；地面氣溫為0.5～1.0 ℃時，降水相態(tài)為雨夾雪。

（3）中亞至伊犁河谷的偏西低空急流不僅將大量的水汽輸送至暴雪區(qū)，并在暴雪區(qū)的上方形成強的水汽輻合中心，為本次暴雪天氣提供了有利的水汽條件。隨著水汽輸送的增加，水汽輻合隨之加強，強降雪出現(xiàn)在中層強水汽輻合中心之后、低層出現(xiàn)水汽強輻合時，這是否可以成為預報強降雪時段指標，還需要一定的個例檢驗。

（4）雙輻合—輻散的散度場結構，以及低層的輻合區(qū)抬升，中高層的輻散區(qū)的加強，有利于暴雪上空上升運動的維持和加強，并出現(xiàn)大降水。因此雙輻合—輻散結構的散度場特征可以作為預報降雪加強的指標。

（5）暴雪過程發(fā)生時大氣處于對流穩(wěn)定狀態(tài)，但存在對稱不穩(wěn)定能量的釋放。暴雪區(qū)主要發(fā)生在ξMPV1＞0、ξMPV2<0 且絕對值迅速增加區(qū)域。暴雪區(qū)域隨著冷空氣自西向東的楔入和ξMPV1＞0 且ξMPV2<0 配置區(qū)的東移而東移。