于碧馨，洪 月，张云惠，吐莉尼沙，许婷婷，李 娜，阿不力米提·阿布力克木

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

近些年，新疆致灾暴雪频发（新疆暴雪和大暴雪标准分别为日降雪量＞12 mm和24 mm），如乌鲁木齐市2014年12月8日、2015年12月11日的暴雪先后刷新了12月的日降雪量历史记录[1-5]，此类极端暴雪事件影响面广，受灾程度大，引起社会各界的高度关注。新疆暴雪常在高中低纬度系统及高中低层不同尺度系统相互作用下产生，有复杂的水汽源地（中纬度地中海、里咸海；低纬度阿拉伯海、红海或波斯湾）、异常水汽源汇结构和强有力的水汽集中机制，而低空急流、低空切变线和辐合线则是大暴雪的主要触发机制[6-8]。新疆具有“三山夹两盆”的特殊地形与地貌，不同区域的强降雪又各有地域特点[7]，北疆北部的暴雪多在500 hPa西西伯利亚低槽或冷涡底部纬向强锋区影响下，地面高压后部低压前部的减压升温区域内的“暖区暴雪”，低层偏东气流与西南气流形成的暖式切变线至关重要[8-9]；天山北坡则是500 hPa西西伯利亚低槽与中亚低槽南北结合的经向强锋区进入后的“冷锋暴雪”，低层西北急流有关键的动力触发和地形的强迫抬升作用[1-5]；中亚低涡是造成南疆西部暴雪的重要影响系统，低涡打转分裂短波东移，同时南疆盆地有冷空气回流东灌，这种“东西夹攻”形势则是南疆西部暴雪产生的典型环流配置，而低层偏东气流是不可缺少的重要成员[10-11]。可见，气象工作者对于新疆暴雪研究多分布在北疆北部、天山北坡和南疆西部，但对天山两麓强降雪过程的分析则较少[12]。也有专家提出需要加强对暴雪区的对比分析[7]，深入研究强降雪影响系统的三维精细结构特征以及强降雪发生、发展和维持的物理机制。张家宝等[13]在分析天山两麓大降水时指出，“里黑海脊迅速发展，乌拉尔南端低槽与中亚低槽结合加深、东移进入新疆”是有利的天气形势，但对天山两麓不同地形条件下的降雪机理、中尺度系统特征以及低空急流在暴雪天气中的温湿特性未做详细分析。

2017年2 月中旬，天山两麓遭受暴雪袭击，暴雪对机场航班、交通出行及供暖供电等造成不利影响。本文使用小时降水量分析这次暴雪过程的降雪特点；利用常规观测及NCEP/NCAR再分析资料（0.25°×0.25°），采用天气动力学分析方法，对暴雪过程的大尺度环流背景及动力、水汽、热力条件进行诊断分析，剖析造成此次极端暴雪的多尺度天气系统配置特征，同时结合逐小时地面加密观测和FY-2G卫星相当黑体亮温（TBB）资料分析中尺度特征，总结天山两麓暴雪预报思路，为提高暴雪落区与强度预报准确率提供参考依据。

1 暴雪过程概况

2017年2月18 日夜间—20日夜间，新疆大部出现降雪，其中伊犁河谷东部、天山北麓大部及天山南麓的局部累计降雪量16站＞12 mm，2站＞24 mm。天山两麓各有1个暴雪中心：一是天山北麓中部的乌鲁木齐，2月19日08时（北京时，下同）至20日08时日降雪量25.3 mm，过程累计降雪量25.8 mm，新增积雪深度29 cm；二是天山南麓阿克苏地区的沙雅，20日08时—21日08时日降雪量14.7 mm，过程累计降雪量25 mm（年平均降水量47.3 mm）（图1a）。多地出现极端暴雪，19日石河子市、乌鲁木齐市、昌吉州等20个国家观测站中12站日降雪量破2月历史极值，20日沙雅突破冬季日降雪极值。此次降雪的特点是过程范围广、强降雪落区集中、雪强大、极端性强。

图1b为天山2麓两个暴雪中心乌鲁木齐站、沙雅站逐小时降雪量。乌鲁木齐站强降雪主要集中在19日14时—20日08时。19日18时—20日00时累计降雪13 mm，6 h降雪量已达暴雪量级，其中19日21时、23时和20日00时3个时次雪强＞2 mm/h；沙雅站强降雪主要集中在20日02—20时（较乌鲁木齐强降雪晚6 h），其中20日02—05时、10—13时2个时段3 h降雪量分别达7.6 mm和6.3 mm，最大雪强达4 mm/h，说明天山南麓的降雪强度具有短时强降水的特征[14]。

2 环流背景与高低空系统配置

2.1 500 hPa环流背景与影响系统

2月16—17 日降雪前欧亚范围为“两脊一槽”，高、中、低纬均有低槽活动，中低纬环流经向度大。南欧地区高压脊向北发展至60°N，下游新疆至贝加尔湖西侧为高压脊区，西西伯利亚低槽、乌拉尔山南端低槽及伊朗西部低槽气旋性打通，低槽呈东北—西南向，槽底南伸至30°N以南，588 dagpm线位于20°N附近。这与2015年12月天山北坡极端暴雪天气过程前期形势相似[5]。18日20时受到短波槽侵袭，南欧脊衰退，推动伊朗西部低压槽东移至中亚偏南地区，与乌拉尔山南端的低槽南北向迭加，槽前西南风风速由24 m/s加强至40 m/s。新疆受槽前强西南急流控制，锋区加强，北疆偏西地区开始降雪（图2a）。受中亚地形影响，低槽东移至巴尔喀什湖附近时分为两段且北段移速略快于南段，19日20时北支乌拉尔低槽槽前偏西气流与南支中亚偏南槽前西南暖湿气流交汇至伊犁河谷至天山北麓（图2b）造成该区域的强降雪；而中亚偏南低槽移速缓慢，不断分裂短波进入南疆，与南疆塔里木盆地东灌的冷空气，形成“东西夹攻”形势[17-19]，有利于南疆降水。由于下游脊的阻挡，天山两麓受低槽前西南气流持续影响，为产生暴雪提供了有利的环流背景。

图2 2017年2月500 hPa位势高度场（实线，单位：dagpm）、温度场（虚线，单位：℃）和风场

2.2 高低空系统配置与地形影响

19日20时200 hPa西南急流自南疆西部伸至北疆上空，急流核位于北疆，最大风速达52 m/s，天山北麓暴雪区在急流核右侧，天山南麓暴雪区在急流入口区右侧。700～850 hPa，19日14时北疆中部建立西北急流，急流轴最大风速达26 m/s，天山北麓暴雪区在急流出口区左侧强辐合区，受天山山脉地形阻挡，地形强迫抬升作用强。19日20时影响北疆的冷空气东灌进入塔里木盆地，850 hPa偏东急流中心风速最大达24 m/s（在冬季较为罕见[10]），急流前端伸至阿克苏地区中部；20日02时冷空气翻越西天山，700～850 hPa在库车县至轮台县一线建立10 m/s左右的偏北气流，天山南麓暴雪区正位于偏北风与偏东风的风向切变及偏东急流前方的风速辐合区。此外，阿克苏地区海拔高于900 m，有着西北高、东南低的地形，低层偏东急流与地形产生的动力与辐合抬升加剧了降雪强度。地面冷高压中心沿西方路径移动，19日08时从中亚南部快速东移北上，20时移至巴尔喀什湖南侧，20日02时缓慢东移并加强到1045 hPa，冷锋在天山北坡受地形阻挡滞留，天山南麓出现明显翻山风（图3）。

图3 2月20日02时天山两麓暴雪区高低空系统配置和冷空气路径图

天山北麓暴雪是在典型后倾结构的高低空系统配置下产生，地面冷锋、700～500 hPa低槽随高度向西北方倾斜；天山南麓暴雪为典型“东西夹攻”形势，500 hPa低槽分裂短波东移，700～850 hPa偏东急流东灌冷空气。暴雪区高低空有200 hPa西南急流、500 hPa偏南气流和700～850 hPa低空急流（北疆西北急流、南疆偏东急流）3支气流，提供有利的动力条件。

2.3 低空急流及其温湿特性

低空西北急流与偏东急流的建立分别是天山北、南两麓强降雪出现和持续的重要条件，很多专家从动力、水汽等物理机制方面将其对降水的贡献做了深刻剖析[1-5，10-12]，低空急流的风速脉动会导致降水强度的变化，这两支气流的温湿特性也一直是大家讨论的热点。强降水也与地面风向风速的变化有关，地面中尺度切变和辐合有利于降水增强[1-2]。

2.3.1 天山北坡西北急流

图4a中选取的代表站呼图壁、昌吉、乌鲁木齐3站为西北—东南向分布。天山北麓降雪强度与新疆北部低空西北急流的建立与发展、地面偏北风的增强均有关。19日11时地面冷锋东移南压先进入天山北麓，沿天山一带多站开始由东南风转为偏北风。19日14时的850～700 hPa塔城地区东部至天山中部西北急流建立，且850 hPa风速＞700 hPa。其携带强冷湿平流进入（图4c），温度骤降、相对湿度增大至90%（08时转风向前相对温度不足50%），地面3 h气压上升5～6 hPa、偏北风开始加大。19日20时西北急流东移至北疆中部，风速加大且急流前方的乌鲁木齐附近风向转为偏北风，地面气压继续上升3～4 hPa， 偏北风再次快速加强，00 时达 8～10 m/s。乌鲁木齐上空偏北风与天山地形相垂直，地形强迫抬升作用增强。从3站的地面极大风速变化看，2次风速的加强，乌鲁木齐均处于偏北风风速辐合点，对应2次雪强加大。19日夜间随着低空西北急流减弱，降雪趋于减弱。

2.3.2 南疆塔里木盆地偏东急流

图4b中库车站位于沙雅北侧，为其上游翻山风代表站；铁干里克站位于沙雅东侧，为其上游东灌代表站。天山南麓降雪强度与南疆塔里木盆地低空偏东急流的建立与发展、天山南麓翻山偏北气流的建立及地面偏东风的增强均有关。19日08—17时南疆塔里木盆地被中心强度为1005 hPa的热低压控制。19日14时低层冷空气东灌进入盆地东部，且850 hPa偏东风强于700 hPa。19日20时低空偏东风增强为急流，对应地面铁干里克偏东风极大风速也增至12m/s。偏东急流携带着冷湿空气西伸，相对湿度＞70%（图4d）。同时冷空气也开始从阿克苏西北部翻山进入盆地，地面库车偏北风极大风速从3.3 m/s增大至14.9 m/s，沙雅也受到翻山风影响转为偏北风且风速加大。20日02时700 hPa沙雅转为东南风，与天山南麓地形几乎垂直，增强了地形强迫抬升。东灌冷空气也进一步加强，850 hPa偏东急流达24 m/s，沙雅位于急流前方且地面转为偏东风，与库车偏北风形成风向辐合。此时500 hPa由偏西风转为西南风，偏南暖湿气流在低空冷垫上爬升，对应沙雅雪强连续2 h在2.5～3.0 mm/h。20日08时850 hPa阿克苏地区东部有偏东风与偏北风的风向切变，700 hPa东南风与阿克苏西北部天山地形辐合，使得强降雪持续。从3站的地面极大风速值来看，2次雪强的增强，沙雅均处于偏东风与偏北风的辐合点且有地面极大风速的增大。随着低空偏东急流减弱，降雪趋于减弱。

图4 2017年2月19—20日天山两麓暴雪中心及其周围各代表站地面极大风速和其上空850 hPa、700 hPa风速随时间变化（a、b，黑色箭头处为强降雪时段，红色箭头处为风速加大时段；单位：m/s）和2017年2月17日08时—21日08时风场（单位：m/s）、温度场（红色虚线，单位：℃）、相对湿度（绿色阴影区，单位：%）沿 44°N，87.5°E 剖面（c）和 41°N、83°E（d）时空剖面

3 水汽特征

3.1 水汽源地与输送路径

分析整层及各层的水汽通量表明，此次暴雪水汽源地主要位于阿拉伯半岛西侧的红海和伊朗高原西南侧的波斯湾至阿拉伯海北部一带。红海的水汽沿着偏西气流经波斯湾—阿拉伯海加强后，随中亚低槽前西南气流输送至新疆，同时有由北支槽前偏西气流接力输送的里海至咸海水汽补充。强的西南水汽与偏西水汽合并送入北疆，水汽通量最大达10～15 g/（cm·s），部分水汽又沿着偏东气流灌入南疆盆地，而这支最大则不足10 g/（cm·s）。水汽通量大值区沿着850～400 hPa主要气流方向输送至新疆。18日600～400 hPa有红海—波斯湾—阿拉伯海的水汽向新疆西北部输送，暖湿水汽主要沿着中亚低槽前西南气流北上，同时部分水汽绕过帕米尔高原，与乌拉尔槽前携带的偏西水汽汇合。19日08时天山北麓有偏西风与西南风的水汽通量矢量辐合（图5a）。19日14—20时以西南水汽输送为主且强度加强，水汽通量中心值达4～6 g/（hPa·cm·s），输送至天山两麓。850～700 hPa里海至咸海的偏西路径水汽到达巴尔喀什湖后接力输送至新疆，先沿低空西北急流到达天山北麓上空，后沿偏东急流进入南疆盆地。19日20时偏北风和偏东风的水汽通量开始向天山南麓暴雪区输送（图5b），20日02时塔里木盆地偏东急流携带水汽输送加强，天山南麓大部分地区水汽通量达4～6 g/（hPa·cm·s）。可见，降雪前600～400 hPa有西南气流水汽输送，850～700 hPa水汽输送强度则在降雪前6 h增大，进入新疆后低层偏西水汽输送强于中层西南水汽输送。

3.2 水汽辐合机制

图5c、5d为水汽通量和水汽通量散度分别沿暴雪中心乌鲁木齐站和沙雅站的时间高度剖面。19日08—20日08时乌鲁木齐上空从近地面至700 hPa存在水汽辐合，最强辐合出现在19日20时、850 hPa附近，水汽辐合中心值＜-35×10-6g/（hPa·cm2·s）。19日 20—20日 20时沙雅上空 850～700 hPa存在水汽辐合，最强辐合出现在20日02—11时、850～750 hPa，水汽辐合中心值＜-25×10-6g/（hPa·cm2·s）。说明低层偏西水汽进入北疆后，沿着低空西北急流向着天山北麓快速集中并辐合，后又沿着低空偏东急流进入南疆盆地，在偏东急流和天山南麓阻挡下辐合抬升，同时也能发现低层水汽贡献高于中层。

图52017 年2月19日水汽通量（a为08时500 hPa，单位：g/（hPa·cm·s）；b为20时850 hPa，单位：g/（hPa·cm·s））和18日08时—21日08时水汽通量（矢量，单位：g/（hPa·cm·s））与水汽通量散度（阴影区，单位：10-6g/（hPa·cm2·s））时间高度剖面（c为乌鲁木齐站；d为沙雅站）

4 天山两麓暴雪中心中尺度特征

4.1 温湿及垂直运动剖面结构

4.1.1 天山北麓暴雪中心——乌鲁木齐

17—18日700 hPa以下天山北麓存在逆温，乌鲁木齐维持阴雾天气。分析暴雪区假相当位温和比湿剖面变化表明，18日14时近地面至700 hPa垂直梯度比18日08时大，形成能量锋区，位势不稳定性加强直至19日08时。 19日14时随着低空西北急流进入，逆温层破坏，700 hPa以下垂直梯度开始减小，释放位势不稳定能量，暴雪中心（43.5°N附近） 比湿增大至2.5 g/kg。19日20时600～500 hPa暖湿气流沿低空冷垫爬升，使得锋区在700～500 hPa加强且随高度向北倾斜。700 hPa以上锋区等值线明显上凸，说明此处冷湿气流更强，近地层比湿最大达3 g/kg（图6a）。

分析19日20时暴雪中心乌鲁木齐（44°N，87.5°E）垂直环流和垂直速度的剖面可以看到，43.5°～44.5°N、86.5°～88.5°E 500 hPa 以下为强上升运动（图6b），这一区域也正好是天山北麓低空西北急流的位置，可见地形强迫对中尺度垂直上升运动的强化作用。西北急流受天山阻挡强迫爬升，到600～500 hPa分为2支，一支在乌鲁木齐上空与500 hPa西南气流形成一弱中β尺度次级环流圈，一支在天山山顶形成另一中β尺度次级环流圈。地形强迫的次级环流为暴雪提供了中尺度上升运动[1]。19日20时850～700 hPa乌鲁木齐附近最强上升运动，垂直速度值超过17×10-2m/s，山脉两侧的上升运动均强于山顶，这是乌鲁木齐降雪最强的原因。

4.1.2 天山南麓暴雪中心——沙雅

19日沙雅高气温升至10～13℃，20时700 hPa温度骤降至-4℃左右，地面温度降至2℃以下，开始降雪。分析暴雪中心沙雅附近假相当位温和比湿剖面发现，19日20时θse在41°N附近近地面为320 K的高值中心，42°N附近山坡上由于冷空气翻山有304 K的低值中心，沙雅站近地面至700 hPa存在强的对流不稳定（图 7a）；700 hPa 比湿达3 g/kg。20日02时强降雪开始，沙雅低层比湿增大至3.5 g/kg，受低层辐合及地形强迫抬升触发，对流不稳定能量被释放，使得沙雅站上空转为304 K的低值中心，但40°N附近仍存在弱的对流不稳定。

从 20日 02时暴雪中心沙雅站（41°N，83°E）经向与纬向的垂直环流和垂直速度剖面来看，在41°N附近为中尺度垂直上升运动，与500 hPa西南气流汇合，在沙雅北部形成中β尺度次级环流圈，天山南麓强上升运动位于沙雅站上空，垂直速度达5×10-2m/s（图7b）。可见，天山南麓的暴雪对流性更强，但系统性动力作用小于天山北麓暴雪区。

图6 2017年2月19日20时假相当位温（a，实线，单位：K，）、比湿（a，虚线，单位：g/kg）和合成风场（b，流线，单位：m/s）与垂直速度（b， 彩色区，单位：10-2m/s，）沿 87.5°E 垂直剖面

图7 2017年2月19日20时假相当位温（a，实线，单位：K，）、比湿（a，虚线，单位：g/kg）和20日02时合成风场（b，流线，单位：m/s）与垂直速度（b，彩色区，单位：10-2m/s，）沿 83°E 垂直剖面

4.2 中尺度云团特征

2月19日19 时—20日02时，影响天山北麓暴雪的是TBB≤-48℃的中-β云团A、TBB≤-52℃的中-β云团B和TBB≤-52℃的中-α云团C。19日20时随着中纬度强锋区进入及地面冷锋快速进入，天山中部上空的中-β云团A和B随着引导气流东移北上，云团C在21—22时猛烈发展为TBB≤-52℃的中-α云团（图8a），19日23时至20日02时东移影响天山北麓暴雪（图8b）。中尺度云团A、B、C先后东移，对应乌鲁木齐6 h降雪量达16.2 mm，且小时雪强超过2 mm/h，乌鲁木齐均位于3个云团的北至东北侧TBB等值线梯度最大区。

2月20日02 —05时和11—14时，影响天山南麓暴雪的为TBB≤-60℃的中-α云团 D和TBB≤-44℃的中-β云团E、F、G。 20日02时随着东灌冷空气进入盆地以及高空短波槽东移，天山南麓上空有TBB≤-60℃的中-α云团D缓慢东移（图8a，8b），对应天山南麓出现强降雪，沙雅02—05时降雪达7.4 mm。11—14时先后有3个TBB≤-44℃的中-β尺度云团连续在阿克苏地区东北部生成、发展和消亡，两段强降雪期间沙雅均位于4个云团的西南侧TBB等值线梯度最大区。

图8 2017年2月20日02时（a）、03时（b）分辨率为0.1°×0.1°的逐小时FY-2G红外云图TBB演变

5 结论

（1）此次天山两麓极端暴雪过程是在500 hPa南欧高压脊衰退、乌拉尔低槽与中亚偏南低槽结合后分段东移的环流背景下，低槽在中亚地区加强、南伸，北支槽前偏西气流与南支槽前西南暖湿气流交汇，造成天山北麓暴雪，高低空系统配置呈典型后倾结构；南支低槽分裂短波东移，与700～850 hPa偏东气流东灌冷空气“东西夹攻”，造成天山南麓暴雪。暴雪区200 hPa西南急流、500 hPa偏南气流和700～850 hPa低空偏东急流3支气流是重要天气系统。

（2）影响天山北麓暴雪的低空西北急流为冷湿气流，其风速的增大比降雪的增强提早12 h，且风速最大时雪强最大；影响天山南麓暴雪的低空偏东急流也为冷湿气流，比降雪提前6 h出现，其风速与地面极大风速几乎同时增大，近地面至对流层低层均存在辐合。

（3）暴雪主要水汽输送通道在850～400 hPa，降雪前中层600～400 hPa有西南水汽输送，低层850～700 hPa水汽输送强度则在降雪前6 h加大，进入新疆后低层偏西水汽输送强于中层西南水汽输送，水汽通量最大达4～6 g/（hPa·cm·s），水汽辐合主要在850～700 hPa。

（4）天山两麓暴雪中心中尺度特征差异明显，乌鲁木齐降雪前位势不稳定性加强，而低空西北急流在天山北麓的地形强迫强化了中尺度垂直上升支和次级环流圈，并释放位势不稳定能量，地形对暴雪有增幅作用；沙雅降雪前有明显的对流不稳定，东灌与翻山冷空气和其地形产生的低层质量辐合形成中尺度垂直上升支，维持次级环流圈，触发并释放对流不稳定能量，对流性更强，而系统性动力作用小于乌鲁木齐暴雪的。

（5）中尺度云团是造成天山两麓暴雪的直接影响系统。天山北麓暴雪是受中纬度强锋区上东移的2个中-β云团和1个中-α云团影响，而天山南麓暴雪主要受缓慢东移的1个中-α云团和3个中-β云团影响，强降雪期间暴雪中心均位于云团TBB等值线梯度最大区。