张林梅，李博渊，庄晓翠*，于碧馨，李如琦

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰 836500）

冬季是新疆北部暴雪频发的季节，随着全球增暖，暴雪日数呈现增加趋势，北半球中高纬度地区极端气候的强度和频率增加，暴雪频率呈明显增加趋势[1-3]。近年来，北疆地区暴雪频发，2009年12月—2010年3月北疆出现了60 a一遇的暴雪天气过程，大部分站累计降雪量超过50 mm，阿勒泰、塔城北部等地9个测站出现降雪量超过24.1 mm的大暴雪天气过程，尤其是1月7日阿勒泰地区的暖区暴雪日降雪量突破历史极值；2010年12月3日塔额盆地、阿勒泰地区北部和东部出现暖区暴雪，6个测站达暴雪，其中塔城、额敏、裕民站日降雪量为34.8～39.8 mm，均突破历史极值。在同一年中阿勒泰地区和塔城地区暖区暴雪先后突破极值实属罕见。暴雪天气不仅造成城市交通受阻，而且造成房屋倒塌、牲畜受灾等情况。因此深入研究暴雪的发生、发展和演变规律，对指导该地区经济生产布局、防灾减灾具有重要的意义，为进一步研究暴雪灾害的经济损失奠定基础。

国内外许多学者从暴雪的影响系统、触发机制及水汽输送、中尺度特征等方面进行了大量的研究，欧美国家的暴雪过程大多与温带气旋的发展有关[4-7]，日本的强降雪多与低压系统发展有关，大尺度锋生强迫和湿对称不稳定是海岸、湖岸降雪的主要原因[8]。对于中国的暴雪研究，也有较多成果，如鲁南地区暴雪天气的影响系统为回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋[9]，影响江淮一带的暴雪与中高纬度系统尤其是阻塞高压稳定维持和低纬度的南支槽相互配合有关[10]，西藏高原及豫南地区的暴雪均与孟加拉湾的水汽输送有关[11-12]。这些成果从暴雪的影响系统及发生发展机理等方面提高了对暴雪的认识，同时也为深入研究暴雪提供了较好的依据。

近年来，许多学者对新疆暴雪进行较深入的研究，北疆暴雪发生与极锋急流和副热带急流的位置、强度密切相关，两支急流的叠加和汇合是冷锋暴雪发生的主要大尺度环流形势[13]，水汽一般是以接力的方式到达暴雪区，其中的一条通道沿着地中海—里海、咸海—伊犁河谷接力输送至暴雪区[14-15]，而天山北麓地区的暴雪则是出现在500 hPa槽前、低层切变或辐合区、高层辐散区、温度平流梯度垂直方向大值区、相当黑体亮度温度（TBB）中心边缘梯度较大处的重叠区域[16]。塔城、阿勒泰地区的暴雪过程多为“暖区暴雪”[17]，暖区暴雪通常发生在低层偏东气流和西南气流以及高层的偏西气流交汇处，暴雪落区与高空锋区短波槽前的暖平流、700 hPa辐合线、850 hPa暖切变、西南急流、地面气旋暖区、强的能量锋区、高湿区以及水汽通量辐合区的重合区域一致[18-21]；此外，还对暖区暴雪的中尺度环境场特征及落区进行了详细分析，总结出新疆北部暖区暴雪的三维天气模型[22-23]。那么发生在新疆北部2010年1月上旬和12月上旬的2次暖区暴雪过程，其落区明显不同，是何因素造成？在机理上又有何区别？这些都是亟待探讨的问题。因此，本文围绕上述问题进行分析，以期进一步提高对新疆北部暖区暴雪的认识水平，为预报服务和防灾减灾提供一定的参考依据。

1 资料和方法

选取新疆北部2010年1月4—8日、12月2—6日2次罕见暖区暴雪过程（降雪量级为新疆标准：6.1 mm≤日降雪量≤12.0 mm为大雪，12.1 mm≤日降雪量≤24.0 mm为暴雪，日降雪量≥24.1 mm为大暴雪），利用常规气象观测资料、NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料从环流特征、高低空配置、水汽、动力、热力等方面进行诊断对比分析，运用湿位涡对暴雪的不稳定机制进行分析。

暖区暴雪定义为11月—次年3月新疆北部有≥3站24 h降雪量≥12.1 mm、并伴有ΔP3减压及ΔT24升温（简称“减压升温”）的降雪天气现象[24]。

2 降雪概况及环流特征

2.1 降雪概况

由图1可知，2010年1月4—8日（简称“过程I”，图1a）新疆北部大部出现降雪天气，阿勒泰地区大部、塔额盆地及伊犁州新源县为暴雪，暖区暴雪集中出现在6—7日的塔额盆地和阿勒泰地区，其中1月7日，阿勒泰地区8个站达暴雪，中心位于阿勒泰地区东部富蕴站，日降水量为37.3 mm，为1961—2019年冬季降雪日极值；5日20时—7日20时逐6 h的降雪量逐步增强，7日02—14时富蕴站逐6 h累积降雪量分别达15 mm和16 mm，之后，降雪过程趋于结束。2010年12月2—6日（简称“过程II”，图1b）新疆北部出现降雪天气，暖区暴雪集中出现在12月3日的塔额盆地、阿勒泰地区北部和东部，有6站达暴雪，其中塔城、额敏、裕民站3站日降雪量为34.8～39.8 mm，中心位于额敏站（39.8 mm），均突破历史极值。降雪集中出现在2日20时—3日14时，逐6 h降雪量分别达10、15、10 mm。4—6日降雪出现在北疆其它区域，且降雪量较小，寒潮天气爆发。可见，过程I暴雪持续时间较长；过程II爆发力较强，暴雪持续时间短。

图1 新疆北部2010年2次暴雪过程降雪量分布

2.2 环流特征及影响系统

暴雪前过程I和过程II的共同特征是：500 hPa上极锋锋区和副热带锋区在新疆北部汇合，其上短波槽东移，造成暴雪天气。不同点是：过程I欧亚范围为经向环流，西西伯利亚阻塞高压与极高反气旋接通，在中高纬形成强盛的高压脊，其南部偏东气流使冷涡自贝加尔湖西退至西伯利亚；随后阻塞高压南北分离，北部的高压脊逐渐东移减弱，造成西伯利亚冷涡东移；影响系统西退东移造成阿勒泰地区罕见暖区暴雪天气。而过程II是北欧脊向东南衰退与向北发展的南欧脊反气旋接通，欧亚范围环流经向度加大，极区冷空气南下，极锋锋区南压，并与副热带锋区在中亚到新疆北部汇合，汇合的锋区上短波槽快速东移，造成塔额盆地罕见暴雪天气。可见，2次过程影响系统不同，过程I为低涡型，过程II为短波低槽型，均为典型的暖区暴雪形势[22-24]。

地面图上，2次罕见暴雪落区均位于蒙古高压西南部、中亚低压前部的减压升温区域，分析其暴雪中心富蕴、额敏站地面气象要素时间演变特征可知，降雪集中发生在气压下降、气温缓慢回升、温度和露点线十分接近的过程中，当气压下降到接近最低点时，降雪量最大，随着气压跃升、气温下降，降雪趋于减弱或停止。可见，2次过程均为典型的暖区暴雪过程[22-24]。

综上所述，2次过程大尺度环流背景具有显著的差异，过程I西西伯利亚阻塞高压与极高反气旋接通，在中高纬形成强盛的阻塞高压，使得暴雪持续时间较长；过程II是锋区上短波槽快速东移，使得暴雪持续时间短。

3 高低空配置

过程I暴雪初期1月6日20时，300 hPa新疆北部处于＞36 m·s-1的高空西北急流带中（图2a），其轴线位于北部边境线附近，急流核达48 m·s-1。500 hPa西伯利亚低涡底部强西风（＞24 m·s-1，急流核为40 m·s-1）锋区位于45°～50°N，其上短波槽与中亚东移北上的短波槽在新疆北部汇合。700 hPa上巴尔喀什湖东部到阿勒泰为水平尺度约670 km的＞16 m·s-1的西南低空急流，在塔城与阿勒泰站存在10 m·s-1的风速辐合。850 hPa上塔城、克拉玛依与阿勒泰站为10、6 m·s-1的西南风与8 m·s-1的东南风的暖切变。地面图上阿尔泰山前的偏东风分别与吉木乃到福海的偏西风和北塔山的偏南风在阿勒泰地区西部、中部和东部形成风的气旋性切变。到7日08时高、中、低空急流轴逆转增强（急流核分别为52、48、28 m·s-1），呈西南—东北向，700 hPa在塔城与阿勒泰之间风速辐合减小为6 m·s-1。850 hPa≥12 m·s-1的偏西急流轴位于巴尔喀什湖东部到塔城地区；在塔城、克拉玛依（16 m·s-1的西风和西北风）与阿勒泰（2 m·s-1的南风）之间的暖切变演变为偏西风与南风的冷切变线。

过程II暴雪初期12月2日20时（图2b），300 hPa高空西南急流轴位于新疆西北部边境附近，急流核达64 m·s-1，北疆西部、北部处于＞40 m·s-1的急流带中。500 hPa暴雪区处于西西伯利亚槽前＞36 m·s-1的强西南锋区上，最大风速中心（52 m·s-1）基本与高空急流核重合。700 hPa暴雪区位于西南低空急流轴附近及其右侧，在塔城与阿勒泰之间有12 m·s-1的风速辐合。850 hPa巴尔喀什湖到塔城为＞36 m·s-1的西南低空急流与阿勒泰12 m·s-1的中尺度东南低空急流形成很强的暖式切变。地面图上，塔额盆地为西南风。3日08时，500 hPa及以上急流增强，700 hPa形成＜300 km的中尺度低空急流，急流出口区风速辐合增强到18 m·s-1。850 hPa暖切变减弱为14 m·s-1的西南风与10 m·s-1的东南风。地面冷锋处于境外附近。

图2 次暴雪过程高低空配置及未来24 h暴雪落区

由此可见，过程I暴雪初期500 hPa以上为西北急流，随着降雪的出现高低空急流轴顺转增强，并在850 hPa出现了低空急流。西南低空急流受阿尔泰山脉地形的抬升作用，使暴雪在1月7日02—14时达到最强。过程II暴雪初期及期间高低空均为西南急流，高低空急流均较过程I强，因此12月3日的逐6 h降雪量分布相对均匀，日降雪较大。

4 影响机理

4.1 水汽条件

4.1.1 水汽输送特征

低空急流对于水汽输送起重要作用[25]。分析过程I、过程II暖区暴雪对流层中低层水汽通量矢量可知，暖区暴雪的水汽主要来自大西洋。过程I前期，1月1—2日来自大西洋的水汽沿偏西路径到达地中海后分成两支，第一支沿偏西气流继续东移，第二支东南下到波斯湾和阿拉伯海，在此得到加强，然后沿偏南路径北上，在咸海至巴尔喀什湖与第一股汇合后接力输送至新疆北部暴雪区（图3a）。3—6日第一支水汽路径继续存在，7日主要是巴尔喀什湖的水汽继续接力输送至暴雪区，暴雪期间水汽通量维持在4×10-3~6×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1。过程II前期12月1—2日水汽自大西洋沿西南路径经地中海、里海、咸海到达暴雪区（图3b），该路径的水汽输送至3日14时均较强，之后水汽输送明显减弱；12月5—6日基本无水汽输送。可见过程I水汽有波斯湾和阿拉伯海的水汽补充，较强水汽输送时间长，2次过程在输送路径上存在一些差异，那么在垂直方向上是否存在差异呢？

选取暴雪中心富蕴、额敏站分别绘制水汽通量、比湿及温度的时间—高度剖面图（图3c，3d）。分析表明，新疆北部暴雪区水汽主要分布在对流层中低层。过程I暖区暴雪12 h前水汽输送逐渐增大，到7日02时达最大（强降雪初期），中心位于650 hPa附近达4×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，之后逐渐减小，在强降雪期间比湿也达最大，配合有温度脊，即具有暖湿结构（图3c）。过程II水汽输送大值中心强（位于700 hPa附近达9×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1）、比湿较大（图3d），与该过程低空急流强有关。

图3 2次暴雪中心700 hPa水汽通量（填色，单位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1）、比湿（实线，单位：g·kg-1）（a、b）及温度（虚线，单位：℃）的时间—高度剖面（c、d）

综上可知，水汽输送均在强降雪初期达最大，暴雪区上空具有暖湿结构，过程II水汽输送大值中心明显大于过程I。

4.1.2 水汽收支特征

计算2次暴雪区（过程I：85°～91°E，46°～49.5°N，过程II：82°～84°E，45.5°～47.5°N）逐6 h各边界的水汽输入、输出量，取地面至700 hPa（对流层低层）、700～500 hPa（对流层中层）、500～300 hPa（对流层高层）及整层（地面～300 hPa），分析暴雪过程水汽输送和收支特征。

2次过程西边界为整层输入，并在暴雪前有明显的增大（图4）。过程I、过程II对流层中低层水汽输送量最多，分别占87.49%、77.82%；低层水汽输送大值时段与6 h暴雪最强时段对应，中层在罕见暴雪出现前6 h有明显的增大，在短时暴雪期间维持大值时段。过程I东边界和北边界为整层输出，这与北、东边界为阿尔泰山脉有关；南边界有少量的输入；过程II的北、南边界有少量的输入，东边界为输出，这与塔额盆地为向西开口的喇叭形地形有关。通过计算可知，水汽输入量过程II为100.85×108t，明显的大于过程I（79.67×108t）。

图4 2次暴雪过程各边界整层水汽收支

4.1.3 水汽辐合特征

计算2次过程暴雪中心（富蕴、额敏）上空水汽通量散度与风场及相对湿度的时间—高度剖面（图5），富蕴暴雪前、暴雪中800 hPa及以下为一致的东风或东南风，当转为西南风时，对应的6 h降雪量明显减小；800～700 hPa为偏西风或西南风，700 hPa以上为偏西风，风速随高度明显增大，风的垂直切变大，尤其是降雪最强时段。水汽辐合区主要位于850～600 hPa，中心位于750 hPa附近（-3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1），持续3 h左右；强降雪持续12 h。罕见暴雪前对流层为整层的水汽辐合区，最强降雪时段对流层整层为＞90%的高饱和湿区（图5a）。

图5 2次暴雪中心风场及水汽通量散度（阴影，单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）、相对湿度（等值线，单位：%）的时间—高度剖面

额敏站暴雪前近地层为偏东风，降雪时段为西南风，当转为偏西风后降雪量明显减小，这与塔额盆地向西开口的地形有关。850 hPa及以上为偏西风，风速随高度明显增大，且大于富蕴站。对流层中低层为水汽的辐合区，主要集中在850 hPa附近，最强水汽辐合中心（-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1）持续了12 h左右，强降雪持续18 h；次强水汽辐合区位于700～500 hPa，最强降雪时段对流层整层为＞90%的高饱和湿区（图5b）。综上可知，暖区暴雪对流层低层为水汽强辐合区，强辐合中心持续的时间明显小于强降雪的持续时间，最强降雪时段对流层整层为＞90%的高饱和湿区；降雪期间近地层的风向与地形有关，当风向为偏西风时，暖区降雪趋于结束。

4.2 动力条件

4.2.1 条件性对称不稳定

对称不稳定是大气在垂直方向上对流稳定和水平方向惯性稳定的条件下大气做倾斜上升运动发生的一种不稳定，潮湿大气中的对称不稳定，称为条件性对称不稳定。而湿位涡MPV＜0是大气发生条件性对称不稳定的充分必要条件[27]。由2次罕见暴雪中心的MPV垂直剖面图可知，过程I暴雪前6 h由于低空急流将西南暖湿气流汇入暴雪区，在对流层低层形成MPV＜0，随低空西南暖湿气流的增强MPV＜0，绝对值在7日02时达到最大，中心位于750 hPa附近达-4 PVU，此时范围也最大（图6a），之后受上升气流的影响不稳定能量释放，6 h降雪量最强（达大暴雪）。过程II暴雪也具有上述特征，不同的是，条件性对称不稳定区于降雪前12 h在边界层形成，之后，逐渐向对流层低层伸展，到3日02时达最强，中心位于800 hPa及边界层（＜-4 PVU，图6b），这与低空急流的强度明显强于过程I有关。

图6 暴雪过程MPV垂直剖面

根据上述相对湿度的分布（图5），结合文献[28]对条件性对称不稳定的判据可知，新疆北部罕见暴雪区上空对流层的条件性对称不稳定是存在的。可见，条件性对称不稳定是新疆北部罕见暖区暴雪的一种动力机制，这与高原暴雪的机制相似[29-30]。

4.2.2 垂直环流圈

为了分析垂直环流圈与暴雪的关系，分别沿2次暴雪中心做散度、垂直速度、≥12 m·s-1的急流及垂直环流剖面图。分析过程I沿暖区暴雪中心47°N的纬向散度、垂直速度、急流及垂直环流的剖面图可知，暴雪前高低空急流增强，并在低空急流附近出现较强的上升气流，高空急流前部出现下沉气流，形成了91°E以西的区域上升，91°E以东为下沉的垂直环流圈。随着低空急流的增强，次级环流圈增强，并在强降雪初期7日02时达最强，上升气流达-2.1 Pa·s-1，强降雪中心与最大上升气流基本重合（图7a），之后逐渐减弱，并维持到7日14时，次级环流对应的6 h降雪量为暴雪和大暴雪。同样分析过程II沿暖区暴雪中心做散度、垂直速度、急流及垂直环流的剖面图可知，在暴雪前也形成了一个垂直环流圈，该环流同样在暴雪期间维持，在强降雪中达最强，强降雪中心位于强上升气流前梯度最大的区域（图7b）。

图7 沿2次暴雪中心上空散度（阴影，单位：×10-5）、垂直速度（细实线，单位：Pa·s-1）、风矢量、垂直环流（矢线，u风和垂直速度w×（-100）的合成）剖面

4.3 热力条件

分别对2次罕见暴雪中心做θse的经向剖面图。过程I降雪前6 h在强降雪区的对流层低层θse锋区形成陡立结构，但强度较弱，只有2～3根等值线，之后整个暴雪中，θse锋区形成陡立结构位于800 hPa以上。由沿暴雪中心89.5°E的θse垂直剖面可知，6日14—20时在400 hPa以下暴雪区南部有一θse高能舌区，表明受西南暖湿低空急流的影响，在暴雪区附近与北方干冷气团相遇，形成θse向北倾斜的锋区，对流层低层坡度最大，几乎呈垂直结构（图8a）；随着低空暖湿气流逐渐减弱，使得对流层低层θse锋区陡立结构消失。过程II低空西南急流明显比过程I强，且维持时间长，使得对流层低层θse高能舌明显强于过程I，因此，过程II θse锋区陡立结构维持时间相对较长、强度较强（图8b）。根据吴国雄等[21-22]倾斜涡度发展理论可知，在暖区暴雪前对流低层气旋性涡度增大有利于垂直上升运动的发展和加强。可见，在中高纬度冬季的罕见暴雪中存在与江南夏季梅雨锋及高原暴雪过程相似的结构[22-23]。

图8 2次暴雪中心θse垂直剖面

5 结论与讨论

本文运用常规资料和NECP FNL 1°×1°资料，着重对比分析了2010年1月6—7日和2010年12月2—6日发生在新疆北部的2场罕见暖区暴雪的机理，主要结论如下：

（1）2次过程的相同点：均有南北支系统的汇合；水汽来源及输送基本一致，西边界为整层输入；对流层低层为水汽强辐合区，水汽强辐合持续的时间明显小于强降雪的持续时间，最强降雪时段对流层整层为＞90%的高饱和湿区；均存在条件性对称不稳定、垂直环流圈、θse锋区陡立结构。

（2）2次过程的不同点：（a）过程I是由于西伯利亚冷涡西退东移造成阿勒泰地区罕见暖区暴雪天气，过程II是由于极锋锋区南压，并与副热带锋区在中亚—新疆北部汇合，汇合的锋区上短波槽快速东移，造成塔额盆地罕见暴雪天气。大尺度环流背景具有显著的差异，过程I是西西伯利亚阻塞高压与极高反气旋接通，在中高纬形成强盛的阻塞高压，使得暴雪持续时间较长；过程II是锋区上短波槽快速东移，使得暴雪持续时间短。（b）在高低空配置亦有所差异，过程I是暴雪初、中期850 hPa为偏东气流（急流）、700 hPa为西南急流、500 hPa以上为偏西或西北急流；过程II则是对流层整层为西南急流。（c）过程I水汽输送有波斯湾及阿拉伯海水汽的补充，但过程II的水汽输送量及输入量大于过程I，水汽在南、北、东边界的输入、输出因地形的差异而有所不同。（d）条件对称不稳定区形成的时间及中心有所差异，过程I形成于暴雪前6 h，中心位于750 hPa；过程II形成于暴雪前12 h，中心位于800 hPa及边界层。由于过程II低空西南急流较过程I强，故过程II θse锋区陡立结构维持的时间较长，强度较强。可见，在中高纬度冬季的罕见暴雪中存在与江南夏季梅雨锋及高原暴雪过程相似的结构[22-23]。

本文针对新疆北部2次罕见暖区暴雪过程进行了对比分析，在影响机理方面进一步加深了对北疆暖区暴雪的认识，但后期还需根据类似的历史个例，完善北疆区域的暴雪预报模型，归纳总结出影响罕见暴雪的必要条件及预报指标，以期为当地的防灾减灾工作保驾护航。