王 喜，向 阳，张 琴，张 玲，王 琴

(1.泰州市气象局，江苏 泰州 215300；2.淄博市气象局，山东 淄博 255300)

引 言

江苏省冬季出现区域性降雪的次数虽然不多，但降雪会给交通、设施农业、电力等带来较大的危害，对降雪天气的准确预报能有效降低其带来的不利影响。近年来对暴雪的研究相对较多[1-10]，但一般性的降雪天气很容易被忽视。降雪与降雨影响明显不同，通常中雨甚至大雨不会对交通、防汛及人民生产生活带来太大影响。而降雪则不同，随着社会经济的发展、城市规模的扩大，即使是一般性的降雪也已成为影响城市生活的高敏感天气之一。蒋大凯等[11]通过对辽宁省近10年来区域性暴雪、大雪、中雪天气过程的分析，针对不同的水汽通道，给出了降雪过程中水汽、动力条件物理量的阈值区间。宫德吉等[12]对低空急流与内蒙古大(暴)雪关系的分析结果表明，低空急流的强度可作为降雪量和暴雪落区的短期预报指标。张俊兰等[13]对北疆11次典型暴雪天气的水汽特征研究表明，中低层水汽输送、辐合强度及持续时间与暴雪强度具有较好的正相关关系。尹东屏等[14]对发生在江苏2次不同量级的降雪进行对比分析后发现，中雪和暴雪过程中，无论是急流的强度还是物理量场，二者都存在明显的区别，相对于中雪而言，暴雪有配置完善的低空辐合和高空辐散及强盛的上升运动。张备等[15]对2008年1月下旬江苏持续性降雪分析发现，降雪量的大小与低空急流的日变化相对应，700 hPa水汽通量散度辐合增大，降雪量增大，在强降雪过程中垂直运动对降雪量的大小有很好的指示意义。考虑到降雪预报服务效果，且目前关于降雪定量预报的研究不多，因此，有必要开展降雪分级定量预报方法研究。本文通过对2008-2018年共11年间发生在江苏省的区域性中雪、区域性大雪、区域性暴雪天气过程收集整理，并对降雪天气过程按量级分型，研究不同量级的区域性降雪的各物理量场的异同点，提炼影响降雪量级的关键物理因子，希望为预报员更好地作好降雪分级预报提供有参考意义的物理量指标，进一步提高降雪分级预报准确率。

1 资料和方法

由于气象观测中固体降水与液体降水的量统称为降水量，从历史降水量资料中无法判断某次降雪过程的量级，因此在确定降雪量级时，就不能只考虑降水量这一特征量，还必须同时考虑积雪深度。本文统一选用每日08时的日降水量和积雪深度作为降雪过程量级划分依据。其中江苏区域性暴雪评判标准为≥5站日降水量≥10 mm且积雪深度≥10 cm，区域性大雪标准为≥10站日降水量≥5 mm且积雪深度≥5 cm，区域性中雪为≥10站日降水量≥2.5 mm且积雪深度≥3 cm。为了使研究更具有指示性，将降雪过程仅集中发生在淮北地区和集中发生在沿江以南的降雪个例剔除掉。通过普查2008-2018年相关历史资料，共选取满足标准的个例18例，其中区域性暴雪5例、区域性大雪6例、区域性中雪7例(表1)。

表1 2008-2018年江苏省区域性降雪过程

2 不同量级降雪过程的天气形势特征对比分析

2.1 500 hPa环流特征

通过分析逐次过程降雪发生前500 hPa高度场特征，发现500 hPa环流形势有一定的共性，主要表现在：东亚中高纬度是西高东低的形势，40°N以北中高纬维持经向环流，环流经向度大，40°-90°E有高压脊存在，120°E以东亚洲东岸为宽广的大低压或低压槽，冷空气从槽后沿西北气流南下。欧亚大陆上空中纬度纬向气流强盛，其上有低槽活动，低纬度南支槽稳定在80°-90°E。统计18次降雪过程中纬度西风带低槽位置发现(表2)，低槽出现在105°-112°E，而后向东移动，江苏位于槽前，受西南气流影响，564 dagpm线均经过江苏省，冷暖两支气流在江苏上空汇合，大的环流背景有利于降水天气的发生。

表2 2008-2018年江苏省不同量级降雪过程统计资料

图1 500 hPa高度场合成分析图

2.2 700 hPa西南急流

从降雪过程时700 hPa风速最大时刻的合成分析看(图2)，三类区域性降雪过程在22°-30°N从西南地区到长江中下游都出现了一条呈西南—东北向的强盛急流带，西南气流将孟加拉湾和南海的水汽源源不断地输送到江苏(江苏位于急流出口区左前方)，为降雪的发生提供了充沛的水汽来源。从急流核强度看，区域性暴雪过程(图2a)是3者中最强的，平均急流强度达到24 m/s，而区域性大雪(图2b)和中雪(图2c)的分别为22 m/s和20 m/s。江苏区域性暴雪、大雪、中雪时的平均急流强度分别为18 m/s、14 m/s和12 m/s。同时，从急流核范围来看，区域性暴雪、大雪和中雪发生时，急流核中心位置分别位于27°N、111°E，25°N、105°E和25°N、108°E。区域性暴雪时风速大于16 m/s的急流区域覆盖整个江苏地区，而区域性大雪和中雪时风速大于16 m/s的急流东边界分别伸至120°E和118°E。由此可见，暴雪过程时急流核范围是3者中最大的，且急流核发展位置最靠北或最靠东。因此，降雪量级与西南急流强度和范围密切相关。

图2 700 hPa流场和风速(阴影区)合成分析图

表2分别给出了18次区域性降雪过程时西南急流的统计结果。由表2可以发现：急流轴纬度范围在24°-32°N，急流核最大风速都超过20 m/s，南京站西南风速均在14 m/s以上。其中，区域性暴雪过程急流轴风速为28～34 m/s，南京站最大风速为20～30 m/s；区域性大雪过程急流轴风速为22～32 m/s，南京站最大风速为16～22 m/s；区域性中雪过程急流轴风速为20～32 m/s，南京站最大风速为14～22 m/s。西南急流是水汽、热量和动量输送带。每次降雪过程均有低空西南急流相伴。低空急流不仅为降雪提供水汽，而且还造成上升运动和不稳定条件。降雪量大小与西南急流强度呈一定正相关关系。因此，西南急流对强降雪天气有很好的指示意义。

2.3 地面冷空气

从海平面气压场合成分析来看(图3)，区域性降雪发生时在贝加尔湖以西都有冷高压中心存在，中心平均强度在1045～1050 hPa，表明冷空气在此地堆积。对应500 hPa高空为高压脊。冷空气沿脊前西北气流经蒙古—河套地区大举南下入侵江苏省，江苏省处于冷性高压底部东北气流中，等压线较为密集，1030 hPa等压线穿过江苏省中部，冷空气南侵给江苏省带来剧烈降温，为降雪的发生提供冷垫条件。

图3 海平面气压场合成分析图

从地面形势场发现，影响江苏的冷空气路径主要有3条：西路、中路和东路，即冷高压中心分别通过河套以西地区、河套中部地区和河套以东地区进入江苏。统计18次区域性降雪过程时冷空气路径和南京市单站最高地面气压值(表2)发现，西路、中路和东路冷空气影响次数分别为1次、12次和5次，中路冷空气对江苏降雪天气的影响最大。从影响3类不同量级降雪过程的冷空气来看，均以中路南下进入江苏的居多。降雪发生时，南京站地面气压在1025～1040 hPa，有16次都达到1030 hPa，表明降雪发生时，冷空气已南下，江苏位于冷锋后部，近地层温度低，有利于降雪的发生。地面气压值一定程度上代表了冷空气强度，而冷空气强度又决定了近地面降温程度。其中，区域性暴雪过程南京气压值为1032～1036 hPa,区域性大雪时为1025～1036 hPa，区域性中雪时为1029～1040 hPa。区域性暴雪发生时，冷空气强度更强。

可见，江苏区域性降雪天气的环境场具有一定的共性，影响江苏区域性降雪的主要天气系统是500 hPa西风槽、700 hPa西南急流和地面冷空气。其中，700 hPa西南急流为降雪的发生提供了充足的水汽条件，地面冷空气提供了低层冷垫条件，中层500 hPa西风槽是降雪发生的主要触发系统。因此，充足的水汽条件、冷空气的大举南下造成的低层冷垫是产生降雪的必要条件。不同量级的降雪主要取决于700 hPa西南急流的强度和范围。区域性暴雪过程时不仅西南急流核强度最强，急流核范围也是最大的。急流核发展位置最靠北或最靠东，更有利于水汽向江苏输送。

3 不同量级降雪的物理量分析及预报指标

3.1 不同量级降雪过程水汽条件分析

3.1.1 水汽通量

水汽是暴雪发生、发展和维持的必要条件，充足的水汽供应是降雪发生的重要物理条件，这里用水汽通量来表示水汽水平输送的强度。表3为18次区域性降雪过程25°-35°N、110°-125°E范围内降雪发生时高空各层最大水汽通量的值及水汽源地，从表3可以看出，降雪发生时，水汽输送层次较高，湿层深厚，从低层到300 hPa均有水汽存在。从各层水汽通量看，湿层主要集中在850-500 hPa，最大的湿层在700 hPa，水汽通量值均超过10 g·cm-1·hPa-1·s-1，最大的是22 g·cm-1·hPa-1·s-1，出现在2008年1月25-28日。700 hPa水汽通量大值与该层的西南急流密切相关，表明降雪时中层的水汽对降雪的贡献最大，这与上面分析的结论一致。造成江苏地区降雪过程的水汽，主要来自孟加拉湾和南海。

表3 2008-2018年江苏省不同量级降雪过程水汽通量 g·cm-1·hPa-1·s-1

从不同量级降雪过程来看，暴雪时700 hPa水汽通量≥14 g·cm-1·hPa-1·s-1，高层400 hPa均超过3 g·cm-1·hPa-1·s-1，且水汽来源更为丰富，均来自孟加拉湾和南海；大雪和中雪时，700 hPa水汽通量分别为≥12 g·cm-1·hPa-1·s-1和≥10 g·cm-1·hPa-1·s-1，且高层水汽通量明显减小。降雪强度越强，需要水汽越多，湿层也越深厚。

图7示出机组出力增加随负荷增加而单调增大，随空冷岛散热面积的增加而单调增大。在散热面积分别增加16.7%、33.3%、50%、66.7%时，机组出力增加ΔPe分别为3.3、5.7、7.5和8.8 MW。随散热面积增加，机组出力增加ΔPe的等差差值分别为3.3、2.4、1.8和1.3 MW。表明随散热面积均匀增加，机组出力增加的边际效应逐渐变弱。

图4给出了不同量级降雪发生时700 hPa水汽通量的合成分析。由图4可以看出，不同量级降雪过程发生时，700 hPa都有一个东北—西南向的水汽通量大值带，与700 hPa急流位置相对应，表明降雪过程中水汽主要来源于孟加拉湾，由槽前西南急流输送至江苏上空。在这条水汽大值带上，22°-28°N、105°-120°E都存在一个大值中心。随着降雪量级的增大，大值中心的强度和范围也逐渐增大。为了更直观地表示水汽通量与降雪量级的关系，计算了110°-125°E区域性暴雪、大雪和中雪的平均水汽通量情况(图4d)。由图4(d)可以发现,随着纬度的增加，水汽通量有一个明显增大的过程，表明水汽向北输送。最大平均水汽通量所在的纬度分别为29°N、28°N和26°N。随着降雪量级的增大，平均水汽通量逐渐增大，且水汽大值区也北抬得更明显，更有利于水汽向江苏输送。另外，从水汽输送看，暴雪时水汽来源更为丰富(图4a)，有2条明显的水汽通道：一条是从孟加拉湾沿着西南季风经云南广西一带一直伸展到江苏的西南水汽输送通道；另一条是从南海沿着偏南气流经华南一直伸展到江苏的偏南水汽通道。

3.1.2 水汽通量散度

水汽通量散度是反映水汽集中程度的物理量，可以定量判断水汽在某地区的汇聚与辐合情况。本文利用水汽通量散度、水汽辐合厚度来表征水汽的聚集与辐合强度，以及降雪区上空水汽辐合的垂直结构特征。通过分析发现，发生降雪时，1000-500 hPa间出现高度不等、程度不同的水汽聚集与辐合(表4)。暴雪发生时，水汽通量散度值在-3×10-7～-1×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，水汽辐合厚度达200～400 hPa，强水汽辐合时间都在12 h以上，最长达42 h；大雪时，水汽通量散度在-5×10-7～-0.5×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，水汽辐合厚度在100～400 hPa，强水汽辐合时间在12～30 h；中雪时，除2010年2月13—14日降雪过程中出现水汽通量散度最强达-3×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2、强水汽辐合时间达30 h外，其余6次区域性中雪过程发生时水汽通量散度在-2×10-7～-0.5×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，水汽辐合厚度在100～300 hPa，强水汽辐合时间在6～12 h。

综上所述，降雪区上空水汽辐合强度、水汽辐合厚度及强水汽辐合时间与降雪强度有一定的正相关关系。降雪区上空水汽辐合强度越强、辐合厚度越厚，越有利于强降雪的发生。暴雪期间，水汽辐合区内水汽通量散度均≤-1×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2;中雪发生时段，水汽通量散度明显减弱;大雪时的水汽通量散度介于暴雪的和中雪的之间。

3.1.3 比 湿

由于降雪过程中水汽主要来源于中低层，因此仅计算18次降雪过程发生时江苏(30°-35°N、118°-122°E)降雪区域上空中低层700 hPa和850 hPa的比湿情况(表4)。由表4可知，发生降雪时，700 hPa比湿有17次都在3 g/kg以上，比湿最大达到了5.9 g/kg，出现在2010年2月10日，最小为2.6 g/kg，出现在2016年1月22日。其中暴雪时比湿阈值为3.5～4.7 g/kg，大雪时为3.5～5.9 g/kg，中雪时为2.6～4.5 g/kg。总的来看，发生区域性降雪时700 hPa比湿基本上都达到3 g/kg以上，850 hPa比湿基本都在2 g/kg以上。这与前面分析的700 hPa水汽输送为区域降雪的主要水汽来源有关,而850 hPa及以下多为冷垫有关，且700 hPa暴雪和大雪比湿阈值一般大于中雪的比湿阈值。

3.2 不同量级降雪过程热力条件分析

3.2.1 温度垂直结构分析

统计结果(表5)表明，有利于江苏发生区域降雪过程的温度垂直分布条件为：地面≤2 ℃、t925≤-1 ℃、t850≤-2 ℃、t700≤-1 ℃、t500≤-14 ℃，中低层存在逆温层，逆温层内的温度都在0 ℃以下。通过对比不同量级降雪过程发现区域性暴雪、大雪、中雪过程中，地面温度均≤2 ℃，而925 hPa及以上各层温度的指标略有差异，降雪级别越高差距越明显。发生暴雪时,各层温度的阈值最低，即t925≤-4 ℃、t850≤-4 ℃、t700≤-3 ℃、t500≤-14 ℃;大雪时t925≤-2 ℃、t850≤-3 ℃、t700≤-2 ℃、t500≤-14 ℃；中雪时t925≤-1 ℃、t850≤-2 ℃、t700≤-1 ℃、t500≤-14 ℃。

表5 2008-2018年江苏省不同量级降雪过程各层温度阈值 ℃

3.2.2 中低层逆温层特征

从以上的分析发现，发生降雪时近地层温度足够低，中低层存在逆温，中层西南暖湿气流在低层冷空气上爬升，这种温度的垂直分布有利于降雪的发生。统计结果(表6)显示，区域性暴雪和大雪时中层均存在明显的逆温，中雪时不一定每次过程都有逆温，有时只呈现出温度直减率很小，类似于等温的情况。随着降雪量级的增大，逆温层强度明显增强、厚度明显增厚。暴雪时逆温强度阈值为3～8 ℃，逆温层厚度150～200 hPa；大雪时逆温强度为2～8 ℃，逆温层厚度为100～200 hPa；中雪时逆温强度为1～3 ℃，逆温层厚度为50～100 hPa。因此，中层逆温条件是产生区域性大雪及暴雪的必要条件，而中雪发生时不一定有明显的逆温层结，只要近地层温度条件合适，就能产生降雪。

表6 2008-2018年江苏省不同量级降雪过程南京站逆温层特征

3.3 不同量级降雪过程动力条件分析

分析逐次降雪过程逐时次的垂直速度经向剖面发现(图略)，降雪出现时其上空为上升运动，强中心位于600-400 hPa，与水汽通量散度的辐合层次相对应，中心值为-1.5～-0.3 Pa·s-1(表7)。暴雪时，上升运动区相对大雪和中雪时更为深厚，基本整层都为上升运动区，垂直运动发展旺盛。不同量级降雪发生时，强上升运动中心基本位于600-400 hPa。从强中心值来看，暴雪和大雪时垂直速度中心值均≤-0.7 Pa·s-1，中雪时的≤-0.3 Pa·s-1。

表7 2008-2018年江苏省不同量级降雪过程垂直速度特征

4 结论与讨论

(1)通过对2008-2018年共11年间发生在江苏的区域性中雪、区域性大雪、区域性暴雪天气过程分析发现，影响江苏区域性降雪的主要天气系统是500 hPa西风槽、700 hPa西南急流、中低层切变线和地面冷空气。不同量级的降雪，除与天气形势背景相关外，还取决于700 hPa西南急流的强度和范围。暴雪时西南急流核强度最强，急流核范围也最大，且发展位置最北最东，更有利于水汽向江苏输送。

(2)降雪区上空水汽输送强度、水汽辐合强度、水汽辐合厚度也与降雪强度有一定的正相关关系。暴雪时700 hPa水汽通量≥14 g·cm-1·hPa-1·s-1，且水汽来源更为丰富，均来自孟加拉湾和南海；大雪和中雪时，700 hPa水汽通量分别≥12 g·cm-1·hPa-1·s-1和10 g·cm-1·hPa-1·s-1。且暴雪期间，水汽辐合区内水汽通量散度都≤-1×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，水汽辐合厚度达200～400 hPa,明显较大雪和中雪的强。另外，降雪时700 hPa比湿在3 g/kg以上，且暴雪和大雪阈值一般较中雪的大，850 hPa比湿在2 g/kg以上。

(3)有利于江苏发生区域降雪过程的温度垂直分布条件为：地面≤2 ℃、t925≤-1 ℃、t850≤-2 ℃、t700≤-1 ℃、t500≤-14 ℃，中低层逆温层内的温度也在0 ℃以下。随着降雪量级的增大，中低层温度阈值呈降低趋势，暴雪时各层温度的阈值最低。

(4)中层逆温是产生区域性大雪及暴雪的必要条件，而中雪发生时不一定都有逆温层结，只要近地层温度条件合适，就能产生降雪。随着降雪量级的增大，逆温层强度明显增强、厚度明显增厚，暴雪、大雪和中雪时逆温强度阈值分别为3～8 ℃、2～8 ℃和1～3 ℃，其逆温层厚度分别为150～200 hPa、100～200 hPa和50～100 hPa。

(5)降雪过程中上升运动强中心位于600—400 hPa。暴雪时，上升运动区较大雪和中雪时的更为深厚，基本整层都为上升运动区，垂直运动发展旺盛。从强中心值来看，暴雪和大雪时中心值均≤-0.7 Pa·s-1，中雪时的≤-0.3 Pa·s-1。