黑龙江省2019 年冬季三次暴雪过程动力条件对比分析

(黑龙江省气象台,黑龙江哈尔滨 150030）

1 引言

黑龙江省冬季漫长寒冷，从每年的11 月份开始持续到下一年3 月，长达5 个月之久，此间降水绝大部分是雪。大到暴雪天气的出现时间最早在秋末（10月）最晚在春初（4 月），前后长达半年。大到暴雪是黑龙江省经常发生的灾害性天气，尤其是秋末冬初和冬末春初危害最大，经常造成交通运输中断，输电、通信中断，还可能造成房屋、蔬菜大棚及育苗大棚坍塌，林业、畜牧业也会受到严重影响，直接危害人民生命财产安全，甚至破坏生态平衡。

2019 年冬季黑龙江省多次出现了大到暴雪天气，本文选取了三次暴雪天气过程，通过对动力条件的对比分析，找出影响不同暴雪天气过程的差异因素，为今后的暴雪天气预报提供技术参考。

2 降雪实况

2019 年冬季黑龙江省大部地区出现了多次区域性的大雪、暴雪天气过程。本文挑选了三次暴雪天气过程，分别为：11 月17-18 日过程（以下简称“1117”过程），主要的暴雪影响区域为大兴安岭北部、黑河北部以及黑龙江省东部地区，共有29 个站24 h 降水量≥10 mm，其中8 个站24 h 降水量≥20 mm，这些站主要分布在双鸭山、鸡西和牡丹江，此次过程24 h最大降水量为28.3 mm （鸡东）；12 月16-17 日过程（以下简称“1216”过程），主要影响区域为黑龙江省中南部，共7 个站24 h 降水量≥10 mm，此次过程24 h 最大降水量为11.8 mm（双城）；12 月29-30 日过程（以下简称“1229” 过程），24 h 最大降水量11.5 mm（方正）。

3 影响系统

3.1 11 月17-18 日降雪天气

2019 年11 月16 日，500 hPa 上贝加尔湖东侧有低槽发展，11 月17 日08 时加强为蒙古气旋，中心气压528 hPa，位于内蒙古东北部与蒙古国交界处。17日白天，蒙古气旋后部有较强冷空气补充，使其发展加强，中心气压520 hPa，黑龙江省位于蒙古气旋前部，受其前部切变线影响，黑龙江省中西部地区出现小雪量级降雪天气。17 日夜间，气旋在南下过程中继续加强，中心气压512 hPa，850 hPa 上气旋前部风力加大，形成低空急流，黑龙江省东部大部地区受气旋前部偏西风与偏东风急流切变线的影响，出现了6 h 降水量达12-20 mm 的暴雪天气。随后系统东移，切变线移出，黑龙江省受气旋后部冷空气影响，降雪逐渐结束(图1)。

3.2 12 月16-17 日降雪天气

图1 2019 年11 月(a)17 日08 时、(b)17 日20 时、(c)18 日08 时500 hPa 高空形势

2019 年12 月16 日，500 hPa 上高纬度地区有冷性涡旋分裂南下，在黑龙江省西部形成一个高空冷槽，冷槽自西向东移动，槽前高空锋区明显，有3-4根等温线。受其影响，给全省大部地区带来降雪天气，其中中南部地区出现区域性的大雪、暴雪天气（图2）。

图2 2019 年12 月(a)16 日08 时、(b)17 日08 时500 hPa高空形势

3.3 12 月29-30 日降雪天气

2019 年12 月29 日08 时，500 hPa 上中高纬度地区表现为一个广阔的冷槽，黑龙江省位于槽前暖脊中；29 日白天，850 hPa 黑龙江西南部地区有一个低涡，受低涡前部切变线影响，黑龙江省中部地区出现大雪天气，单站降水量达暴雪量级。低涡前部的地区在29 日入夜后，冷槽逐渐发展为东北冷涡，中心位于大兴安岭地区，强度512 hPa，同时冷涡前部锋区明显加强，位于黑龙江省中部地区，锋区前部风力较大，出现急流，给黑龙江省中东部地区带来大风降温天气（图3）。

图3 2019 年12 月(a)29 日08 时、(b)29 日20 时、(c)30 日08 时500 hPa 高空形势

3.4 降雪天气影响系统特征

对比这三次暴雪天气的影响系统及其天气实况，差异明显，一次为蒙古气旋，形成早，持续时间从11 月17 日14 时到18 日08 时，约18 h，几乎全省范围的大雪，23 站暴雪；一次为高空槽，部分地区的大雪，局部暴雪（6 站）；还有一次为低涡影响，强度与蒙古气旋相近，影响时间从29 日08 时-20 时，约12 h，造成了区域性大雪，单站暴雪。从影响系统上来看，“1216”过程的高空槽和“1117”过程的低涡都给黑龙江省带来了区域性的暴雪天气；对于同样受低涡影响的“1117”过程和“1229”过程，由于“1117”过程低涡持续影响了约24 h，而“1229”过程低涡只持续影响了一个白天，可以看出，持续时间长短是影响暴雪天气的一个重要因素。

4 物理量场分析

通过使用NCEP 全球再分析资料（分辨率为1°×1°，时间间隔6 h）计算涡度、散度、垂直速度、急流、水汽通量散度等物理量要素，对三次过程的动力条件做进一步的对比分析。

4.1 动力场对比分析

选取了三次过程中24 h 降水量最大的三个站点（鸡东28.3 mm，双城11.8 mm，方正11.5 mm），通过对比分析了三个站及其附近涡度、散度、垂直速度的剖面图，总结三次暴雪天气过程的差异。

如图4，在沿着131°E 的剖面图上可以看出，2019 年11 月17 日14-20 时，鸡东站 （131.09°E，45.26°N）在低层850 hPa 的涡度值从0 增长到6×10-6s-1-16×10-6s-1之间，垂直速度-15×10-3m·s-1以上，中高层未出现正散度区域。此时低层已经开始有较弱的动力抬升条件，地面实况数据反映这个时段该区域还没有降水产生。在17 日20 时-18 日02 时，850 hPa 涡度增长到26×10-6s-1-36×10-6s-1之间，垂直速度迅速增加到-60×10-3m·s-1以上，同时高层（200-300 hPa）附近出现正散度中心区域，使得高层辐散层作用增强。抽吸作用加强了动力抬升条件，使得该区域的降水量明显增加，6 h 降水量达7-8 mm。在18 日02 时-18 日08 时,850 hPa 涡度增加到52×10-6s-1，垂直速度较上一个时段没有明显变化，正散度中心依然存在强度较上一个时段略有减弱，此时的动力条件较上个时段比变化不大，但从实况降水量上来看，这6 h 的降水量较上个时段多2 倍。暂且得出结论，在垂直速度场、散度场和涡度场都有利的情况下，涡度的大幅增长会使降水强度明显增加。

如图5，在沿着126°E 的剖面图上可以看出，双城站（126.32°E，45.39°N）在16 日14-20 时850 hPa涡度由0 增长到36×10-6s-1（此次过程最大值），垂直速度由-13×10-3m·s-1增长到-25×10-3m·s-1（此次过程最大值），300 hPa 出现15×10-6s-1-20×10-6s-1的正散度中心，为此次过程动力条件最好的时段。此后一直到17 日08 时，垂直速度，涡度都在下降，散度中心也出现偏移。由于此次过程的影响系统为自西向东的高空槽，与“1117”过程的蒙古气旋相比，有利的动力条件维持的时间较短，强度也相差较多，实况降水量的差别也比较明显。

图5 2019 年12 月(a)16 日14 时、(b)20 时、(c)17 日02 时、(d)08 时沿126°E 的涡度（阴影）、散度（实线）和垂直速度（虚线）剖面图

如图6，在沿着129°E 的剖面图上可以看出，方正站（128.8°E，45.8°N）16 日08 时850 hPa 附近已经出现22×10-6s-1的涡度中心，垂直速度-8×10-3m·s-1，同时500 hPa 以上出现8×10-6s-1的正散度中心，动力条件有利于降雪产生。在接下来的6 h，850 hPa 涡度中心值增加到22×10-6s-1，850 hPa 垂直速度增加到-8×10-3m·s-1，500 hPa 上的正散度中心值增加到8×10-6s-1，这些数值维持到16 日20 时左右。在形势场上可以看到，16 日下午到傍晚东北冷涡发生发展，850 hPa 有明显的气旋性切变。16 日夜间，方正站中低层出现了正散度中心，低空出现辐散，850 hPa 上的低涡减弱为低空槽并向东移动，降雪逐渐结束。本次降雪过程有利的动力条件维持时间较短，最大降雪量与“1216”过程相近，但暴雪的站数相差很多。

图6 2019 年12 月（a）29 日08 时、(b)14 时、(c)20 时、（d）30 日02 时沿129°E 的涡度（阴影）、散度（实线）和的垂直速度（虚线）剖面图

对比分析这三个站的动力条件可以发现，区域范围大、降雪量大的暴雪天气（“1117”过程）、区域范围小的暴雪（“1216”过程）和单站暴雪（“1229”过程）对应的动力场数值成倍减少；除此之外，“1117”过程有利的动力条件维持的时间也长于 “1216”、“1229”过程。

这说明系统性的降雪天气，无论是低涡产生的气旋性切变还是低空槽，动力抬升条件的差异显著地影响降雪的强度与区域范围；要产生区域性的暴雪天气，除了需要有利的动力抬升条件配合，还需要较长的持续时间。

4.2 急流分析

图7 2019 年11 月(a)17 日20 时、(b)18 日02 时、(c)08 时850 hPa 急流图

如图7，17 日20 时850 hPa 上辽东半岛附近出现16 m/s 的偏南风急流核，急流前端已经影响到牡丹江南部，17 日夜间，急流核风速增加到30 m/s，黑龙江省东部地区由急流前端的辐合区过渡到急流的左侧。此次过程急流强度很强，维持时间也较长，急流的出口处及出口左侧有利于空气的抬升，给暴雪天气提供了有力的动力抬升条件；同时也有利于将渤海和日本海的暖湿空气输送到黑龙江省东部地区，给暴雪天气提供了有力的水汽和热力条件。

如图8，16 日14 时低槽已经影响到黑龙江省西部，此时在辽宁中部有一17 m/s 的急流核，急流前端辐合区位于哈尔滨南部；16 日20 时，低槽东移，急流核强度与范围加大，哈尔滨南部与牡丹江地区同时受急流前段的辐合区影响；入夜后低槽东移北抬，急流也逐渐结束对黑龙江省的影响。此次过程低空急流强度相对于11 月17 日蒙古气旋过程 （30 m/s）差很多，对暴雪区域的影响时间也只有6-8 h，急流为偏南风，带来的水汽来源于渤海。

图8 2019 年12 月(a)16 日14 时、(b)20 时、（c）17 日02 时850hPa 急流图

如图9，29 日08 时，急流核中心位于辽宁西部，强度14 m/s，急流前段辐合区位于哈尔滨市南部；14时，强度加强到15 m/s，急流出口的辐合区位于哈尔滨南部和牡丹江南部地区；入夜前，低涡减弱为低空槽，急流核东移，黑龙江省中部地区位于急流左侧，随后急流核结束对黑龙江省影响。12 月29 日过程的急流位置、影响时间和12 月16 日过程的条件相似，降雪范围大致相同。

对比三次过程的急流特征可以看出，“1117”过程急流强度、急流核的位置、水汽来源、持续时间明显有利于“1216”、“ 1229”过程；虽然“1216”过程和“1229”过程的急流强度相当、水汽来源相同、持续时间相近，但“1216”过程急流核的位置更靠近于渤海湾，使得水汽的供给更加有利，因此造成了区域性暴雪与单站暴雪的差异。

图9 2019 年12 月(a)29 日08 时、(b)14 时、（c）20 时850 hPa 急流图

这说明急流强度越强，急流核的位置经过的水汽源越广泛，持续时间越长造成的暴雪降雪量越大，区域范围越广泛。

4.3 水汽条件分析

如图10，11 月18 日02 时，蒙古气旋前部的偏南风急流已经到此次过程的最强时段，中心水汽通量值5 g·s-1·hPa-1·cm-1，急流核经过日本海和渤海，带来充沛的水汽；从17 日傍晚到18 日08 时前，黑龙江省东部地区处于一个长时间（约16 h）的、水汽通量散度值为大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽辐合区，该水汽通量散度的区域与暴雪区域匹配。急流为此次暴雪提供了丰富的水汽，水汽凝结释放潜热同时加强了低层水汽的抬升作用。

12 月16 日20 时，低空槽前的偏南风急流从渤海湾将水汽输送到黑龙江省东南部，此过程的水汽通量值在此时最大，为4 g·s-1·hPa-1·cm-1。黑龙江省东南部从12 月16 日14-20 时（约6 h），水汽通量散度值大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2，暴雪区域位于该水汽辐合区域的西部，也就是急流进入黑龙江省的区域。水汽通量散度较11 月17 日几乎相当，水汽通量值只相差1 g·s-1·hPa-1·cm-1，但日最大降水量相差了16 mm；水汽辐合中心范围较“1117”过程要小很多，只覆盖了黑龙江省东南部地区。从暴雪实况的范围来看，范围大的水汽辐合区也对应着大的暴雪范围。

12 月29 日14 时，为这次过程中水汽通量值最大（3.5 g·s-1·hPa-1·cm-1），黑龙江省东南部29 日08-14 时（约6 h）水汽通量散度在-0.3-(-0.6) g·s-1·hPa-1·cm-2之间，为三次暴雪过程中最弱，该水汽通量散度范围内出现了区域性大雪，两站暴雪，最大降雪量与12 月16 日过程相当。

对比分析三次暴雪过程的水汽条件可以发现：水汽通量散度大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2的范围与区域性暴雪的范围相近；虽然水汽通量最大值相近，降水量却相差很多，还需要综合考虑水汽通量最大值的持续时间，时间越长降水量越大。

图10 2019 年(a)11 月18 日02 时、(b)12 月16 日20 时、(c)12 月29 日14 时850 hPa 水汽通量散度（阴影区域）和水汽通量（黑色实线）

5 小结

（1）低槽和低涡都可以给黑龙江省带来区域性的暴雪天气，对于同一影响系统，持续时间长短也影响着暴雪的强度与范围。

（2）要产生区域范围大的暴雪天气，除了需要有利的动力抬升条件（涡度场、垂直速度场、散度场）配合，还需要较长的维持时间，缺一不可。

（3）急流强度越强，急流核位置经过的水汽源越广泛，持续时间越长造成的降水量越大，区域范围越广泛。

（4）水汽通量散度大于-0.6 g·s-1·hPa-1·cm-2时的范围与区域性暴雪的范围相近；水汽通量最大值相近时，还需要综合考虑水汽通量最大值持续影响的时间长短，时间越长降水量越大。