近30年青海省东北部大到暴雪天气机理研究

张婷华，彭毛青措，牛俊强，安海燕

1.青海省西宁市气象局，青海西宁 810016；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海西宁 810001；3.中国人民解放军 31668部队，青海西宁 810000

冬季暴雪是我国北方地区常见的一种灾害性天气现象。暴雪天气对农林业、牧业、交通运输等多方面均会造成不利影响，但降雪也能够提高增加农田土壤墒情、净化空气和抑制病菌传播[1]。准确地预报暴雪天气不仅能够为决策部门制定防灾减灾措施提供保障，还能为广大人民群众防灾避险给予提示[2]。

国内外气象工作者在对大到暴雪天气的时空分布特征[3]、天气尺度特征[4]、中尺度特征[5]、物理量诊断[6]和预报指标方法[7]的研究方面颇有进展。青海省大到暴雪大多集中在1次或几次暴雪个例分析上，管琴等[8]对2016年3月下旬青海发生的1次大到暴雪天气过程进行动力诊断。李昌玉等[9]研究了西宁市大到暴雪的发生机制。通过研究青海省东北部典型的大到暴雪个例，通过环流形势分析和物理量诊断，建立东北部大到暴雪预报的短期预报思路。

1 资料和方法

1.1 观测资料

使用青海省东北部14个国家观测站1991—2020年的常规MICAPS高空、地面的气象观测资料。

1.2 大到暴雪天气个例的选取

所研究的大到暴雪天气参照中国气象局的暴雪定义、降水相态观测实况定义：

大雪：24 h降雪量≥5 mm，雪深≥5 cm；暴雪：24 h降水量≥10 mm，雪深≥10 cm；当国家站大雪≥3站或暴雪≥1站即为1次大到暴雪天气过程，1991—2020年共收集26次过程。

2 结果与分析

2.1 大到暴雪天气的时空特征

分析青海省东北部30年间大到暴雪天气过程的月分布特征（图1）：从发生季节来看，大到暴雪天气主要出现在春季和秋季，春季发生次数为18次，发生次数全年最多，其次为秋季，发生次数为9次，隆冬季节无大到暴雪天气出现；从发生月份来看，大到暴雪在4月出现最多，共12次，11月出现次数最少，仅为2次。

图1 青海省东北部大到暴雪天气发生次数

图2是青海省东北部各国家站大到暴雪天气发生次数的空间分布图。由图可知：近30年来，大通发生大到暴雪天气的次数最多，为22次，有2站发生次数大于20次，分别为大通和湟中；6站发生次数少于10次，循化近30年无大到暴雪天气出现。

图2 不同地区大到暴雪天气年发生次数

2.2 大到暴雪天气环流形势

依据500 hPa高空环流形势，可以将青海省东北部大到暴雪天气形势分为蒙古低槽型、西高东低型、北脊南槽型、脊前短波槽型、高原切变线型和南北槽叠加型。

2.2.1 蒙古低槽型 此类型大到暴雪天气出现7次，占27%，有如下特征：贝加尔湖至蒙古为宽广的低槽区或存在蒙古低槽，低槽经向度大，有时等高线密集，位势梯度大，青海省东北部地区受蒙古低槽底部不断分裂小槽影响，或处在低槽底部受偏西气流控制，配合低槽有相应的冷温槽，有时等温线密集，锋区强。

2.2.2 西高东低型 此类型大到暴雪天气出现5次，占19%，巴尔喀什湖至乌拉尔山为高压脊，低槽位于我国东北至鄂霍次克海附近，青海省东北部处于高压脊前偏西气流，且受短波槽东移影响，此种类型与脊前短波槽型较为相似。

2.2.3 北脊南槽型 此类型大到暴雪天气出现4次，占15%，即中高纬度一般为两槽一脊型，低槽位于西西伯利亚和我国东北以北地区，高压脊则位于2个低压槽之间的贝加尔湖至新疆附近。内蒙古至青海省东北部一般位于高压脊底部的低槽，且受到低槽底部分裂的短波槽东移影响，青海省东北部一般处于冷温槽。

2.2.4 脊前短波槽 此类型大到暴雪天气出现4次，即中高纬度一般为两槽一脊型，低值中心一般位于里海和鄂霍茨克海附近，低压中心底部有低槽，低槽经向度大，高压脊则位于2个低压槽之间的贝加尔湖至新疆附近。青海省东北部一般位于高压脊前的偏西气流，且受短波槽东移的影响，此种类型与西高东低型较为相似。

2.2.5 高原切变型 此类型大到暴雪天气出现3次，占12%，即中高纬度一般为多波动型，且槽脊经向度不大，青海省北部至内蒙古有短波槽东移，高原槽自西向东移动影响青海省大部分，青海省东北部有明显的风切变，配合高原槽有相应的冷温槽，但冷温槽发展不深。

2.2.6 南北槽叠加型 此类型大到暴雪天气出现3次，即中高纬度一般为多波动型，青海省北部至内蒙古有短波槽东移，南支槽已经移上西藏高原，青海省青南地区处于南支槽前的西南气流。随着系统发展东移，南北槽叠加，此类降水量级较大、范围较广。

2.3 探空图特征

大到暴雪形成首先需要充沛的水汽、较强的抬升动力、适宜的温度层结构。此外，以上条件还需要持续一定的时间，才能形成暴雪。图3是发生大到暴雪的典型探空图，从温度场来看，降雪发生时，整层大气温度在0 ℃以下，地面附近温度基本降至0 ℃左右，有时在1～2 ℃时就已有降雪出现；从湿度场来看，湿层伸展高度较高，至对流层中层（一般在500 hPa以上），湿层深厚，水汽条件充沛。这种冰相层的水汽近饱和为雪花的迅速生长提供了充足的冰晶和过冷却水，再经过足够长的下降距离，容易产生大到暴雪；从垂直风场来看，低层一般为东南风，高层西南风或偏西风，有明显风向和风速垂直风切变，低层和高层偏南风为西宁地区带来了较为充沛的水汽，有利于降水维持。

图3 2002年4月4日08:00（a）和2014年10月10日20:00（b）探空图

从26个大到暴雪环境背景场分析统计可以看出（表1、表2）：

表1 大到暴雪高空场环境指标

表2 大到暴雪地面环境场指标

（1）水汽条件：大到暴雪天气发生时，在当日08:00（20:00）的高空图中，中层（500 hPa）湿度一般，相对湿度在46%以上；低层（700 hPa）湿度条件较好，比湿≥6 g/kg，相对湿度在50%以上；地面湿度条件更好，温度露点差≤7 ℃。

（2）温度：在大到暴雪天气发生时当日08:00（20:00）的高空图中，中层的温度较低，500 hPa的温度≤-10 ℃，而低层的温度（700 hPa）≥-4 ℃；地面的温度较低，基本≤5 ℃。

（3）风向风速：大到暴雪天气发生时当日08:00（20:00）的高空图中，中高层（500 hPa以上）为偏西风，带来干冷空气，风速≥6 m/s，或者为西南风，带来充沛的水汽；而低层（700 hPa和地面）为偏东风，带来暖湿气流，风速≥2 m/s，冷暖气流交汇产生了大到暴雪天气。

（4）变压场：地面变压场是分析天气系统移动、强度变化和确定锋面位置、分析锋面变化的重要依据。在大到暴雪天气发生时08:00（20:00）的高空图中，可以看到，地面3 h变压≥0.7 hPa，而24 h变压≥0 hPa，冷空气入侵较为明显。

2.4 物理量特征

2.4.1 水汽条件 当南支槽跃上高原自西向东移动时，即中高层西南风将孟加拉湾的暖湿空气带上高原，此时高原地区水汽充沛，青海中东部有水汽辐合中心，强度在-10×10-8g/（cm2·hPa·s)以上，而700 hPa比湿能够达到4～5 g/kg以上，降雪强度大，范围广；当中高层为西北风、低层为偏东风，东部水汽通道并未打开，水汽仅为西风槽自带时，水汽条件差，水汽辐合强度仅在-4×10-8g/（cm2·hPa·s)左右，700 hPa比湿在2～53 g/kg，降雪强度弱，范围小。

2.4.2 动力条件 在涡度场上，当出现量级和范围较大的降雪过程时，中低层为正涡度区，500 hPa上涡度一般为2×10-5～4×10-5s-1，而高层为负涡度区，涡度一般为-2×10-5～ -5×10-5s-1。这种低层辐合、高层辐散的配置提供了有利于降水发生的动力条件；在垂直速度场上，较强的上升运动是大到暴雪降雪的动力机制，发生大到暴雪时，一般从低层至高层垂直速度为负，即有明显的上升运动，上升强度一般为-20×10-3～ -50×10-3hPa/s。

2.4.3 热力条件 从假相当位温场来看，当出现大到暴雪过程时，从低层到高层，降雪区域处于θse线密集区中，θse一般在60 ℃以上，处于高能区；当降雪范围和强度较小时，从低层至高层θse一般在50 ℃以下，能量一般；从温度平流场来看，当降雪强度和范围较大时，从低层至高层一般为较强的冷平流，冷平流强度在-8.0×10-5K/s以上；在降雪前1 d，从低层至高层一般为暖平流控制，在转为冷平流时，降雪开始，随着冷平流的增强和降雪强度的增大，范围增加。

3 讨论和结论

（1）主要从大尺度环流背景和影响系统入手，分析了青海省东北部大到暴雪的环流特征，能够得到一些有指导意义的结论。但形成大到暴雪天气的天气形势是极其复杂的，如果仅依赖固有的指标，有可能会模糊对天气演变过程内在机制的认知[10]。

（2）本研究仅对发生强对流天气时的实况进行总结分析，下一步应当结合数值模式，找出实况场与预报场之间的关系，充分利用各种模式提供的诊断暴雪天气的参数，做出强降雪的潜势预报，也是一种数值预报解释应用的思路。