引言

暴雪和暴雨同属于我们关心的强降水过程，只不过它们分别以固态和液态两种不同的降落物形式出现，当然它们可能会涉及不同的物理过程。我国是个多暴雨的国家，对夏季暴雨有比较多的研究^[1-4]，同时我们也应该加强对冬季中高纬度天气系统，尤其是降雪天气过程的研究。暴雪对于国民经济和人民生活的危害有时比暴雨更大。2005年11月18—20日，新疆哈密地区出现了罕见的暴雪过程，为50年不遇的特大暴雪，其中哈密市过程降雪31.3mm，而其年降水量仅39.1mm。这次强降雪过程主要集中在19日，使哈密城市交通、供电、供热、城市绿化、农业、畜牧业、水利工程以及人民财产造成了重大损失。

新疆地区降雪前，往往在上游地区有脊发展(或者阻塞高压)，下游槽加深(或者切断低涡)。南疆产生大降雪往往配合回流东灌天气。东部小槽配合西部大槽是南疆常见的大降水模型^[5-6]。北疆冬季，暴雪几乎年年发生，其中偏北和沿天山一带是经常发生的地区^[7-8]。哈密位于新疆的东部，天山山脉从东至西横贯其中部，山南为哈密市，山北巴里坤和伊吾县，特殊的自然地理条件使得哈密既有南疆气候特点，也有北疆气候特点。哈密南部干旱少雨，北部降水充沛。而这次哈密暴雪过程也是在乌拉尔山长脊，下游有切断低涡，但其特殊性在于南部的降雪大，北部小，南部的哈密市31.3mm，北部的巴里坤4.3mm、伊吾15.0mm。车罡等^[9]已对此次过程的环流形势进行了分析，并对数值预报产品作了诊断分析，指出暴雪是萨彦岭低涡南压进入哈密南部造成的，且低涡沿东天山西侧地势低洼处东南移进哈密南部，并没有直接翻越东天山，是南部降雪大的原因。对于新疆地区的降水天气，其重要影响系统之一就是低涡，因此有必要对该低涡造成的暴雪天气的动力热力机制等方面的特征作一研究。本文在已有研究的基础上，利用NCEP 1°×1°的6小时分析资料和非常规观测等资料，对引发暴雪的萨彦岭低涡动力热力机制进行分析，并对此次暴雪的天气动力学特征进行诊断分析。

1 大尺度环流特征和主要影响系统

18日00时(世界时，下同)500hPa上，乌拉尔山一线为一高压脊，其前部的偏北气流引导高纬冷空气不断补充到位于萨彦岭的低涡中，低涡的冷中心达到了-36℃。此后高压脊东移发展，低涡不断东移南压，由此造成新疆地区降雪开始。19日00时低涡中心位于哈密的西北侧，高压脊继续向东发展，脊前为较强的东北气流，使得低涡中心继续南压，引导冷空气南下，造成哈密地区的强降雪天气。至12时(图 1a)低涡沿东天山西侧东南移进哈密，没有直接翻越东天山。20日随着低涡继续东南移，降雪也随之移出哈密地区。分析此次哈密暴雪的高空环流形势发现，高空环流的经向型加大，新疆西部的高压脊不断东移发展，脊前东北气流加大，主要影响系统——低涡东移南压移入哈密，引导冷空气东移南下，造成了哈密的暴雪天气。

云系的变化预示着天气的演变。从这一时段内云的T_BB逐时演变(图 1b)情况可以看出，影响新疆的主要是低涡云系，低涡云系东移南压，在19日06时云顶亮温降到-50℃以下，说明此时云系对流发展旺盛，在哈密地区降雪增强。此后低涡发展，20日云系明显减弱，并渐渐东移出哈密地区，降雪也渐渐变小，逐渐停止。

2 动力、热力诊断分析 2.1 涡度场、散度场和垂直速度场的分布特征

沿低涡中心所在纬度的涡度场纬向剖面图(图略)可以看出，19日00时低涡上空为明显的正涡度分布，正涡度区从地面一直延伸到100hPa高度，最强的涡度中心位于500hPa附近，强度为1.8×10^-4s^-1，可见该低涡是一深厚系统。12时涡度中心东移加强，且涡度区向地面伸展，涡度轴线近于垂直。同样分析沿低涡中心所在纬度的散度场和垂直环流分布(图 2a)可以发现，19日00时低涡中心东部，低层辐合，高层辐散。辐散中心位于400hPa，为3×10^-5s^-1，辐合中心位于800hPa，为3×10^-5s^-1。气旋性涡柱是一低层辐合、高层辐散的垂直上升气柱，低压内散度场的垂直结构变化不仅有利于涡旋内上空抽吸作用的加强，而且有利于上升运动的加强，为大的降雪提供了有利的条件。综上所述，垂直上升气柱与涡柱的相伴发展，揭示出该低涡的结构及其得以发展加强的一重要动力机制：即强烈的上升运动要求低层强烈辐合，而低空的辐合必然导致局地有强的正涡度出现，低层强的正涡度通过垂直上升运动输送到高空，从而使涡柱得以加强。

2.2 层结稳定度分析

在这次降雪过程中，从地面到300hPa大气层结都是稳定的，即使是降雪最强的时段，也出现在稳定的大气层结中。这与许多强降水过程有很大不同，对流性抬升不显著，而系统性抬升更为重要。对降雪期间比湿的垂直分布(图 2b)分析发现，暴雪发生过程中对流层中下层的大比湿区随着低涡的东移而东移。在降雪较强的19日12时，降雪区范围内从地面到500hPa存在一个大比湿区，中心可达到4g·kg^-1。从位温和比湿的分析表明，此次暴雪天气过程发生在稳定层结的大气中，并且在等位温面下降的区域存在增湿区，这种温湿场的分布结构变化，在一定程度上削弱了大气层结的稳定性，有利于降雪的发生。综上所述，温湿场的分布为暴雪的发生提供了有利的热力机制。

2.3 哈密地区物理量变化

18—20日，萨彦岭低涡东移南压，哈密出现罕见暴雪过程，大降雪集中在19日。分析过程中哈密所在经纬度(43°N、93°E)动力、热力物理量的时间-高度剖面图(图 3)可见，在此过程中哈密地区低层偏东风逐渐加大且一直处于偏南气流中，19日偏东风加大，降雪也加大；垂直上升运动在整个过程中有下传的趋势。强降雪发生时，整层都为强烈的上升运动，但强的上升气流仍存在于中高层。随着上升气流转为下沉气流，降雪天气结束，强烈上升运动为强降雪提供了足够的动力条件；在19日00时相对湿度和比湿均有所增强，空气变潮湿，此时也对应降雪的开始和加强阶段；在整个过程中，相当位温随高度加大，始终为稳定大气层结。

3 冷暖平流及锋生函数分布

暴雪都是在冷暖空气交汇的有利条件下产生的，为了进一步了解此次过程中冷暖空气以及锋面的作用，我们还对温度平流及锋生函数作了计算。

500hPa上19日00时有明显的冷平流中心，冷空气沿脊前偏东北气流在低涡堆积，到12时(图 4a)冷平流中心向东南移，且强度有所加强，冷中心位于42°N、90°E，其东南部为暖平流，可见影响系统的斜压性较强，这有利于低涡的维持和发展，并向东南方向移动。850hPa位温分布上(图 4b)可见，东天山南侧形成了近东西向的等温线密集带，大约5个纬度位温变化10K，与地面锋区相对应。说明降雪过程中，冷空气随着低涡的东南移而不断南下，与南面暖空气不断交汇，造成哈密暴雪天气。

将锋生函数表示成如下形式：

其中：θ是位温，D是水平散度，严格来讲，锋生函数应包含4项，F_G1是非绝热加热项；F_G2是水平辐散项；F_G3是形变项；F_G4是与垂直运动有关的倾斜项。由于对非绝热加热和垂直运动的计算精度不易满足，这里仅对850hPa上的F_G2、F_G3作一估算。从850hPa逐日的锋生(F_G2、F_G3)图上(图略)可见，19日12时F_G2、F_G3的正值区位置与锋区一致，也和冷平流的位置大致相符，可见该区域引起锋生的主要影响因子是冷平流的作用。在强降雪过程中的F_G2+F_G3沿90°E的垂直剖面图(图 5)上可以看到，19日12时地面锋区在40°N附近，随高度向北倾斜，并且有两个锋生区, 较强的位于850hPa，强度达21×10^-10K·m^-1·s^-1，锋区较前期变得陡峭。从中可以清楚地看到，北部冷空气向南侵入，锋区的伸展高度较高，且在500hPa以下都有较强的锋区存在。850hPa沿90°E的锋生函数F_G2、F_G3之和，温度平流随时间变化图(图略)显示，18—20日，在40°N附近存在明显的锋生区，与之相对应的有明显的冷平流存在。19日12时锋生强度最大，这个时刻锋区发展最强盛。而冷平流的最大值要先于锋生强度最大值，这在预报上有明显的指示意义, 也从另一个角度证实了冷空气对于锋生的加强有重要的作用。

4 水汽输送特点

从对流层低层925hPa的水汽通量和水汽通量散度图(图 6)上可以看出，在哈密地区对应水汽辐合区，但水汽辐合的量值比较小。一方面来自南部的暖湿水汽经四川、甘肃折向西的偏东气流，另一方面贝加尔湖南侧的偏东北气流以及来自北部的偏北气流，三股水汽在哈密地区相交汇，为暴雪提供了有利的水汽条件。此外，在暴雪发生前期，16—17日850hPa平均水汽通量图(图略)上可以看到有水汽从新疆的西北部不断向低涡输送，在低涡东移南压过程中，其自身也携带了一部分水汽。

为了进一步弄清暴雪过程中在哈密地区内各高度层的区域平均(40~45°N、90~96°E)水汽辐合量，我们对各高度层的平均水汽通量散度随时间演变进行了分析(图略)可知，各层水汽输送量随高度的增加是减少的。很显然，水汽的强烈辐合主要集中在对流层低层，且在整个过程中均为水汽的辐合，水汽辐合大值出现在大降雪前期，为暴雪天气过程提供了有利的水汽条件。

5 Q矢量分析

近年来，Q矢量方法被作为一种诊断工具用于短期天气预报业务^[10-11]。这种方法不仅避免了传统ω方程的缺点，而且物理意义清楚、计算简单，适用于整个对流层。利用Q矢量方法可以诊断大气垂直运动，而且Q矢量决定了流场和温度场热成风的个别变化，可用来预报锋生锋消。因此对于天气诊断分析和预报有重要意义。我们采用如下的p坐标系下的Q矢量表达式进行诊断分析。

Q矢量辐合时，对应上升运动；Q矢量辐散时，则对应下沉运动。因此由Q矢量的辐合辐散场可推断出上升和下沉运动的分布。

由19日12时700hPa上Q矢量散度及风场的分布(图 7a)可以看出，Q矢量辐合区呈近东西向带状分布，有两个辐合中心，其中一个位于哈密地区为-4×10^-14hPa^-1·s^-3，而在此辐合区的南北两侧分别有两个Q矢量辐散区，根据Q矢量与垂直速度的关系可知，在700hPa气旋环流附近为上升气流，而其南北两侧存在下沉运动，次级环流的强迫抬升作用加强了哈密地区的上升运动，有利于这一地区强降雪的发生。与同时次锋生图(图略)比较可以发现，这一Q矢量辐合区的走向和位置与锋区所在位置相一致。在19日12时700hPa Q矢量和温度场的分布图(图 7b)上，冷中心南部有等温线密集带，这一等温线密集带有Q矢量穿越等温线从暖区进入冷区。Q矢量总是指向上升区，背向下沉区，在等温线密集带北面上升运动，南面下沉运动，这说明对流层低层侧向非地转环流明显，在哈密地区上升运动增强，为暴雪的发生提供有利的条件。

由以上分析可知，非地转风造成的Q矢量辐合区位于气旋环流附近，反映了垂直上升运动的位置和强度。非地转风的存在对上升运动的维持具有重要意义，并且有利于低涡的发展，暴雪过程的增强。

6 垂直螺旋度变化

大气中的许多流动具有螺旋度特征，螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量。近年来，对大气螺旋度的研究不仅揭示出螺旋度与大气流动的某些特有现象在动力学、动力学性质之间的内在联系，而且使得螺旋度成为引入天气分析和预报的重要物理量，用以反映旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。

定义螺旋度为风速和涡度点积的体积分，即

p坐标系下局地螺旋度可记为：

通常，研究中只考虑k方向上螺旋度的变化，且为使符合右手定则的螺旋度取为正，故定义垂直螺旋度为，从该表达式可知，在具有较强的正涡度的气旋内，若伴有深厚的上升运动时(ω < 0)，该气旋就具有强的正螺旋度。反之具有负螺旋度。

分析此次引发哈密暴雪的低涡内沿低涡中心涡度与螺旋度的垂直分布(图 8)可见低涡中心偏东部对流层中下部一直伴有正螺旋度，19日12时强中心位于400hPa，约为5×10^-8m·s^-2。该物理量反映出低涡具有较强涡旋性的特征。与低层正螺旋度相对应，在对流层高层为负螺旋度，但强度较弱。另外，低涡在850hPa上位势高度及500hPa上螺旋度区域平均随时间的演变(图略)显示，18—20日，低涡强度及螺旋度均有所增强，且增强趋势基本上一致。因此，螺旋度的大小在某种程度上可以反映低涡的强度，低涡螺旋度特性的变化对其发生发展具有一定的指示意义。

7 结论

(1) 此次暴雪过程主要是新疆西部的高压脊不断东移发展，脊前东北气流加大，低涡东移南压，引导冷空气南下，移经哈密地区，引发该地区的暴雪天气。

(2) 萨彦岭低涡是一个低层辐合高层辐散的垂直上升气旋性涡柱，这种垂直上升结构有利于涡旋内上空抽吸作用的加强，上升运动的增强，为大降雪提供了有利条件。

(3) 暴雪天气过程发生在稳定层结的大气中，并且在等位温面下降的区域存在增湿区，这种温湿场的变化，在一定程度上削弱了大气层结的稳定性，有利于降雪的发生。

(4) 冷空气对锋生的加强起重要作用，冷暖平流交汇增强了斜压性，有利于低涡的维持和发展，为大降雪提供了有利条件。

(5) 在哈密地区虽然水汽辐合的量值比较小但整个过程中均为水汽的辐合且主要集中在低层。水汽主要来自低涡在东移南压过程中自身携带的水汽。

(6) Q矢量诊断表明，非地转风造成的Q矢量辐合区位于气旋环流附近，反映了垂直上升运动的位置和强度。非地转风的存在对上升运动的维持具有重要意义，并且有利于低涡的发展。

(7) 低涡具有较强涡旋性的特征。螺旋度的大小在某种程度上可以反映低涡的强度，低涡螺旋度特性的变化对其发生发展具有一定的指示意义。