引言

暴雪是河南省主要灾害性天气之一。对于冬季暴雪，国内外亦有不少研究。国外主要针对雪暴做了不少的研究，如1979年2月18—19日美国的总统日雪暴^[1]，1996年11月俄亥俄州的雪暴^[2]等，它们大多与温带气旋的形成和发展有关。在亚洲的日本，降雪也多与低压系统的发生发展有关。我国对暴雪的研究也已经有一定的工作基础，王文辉等^[3]在1979年曾对暴雪个例进行了天气学分析，得出一些有益的结论；王东勇等^[4]认为黄淮暴雪过程中其近地面925hPa附近伴有很强的超低空急流；宋志平等^[5]首次利用GRAPES全球数值模式对华北一次大—暴雪过程进行了成功的数值模拟试验；李加洛等^[6]利用Q矢量方法对青海东部一次强暴雪天气过程进行了诊断分析；张迎新等^[7]研究表明华北回流降雪的开始和结束与高低层的风向有关。

河南的气象工作者也从天气分型的角度进行了分析研究^[8-9]。2006年1月17—20日，河南省出现了持续性大范围降雪，这是一次典型的华北东路冷空气影响造成的暴雪天气过程。本文以该天气过程为例，利用数值模式MM5V3.7对可能导致这次暴雪天气形成的若干物理因子进行诊断分析，以期为暴雪天气的预报提供参考。

1 天气概况和形势分析 1.1 天气过程概述

2006年1月17—20日江南、江淮及黄淮大部分地区先后出现雨雪天气，河南省的大部分地区出现了暴雪，最大降雪中心出现在舞钢。从17日20时至19日20时，舞钢的降雪量为37.4mm，其中18日08时到19日08时降雪量为24mm，超过历史次大值(历史最大极值为26.4mm)，积雪深度为32cm，超过历史最大雪深(26cm)。这次降水过程从1月17日20时开始，18日的白天到夜里最大，到19日的夜里基本结束。期间河南省大部分地区的平均气温普遍下降7℃左右。暴雪过后的积雪、结冰和降温，严重影响了交通运输和安全，给广大人民的生活和工农业生产带来极大影响和危害。

1.2 形势分析

过程期间，欧亚大陆500hPa上空为稳定的两槽一脊形势。一-44℃线的冷温槽区位于俄罗斯东部的雅库茨克到东亚沿海的北部岛，另一-44℃线的冷温槽区位于乌拉尔山到里海、咸海一带；槽中不断分裂冷空气南下影响我国。同时，从南海到我国的西南地区维持一南支槽，河南省处于该南支槽前的西南暖湿气流里。冷暖空气交汇，在河南省形成了这次暴雪天气过程。

700hPa图上(图略)，17日20时，在陕西境内有一暖式切变，该切变线配合其东南侧的西南风急流不断加强东移南压影响河南省，19日08时该暖式切变逐渐达到最强，其两侧的南阳站和武汉站风速达最大，分别为东南风20m·s^-1和西南风20m·s^-1。暖切变和西南风急流不仅为这次暴雪天气过程提供了充沛的水汽，而且增加了辐合。19日20时以后，该暖切变逐渐减弱北抬并转竖，两侧的风速大大减小，西南风急流抵达东南沿海地区，这次连续性暴雪天气过程逐渐结束。

850hPa图上(图略)，河南省一直处于东北气流里。从850hPa到700hPa出现了逆温层，700hPa强盛的偏南暖湿气流叠加在850hPa干冷的东北气流之上，加大了垂直切变，促使上升运动的加强和暴雪天气过程的发生、发展。

地面图上，过程期间从蒙古国西部到我国东北地区维持一冷高压，河南省处于冷高压底部的东北气流里。

2 模拟方案与降水模拟分析 2.1 模拟方案

本文利用2006年1月17日20时至19日20时每6小时的NCEP再分析资料(水平分辨率1°×1°)和对应时间的探空、地面资料，采用MM5模式对这次暴雪过程进行数值模拟，积分48小时。网格点结构采用双重嵌套，区域中心为34°N、113°E，粗、细网格格距分别为60km和20km，网格点数均为61×61。垂直层数23层，模式顶气压100hPa。动力学过程采用流体非静力平衡方案，模式粗网格采用Betts-Miller积云对流参数化方案，细网格采用Grell积云对流参数化方案。两重网格均采用MRF的边界层方案，微物理过程采用Goddard降水显式方案。

2.2 降水模拟分析

图 1是实况和模式输出的18日08时至19日08时24小时主要降水时段累积降水量分布图。可以看出，细网格较好地模拟出了河南省降水区走势和南北两个暴雪降水中心位置，而且小—中雪、大—暴雪区域及走势基本与实况吻合，只是模拟的南、北两个降水中心强度稍小于实况，因此可以认为MM5对这次暴雪过程有较强的模拟能力。用模式输出的细网格动力协调资料来进行这次暴雪的诊断分析，能够反映这次暴雪天气过程影响系统的发展演变及动力机制。

3 模拟结果诊断分析 3.1 次级环流分析

高低空急流的稳定维持使低空急流和高空急流耦合产生两个独立的次级环流。在高空急流出口区，产生一个间接环流，这样在间接环流的北部形成辐合上升气流，十分有利于降水天气的发生和发展。分析模拟输出的每3小时一次全风速以及经向风与垂直速度合成的垂直环流沿113°E经向高度剖面图(图 2)发现，18日02时，高空急流中心在250至200hPa之间30°N附近的区域，中心风速达65m·s^-1。该高空急流不断加强北抬，于18日14时到达31.5°N与32°N之间。中心风速达到70m·s^-1。之后，该高空急流不断南压，于19日0 8时到达30°N附近，且在30°N附近徘徊，此时低空急流已形成并稳定维持，河南省上空处于高低空急流出口区北侧的倾斜上升气流中，十分有利于这次暴雪天气过程的发生、发展。期间34°N以南区域这种倾斜上升气流于18日11时开始逐渐加强并维持到19日08时，河南省上空倾斜上升气流发展强盛阶段与降雪集中时段吻合。此后，在33°N附近区域的中层开始出现倾斜下沉气流，并于19日20时，该倾斜下沉气流扩展到34°N以南的宽广区域，这次降雪天气过程结束。

3.2 温度场分析

降雪形成条件比降雨复杂，主要是因为温度条件不同。分析模拟输出的每3小时一次的温度场沿113°E经向垂直剖面图(图 3)发现，从18日02时到19日20时，河南省上空700hPa到近地面层由北向南伸出一条冷舌，850hPa上气温为-5℃左右，华北冷空气所形成的“冷垫”是河南省暴雪发生的先决条件。同时在850~750hPa出现了逆温层，其上界在750hPa附近，上部为西南气流，下界在850hPa附近，下部为东北气流。逆温层的上下界面正好是“天南地北”流场叠置的界面。此时，强盛的西南气流叠加在干冷的东北气流之上，加大了垂直切变，有利于上升运动的加强，这种流场配置对降雪最有利。而长江流域及其以南地区的逆温层下界在900hPa以下，冷空气太浅薄，且其850hPa上温度较高，所以在长江流域及江南地区的降水形式为雨。河南省上空冷舌、逆温层形成强盛阶段与降雪集中时段一致。从19日20时起，冷舌、逆温层逐渐减弱消失，这次暴雪天气过程趋于结束。

3.3 螺旋度分析

螺旋度是一个用来衡量风暴入流气流的强弱及沿入流方向的涡度分量大小的参数，是近年来引进的一个强对流预报参数，它常用于暴雨天气的物理机制的研究上。也有人把它用于暴雪的分析中，下面利用这一诊断量对这次过程做进一步的诊断分析。

分析模拟输出的每3小时一次的总螺旋度分布图(图 4)发现，17日20时，螺旋度大值中心位于江南一带，中心值达400m²·s^-2以上，河南省正螺旋度值为0~360m²·s^-2。18日02时出现两个螺旋度大值中心，一个位于江南一带，另一个位于河套地区，正螺旋度中心值达480m²·s^-2以上，河南省正螺旋度值为180~480m²·s^-2。之后，该正螺旋度大值中心不断东移、减弱，河南省正螺旋度值逐渐减少。19日08时，河南省正螺旋度值为0~120m²·s^-2左右，19日20时河南省中部、南部螺旋度值已转为负值。这说明河南省总螺旋度处于大值时段，正是暴雪降水最大期间, 因此总螺旋度对这次降雪强度变化有一定的指示意义。

3.4 湿位涡分析

湿位涡这一物理量不仅表征了大气动力、热力属性，而且考虑了水汽的作用^[10]，所以对湿位涡进行诊断，可以寻求热力、动力及水汽条件与降水的关系，从而揭示降水发生发展的物理机制。

湿位涡的表达式为：

$\mathit{MPV = - g}\left( {\mathit{\xi + f}} \right)\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{p}}} + \left( {g\frac{{\partial \mathit{\upsilon }}}{{\partial \mathit{p}}}\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{x}}} - g\frac{{\partial \mathit{u}}}{{\partial \mathit{p}}}\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{y}}}} \right) $

湿位涡分为两个部分，其中$MPV1 = - g\left( {\mathit{\xi + f}} \right)\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{p}}} $，是空气块绝对涡度的垂直分量与熵的垂直梯度的乘积，是MPV的垂直分量，$\mathit{MPV}2 = g\frac{{\partial \mathit{\upsilon }}}{{\partial \mathit{p}}}\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{x}}} - g\frac{{\partial \mathit{u}}}{{\partial \mathit{p}}}\frac{{\partial {\mathit{\theta }_\mathit{e}}}}{{\partial \mathit{y}}} $是风的垂直切变和湿相当位温水平梯度的乘积，是等压面上的水平分量。

分析模式输出的每3小时一次的MPV、MPV1和MPV2(图 5)沿34°N纬向垂直剖面图发现，整个过程期间，在400~500hPa层，MPV和MPV1均为0值区，说明大气处于中性状态；而在其他层次，MPV和MPV1均为＞0值区，表示大气处于对流稳定性状态，不利于降水天气的发生。而在MPV2图上，400~500hPa层河南省上空均为0值区，其他层次，MPV2均＜0，且数值较小，说明该区域风压场之间存在地转关系，有利于降水天气的发生发展。所以认为在这次降雪过程中，虽然MPV2的数值从总体上小于MPV1的数值，但这与暴雨过程中起主导地位的是MPV1不同，MPV2在这次降雪过程作用要大于MPV1。

从这也可看出冬季以下沉气流为主导的背景下，暴雪过程的垂直上升运动强度要明显弱于夏季的暴雨。

4 水汽条件分析

在分析模式输出的17日20时到19日20时的水汽通量沿113°E经向垂直剖面图(图 6)时发现，河南省上空850hPa以下存在来自东北方向的干冷气流，在750hPa以上存在一支西南暖湿气流，600到500hPa之间为水汽通量大值区。分析500hPa水汽通量(矢量)分布图(图 7)可知，18日08时水汽通量大值中心位于四川省南部，数值为7×g·s^-1·cm^-1·hPa^-1，之后不断向东北方向输送，并于18日14时在河南省南部达最大，为8×g·s^-1·cm^-1·hPa^-1。19日02时，大值中心仍位于河南省南部，中心值减小为7×g·s^-1·cm^-1·hPa^-1，19日08时水汽通量中心东移出河南省，并于19日20时减小为2×g·s^-1·cm^-1·hPa^-1。由此可见，在这次暴雪天气过程中，南支槽前的西南气流把孟加拉湾的水汽源源不断地向河南省输送，为河南省暴雪天气提供丰沛的水汽条件。

中低层水汽的辐合作用是暴雪天气发生的必不可少的条件。分析模拟输出的每3小时一次水汽通量散度沿34°N的纬向垂直剖面图(图 8)发现：从17日23时起，河南省上空在600hPa附近为水汽辐合区，其上部和下部为弱水汽辐散区。之后，水汽辐合逐渐增强，于18日14时达到最强，中心为-12×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1以上，位于600~500hPa之间。此后，水汽辐合逐渐减弱，于19日08时，辐合中心减小为-3×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。这说明暴雪临近时，水汽迅速聚集，暴雪发生时，在中低层有大量的水汽集中，随着水汽聚集的减少，这次暴雪天气逐渐结束。

5 小结

采用MM5中尺度数值模式对2006年1月18—19日河南省暴雪天气过程进行了数值模拟试验，得出如下结果：

(1) MM5对这次暴雪过程有较强的模拟能力，细网格输出的物理量能较好地揭示这次暴雪产生的机制。

(2) 暴雪临近时，丰富的水汽来源、中低层的水汽辐合、高低空急流耦合产生的上升运动以及河南省上空的冷舌、逆温层有利于降雪天气的发生发展。

(3) 对次级环流分析的模拟表明，高低空急流的稳定维持使高低空急流产生两个独立的次级环流，在高空急流出口区、间接环流的北部形成上升气流，有利于降水天气的发生发展。

(4) 总螺旋度的变化对降雪的强度变化有一定的指标意义。

(5) 在这次降雪过程中，MPV2的数值从总体上小于MPV1的数值，但与暴雨过程中起主导地位是MPV1不同，MPV2在这次降雪过程中作用大于MPV1。