大雪是冬季常出现的灾害天气之一。尤其是2008年初，在我国南方发生的大范围冰冻雨雪天气造成了巨大经济损失。近年来愈来愈多的学者关注大雪成因的研究，成果颇丰。例如：施晓晖等^[1]通过对高原上游关键区水汽输送机制的研究，认为2008年初灾害发生期间, 中国北方中低层大气盛行偏北气流, 使偏北冷空气“楔入”中国东南部低层大气, 构成低层“冷垫”, 同时偏南暖湿气流源源不断地将大量水汽输送到中国东南部, 冷暖气流交汇及其垂直切变导致强烈的上升运动，造成了长江流域特大雪灾的发生。曾明剑等^[2]研究了2008年初冰冻雨雪灾害形成的温度场结构，认为降雨、冻雨和降雪3种类型降水物的自南向北分布特征是由对流层中低层向北后倾的锋区在南北不同区域上的层结特征和地面温度条件决定的。杨贵名等^[3]认为大气环流形势稳定, 来自极地的冷气团与来自热带洋面的暖气团长时间在长江中下游地区交汇，四川盆地有正涡度向东传播, 水汽充沛, 上升运动强烈是2008年初冰冻雨雪天气和暴雪形成的主要原因。王伟等^[4]在2008年1月九江一次雨凇转大到暴雪过程的大气垂直结构分析中认为，高、低空急流辐散、辐合相互垂直引发的较强上升运动是雨雪天气得以维持的重要条件。另外，在华北地区，周雪松等^[5]对2004年11月华北一次回流暴雪发展机理的个例模拟研究认为，在华北回流暴雪形成与发展过程中, 动力锋生机制产生的锋面次级环流是造成暴雪的主要原因。马秀玲等^[6]认为东部高压脊阻挡导致南北低值系统合并加强, 并移动缓慢，以及低层辐合、低空急流建立并形成的大范围的水汽输送，导致2007年春季承德局地暴雪天气的形成。而王迎春等^[7]的研究表明，2002年12月北京地区连续降雪期间华北地区始终处于锋区中, 并存在低空辐合、高空辐散的散度场垂直分布结构，同时卫星水汽云图也显示出有水汽通道向河套倒槽云系的水汽输送。

这些工作从不同方面对近年大雪成因进行了很好的研究。如上所述，这些研究主要集中在较大范围降雪的环流形势、水汽条件和动力背景等方面。对于利用本地新型加密探测资料对降雪范围相对较小的局地大雪成因的动力研究很少。文章利用中国气象局MICAPS常规气象资料和北京市气象局新近配置安装的风廓线雷达、微波辐射仪、地面自动站等多种本地新型加密探测数据资料，对2009年11月1日北京初冬大雪局地暴雪天气过程进行动力计算和成因分析，揭示北京地区局地暴雪形成的动力机制。

2009年10月31日北京地区的降水从夜间22时开始，11月1日02时前以雨为主，02—06时雨夹雪，06时以后逐渐转为降雪。图 1给出了2009年10月31日20时至11月1日14时 (北京时，下同) 北京地区总降水量和11月1日08—14时北京地区降雪量。图中显示，无论是总降水量还是11月1日08时之后的降雪量，都主要集中在北京的西南部地区，尤其是石景山、门头沟、海淀、昌平及城区一带。其中门头沟总降水量25 mm；石景山11月1日08时之后降雪量12 mm (暴雪)，门头沟10 mm (暴雪)，海淀和朝阳8 mm (大到暴雪)。

图 1 2009年10月31日20时至11月1日14时北京地区总降水量 (a) 和11月1日08—14时北京地区总降雪量 (b)(单位：mm) Fig. 1 Total rainfall amount (a, unit: mm) from 20:00 BT 31 October to 14:00 BT 1 November 2009 and total snowfall amount (b, unit: mm) from 08:00 BT to 14:00 BT 1 November 2009 in Beijing

图 2给出了2009年10月31日08时、11月1日08时500 hPa高空形势及所对应的卫星云图。图中可见，31日08时与黄河下游西南气流对应的云带位于北京地区以东 (图 2c)，之后快速东移减弱。河套西部的槽在西北气流中 (图 2a)，是干槽，几乎没有云区与之对应 (图 2c)。50°N附近贝加尔湖地区10月31日08时有一股强冷空气，与之对应的横槽和冷云位于贝加尔湖南部地区 (图 2a和2c)。11月1日08时这股强冷空气迅速向南爆发至华北北部 (图 2b)，冷云也同时进入北京上空 (图 2d)，并在北京上空加强，造成强降雪天气。北京地区这次强降雪的主要天气系统，就是这支来自于贝加尔湖地区夹带着强冷空气的横槽。

图 2 2009年10月31日08时 (a、c)、11月1日08时 (b、d)500 hPa高空形势场 (a、b，单位：dagpm) 和卫星云图 (c、d) Fig. 2 The 500 hPa height fields (unit: dagpm) at 08:00 BT 31 October 2009 (a) and 08:00 BT 1 November 2009 (b), and the satellite images at corresponding time (c, d)

图 3是2009年11月1日08时动力诊断图。图中显示，1日08时伴随着裹带贝加尔湖强冷空气的横槽南压至华北北部 (图 3b)，北京地区上游内蒙古中北部呈现强的正涡度中心，中心强度6×10^-5 s^-1(图 3a)。北京地区处于偏西北气流影响下的强的正涡度平流区。图 3b同时刻涡度平流场的分布显示，沿着40°N强度达20×10^-10 s^-2的正涡度平流中心位于北京以西河北西部、山西东北部上空，北京西部在其中心范围区内。图 3c~3f是1日08时对流层各层 (400，500，850和925 hPa) 水平散度场分布图。图中显示，对流层中下层辐合中心和对流层中上层辐散中心都位于北京地区上空，几乎呈垂直分布。北京上空400和500 hPa辐散中心强度分别为+6×10^-6 s^-1和+4×10^-6 s^-1(图 3c和3d)，低层850和925 hPa辐合中心强度-4×10^-6 s^-1和-6×10^-6 s^-1(图 3e和3f)。这种对流层低层质量辐合、中高层质量辐散，500 hPa强正涡度平流输送的动力垂直结构，对北京地区大气的扰动和垂直对流的发展非常有利。事实上，1日08时之后的大雪范围基本都出现在1日08时低层的辐合中心和高层的辐散中心区附近。以上所述表明，大雪前北京上空强的正涡度平流及低层辐合、高层辐散的垂直动力结构，为北京地区大气的垂直运动提供了十分有利的动力环境，是北京地区这次大雪形成的重要条件。

图 3 2009年11月1日08时500 hPa涡度 (a) 及涡度平流 (b) 分布及400 hPa (c)、500 hPa (d)、850 hPa (e) 和925 hPa (f) 水平散度分布图 Fig. 3 The 500 hPa vorticity (a) and vorticity advection (b) at 08:00 BT 1 November 2009, and the horizontal divergence of 400 hPa (c), 500 hPa (d), 850 hPa (e) and 925 hPa (f) at 08:00 BT 1 November 2009

图 4是2009年10月31日北京地区10 min间隔的地面自动站加密探测资料、北京海淀12 min间隔风廓线雷达探测资料及其反演产品温度平流和微波辐射探测相对湿度资料的实况分析图。其中图 4a~4c分别为2009年10月31日11:30、16:30和22:30降水开始时北京地区地面实况风矢图；图 4d为31日08—24时北京海淀12 min间隔风廓线雷达探测实况风矢垂直分布及反演产品温度平流 (阴影) 垂直分布；图 4e为31日08时至1日08时北京微波辐射探测相对湿度实况垂直分布变化图。综合分析显示，北京地区31日15时之前地面 (图 4a) 至对流层中部 (图 4d垂直橘黄色虚线范围所示) 一直受偏北风 (图 4a和4d风矢) 和低层冷平流 (图 4d大蓝虚线椭圆圈蓝绿阴影所示) 控制，整层大气干燥，相对湿度在50%以下 (图 4e橘黄色垂直虚线范围)。这一点与常规资料的分析结果相同，2009年10月31日08时各层高空形势 (图略) 显示，华北中东部的黄河下游以北地区对流层中下层925，850和700 hPa受一致的西北气流控制，各层风速都在10~12 m·s^-1以上。

图 4 2009年10月31日11:30(a)、16:30(b)、22:30(c) 北京地区地面自动站探测图，10月31日08:00—24:00北京海淀12 min间隔风廓线雷达探测 (风矢) 及其反演产品温度平流 (阴影) 图 (d) 及10月31日08:00至11月1日18:00北京微波辐射探测相对湿度垂直分布图 (e) Fig. 4 Surface automatic weather station observations in Beijng at 11:30 BT (a), 16:30 BT (b) and 22:30 BT (c) on 31 October 2009; the 12-min interval wind detection and the deriverd temperature advection (shaded) by Haidian windprofiler from 08:00 BT to 24:00 BT on 31 October 2009 (d); and the vertical distribution of relative humidity by radiometer in Beijing from 08:00 BT 31 October to 18:00 BT 1 November 2009 (e)

31日下午16时30分左右平原地区地面 (图 4b) 和900 m以下近地面 (图 4d) 开始转受偏南风影响，1500 m左右的南风在20时以后建立 (图 4d)。中低层的水汽条件在20时以后开始有所改善，相对湿度增至70%以上 (图 4e)。22时30分左右北京地区降水开始，地面 (图 4c) 和近地面 (图 4d黑三角之后) 转受东南风控制 (图 4d), 2000 m以下相对湿度接近100%(图 4e黑三角之后)。此时距850 hPa转南风开始增湿仅3小时左右。这表明，北京地区这次降水，前期对流层中低层水汽的系统性输送和积累不明显。

图 5是2009年11月1日08:00时700和850 hPa水汽通量散度图。图中显示，范围500 km左右的水汽通量辐合中心区位于北京上空，北京地区主要降水区和大雪区正位于这个小范围的水汽通量辐合区内，即31日夜间降水开始之后和1日白天大雪发生之前北京地区主要降水区对流层中低层一直维持着小范围的水汽辐合，这对于1日白天大雪的发生十分有利。此外，北京地区10月下旬气温持续偏高，29日最高气温23.3℃。这个温度下，即使相对湿度较低，空气柱中仍存在一定的净水汽含量。

图 5 2009年11月1日08:00时700 hPa (a) 和850 hPa (b) 水汽通量散度 (单位：kg·m-1·s-2) 分布图 Fig. 5 The divergence of water vapor flux at 700 hPa level (a) and 850 hPa level (b) at 08:00 BT 1 November 2009 (unit: kg·m-1·s-2)

综上所述，北京地区这次大雪天气的水汽条件主要源于近地面偏南风和东南风的短时间局地增湿，以及这种增湿在高空强冷气团作用下产生的对流层中低层的局地水汽辐合。上述分析同时揭示了一个事实：北京地区在前期受北风影响，在水汽输送和水汽积累不明显的背景下，如果受到高空强冷气团及其作用下产生的对流层中低层的辐合影响，近地面短时间偏南风和东南风的局地增湿仍有可能在北京地区产生较明显降水。

图 6a是2009年10月30日08时至11月1日20时北京南郊观象台500和850 hPa、地面温度和风实况时间序列图。图中显示，10月30日20时至11月1日20时北京上空500 hPa的温度持续下降，1日20时达到-37℃以下，48小时下降21℃；而低层850 hPa和地面的温度在此期间下降并不明显，850 hPa 48小时气温下降14℃，地面气温下降仅7℃。图 6b、6c和图 6d、6e分别是10月31日20时、11月1日08时500 hPa温度水平分布图和地面自动站风分布图。图中显示10月31日20时500 hPa温度冷槽接近北京，北京500 hPa温度24小时下降10℃，接近-25℃；而对应的地面气温7.9℃，没有下降反而略升。11月1日08时500 hPa温度冷槽控制北京，北京500 hPa温度降至-30℃，此时地面气温0.4℃，仍在0℃以上。与此同时，31日20时和1日08时北京850 hPa (图略) 及地面平原和东南部地区仍然受西南风和偏东风影响 (图 6d和6e)，即当10月31日20时500 hPa温度冷槽已经接近北京和11月1日08时500 hPa温度冷槽完全控制北京时，地面平原及其东南部地区仍然处在相对暖湿的东南气流中。这一点在风廓线雷达探测反演产品温度平流的垂直分布中反映得很清楚。图 4d阴影图为海淀风廓线雷达探测实况反演产品温度平流时间序列垂直分布。图中31日北京地区开始降雨前后20:00—24:00时 (蓝色垂直虚线范围所示)3000~3500 m伴随着西北风加大，较强冷平流中心形成 (图 4d小蓝虚线椭圆圈蓝绿阴影所示)，而低层500~1200 m则受暖平流和偏南风影响 (图 4d小红虚线椭圆圈黄橘阴影所示)。这表明随着高空横槽的南压，对流层中高层强冷气团控制北京上空，中层700 hPa已经受冷平流影响，而对流层底层仍在相对的暖湿气团中，形成了由于高空冷平流先期到达，降温速度急剧，而低层仍保持原气团，降温不明显的相对不稳定层结。这种不稳定层结对降雪强度的加强和维持，是十分必要的。

图 6 2009年10月30日08时至11月1日20时北京南郊观象台500 hPa (蓝实线)、850 hPa (红实线) 和地面 (紫实线) 温度和风实况时间序列图 (a) 及2009年10月31日20时 (b、d)、11月1日08时 (c、e)500 hPa温度分布图 (b、c) 和地面自动站探测实况 (d、e) Fig. 6 Temperature and wind seriers (a) of Nanjiao Observatory at 500 hPa (blue solid) and 850 hPa (red solid) level from 08:00 BT 31 October to 20:00 BT 1 November 2009; the 500 hPa temperatures at 20:00 BT 31 October (b) and 08:00 BT 1 November 2009 (c); and surface automatic weather station observations at 20:00 BT 31 October (d) and 08:00 BT 1 November 2009 (e)

图 7a是北京地区地形图。西部、北部为山区, 城区和东南部是平原。西部山区平均高度800~1000 m，海淀站位于西部山前。图 7b是2009年11月1日07:00—14:24时北京海淀6 min间隔的风廓线图。图中可见，1日大雪形成阶段08—12时北京地区西部山前 (海淀) 边界层的水平风垂直分布很稳定，基本上分为3个层次。近地面至700 m东南风，700~1300 m偏东风，1300~1800 m偏西风。在北京地区冬季，近地面和边界层的东南风相对暖湿，偏东风常常湿冷。31日700 m以下的东南风和700~1300 m左右的偏东风都将受到北京西部、北部山体的阻挡，在山前形成质量堆积和辐合。堆积和辐合使得气体产生局地抬升，沿着山体上升，在山顶以上受到偏西风的作用产生向后的卷扬，最终形成并增强了山前的局地对流。北京上空边界层的层结稳定变化一定程度上反映了这一点。图 7c和7d是2009年10月31日20时、11月1日08时北京南郊观象台温度对数压力图。图中可见，10月31日20时北京地区降水前1000 m以下是稳定层结 (图 7c)，而11月1日08时北京地区降水已经近10小时后，1000 m以下转为不稳定层结 (图 7d)。正是从这个时间开始，北京地区的降水强度陡增，6小时降雪10 mm以上，达到暴雪量级 (图 1)。这一点与北京夏季山前局地暴雨形成过程中地形作用的贡献是类似的^[8-10]。图 7f的概念模型图是对这个过程所做的完整刻画。这个概念模型下产生的局地对流，加强了北京西南部对流层上下冷暖空气的交汇和扰动。

图 7 北京地形图 (a)，2009年11月1日07:00—14:24北京海淀风廓线分布图 (b)，10月31日20:00(c)，11月1日08:00(d) 北京南郊观象台温度压力对数图，11月1日09:00—12:00北京地区降雪量图 (e，单位：mm) 及北京西部山前 (海淀) 边界层风廓线分布在地形作用下产生局地辐合抬升作用概念模型图 (f) Fig. 7 Topographic map of Beijing, (b) wind profile at Haidian Staion from 07:00 BT to 14:24 BT 1 November 2009, (c) T-logp chart at Guanxiangtai Station at 20:00 BT 31 October 2009, (d) T-logp chart at Guanxiangtai Station at 08:00 BT 1 November 2009, (e) snowfall (unit: mm) in Beijing during the period of 09:00 BT to 12:00 BT 1 November 2009, and (f) a conceptual model for local convergence and lifting by the interaction of boundary layer wind and terrain

图 7e是11月1日上午09:00—12:00北京地区降雪量图，图中显示北京西南半部的主要降雪量都是在这3小时形成的。尤其在北京西部山前海淀、石景山、门头沟地区，3小时降雪量6~8 mm。事实上，这次降水过程华北地区的降水范围很有限，大雪主要发生在北京及北京西南的河北中部部分地区。由此可见，山前和平原地区边界层风廓线分布在北京地形作用下产生的局地辐合抬升作用在很大程度上增强了北京西南部的降雪。

(1) 2009年10月31日至11月1日北京地区发生的初冬大雪局地暴雪，近22年罕见。其主要影响系统是直接来自于贝加尔湖地区夹带着强冷空气的横槽向南爆发。

(2) 有利的动力条件是这次大雪过程成因的重要因素。北京上空强正涡度平流及低层辐合、高层辐散的动力垂直结构对北京地区降水和大雪的产生十分有利。

(3) 这次降水天气过程是在北京地区前期水汽输送和水汽积累不明显的“较干”背景下产生的。大雪的水汽条件主要源于近地面偏南风和东南风的短时间局地增湿，以及这种增湿在高空强冷气团作用下产生的对流层中低层的局地水汽辐合。

(4) 这次降水天气过程的主要层结特征是对流层中高层先行受到横槽前部强冷平流的影响和冷温度槽的控制，降温急剧，而低层暖湿气团始终降温缓慢。

(5) 山前和平原地区近地面东南风，边界层偏东风和边界层以上的对流层底层偏西风的风廓线分布在北京西部地形作用下产生质量堆积和辐合抬升作用，形成局地对流加强，在很大程度上增强了北京西南部的降雪。