引言

暴雪是我国北方常见的灾害性天气之一。早在20世纪70年代，王文辉等^[1]对内蒙古自治区锡盟“77.10”暴雪进行了天气学分析。朱爱民等^[2]和周雪松等^[3]分析了锋面次级环流对暴雪的影响。王建忠等^[4]、池再香等^[5]、盛春岩等^[6]、王文等^[7-8]研究认为对称不稳定对暴雪发生至关重要。张小玲等^[9-10]和隆霄等^[11]对两次高原暴雪过程模拟分析中指出中尺度系统在暴雪的发展过程中发挥了重要作用。迟竹萍等^[12]对山东暴雪个例进行了云微物理参数模拟分析。易笑园等^[13]对北方晚冬一次雨雪天气分析得到，对流层低层干冷空气促进锋生和暖湿空气的抬升。赵思雄等^[14]对造成北京交通大堵塞的“12.7”小雪过程分析认为，该过程是在回流天气背景下发生的。徐达生^[15]研究认为华北平原冬季较大的降雪、春秋季较大的降水大部分与回流天气有关。华北回流天气是指冷空气从东北平原南下，经过渤海，以偏东路径影响华北平原。王迎春等^[16]通过北京连续降雪个例分析，认为华北回流降雪近地面层存在一个浅薄的冷空气垫。张迎新等^[17-18]对2002年12月暴雪个例分析指出降水强度及开始、结束时间与高空暖湿气流及低层偏东风有很好的相关。张守保等^[19]统计了1980—2002年华北平原的回流天气过程，合成分析结果显示，涡度和散度的垂直分布与一般降水过程不同，低层存在辐散和反环流，低层经渤海回流到华北地区的空气是比较干的。尽管如此，对我国而言，暴雪过程的研究仍是一个比较薄弱的环节，对华北地区暴雪的大气不稳定分析及中尺度特征研究较少。

2009年11月，华北地区出现了有气象记录以来的特大暴雪天气，据统计，9—13日 (北京时，下同) 河北省共有82站出现10 mm以上的降雪，其中石家庄地区有8站超过50 mm，石家庄测站降雪最多为93.3 mm。受降雪天气影响，石家庄大部、邢台西部、邯郸西部累计积雪深度超过30 cm，石家庄市区积雪最深达55 cm。据省民政部门统计，此次暴雪共致328.4万人受灾，直接经济损失达15.2743亿元。对此次华北暴雪过程的深入研究将有助于更好地认识和预报此类天气。本文将选择降雪集中时段 (10日08时至11日08时) 作为个例, 分析此次特大暴雪的影响系统及主要成因。

1 主要影响系统 1.1 天气系统

从高低空系统配置 (图 1) 可以看到，暴雪刚开始，500 hPa上亚洲中高纬地区呈两槽一脊型，东北地区槽后冷空气遇长白山阻挡，从东北平原南下经渤海侵入华北平原。而位于巴尔克什湖附近的高空槽，槽底不断有小短波槽分离并快速东移，槽前的暖湿气流与回流冷空气共同作用形成华北回流天气。对应700 hPa，南支槽与西风带短波槽同位相叠加，在槽前形成风速达14~16 m·s^-1的西南急流，并且与北方冷空气在河北中部到山西、陕西一带相遇形成一东-西向切变线。850 hPa及以下层东北南下的冷空气以东北风的形式回灌到华北，且形成了一支东北风急流。地面图上 (图略)，7—12日，贝加尔湖南侧蒙古冷高压长时间稳定维持，受其影响，冷空气不断从东北平原扩散南下，长时间影响河北，并与河套地区西侧冷空气长时间对峙形成了锢囚锋。

1.2 中尺度系统

从假相当位温和温度平流的经向剖面图 (图略) 时间演变来看，800~200 hPa之间为暖平流，说明西南暖湿气流势力较强，低层虽然冷平流较强，但其所在层次较低且南移缓慢，使得锋面系统长时间维持，暴雪区上空等位温线密集区基本维持在800 hPa附近。从尺度分离结果来看 (图 2)，由于冷暖空气长时间对峙，700 hPa α中尺度低涡切变线稳定维持在山西到河北中部地区。云图 (图略) 也清楚地显示出切变线云系不断向东移过石家庄上空，云顶温度达到-55℃以下，说明对流发展较强。

2 成因分析 2.1 动力机制

周雪松等^[3]研究指出，在暴雪过程中，动力锋生机制扮演了重要的角色，其产生的锋面次级环流是造成降水的直接中尺度系统。张维桓等^[20]对副高北侧京津冀地区的一次大暴雨过程的模拟诊断发现，考虑次网格尺度动量和热量及非绝热加热条件后，次级环流为两个明显的正、逆环流圈。此次过程冷锋锋面向北倾斜，由热成风原理及动力学锋生理论^[21]可以得到必然强迫出一南-北向的锋面次级环流。另外由于中层西南暖湿气流强盛，对流发展较强，在热量、非绝热加热等条件作用下，降雪过程中次级环流也呈现出了正、逆两个环流圈 (图 3)。从图 3a可以看到正、逆环流圈伴随有强的垂直上升运动，中心位于350 hPa高度，最大值达到0.15 m·s^-1。由于东北平原回流南下的冷空气遇太行山脉阻挡，使得冷中心位于山坡东侧，在纬向剖面上 (图 3b) 也可看到双环流圈，上升中心位于迎风坡处，中心值可达0.24 m·s^-1。涡度和散度图 (图略) 显示在800 hPa以下层为辐散和负涡度，在800~350 hPa为辐合区并耦合有强正涡度。200 hPa附近为辐散和负涡度。因此暴雪区上空的结构为辐散—辐合—辐散，与张守保等^[5]得到的结论一致。由此可见，600~350 hPa之间的强辐合及与正涡度的耦合和次级环流的上升气流对于降雪有重要贡献。

2.2 不稳定条件

$\begin{array}{*{20}{l}} {{\xi _{{\rm{MPV}}}} = {\xi _{{\rm{MPV1}}}} + {\xi _{{\rm{MPV2}}}} = - (\xi + f)\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} + }\\ {g{{(\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial y}})}^{\left[ {22 - 24} \right]}}} \end{array}$

式中第一项 ${\rm{MPV1}} = - (\xi + f)\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}}$ ，为湿正压项，表示惯性稳定性和对流稳定性的作用；第二项 ${\rm{MPV2}} = g(\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial y}})$ ，为湿斜压项，表示湿相当位温水平梯度和水平风垂直切变的贡献。

当 $\partial {\theta _{se}}/\partial p > 0$ 或 $\partial {\theta _e}/\partial p > 0$ 时，且MPV < 0，大气为条件性不稳定或位势不稳定； $\partial {\theta _e}/\partial p < 0$ 或 $\partial {\theta _{se}}/\partial p < 0$ ，且MPV < 0时，大气为条件对称性不稳定或位势不稳定。

条件性对称不稳定能够导致β中尺度的倾斜对流，使得某些狭窄地带的降水总量大大增加。湖中明等^[23]指出，对流不稳定和对称不稳定共存的结构也可能是暴雪过程的一种触发机制。本文将利用湿位涡定性的讨论暴雪的不稳定特征。

由暴雪区附近 (38°N、114°E) 的θ_e和位涡的时间-高度剖面图 (图 4b) 可看到，300 hPa以上存在位涡高值区，与对流层顶及平流层的静力稳定度有很大关系^[4]，一般暴雨过程中高层位涡携带干冷空气下传，迫使中低层暖空气抬升^[25-26]，使得降雨量增加，此次暴雪过程中，高层的位涡没有明显的高值下传，与暴雨的特征有所不同。对流层位涡的高值区主要集中在900~700 hPa，在降雪较为集中的时段 (10日08时到11日02时) 中心值维持在2 PVU以上。MPV1的大值区与θ_e密集区相对应，持续的东北风造成冷垫增厚，使得θ_e的密集区高度逐渐抬升，与之相伴，MPV1的大值区也向上伸展，高位涡携带的冷空气向上迫使中层暖湿空气抬升，有利于降雪的增幅；而MPV2的负值区 (图 4c) 也主要集中在这一高度，且绝对值逐渐增大，10日20时最强可达-0.9 PVU。MPV2项受水平风的垂直切变及位温梯度共同影响，次级环流的建立对于上下层风场有正反馈作用，高层西南风及低层东北风增大使得其垂直切变增强；而计算的700 hPa及以下层锋生函数分布显示 (图略)，降雪期间，在河北中南部地区到山西锋生函数为正值，这将使得等位温线更密集且等位温面陡立，有利于MPV2项增强。MPV2的增强有利于暖湿空气在冷空气上的爬升运动的发展。朱环娟等^[27]对2007年河北省北部暴雪分析得到，强降雪区域发生在MPV1>0且得到较大增长，MPV2绝对值得到较大增长的区域，本文结果与其基本一致。

图 4显示600~300 hPa等θ_e线稀疏，大气近似为中性状态，位涡值也接近0；9日20时至10日08时，雪区上空700~600 hPa，由于西南暖湿气流作用，大气是对流不稳定的， $\partial {\theta _e}/\partial p > 0$ ，对应MPV < 0，随着降雪的开始，不稳定能量逐渐释放，MPV的负值区逐渐减小；在10日02时至11日08时，900 hPa以下层 $\partial {\theta _e}/\partial p < 0$ ，大气是对流稳定的，对应MPV < 0但数值较小，表明大气为弱的条件性对称不稳定，结合图 3b分析可知，由于山脉对于东北风的阻挡作用，使得山坡东侧存在一干冷中心，其产生的θ_e梯度及地形对气流的强迫抬升、绕流等作用产生的风切变对不稳定 (MPV2) 有主要贡献。在900~700 hPa大气是对流稳定的 ( $\partial {\theta _e}/\partial p < 0$ ，MPV1>0)，低层东北风和中高层西南气流之间的切变和锋面θ_e的南北梯度共同贡献，使得对流层中低层湿斜压性较明显 (MPV2 < 0)。

因此，冷锋锋面南压过程产生的位温梯度、风的垂直切变，中层暖湿气流产生的对流不稳定及地形作用在暴雪区产生条件性对称不稳定的共同作用，有利于暴雪形成。

2.3 水汽条件

回流降雪的水汽伴随中层的西南气流来自南方地区^[18]，9日夜间开始从贵州、重庆、陕西到山西、河北一带西南急流逐渐建立，并缓慢东移，700 hPa风速最大可达16 m·s^-1以上 (图 5a)，水汽被源源不断地输送到暴雪区上空, 河北中南部地区处于急流前端的水汽辐合区，有利于暴雪的产生。另外，比湿大值区位于850~500 hPa (图 5b)，中心值最大可达4.8 g·kg^-1, 强上升运动可将水汽输送到对流层高层，相对湿度达90%以上的区域可达200 hPa以上。而从石家庄单站的GPS水汽也可监测到，从9日21时，大气中可降水量不断增加，到10日03时最大为23.85 mm。对应降雪集中的时段 (10日07—17时)，石家庄站大气可降水量均在18 mm以上，远高于陈小雷等^[28]统计的11月份月平均值 (8.5 mm)。由此可见，这次暴雪过程水汽条件充沛。

3 地形作用

强降雪中心位于太行山向东开口的喇叭口地形南侧迎风坡处，量值比其他地区大近1倍 (见图 6)。一些研究^[29-31]发现夏季河北省中南部暴雨天气低层多吹偏东风，影响系统多为低涡或低值系统，因此偏东风性质为暖湿的，所携带的水汽和能量在山前堆积，通过地形抬升和地形云直接增雨作用对暴雨产生增幅。冬季与夏季低层偏东风性质不同，冬季为干冷的^[17-19], 其对于降雪的影响有待进一步研究。

特殊的喇叭口地形可以使气流汇聚，并强迫其爬坡，绕流。本节将用数值试验结果分析中小尺度地形对于降雪的影响。使用美国MM5v3.6非静力中尺度模式进行3层嵌套模拟，粗网格中心点为38°N、110°E，3层嵌套水平分辨率分别为45, 15和5 km，计算网格点空间分布分别为100×100，112×100，214×187；垂直分辨率K_σ=37层；模式顶p_t=100 hPa。辐射过程:采用Cloud辐射方案。云和降水的物理过程：显式方案为混合冰相，积云对流参数化方案为D1, D2域采用Grell方案，D3域为显式方案。行星边界层物理过程：MRF高分辨率方案。初始化的资料包括：NCEP的1°×1°再分析资料及每日2次的探空资料和每日4次的地面资料。积分开始时间2009年11月9日20时，积分时间长度36小时，时间步长为120, 40和13.3 s。对5 km模拟结果进行分析。

图 6b显示模式模拟降雪中心比实况略偏西，中心值最大为40 mm，比实况偏小。但模式预报中雪范围与实况基本一致，20 mm线区域也与实况较接近，因此模式能基本再现本次降雪天气。

模式模拟的剖面图 (图 7) 显示，南-北方向上，在喇叭口地形北侧为下坡风，贴近地面为下沉运动，南侧为迎风坡，上升运动；东-西方向由于850 hPa以下层吹东北风，在迎风坡处为上升运动。另外由于向东开口的喇叭口地形对于气流有汇聚作用，因此整个喇叭口地形上空到800 hPa为上升运动，在喇叭口地形南侧与东北风几乎垂直的迎风坡处上升运动最强，中心值可达0.06 m·s^-1。低层地形产生的辐合将与次级环流上升运动 (图 8a) 叠加形成一强的垂直环流，有利于降雪系统的稳定维持。而从图 8可见，在山脉迎风坡地区850 hPa高度为一冷中心，比湿较小，因此地形抬升作用可将干冷空气抬升至较高气压层，加强了冷垫作用，从而迫使700 hPa暖湿空气爬升，有利于水汽向高层输送并凝华、冻结为雪及冰粒子。冰粒子主要位于-30℃(400 hPa) 以上层，强垂直速度中心的顶端，而雪粒子中心在550 hPa，冰粒子与雪中心垂直，对下面层云降水起播种作用。另外雪粒子接地，说明此时降水性质为雪。

从模式模拟逐小时风场及散度也可看到 (图 9a)，沿太行山脉存在一条西南风和东北风的辐合带，与观测到的TBB≤-55℃的对流云团 (图 9b) 相一致，另外辐合带中镶嵌有多个辐合中心，与喇叭口地形相对应。

4 结论

应用多种资料对2009年11月河北省特大暴雪过程主要影响系统及成因进行了分析讨论，初步得到一些结论：

(1) 石家庄暴雪的动力机制：冷暖空气势力相当使得锋面长时间维持，由此产生正、逆双向次级环流，并伴随强的垂直上升运动，与中层辐合及正涡度强耦合的区域为暴雪区。由于锋面造成的温度梯度加大，风的垂直切变及地形作用在暴雪区产生条件性对称不稳定和中高层的对流不稳定，有利于暴雪形成。

(2) 水汽条件：这次降雪过程水汽充沛，强上升运动可将水汽输送到高空冷区，凝华、冻结为雪及冰晶。

(3) 向东开口的喇叭口地形使得干冷空气在低层堆积，增强了回流降雪的低层冷垫作用；由于地形作用，气流在低层有弱的上升运动，其与锋面次级环流上升运动叠加产生更强的上升运动。