引言

我国的暴雪灾害主要集中在东北地区和西北高原山区^[1]，因此，我国对暴雪的研究也主要集中在东北地区和西北高原地区，对中原地区暴雪天气研究较少。暴雪天气也是中原地区冬季时常出现的一种灾害性天气，但暴雪伴雷电天气在河南冬季很少发生。河南冬季降雨时伴有雷电现象很常见，多发生在前期较暖的情况下，冷空气影响时，前期是降雨，随着温度的降低，后期转为降雪。2009年11月11—12日，河南省北中部出现暴雪伴雷电天气。其间的两次雷电现象均出现在强降雪时段的中段，这种天气现象很少见。11日21：15—22：21郑州站上空出现间歇性雷电；12日03：29—04：10郑州站和原阳站上空同时出现间歇性雷电。这次过程的强降雪时段主要集中在11日14：00到12日14：00，24小时降水量大部分站点在25 mm以上，部分站点在30 mm以上。过程最大积雪深度长垣站为34 cm，郑州市区积雪深度也达32 cm。这次强降雪过程中出现雷电现象，而且降雪时段集中、范围大、降雪强度大是近60年罕见的。

从20世纪70年代开始, 气象工作者进行了不少关于暴雪天气的气候特征的分析和总结^[2-3]。近年来的研究已经从传统的天气学分析发展到非常规资料的应用分析^[4], 以及一些中尺度数值模拟分析^{[1, 4-16]}, 而对降雪过程的物理量诊断分析研究相对较少^[8]。本文利用常规观测资料、雷达资料和NCEP的1°×1°的每6小时分析资料，从预报角度着重分析此次强降雪伴雷电发生时的天气形势特点、高低空急流的作用、雷达回波特征及反映动力、热力和水汽条件的相关物理量实况场的特征，以认识暴雪伴雷电现象形成的机理，为实时预报业务提供帮助。

1 高空影响系统

500 hPa和700 hPa的低槽是这次暴雪伴雷电天气过程主要影响系统，尤其是低槽东移到河南省上空发展加深，其槽前高低空急流在河南省上空发展加强是这次天气过程的主要成因。11日08：00 500 hPa河南上空为弱的偏西风气流，低槽位于东胜、延安到安康一线，其槽前最大西南风速为16 m·s^-1；700 hPa河南处在东南沿海到华北高压脊的后部，河套到四川盆地的低压带前部。河南省上空为一致的西南气流，郑州西南风速为14 m·s^-1。此时河南北中部地区的天气现象为小雪或雨凇，11日08：00—14：00降雪量很小。强降雪从11日14：00开始，这正好和低槽在东移过程中发展加深相对应。11日20：00中层(700~500 hPa)东南沿海经渤海湾到蒙古东部的高压脊加强，对应着低槽的加深。500 hPa槽前的西南风速加大到20 m·s^-1；700 hPa槽前河南省中北部到河北省南部出现了西南风急流，轴线位于郑州到邢台一线，轴线上风速为18 m·s^-1。此时河南省北中部地区的现在天气现象为中雪或大雪。12日08：00 700 hPa图(图略)上，急流轴线位于南阳、郑州到邢台一线，郑州站的风速增大到20 m·s^-1；500 hPa图(图略)上，低槽位于呼和浩特、延安到西安一线，西南风急流轴东移到阜阳、徐州到章丘一线，最大西南风速章丘为28 m·s^-1。可见11日20：00到12日08时高低空急流在河南上空加强维持。两次雷电现象出现在高低空急流东移发展加强过程中。从NCPE再分析资料间隔6小时沿34°N全风速纬向垂直剖面图可以看到高低空急流在河南上空发展东移。11日20：00(图略)，700 hPa上河南上空为12 m·s^-1西南风，500 hPa上20 m·s^-1西南风急流头在109°E；200 hPa上大于40 m·s^-1的偏西风急流头在112°E。12日02：00(图略) 700 hPa上河南上空西南风增加到14 m·s^-1，500~400 hPa层次上22~24 m·s^-1西南风速位于109~113°E，急流头在113°E；200 hPa上大于44 m·s^-1偏西风急流头在114°E；到12日08：00(图略)，低空急流维持，200 hPa上大于40 m·s^-1偏西风急流头东移到116°E。可见，第一次雷电现象和低空急流在河南上空加强相对应。第二次雷电现象和高空急流头的东传相对应。12日14：00低槽移出河南，降雪结束。高低空急流在河南上空发展加强，正好和暴雪伴雷电现象的发生时段相对应。

2 大气层结和雷达资料分析

11日20时，郑州探空曲线图(图略)表明，大气层结垂直稳定。探空资料分析结果K=0 ℃, SI=24.5 ℃；NCPE资料郑州上空12日02时θ_se500-θ_se850=34 ℃，这些指标都表明大气层结垂直稳定，但郑州上空具有强的风垂直切变。从郑州站雷达6分钟间隔的风廓线可以清楚地看到：强降雪期间，强的风垂直切变一直维持，因此具有强的对称性不稳定，有利于对流的发展和暖湿气流源源不断地输送到发展中的对流云团中。分析雷达径向速度图可知：11日14时到12日03时，郑州上空中低层风向随高度顺时针旋转，表明有暖平流输送，有利于低空急流和对流云团的发展。第一次雷电现象发生在中低层暖平流存在时(图 1a)。12日03时以后郑州中低层逐渐转为冷平流区，第二次雷电现象发生在中低层冷暖平流转换时(图 1b)。反射率因子图上，强降雪期间为大片均匀的混合型回波区。11日20：36，在大片的回波区中，形成一条密实的西南—东北向对流回波带，位于密县、荥阳到原阳一线，此回波带东移发展，于20：48—22：12影响郑州市区，此时的反射率因子达到40 dBz(图 1c和1e)。以后回波带强度减弱，密实的带状回波逐渐消失，河南上空变为均匀的层状云回波。12日02：00以后，回波再次加强，在郑州的西南部、西部及西北部有块状对流回波发展，回波自西南向东北移动，于03：20—04：30影响郑州市区及周边地区，此间的最大反射率因子达到40~45 dBz(图 1d和1f)。从两次雷电现象发生时刻的回波强度的垂直结构(图 1e和1f)分析，没有发现明显的高层强回波区叠加到低层弱回波区上的回波结构特征，但从郑州上空高空风的垂直分布特征可以看出有利于倾斜对流的发展。雷达风廓线显示，11日21：00—21：36(图略)低空急流达到最强，在3.0 km高度上出现20 m·s^-1的西南风速和强的带状回波影响郑州的时间相对应，在此段时间内5.5 km高度没有出现大于20 m·s^-1西南风速。在低空3.0 km高度一直维持16 m·s^-1的西南风急流的情况下，5.5 km高度大于20 m·s^-1西南风速经历了发展—强盛—减弱的过程。发展阶段(02：50—03：32) 西南风速从20 m·s^-1逐渐加大到28 m·s^-1，强盛阶段(03：38—04：33) 西南风速维持28~30 m·s^-1，减弱阶段(04：39—06：10) 西南风速从28 m·s^-1逐渐减弱到20 m·s^-1。可见高空急流发展的强盛时段和郑州上空冷暖平流的转换时段一致。冷平流的侵入使高空急流加强，对流云团发展，出现了第二次雷电现象。雷达回波顶高(ET41)(图略)显示：11日21：10—22：20郑州上空回波顶高在8.0~9.0 km高度上，12日03：33—04：10郑州上空的回波顶高在8.0~9.0 km高度上，而原阳上空的回波顶高在9.0~11.0 km高度上。温度场上回波顶高对应的温度值在-40~-20 ℃之间，具备了雷电产生的条件。由此可见，在具有强的对称性不稳定的条件下，第一次雷电现象发生在低空急流发展到最强时；第二次雷电现象发生在高空急流发展的强盛阶段。高低空急流强盛时段，是对流云团发展的强盛时期。对流云团发展到-40~-20 ℃的温度层，温差起电，产生了强降雪伴雷电现象。

3 低层倒槽的作用

低层暖倒槽的深厚也是暴雪伴雷电天气发生的重要原因。降雪前期850 hPa以下四川盆地到河套地区维持暖倒槽，蒙古到我国东北为冷高压；同时在山西、河南、陕西和河北的南部存在深厚的暖湿空气团，且此区域的T-T_d＜1.5 ℃。强降雪出现在倒槽的减弱消失期，这正说明倒槽开始减弱时正是冷暖空气交汇时，随着低层东风回流冷空气的加强，迫使暖湿空气团抬升，倒槽逐渐消失。

4 逆温层和对流有效位能

从NCEP再分析资料间隔6小时沿114°E温度经向垂直剖面图(图略)可以看到，从强降雪开始前期(10日20：00至11日08：00) 到第二次雷电现象发生这段时间，在郑州和原阳上空存在较明显的逆温层，前期逆温层位于900~600 hPa之间。11日14：00至12日02：00，逆温层增厚，位于975~550 hPa之间；到12日08：00，郑州和原阳上空975~550 hPa之间接近等温层。可见，两次雷电现象发生时，郑州和原阳上空逆温层的高度达到600 hPa层以上。第一次雷电现象发生后，逆温层并没有被破坏；第二次雷电现象发生后，郑州和原阳上空的逆温层逐渐趋于等温层。另外，分别计算郑州上空从地面为起始层和从逆温层为起始层的CAPE值。11日20：00和12日02：00、08：00从地面为起始层的CAPE值分别为4.7 J·kg^-1、2 J·kg^-1和0 J·kg^-1；从逆温层为起始层的CAPE值三个时次均为0 J·kg^-1。可见，雷电发生时只有弱的对流不稳定。

5 水汽条件

暴雪发生的重要因素之一就是水汽的输送和聚集，本次暴雪过程有两个水汽通道，南海水汽沿850 hPa倒槽前和700 hPa沿海脊后的西南气流输送到河南上空；东海和渤海的水汽在底层沿冷高压底部的偏东气流输送到河南省上空。高空观测图(图略)上700 hPa以下，10日20：00至11日20：00江南经黄淮到华北地区南部和西北地区东部维持一深厚的高湿区(T-T_d＜1.5 ℃)；水汽通量图上(图略)，10日20：00到11日08：00南海到江南700 hPa层上维持10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1高值中心，11日20：00高值中心增大到22 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，槽前的西南气流把南海水汽源源不断输送到暴雪区；另外925 hPa层上10日20：00到11日20：00东海和渤海维持水汽通量为12 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1高值中心，底层的偏东风把水汽输送到河南上空。在西南气流和偏东气流的共同作用下，南海、东海和渤海的水汽源源不断地输送到河南上空，为强降雪提供了充足的水汽条件。

6 冷空气活动

从风场随时间的演变可以看出：强降雪开始于低层(850 hPa到地面)蒙古到我国东北冷高压底部东风回流冷空气的扩散加强，结束于低槽携带西路冷空气东移南下，使河南省上空低层东北风转变为西北风。从NCEP再分析资料间隔6小时全风速纬向(34°N)垂直剖面图上，11日08：00—14：00(图略)，850 hPa以下113°~119°E吹东北风，106°~112°E吹偏东风；20：00(图 2c) 113°~116°E吹偏北风，112°E吹东北风，106°~111°E仍吹偏东风，对应的南北风经向(114°E)垂直剖面图上34°~36°N 900 hPa以下北风分量中心值由12 m·s^-1增加到14 m·s^-1。可见14：00—20：00东路冷空气扩散加强。12日02：00(图 2d)随着700 hPa低槽东移，850 hPa以下106°~111°E由原来的偏东风转为西北风，112°~116°E吹北风。12日08：00 112°E (图略)上空由02：00的北北西风转为西北风，但113°~116°E仍为北风。郑州雷达风廓线显示，11日13：17(图略)以前，0.3~1.2 km吹东北风，1.5 km吹东风，1.8~2.1 km吹东南风；13：35 (图略)0.3~1.2 km吹东北风，1.5 km吹东东北风，1.8~2.1 km吹东南风；14：48(图略)0.3~1.5 km吹东北风，1.8 km吹东风，2.1 km吹东南风；16：16(图略)0.3~1.8 km吹东北风，2.1 km吹东南风。从东北风层次的增厚可以说明11日13：35开始低层东路冷空气扩散加强，强降雪正好始于东路冷空气扩散加强时。低层由东北风转偏北风的时间在12日02：44(图略)，可见，此刻有西路冷空气的侵入，而且北风一直维持到10：36，以后减弱。由此可见，在东路冷空气扩散同时，西路冷空气的侵入，使暖湿空气进一步抬升，产生了第二次雷电现象。从12日02：44—10：36两股不同路径的冷空气在低层聚集、对峙，使暖湿空气抬升，加剧了上升运动，使暴雪维持。12日14：00，河南省上空700 hPa以下转为西北风，降雪结束。

7 大气的不稳定条件分析 7.1 对流性不稳定和上升运动分析

锋区是一个相对稳定的、倾斜的冷暖空气团过渡带。在锋区处等温线接近垂直，而等温线或等假相当位温线明显密集。当发生凝结降水时，位温就失去了保守性，用假相当位温(θ_se)来描述大气的对流不稳定性。当$ \frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} < 0 $时，大气为对流性不稳定层结，当$ \frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} = 0 $时，大气为中性层结，当$ \frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} > 0 $时，大气为对流性稳定层结^[17]。

分析θ_se和垂直速度沿114°E经向垂直剖面图可以看到，等θ_se呈垂直状分布的密集带在700~400 hPa之间，即对流层中层锋区较明显。11日08：00(图略)，θ_se在34°~35°N呈垂直分布，其南侧为高值区，是暖湿空气聚集区，其空气团中含有丰富的水汽和能量。相反，锋区北侧θ_se为低值区，为干冷空气聚集区，有阻挡暖湿气流向北扩散、使低层辐合加强作用。同时，在33°~34°N上空高能舌的前部500 hPa附近存在着对流不稳定区，其上升运动中心位于对流不稳定区下方。这时河南省虽有降雪，但降雪强度不大。11日14：00(图略)，34°~36°Nθ_se垂直密集带在600~400 hPa之间随高度略向南倾斜，这说明锋区附近大气由中性层结向不稳定层结转换。对应的垂直速度场上，33°~35°N的600 hPa以下为上升运动区。在600 hPa以上33°~36°N出现了两支气流，一支上升运动区位于33°~35°N，其中心值60 Pa·s^-1在34°N上空450 hPa附近；一支下沉气流区位于35°~36°N，且中心值40 Pa·s^-1也在450 hPa附近。可见，此时在锋区附近冷暖空气碰撞剧烈，对流不稳定能量开始释放，降雪强度加大。11日20：00(图 2a)，中层锋区位于35°~37°N，且在锋区南侧存在对流不稳定能量区，不稳定能量区和高能舌叠加区为上升运动区，其上升运动在34°N附近伸至对流层上部。到12日02：00(图 2b)，河南上空700~500 hPa之间不稳定能量区加强，高能舌中心北移，高能区的前部正好位于河南省北中部上空，此处850 hPa附近和450 hPa附近上升速度中心值分别达到了80 Pa·s^-1和70 Pa·s^-1，而且上升运动层从低层到达了对流层顶部。上升气流从底层伸至对流层上部后分别向两侧流去，其北侧的强下沉气流在低层侵入蒙古到我国东北的冷高压里，使冷高压扩散冷空气加强，对强降雪伴雷电现象起到了冷垫的作用。12日08：00时，不稳定层结减弱，上升运动层降低。12日14：00时河南上空整层大气变为层结稳定和下沉气流，降雪结束。由此可见：此次过程的对流不稳定区在中层，有利于上升运动向高层发展。第一次雷电现象发生时，上升运动伸至300 hPa；第二次雷电现象发生时，上升运动伸至200 hPa。中层锋区南侧大气状态由中性层结向对流不稳定层结转换和对流不稳定层结维持期间，其上升运动剧烈，也是强降雪开始至维持阶段。强降雪出现在高能舌的前部和锋区南侧的对流不稳定叠加区。对流不稳定为上升运动的发展提供了动力、热力条件，促使云体高度增高、雷电产生、强降雪维持。

7.2 对称性不稳定条件分析

对称性不稳定是一种中尺度不稳定，Benntts等^[18]指出湿位涡小于零是大气发生条件性对称不稳定的条件。王建中等^[19]指出，降雪带的形成与暖湿西南气流左侧存在的狭长的湿位涡负值区密切相关。位于高层的潜在对称性不稳定区由于缺乏水汽实际上不易释放出不稳定能量，而在经常可以达到饱和的对流层低层条件性对称不稳定能量容易释放出来导致强降雪^[20]。有研究指出，位涡场比涡度场更能表示强降水落区和强度变化，湿位涡的异常区与暴雨落区及移动有很好的对应关系^[21-22]。为此，计算了该次过程的湿位涡垂直分布。

从分析湿位涡的纬向(34°N)垂直剖面图上，可以看到河南上空暴雪发生前期和暴雪发生过程中中低层湿位涡小于零，且湿位涡的负值中心在郑州附近，因此郑州上空存在较强的对称性不稳定。由郑州探空曲线(11日08：00、20：00和12日08：00) 可知，强降雪期间大气垂直层结均稳定。可见，较强的对称性不稳定是强降雪伴雷电发生的条件。垂直剖面图上，11日08：00—14：00(图略)，114°E附近，900~700 hPa存在湿位涡小于零的对称性不稳定区，其中心强度为-0.8 PVU，而700~350 hPa之间有一相对的稳定层，正是这一稳定层的存在，使得925~600 hPa的逆温层得以维持，为强降雪伴雷电现象发生前期能量的充分积累提供了条件。11日20：00(图 2c)114°E附近，湿位涡小于零的对称性不稳定区增厚，位于900~550 hPa之间，其上层的稳定层减弱，这说明中尺度不稳定度在增加。另外，106°~109°E，700~600 hPa湿位涡的负值加强，由-0.8 PVU变为-0.9 PVU，这和河套低槽前部的600~500 hPa的西南急流加强相对应。由于槽前西南急流对暖湿空气的输送，12日02：00(图 2d)强湿位涡负值区变宽，位于109°~116°E，其间有两个负值中心，一个在109°~112°E，700~600 hPa之间中心强度为-0.7 PVU，与500 hPa槽前的西南急流相对应，另一个在113°~116°E，850~700 hPa之间，中心强度为-0.8 PVU与700 hPa槽前的西南急流相对应。在114°E附近，-0.7 PVU所在高度由11日20：00的800 hPa抬升到700 hPa。12日08：00(图略)，随着槽前西南急流东移，湿位涡负值中心东移，中心强度减弱，河南上空-0.6 PVU的中心值位于700~650 hPa之间。12日14：00，对流层中低层的强湿位涡负值区移出河南，降雪结束。由此可见，第一次雷电现象发生时，其中尺度不稳定中心在800 hPa附近与低空急流的发展相对应；第二次雷电现象发生时，其中尺度不稳定中心在700~650 hPa与高空急流的发展相对应。河南上空对流层中低层维持强的对称性不稳定，为强降雪伴雷电现象的产生提供了条件。此对称性不稳定中心和槽前的西南急流相对应，是强降雪发生、发展和维持的条件。强降雪由对称性不稳定能量释放所致。

8 结论

(1) 在强降雪时，逆温层较深厚，高度达到600 hPa层次以上。第一次雷电现象发生后，逆温层并没有破坏；第二次雷电现象发生后，郑州和原阳上空的逆温层逐渐趋于等温层。

(2) 强降雪出现在高能舌的前部和锋区南侧的对流不稳定叠加区。此次过程的对流不稳定区在中层，有利于上升运动向高层发展。第一次雷电现象发生时，上升运动伸至300 hPa；第二次雷电现象发生时，上升运动伸至200 hPa。锋区南侧大气状态由中性层结向对流不稳定层结转换和对流不稳定层结维持期间，其上升运动剧烈，对应强降雪开始至维持阶段。

(3) 在具有强的对称性不稳定的条件下，第一次雷电现象发生在低空急流发展到最强时；第二次雷电现象发生在高空急流发展的强盛阶段。高低空急流强盛时段，是对流云团发展的强盛时期。对流云团发展到-40~-20 ℃的温度层，温差起电，产生了强降雪伴雷电现象。

(4) 在东路冷空气扩散同时，西路冷空气的侵入，使暖湿空气进一步抬升，加剧了对称不稳定能量和弱对流不稳定能量的释放，产生了第二次雷电现象。两股不同路径的冷空气在低层聚集、对峙，使暖湿空气抬升，是暴雪维持的依据。