引言

冷平流降雪(俗称冷流降雪)是山东半岛北部地区冬季比较常见的一种天气现象，当北方的冷空气南下，到达海面时，海面上方的暖湿空气向上移动，升至一定高度时，就会凝结成雪花，飘落下来，形成降雪。其形成机制与美国大湖效应降雪(lake-effect snowstorm)十分相似。国外许多学者从不同的角度研究湖效应降雪的发生和发展规律。Peter等^[1]和Steenburgh等^[2]认为这种降雪产生在一定的湖气温差、风向风速、稳定度和温度递减率条件下, 其中湖气温差是最重要的条件。Joseph等^[3]发现中尺度涡旋在多普勒天气雷达上表现为强反射率因子, 并产生强降雪。

国内对暴雪的研究多集中于天气尺度分析和中尺度数值模拟，而利用多普勒雷达进行中尺度分析相对较少。徐达生^[4]研究认为华北平原冬季较大的降雪大部分与回流天气有关。林文实等^[5]利用MM5模式进行模拟揭示华北一次暴雪天气的发生发展及其演变过程。张迎新等^[6]初步分析了华北回流暴雪的结构特征, 发现降水强度与高空风速有很好的对应关系。周雪松等^[7]采用WRF中尺度数值模式对华北回流暴雪发展机理进行了研究。郑婧等^[8]对江西大雪天气的影响系统分析表明, 大雪期间，阻塞高压、中低纬锋区异常强盛，80%的大雪天气存在阻塞高压，以贝加尔湖阻塞高压最多, 70%受南支槽影响。对于山东半岛冷流降雪现象多人也进行了研究，杨成芳等^[9]对山东半岛冬季冷流降雪进行了气候统计，冷流降雪日平均为5.8天。李洪业、郑丽娜等^[10-11]研究认为山东半岛特殊地形对冷流降雪的形成也有一定的作用。山东半岛有其独特的地形特点, 北部沿海地区为低山丘陵覆盖, 有11座山峰海拔高度在500 m以上, 其中最高峰为昆嵛山, 海拔高度为922.8 m。丘陵地带成为降雪分布的分水岭, 强降雪区烟台和威海均位于低山丘陵的北部，城市依海而建。冬季, 当强冷空气暴发南下经过渤海到达山东半岛时, 由于地形的作用, 风向会发生逆时针方向旋转, 如西北风到达陆地后会变为偏西风等, 在北部沿海形成一中尺度海岸锋^[12-13]，使低层的辐合和上升运动得到维持, 有利于对流的生成和发展, 也有利于海面暖湿空气的垂直输送，因此这种冷流降雪往往以烟台、威海两地北部海岸为多。

2005年12月3—20日, 受西伯利亚强冷空气影响, 山东半岛出现持续性降雪天气, 期间持续出现7个暴雪日和3个大雪日, 持续性强降雪天气给威海、烟台两市带来巨大经济损失, 造成高速公路关闭, 水陆和航班停航, 各类交通中断, 这次暴雪被中国气象局列为2005年十大气候事件之一。2008年12月3—6日，受强冷空气影响，烟台和威海两市出现暴雪天气，造成严重经济损失。李建华等^[14]利用WRF模式对2005年12月6日降雪进行了模拟，结果表明垂直方向上云水和云中霰的含量出现在700 hPa高度层以下, 强上升速度中心在850 hPa附近, 风场在800 hPa层以下辐合, 以上辐散，进一步说明了冷流过程在低层表现更为明显一些。杨成芳等^[15]也对2005年12月连续性降雪过程动力特征进行了分析，结果表明对流层中低层的垂直速度、散度场、涡度场的动力耦合结构配置有利于暴雪的形成和维持。乔林等^[16]对干冷空气侵入在2005年12月山东半岛持续性降雪中的作用进行了分析，结果表明强降雪是低层饱和湿空气受地形强迫、锋生强迫的抬升作用及湿对称不稳定能量释放的共同作用造成的，而干冷空气的侵入触发了不稳定能量的释放。牛若芸等^[17]对2008年12月2—6日寒潮过程的分析指出，山东半岛降雨和强降雪的环流成因和物理量特征存在明显差异，降雨为冷暖空气交汇所致，强降雪则是冷平流、海陆分布差异和地形抬升共同影响的结果。

1 概述 1.1 强降雪实况

2005年12月3—20日，受强冷空气影响，山东威海和烟台两地出现了罕见暴雪天气，威海市累计平均降水量25.8 mm，最大为威海市区54.6 mm；烟台市累计平均降水量18 mm，最大为芝罘区40 mm。烟台市芝罘区最大降水量出现在6日, 为21 mm，其中6日08:00—12:00为9 mm，12:00—20:00为8.6 mm；威海市区大的降水量分别出现在4日和7日，分别为18.4和24.4 mm，其中4日02:00—14:00为12.4 mm，7日02:00—08:00为11.4 mm。

2008年12月3—6日，半岛东部降中到大雪，局部暴雪，文登过程降水量最大，为37.3 mm。4日08时到6日08时，烟台全市过程平均降水量8.7 mm，最大降水量出现在牟平区，为26.6 mm，雪深31 cm，其次为莱山区和芝罘区24.6 mm，雪深33 cm，其中莱山区和牟平区从4日20时到5日20时单日降雪量分别为23.3 mm和26.5 mm，均为本地有气象记录以来的历史极值。4日08时到6日08时，威海全市过程平均降水量12.8 mm，最大降水量出现在文登区，为28.2 mm，其中4日20时到5日20时降雪量为23.2 mm。

1.2 天气形势

2005年12月连续降雪过程影响系统是冷涡(图 1a₁)，我国东北地区至日本为深厚冷涡，涡后横槽不断携带强冷空气南下，以西北路径影响山东，在4，6，7日出现三次暴雪，都伴随着850 hPa温度明显下降。3日20时，850 hPa西北风达16 m·s^-1，等温线与等高线垂直，为强冷平流影响，且黄海、渤海等温线密集，4日08时成山头850 hPa气温下降到-16 ℃(图 1a₂)，4日烟台、威海分别出现大雪和暴雪。4日20时，锋区移过山东，黄海、渤海等温线变得稀疏，5日20时成山头850 hPa气温回升到-9 ℃，5日降雪减小。6日08时，又一股冷空气沿西北气流影响，表现在冷平流再度加强，黄海、渤海等温线梯度增大，且成山头850 hPa气温再度下降到-12 ℃(图略)，6日白天及夜间，烟台、威海相继出现暴雪。

2008年12月3—6日暴雪过程影响系统也是冷涡(图 1b₁)，冷涡中心位于我国东北地区，西北气流携带冷空气南下影响山东，4日晚到5日晚出现暴雪天气。4日20时，850 hPa西北风达14 m·s^-1，等温线与等高线之间有较大交角且等温线密集，为强冷平流影响；4日20时成山头850 hPa气温下降到-12~-16 ℃之间(图 1b₂)。

1.3 动力特征

2005年12月4日08时散度场图上(图 1c₁、1c₂) 850 hPa以下渤海至黄海中部地区的散度都是负值，说明该区域850 hPa以下为辐合上升运动；850 hPa辐合上升强于925 hPa。700 hPa以上为散度正值区，对应辐散运动。

2008年12月4日20时散度场图上(图 1d₁、1d₂) 850 hPa以下渤海至黄海中部地区的散度都是负值，说明该区域850 hPa以下为辐合上升运动；925 hPa辐合上升强于850 hPa，上升运动较为浅薄。700 hPa以上为散度正值区，对应辐散运动。

1.4 水汽特征

2005年12月3日20时至6日20时，925 hPa半岛北部比湿在1.0~2.0 g·kg^-1之间，850 hPa半岛北部比湿在1.0~1.5 g·kg^-1之间，700 hPa半岛北部比湿在0.5 g·kg^-1左右，湿层在850 hPa之下。

2008年12月4日08时925 hPa半岛北部比湿在2~3.5 g·kg^-1之间，850 hPa半岛北部比湿在1~2.5 g·kg^-1之间，700 hPa半岛北部比湿在1.5~2.0 g·kg^-1之间，湿层在700 hPa之下。

2008年12月3—6日暴雪过程的湿度层厚于2005年12月3—7日暴雪过程。

2 多普勒雷达回波结构特征 2.1 2005年12月3—7日暴雪雷达回波特征 2.1.1 回波强度特征

图 2左列给出了3—4日几个时次的组合反射率因子产品。可以看出，前期回波分布较为零散(图 2a₁、2b₁)。主要降水时段回波呈带状(图 2c₁、2d₁、2e₁)分布，回波主体移动方向与带状长轴基本一致，回波强度在25~35 dBz之间。回波主要生成区域在雷达站北部的渤海海峡区域。回波高度基本在3~4 km之间。

图 3a₁和3b₁是6日07:59和11:59两个时次的组合反射率因子产品，可以看出，回波呈带状分布，回波强度在25~35 dBz之间，回波主要生成区域在雷达站北部海区。回波顶高在2.5 km左右，与4日相比偏低。

图 3c₁和3d₁是7日01:30和08:01两个时次的组合反射率因子产品，可以看出，回波呈带状分布，回波强度在25~35 dBz之间，回波主要生成区域在北部的海上。该时段回波顶高度在2.5 km左右，与4日相比偏低，与6日相当。

图 4a₁、4a₂是与图 2c₁中蓝线位置相对应(雷达原点为起点，113°方位)的RSC和VCS，图 4b₁、4b₂是与图 3a₁中蓝线位置相对应(经过雷达原点)的RSC和VCS，图 4c₁、4c₂是与图 3d₁中蓝线位置相对应(雷达原点为起点，335°方位)的RSC和VCS。可以看出，4日回波高度明显高于6日和7日的回波高度，4日回波高度基本维持在4 km，而6日和7日基本在2.5 km左右；强度在30 dBz以上的回波高度，4日在3 km以下，而6日和7日在1.5 km以下。

2.1.2 径向速度特征

图 2右列给出了3—4日几个时次的0.5°仰角平均径向速度产品(V27)。可以看出, 降雪前期零速度线呈弓状分布，负径向速度区大于正径向速度区，烟台至威海海岸一带风向为北风，雷达站西部陆地上为西北风(图 2a₂)，半岛北部内陆为风向风速辐合区。3日22:06平均径向速度图上零速度线经过雷达中心并在东北方向产生折角，其右端基本与烟台-威海的海岸线方向一致，说明海岸线附近存在中尺度系统——海岸锋，基本呈东西向分布。之后，海岸锋一直维持，距离海岸线的距离在10~20 km之间变化(图 2b₂、2c₂、2d₂)。4日07时之后海岸锋逐渐远离海岸，并逐渐消失，而回波强度和范围也逐渐减弱(图 2e₂)。

图 3a₂和3b₂是6日07:59和11:58两个时次的0.5°仰角平均径向速度产品，可以看出, 零速度线经过雷达中心并在东北方向产生折角，说明海岸锋的存在，与海岸线的距离基本维持在10 km之内(图 3a₂、3b₂)。

图 3c₂和3d₂是7日01:30和08:01两个时次的0.5°仰角平均径向速度产品，与4日和6日相似，速度产品上仍可分析出明显的海岸锋，海岸锋距海岸线的距离在10~30 km之间变化。

从图 4a₂、4b₂、4c₂VCS产品上可以看出，回波区域从上到下基本是一致的西北气流。3次强降水时段均与中尺度系统——冬季海岸锋密切相关，回波在北部海区生成，东南方向移动，在半岛北部海岸锋附近发展维持，造成持续性降雪天气。

2.2 2008年12月4日暴雪雷达回波特征 2.2.1 回波强度特征

图 5左列给出了2008年12月4—5日几个时次的组合反射率因子产品。可以看出，回波演变基本与2005年12月3—4日回波演变一致，前期回波分布较为零散(图 5a₁、5b₁)，主要降水时段回波分布呈带状(图 5c₁、5d₁、5e₁)分布，回波主体移动方向与带状长轴基本一致，回波强度在25~35 dBz之间。回波主要生成区域在雷达站北部的渤海海峡区域。回波高度基本在3 km左右。

图 4d₁、4d₂是与图 5b₁中蓝线位置相对应(雷达原点为起点，115°方位)的RSC和VCS，图 4e₁、4e₂是与图 5e₁中蓝线位置相对应(经过雷达原点)的RSC和VCS。可以看出回波高度基本在3 km以下，强度在30 dBz以上的回波高度基本维持在2 km以下。

2.2.2 径向速度特征

图 5右列给出了4—5日几个时次的0.5°仰角平均径向速度产品(V27)。可以看出, 降雪前期零速度线呈弓状分布，负径向速度区大于正径向速度区(图 5a₂)，半岛北部内陆为风向风速辐合区。4日20:03平均径向速度图上零速度线经过雷达中心并在东北方向产生折角，海岸线附近存在中尺度海岸锋，距离海岸线约15 km(图 5b₂)；21:58海岸锋距离海岸线约40 km(图 5c₂)。此阶段回波带偏东，大的降水量也偏东，即在威海市区域。

4日23时之后，海岸锋逐渐靠近海岸线，5日02:24海岸锋距海岸线约10 km(图 5d₂)，05:02海岸锋基本与海岸线一致(图 5e₂)。此阶段海岸锋西撤，回波带也随之西撤，大的降水量集中在烟台市区域。

从图 4d₂和4e₂ VCS产品上可以看出，回波区域从上到下基本是一致的西北气流。

3 对比分析

从雷达回波看，两次降雪过程中强降雪阶段的最大反射率因子都在35 dBz左右，基本没有差别；回波结构也都相似，即都是带状结构；径向速度图上也都呈现基本一致的西北气流。

回波高度存在明显差别，2005年12月4日强降雪阶段回波高度在4 km左右，6日和7日基本在2.5 km左右，2008年12月4—5日强降雪阶段回波高度在3 km左右。强回波(≥30 dBz)高度也存在明显差别，2005年12月4日强降雪阶段强回波高度在3 km左右，6日和7日基本在1.5 km左右，2008年12月4—5日强降雪阶段回波高度在2 km左右。通过分析，回波高度和强回波高度的差异与散度、0~2 km风切变和地面与850 hPa温度差等环境参数(见表 1)有较好的对应关系。表 1中各参数选择的区域是半岛北部渤海海峡区域，散度包括850和925 hPa两个层次，0~2 km风切变为成山头探空资料，温差是指850 hPa气温与海区表面气温的差值，以长岛地面气温代表海区气温。可以看出，2005年12月3日夜间到4日白天850和925 hPa散度明显小于其他时次，说明此阶段850和925 hPa辐合上升运动强于其他时次，次阶段回波发展高度高于其他时次。3日夜间到4日白天低层风切变明显增大，上下温差明显减小，说明动力和热力条件均好于其他时次，利于回波发展。2008年12月4—5日925 hPa散度小于2005年12月6—7日，温差低于2005年12月6—7日，风切变大致相当，因此2008年12月4—5回波高度略高于2005年12月6—7日。

4 小结

(1) 2005年12月3—7日和2008年12月3—6日发生在山东半岛北部沿海的罕见暴雪天气具有以下特征：东北冷涡造成强冷空气频繁, 在对流层低层山东半岛存在强冷平流，850 hPa温度一般都在-12 ℃以下；海面温度和低层大气温度的较大温差造成了低层大气不稳定；渤海和黄海北部海区为降水提供了丰富的水汽；物理量场诊断分析表明, 冷流暴雪产生在对流层低层辐合、中层辐散的上升运动区, 上升运动厚度浅薄；特殊地形造成中尺度海岸锋，对暴雪的产生起到增幅作用。

(2) 雷达回波具有以下特征：回波源地在雷达站北部渤海海峡区域；强降水时段回波呈带状分布，回波移动方向与带状长轴方向基本一致，致使降雪维持时间较长；回波强度基本在25~35 dBz之间，高度在3 km左右；径向速度图上可分析出明显的β中尺度系统——海岸锋。

(3) 回波高度和强回波高度与低层散度、0~2 km风切变和低层温度差等环境参数有较好的对应关系。850和925 hPa辐合越强，0~2 km切变越大，低层温差越大，越利于回波发展。

(4) 临近预报:对冷流降雪天气, 应该注意的是海岸锋的生成、移动, 但由于海上没有自动气象站，无法监测近海区域的风向变化，因此雷达低层径向速度产品分析对该类天气的临近预报十分重要。径向速度产品上一旦能分析出海岸锋，就意味着降水强度要加强，而且海岸锋的摆动决定了陆上强降雪的落区，海岸锋靠近海岸线(10 km以内)强降雪主要集中在半岛北部沿海的中部即烟台市区域，海岸锋远离海岸线(10~40 km)强降雪主要集中在半岛北部沿海的东部即威海市区域内。