引言

暴雪是我国冬半年主要的灾害性天气之一，近年来有关降雪过程的研究主要表现在降雪机理研究(阿衣夏木·尼亚孜等, 2007；赵桂香, 2007；周雪松和谈哲敏, 2008；蔡丽娜等, 2009；刘宁微等, 2009；陈涛和崔彩霞, 2012；王东海等, 2013；任丽等, 2015；朱乾根等, 2007；丁一汇, 2005；周淑玲等, 2016；阎琦等, 2016；田秀霞等，2016；杨莲梅和刘雯，2016；翟亮等，2018)和数值模拟(秦华锋和金荣花，2008；梁军等，2010；孙艳辉等，2017)等方面。在上述关于降雪过程的水汽问题研究中，基本上都是从欧拉观点出发，如计算某一时刻比湿、水汽通量、水汽通量的辐合辐散等变量(任丽等，2015；蔡丽娜等，2009；王东海等，2013)，以此分析水汽输送特征。由于欧拉方法着眼于某一时刻、空间的某些确定点，即在固定点上观察流体的运动，而大气运动具有瞬时变化特征, 由欧拉方法计算的水汽通量随时间变化也具有瞬变特征, 因此只能给出简单的水汽输送路径, 无法定量给出水汽源汇关系, 也无法区分各水汽源地对降水贡献的大小。而在研究流体运动时，还存在拉格朗日方法，它可以通过计算空气块运行的拉格朗日轨迹，该方法的优势在于能够模拟气块在一定时间内的三维运动轨迹，定量统计出各源地的水汽输送贡献，以克服欧拉方法的不足。

美国国家海洋和大气管理局NOAA开发的拉格朗日轨迹模式HYSPLIT(Draxler and Hess, 1998)被用于追踪暴雨和暴雪过程的水汽来源(Stohl et al, 1998；James et al, 2004；Brimelow and Reuter, 2005；Perry et al, 2007；Sodemann and Stohl, 2009；Gustafsson et al, 2010；Drumond et al, 2011)，近年来被我国学者逐步应用到华北、淮河流域、江淮、四川和东北暴雨过程水汽输送的研究中(马京津等，2008；陈斌等，2011；江志红等，2011；2013；王佳津等，2015；马梁臣等，2017)。但将该方法用于追踪东北暴雪过程中水汽来源的不多。

2013年11月24—26日在中国东北地区发生了一次由北上的江淮气旋引发雨雪天气过程，在江淮气旋到达东北地区的过程中，25日08时地面冷锋赶上暖锋形成了锢囚锋，暴雪过程就发生在与气旋锢囚锋对应的钩状云区中。本文利用常规高空、地面观测资料、AWX格式的FY-2E卫星云图，先介绍了此次暴雪过程的中尺度特点，再利用HYSPLIT模式和6 h一次的NCEP 1°×1°再分析场模拟钩状云区中气块的120 h后向轨迹，向后的时间步长为1 h，逐小时输出一次轨迹点的位置及相应位置上气块的物理属性(位温、气压、相对湿度、比湿、风场等)，以揭示暴雪过程中不同气块的路径及高低空配置，重点分析了对流层低层水汽的源地及输送特征。以期提高对东北暴雪过程水汽来源的认识以及对该类天气的预报能力。

1 暴雪中尺度特征

此次过程自2013年11月24日08时从辽宁大连降雨开始，逐渐向东向北发展，降水相态由雨转为雪，至26日08时黑龙江北部降雪结束，过程具有雪(雨)量大、持续时间长、范围广、多种灾害性天气并存(图略)等特点。任丽等(2015)详细分析了这次由北上江淮气旋引发的暴雪过程发生发展的环流背景、影响系统及形成机理，但其中没有分析降雪的中尺度特征。下面借助FY-2E卫星图像揭示25日发生在吉林和黑龙江东部降雪过程的中尺度特点，为第2、3节重点分析钩状云区降雪的水汽条件提供帮助。

从25日每3 h一次人工观测的云状(图略)来看，吉林、黑龙江上空存在蔽光高层云、雨层云，同时也有积云性层积云、积云，表明该次降水过程既有层状云稳定性降水、也有积云对流性降水的特点。虽然凌晨吉林、黑龙江已经开始降雪，但从6 h降水量观测(图略)可知，08时以前降雪量大多在10 mm以下；08—14时、14—20时在吉林和黑龙江东部分别出现了10 mm以上的暴雪，其中08—14时为15 mm以上的暴雪(图 1中蓝色数字所示)。强降雪与锢囚锋相伴的钩状云有关，钩状云区中出现明显的条状中尺度云带和块状的云团(图 1a)，其中棕色表示TBB≤-43℃，红色表示TBB≤-53℃，表示有对流云存在；至11时(图 1b), 在锢囚锋缓慢往北推进过程中，钩状云区的中尺度云带和块状对流云团发展，TBB值降低、面积扩大，因此强降雪维持；14时以后(图略)，钩状云区变得松散并逐渐北移，降雪区往北扩展但强度有所减弱。正是由于钩状云区中尺度云带或对流云团的发展及缓慢北移，造成了25日吉林和黑龙江东部的强降雪。

2 暴雪区气块的来源及高低空配置

由第1节的分析可知，25日暴雪主要发生在与锢囚锋相伴的钩状云区中，降雪强度虽然很大，但范围不大。在分析暴雪区水汽的来源之前，首先要研究钩状云区气块不同层次的来源及其配置关系，为此选取了08时降雪发生时三个代表点P1(45.3°N、130.7°E)、P2(46.6°N、131.0°E)和P3(47.2°N、131.9°E)，分别对应图 1中20 mm降雪中心、20 mm降雪中心北侧和15 mm降雪中心北侧，见图 2~图 4中五角星★的位置。再采用HYSPLIT模式分别模拟了这三个代表点08时500、1500、3000、5000、7000、9000 m上空气块的120 h后向(即前5天)轨迹，向后的时间步长为1 h，逐小时输出一次轨迹点的位置及相应位置上气块的物理属性(位温、气压、相对湿度、比湿和风场等)，图中不同颜色线条代表不同层次气块的轨迹。

从图 2可以看到P1上空不同高度气块120 h的后向轨迹。红色轨迹代表有来自东北对流层低层500 m以下的气块，先东南移到朝鲜半岛北部，72 h(22日08时)再向东北移动到长白山北侧，最后12 h (24日20时以后)转向西北移动到钩状云区；且以水平运动为主。蓝色轨迹代表来自蒙古国东部1000 m的气块，先缓慢下沉并南下到达河北中部，72~48 h(22日08时至23日08时)从天津东移经过渤海湾、辽东半岛、朝鲜半岛北部后到达日本海，并继续下沉接近海面，24 h(24日08时)以后转向北上并由近地层上升到1500 m。绿色轨迹代表来自内蒙古中部2000 m上空的气块，该气块也缓慢下沉并一直向东南方向移动到日本海，24 h(24日08时)再转向北上并上升到3000 m。天蓝色轨迹表明有来自内蒙古东部上空2000 m的气块，向东南方向移动并下沉先进入渤海湾，84~48 h(21日20时至23日08时)再经过辽东半岛南部、黄海、朝鲜半岛、并继续下沉东移到日本海，24 h(24日08时)以后转向北上且快速上升到5000 m。玫瑰红色轨迹表明来自东北地区1000 m上空的气块，先南下并缓慢下沉到黄海、东海，60~24 h(22日20时至24日08时)在东海转向西北移动，移经杭州湾、长江口以北，24 h(24日08时)以后再转向东北移动，接近钩状云区时快速上升到了7000 m。黄色轨迹表明48 h前气块来自9000 m以上的巴尔喀什湖以西地区，48~12 h(23日08时至24日20时)先快速向东南方向移动，到达江苏沿海后转向并快速移向降雪区，在移动时经历了由下沉运动转为上升运动、再下沉和再上升的过程，但上升和下沉均出现在对流层上层7000 m以上。

图 3显示P2上空气块120 h的后向轨迹。与图 2有类似的特点：5条轨迹的起始高度在对流层中低层、1条轨迹(黄色轨迹)在新疆以西的对流层高层且气块移速快、上升和下沉均在6000 m以上；大多数轨迹先以水平运动为主、伴有弱的上升和下沉运动，向东或向南移动、72~24 h(22日08时至24日08时)经过渤海湾或黄海到达日本海、再转向北上并伴有强上升运动的趋势。不同的是气块的起始位置和移动速度有差别，特别是500、3000、5000、7000 m上空气块的120 h的后向轨迹的起始位置均比图 2中的明显偏南，分别来自天津近地层(红色)、内蒙古西部(绿色)、内蒙古东部(天蓝色)和山东西部(玫瑰红色)2000 m以下，且3000、5000 m气块移速快。1500 m上空120 h后向轨迹(蓝色)对应的气块经过日本海的距离和时间较图 2中的短，约为24 h；3000、5000 m的轨迹(绿色和天蓝色轨迹)在日本海停留时间则不足24 h；7000 m轨迹(玫瑰红色)在东海历时也较短且经日本海南部直接北上而没有西折。

P3上空气块120 h的后向轨迹(图 4)中也有5条来自对流层中低层、1条轨迹(黄色轨迹)来自新疆以西的对流层高层且气块移速快、上升和下沉同样在6000 m以上。图中的大多数轨迹先以水平运动为主、伴有弱的上升和下沉运动，向东或向南移动、72~24 h(22日08时至24日08时)经过渤海湾或黄海到达日本海、再转向北上并伴有强上升运动的趋势与图 2相似，也只是气块的起始位置和移动速度有差别，特别是500、7000 m上空120 h后向轨迹对应的气块起始位置差别较大，分别来自山东西北部的近地层(红色)和蒙古国东南部3000 m的上空(玫瑰红色)，且500 m轨迹移动速度稍快而7000 m轨迹西折不明显。1500、5000 m上空120 h后向轨迹(蓝色和天蓝色)对应的气块经过日本海的时间和距离也较短，约为24 h；3000、7000 m上空120 h后向轨迹(绿色和玫瑰红色)对应的气块在东海或日本海经过的时间也比图 2中的短。

综上所述，在上述三个点上空不同层次气块轨迹中，除了1条轨迹中的气块来自对流层上层的新疆以西地区外，其他5条轨迹中的气块均来自对流层中低层蒙古国及我国北方地区。从移动路径看，除图 2~图 4中的玫瑰红色轨迹显示7000 m上空的气块后向轨迹是先向南或向东、再转向西或向西北、最后向东北的旋转式路径之外，其他气块几乎都是先向东或向南移动，然后转向北上。从移动速度来看，对流层高层移动快、中低层移动慢，500 m的气块移动最慢。从途经的海域来看，9000、7000 m上空的气块主要经过黄海、东海或日本海南部；近地面500 m的气块只经过渤海湾和东北东部，其他层次(5000、3000、1500 m)的大多数气块到达降雪区前72~48 h(22日08时至24日08时)先进入渤海湾，再东移进入日本海中西部，经过日本海的时间较长(12~36 h)。从图 2~图 4还可以看出，只有对流层上层气块的上升和下沉运动均在6000 m以上，其他气块从开始向降雪区移动时，主要在3000 m以下、以水平运动为主，伴有弱下沉，遇到朝鲜半岛时等山脉地形时有弱的上升运动，随后下沉进入日本海，在移向降雪区前几小时有强的上升运动，最高可达7000 m。

3 暴雪区水汽来源及输送

在第1节中提到这次降雪主要由蔽光高层云、积云性层积云等中低云引起，因此轨迹计算中对流层上层7000、9000 m气块的后向轨迹与钩状云区之间关联度小。且9000 m后向轨迹对应的气块一直在对流层上层，水汽含量低(图略)；7000 m的后向轨迹表明气块虽然经过东海或黄海，但到达钩状云区之前已变干(图略)，对暴雪区水汽的贡献小；而绝大多数气块轨迹都集中在对流层中下层3000 m以下，因此与暴雪相伴的钩状云区水汽也主要集中在对流层中下层。对地面三线图(图略)的分析发现，暴雪区在下雪之前几个小时才增温增湿，且探空资料显示1500、3000 m上空24日20时比湿分别只有2、1 g·kg^-1(图略)，因此仅依赖本地上空水汽的凝结不足以形成≥15 mm·(6 h)^-1的暴雪，必须有外来的水汽不断的补充且辐合上升凝结成雪。这里重点分析25日08时降雪过程中P1、P2和P3三个代表点1500、3000 m上空120 h后向轨迹中气块的比湿和相对湿度等的变化，以揭示暴雪区水汽的来源和输送。为了方便讨论，将图 2~图 4中的1500 m蓝色轨迹归入图 5a中，代表点P1、P2和P3分别对应轨迹1~3；而3000 m绿色轨迹归入图 5b，代表点P1、P2和P3分别对应轨迹4~6。

3.1 1500 m轨迹分析

轨迹1是25日08时20 mm暴雪中心代表点P1对应的120 h后向轨迹，该轨迹中的气块在72 h(22日08时)之前从内蒙古中部开始下沉(图 5a)，期间比湿缓慢增加(图 6a)，相对湿度在35%以下(图 6b)；72 h(22日08时)之后从天津下沉进入渤海湾，比湿由0.4 g·kg^-1缓慢增加到1.2 g·kg^-1，约66~60 h(22日14—20时)比湿迅速增加到2.7 g·kg^-1；60 h(22日20时)到达辽东半岛，比湿和相对湿度均减小，之后气块经过辽东半岛到达朝鲜半岛东部，比湿降到1.3 g·kg^-1，相对湿度也减小到41%；48 h(23日08时)气块达到日本海；48~36 h(23日08—20时)气块在日本海东移时比湿迅速增加到4.6 g·kg^-1，相对湿度增加到70%；36~12 h(23日20时至24日20时)气块继续随西风(图略)东移、再随南风转向北上时比湿缓慢上升至5.15 g·kg^-1，12~0 h(24日20时至25日08时)气块随东南风快速向西北方向移动到降雪中心，并伴有上升运动，相对湿度也迅速增加；降雪开始时比湿快速下降而相对湿度接近100%。

相对于轨迹1，轨迹2、3对应的气块均来自蒙古国中部(图 5a)，比湿和相对湿度的变化总体上变化平缓(图 6)。轨迹2、3在120 h(20日08时)比湿分别为1.13、0.72 g·kg^-1，高于轨迹1的0.52 g·kg^-1，相对湿度也是轨迹2、3大于轨迹1。但这种状况仅维持到84 h(21日20时)前后；84 h(21日20时)三个气块均达到内蒙古，轨迹1的比湿快速增加而轨迹2、3的比湿维持在1.3~1.4 g·kg^-1；72~48 h(22日08时至23日08时)轨迹2、3对应的气块经辽宁到达朝鲜半岛的东北部，轨迹2比湿变化不大而轨迹3比湿增加到2 g·kg^-1，在此期间相对湿度均下降到了35%；48~36 h(23日08—20时)在经过朝鲜半岛时比湿下降到了1.2~1.3 g·kg^-1，相对湿度略有上升，但轨迹3的移动速度快于轨迹2，因此轨迹3(42 h，23日24时)先于轨迹2(36 h，23日20时)到达日本海，对应比湿都增加到2 g·kg^-1，相对湿度略有下降；轨迹2、3在日本海先随西风(图略)东移再随南风转向北上，在日本海停留时间大约为24 h，相对湿度快速增加到80%；12~0 h(24日20时至25日08时)气块从日本海快速北上到黑龙江东部，降水开始前比湿迅速增加到2.9~3 g·kg^-1，相对湿度也达到95%以上。

由此可见，虽然轨迹1~3所对应的气块在经过渤海湾时相对湿度和绝对湿度均略有增加，获得了一定的水汽，但从辽东半岛到达朝鲜半岛东部时比湿和相对湿度都有所下降。在日本海移动缓慢，经过日本海的时间约为24~36 h，比湿和相对湿度均增加较多。从2 m的温度来看(图略)，23—25日日本海的气温维持在7℃左右，比同纬度的中国大陆及朝鲜半岛高出约10℃。因此当气块经过日本海时，海气热量交换(海水蒸发、感热)不仅使得气块获得了充分的水汽，同时气块48~12 h(23日08时至24日20时)在日本海上空移动期间是升温的，气块增温使得其可含水量也增加。其中轨迹1对应的气块在进入日本海最早、在海上经过的距离和时间最长、超过36 h，因此比湿增加最快最多；而轨迹2、3对应的气块在日本海停留的时间约24 h，从海上获得的水汽相对较少，比湿也小。

3.2 3000 m轨迹分析

代表点P1对应的轨迹4中的气块来自蒙古国中部(图 5b)，在移向蒙古国东部时，比湿由0.6 g· kg^-1增加到0.8 g·kg^-1(图 7a)，相对湿度由44%下降到29%(图 7b)；84 h(21日20时)进入内蒙古中北部，随后继续向东南移动，比湿维持在1 g·kg^-1以下，相对湿度有小幅的先升后降；66~60 h(22日14—20时)经过渤海湾北部时比湿增加到1.4 g·kg^-1，60~48 h(22日20时至23日08时)再往东经过辽宁东部和朝鲜半岛时比湿又略有下降，也伴随着相对湿度的小幅波动；48 h(23日08时)从朝鲜半岛东北部进入日本海，48~24 h(23日08时至24日08时)在日本海缓慢东移，期间30~24 h(24日02—08时)比湿从1.2 g·kg^-1剧增到4.2 g·kg^-1，相对湿度由27%上升到81%；24~9 h (24日08—23时)随偏南风(图略)转向北上，比湿再增加到5.1 g·kg^-1，相对湿度达95%以上；9~0 h(24日23时至25日08时)快速移向暴雪区上空且比湿下降到2 g·kg^-1以下，相对湿度接近100%。气块在日本海经过的距离长，历时大于36 h。

代表点P2对应的轨迹5中的气块来自内蒙古西部(图 5b)，比湿2.1 g·kg^-1(图 7a)，相对湿度58%(图 7b)；120~72 h(20日08时至22日08时)缓慢移动到内蒙古中部，比湿和相对湿度呈下降趋势；72~48 h(22日08时至23日08时)东移经过华北中北部，期间比湿先下降到1 g·kg^-1后又有所上升，相对湿度在40%上下波动；48 h(23日08时)进入渤海湾，比湿继续上升到1.7 g·kg^-1，相对湿度上升到49%；此后跨越辽东半岛和朝鲜半岛，24 h (22日08时)进入日本海，先随西风(图略)东移后随南风(图略)转向北上，比湿先上升到2.2 g·kg^-1，后小幅下降，相对湿度也降至36%；12~0 h(24日20时至25日08时)进入暴雪区上空，比湿达3.2 g·kg^-1，相对湿度迅速接近饱和。可见气块在日本海经过的距离相对短，历时小于24 h。

代表点P3对应的轨迹6中的气块来自新疆东部与蒙古国交界处(图 5b)，比湿1.1 g·kg^-1(图 7a), 相对湿度55%(图 7b)；120~72 h(20日08时至22日08时)沿中蒙边界向东移动，比湿和相对湿度先小幅下降后缓慢上升；72 h(22日08时)进入内蒙古中北部，东南向移经河北北部，比湿(1 g·kg^-1)变化不大、相对湿度在43%~59%波动；42~36 h(23日14—20时)进入渤海湾北部，再到达辽东半岛，比湿(1.4 g·kg^-1)和相对湿度(50%)略有增加；36~24 h (23日20时至24日08时)跨越朝鲜半岛北部进入日本海，比湿增加到2 g·kg^-1，相对湿度在50%左右；24~12 h(24日08—20时)在日本海随偏南风北上，移速减慢，比湿和相对湿度均有小幅下降；12~0 h(24日20时至25日08时)进入暴雪区上空(停留时间小于24 h)，比湿达2.4 g·kg^-1，相对湿度95%以上。该气块在日本海经过的距离也相对短，历时小于24 h。

同1500 m的轨迹1、2、3类似，虽然3000 m轨迹4、5、6对应的气块均来自东亚大陆，初始比湿都不大，相对湿度小，但在东移到渤海湾时比湿和相对湿度都是增加的趋势，而经过辽东半岛和朝鲜半岛时有小幅下降，只有在经过日本海时，海气交换使得比湿明显增加。其中轨迹4对应的气块在日本海经过的时间最长、超过36 h，比湿达5 g·kg^-1以上；而轨迹5、6对应的气块在日本海停留的时间不足24 h，比湿相对较小。

综上所述，来自东亚大陆的气块水汽含量并不大，但东移时均经过渤海湾和日本海，海气交换使得气块的比湿增加。因此钩状云区降雪的水汽主要来自对流层中低层的日本海，渤海湾也有少量的水汽供应；水汽随偏南风或东南风快速北上到降雪区。另外，代表点P1上空1500 m(轨迹1)、3000 m(轨迹4)对应的气块在日本海经过的距离长、历时均超过36 h，因此水汽含量大；代表点P2上空轨迹2、轨迹5以及代表点P3上空轨迹3、轨迹6在日本海经过的距离短、历时≤24 h，水汽含量相对较小。而这三个点都处在气旋西侧的钩状云区中，在动力条件相似的情况下，水汽含量大的代表点P1降雪量大。

4 结论和讨论 4.1 结论

通过对高空、地面观测资料、卫星云图的分析和25日08时120 h的后向轨迹模拟，得到以下结论：

(1) 卫星云图表明这次暴雪发生在锢囚锋钩状云区内，具有明显的中尺度特征。

(2) 对钩状云区内暴雪中心及周围代表点不同层次120 h气块轨迹分析表明，在每个代表点的6条轨迹中，只有1条轨迹来自新疆以西地区的对流层上层，其他5条轨迹均来自蒙古国或我国北方地区的对流层中低层。几乎每条轨迹对应的气块在东移或南移时以水平运动为主，伴有弱的下沉，中低层气块在48~72 h经过渤海湾和日本海；而中上层气块则主要经过黄海或东海，到达降雪区前几小时气块均有明显的上升运动。

(3) 对钩状云区不同代表点1500和3000 m上空120 h后向轨迹中气块比湿分析表明：降雪区水汽主要来自日本海，其次是渤海湾，而来自东亚大陆的水汽对降雪区的贡献并不大。最强降雪中心的气块在日本海经过的距离和停留的时间最长，海气交换的时间长，水汽含量高并随偏南风或东南风快速移向暴雪区。

4.2 讨论

HYSPLIT模式对初始条件和初始释放的位置等很敏感，本文仅选取了暴雪区中心及其附近的三个代表点进行讨论，有待于选取多个的参考点、用轨迹聚类以及更多类似的个例进一步验证。通过120 h后向轨迹的计算虽然得到这次暴雪过程的水汽源地来自渤海和日本海，但海气如何相互作用使得大气湿度增加值得进一步研究。另外，这次暴雪过程发生在长白山的北侧及小兴安岭的东侧，地形强迫对低层偏东、偏南气流抬升作用及降雪增幅的定量计算也需探讨。