戴玲玲 周玉淑 , 3, 李國平 鄧國 曾勇

1 成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225

2 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴院重點實驗室，北京 100029

3 中國科學院大學，北京 100049

4 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002

5 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

6 中國氣象局國家氣象中心，北京 100081

1 引言

華北地區(qū)西高東低，以太行山為界，西部為黃土高原，東部主要為華北平原，另外，以燕山—陰山為界，黃土高原、華北平原北臨蒙古高原，北京西北部為喇叭口地形。受地形迎風坡抬升作用和喇叭口地形加強的輻合上升氣流影響，常有利于對流的形成和發(fā)展。一直以來，華北地區(qū)暴雨研究是氣象學者關心的重要領域，并且成果較為顯著。張文龍等（2012）總結(jié)了近50年華北暴雨的主要研究進展，內(nèi)容涵蓋大尺度環(huán)流形勢及其分型、中低緯度系統(tǒng)相互作用、水汽輸送、高低空急流、直接造成暴雨的中尺度系統(tǒng)、復雜地形以及海陸下墊面等。與暴雨研究相比，對降雪問題的關注度、研究和認識的深入程度相對薄弱。

國外學者對暴雪形成的大尺度成因、冬季云降雪和降雪氣候?qū)W等方面進行了研究。溫帶氣旋的形成與發(fā)展是歐美中緯度地區(qū)降雪的主要原因，日本地區(qū)降雪也多與低壓系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有關（Ninomiya,1991;Huo et al.,1995;Ulbrich et al.,2001）。Grant and Kahan（1974）和Elliott（1986）對冬季山區(qū)降雪的形成機制進行了細致研究。Koning et al.（2014）對密歇根湖周圍的47個觀測站進行了地理信息系統(tǒng)（GIS）分析，探討平均降雪量、可測量降雪的天數(shù)、地面降雪的天數(shù)以及降雪與溫度之間的相關性。國內(nèi)氣象學者通過對華北地區(qū)降雪的診斷分析，從大尺度、動熱力條件等方面探討了暴雪觸發(fā)機制和發(fā)展機理。華北地區(qū)常見的降雪類型為“回流型”降雪，華北回流天氣是指冷空氣從東北平原南下，經(jīng)過渤海以偏東路徑侵入華北平原，實際上，回流也是一種冷鋒，在華北平原經(jīng)常出現(xiàn)（河北省氣象局,1987;張守保等,2008;許敏等,2014）。華北平原冬半年，特別是春、秋、冬季的回流天氣比較多，回流造成的天氣變化復雜，常常伴有大降水，比如冬季暴雪、春秋季較大降水或連續(xù)陰雨，還往往造成渤海和東部平原偏東大風。張迎新和張守保（2006）、張迎新等（2007）和張守保等（2008）指出回流是華北地區(qū)降雪的主要影響系統(tǒng)，回流降水的起止時間與高低層風向有關，中高層的西南氣流與低層偏東氣流疊加時降水開始，兩者之一消失時降水結(jié)束；回流降水的水汽伴隨中層的西南氣流來自南方地區(qū)。馬秀玲等（2008）和李津等（2017）對華北地區(qū)的大暴雪過程，從大尺度背景、水汽及動力條件方面進行了診斷分析，通過鋒生函數(shù)、能量收支、水汽輸送等物理量計算得出，華北回流天氣有利于水汽輸送和水平輻合加強，冷高壓南側(cè)低層“倒槽”和輻合線上中尺度云團反復發(fā)展對暴雪形成有重要作用，明顯的鋒面及逆溫區(qū)存在利于不穩(wěn)定能量積累。王迎春等（2004）對北京出現(xiàn)的1841年以來歷史上最長的連續(xù)6天降雪天氣進行了診斷分析，結(jié)果表明，連續(xù)降雪發(fā)生的東亞穩(wěn)定環(huán)流形勢主要是：降雪期間華北地區(qū)處于鋒區(qū)中，并伴有氣流低空輻合高空輻散的垂直結(jié)構(gòu)；華北回流型降雪天氣近地面層有淺薄的冷空氣墊，暖濕空氣回流時沿冷空氣墊爬升。葉晨等（2011）分析了60年來降雪量最大的初雪過程并探討了暴雪形成機制，指出雪前降雨在近地面蒸發(fā)冷卻降溫，近地面氣溫下降較快接近冰點造成雨轉(zhuǎn)雪，低層東路冷空氣的平流是降雪期間近地面氣溫維持較低的主要原因。趙思雄等（2002）分析研究了2001年北京降雪，認為該過程也是常見的回流型降雪，并指出降雪預報存在許多難點。首先，預報對象難以捕捉，比如爆發(fā)性氣旋等猛烈發(fā)展的系統(tǒng)，小槽所伴隨的小雪過程這類信息較弱的系統(tǒng)。其次，暴雪預報中雨轉(zhuǎn)雪、雪伴雷電、降雪強度的變化等，其成因的相關研究還非常有限。最后還有一些客觀因素，如：現(xiàn)有觀測網(wǎng)所提供的初始信息還不夠完全，對于一些比較淺薄的系統(tǒng)，某些重要的信息可能被遺漏；特殊加密資料（尤其是邊界層資料）的獲取，各種非常規(guī)資料的同化及數(shù)值模式的進一步改進；云物理過程的描述不夠準確等，都限制了降雪機理研究和預報水平的進一步提升。

冬季降雪有利于空氣中污染物的沉降，起到凈化空氣的作用，但更多的是給人民生活帶來惡劣影響，比如交通運輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、重大活動安排等。2015年7月，我國成功申請2022年第24屆冬季奧林匹克運動會，并將在北京和張家口市舉辦。崇禮縣處在張家口壩上、壩下中間地帶，獨特的地理位置形成了良好的小氣候，崇禮降雪期早至9月下旬，降雪豐沛，且存雪厚度可達1 m左右，存雪期可達150天。延慶處于高海拔地區(qū)，因其降雪日數(shù)多、降雪量比較大，被稱為北京“雪鄉(xiāng)”。所以，著眼于張家口市崇禮地區(qū)、北京市延慶地區(qū)的華北降雪研究非常緊迫。2015年11月6日的降雪是冬奧會申辦成功后北京市迎來的首場降雪，冬奧會高山滑雪和雪橇、雪車賽區(qū)—延慶小海坨山，是降雪量最大地區(qū)，張家口市也都出現(xiàn)降雪，為研究奧運賽區(qū)降雪天氣過程特征提供了極好的個例。

本文基于MICAPS各層高空和地面等常規(guī)觀測資料以及歐洲中心ERA-Interim的0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度）逐6 h再分析資料，對2015年11月5～7日華北地區(qū)降雪過程進行診斷分析，旨在加深對華北降雪環(huán)流形勢和水汽動力條件的理解和認識，加強華北降雪過程天氣形勢演變及動熱力物理量的診斷分析，為后續(xù)降雪研究提供參考。

2 天氣過程實況描述

2015年11月5～7日，北京、河北發(fā)生的范圍較大、時間較長的雨雪天氣中，6～7日的降雪達到初雪標準，此次降雪在北京比常年初雪時間提前了20多天。5日17:00（北京時間，下同），河北開始出現(xiàn)零星降雪；19:00，佛爺頂、密云上甸子、懷柔湯河口以及延慶本站也先后飄起雪花，但北京市區(qū)沒有出現(xiàn)降雪。6日02:00，北京開始出現(xiàn)大面積降雪，截止6日08:00，北京全市平均降水量達到8.9 mm，城區(qū)8.6 mm，北京除了南郊觀象臺、豐臺、通州及平谷外，大部分地區(qū)的積雪深度達0.2～8.1 cm，最大積雪深度出現(xiàn)在佛爺頂，為8.1 cm，城區(qū)由于地面潮濕且降雪時間短，未見積雪。截至6日中午，小海坨山雪量達到23 mm，雪深達12～18 cm。5日08:00至6日08:00雨雪混合累積降水量顯示（圖1a），河北西部和北部、北京等地降雪、雨或雨夾雪5～20 mm，其中河北西部地區(qū)、北京西北部地區(qū)降水比較大，最大降水出現(xiàn)在張家口市，降水量超過20 mm；6日08:00至7日08:00北京和河北都處在降雪時段（圖1b），降水較大的區(qū)域主要集中在河北東部地區(qū)、北京北部，24 h累積降水量在10～20 mm。

圖1 2015年11月（a）5日08:00至6日08:00、（b）6日08:00至7日08:00京津冀地區(qū)24 h累積降水量分布（單位：mm，黑色虛線代表降雪范圍移動位置，CL表示崇禮，XHT表示小海陀站，YQ表示延慶站，F(xiàn)YD表示佛爺頂站）Fig. 1 Distribution of 24-h accumulated precipitation (units: mm) in Beijing,Tianjin,and Heibei region (a) from 0800 LST 5 November to 0800 LST 6 November 6 2015 and (b) from 0800 LST 6 November to 0800 LST 7 November 2015. The black dotted lines represent the moving position of the snowfall range,CL represents Chongli station,XHT represents Xiaohaituo station,YQ represents Yanqing station,and FYD represents Foyeding station

在河北及北京地區(qū)，11月一般雨夾雪天氣較多，雨雪相態(tài)變化較復雜。此次京津冀降水過程自11月5日08:00開始，8日凌晨結(jié)束。中國氣象局MICAPS（Meteorological Information Combine Analysis and Process System）提供的地面資料分析顯示，以7日17:00為中間點，一共出現(xiàn)兩次降雪時段：第一次是5日17:00至7日17:00，其特點是降雪范圍大、強度大；第二次為7日19:00至8日04:00，河北承德小雪轉(zhuǎn)晴，北京大部地區(qū)有零星小雨，山區(qū)雨夾雪，降水量較小。由于第二次過程降雪量小，本文重點分析第一次過程。所以研究的降雪時段為5日17:00至7日17:00，這個過程中存在雨夾雪和雪的相態(tài)變換。地面溫度在0°C上下，降水性質(zhì)將從雨向雨夾雪或雪轉(zhuǎn)變（李江波等,2009;張琳娜等,2013），西北部多山區(qū)，河北、北京山區(qū)溫度較低，雪花到地面不易融化，再加上0°C線位于京津冀中部，呈西南—東北走向，所以使得雨雪分界在河北省的中部，雨雪線呈現(xiàn)東北—西南走向。

從主要降雪時段（即6日02:00至7日08:00）的逐3 h降水分布（圖2）可見，6日05:00至08:00，降水量比較大（圖2b），大降水中心出現(xiàn)在北京昌平區(qū)和延慶縣。6日02:00至17:00（圖2a–2e）是降雪由發(fā)展逐漸減弱的階段。圖3是張家口市崇禮站和北京延慶站整個降雪過程（11月5日17:00至7日17:00）的1 h加密降水量變化，降雪過程以6日17:00為界劃分為第一階段和第二階段。兩個時段的降雪過程相比，第一時段過程（6日凌晨至中午12:00）降雪強度較大，并且降雪強度大致呈現(xiàn)先增后減，再增再減的過程。崇禮站最大小時降雪量為4 mm，出現(xiàn)在6日07:00。延慶站最大小時降雪量達2 mm，6日05:00至10:00降雪一直維持最大強度。

圖2 2015年11月6日05:00至7日08:00京津冀地區(qū)3 h累計降水量分布（單位：mm）：（a）6日02:00至05:00；（b）6日05:00至08:00；（c）6日08:00至11:00；（d）6日11:00至14:00；（e）6日14:00至17:00；（f）6日17:00至20:00；（g）6日20:00至23:00；（h）6日23:00至7日02:00；（i）7日02:00至05:00；（j）7日05:00至08:00Fig. 2 Distribution of 3-h accumulated precipitation (units: mm) in Beijing,Tianjing,and Heibei region: (a) 0200 LST to 0500 LST 6 November 2015;(b) 0500 LST to 0800 LST 6 November 2015;(c) 0800 LST to 1100 LST 6 November 2015;(d) 1100 LST to 1400 LST 6 November 2015;(e)1400 LST to 1700 LST 6 November 2015;(f) 1700 LST to 2000 LST 6 November 2015;(g) 2000 LST to 2300 LST 6 November 2015;(h) 2300 LST 6 to 0200 LST 7 November 2015;(i) 0200 LST to 0500 LST 7 November 2015;(j) 0500 LST to 0800 LST 7 November 2015

圖3 2015年11月5日17:00至7日17:00崇禮、延慶站1 h加密降水量變化（單位：mm）Fig. 3 Variation in 1-h intensive observed precipitation (units: mm) at Chongli and Yanqing stations from 1700 LST 5 to 1700 LST 7 November 2015

由此次京津冀降雪過程的24 h、3 h以及1 h降水分布可知，2015年11月6日河北、北京初雪過程特點是持續(xù)時間長、雨雪變化頻繁、降雪范圍廣、降雪強度大，尤其是張家口市和北京市西北部山區(qū)附近降雪強度大。下節(jié)將從環(huán)流、水汽及動力條件等方面進行此次降雪的發(fā)生發(fā)展過程分析。

3 環(huán)流形勢演變特征和主要影響系統(tǒng)

環(huán)流形勢分析選取主要降雪時段前后3 h，即對11月5日14:00至7日20:00的500 hPa、700 hPa和850 hPa高度場進行分析。從近年來北京北部山區(qū)降雪天氣過程看，山區(qū)降雪發(fā)生的天氣形勢配置主要為高空槽、低渦，配合地面倒槽和輻合線等（高茜等,2016）。許敏等（2014）對華北回流形勢降雪過程影響系統(tǒng)進行分析時指出，500 hPa高空形勢大致可分為兩類，“兩槽一脊型”和“多波動型”。此次降雪過程在500 hPa上，天氣尺度環(huán)流背景類似于“兩槽一脊”，但是，在槽脊發(fā)展過程中又存在西風帶短波槽活動。正因為在兩槽一脊的天氣形勢下疊加短波槽活動，導致了兩日內(nèi)出現(xiàn)兩次降雪，雨夾雪轉(zhuǎn)雪再轉(zhuǎn)雨夾雪的復雜過程。11月5日14:00至7日20:00，一共有兩支短波槽影響京津冀地區(qū)。11月5日14:00，東北及其以東地區(qū)為一大槽（圖4a），新疆西北的中高緯地區(qū)也為一深槽，兩槽之間是經(jīng)向發(fā)展強盛的深脊，脊區(qū)控制了西伯利亞。等溫線和等高線的分布顯示，溫度場落后于高度場，具有明顯斜壓性，利于槽脊的進一步發(fā)展。此時，內(nèi)蒙古西部地區(qū)有一中尺度渦旋出現(xiàn)，渦旋底部發(fā)展出一東北西南走向的短波槽，位于甘肅中南部。另外，新疆中部也有一支短波槽東移。隨著時間推移，兩支短波槽于6日、7日凌晨（圖4b）先后移近河北和北京地區(qū)，河北、北京位于槽前，槽前上升氣流導致降雪發(fā)展加強。6日08:00到7日14:00，槽減弱移出，北京河北的降雪漸止。7日20:00，內(nèi)蒙－陜西地區(qū)有一深槽，此槽加深并移入河北，影響范圍更大，導致河北、北京大部分地區(qū)又出現(xiàn)降雨，山區(qū)雨夾雪?？偟膩碚f，多短波槽的相繼發(fā)展和移動是影響河北和北京此次降雪和降雨的主要因素。

圖4 2015年11月（a）5日14:00和（b）7日02:00 500 hPa位勢高度場（黑色實線，單位：dgpm）和風場（單位：m s?1）；2015年11月6日02:00（c）700 hPa和（d）200 hPa的位勢高度場（黑色實線，單位：dgpm）和風場（單位：m s?1）Fig. 4 Geopotential height (solid black lines,units: dgpm) and wind field (units: m s?1) at 500 hPa at (a) 1400 LST 5 November and (b) 0200 LST 7 November 7 2015;geopotential height (black solid lines,units: dgpm) and wind field (units: m s?1) at (c) 700 hPa and (d) 200 hPa at 0200 LST 6 November 2015

與500 hPa天氣形勢相對應，5日14:00，700 hPa天氣圖上，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)有一中尺度低渦，6日02:00（圖4c），低渦東移至內(nèi)蒙古中部，低渦東部偏南氣流將南方豐沛的水汽輸送到華北地區(qū)。6日02:00至08:00，西南氣流發(fā)展最強盛，02:00影響河北地區(qū)的偏南風最大風速增加到16 m s?1。6日14:00，低渦位于河北西北部張家口附近，6日14:00至7日02:00西南氣流逐漸加強，至7日08:00渦旋逐漸減弱，影響京津冀地區(qū)的主要是偏西風。850 hPa環(huán)流形勢場（圖略）也是低渦東移的過程，但相比700 hPa低渦位置偏東，且整個降雪期間京津冀地區(qū)受偏東氣流控制。200 hPa高空環(huán)流形勢場（圖4d）較平直?？v觀天氣形勢場，低值系統(tǒng)從低層至高層向西傾斜，有明顯的斜壓性。

從925 hPa位勢高度分布可見（圖5），北京此次降雪過程發(fā)生發(fā)展也與大陸冷高壓的發(fā)展東移有關。我國東北到貝加爾湖的大部分地區(qū)被蒙古高壓所控制，在高壓東移過程中，其東部偏北氣流流經(jīng)洋面后轉(zhuǎn)為東南氣流回流到華北地區(qū)。5日14:00至6日08:00蒙古高壓明顯加強，回流相應加強，京、津及河北省中北部處在地面冷高壓底部偏東氣流控制下，倒槽位于華北地區(qū)，這樣的形勢有利于出現(xiàn)低層東北風，使得冷空氣入侵到北京和河北近地面，低層暖濕空氣抬升后釋放凝結(jié)潛熱。因此，從地面形勢場上，本次降雪過程屬于在中緯度高空氣流較為平直的情況下，高空氣流引導大陸小高壓移出至海上，小高壓后部來自海上的空氣回流所致，即屬于華北地區(qū)比較常見的回流型降雪天氣類型。

圖5 2015年11月6日08:00高低空系統(tǒng)配置概略圖Fig. 5 Sketch of the configuration of high and low altitude systems at 0800 LST 6 November 2015

綜上所述，500 hPa兩槽一脊疊加多波動小槽、700 hPa低渦配合較強偏南氣流的水汽輸送以及850 hPa低渦及偏東氣流的水汽輸送是此次華北降雪過程的基本天氣形勢配置（圖5）。低層低渦自西向東移動至河北，與500 hPa槽前的上升區(qū)相對應，結(jié)合高層輻散的作用，使得河北和北京地區(qū)從低層到高層的上升運動發(fā)生發(fā)展，利于降雪發(fā)生。

4 物理量場的診斷分析

4.1 水汽條件分析

水汽充足是產(chǎn)生降水的必要條件。水汽通量散度一定程度上反映了大氣中水汽的含量與聚集程度。水汽通量輻合強度與降雪強度也有一定的聯(lián)系，輻合加強，水汽充足，降雪強度增大。根據(jù)水汽通量方程和水汽通量散度方程繪制了水汽通量和水汽通量散度分布（圖6）。水汽通量方程和水汽通量散度方程為

其中，A1為水汽通量，單位：g hPa?1s?1；A2為水汽通量散度，單位：g cm?2hPa?1s?1；q為比濕，單位g/g；g=9.8 m s?2；u和v分別是風速分量，單位：m/s。

降雪期間，850 hPa東南氣流將東海南部、西太平洋和黃海的水汽輸送至河北和北京地區(qū)。5日14:00至6日02:00，水汽輻合區(qū)范圍逐漸擴大至整個京津冀地區(qū)。6日02:00水汽條件最好（圖6a、6d），北京北部、河北西部有水汽通量輻合中心，最大值為?3×10?5g cm?2hPa?1s?1，京津冀東南部的渤海和山東半島附近地區(qū)有較強的水汽通量，其最大值達1.5 g cm?2hPa?1s?1。至14:00（圖6b和e），水汽通量大值區(qū)東移入海，強輻合中心基本移出了京津冀，中心輻合強度和范圍都減弱，但河北和北京北部還有水汽輻合區(qū)，其值為?2×10?5g cm?2hPa?1s?1，600～400 hPa出現(xiàn)干區(qū)（相對濕度小于50%）。6日20:00至7日02:00，水汽通量有加強的趨勢，京津冀地區(qū)水汽輻合加強（圖6c和6f）。7日08:00后，水汽輻合中心消失，水汽供應條件不足。

圖6 2015年11月（a、d）6日02:00、（b、e）6日14:00和（c、f）7日02:00的850 hPa水汽通量（第一行，單位：g cm?1 hPa?1 s?1）和水汽通量散度（第二行，單位：g cm?2 hPa?1 s?1）Fig. 6 Distribution of water vapor flux (the first line,units: g cm?1 hPa?1 s?1) and water vapor flux divergence (the second line,units: g cm?2 hPa?1 s?1)at 850 hPa at (a,d) 0200 LST 6 November 2015,(b,e) 1400 LST 6 November 2015,and (c,f) 0200 LST 7 November 2015

受偏南暖濕氣流影響，降雪期間，700 hPa上有水汽從孟加拉灣源源不斷輸送到京津冀地區(qū)，有較好的水汽輸送條件。從沿40.7°N的比濕剖面可見（圖略），降雪期間700 hPa至850 hPa層次比濕較高，達到3.5～5 g kg?1，為降雪發(fā)生提供了豐沛的水汽。

4.2 動力條件分析

4.2.1 散度和相對渦度的垂直分布

散度和相對渦度隨時間的垂直分布變化（圖7）顯示，5日14:00至6日14:00，崇禮站和延慶站低層有輻合，中低層的風場輻合向上延伸到500 hPa，在6日02:00輻合達到最強，對應了降雪發(fā)展的強盛階段。500 hPa以上為輻散，高層輻散具有抽吸作用，有利于低空暖濕氣流的抬升，從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。與輻散對應的上空高層始終存在負渦度中心，而在低層有正渦度中心與之對應，存在正渦度中心和高層強輻散中心相耦合，這種高層輻散、低層輻合的垂直配置結(jié)構(gòu)為此次降雪發(fā)生提供了有利動力條件。強抽吸的動力結(jié)構(gòu)也導致低層減壓，低層的氣旋得以發(fā)展，配合高濕的環(huán)境條件，導致了區(qū)域性的降雪天氣發(fā)生。第二次降雪過程中，6日20:00至7日08:00，在垂直方向上，北京延慶站中低層的風場輻合延伸到600 hPa，高層輻散中心位于400 hPa，正渦度中心位于高層300 hPa，負渦度中心較弱，其中7日02:00附近輻合最強。崇禮站的高底層配置和延慶站相似，低層輻合更弱。整體來看，高低空垂直配置動力條件較前一次過程弱，降雪強度也明顯弱于第一次過程。

圖7 2015年11月5日14:00至7日14:00（a）崇禮站和（b）延慶站散度（等值線，單位：10?5 s?1）和相對渦度（填色，單位：10?5 s?1）的時間—高度剖面Fig. 7 Time and altitude profile of divergence (isoline,units: 10?5 s?1) and relative vorticity (colored map,units: 10?5 s?1) at (a) Chongli station and(b) Yanqing station from 1400 LST 5 November to 1400 LST 7 November 2015

可見，降水區(qū)上空有輻合運動加強，對應低層有低渦發(fā)展。高空有高空急流維持，河北和北京處在高空槽前和急流出口區(qū)左側(cè)，對應輻散運動，這種高低空配置使整層上升運動得到發(fā)展，加強了水汽垂直輸送，利于降雪發(fā)生。第二次降雪過程，低層為負散度和負渦度結(jié)合，高空是正散度和正渦度的結(jié)合，上升運動相對較弱，降雪強度也較弱。

4.2.2 大氣層結(jié)及水平風垂直切變分析

層結(jié)狀況和水平風的垂直風切對降雪過程影響極大，崔慧慧和蘇愛芳（2019）研究表明，低層冷墊對其上部的暖濕氣流具有強烈抬升作用，西南低空急流與近地面東北氣流所造成的垂直風切變的變化，反映了低層冷墊和其上部暖濕氣流的反差程度，二者反差越大，意味著動力抬升越強，這對降雪強度變化有一定指示意義。北京站的探空圖（圖8a）顯示，從層結(jié)條件來看，5日20:00北京地區(qū)上空濕層較厚，從近地面直達400 hPa，整層濕度條件良好。由于大氣濕度大，抬升凝結(jié)高度（LCL）低，低層大氣極容易被抬升，6日08:00（圖8b）抬升凝結(jié)高度下降到1012.5 hPa，濕層抬升，20:00濕層下降至500 hPa。到7日20:00 700 hPa以上水汽嚴重不足。對比發(fā)現(xiàn)，5日08:00至20:00，0°C線迅 速 從800 hPa下 降 至925 hPa以 下，近 地 面1000～925 hPa有東北風形成的冷墊，925～700 hPa有多個逆溫層，存在位勢不穩(wěn)定，700 hPa以上為西南風，與低層東北風之間形成明顯的垂直風切變，700 hPa與925 hPa之間垂直風切變達16 m s?1。6日08:00，北京整層大氣溫度在0°C以下（0°C線位于1000 hPa以下），925～850 hPa逆溫層明顯，水平風垂直風切變增大至22 m s?1，對應著降雪強度繼續(xù)增大。6日20:00，北京整層大氣溫度維持在0°C以下，但700 hPa西南風減弱至4 m s?1，低層東北風也減弱，導致垂直風切變減弱，降雪強度相應減弱。

張家口站的探空圖（圖8c、8d）顯示，5日20:00至6日08:00，對流層整層溫度露點差較小，濕度較大，6日20:00，500 hPa附近有干冷空氣入傾，上下層的干濕對比更強烈，7日08:00，500 hPa以下濕度條件較好。5日20:00降雪開始時，0°C層位于925 hPa以上，850 hPa有偏東風，700 hPa順轉(zhuǎn)為西南風，風速為10 m s?1，風向隨高度順轉(zhuǎn)，張家口上空有暖平流，并存在很強的水平風垂直切變，有利于對流性天氣產(chǎn)生。6日08:00和20:00，張家口站氣溫整層處于0°C以下，850～700 hPa存在逆溫層，08:00低層垂直風切增大至26 m s?1，20:00風切減弱至14 m s?1。7日08:00，氣溫持續(xù)在0°C以下，雖然逆溫層仍存在，但垂直風切逐漸減小，至20:00后基本無垂直風切變，降雪量與垂直風切變化趨勢基本一致，說明垂直風切對此次降雪過程有重要作用。

圖8 2015年11月（a）5日20:00北京站、（b）6日08:00北京站、（c）5日20:00張家口站和（d）6日08:00張家口站的探空曲線（Skew T?lnp）Fig. 8 Radiosonde sounding (Skew T?lnp) at (a) Beijing station at 2000 LST 5 November 2015,(b) Beijing station at 0800 LST 6 November 2015,(c) Zhangjiakou station at 2000 LST 5 November 2015,and (d) Zhangjiakou station at 0800 LST 6 November 2015

總的來看，降雪期間水汽充足，整層大氣溫度基本在0°C以下，有明顯逆溫層，700 hPa以上一直維持暖濕氣流，且存在強的水平風垂直切變，尤其強降雪時段，濕層較厚，垂直風切變也最強。第二段降雪過程相對第一段降雪，垂直風切變較弱，500 hPa以上水汽不夠充沛，降雪較弱。7日20:00，由于低層無風切變且水汽嚴重不足，降雪結(jié)束。

4.2.3 高低空急流分析

研究表明，高低空急流耦合對暴雪發(fā)生形成起關鍵作用（黃安麗和高坤,1982;Uccellini and Johnson,1979;鐘中等,2010）。5日14:00，700 hPa上，從貴州到山西一帶的西南低空急流已經(jīng)建立，但還沒有影響到河北和北京地區(qū)，隨著低空急流向北推進，于20:00開始影響到河北西部，強度進一步加強，最 大 中 心 達 到20 m s?1（圖9a），此 后 至6日08:00，急流進一步加強并逐步大范圍影響華北地區(qū)，將南方水汽輸送到河北和北京附近（圖9b），并且這支強的水汽輸送帶與渤海的偏東氣流在河北省東部交匯輻合，低層在急流出口區(qū)左側(cè)形成一個強的水汽輻合中心。過降雪區(qū)（區(qū)域選擇如圖9c）的風場和水汽的時間高度垂直剖面（圖9d）表明，降雪時段水汽充足，降雪天氣發(fā)生前后，華北上空200 hPa一直有高空急流維持，河北、北京正處在高空槽前急流出口區(qū)左側(cè)，導致了高空輻散氣流的維持（圖9b）。低層有低渦發(fā)展導致輻合上升，中層低槽前上升氣流與高層輻散的共同作用，導致河北和北京地區(qū)從低層到高層的上升運動發(fā)展加強，將低空急流輸送的南方水汽和偏東風回流輸送的東海南部、西太平洋和黃海的水汽輸送至河北、北京地區(qū)，有利于降水的發(fā)生。7日08:00之前，高空急流繼續(xù)加強，最大急流中心達50 m s?1，隨著低空急流向北推進，6日02:00高低空急流在垂直方向上的耦合疊加作用造成抽吸作用最強，為降雪加強提供了有利的動力條件；7日08:00之后，高空最大急流中心雖然繼續(xù)加強，但由于低空急流走向發(fā)生變化，逐漸與高空急流平行，高低空急流間的垂直疊加耦合消失，高低空的抽吸作用減弱，垂直上升運動維持機制不復存在，降雪逐漸減弱并停止。

圖9 2015年11月（a）5日20:00和（b）6日08:00 200 hPa高空急流（棕色實線，風速大于等于30 m s?1）與700 hPa低空急流（箭頭風速大于或等于12 m s?1）和散度場（填色，單位：10?6 s?1）；（c）2015年11月6日08:00京津冀地區(qū)積雪深度（單位：cm）；（d）京津冀地區(qū)過降雪區(qū)（即圖c藍色虛線區(qū)）區(qū)域平均的相對濕度（填色）、風速（黑色等值線為垂直速度，單位：Pa/s，風桿為u和v分量的合成）和溫度（紅色虛線）的時間—高度垂直剖面Fig. 9 200 hPa upper-level jet (solid brown line,wind speed ≥30 m s?1) and 700 hPa low-level jet (wind speed ≥12 m s?1) and divergence (colored,units: 10?6 s?1) on (a) 2000 LST 5 November 2015 and (b) 0800 LST 6 November 2015;(c) snow depth (units: cm) in Beijing,Tianjin,and Hebei regions on 0800 LST 6 November 2015;(d) time and altitude profile of regional average relative humidity (colored map),wind speed (black contour is vertical velocity,units: Pa/s,wind pole is the combination of u and v components) and temperature (red dotted line) in the snowfall area (blue dotted area in the left figure)

可見，低空急流不僅為這次降雪過程提供了充沛的水汽來源，而且其與高空急流的加強及垂直疊加耦合，有利于在低空急流前方和高空急流右后方形成大范圍強上升運動，抬升了低層水汽，為降雪天氣的發(fā)生提供了動力和水汽條件。

5 結(jié)論和討論

本文利用常規(guī)觀測資料和歐洲中心ERA-Interim再分析資料，對2015年11月5～7日的河北、北京的降雪特點和形成原因進行分析。此次降雪過程雪量較大，持續(xù)時間長，雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換較多，屬于華北地區(qū)比較常見的“回流型”降雪。

500 hPa西伯利亞脊的發(fā)展導致對流層中層中高緯度環(huán)流經(jīng)向度加大，內(nèi)蒙古渦旋及其南部有弱槽發(fā)展，使得西伯利亞脊前偏北冷空氣與槽前西南暖氣流在河北地區(qū)交匯，配合700 hPa和850 hPa低渦發(fā)展，是造成此次降雪天氣的直接原因。500 hPa為兩槽一脊天氣形勢下，有多波動小槽發(fā)展東移，使得雨雪天氣維持時間較長。降雪期間整層大氣溫度處于0°C下，濕層幾乎貫穿整個對流層，有利于降雪的形成。降雪過程中主要有兩條水汽通道，一條是850 hPa東南氣流對東海南部、西太平洋和黃海的水汽輸送，另一條是700 hPa偏南氣流對孟加拉灣的水汽輸送。高濕的大氣環(huán)境條件，低層水汽輸送和水汽輻合為降雪天氣提供了豐沛水汽。700 hPa的偏南暖濕氣流，850 hPa的偏東風以及地面高壓底部偏東風配合倒槽，散度場、渦度場和垂直速度場的高低空耦合配置，以及中低層的水平風垂直切變均為降雪天氣的發(fā)生創(chuàng)造了良好的動力條件。降雪天氣發(fā)生前后，華北上空有高空急流維持，河北和北京正處在高空槽前急流出口區(qū)左側(cè)，維持了高空輻散氣流。低層的低渦發(fā)展引起低層輻合加強，中層低槽槽前上升氣流與高層輻散的共同作用，導致河北和北京地區(qū)從低層到高層的上升運動發(fā)生發(fā)展，將低空急流輸送的南方水汽和偏東風回流輸送的東海南部、西太平洋和黃海的水汽輸送至河北、北京地區(qū)后輻合抬升。高低空急流耦合，使得抽吸作用加強，為降雪加強提供了有利的動力條件。

在有利的天氣形勢和動熱力條件下，本次降雪過程中出現(xiàn)了降雪、雨或雨夾雪等降水形態(tài)的變化。本文只是進行了降雪過程中的天氣學診斷分析，尚未涉及降水相態(tài)演變的機理，后續(xù)工作重點是結(jié)合數(shù)值模擬，分析并揭示造成不同降水相態(tài)的動熱力和微物理過程的作用。

致 謝感謝ECMWF提供的資料在線下載服務。ERA-Interim數(shù)據(jù)介紹詳見https://www.ecmwf.int/node/8174[2020-01-01]。