2020年初夏中天山一次罕见雨转暴雪天气成因分析

周雪英，仇会民，温 春，努 加，张云惠

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒 841000；
2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

巴音布鲁克山区位于新疆中天山南麓，海拔约2 500 m，具有独特的高寒山区气候，为巴音郭楞蒙古自治州绿洲主要水源地，近年来巴音布鲁克山区暖季降水中暴雨贡献率增加，但出现雨转暴雪为小概率事件。2020年6月底出现罕见雨转暴雪，致使牲畜冻死、交通受阻、大量游客滞留。目前巴音布鲁克山区夏季暴雨精细化预报一直是预报工作难点和短板，对于发生的罕见高影响雨转暴雪天气缺乏客观认识。

近年来研究者构建了南疆西部、天山北坡、伊犁河谷、新疆东部夏季暴雨概念模型[1-5]，包括100 hPa南亚高压东西震荡、200 hPa急流南北摆动、500 hPa中亚低槽或低涡、700～850 hPa偏东气流的切变辐合。夏季山区暴雨水汽源地和输送路径呈多样化特征，伴有低空偏东急流接力输送时，常造成范围广、强度大的降水[6-9]。暴雨始作俑者是中尺度对流系统（MCS），造成山区强降水云团为中γ尺度和中β尺度对流云团[10-11]，常利用TBB≤-32℃的连续冷云区面积大小对中-α对流系统（MαCS）和中-β对流系统（MβCS）进行区分[12]。不同尺度对流云团在特殊下垫面抬升触发，天气尺度提供动力条件、α中尺度上反映次级环流[13]。边界层准静止干线触发的中尺度暴雨，干线两侧干湿平流加强，造成局部锋生[14]。干空气侵入一方面有利于锋区形成和维持[15]，另一方面有利于加剧低层对流不稳定增强降水强度[16]。位于环境稳定度大的气块，在沿陡峭的θse面下滑的过程中，因环境大气稳定度减弱，导致倾斜涡度的快速增长[17]，在不稳定层结中低层南方暖湿扰动的北进，以及高层北方干冷气流的南侵下滑，两者的耦合叠置与相互作用易造成中尺度暴雨系统的强烈发展[18]。伊犁河谷极端暴雨研究表明低层锋面和地形抬升，垂直运动发展造成山前降水，中尺度气旋生成启动强降水，冷锋锋生与中、低层锋区爬坡叠加时，形成明显垂直环流圈，增强降水强度[19-20]。南疆西部和北疆暴雪研究表明低空偏南急流、中低层辐合线、锋面以及干线叠置区最易形成强降雪[21-22]，中低层锋生，锋区随高度向东北倾斜，暖湿气团强盛并沿底层冷楔爬坡，暴雪落区在暖锋锋区前沿处[23]。低层冷垫有利于暖湿气流抬升，易造成锋生和次级环流发展[24]，对暴雪的维持和发展起着重要作用。夏季发生雨转暴雪天气，冷锋和高空冷平流至关重要，研究表明700 hPa以上出现冷平流或者冷平流加强且高度降低，是降雪开始的特征[25]。

巴音布鲁克山区地处中天山背风坡、下垫面复杂多样，夏季暴雨形成的动力机制和水汽特征与北疆沿天山、伊犁河谷、南疆西部存在差异，2020年初夏还发生罕见雨转暴雪天气。因此本文利用常规观测、FNL、ERA5再分析等资料，对此次雨转暴雪天气的环流背景、温湿层结及动力维持机制进行诊断，以期提高当地夏季山区雨转雪天气的预报预警准确率，为防灾减灾提供参考和依据。

2020年6月27—30日新疆出现强降水天气，中天山海拔2 000 m以上区域出现大范围雨转雪，和静县巴音布鲁克山区出现雨转暴雪，巴音布鲁克测站积雪深度达15 cm，日降水量为22.4 mm，为近33 a历史同期最大，积雪深度突破夏季历史同期极值，巴音布鲁克山区东南侧大小尤勒都斯盆地局部雪深达60 cm，为初夏罕见高影响天气。

巴音布鲁克山区28日18时开始出现降水（图1），降水相态为雨，持续8 h，累计降雨量为7.8 mm；
29日01时气温降至0.8℃，降水相态转为雨夹雪并持续4 h，气温为0.3～0.8℃，累计降水量为6 mm；
29日05时气温降至0℃，降水相态为雪并持续13 h，气温在-0.5～0.7℃，29日13—14时雪强最大，为2.6 mm/h，累计降雪量，为12.3 mm，达到暴雪等级。

图1 2020年6月28日18时—29日20时巴音布鲁克测站逐时气温、降水量及降水相态变化

2.1 高低空配置

新疆暴雨多为3支气流典型配置[1-2]，天山两侧及南疆西部暴雨常在南亚高压西强东弱的背景中[3-5]。6月26—28日100 hPa欧亚范围内南亚高压为双体型，29日02时西部高压中心增强，呈西强东弱，200 hPa中天山南坡在南疆＞48 m/s的强盛西偏南急流出口区左侧，同时也在北疆西北部＞40 m/s的西南急流入口区右侧，暴雪区200 hPa存在两支急流相互作用（图2a），有利于上升运动发展和不稳定能量释放[26]。500 hPa两脊一槽，环流经向度大，中亚北涡原地打转增强发展，低涡外围形成强的锋区，低槽底部南伸至35°N，新疆西部槽前西南锋区风速由22 m/s增加至32 m/s，-14℃冷温槽进入天山南麓影响中天山（图2b）。700 hPa巴音布鲁克山区位于西北、东北、东南3股气流的汇合区，其中东南气流有＞12 m/s的低空急流，暴雪区位于东南低空急流出口区前部（图2c）。28日20时地面冷空气在40°N以南堆积（图2d），冷锋过境中天山，巴音布鲁克山区整层温度快速下降，冷平流控制山区，地面气温快速降至0℃左右，冷空气长时间盘踞山区，在低层冷垫上形成雨转暴雪天气。

图2 2020年6月29日02时100 hPa（a）高度场（黑色等值线，单位：dagpm，下同）和200 hPa急流（彩色阴影区，单位：m/s，下同）；
500 hPa（b）高度场、温度场（红色点线，单位：℃）、风场（单位：m/s，下同）；
700 hPa（c）流场（矢量单位：m/s，下同）和低空急流；
6月28日20时（d）地面海平面气压场（单位：hPa，黑点为暴雪中心）

2.2 垂直温度层结

夏季山区雨转暴雪天气与高空温度快速下降密切相关。降雨时段28日20时—29日00时，中低层风向发生转变，由东北或东南风转为西北风，暖平流转为冷平流，冷平流从低层向高层延伸，28日20时冷锋过境中天山，700 hPa西北风风速最大为12 m/s，并出现明显0℃冷温槽，冷平流最强中心达-2.4×10-5K/s（图3a）。29日01时转雨夹雪时，600～700 hPa温度降至-2～-4℃，500 hPa偏南风风速增至22 m/s，垂直方向冷、暖平流交替分布，随着南疆盆地暖空气不断被北抬，雨夹雪时段暖平流中心在700～650 hPa为1×10-5K/s。29日08时转大雪时，600～700 hPa温度降至-3～-5℃，500 hPa偏南急流增强至24 m/s，高层和近地层冷平流包裹着中层强盛暖平流，暖平流强度和范围增强，暖平流中心呈东北向上斜升，在550 hPa附近最大为2.4×10-5K/s，且暖平流延伸到400 hPa（图3b）。雨转暴雪天气发生在近地层冷垫上冷暖平流交汇的交界面中，700 hPa始终维持6～8 m/s的西北气流，500 hPa为20～26 m/s的偏南急流，整个降水期间500 hPa温度维持在-10℃左右，温度变化主要发生在对流层中低层。

图3 2020年6月28日14时—29日14时巴音布鲁克站风场、温度（红色实线，单位：℃）、温度平流（彩色阴影区，单位：10-5 K/s）时间—高度剖面（a）和29日02时（b）温度、温度平流、比湿（绿色实线，单位：g/kg）沿84.09°E的垂直剖面

强降雪时段600 hPa以上强盛的偏南暖平流与近地层西北冷平流倾斜交汇长时间维持，山区西南侧为斜伸高湿、高能舌，西北侧为冷锋入侵，中天山高空锋区陡立，利于不稳定层结。

3.1 水汽条件

3.1.1 水汽源地

强降水形成离不开充足水汽供应，分析水汽通量和流场（图4a、4b）可知，雨转暴雪天气有3条水汽输送路径：西方路径水汽源地在咸海北部、西南路径水汽源地在阿拉伯海、偏东路径水汽的源地在北疆至河西走廊。29日02—08时随着高空系统减弱，西南路径水汽接力输送被切断。500～600 hPa源于欧洲的水汽南下后与高原西南侧北抬翻山下沉的水汽在南疆盆地汇合堆积，沿偏南风持续向中天山输送。700 hPa咸海北部水汽一路沿西北风翻山进入南疆盆地，中心强度达16×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，另一路蒙古北侧水汽沿北风进入河西走廊至北疆后沿偏东风进入南疆盆地。

图4 2020年6月28日20时地面～300 hPa水汽通量和流场（a，彩色区，单位：10-5 g/s·cm-1）及6月29日02时700 hPa水汽通量和流场（b，彩色区，单位：10-5 g·cm-1·hPa-1·s-1，下同）

3.1.2 水汽输送特征

降水时段最大水汽通量在550～500 hPa（图5a），雨夹雪和强降雪时段均有≥8×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的强中心，中高层≥6×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心维持近20 h。雨夹雪时段南疆盆地700 hPa以下有-10×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量散度辐合中心，地面水汽不断向中低层倾斜伸展，遇天山南坡地形水汽进一步辐合抬升，不断堆积和增强。强降雪时段最大水汽辐合带在650～550 hPa，600 hPa水汽通量辐合中心增强至-20×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，对流层近10 h维持＜-6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合带（图5b），为强降雪提供充沛的水汽条件。

图5 2020年6月28日14时—29日14时巴音布鲁克站水汽通量、水汽通量散度（阴影区，单位：10-5 g·cm-2·hPa·-1s-1，下同）的时间—高度剖面（a）和29日02时（b）水汽通量、水汽通量散度沿84.09°E的垂直剖面

3.2 动力维持特征

3.2.1 局地锋生

28日午后，700 hPa中天山形成西南东北向的温度锋区，南疆东部暖舌顶伸至中天山，一个纬距内东西向温差9℃，冷暖空气剧烈交汇，山区出现锋生，地面伴有降雨。29日02时（图6a）温度锋区南压，并转为南北向，锋生中心增强至6×10-7K/m·s-1，降水相态转为雨夹雪，同时在东天山88°E、43°N附近有3×10-7K/m·s-1的锋生中心，对应天池一带的降雪中心。29日08时，受下游暖脊阻挡，中天山东西两侧的锋生中心此长彼消，冷暖空气在天山山区附近东西两侧形成剧烈中尺度锋生扰动（图6b）。

图6 ERA5 0.25°×0.25°2020年6月29日02时（a）和29日08时（b）700 hPa温度场（红色等温线，单位：℃）、风场、600 hPa锋生函数（彩色阴影区，单位：10-7 K/m·s-1）

3.2.2 倾斜涡度与中尺度低涡

低层假相当位温等值线密集的锋区中，锋区动力强迫有利于低层能量和水汽向上输送，陡立区易出现涡度的倾斜发展，由于等位温面的倾斜，大气水平风垂直切变和湿斜压性将使垂直涡度显著发展[27-28]。28日20时建立假相当位温锋区，600 hPa有＞9×10-5/s的正涡度中心，地面出现降雨。29日02时雨夹雪时段，锋区陡立发展，不断向上和向南伸展，正涡度中心达到24×10-5/s。29日08时强降雪阶段，陡立锋区伸至550 hPa，正涡度中心与陡立锋区在巴音布鲁克山区叠加，600 hPa正涡度中心增强至28×10-5/s（图7a）。表明巴音布鲁克山区发生雨转暴雪期间，假相当位温锋区倾斜发展，致使中低层垂直涡度显著增加，正涡度中心强度增长约一倍。29日08时巴音布鲁克暴雪区正好位于600 hPa中尺度低涡的北西切变线附近（图7b），中天山巴音布鲁克和天池一带雨转暴雪区与中尺度低涡对应。

图7 2020年6月29日08时假相当位温（黑色等值线，单位：℃）、涡度（彩色阴影区，单位：×10-5/s（下同））沿84.09°E的垂直剖面（a）；
600 hPa涡度和风场叠加（b）

3.2.3 边界层扰动与次级环流

沿43.02°N做温度平流、风场和垂直速度的纬向垂直剖面可以看到，28日14时中天山整层处于冷锋前上升运动区，在其东侧为显著下沉运动区，形成一支较大尺度的次级环流圈（图8a、8b）。冷暖气团汇合局地锋生，29日02时中天山东部88°E附近600 hPa出现锋生，有明显中尺度次级环流发展（图8c），山区复杂下垫面触发中尺度环流圈，与600 hPa锋生对应。29日08时近地层长时间受冷垫下沉气流控制，东西两侧有中尺度上升支汇入大尺度的上升气流中，使中高层长时间维持强上升运动，垂直速度负中心＜-1.6 Pa/s，范围和强度显著增加，中心强度增至-3.2 Pa/s，降雪强度达最大（图8d）。说明巴音布鲁克山区四周存在多个局地锋生形成的中尺度环流圈，随着中尺度对流系统增强发展，上升运动进一步增强。

图8 2020年6月28日14时—29日08时温度冷平流（红色实线，单位：10-5 K/s）、垂直速度（彩色阴影区，单位：Pa/s）、垂直环流（流线，u风场和垂直速度w×（-100）的合成）沿43.02°N的垂直剖面

4.1 抬升触发

巴音布鲁克山区发生雨转暴雪天气前，700 hPa流场在中天山一带有西北、东南、东北3个方向的水汽汇集，辐合线不断地自西向东移过巴音布鲁克山区（图9a、9b），触发对流云团生成和发展。在中天山辐合线上形成多个尺度较小的次级环流圈，次级环流圈上的辐合抬升运动是触发对流性降水的主要原因。除此之外，垂直方向上干冷空气的侵入也是触发对流的重要原因，干入侵是指从对流层顶附近下沉至低层的干空气，其具有高位势涡度和低湿球位温的特点，研究表明干侵入对次天气尺度的位势不稳定和中气旋有促进作用[29]。暴雪发生前，干冷空气从西北和东北方向进入中天山，呈倾斜状向巴音布鲁克山区延伸（图9c）。雨夹雪时段，巴音布鲁克山区高位涡向下延伸至650 hPa附近，东西两侧干空气块具有较低的相当位温，沿着较密集的等熵面下滑，侵入到对流层低层具有较高的假相当位温的湿空气上方，增强了大气的对流不稳定性，有利于增强降水强度。中天山稳定维持的辐合线是此次雨转暴雪过程中尺度云团触发的主要原因，干冷空气和暖湿空气在中天山长时间对峙，致使降雪时间长。

图9 2020年6月28日18时（a）、29日02时（b）700 hPa比湿（彩色阴影区，单位：g/kg）与流场及2020年6月29日18时（c）、29日02时（d）位涡（等值线代表1、2、3，单位：PVU）与相对湿度（彩色阴影区，单位：%）沿84.09°E的垂直剖面

4.2 中尺度云团特征

28日18时分别在北疆和南疆有2个尺度较大的中尺度对流云团，地面对应冷锋降水，北疆云团TBB最强中心为-54℃，在巴音布鲁克山区有中β尺度对流云团初生（图10a），地面伴有小雨。28日20—22时，中天山两侧存在多个中β尺度对流云团生消演变，巴音布鲁克山区以降雨为主，气温持续走低，冷锋云系影响南疆。29日00—04时南疆盆地大范围云团沿天山南坡不断东移北抬，与中天山的多个中β尺度对流云团在伊犁河谷至巴音布鲁克山区一带合并增强（图10b、10c），形成TBB中心＜-48℃的水平尺度＞500 km的大范围云团，中心强度达-56℃，形成水平尺度接近200 km的中尺度云团，随着云团持续增强，地面气温逐步降至1℃以下，出现雨夹雪，且4 h雨夹雪量达6 mm。29日05时随着地面气温降至0℃，出现雨夹雪转雪。不断东移北抬合并增强的中α尺度对流云团长时间维持，＜-40℃TBB较强冷云中心长时间控制巴音布鲁克山区（图10d）。

图10 2020年6月28日14时—29日08时巴音布鲁克山区FY—2G卫星云图TBB演变

此次巴音布鲁克山区夏季雨转暴雪是由中β和中α尺度对流云团合并增强和长时间维持造成的，强降雪落区位于中尺度云团的西南和东南部的TBB梯度大值及其中天山南坡高海拔区域偏暖空气一侧，研究表明[30]巴州平原暴雨TBB中心强度一般为-52℃，且持续时间较短，而此次巴音布鲁克山区发生夏季雨转暴雪天气TBB＜-50℃的冷云中心持续近10 h。

构建此次巴音布鲁克山区初夏雨转暴雪天气高低空配置的三维空间结构概念图（图11），与新疆其他区域暴雨模型特征不同，南亚高压双体型西部强于东部，200 hPa处于偏西急流和西南急流中下，500 hPa低槽锋区明显、短波低槽曲率增大后沿天山南坡东移北抬，新疆下游阻塞高压向北发展强盛，槽前上升运动剧烈且中层水汽通量辐合明显。雨转暴雪天气发生时，地面气温骤降至0℃左右，中低层600～700 hPa温度迅速降至-5～-2℃，500 hPa温度变化不大，始终维持在-10℃左右。暴雪落区北侧700 hPa～近地面为干冷空气，冷锋为暴雪的发生提供“冷垫”，中低层600～700 hPa暖平流明显提供高能、高湿，暴雪落区南侧通过西南和东南气流输送水汽，干冷空气与暖湿气流在暴雪区中低层交汇、辐合。600 hPa中尺度低涡发展致使局地锋生，西南暖湿气流与东北干冷气流在中天山附近从水平与垂直方向上使中尺度对流系统增强发展。在冷垫上抬升的西南暖湿空气形成倾斜高能、高湿舌，上升运动伸展高度更高，斜升气流发展更旺盛，致使在中天山南坡锋生和斜向发展次级环流圈增强，同时锋生和次级环流的叠加又有利于降雪强度的增加，为巴音布鲁克山区夏季出现罕见雨转暴雪天气提供了有利动力维持条件。

图11 2020年初夏巴音布鲁克山区雨转暴雪天气三维空间结构概念模型

本文利用多种观测资料，对2020年初夏巴音布鲁克山区一次罕见雨转暴雪天气分析，主要结论如下：

（1）雨转暴雪发生在100 hPa南亚高压双体西部偏强型和200 hPa双急流共同作用下，500 hPa低槽锋区进入南疆盆地东移北抬，是一次典型的低槽冷锋降水过程。暴雪落区位于200 hPa西风急流出口区左侧、500 hPa西南暖湿急流、600 hPa中尺度涡旋锋生、700 hPa东南急流出口区及切变辐合线叠置区。雨转雪时，500 hPa温度维持在-10℃左右，600～700 hPa温度下降至-5～-2℃，地面气温骤降至0℃左右。

（2）降雪时冷暖平流交汇长时间维持，高湿、高能利于不稳定层结，锋区陡立积蓄能量，强降雪落区与倾斜假相当位温密集区对应。

（3）中高层水汽源于咸海北部和阿拉伯海，中低层源于北疆和河西走廊，水汽在南疆盆地堆积后，向中天山低层倾斜抬升，在中高层增强。强降雪时段最大水汽辐合带在650～550 hPa，最强水汽通量辐合中心在600 hPa，为强降雪提供充沛的水汽条件。

（4）低层偏北气流为暴雪发生提供“冷垫”，与中层西南暖湿气流形成强的垂直风切变，增强斜升运动，暴雪区强烈发展的倾斜锋区使垂直涡度显著发展，造成中尺度次级环流与大尺度次级环流叠加，上升运动进一步增强，并对降雪强度起增幅作用。

（5）中天山低层切变及辐合线触发β中尺度对流云团，并合并增强，强降雪时TBB＜-50℃的中尺度对流云团稳定维持，是降雪时间长、强度大的原因之一。

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