引言

暴雪是北方冬季主要灾害天气，常常造成人员和牲畜死伤，农业设施受损，严重阻碍交通等。中国北方容易出现暴雪的地区主要有东北、华北和新疆地区，国内学者对东北、华北地区的暴雪研究主要表现在环流形势、急流和锋区等方面(苗爱梅等，2011；孙欣等，2011；吴伟等，2011；赵桂香等，2014；田秀霞等，2016；崔慧慧等，2019)。孙欣等(2011)分析了2007年3月东北特大暴雪过程后指出，强劲偏南急流既是水汽输送带，也是低层锋区和低值系统加强、移动的必要条件；强而厚的锋区、北上江淮气旋、低空急流以及非地转湿Q矢量辐合上升支的强弱和位置与降雪强度、落区关系密切。田秀霞等(2016)研究华北南部暴雪发现东北干冷气流、东南暖湿气流和西南暖湿气流配合高空槽和地面回流冷锋形成回流暴雪。苗爱梅等(2011)、赵桂香等(2014)研究了山西地区的暴雪发现，东北、西南、偏西三支急流的存在非常有利辐合，为暴雪提供了较强的动力条件，低层和近地层风场的加强有利于降雪加强。

新疆地区易出现暴雪的地区主要集中在北疆地区，尤其是北疆北部塔城、阿勒泰等地，冬季的暴雪对农牧民的生产、生活产生极大影响。对于北疆北部地区的暴雪天气，有不少新疆气象学者研究其环流形势、天气尺度系统及其高低空配置、水汽特征、动力条件及数值模拟等(张俊兰等, 2013a, 2013b；李如琦等，2015；于晓晶等，2017)。而受天山地形的作用，伊犁河谷及北疆沿天山一带的暴雪天气也时有发生，张云惠等(2013)分析了10 a新疆地区灾害天气时空分布，指出乌鲁木齐暴雪灾害位居第2位，仅次于伊犁河谷东南部山区的新源县，暴雪与地形关系较为密切。赵俊荣等(2010, 2013)分析了天山北坡中部暴雪成因，认为北疆中部低层水汽输送、辐合强度、范围及持续时间与暴雪强度有较好的正相关。陈涛等(2012)等指出，地形前方的中尺度辐合对于低层局地锋生有正的贡献，低层锋生强迫的垂直运动较为重要。万瑜等(2014, 2015)和徐婷婷等(2017)分析乌鲁木齐地区的暴雪环流背景及成因表明暴雪落区出现在城区及周围，降雪强度大且分布不均，具有明显的中β尺度特征。以上研究仅限单次暴雪过程，而对于环流形势背景大体相同却造成明显不同降雪强度的暴雪过程对比分析却少有，因此本文主要对两次极端暴雪过程进行对比分析，总结其异同点。

本文利用常规资料、地面自动站、NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析、FY2E卫星图像、TBB等资料，对2014年12月7—8日(简称“12.8”过程, 下同)和2015年12月10—12日(简称“12.11”过程，下同)发生在乌鲁木齐地区的两次极端暴雪天气过程进行对比分析，以期揭示暴雪发生发展时动力、不稳定及水汽条件和中尺度演变特征，从而提高乌鲁木齐地区暴雪天气的预报预警能力。

1 两次暴雪天气过程概况

“12.8”过程中乌鲁木齐地区的降水从2014年12月8日00时开始，持续到12月8日17时(北京时，以下同)，强降雪时段主要在8日02:00—17:00。从12月8日24 h降雪量图(图 1a)中可以看到，乌鲁木齐及周边的呼图壁、阜康分别为17.7 mm、10.7 mm、10.0 mm。石河子到木垒一线的北疆沿天山一带积雪深度超过15 cm，乌鲁木齐积雪深度达27cm(图略)。暴雪使乌鲁木齐国际机场延误航班178架次, 45个航班取消，返航1架次，境内高速公路G30、G216线双向交通管制，对城市交通、设施农业及牧业等产生较大影响。

“12.11”过程从2015年12月10日14时开始，持续至12日凌晨结束，此次天气过程造成伊犁河谷、北疆沿天山一带及天山山区等地达到暴雪量(图 1b)；最强大暴雪区位于乌鲁木齐，累计雪量46.3 mm，其中12月11日单日降雪量为35.9 mm，突破乌鲁木齐站自1951年建站以来冬季最大的单日降雪量。乌鲁木齐强降雪时段主要集中在11日01—12时，最强小时降雪量为2.8 mm，出现在11日08时。暴雪致使乌鲁木齐及周边山区和昌吉州东部部分地区积雪深度30~62 cm。由于持续的降雪致使跑道、停机坪积雪过厚，致使乌鲁木齐国际机场一周内大量航班延误和取消。乌鲁木齐市区多所中小学校停课，对公众生活影响极大。因此本文以两次暴雪中心的乌鲁木齐为分析研究重点。

2 环流形势及影响系统对比分析

“12.8”过程前的2014年12月7日08时500 hPa高空槽位于中亚地区40°N附近，温度场配合有-36 ℃冷中心，同时下游新疆脊发展东移，北疆上空有暖平流，地面出现明显减压，850 hPa北疆地区大部为东南气流控制，天山北坡乌鲁木齐站上空700—850 hPa有逆温层维持，沿天山一带大部出现阴雾天气。7日20时500 hPa (图 2a)新疆地区处于高空槽前西南气流控制，急流中心轴位于北疆伊犁—塔城地区，急流轴风速达38 m·s^-1，此时北疆西部地区开始出现降雪。850 hPa北疆中部形成一条明显西北急流，急流轴最大风速20 m·s^-1，12月8日08时(图 1c)500 hPa西南急流移动至伊犁河谷-北疆盆地中部附近，乌鲁木齐地区处于急流出口右侧，700 hPa建立偏东北急流，最大风速20 m·s^-1，且乌鲁木齐地区处于偏北气流中，与中天山呈垂直状。850 hPa中天山北坡为西北、偏北气流，乌鲁木齐站上空为12 m·s^-1偏北风，与700 hPa一致。700—850 hPa的西北急流、偏北急流与500 hPa西南急流叠加，更加剧了风场辐合及垂直上升运动，有利于强降雪。

“12.11”过程前的2015年12月9日500 hPa(图略)欧亚地区中高纬度为“两槽一脊”形势，乌拉尔山东部至中亚地区为深厚大槽。10日14时(图 2b)乌拉尔山大槽进一步南伸至30°N附近，并伴有-36 ℃冷中心，11日乌拉尔山大槽分为南北两支，北支槽快速东移，南支槽继续南压，转为中亚低槽，槽底较“尖窄”。700 hPa环流场中12月10日08时(图略)开始北疆中西部有明显西北气流，最大风速22 m·s^-1，此后西北气流逐渐转为东北气流。11日08时(图 2d) 500 hPa高空槽位于巴尔喀什湖以南至30°N，新疆区域为一致的西南气流，500 hPa急流自南疆和田-库尔勒-北塔山一线，乌鲁木齐地区正处于急流轴区，700 hPa低空急流主要位于塔城-克拉玛依-乌鲁木齐一线，呈西北气流，且700 hPa槽线位于新疆西部国境线附近，850 hPa低空急流方向位于伊宁-乌鲁木齐，呈偏西方向，乌鲁木齐站为10 m·s^-1西北风。地面锋面位于天山山区北侧乌鲁木齐地区。500 hPa偏南急流、700 hPa偏北急流和850 hPa偏西急流在乌鲁木齐地区汇合，造成12月11日出现乌鲁木齐站冬季单日最强降雪。

分析两次过程的中尺度环流形势配置图可以看出，“12.11”过程中500 hPa偏南气流配置更好，更有利于水汽辐合聚集。

3 水汽条件

暴雪的产生离不开充足的水汽，“12.8”过程主要有两条水汽通道(见图 2c)，500 hPa来自中亚低槽前部的西南气流输送，而中低层700—850 hPa水汽输送主要是西北冷湿空气，沿乌鲁木齐上空做比湿的高度-时间剖面图，12月6—7日(图 3a)，近地层900 hPa以下水汽稍强，比湿最大达2.5 g·kg^-1, 7日14时，950 hPa水汽有所增加，最大达2 g·kg^-1, 650—750 hPa空中风转为偏南风，550—700 hPa开始出现水汽通量负值区，水汽开始在上空聚集(图 3c)。7日20时开始，水汽向上伸展，比湿大于1 g·kg^-1的层次上升至500 hPa，地面至700 hPa转为偏西风，最大风速层位于700—850 hPa，风速达8 m·s^-1, 700—600 hPa风随高度逆时针旋转，出现冷平流，而水汽通量散度图(图 3c)中由下至上呈现“辐合-辐散-辐合”结构，其中600 hPa附近水汽通量散度值上升至-4×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，500—375 hPa为辐散，说明空中西北偏西风冷湿空气已到达乌鲁木齐上空，水汽开始汇聚。8日02时地面至500 hPa为一致西北风，乌鲁木齐站上空整层为水汽辐合区，水汽通量显示水汽源地来自西北方向，850 hPa至地面水汽达到最大，比湿为2.5 g·kg^-1以上，水汽通量散度大于-15×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1以上，对应时次地面开始出现强降雪，8日20时开始，空中比湿明显减小至1.5 g·kg^-1, 水汽通量散度对应减小，600 hPa上空出现较大正值区，地面降雪也已经转停。

“12.11”过程同样有两条水汽通道(图 2d)，500 hPa来自南部的孟加拉湾，中低层700—850 hPa水汽通道来自西北及偏西冷湿气流。暴雪前的12月9日(图略)，900 hPa以下比湿仅为1 g·kg^-1，10日08时700 hPa以下为东南风，风速最大达12 m·s^-1, 700 hPa以上为偏西及西南风，空中出现明显风向辐合，550—825 hPa为水汽通量辐合区。12月10日14时900 hPa以下的比湿大于2 g·kg^-1，且水汽通量散度辐合区逐渐下降至650—900 hPa，水汽通量也逐渐加强。很快地面出现降雪。10日20时850 hPa以下为偏西风，850—650为偏南风，650—350为西北风，空中风向风速辐合加强，此时地面至650 hPa为水汽辐合区，水汽通量也明显加强，比湿维持在2 g·kg^-1以上。11日02时开始，700 hPa以下转为一致西北风，且风速最大达到10 m·s^-1, 水汽通量和水汽通量辐合进一步加大，11日08时，西北风高度层上升至650 hPa，风速加强至16 m·s^-1，水汽通量和水汽通量散度发展至最强。水汽通量散度辐合区位于900—750 hPa，中心强度达10×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，700 hPa以下比湿大于2 g·kg^-1。11日14时在水汽输送和辐合作用下，比湿达到最大，800 hPa以下比湿大于3 g·kg^-1。11日20时比湿达到整个过程最大，为4 g·kg^-1，但水汽通量散度场较11日08时有所减弱，中心值为5×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。12日20时，空中水汽通量减弱，整层为水汽辐散。降雪天气随后转停。

4 动力条件 4.1 垂直速度和散度

“12.8”过程(图 4a)前的12月6—7日乌鲁木齐上空主要以辐散下沉气流为主，7日20时800 hPa有弱辐散下沉气流，700—300 hPa有弱上升气流，但是700—500 hPa和400—250 hPa有两个水平散度辐合中心，中心值分别为-50×10^-6 s^-1和-30×10^-6 s^-1，8日02时散度场两个中心有所减弱并联为一体，地面至100 hPa为辐合状态，800—300 hPa为上升气流，说明辐合上升气流加强。8日08时垂直速度场呈现两个“中心”，垂直速度中心值均为-0.6 Pa·s^-1，500—400 hPa散度场出现辐散，辐合上升高度有所下降，动力条件逐渐减弱，8日20时，整层出现辐散下沉，降雪趋于结束。

“12.11”过程(图 4b)中10日08时，乌鲁木齐上空整层为辐散下沉气流，10日14时开始，低层800 hPa以下出现弱上升气流，地面出现弱降雪，随着系统主力逐渐移近，10日20时，300 hPa以下为明显上升，上升气流中心位于700—750 hPa, 最大值达到-1.5 Pa·s^-1, 700—900 hPa辐合开始加强，此时地面降雪增强，11日02时开始乌鲁木齐上空上升气流中心有所上升，位于600 hPa，上升气流高度达到200 hPa, 散度场进一步加强，中心位于900 hPa, 强度达到-50×10^-6 s^-1，200—400 hPa有较大的辐散，散度中心值达到30×10^-6 s^-1，低层辐合、高层辐散的形势越来越强，有利于抽吸作用。11日08时低层800—900 hPa又有新的上升气流中心形成，中心最大值达到-1.2 Pa·s^-1，散度场中心值达到-70 ×10^-6s^-1，地面实况显示为中到大雪。20时，上升气流减弱，200—300 hPa和500—700 hPa有两个大的辐散中心，辐散值分别为30×10^-6s^-1和20×10^-6s^-1。12日08时，整层转为辐散下沉气流，降雪过程结束。

4.2 地形作用

由于天山山脉高度较高，均在3 000 m以上，因此地形对环流形势的影响不可忽略，“12.8”过程前12月7日20时(图略)乌鲁木齐700 hPa附近有西北风与西南风形成的切变，8日02时，转为一致的西北风，风速最大为14 m·s^-1, 8日08时(图 6a)西北风转为偏北风，并出现东北风，这与天山地形近乎垂直。850 hPa 12月6—7日鲁木齐上空为东南风，7日20时乌鲁木齐地区出现偏西北风和东北风，8日08时(图 6b)呈东北风，与700 hPa较为一致。地面自动站资料显示，12月8日02时开始，北疆沿天山一带的站点均转为一致的西北风，风速4~6 m·s^-1，11时乌鲁木齐地区附近的昌吉、米泉、乌鲁木齐站转为4~6 m·s^-1的偏北风，与天山地形近乎垂直。

“12.11”过程12月10日08时，700 hPa在乌鲁木齐附近有西北、西南风的切变，10日14时转为西北风，而10日20时(图 6c)乌鲁木齐上空存在东北气流，最大风速14 m·s^-1，暴雪期间，东北气流维持但有所减弱。850 hPa暴雪前12月9日为东南风。10日02时，乌鲁木齐附近出现偏西风与偏南、东南风切变。10日14时暴雪起始时乌鲁木齐地区转为西北气流，最大风速12 m·s^-1。10日20时乌鲁木齐出现西北气流，东北气流汇合，11日08时西北气流和东北气流汇合达到最强，风速均为8 m·s^-1，配合地形抬升作用，动力机制更强。暴雪期间，这种辐合一直维持直至暴雪结束。而自动站资料显示，乌鲁木齐地区附近的昌吉、米泉、乌鲁木齐站降雪期间保持西北风，12月11日离天山最近的乌鲁木齐站一直稳定维持偏北风，风速2~4 m·s^-1，这与天山地形保持垂直且与850 hPa风场相配合，这有利于气流的抬升。

5 不稳定条件

强降水的发生除了水汽条件、动力条件，还有不稳定条件。下面对两次暴雪过程的不稳定条件进行分析。“12.8”过程前的6日08时(图略)，925—850 hPa出现逆温，且850 hPa出现10 m·s^-1东南风，6日20时逆温层有所加强，925—750 hPa呈现“减温-逆温-减温-逆温层”结构，750 hPa温度上升至0 ℃，850 hPa东南风进一步加强至16 m·s^-1, 而700 hPa为8 m·s^-1偏西风，底层925—850 hPa风随高度顺时针旋转，说明有暖平流。7日08时(图 6a)，925—700 hPa为偏东转东南风暖平流，温度层结为“逆温-减温-逆温”结构，上层逆温层很强，逆温强度为11 ℃·km^-1。7日20时(图 6b)，温度层结变得更加复杂，呈现“减温-逆温-减温-逆温-减温-逆温”结构，说明冷空气交汇较为明显，且出现温度露点差“湿-干-湿-干”结构，逆温层强度略有减弱。8日08时，逆温层结构消失，温度-露点廓线接近，空中湿度增大，地面出现降雪。

“12.11”过程前12月8日08时(图略)，925—800 hPa为湿层减温层，800—750 hPa为逆温层，逆温层温度为-7~-2 ℃之间，且逆温层湿度开始快速减弱，925—850 hPa表现为东北风转东南风，风随高度顺时针旋转，空中有暖平流，700 hPa为8 m·s^-1西北风，空中出现风向风速辐合。8日20时(图略)，近地层出现弱减温，875 hPa附近有强逆温层，温度差达到6 ℃，且925—850 hPa为弱的暖平流。9日08时(图 6c)，825 hPa以下为逆温层，温度差达到13 ℃，受锋面前部减压的影响，850 hPa东南风明显加强，500 hPa以下为东风-东南风-南风-西南风，为暖平流。9日20时(图 6d)，850—750 hPa为逆温层，逆温差达13 ℃。10日08时逆温层消失，温度-露点差逐渐增大，为降水提供了水汽条件，700—850 hPa上空转为一致的西北风，700 hPa风速达到14 m·s^-1，随后乌鲁木齐地区开始出现降雪。

综上所述，两次暴雪过程发生前，空中均有逆温层存在，为暴雪的发生积累了不稳定能量。不同的是，“12.11”过程逆温层强度明显更强，更有利于能量积累，因此造成的降水强度也更强。

6 卫星云图及中尺度特征分析

“12.8”过程影响前的12月7日08时(图 7a)，高空槽云系在新疆西部的巴尔喀什湖附近形成，有明显的气旋性弯曲，新疆上空为零散的中高云，TBB＜-43 ℃区域主要集中在北疆北部阿勒泰、西部伊犁河谷等地。7日20时(图略)，在高空槽系统向东移动的过程中，配合的高空槽云系不断发展，结构变得密实，云系左边界变得光滑且平直，说明高空有明显急流，乌鲁木齐上空云层变得密实，已出现低云，红外云图中可看出，高空槽云系分裂为前后两股，TBB分布呈现两条东北-西南向的TBB＜-43 ℃低值区，乌鲁木齐上游地区的石河子、呼图壁站TBB＜-43 ℃，且石河子西南侧出现TBB＜-53 ℃的低值区。12月8日00时(图 7b)开始，乌鲁木齐开始出现降雪，此后后部云系移动较前部云系快，两股合并为整体，北疆上空云系结构紧密，TBB＜-43 ℃区已经开始影响乌鲁木齐。12月8日08时(图 7c)，云系后边界进入新疆西部国境线，云系呈现“斜压叶状”，8日11时(图 7d)可见光图中，斜压叶状云系分为两只，分别为“南疆南部和田-铁干里克-哈密”和“阿克苏-乌苏-阿勒泰”，北疆沿天山一带两股云系有明显重叠，地面降雪仍持续，乌鲁木齐上空TBB＜-43 ℃区域变得零散。17时，“南疆南部和田-铁干里克-哈密”云系东移进入南疆东部和东疆地区，而“阿克苏-乌苏-阿勒泰”在东移过程中逐渐减弱小时，地面降雪也随即停止。

“12.11”过程影响前的12月10日08时(图 7e)，红外卫星云图中的云系呈东北-西南走向，云系边界清晰、结构密实，前部进入北疆偏西地区，伊犁河谷、塔城、阿勒泰等地已出现降雪，乌鲁木齐上空云系零散，主要为中高云，TBB＜-43 ℃区域与云系较为对应，低值区主要位于新疆西部，冷中心TBB达到-63 ℃以下。10日14时(图 7f)，云系前部密实区域已进入乌鲁木齐地区，乌鲁木齐周边出现TBB＜-43 ℃区域，地面开始出现阵性降水，此后云系南部南伸至35°N，云系从南疆西部不断向东北移动。10日20时(图 7g)，红外云图中喀什-伊宁出现新的冷中心，该冷中心TBB值达到-58 ℃以下，在高空西南气流作用下，冷中心不断东北移动，11日01—07时，乌鲁木齐上空TBB＜-58 ℃，其中04—06时TBB＜-63 ℃，说明有明显的中尺度系统影响，如此强的冷中心在乌鲁木齐历史上实为罕见。11日08时(图 7h)，云系全部覆盖新疆区域，左边界非常清晰，且出现了向外凸起，呈“盾状”结构，此“盾状”结构持续至11日20时，但11日20时云系左边界仍很清晰，说明高空急流稳定维持，12日00时，云系开始发散，乌鲁木齐上空TBB也逐渐上升，均大于-43 ℃。12日04时，云系移出乌鲁木齐地区，降雪也随之停止。

7 结论

通过对“12.8”和“12.11”两次暴雪过程的对比分析，得到以下主要结论：

(1) 500 hPa高空槽、700 hPa短波槽和850 hPa切变线是这两次过程共同的影响系统，500 hPa有明显西南急流和-36 ℃冷中心，700 hPa和850 hPa有明显西北气流相配合。不同之处在于：“12.11”过程500 hPa高空槽较“12.8”过程更“尖”，更有利于槽前上升运动。700 hPa和850 hPa主要以西北风及偏北风为主，而“12.11”过程中700 hPa转为东北气流，且850 hPa存在西北、东北气流汇合，加上地形抬升作用，其动力抬升作用更为明显。

(2) 水汽条件方面，两次过程水汽首先在200 hPa高度达到80%以上，随着湿空气的进一步聚集，相对湿度层均逐渐下降，至降雪开始时，地面至200 hPa整层达到80%以上的饱和区，而“12.11”过程最大比湿较“12.8”更强，“12.11”过程的水汽条件更好。

(3) 动力方面，“12.8”和“12.11”过程均出现两个上升气流中心。但“12.11”的两个上升气流中心强度均较“12.8”过程大；散度场中“12.8”过程暴雪前期有负散度，空中辐合，最大值为-20×10^-6 s^-1，暴雪期间以辐散为主，而“12.11”过程中暴雪前为正散度，但暴雪过程中出现强负散度辐合中心，最大值为-80×10^-6 s^-1。

(4)“12.8”和“12.11”过程发生前，高空槽云系不断加强生成，都有明显的气旋性弯曲，但“12.11”过程云系更加密实，且云系不断向东北移动，有利于降水加强。