应用气象学报  2004, 15 (1): 58-65   PDF    
引用本文
王迎春, 钱婷婷, 郑永光. 北京连续降雪过程分析[J]. 应用气象学报, 2004, 15(1): 58-65.
Wang Yingchun, Qian Ting ting, Zheng Yongguang. PRIMARY ANALYSIS OF THE LONGEST-LASTING SNOWFALL IN BEIJING[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2004, 15(1): 58-65  
北京连续降雪过程分析
王迎春1, 钱婷婷2, 郑永光2     
1. 北京城市气象研究所, 北京 100089;
2. 北京大学物理学院大气科学系, 暴雨监测和预测实验室, 北京 100871
2003-01-15 收到, 2003-05-16 收到修改稿.
资助项目: 本文得到北京市科学技术委员会项目H020620190091和国家自然科学基金重点项目40233036的资助    
摘要: 该文对2002年12月份北京出现的1841年以来历史上最长的连续6天的降雪天气进行了合成分析和诊断分析。北半球合成环流形势显示，连续降雪发生在东亚稳定的纬向环流形势下，其上游地区强大经向环流和阻塞高压使中纬度东亚和西太平洋纬向环流得以维持。东亚合成环流的垂直结构表明，连续降雪期间华北地区始终处于锋区中，并存在低空辐合、高空辐散的散度场垂直分布结构。卫星水汽云图显示出有水汽通道向河套倒槽云系输送水汽。华北地区的诊断分析表明，地面和边界层中山东地区分裂高压南侧向北回流的偏南气流是造成降雪的主要水汽通道。变形场的流场结构使水汽在北京附近辐合。垂直剖面展现了华北回流降雪天气近地面层的浅薄的冷空气垫，和暖湿空气回流在冷空气垫上的爬升，并在其上形成一个浅薄的饱和层。
关键词: 降雪    合成分析    诊断    回流    
PRIMARY ANALYSIS OF THE LONGEST-LASTING SNOWFALL IN BEIJING
Wang Yingchun1, Qian Ting ting2, Zheng Yongguang2     
1. Institute of Urban Meteorology CMA , Beijing , 100089;
2. Laboratory for Severe S torm Research , Department of Atmospheric Science ,College of Physics , Peking University , Beijing , 100871
Abstract: Five-day snowfall, which occurred in Beijing on 19—23 December 2002 and became the longest-lasting snowfall since 1841, is compositely analyzed. Five-day composite circumfluence showed that the snowfall took place in the constant zonal circulation. During the period, there was a strong Mongolia High on the surface. And the ridge of high pressure protruded southward our country’s east. On 850 hPa, Hetao area has a northward trough, and Beijing lied in the positive vortex of the trough. On 500 hPa, a front crossing Asia from west to east located 40~45°N. On 300 hPa, Beijing situated positive vortex of the axis of the jet, which was straightly zonal. The vertical section indicated that Beijing was convergent on the low-lever whereas divergent on the high-level. And there were two fronts. In a conclusion, Beijing was controlled by the large-scale circumfluence that was in favor of snowfall.The analysis of Huabei area during the continuous snowfall showed that the deformation field locating the north of trough had evident vapor convergence. Moisture flux indicated that vapor came from the return flow of the Yellow Sea, but not the return flow of Bo Sea. The warm advection in the east of Hetao trough was the cause of ascending.
Key words: Composite analysis     Mongolia High     Trough     Front     Return flow    
引 言

2002年12月份北京发生了自1841年以来最长的连续降雪天气，从19日晨开始，到24日中午结束，整个降雪天气持续了6天。历史上同期最长的连续降雪天气出现在1989年12月，降雪持续时间只有4天[1]。其中仅23日昌平一夜降雪7.9 mm，超过北京12月份的平均降水量(2.8 mm)数倍。对于这次创历史纪录的连续降雪，北京市气象台做出了及时的预报，在20日预报降雪要持续到23日才告结束。

对于降雪的研究，国外主要针对强大的暴风雪的研究，如1979年美国总统日暴雪[2]和1987年俄克拉荷马州的雪暴[3]，它们都是由陆地上锋面气旋强烈发展引起的，在我国这种情况不多。我国对降雪的研究相对于暴雨而言要少得多。赵思雄等曾对2001年12月对城市生活造成严重影响但只持续了3小时的降雪过程进行了分析[4]。此外还有针对高原地区暴雪的研究[5, 6, 7]。因此，对这次连续6天的降雪过程进行分析是有必要的。

1 合成环流形势和垂直结构

这次降雪发生前，北京的空气湿度很大，17和18日两天出现了大雾天气。从北半球大尺度环流形势看，连续降雪天气发生在稳定的高空环流形势下。图 1(a)为19日至23日的北半球500 hPa 5天10个时次的平均高度场。从亚洲西部一直到大西洋的广大范围内为非常强的经向环流。其中，乌拉尔山东侧为阻塞高压控制，阻高使西风带分为南北两支，阻塞高压下游中纬度的亚洲和西太平洋地区为纬向环流，且稳定维持。北京长达6天的连续降雪就是在这种稳定的北半球环流形势下发生的。

图 1. 2002年12月19日至23日北京连续降雪时期的合成环流形势
(a)北半球500 hPa(等高线间隔:80 gpm)，(b)海平面气压图(单位:hPa)

在合成的地面天气图(图 1b)中有一个强大的蒙古高压维持，其东伸出一个弱“L”型的高压脊。北京位于高压东南侧，脊的南侧，这样的位置有利于出现低层东北风，使冷空气从低层入侵到北京，给暖湿空气上升凝结提供了热力机制。此外，在河套地区有一个倒槽，北京位于槽前，有利于上升运动的地区，为降雪的发生和维持提供了必要的动力条件。

为了进一步了解这种大尺度平均环流的垂直结构，我们计算了19～23日5天平均的通过北京的南北向温度和散度垂直剖面，剖面基线在图 1(b)的5天平均地面气压形势图中的黑粗线给出。在图 2(a)给出的温度和风速的垂直剖面图上，北京附近对流层中下层的等温线具有明显的垂直走向的特点，显示出北京上空的温度垂直梯度较小，而南北向的水平温度梯度较大，表明在这5天中北京始终处于平均纬向环流的行星锋区中。从垂直剖面上的风速分布存在两个大风速中心可以清楚地反映连续降雪期间的锋区结构。其中南边的大风速区位置较高，是与副热带锋区相关联；华北上空的大风速区的位置较低，它与极锋锋区相关联。

图 2. 2002年12月19至23日东亚地区的合成垂直剖面分析(剖面基线在图 1b 中给出)
(a)温度(虚线，单位:℃)和风速(实线及灰度，单位:m/ s),(b)散度(偏白色为辐合，深灰色为辐散，单位为10-6s-1)

图 2(b)是同一剖面的散度分布。与图 2(a)所显示的锋区结构相对照可以看到，华北地区的极锋与微弱的辐合区相配合，极锋上方的对流层上部有一个辐散区。这种低层辐合、高层辐散的散度场的垂直配置表明，上述锋区结构是有利于华北地区上空存在产生降雪所需要的上升运动。

2 降雪过程分析 2.1 水汽云图特征

这6天的连续降雪包括3个阶段:第一阶段，从19日到20日夜间；第二阶段，从21日到22日夜间；第三阶段，从23日到24日中午。其中以第二阶段的降雪最强，22日夜间海淀降雪达7.1 mm。从图 3给出的GMS-5水汽云图可以发现，这三个阶段中的前两次降雪过程比较相像(19日12:00和21日12:00(北京时，下同))，都是受从河套地区向东北伸展的降水云系影响所致。在逐日地面天气图上可以看到，降水云系都是和蒙古高压南侧河套地区的倒槽相联系。这样的气压形势在图 1(b)所给的平均海平面气压图上也表现得相当清楚，说明河套倒槽是这次连续降雪的主要天气系统。

图 3. 2002年12月北京连续降雪时期的GMS-5卫星水汽图像
(a)19日12:00 ,(b)21日12:00 ,(c)22日12:00 ,(d)23日00:00

比较19日12:00和21日12:00两张水汽云图很容易发现，导致第二阶段降雪的河套倒槽云系比第一阶段的云系向北伸展得更远，它反映第二阶段来自南方的暖湿空气更强。水汽云图也清楚地显示出，第二阶段有两条来自海上的水汽回流通道，一条位于山东南部，另一条位于长江中下游；而在第一阶段的水汽云图上，水汽通道没有明显的表现[8]。

22日12:00水汽云图上的降水云系具有典型的发展斜压扰动的云系特征[8]，降水云系呈逗点状。云系中部白亮，与暖平流引起的上升运动相联系；云系的北部呈辐散状，与高空槽前正涡度平流引起的辐散气流相联系。云系西侧的边缘光滑，并有明显的暗缝[8]伴随，反映斜压扰动槽后冷平流所引起的下沉运动。由此可见，第三阶段的降雪是由斜压扰动的发展引起的，与前两个阶段的稳定的倒槽降雪完全不同。由于发展中的斜压扰动所伴随的暖湿空气输送和上升运动都较强，所以22日夜间出现了这次连续降雪过程中最大的一次降雪。从23日00:00的水汽云图看，斜压扰动云系已发展成一个涡旋状云系,下沉气流所伴随的暗缝已发展成为“斧形暗区”，整个云系具有典型的成熟气旋云系的特征。由于此时云系中的白亮云区显著缩小，并已移过北京，23日北京的降雪减弱。随着气旋的东移、北上，连续6天的降雪到24日中午前结束。

2.2 水汽条件

为了进一步分析引起北京降雪的条件，我们用客观分析诊断和图形系统[9]计算了华北地区这6天各个时次的物理量场。图 4给出了几个时次的850 hPa 的水汽通量场及其所伴随的水汽通量散度。图 4(a)代表第一和第二阶段由于河套倒槽和回流降雪的水汽条件。从水汽通量流线所反映的850 hPa 流场看，北京处于河套倒槽东北部气旋性曲率最大的地方，其北面是蒙古反气旋南侧的东北气流，其南面是中心位于山东的高压西侧的偏南气流。这股向北回流的偏南气流是北京降雪的主要水汽来源，它和水汽云图(图 3(b))所显示的水汽通道非常一致。从整个流场看，北京位于变形场内的气流辐合区，偏东北气流和偏南气流的汇合，造成了北京附近水汽通量的辐合和上升运动，从而引起降雪。

图 4. 850 hPa 的水汽通量流线和水汽通量散度场
(单位:10-7s-1·hPa-1·cm-1)(a)21日20:00，(b)22日20:00，(c)23日20:00

图 4(b)可以代表由于斜压扰动引起降雪的水汽条件。从图可见，河套倒槽已发展成为一个气旋。气流向气旋中心附近的辐合非常强，造成了很强的水汽通量辐合。随着气旋的进一步发展和东移，在22日夜间给北京带来了这次连续降水过程中最大的一次降雪。到23日20:00，气旋中心和最强的水汽通量辐合区已移到黄海北部，预示连续多日的降雪天气将要伴随气旋的发展和东移而结束。水汽通量散度场中，在气旋西部的东北气流和西北气流之间还存在水汽通量辐合，虽然其数值比气旋中心附近要小得多。受其影响，北京的降雪直到24日中午前才告结束。

2.3 回流降雪的垂直环流结构

众所周知，北京冬季的降雪大多是在回流形势下产生的。前面已给出的平均环流形势表明，这次长达6天的连续降雪也不例外。但是，对于回流降雪形势下的垂直结构在以往的北京降雪研究中尚未见到。为此本文给出了回流降雪的经向垂直剖面图。图 5为回流形势最明显的19日20:00的垂直环流结构。从图 5(a)的850 hPa 的华北地区流场和温度场可见，北京处于山东反气旋西侧偏南风回流气流中。密集的等温线表明，北京也处于锋区中。

图 5. 19日20:00 850 hPa 流线(矢线)和等温线(虚线)(a)和沿116.5°E 的南北向温度垂直剖面图(b)及比湿垂直剖面图(c)
(剖面图横坐标0为57.5°N，横坐标36为22.3°N，图中的矢线是垂直剖面上的流线。图b 中的虚线是等温线，灰度填充的实线为等u 风速分量等值线，单位为m/ s ,图c 中灰度填充的实线为等比湿线，单位为g/ kg)(横坐标下方阴影区为降雪区)

图 5(b)和(c)给出了沿116.5°E 从57.5°N 到22.3°N 的南北向垂直剖面上的环流和温度及相对湿度的结构。图 5(b)展示了回流形势下的锋面结构。图中的倾斜并带有折角的等温线表明，华北地区上空对流层下部有锋区存在，但锋面的坡度不大。图中用灰度给出的纬向风速分量分布表明，锋面上方对流层高层存在纬向的西风急流。垂直剖面的流线表明，锋面下方冷气团中近地面层有微弱的偏北气流，到925 hPa 以上已全部转为偏南气流，并清楚地显示出来自南方的暖湿空气的回流在锋区中是上升的。图 5(c)中给出的相对湿度分布显示出回流形势下对流层中、低层存在两个高湿层。一个高湿层位于边界层内，与锋区内的上升运动有关；另一个高湿层位于锋区上方，显然与回流的南方暖湿空气在锋面上爬升相联系。由于锋面上方的上升运动垂直范围只达到500 hPa 以下，因此这个湿层的厚度也较薄。

上述垂直结构表明，回流形势下的降雪是与北方冷空气南下，使华北地区近地面层存在一个浅薄的冷空气垫有关。来自南方的暖湿空气回流在冷空气垫上爬升从而造成了降雪天气。但是，锋面的坡度很小以及暖湿空气中的上升速度很小，所以回流降雪的强度通常都不大。

3 结论

通过对2002年12月北京1841年以来历史上最长的连续降雪天气的合成分析和其中不同阶段华北地区的降雪条件的诊断分析，可以得到以下几点结论:

(1) 北半球500 hPa 的合成环流形势显示，连续降雪是发生在东亚和太平洋地区稳定的纬向环流形势下；大西洋到亚洲西部强大经向环流和乌拉尔山东部的阻塞高压使东亚中纬度纬向环流得以长时间维持。

(2) 东亚合成环流的垂直结构分析表明，连续降雪期间华北地区始终处于锋区中，并存在低空辐合、高空辐散的散度场垂直分布结构。

(3) GMS-5卫星水汽云图表明，北京连续降雪与河套倒槽云系的发展有关。水汽云图显示出山东南部和长江中下游有水汽通道向河套倒槽云系输送水汽。水汽云图还显示出斜压扰动的发展导致了连续降雪期间最大的一次降雪过程。

(4) 华北地区850 hPa 的流场和水汽场的诊断分析表明，山东分裂高压南侧向北回流的偏南气流是主要水汽来源。蒙古高压和山东分裂高压之间的变形场使水汽在北京附近辐合。斜压扰动引起的低空气旋发展，使水汽通量的辐合在气旋中心附近加强。

(5) 回流降雪的垂直剖面展现了华北地区近地面层存在一个浅薄的冷空气垫，以及暖湿空气回流在冷空气垫上的爬升，并在其上形成一个浅薄的饱和层。

致谢 本文研究过程中得到了北京大学王洪庆教授提供的Liveview 软件的帮助，在此一并致谢。
参考文献
[1] 仪清菊, 刘延英, 许晨海. 北京1980-1994年降雪的天气气候分析. 应用气象学报, 1999, 10, (2): 249–254.
[2] Marwitz J D, Toth J, A case study of heavy snowfall Oklahoma. Mon Wea Rev, 1993, 121: 648–660. DOI:10.1175/1520-0493(1993)121<0648:ACSOHS>2.0.CO;2
[3] Lance F Bosart, The President's Day snowstorm of 18-19 February 1979:A subsynoptic-scale event. Mon Wea Rev, 1981, 109: 1542–15663. DOI:10.1175/1520-0493(1981)109<1542:TPDSOF>2.0.CO;2
[4] 赵思雄, 孙建华, 陈红, 等. 北京"12.7"降雪过程的分析研究. 气候与环境研究, 2002.
[5] 张小玲, 程麟生. "96.1"暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅰ:涡度和涡度变率诊断. 高原气象, 2000, 19: 285–294.
[6] 张小玲, 程麟生. "96.1"暴雪期中尺度切变线发生发展的动力诊断Ⅱ:散度和散度变率诊断. 高原气象, 2000, 19: 459–466.
[7] 邓远平, 程麟生, 张小玲. 三相云显式降水方案和高原东部"96.1"暴雪成因的中尺度数值模拟. 高原气象, 2000, 19: 401–414.
[8] WeldonR B, HolmesS J, 水汽图像在天气分析和天气预报中的解译与应用, 北京: 气象出版社, 1994.
[9] 郑永光, 王洪庆, 陶祖钰, 等. Windows下二维气象绘图软件--客观分析诊断图形系统. 气象, 2002, 28, (3): 42–45.