1. 引言

暴雪是河南省冬季最常见的一种高影响的灾害性天气现象，对城市交通、水利、电力、农业生产和人民生命财产安全造成不利影响，提供准确的降雪量、强降雪落区、积雪深度预报是政府部门做好雨雪寒潮天气安全防范工作的重要依据。近年来，已有气象工作者对我国不同地区暴雪天气的环流特征、热力和动力机制、物理量诊断、锋生强迫和不稳定机制、预报偏差、雷达观测特征甚至地形影响[1]-[7]等方面进行分析，且已取得了优秀成果。刘些微[8]、何立富[9]、阎琦[10]等研究表明东北暴雪与低涡北上、气旋爆发有关。崔慧慧等[11]对2018年豫南特大暴雪过程成因分析时指出，高低空急流耦合激发次级环流圈上升支为暴雪发生发展提供了强烈的上升运动，对流层低层持续强烈锋生有利于暴雪加强和持续。顾佳佳等[12]分析2017年沙颍河流域一次暴雪天气成因表明，持续的水汽输送与较强水汽辐合为暴雪天气提供了充沛的水汽条件；较强正涡度区及高空辐散抽吸作用与低层辐合叠加，形成的深厚上升运动是暴雪发展的有利动力条件。暴雪期间，往往还伴随着雷暴等对流现象，近年来“雷打雪”现象也常有发生，引发了学者关注研究[13]-[15]。李姝霞等[16]分析2021年2月24~25日河南出现一次伴高架雷暴的暴雪天气过程表明，中纬度高空槽、西南急流与地面扩散南下的冷空气等天气尺度系统相互作用触发对流，造成暴雪过程出现高架雷暴，低槽前部两个次级环流圈上升支叠加为雷暴发生和降雪增强维持提供了强的上升运动；700 hPa西南风急流辐合作用配合高空槽大尺度强迫使得中高层不稳定能量释放，从而触发对流。上述成果和结论对开展冬季暴雪成因分析和对流天气机理研究以及指导冬季雨雪天气预报实践具有重要意义。

2023年3月16日平顶山市出现大范围雨雪天气，普降暴雪，局部大暴雪，低温冷冻灾害共造成6103人受灾，农作物受灾面积326.25公顷，农业经济损失2487.88万元，汝州降雪量突破3月建站以来单日降雪量历史极值，积雪深度突破本站3月历史同期极值。本文利用观测资料、ERA 5逐小时再分析、风廓线雷达等数据分析此次暴雪过程的环流形势及成因，重点对此次暴雪中心的水汽、动力条件各物理量变化特征进行诊断，以期为该地区类似环流背景下的强降雪天气预报提供参考。

2. 资料

选用2023年3月16~17日的观测资料和再分析数据，具体包括：地面观测资料(降水量、降雪量、积雪深度、温度等)、风廓线雷达和天气雷达数据。再分析资料使用欧洲中心ERA5再分析资料，时间分辨率为1 h，空间分辨率0.25˚ × 25˚，物理量包括位势高度、温度、风场、海平面气压场、比湿等。

3. 结果分析

3.1. 天气实况

3月16日08时至17日06时，平顶山市出现大范围雨雪天气，普降暴雪，局部大暴雪，过程中还伴随密集雷暴。平顶山全市累计平均降水量23.3 mm (表1)，最大累计降水量舞钢31.3 mm，最大降雪量汝州28.4 mm，汝州降雪量突破3月建站以来单日降雪量历史极值。从汝州逐小时降水量及气温序列图可以看出(图1)，汝州降水主要出现在16日12时~18时之间，温度下降剧烈，9时~12时温度由6.7℃下降至0.3℃，3个小时温度下降超过6℃以上，导致汝州最早转为纯雪，成为此次雨雪过程的暴雪中心。就降水相态而言，16日08时，平顶山西部开始出现降雨。12时前后，汝州开始出现纯雪，鲁山、宝丰、叶县、舞钢等地转雨夹雪，郏县转为纯雪；14时宝丰、市辖区、鲁山转为纯雪；16时前后，叶县、舞钢转为纯雪。过程中，平顶山、汝州、宝丰、舞钢的积雪深度在10 cm以上，汝州雪深最大达16 cm，宝丰、汝州最大积雪深度突破了本站3月历史同期极值。平顶山全市最高气温降幅达15到23度；17日凌晨，全市大部最低气温降至0℃左右，高海拔地区零下2℃左右。综上所述，此次雨雪天气表现出雨雪量大、雨雪相态复杂、局部积雪深、降温幅度大的特点，且此时正值桃、杏、梨等花期，低温冷冻给农业造成巨大损失。

Table 1. Precipitation, snowfall and snow depth at 20:00 in Pingdingshan from 08:00 on March 16 to 06:00 on March 17, 2023

表1. 2023年3月16日08时至17日06时平顶山市降水量、降雪量和20时积雪深度

3.2. 环流背景

此次雨雪过程是在500 hPa低槽东移发展，700 hPa槽前强盛的西南急流与850 hPa及以下东路强冷空气结合的有利背景下形成的，属于河南典型的暴雪天气形势。200 hPa温度场上，14日20时，−64℃闭合线成条状分布在中纬地区，15日08时−64℃闭合线一分为二，范围明显缩小，15日20时，西部的

Figure 1. Hourly precipitation and temperature series of Ruzhou from 08:00 on March 16 to 06:00 on March 17, 2023

图1. 2023年3月16日08时至17日06时汝州逐小时降水量及气温序列图

−64℃闭合线东移至河南省上空，16日08时，−64℃闭合线持续维持在我省上空，且在豫西北出现了−68℃闭合线的闭合中心，平顶山市位于高空急流的一个辐散区域(图略)，说明在此次降水前期，有强冷空气持续稳定在我省上空，强盛而持久的冷空气不仅在地面形成冷垫，起到动力抬升作用，也造成了此次雨雪冰冻天气的剧烈降温。500 hPa欧亚大陆中高纬地区环流形势呈现出“两槽一脊”的环流形势，贝加尔湖至我国东海一带位于宽大的横槽中(图2(a))，孟加拉湾地区有低槽发展东移，青藏高原东部有一个明显的南支低槽，平顶山市处在槽前强盛的西南暖湿气流中，槽前正涡度平流有利于低层辐合系统发展和上升运动，槽后强的冷平流叠加在西南暖湿平流之上有利于对流不稳定层结的稳定与发展，这为暴雪过程提供了良好的环流背景条件。700 hPa (图2(b))偏南急流强烈发展，风速达到18 m/s以上，为此次过程提供了充足的水汽和动量，同时也增强了不稳定层结[17]。低层850~925 hPa (图2(c)和图2(d))为偏东气流，强度达到16~18 m/s，偏东气流不仅会迫使暖湿气流爬升为暴雪发生提供“冷垫”，与500~700 hPa西南急流形成的强垂直风切变和深厚锋生区还会加强斜升运动和锋面次级环流，对暴雪起增幅作用[18]。地面图上(图3)，冷高压强度超过1040 hPa，冷空气经蒙古到华北北部，经渤海侵入河南省(东路冷空气)，强烈的偏东风造成平顶山降温幅度显著。700 hPa偏南急流与低层850 hPa及以下冷空气持续南下形成的冷垫相互作用触发对流，造成暴雪过程中伴随着高架雷暴[15]，这也是平顶山大部分地区伴有雷电的原因，而从卫星云图上也可以看出此次对流发展比较旺盛(图略)。

3.3. 水汽条件

水汽通量是表征水汽输送强度的物理量，水汽通量散度则代表着水汽的辐合、辐散[19]。从汝州水汽通量和水汽通量的高度–时间剖面图可以看出(图4)，受西南暖湿急流输送影响，在雨雪过程期间汝州上空一直有较强的水汽就开始有明显水汽输送和强的水汽辐合，水汽通量大值区域位于600 hPa高度上下，水汽通量达到9 g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹。对比来看，自500 hPa~700 hPa明显的水汽通量散度大值区与主要降雪时段更为对应，即16日12时至18时，中层有明显水汽辐合，强度超过−16 × 10⁻⁷g∙hPa⁻¹∙cm⁻²∙s⁻¹，这一时段降雪效率较高，1小时最大降雪量达到7.2 mm (18时)，随着系统东移，水汽通量和水汽通量散度显著减弱，降雪趋于结束。14时沿汝州所在纬度(34.25˚N)、经度(112.75˚E)的水汽通量和水汽通量散度垂直剖面可知(图5(a))，112˚~114˚附近存在水汽通量大值区域，高度位于700~500 hPa之间，中心强度超过9 g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹。同时此处也是水汽辐合散度大值中心，强度超过−16 × 10⁻⁷g∙hPa⁻¹∙cm⁻²∙s⁻¹，水汽条件较好，且有明显辐合，对应汝州的高效率雨雪过程。此外近地面也有明显辐合中心，辐合上升有利于降水

Figure 2. Distribution of geopotential height field and wind field of 500 hPa (a), 700 hPa (b), 850 hPa (c) and 925 hPa (d) at 08:00 on March 16, 2023

图2. 2023年3月16日08时500 hPa (a)，700 hPa (b)，850 hPa (c)，925 hPa (d)位势高度场、风场分布图

Figure 3. Sea level pressure field and 10 m wind field distribution at 08:00 on March 16

图3. 3月16日08时海平面气压场、10 m高度风场分布图

的发生发展。沿汝州所在经度(112.75˚E)的水汽通量和水汽通量散度垂直剖面(图5(b))图也呈现一致的特征，水汽集中在中层700~500 hPa之间，水汽辐合中心位于700~500 hPa水汽通量等值线密集区内，近地面层亦有明显水汽辐合中心。结合环流形势图分析表明，汝州上空的水汽主要是由700~500 hPa槽前西南气流输送，该层与近地面层水汽辐合有利于汝州强雨雪天气发生发展。

Figure 4. Vertical profile of water vapor flux (contour, unit: g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹) and water vapor convergence (shadow, unit: 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) in Ruzhou (34.25˚N, 112.75˚E) on March 16, 2023

图4. 2023年3月16日汝州(34.25˚N, 112.75˚E)水汽通量(等值线，单位：g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹)和水汽通量散度(阴影，单位：10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)垂直剖面图

Figure 5. Vertical profiles of water vapor flux (contour, unit: g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹) and water vapor convergence (shadow, unit: 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) along the latitude 34.25˚N (a) and longitude 112.75˚E (b) of Ruzhou at 14:00 on March 16, 2023

图5. 2023年3月16日14时沿汝州所在纬度34.25˚N (a)，经度112.75˚E (b)水汽通量(等值线，单位：g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹)和水汽通量散度(阴影，单位：10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)垂直剖面图

3.4. 动力条件

随着500 hPa高空槽发展东移，16日08时河南省位于槽前正涡度平流区(图2)，正涡度平流有利于高层辐散、低层减压，散度、垂直上升速度剖面图显示(图6)，16日上午近地面层冷空气自东路侵入，低层850 hPa以下为辐散下沉运动，700~500 hPa暖湿水汽受冷空气抬升，产生辐合上升运动；平顶山市位于高空急流右侧辐散区域，因此250 hPa附近有一强辐散中心，强上升运动位于500 hPa以上，这一时段动力条件较好，但水汽条件较差。下午850 hPa附近上升速度增强，超过1 Pa∙s⁻¹，此时700~500 hPa有充沛的水汽输送和水汽辐合，降雪过程得以发生，小时降雪量较大，但中上层动力条件明显减弱，因此整个降雪过程仅持续到20时。从汝州上空温度剖面图上可以看出(图7)，16日凌晨至上午，近地层850 hPa以下温度剧烈下降，到中午前后地面温度已降至0℃附近，这比各家模式预报的近地面温度下降速度要快，进一步导致汝州降水相态转换时间比预报时间的提前，因此过程基本上以降雪为主，这也是此次汝州降雪量级预报偏小的主要原因。综合分析动力和水汽条件可以看出，此次雨雪过程中动力条件与水汽条件配合一般，700 hPa以下垂直上升运动与强的水汽输送和水汽辐合，造成汝州出现强降水。此外强冷空气造成汝州近地面温度剧烈降低，导致降水相态转换时间较预报时间要提前，汝州降水相态基本以纯雪为主，因此出现大暴雪天气。

Figure 6. Vertical profile of convergence (contour, unit: 10⁻⁵s⁻¹) and vertical ascending velocity (shadows, unit: Pa∙s⁻¹) in Ruzhou (34.25˚N, 112.75˚E) on March 16, 2023

图6. 2023年3月16日汝州(34.25˚N, 112.75˚E)散度(等值线，单位：10⁻⁵s⁻¹)和垂直上升速度(阴影，单位：Pa∙s⁻¹)垂直剖面图

Figure 7. Vertical profile of the temperature (contour, unit: ˚C) in Ruzhou (34.25˚N, 112.75˚E) on March 16, 2023

图7. 2023年3月16日汝州(34.25˚N, 112.75˚E)温度(等值线，单位：℃)垂直剖面图

3.5. 雷达特征

平顶山站风廓线雷达上(图8)，15日20时2000 m附近有明显的垂直风切变，3000 m附近风向随高度逆转，有冷平流侵入。16日09时地面风速显著增大，至11时，近地层1500 m以下风向逐渐转为东北风，携带强冷空气从低层侵入，在地面形成冷垫。而2000 m以上为较强的暖湿气流，近地面冷垫迫使中层暖湿气流沿冷垫爬升，形成河南省典型的“天南地北”暴雪形势[20]。近地层为东北风，到对流层中层变为偏南气流，风向随高度强烈顺转迫使冷暖空气在垂直方向上进行充分混合，触发不稳定能量，形成强有力的上升运动，有利于暴雪天气的维持和发展。低层“冷垫”强度的变化是降水相态转变的重要标志，本次过程中平顶山降水相态转纯雪时，低层东北气流扩展到了1000~1500 m高度，这与漆梁波、戈瑶等[21] [22]人的结论较为一致。风廓线雷达的低层垂直速度可用来判定降水粒子相态和降水预报，因此常被学者用于暴雪过程的降水相态分析中[22] [23]。本次过程垂直速度图上，16日09时1500~4500 m有一个较大的正值区域，但低层是负值，10时前后，负值转为正值，强度在1 m/s左右，平顶山开始出现降水；12时低层转为正速度大值区域，超过3 m/s，此时降水相态以雨夹雪或冰粒为主；14时前后，正值明显减小至2 m/s，表明降水相态发生改变，转为纯雪。综上所述垂直速度对降水的开始、相态转换具有一定的指示作用。

(a) (b)

Figure 8. Horizontal and vertical wind distribution of wind profile radar at Pingdingshan Station on March 15~16, 2023

图8. 2023年3月15日~16日平顶山站风廓线雷达水平风和垂直风分布

天气雷达图上(图9)，11时30分降水回波影响平顶山北部附近，最大反射率因子超过45 dBz，北部已开始产生降水，之后回波呈片状缓慢向东南方向移动，30~35 dBz回波维持较长时间，造成了平顶山市北部的降雪量较大。此外该时段在平顶山的南部也有一些降水回波，但大部分回波强度较弱。16日下午17时北部回波明显减弱，南部明显增强，回波中心强度超过45 dBz，平顶山南部的降水集中在此时段。平均径向速度图上，11时30分零速线呈S型分布，对称的“牛眼”结构清晰可见，1.5 km高度以下有一对正负速度中心，最大速度达到了12 m/s，该正负速度中心的风向为偏东风，与850 hPa天气图上平顶山市上空的偏东急流相对应。同时在5 km左右高度，也有一对反方向的正负速度中心，最大速度有17 m/s，对流层中高层有偏南急流存在，高低空的这两对正负速度中心在降雪的过程中一直持续，强烈的冷暖气流交汇及抬升有利于对流天气的发生和维持。

4. 结论

利用观测资料、逐小时ERA5再分析资料、风廓线雷达等资料，对2023年3月16日河南平顶山一次暴雪过程进行分析，得到如下结论：

1) 此次雨雪过程是在低槽东移发展、槽前强盛西南急流与东路强冷空气结合的有利背景下形成的，具有雨雪量大、雨雪相态复杂、局部积雪深、降温幅度大的特点，暴雪中心汝州降雪量28.4 mm，最大积雪深度16 cm；

(a) (b)

(c)

Figure 9. Reflectance factor of 1.5˚ at 11:30 (a) and 17:00 (b) and mean radial velocity at 11:30 (c) on March 16, 2023

图9. 2023年3月16日11时30分(a)、17时(b)的1.5˚仰角反射率因子和11时30分的平均径向速度图(c)

2) 汝州强降雪期间700~500 hPa有西南急流强水汽输送和水汽辐合，水汽通量和水汽通量散度最大值分别超过9 g∙cm⁻¹∙hPa⁻¹∙s⁻¹和−16 × 10⁻⁷ g∙hPa⁻¹∙cm⁻²∙s⁻¹，700 hPa以下垂直上升运动与强的水汽输送和水汽辐合，造成汝州出现暴雪天气，这对极端性暴雪预报具有参考价值；

3) 风廓线雷达在雨雪过程中呈现出河南省典型“天南地北”的天气形势，平顶山降水相态转纯雪时，低层东北气流扩展到了1000~1500 m高度；10时前后，垂直速度在1 m/s左右，平顶山开始出现降水，12时低层正速度大值区域超过3 m/s，此时降水相态以雨夹雪或冰粒为主；14时前后，正值减小至2 m/s，降水相态转为纯雪，这表明垂直速度可以反映出降水开始、相态转换等特征，对临近预报具有一定指导意义；

4) 雷达回波演变特征可以反映出雨雪开始、维持、减弱的变化。强降水期间回波中心强度最大超过45 dBz，并长时间维持在30~35 dBz；平均径向速度图上1.5 km和5 km高度各有一对正负速度中心，最大速度分别为12 m/s和17 m/s，反映出此次雨雪过程中高低空急流。

参考文献