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        探問雪落的奧秘

        發布時間:2023年11月17日 來源:中國氣象報社

        11月4日至6日,今年下半年首次寒潮天氣影響我國北方大部地區,我國中東部多地出現斷崖式降溫,而東北部分地區和內蒙古的暴雪,則帶有較明顯的極端性特征。那么,什么情形下易發生極端暴雪,在我國,又有哪些地方雪會下得更“猛”呢?本期科普看臺,與您一同探究。

        專家顧問:

        中央氣象臺高級工程師?張峰

        中央氣象臺工程師?李嘉睿

        吉林省氣象臺臺長?陳長勝

        新疆維吾爾自治區氣象臺首席預報員?楊霞

        新疆阿勒泰地區氣象臺臺長?博爾楠

        關于暴雪的三個“參考答案”

        受寒潮影響,11月5日至6日,華北北部、內蒙古、東北地區大部出現降雪、雨夾雪或雨轉雪天氣。黑龍江佳木斯、五常,吉林琿春、延吉,遼寧沈陽等41個國家級氣象站,日降水量突破當地11月歷史極值。那么,暴雪是在什么情況下形成?降雪預報都關注什么?全球變暖下,暴雪又有哪些變化趨勢呢?

        暴雪的發生條件

        一般來說,暴雪天氣的形成需要滿足三個條件,首先充沛的水汽供應是形成暴雪的基本條件,另外兩點分別是強烈的動力抬升運動以及較長的持續時間。此外,還需要足夠低的氣溫和適宜的大氣垂直溫度層結,才能使得雪花在下落過程中不會融化,直接降落到地面上。

        張峰介紹道,根據暴雪形成需要滿足的條件,在對天氣系統進行分析時,需要重點分析動力抬升條件、水汽條件和降雪持續時間等,如果以上降雪形成條件中的一個或幾個遠超歷史平均值,則有出現極端降雪的可能。

        預報員在對降雪天氣進行預報時,重點關注的是降雪量、積雪深度以及降雪過程中發生雨雪相態轉化的可能性等。據了解,目前中央氣象臺的集合預報降雪EFI產品可以很直觀地展示出一次降雪過程的極端性。另外,預報員也會重點關注大氣整層的垂直溫度分布情況,它對降水過程的相態變化至關重要,直接影響著降落到地面的是雪還是雨。

        以近期的北方強降雪過程為例,張峰指出,造成此次降雪過程的天氣系統主要是高空冷渦配合地面氣旋,這為降雪提供了強烈的動力抬升條件,另外系統前部強烈的偏南風為東北地區帶來了充足的水汽供應,同時天氣系統在東北地區移動較為緩慢,強降雪持續時間較長,這都符合極端降雪發生的條件。

        降雪預報難點:相態與積雪深度預報

        事實上,雪花是固態降水的一種,因此降雪預報是冬半年一種特殊條件下的降水預報。降雨預報和降雪預報都需要關注大尺度環流背景、水汽條件和動力條件等氣象因素,二者的預報方法和預報技術也趨于一致。但是,降雪預報又有其自身特殊的預報難點。

        其一是相態預報。冬季的降水相態多種多樣,包括雨、雨夾雪、雪、凍雨、冰粒、霰等,一次降水過程中可能會出現不同相態的多次轉變。降水相態間的轉變有著十分復雜的機理,其核心是對大氣中溫度和水汽垂直分布的預報描述。目前,數值模式的相態預報主要由云內水成物含量的垂直分布結合環境溫度垂直廓線診斷得到,而預報員主觀預報則主要基于關鍵高度層上的溫度閾值進行判斷,然而實際的降水相態是與復雜的云微物理過程有關的。未來提升降水相態預報能力需要三維氣象綜合觀測數據、相應的數值預報模式及進一步發展的客觀預報方法等新技術的綜合開發應用。

        其二是積雪深度預報。積雪深度同樣是冬季預報的國際難題,它與雪花的冰晶結構、大氣中溫度和濕度垂直層結、大氣垂直運動、地表溫度、地面風速以及雪的含水量等因素密切相關。降雪量和積雪深度的關系在不同地區、不同的天氣系統條件下,會有所不同。對于同樣的降雪量,相對濕度較大的濕雪的積雪深度就會比干雪要更小一點。而較高的地表溫度會導致積雪在地面上融化,從而影響到積雪深度。統計研究表明,對于東北、西北、內蒙古等地1毫米的降雪量大致對應0.9至1.2厘米的積雪,對于華北、蘇皖和四川等地1毫米的降雪量對應0.6至0.8厘米的積雪。

        全球變暖下,極端降雪可能性增加

        目前有研究指出,在全球變暖背景下,極端降水事件的發生頻率變得更高,且極端天氣事件的范圍、持續時間和嚴重程度也正在擴大,這其中包括極端暴雪、極端暴雨和極端干旱等天氣。例如,全球變暖背景下,某一地區更炎熱的空氣會造成更多的水分從地表蒸發,帶來干旱。同時,這些溫暖的空氣又能容納更多的水汽,進而引發極端暴雪或暴雨天氣。我國的東北地區近60年來出現微量或小雪的降雪日數在減少,而大雪以上的降雪強度在增加,出現極端降雪的可能性也有所增加。

        全球變暖似乎正在增加極端天氣事件發生的概率。不過,目前根據一些氣候模型做出的極端天氣預測尚難以被證實,在科學界關于“全球變暖與極端天氣關系”的研究也存在一定爭論。(穆俊宇)

        我國的“猛”雪出沒地

        我國降雪較多的地方集中在北方和高海拔地區,從省份來看,降雪比較豐富的有新疆、西藏、青海、甘肅、黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古東北部等地。

        前不久東北地區就受到了強降雪影響。11月5日17時,黑龍江省氣象臺發布暴雪紅色預警。自5日夜間起,黑龍江省多地迎來強降雪天氣。此次暴雪天氣降水量大,全省平均降水量為17.1毫米,為1961年以來歷史同期第1多,47個國家級氣象站日降水量突破1961年以來歷史同期極值。

        同一場過程也影響著吉林?!按舜谓邓^程主要由高空冷渦和地面氣旋兩個系統相互影響,兩股能量相當的勢力在運動中‘對撞’形成了狹長的過渡區,這一區域也是此次過程中相態變化復雜的區域?!奔质庀笈_臺長陳長勝說。吉林各地區過程平均降水量均超過11月歷史同期月降水平均值,13個縣市日降水量突破單日降水歷史極值,過程降水量最大的為琿春,達72.6毫米。

        事實上,在一個月前,一場暴雪也“光顧”了新疆維吾爾自治區。10月29日08時至11月5日10時,阿勒泰地區、烏魯木齊市、昌吉州三地共70站出現暴雪,其中67站均在阿勒泰地區,與此同時,阿勒泰地區阿勒泰站日降水量突破該站10月歷史極值;而昌吉州木壘站、阿勒泰地區吉木乃站、布爾津站日降水量均突破11月歷史極值。

        “從10月29日開始,在一波劇烈西風振蕩之后,西西伯利亞冷空氣掠過蒙古高原直達阿勒泰地區,并長期盤踞在此,與西南方向來的暖濕氣流匯合,由于暖濕氣流強大,水汽豐沛,給當地帶來了強降雪天氣?!卑⒗仗┑貐^氣象臺臺長博爾楠說。

        為啥這些地方常年多降雪?暖濕氣流與冷空氣交匯,近地層的溫度和濕度,以及高海拔和地形,是導致這些地區“猛雪”出現的關鍵因素——低渦和高空槽等天氣系統會在天氣尺度范圍內帶來低層空氣的上升運動,空氣中的水汽在上升過程中凝結發展成為雪花;當近地層氣溫低于零度且濕度較高時,云中冰晶形成的雪花才可能順利降落到地面;另外,山地有明顯的降雪量增幅作用,空氣在經過山體時被迫抬升,空氣中的水汽凝結,在溫度低的高山地區形成漂亮的“雪頂”。

        自治區氣象臺首席預報員楊霞介紹,地中海一帶形成的水汽自西向東移動,到達新疆北部遇到阿爾泰山脈,易形成地形降水。同時,加上阿勒泰緯度較高,每到冬季,這里總是北方冷空氣到達我國的第一站,冷空氣勢力強,活動頻繁,當冷空氣與西南暖濕氣流在此相遇,便會給阿勒泰地區帶來充沛的降雪。

        此外,北方和高海拔地區的冬季氣溫均比較低。其中,東三省、內蒙古東北部等地位于高緯度,常受到高空冷渦的過境影響;而新疆、青海等地經常受到高空槽的影響;對西藏而言,由于海拔高,冬季還常有高原槽經過,在喜馬拉雅山南麓,西南暖濕氣流和地形抬升作用也會有利于強降雪的發生。在華北地區,作為2022年北京冬奧會賽區之一的張家口崇禮降雪量也十分豐富,在海拔高度、溝壑縱橫等因素的綜合“加持”影響下,冬季天氣系統的弱波動就可能給當地帶來明顯的降雪。

        按照每年雪季的降雪頻次,除了上述地區,山東半島北部等地也是人們意想不到的常年多降雪的區域。

        在山東,被稱為“中國雪窩”的煙臺和威海,由于冬天降雪較多,形成了獨特的海濱雪城風貌。由于這里兩面或者三面環海的獨特地理位置,水汽充足,當冷空氣南下時容易形成“冷流降雪”。由于海上富含水汽,而且海水的溫度在冬季相較內陸的地表溫度更高,所以海面上方的空氣相對溫暖而濕潤。當冷空氣南下時,海面上方的暖濕空氣升至一定高度時,就會凝結成雪花,飄落下來形成降雪。

        根據歷史氣象數據,長江中下游地區也是我國降雪主要集中地。因為長江中下游地區處于亞熱帶季風氣候區,水汽充足,在冬季,當冷空氣南下至此處與暖濕氣流匯合時,也易形成降雪。黃淮、江淮一帶年平均降雪量不多,平均降雪強度卻比較大。所以在寒潮影響下,“降雪中心”也有可能會出現在南方地區。

        此外,印度洋北上的暖濕氣流在喜馬拉雅山脈的地形抬升作用下,使得西藏的聶拉木等地也容易出現較強的降雪天氣。(李悅 張欣彤 劉洋 韓志鵬 李志宏)

        雪到底有多重?

        大雪過后,往往容易發生壓折樹枝、壓塌建筑物等情況,給人們安全帶來威脅。

        小小的一片雪花看著很輕盈,它究竟有多重呢?想要知道這個概念,我們就要先了解下什么是降雪量和積雪深度。

        一片雪花到底有多重?一般情況下,我們能夠看到的單個雪花直徑一般在0.5毫米至3毫米之間,這樣微小的雪花只有在極精確的分析天平上,才能稱出其重量,而大約3000—10000個雪花加在一起也只有1克重??茖W家曾做了個粗略統計,1立方米的雪里面約有60億—80億個雪花。

        那么,1毫米降雪等于多深的積雪?南方的雪和北方的雪一樣重嗎?日常生活中,我們常聽到天氣預報中提到的幾毫米降雪,是指氣象觀測人員用標準容器將12小時或24小時內采集到的雪化成水后,測量得到的數值,以毫米為單位;而積雪深度是我們通??吹降难┑暮穸?,是積雪表面到地面的垂直深度,通常以毫米為單位,它隨著降雪增加不斷累積變化。

        此外,每次降雪由于含水量、溫度條件、積雪深度等的不同,重量測算也會有所差異。以含水量為例,北方氣溫較低,雪大多數是“干雪”,而南方氣溫通常較高,再加上空氣濕度也比北方高,雪多數情況都難逃“濕雪”的命運。

        雪是干還是濕的呢,由冰晶構成的雪花,只有空氣溫度在0℃以下時,才不會融化。有的雪花在降落途中,大氣中的溫度始終在0℃以下,這就使得它們能夠維持雪花的姿態,降落到地面成為“干雪”;而有時候,高空溫度雖在0℃以下,但在接近地面時,卻需要穿越一段稍高于0℃的大氣層,于是雪花便以半融狀態的“濕雪”落在大地上。

        正因為雪有干、濕之分,才會導致南方和北方的雪在重量上有所差異。北方多為干雪,其含水量比南方的濕雪低,整體形態較為松散。通常,在北方,100平方米面積上8—10毫米的積雪重100公斤;而在南方,雪則較密實, 6—8毫米的積雪便重達130公斤。(李倩)

        檔案記錄——近年我國發生的極端暴雪

        1975年——青海雪災:持續五個月

        雪災也稱白災,是長時間大量降雪造成大范圍積雪成災的現象,是牧區一種畜牧氣象災害。雖然積雪本身對牧草的越冬保溫可起到積極的防御作用,但是當雪量過大,積雪過深,持續時間過長時,則造成牲畜吃草困難,甚至無法放牧,而形成雪災。

        1975年的青海雪災是一次持續型雪災,自1974年10月起,由于冬季蒙古-西伯利亞地區強烈的冷空氣南下,同時,太平洋地區暖濕氣流北上,冷暖空氣交匯,在青海地區高山眾多的情況下,促使氣流上升,形成了強降雪。其中,青海省昆侖山脈和唐古拉山脈之間青南地區果洛、玉樹、黃南等地造成極端大雪,降雪一直持續到次年3月,最低氣溫達零下30多攝氏度。共有13個縣的700萬頭牲畜受災,死亡牲畜98.7萬頭(只)。有2000多人凍壞了手腳,不少人患雪盲、流感、腸胃炎、中毒性痢疾等疾病。

        2005年——山東暴雪:山東“雪窩子”

        煙臺和威海被稱為山東“雪窩子”,當地降雪類型屬于冷流降雪,即冬季冷空氣流經暖海面后產生的降雪。冷流降雪主要產生在渤海和黃海,陸地上以膠東半島最為顯著。

        2005年12月3日至26日,來自北方的冷空氣自渤海灣吹過,導致山東省威海、煙臺兩市持續20多天大雪,降雪強度之大、時間之長,為50年不遇,造成直接經濟損失達3.7143億元。威海市平均降水量67.6毫米,煙臺市平均降水量34毫米。兩市平均積雪厚度1至1.5米,最高達2米。

        這次強降雪致使部分地區農業和農產品加工企業生產設施遭到嚴重破壞,重災區農業生產大棚80%以上倒塌,農業直接經濟損失達34810萬元。

        2008年——南方大雪:長時間、大范圍

        2008年,受拉尼娜現象影響,大氣環流異常,北方冷空氣連續不斷入侵我國。在冷空氣來襲的同時,來自印度洋與西太平洋的暖濕空氣又源源不斷向華南地區輸送,冷暖氣流在西南、江漢、華南、江南、江淮一帶交匯,導致自1月3日起,在上海、江蘇、浙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆等20個省(區、市)出現罕見的長時間、大范圍低溫雨雪冰凍天氣。

        從1月3日至2月24日,因雪災死亡129人,失蹤4人,緊急轉移安置166萬人,農作物受災面積1.78億畝,森林受損面積近2.79億畝,3萬只國家重點保護野生動物在雪災中凍死或凍傷,受災人口已超過1億。其中安徽、江西、湖北、湖南、廣西、四川和貴州等7個省份受災最為嚴重。

        2018年——雪災及低溫凍害:農作物大面積受災

        2018年1月24日至29日,同樣受拉尼娜氣候事件影響,我國多地遭遇強降雪,江蘇、浙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、重慶、貴州、陜西等10省(直轄市)49市(自治州)176個縣(市、區)341.9萬人受災,2人死亡,直接經濟損失25.5億元。強降雪導致這些省份部分地區房屋、農業和電力基礎設施受損,局部地區群眾和車輛出行受阻。

        同年4月,我國出現3次冷空氣過程,分別為3-7日、13-16日、22-24日。其中3-7日,冷空氣過程影響范圍最大、強度最強,為一次全國型寒潮過程。西北東北部、華北、東北東部和南部、黃淮大部、江淮西部及內蒙古等地過程最大降溫幅度在14℃以上,面積達253.5萬平方公里,降溫超過17℃的面積為67.9萬平方公里。此次寒潮天氣過程造成北京、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、安徽、山東等8?。▍^、市)遭受較為嚴重的低溫凍害,共計806萬人受災,農作物受災面積85.1萬公頃,其中絕收23.3萬公頃,直接經濟損失超過150億元,甘肅、山西受災最為嚴重。(史光浩整理)

        (責任編輯:閆泓)

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