1. 引言
低温雪凝天气会对民航飞行安全、航班正常性造成严重影响。贵阳机场冬季受持续性低温雪凝天气影响，易造成机场关闭、航班取消、旅客大量滞留，航空器除冰除雪易导致航班延误。降雪强度不同，对飞行活动的影响也不同。持续性小雪、中雪、大雪均可能导致跑道积雪或积冰，减小飞机轮胎与跑道的摩擦力、增加起飞或着陆时的滑跑距离、增大飞行安全风险；中雪、大雪会降低机场能见度，影响飞行员进行目视飞行。因此，提高冬季低温雨雪天气的预报预警能力是航空气象预报的一项重点和难点工作。
自2008年我国南方发生大范围低温凝冻灾害天气 [1] [2] 后，气象工作者更加重视并开展相关研究。罗喜平等 [3] 对2015年贵州首场降雪和冻雨天气进行对比分析，发现降雪过程比冻雨过程南支槽、湿层更深厚，整层为冷性结构，而冻雨过程呈“冷–暖–冷”结构；许丹等 [4] 研究了贵州凝冻的时空分布特征和环流成因分析；曾莉萍 [5] 就贵州两次凝冻天气云物理结构进行对比分析；杜小玲 [6] 研究了2011年初贵州持续低温雨雪冰冻天气成因，发现降雪、冻雨、冰粒天气的温度场、大气运动状况存在明显差异；周文钰 [7] 分析了2018年12月贵州省持续性低温雨雪天气过程，发现高空槽、孟加拉湾南支槽、700 hPa切变线影响显著；甘文强 [8] 研究了2018年1月底至2月初贵州低温雨雪天气成因，发现中高纬阻塞形势和两槽一脊型是造成贵州此次低温雨雪的重要背景，期间4次强冷空气及锋区西推是贵州自东向西出现低温雨雪天气的重要原因。
2022年2月21日~22日贵阳机场出现了持续性小雪短时中雪天气、降雪持续时间长达30小时，最低气温降至−3.2℃，造成机场关闭、航班大面积延误取消和返航备降。本文利用ECMWF ERA5逐3小时再分析资料(空间分辨率0.25˚ × 0.25˚)、贵阳机场地面观测资料对其环流形势和物理量场进行诊断分析，以期探讨此次降雪过程的形成机制。为今后贵阳机场低温雨雪天气的预报提供一定的思路。
2. 贵阳机场降雪气候特征
为便于统计，本文中降雪包括小雪、中雪、米雪、霰、小雨夹雪、冰粒夹雪、雨夹霰。民航气象地面观测规范定义当主导能见度小于1000米时的降雪为中雪 [9] 。
Figure 1. (a) Interannual variation of snowfall at Guiyang Airport from 2008 to 2022; (b) monthly variation of snowfall; (c) diurnal variation of snowfall
图1. (a) 2008~2022年贵阳机场降雪年际变化；(b) 降雪月变化；(c) 降雪日变化
如图1(a)所示，2008~2022年贵阳机场降雪年际变化特征明显、多波动，降雪日数整体呈缓慢减少趋势，年平均降雪日数为8天。其中，2011年贵阳机场降雪出现次数最多(20天)；2015、2017、2019年出现次数最少(3天)。如图1(b)所示，2008~2022年贵阳机场降雪多集中在冬季(12月到次年2月)，其中1月份出现次数最多(57天)；2月份次之(30天)；12月份共有16天出现；仅有1次降雪最晚出现在3月份，为2011年3月15日；共有2次降雪最早出现在11月份，分别为2009年11月17日及2009年11月20日。冬季贵阳机场受冷空气影响频繁、气温较低，易出现降雪。如图1(c)所示，2008~2022年贵阳机场降雪多集中出现在北京时间23时到次日12时，其中北京时间09时及10时出现次数最多(41次)；11时次之(34次)；18时、19时出现次数最少，分别为10次、6次。贵阳机场降雪的日变化特征与贵阳机场气温日变化特征是比较一致的，即冬季夜间到早晨气温较低，午后气温相对有所回升。
3. 天气过程概述
图2为自动观测站贵阳站(站号57816，海拔高度1223.8米)北京时间20日20时~22日17时的温度和降水量分布。由图可见，温度整体小于0℃，呈W型波动分布、北京时间21日08时温度降至最低为−3.2℃；最高温为−0.2℃，出现在北京时间21日17时；降水(包括雨和雪)主要集中在21日~22日。此次低温雨雪天气持续时间较长。
Figure 2. Temperature and precipitation distribution at Guiyang station (the station number is 57816) from 20 to 22, February, 2022
图2. 2022年2月20日~22日贵阳站(57816站)温度及降水量分布
贵阳机场经度106.8˚E、纬度26.5˚N，海拔高度为1139米，位于贵州中部。距离贵阳站12公里，海拔高度更低、温度略微偏高，但整体变化趋势大致一致。
根据贵阳机场观测簿纪要栏数据，由2022年2月19日~22日贵阳机场天气现象演变(表1)可见，北京时间2月19日凌晨贵阳机场出现小雨天气，后续转为阴天。19日最高气温为1.6℃，最低气温为−0.2℃。2月20日00:50~02:30、03:25~07:40出现了小雪天气，到21日早晨前为间歇性阴有小毛毛雨到小雨天气。20日最高气温为2.7℃，最低气温为−1.4℃。21日中午11:45开始出现小雪天气，间歇性持续至22日17:36，期间偶有停歇。其中22日04:25~11:12，13:22~17:36为持续性小雪，15:33~15:46、16:18~16:42短时出现中雪，加之当日气温持续低位(最高温为0.5℃，最低温为−2.5℃)，贵阳机场道面积雪，造成机场关闭，对航班的正常性造成了较大影响。
Table 1. Evolution of weather phenomena at Guiyang Airport from February 19 to 22, 2022 (-RA: light rain; -DZ: light drizzle; -SN: light snow; SN: moderate snow; the time is Beijing time)
表1. 2022年2月19日~22日贵阳机场天气现象演变(-RA：小雨；-DZ：小毛毛雨；-SN：小雪；SN：中雪；时间均为北京时间)
4. 大尺度环流背景
4.1. 500 hPa环流形势
以下所用时间均为世界协调时。
Figure 3. Circulation situation at 500 hPa (black solid line: height, unit: dagpm; red dotted line: temperature, unit: ˚C): (a) February 21, 2022 at 00:00; (b) February 21, 2022 at 12:00
图3. 500 hPa环流形势(黑实线：高度，单位：dagpm；红虚线：温度，单位：℃)：(a) 2022年2月21日00时；(b) 2月21日12时
由图3(a)可以看出，21日00时降雪过程开始前，500 hPa中高纬地区呈两槽一脊型分布。西西伯利亚平原到中西伯利亚高原一带阻塞形势已经建立，中心气压为540 hPa。东欧平原受浅槽控制，槽底向南延伸至黑海、里海以北；蒙新高地到我国东北平原为深厚的横槽控制。温度槽落后于高度槽，未来高度槽会继续东移发展。极涡主体已东移入海、位于日本群岛以东的150˚E附近，其中心气压降至390 hPa。中低纬地区南支槽位于孟加拉湾，南支槽深厚、槽底向南延伸至20˚N附近。我国西南地区大部受南支槽前西南气流控制，有源源不断的暖湿空气输送，利于后期的降雪天气形成。到21日12时，中高纬地区两槽均向南移，西部槽槽底位于黑海、里海，东部槽槽底控制我国华北平原大部。阻塞高压向北隆起。中低纬地区南支槽东移至中南半岛西部，同时在青藏高原东南部分裂的短波小槽将引导低层冷空气不断向南补充(图3(b))。
4.2. 700 hPa环流形势
本文分别选取贵阳机场降雪前期(21日12时)及降雪中期(22日06时)的两个时次进行分析。由图4(a)可见，700 hPa降雪前期贵阳机场受强盛的西南急流控制，在川东重庆一带有一个明显的低涡切变存在；从温度场来看，700 hPa冷空气深厚。四川中部到贵州西部存在明显的冷舌，冷平流强盛，700 hPa 0℃线位于贵州东南部到南部、贵州大部700 hPa温度 < 0℃，贵阳机场为−5℃左右。22日14时川渝的低涡切变南下影响贵州中部，低涡切变有利于水汽在贵州中部辐合；贵州中部以南依旧受显著的西南急流控制，西南急流有利于孟加拉湾的水汽输送和辐合。从温度场来看，冷暖气流在贵州中部交汇，冷舌控制四川南部、云南北部及东北部、贵州大部，冷平流强盛。贵州中部温度为−5℃，干冷、暖湿空气在贵州中部交汇，贵阳机场降雪天气持续(图4(b))。
Figure 4. Circulation situation at 700 hPa (wind feather: wind, unit: m·s−1; red line: temperature, unit: ˚C): (a) February 21, 2022 at 12:00; (b) February 22, 2022 at 06:00
图4. 700 hPa环流形势(风羽：风，单位：m·s−1；红线：温度，单位：℃)：(a) 2022年2月21日12时；(b) 2月22日06时
4.3. 850 hPa环流形势
如图5(a)可见，降雪开始前期冷空气已由黄河下游南下影响长江中下游，再向西推进经湖南影响贵州大部。贵州大部受东北回流的偏北气流控制。另外，华南到贵州南部广西一带存在明显的切变线。从温度场来看，850 hPa冷空气活动较强。温度槽位于云南东南部到西南部，0℃线位于贵州以南，贵阳机场850 hPa温度为−5℃附近。降雪开始中期，相比于21日12时850 hPa 0℃线及云南东南部温度槽继续南压。贵州大部受青藏高原东部南下的偏北和东北回流的偏东北气流共同作用，贵州中部风速达到10米/秒，华南到贵州南部广西一带的切变线依旧维持(图5(b))。850 hPa偏北和偏东北气流使低层冷垫维持，有利于贵州出现降雪天气。华南到广西一带的切变线，有利于冷空气对贵州的持续影响。
以上分析可知，此次过程700 hPa和850 hPa冷空气活动均较强，冷空气影响贵州大部。
Figure 5. Circulation situation at 850 hPa (wind feather: wind, unit: m·s−1; red line: temperature, unit: ˚C): (a) February 21, 2022 at 12:00; (b) February 22, 2022 at 06:00
图5. 850 hPa环流形势(风羽：风，单位：m·s−1；红线：温度，单位：℃)：(a) 2022年2月21日12时；(b) 2月22日06时
4.4. 近地面形势
如图6(a)可见，降雪开始前期40˚N以北蒙古冷高压已形成，中心气压为1040 hPa。云贵静止锋位于云南东部，贵州大部受静止锋后冷空气影响。1030 hPa等压线西伸至贵州中部。降雪中期，蒙古冷高压维持并向南压至35˚N附近，1030 hPa等值线西伸至贵州中部，云贵静止锋略微西推(图6(b))。
蒙古冷高压维持，有利于冷空气从偏北路径或偏东北路径影响贵州，维持贵州全省低温环境。云贵静止锋维持，当锋面处于活跃阶段，锋面逆温较强，锋面伸展较远，贵州全省受云贵静止锋影响。
Figure 6. Near-surface circulation situation (black solid line: sea level air pressure, unit: hPa; red line: temperature, unit: ˚C): (a) February 21, 2022 at 12:00; (b) February 22, 2022 at 06:00
图6. 近地面环流形势(黑实线：海平面气压，单位：hPa；红线：温度，单位：℃)：(a) 2022年2月21日12时；(b) 2月22日06时
如图7所示，2022年2月19日00时~22日12时冷空气是自东向西影响贵州大部的。从冷空气中心值变化来看，2月19日00时~12时，1030 hPa强度的冷空气在107˚E附近；19日12时~2月20日00时冷空气向西推进，1030 hPa强度的冷空气西伸至105˚E附近，到达云南东部，冷暖空气在云南东部形成云贵静止锋，贵阳机场19日16~20日00时短时出现小雪天气；2月20日12时~2月21日00时，1030 hPa强度的冷空气略微东退至106˚E附近，云贵静止锋相应地向东摆动，位置变化不大；2月21日12时~22日09时1030 hPa强度冷空气西进到102˚E，到达云南中部，此时云南东部到贵州大部受低温雨雪天气影响；其中，22日00时~09时中心强度为1032.5 hPa的冷空气控制贵州中东部，受强冷空气影响、配合有利的环流形势，贵阳机场短时出现中雪天气。
Figure 7. Longitude-time profile of sea level pressure (unit: hPa) along 26.5˚N from 00:00 on February 19, 2022 to 12:00 on February 22, 2022
图7. 2022年2月19日00时~2月22日12时海平面气压(单位：hPa)沿26.5˚N的经度–时间剖面
5. 物理机制分析
5.1 温湿特征
图8分析了2022年2月19日00时~22日15时贵阳机场上空温度场和相对湿度场时间–高度剖面的演变情况。从温度场来看，整层为冷性结构。900 hPa以上温度均在0℃以下，随时间变化不大。从相对湿度场来看，19日15~20日03时相对湿度大于90%的湿度层达到400 hPa以上，且云顶温度达到−25℃，配合近地面冷空气的补充，贵阳机场短时出现小雪天气；21日11~22日09时相对湿度大于90%的湿度层达到400 hPa，且温度在−25℃附近，配合500 hPa南支槽、700 hPa西南急流及低涡切变、850 hPa偏北及偏东北气流、地面强冷空气持续补充，贵阳机场出现持续性小雪，短时中雪天气。
Figure 8. Time-altitude profile of temperature and humidity at Guiyang Airport (106.8˚E, 26.5˚N) from 00:00 on February 19, 2022 to 21:00 on February 22, 2022 (shadow: relative humidity, unit: %; isoline: temperature, unit: ˚C)
图8. 2022年2月19日00时~2月22日21时(世界时)温度湿度在贵阳机场(106.8˚E, 26.5˚N)的时间–高度剖面(阴影：相对湿度，单位：%；等值线：温度，单位：℃)
Figure 9. The zonal vertical profile of temperature and humidity along 26.5˚N (latitude of Guiyang Airport) (a) February 21, 2022 at 12:00, (b) February 22 at 00:00, (c) February 22 at 12:00 (green shadow: relative humidity, unit: %; gray shadow: terrain; isoline: temperature, unit: ˚C)
图9. (a) 2022年2月21日12时、(b) 22日00时、(c) 22日12时温度湿度沿26.5˚N (贵阳机场所在纬度)的纬向垂直剖面(绿色阴影：相对湿度，单位：%；灰色阴影：地形；等值线：温度，单位：℃)
为进一步研究降雪期间、降雪结束温湿特征的分布，本文选取2022年2月21日12时(a)、22日08时(b)、22日12时(c)温度湿度沿26.5˚N的纬向垂直剖面进行分析。如图9(a)所示，2月21日12时105˚E~108˚E相对湿度大于90%的湿度层达到400 hPa，云顶温度为−25℃，且整层为冷性结构。22日06时，达到400 hPa的相对湿度大于90%的湿度层向西推进至100˚E附近(云顶温度为−30℃)，向东扩展到110˚E，且整层为冷性结构(图9(b))。配合强冷空气影响，22日06时云南中东部、贵州大部、湖南西部出现大范围降雪天气，与当日实况比较一致。同时也说明此次过程冷空气是自东向西推进的，与图7分析的结论相吻合。22日12时，湿层明显减弱，贵阳机场降雪结束(图9(c))。
Figure 10. (a) February 21, 2022 at 12:00, (b) February 22 at 00:00, (c) February 22 at 12:00 700 hPa water vapor flux divergence and specific humidity distribution (shadow: specific humidity, unit: g/kg; isoline: water vapor flux divergence, unit: 10−8 g·cm−2·hPa−1·s−1; the red triangle is the location of Guiyang Airport)
图10. (a) 2022年2月21日12时、(b) 22日00时、(c)22日12时700 hPa水汽通量散度及比湿分布(阴影：比湿，单位：g/kg；等值线：水汽通量散度，单位：10−8 g·cm−2·hPa−1·s−1；红色三角形为贵阳机场位置)
如图10(a)所示，2022年2月21日12时贵阳机场降雪前期，比湿大值区呈东北–西南向分布，除贵州西北部、北部、东北部外，贵州大部比湿均大于3.5 g/kg。水汽通量散度除西部、东北部、东南部外贵州大部均小于010−8 g·cm−2·hPa−1·s−1，贵州大部水汽辐合明显。水汽通量散度、比湿的分布与2月21时700 hPa西南急流分布相吻合。即来自孟加拉湾的西南急流为贵州大部提供了充足的水汽。如图10(b)，相比降雪前期比湿和水汽通量散度均变化不大。如图10(c)，22日12时贵阳机场降雪结束，贵州大部比湿均小于3 g/kg，湿度较小；贵州大部水汽通量散度均大于0，水汽辐散。
5.2. 动力特征
Figure 11. (a) Time-altitude profile of wind field (unit: m·s−1), vertical speed (unit: hPa·s−1); (b) water vapor flux divergence (unit: 10−8 g·cm−2·hPa−1·s−1) at Guiyang Airport (106.8˚E, 26.5˚N) from 00:00 on February 19, 2022 to 21:00 on February 22, 2022
图11. (a) 2022年2月19日00时~2月22日21时风场(单位：m·s−1)、垂直速度(单位：hPa·s−1)，(b) 水汽通量散度在贵阳机场(106.8˚E, 26.5˚N)的时间–高度剖面
由图11(a)可见，500 hPa西南急流维持，19日15~20日00时800 hPa~850 hPa之间偏东北风加大，最大风速达到14 m/s，且相对湿度大于90%的湿层达到400 hPa、云顶温度达到−25℃，配合近地面冷空气的补充，贵阳机场短时出现小雪天气；700 hPa西南急流维持，在22日14时受低涡切变南下影响转为西北气流；850 hPa 21日15时后受偏北路径和东北路径冷空气共同作用，北风加大到10 m/s；21日14时后强冷空气补充、冷垫加厚至700 hPa以下。由垂直运动来看，19日15~20日00时、21日04~22日09时中低层700 hPa~850 hPa间垂直速度均小于等于0，上升运动显著；配合环流形式及温湿特征，期间贵阳机场出现小雪、短时中雪天气。22日09时后垂直速度大于0，转为下沉运动、贵阳机场降雪天气也趋于结束。
如图11(b)分析了2022年2月19日00时~22日15时贵阳机场上空水汽通量散度的时间–高度演变情况。由图可见，19日15~20日00时、21日04~22日09时中低层700 hPa~850 hPa间水汽通量散度均小于0，水汽辐合；配合环流形式及温湿特征，期间贵阳机场出现小雪、短时中雪天气。22日09时后水汽通量散度大于0，水汽辐散、贵阳机场降雪天气也趋于结束。
6. 结论
综合以上分析，得到如下结论：
1) 2008~2022年贵阳机场降雪年际变化特征明显，降雪日数整体呈缓慢减少趋势，年平均降雪日数为8天；降雪多集中在冬季、出现时间集中在23时到次日12时(北京时)；
2) 此次降雪是在有利的环流背景下发生的；
3) 降雪期间相对湿度大于90%的湿度层达到400 hPa以上，且云顶温度达到−25℃、整层为冷性结构；
4) 降雪期间中低层700 hPa~850 hPa间水汽通量散度均小于0，水汽辐合、湿度较大，期间垂直速度均小于等于0，上升运动显著，为降雪提供了有利的水汽和动力条件。配合环流形势及温湿特征，期间贵阳机场出现小雪、短时中雪天气。