1. 引言
九寨黄龙机场地处东经103˚40'56''，北纬32˚51'14''，海拔高度3447.6米，主降跑道方向20˚，位于四川省松潘县川主寺镇东北方向15 km，地处岷山南坡，岷江源头，东靠高山，南、西、北三面为深沟峡谷，地势险要，地形复杂。九黄机场天气气候多变，既有青藏高原典型的天气气候特征，又有明显的局地性山地气候特点，天气十分复杂[1]，影响航班安全、正常的灾害性天气活动频繁，受地形小气候的影响，机场区域天气变化快，给飞行造成巨大影响，造成飞机返航备降和延误的情况时有发生。根据《九寨黄龙机场航空气候志(2012~2016)》[2]，九黄机场四季均有降雪情况，累年平均降雪日数为65天，秋季平均降雪日数占全年平均降雪日数的24.9%，降雪平均初期为10月1日。10月初正逢国庆小长假旅游高峰，九黄机场航班量大，降雪天气严重影响了航班的正常运行，因此研究九黄机场10月份的降雪显得尤为重要。本文选取九黄机场2020年10月19日和2021年10月10日两次降雪过程进行对比和诊断分析，研究其形成机制，揭示九黄机场10月降雪过程的物理机制。
2. 降雪实况
Figure 1. Surface weather charts on October 19, 2020 (a) and October 10, 2021 (b) at 08:00
图1. 2020年10月19日 (a)和2021年10月10日 (b) 08时地面实况填图
2020年10月19日降雪过程(图1(a)，个例一)，08:00时降雪主要出现在红原县附近，九黄机场有小阵雨，08:50机场开始下小阵雪，09:19下中阵雪，主导能见度下降至900米，10:50结束第一波降雪；18:50开始第二波降雪，19:36出现中雪，至21:55航班结束，测得积雪深度6 cm，上午和晚上的航班均受降雪天气影响延误或取消。2021年10月10日的降雪过程(图1(b)，个例二)，08时降雪主要出现在红原—若尔盖县—甘肃南部，冷空气后部有较强的冷高压，机场附近以阵雨为主。随着冷空气进一步南压入侵，08:35机场出现雨夹雪，08:50转小雪，10:30主导能见度下降至1200米，11:22降雪结束。受降雪天气及伴随低云的影响，2个航班返航，上午的其余航班均延误。
3. 环流形势分析
3.1. 高空环流分析
Figure 2. Composite maps of 500 hPa wind speed on October 19, 2020 (a) and October 10, 2021 (b) at 08:00, overlaid with 200 hPa wind speed coloring maps (wind speed in the coloring part ≥26 m/s), and composite maps of 700 hPa wind speed on October 19, 2020 (c) and October 10, 2021 (d) at 08:00
图2. 2020年10月19日 (a)和2021年10月10日 (b) 08时500 hPa综合图叠加200 hPa风速填色图(填色部分风速 ≥ 26 m/s)、2020年10月19日 (c)和2021年10月10日 (d) 08时700 hPa综合图
分析个例一表明，2020年10月19日08时(图2(a))，200 hPa中国北方地区上空形成高空急流，该高空急流有南北两个急流核，北急流核位于青海–甘肃–陕西一带，其入口的强辐散区正对应着四川北部九黄机场附近，存在反气旋性弯曲；500 hPa上高空形势为两槽一脊型，在川西高原北部到青海东部有一西风槽，槽后有明显的冷平流，西风槽发展东移逐渐影响九黄机场，并带来很强的降温；孟加拉湾北部南支槽前西南气流将孟湾暖湿水汽向高原东部输送，冷暖气流在高原的东部交汇辐合。700 hPa (图2(c))上高原北部有一横向的切变辐合区逐渐闭合形成低涡，并发展东移，机场位于低涡外围，有较强的辐合上升气流。
分析个例二表明，2021年10月10日08时(图2(b))机场位于高空急流的右侧，具有反气旋性切变。500 hPa上高空形势为一槽一脊型，低纬度地区形成“双台风”，中高纬度地区有西风槽东移，机场为西南气流控制。700 hPa (图2(d))在川陕边界有一切变线逐渐南压，随着切变线南压，冷空气逐渐入侵四川北部，与西南暖气流在高原东侧交汇，形成降雪。
综上，个例一随西风槽东移，槽后西北气流引导冷空气南下，个例二冷空气随切变线南压入侵川西高原，两次降雪过程均由冷暖气团交汇引起；高层抽吸作用增强抬升运动有利于降雪的维持。个例一有南支槽存在，水汽条件较好，降雪量大。
3.2. 地面温压风分析
Figure 3. Revised sea level pressure on October 19, 2020 at 08:00 (a), October 10, 2021 at 08:00 (b), and 14:00 (c) Beijing time
图3. 北京时间2020年10月19日08时 (a)、2021年10月10日08时 (b)和14时 (c)修正海平面气压
个例一降雪前机场最低气温0.7℃，降雪期间温度维持在0~2.2℃。19日08时(图3(a))修正海平面气压1024 hPa线南压过机场，机场修正海平面气压最高值为1031.2 hPa。午后气温回升至6.6℃，修正海平面气压最低将至1025.2，降雪停止，18时气温降至2.6℃，机场修正海平面气压1027.8 hPa，随后18:50第二波降雪开始。第一波降雪期间维持西南风1~3 m/s，第二波降雪开始前逐渐转为东北风3~8 m/s。个例二降雪前机场最低气温1.8℃，降雪期间温度维持在0.2℃~1.8℃。机场08时(图3(b))修正海平面气压1024 hPa线过机场，机场修正海平面气压最高值1034.4 hPa，降雪期间维持东北风，风速3~6 m/s，导致20号跑道头顺风超标，14时(图3(c))冷高压已北退，1022 hPa线已退回机场北侧。
综上，九黄机场10月降雪天气气温维持在0~2.2℃，地面修正海平面气压一般大于1024 hPa，机场东北部有冷高压，地面风向为东北风或弱的偏南风。
3.3. 温度场分析
分析600 hPa温度场(图4(a))，个例一19日08时(北京时)在机场附近形成一个−5℃的冷中心，结合图4(b)可知，午后温度略有回升，18~21时后再次降温至−6℃，降雪期间600 hPa温度一直维持在−5℃以下，个例一低层冷平流很强，且不断有冷空气补充，有利于降雪的长时间维持。个例二降雪前(10日08时) (图4(c)) 600 hPa的−2℃等温线南压过机场，无冷空气补充，11~12时再次回升至−2℃以上，降雪停止。根据经验总结，600 hPa的−2℃等温线可作为九黄机场10月降雪过程中低层降温的参考线。
Figure 4. Temperature field at 600 hPa on October 19, 2020 (a) and October 10, 2021 (c) at 08:00; Time series chart of temperature from October 18th to 19th, 2020 (b) and October 9th to 10th, 2021 (d) (with UTC time as the horizontal axis in the chart)
图4. 2020年10月19日 (a)和2021年10月10日 (c) 08时600 hPa温度场；2020年10月18~19日 (b)和2021年10月9~10日 (d)温度的时间系列图(图中横坐标为UTC时间)
4. 物理量诊断分析
4.1. 水汽通量
分析500 hPa水汽通量图(图5)表明，两次降雪过程水汽均主要来源于550 hPa~500 hPa上水汽的输送，孟加拉湾是主要的水汽来源地。
个例一降雪前(图5(a))在川西高原上有一片较大的水汽输送带，水汽通量中心值高达6 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1，九黄机场附近500 hPa的水汽通量为0~2 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1，西南面有源源不断的水汽往机场方向输送。结合图5(b)可知，08~21时机场上空600 hPa~500 hPa一直维持2.5~5 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1的水汽通量大值区，中心位于500 hPa附近，为机场长时间的降雪过程提供了充足的水汽，22时后水汽通量迅速减小至0.5 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1以下，降雪也逐渐减弱。个例二10日00~08时(图5(c))机场上空550 hPa一直有较强的水汽输送，但降温不足，机场以降雨为主。08时大值区向500 hPa转移，随后水汽通量逐渐减小，500 hPa维持4~6 g∙cm−1∙hPa−1∙s−1的水汽通量大值区。
Figure 5. Water vapor flux and water vapor transport direction at 500 hPa on October 19, 2020 at 08:00 (a); Time series charts of water vapor flux from October 18th to 19th, 2020 (b) and October 9th to 10th, 2021 (c) (the horizontal axis in the figure is UTC time, unit: g·cm−1∙hPa−1∙s−1)
图5. 2020年10月19日08时 (a) 500 hPa水汽通量和水汽输送方向；2020年10月18~19日 (b)和2021年10月09~10日 (c)水汽通量时间系列图(图中横坐标为UTC时间，单位是g∙cm−1∙hPa−1∙s−1)
4.2. 水汽通量散度
区域强降水(雪)与大气中水汽的辐合有关，水汽通量散度能够较好反映大气中水汽的含量和聚集程度[3] [4]，充足水汽的汇合是大雪和暴雪发生的重要物理条件之一，大气中水汽的多少、传输特点及其聚散度对降水大小有着重要影响[5]。
个例一(图6(a))降雪前在川西高原东部有一呈西北–东南向的带状辐合中心，中心强度达−3.5 × 10−6 g/(cm2∙hPa∙s)，南支槽前西南气流输送过来的水汽在该区域积聚，并逐渐移向机场，10月19日08时机场上空的水汽通量散度为−1.5 × 10−6 g/(cm2·hPa∙s)，午后水汽逐渐移向机场东北区域，降雪停止。20时(图6(b))水汽再次在川西高原形成大片的带状辐合中心，中心强度为−4 × 10−6 g/(cm2∙hPa∙s)，且辐合中心随着西南气流不断靠近机场，机场开始出现中等强度的降雪。个例二(图6(c))降雪前水汽辐合中心位于红原附近，中心强度仅为−1.5 × 10−6 g/(cm2·hPa∙s)，对红原出现较强的降雪(图1(b))，机场附近水汽通量散度为0，降雪所需水汽主要是沿着西南气流输送过来的，由于没有水汽的积聚，降雪持续时间较短。
综上，个例一强水汽输送区对应有较强的水汽积聚，，降雪量大，积雪深度达6 cm；个例二机场虽然有强的水汽输送，但无明显水汽积聚，降雪时间短。
Figure 6. Water vapor flux divergence at 500 hPa on October 19, 2020 at 08:00 (a) and 20:00 (b), and October 10, 2021 at 08:00 (c), in units of 10−6 g/(cm2∙hPa∙s)
图6. 2020年10月19日08时 (a)和20时 (b)、2021年10月10日08时 (c) 500 hPa水汽通量散度，单位为10−6 g/(cm2∙hPa∙s)
4.3. 垂直速度分析
Figure 7. Vertical velocity profiles (in units of 10−2 hPa/s) along 103.6˚E at 08:00 (a) and 20:00 (b) on October 19, 2020, and 08:00 (c) on October 10, 2021
图7. 2020年10月19日08时 (a)和20时 (b)、2021年10月10日08时 (c)沿103.6˚E的垂直速度剖面图(单位：10−2 hPa/s)
从垂直速度分布来看，个例一19日08时(图7(a)) 33˚N以南有倾斜的上升气流，中心值为−0.15 × 10−2 hPa/s，300 hPa以上为下沉气流，这与前面的分析一致，中低层辐合上升，高层则辐散下沉。33˚N以南为下沉气流。即高纬度地区气流下沉，低纬度地区气流上升，易形成有组织的对流云团[6] [7]。随着对流的发展，机场附近上升气流进一步增强，19日20时(图7(b))机场上空为一致的强上升气流控制，上升区强度加强，中心值为−0.21 × 10−2 hPa/s，在300 hPa附近。个例二10日08时(图7(c))机场上空为一致的倾斜上升气流控制，中心值为−0.2 × 10−2 hPa/s，在400 hPa附近。综上，两次降雪过程九黄机场上空均存在倾斜的上升气流，中心区位于300~400 hPa附近。
4.4. 湿位涡分析
Figure 8. Distribution of MPV1 at 600 hPa at 08:00 (a) and 20:00 (b) on October 19, 2020 and 08:00 (c) on October 10, 2021; MPV2 distribution map along 103.6˚E at 08:00 (d) and 20:00 (e) on October 19, 2020, and 08:00 (f) on October 10, 2021
图8. 2020年10月19日08时 (a)和20时 (b)、2021年10月10日08时 (c) 600 hPa的MPV1分布图；2020年10月19日08时 (d)和20时 (e)、2021年10月10日08时 (f)沿103.6˚E的MPV2分布图
湿空气的位势涡度称为湿位涡。Hoskins [8]指出绝热无摩擦情况下位涡与湿位涡守恒以及湿位涡为负时可能产生的对称不稳定。吴国雄等[9]从严格的原始运动方程出发，把饱和大气中的水汽凝结潜热的作用引进位涡分析中，得到了等压面上湿位涡。湿位涡可分为湿正压项MPV1和湿斜压项MPV2。MPV1为湿位涡的正压项，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量与相当位温的垂直梯度的乘积。MPV2为湿位涡斜压项，包含了湿斜压性以及风垂直切变两项，是衡量湿斜压性和风垂直切变的综合物理量。一般来说，绝对涡度为正值，当对流稳定时，湿正压项MPV1 > 0，只有湿斜压项MPV2 < 0时，垂直涡度才能得到较大增长，此时MPV2负值越强表明大气斜压性越强。当对流不稳定时，MPV1 < 0，只有湿斜压项MPV1 > 0，垂直速度才能得到较大增长。湿位涡单位为PVU (1PVU = 10−6 m2∙k∙s−1∙kg−1)。
4.4.1. 正压位涡(MPV1)分析
个例一和个例二降雪过程中冷暖气团交汇较为强烈的区域位于600 hPa附近，因此本文选取600 hPa的MPV1图进行分析。从个例一MPV1分布图可以看出，19日08时(图8(a))川渝边界存在一个MPV1正值中心，中心强度为0.9PVU，对应重庆北部出现强降雪，机场上空强度为0.7PVU，随后08:50机场开始降雪，19日14时机场上空强度为0.4PVU (图略)，此时机场无降雪，19日20时(图8(b)) MPV1正值范围扩大，机场附近强度明显加强，机场上空强度为0.7PVU，降雪范围也进一步扩大。从个例二MPV1分布图(图8(c))和降雪分布图(图1(b))可以看出，MPV1 ≥ 0.6PVU等值线的区域大致对应出现降雪的区域。因此，对流层中低层MPV1正值区与降雪中心有较好的对应关系，MPV1正值的变化与降雪强度变化一致。
4.4.2. 斜压位涡(MPV2)分析
从两次降雪过程沿103.67˚E的湿位涡斜压项经向垂直剖面图可以看出，个例一19日08时(图8(d))，机场上空MPV2 < 0，其绝对最大值为−0.7PVU，在400~500 hPa附近，MPV2中心值从低纬度地区向高纬度地区倾斜上升。19日20时(图8(e))随着冷空气的不断补充，锋区加强，大气的斜压性加强，|MPV2 < 0|增大，其中心值为−0.9PVU，且中低层的MPV2绝对值增大明显，斜压性加强，|MPV2 < 0|得到较大增长时段与较强降雪时段对应。|MPV2 < 0|得到较大增长，其附近的垂直涡度增大，导致下滑倾斜涡度发展，降雪加强。个例二10日08时(图8(f))机场上空MPV2 < 0，其绝对最大值为−0.6PVU，机场附近大气有较强的大气斜压性，高纬度地区36˚N~38˚N上空出现−1.2PVU的强中心，对应高纬度有较强的降雪。降雪中心位于MPV2绝对值得到较大增长的区域。
5. 结论
两次降雪过程虽然降雪量不一样，但都导致九黄机场部分航班延误或取消，严重影响了九黄机场的正常运行。通过对两次降雪过程的天气形势和物理量诊断分析，得出以下结论：
(1) 两次降雪过程均由冷暖气团交汇引起，高层的抽吸作用增强抬升运动有利于降雪的维持。个例一随西风槽东移，槽后西北气流引导冷空气南下，机场先出现强降温，降雪随着西南部的水汽输送过来而开始；个例二冷空气随切变线南压入侵川西高原，水汽条件先满足，降雪随着降温开始出现。水汽和降温是降雪两个必备的条件，降雪只有在两个条件同时满足时才会发生。
(2) 600 hPa的−2℃线可作为九黄机场10月降雪过程中低层降温的参考线，10月降雪过程地面气温一般在0~2.2℃。
(3) 个例一有源源不断的水汽输送，且有较强的水汽积聚，降温幅度大，降雪较强；个例二降温不强，无明显水汽聚集，降雪时间短。
(4) 正压位涡(MPV1)正值的变化与降雪强度变化一致，降雪中心位于斜压位涡(MPV2)绝对值得到大增长的区域；两次降雪过程九黄机场上空均有倾斜的上升气流存在。