1. 引言
暴雪作为高原牧区冬季雪灾的最直接诱因，每年或多或少都会出现[1]。暴雪给农牧业生产带来巨大损失，对交通和人民生活产生巨大影响，其预报预警研究对气象服务有着十分重要的意义。目前国内不少气象工作者对暴雪气候特征和预报技术进行了研究，庄晓翠等[2]指出，阿勒泰地区冬季大到暴雪具有明显的年代际变化特征，长期变化趋势均呈显著的线性增多趋势，暴雪频率及贡献率的变化是造成该地区冬季降雪量发生变化的内在因素。陈海山等[3]研究发现，中国北方冬季暴雪发生频次较高区域主要位于东北，在空间分布上呈现由西北向东南增加的态势，且存在明显的年代际变化特征。高玉中等[4]研究表明，低涡是黑龙江省暴雪的主要影响系统。很多研究从天气诊断分析角度对各地暴雪发生的水汽、动力等物理量预报指标进行了研究，认为深厚的湿层和强烈的水汽辐合为暴雪提供了充沛的水汽条件，“高空辐散、低空辐合”以及强劲的上升运动是暴雪的动力条件[5]-[26]。青藏高原作为我国积雪最丰富的三大区域之一，其强降雪天气的系统研究主要集中在高原东部[27]-[32]，西藏多以气候特征和天气个例分析居多。气侯研究人员分析西藏高原大到暴雪天气的气候特征发现，高原大到暴雪主要环流形势分为：印度低压型、南北支槽型、巴尔喀什湖低压型、伊朗高压型和高原低涡–切变型[33] [34] [35]。近十年，随着多模式数值预报产品在西藏高原气象业务的深入应用，西藏暴雪天气过程个例诊断分析较多[36]-[40]，而暴雪预报指标的凝炼工作还没有开展。
西藏暴雪强度以南部为最，西藏南部涵盖了高原的两个雪灾高频中心，即以聂拉木为中心的喜马拉雅山脉中段区和以错那为中心的喜马拉雅山脉东段区；该区域雪灾以中灾和重灾为主，其中喜马拉雅山脉中东段中灾和重灾频率都达到25%，占总数3/4 [41]，因此西藏南部暴雪气候特征和预报指标分析研究十分必要。就目前而言，针对西藏南部暴雪的研究以天气个例分析为主，气候特征和预报技术的研究较少，而且缺乏系统的分析。因此，开展西藏南部暴雪气候特征和预报指标分析，可为今后暴雪预报提供思路和着眼点，进而提升西藏南部地区雪灾天气的防御能力。
2. 资料及方法
2.1. 研究区概况
根据中国气象地理区划[42]，西藏南部位于我国西南边陲，南与尼泊尔、不丹、锡金、印度四国接壤，西起阿里普兰县，东至山南隆子县，地理位置80˚E~94˚E，26.8˚N~29˚N，面积约13.13万平方公里[43]，涵盖阿里地区东南部、日喀则市南部和山南市南部的喜马拉雅山中段生态屏障区，地貌以高原、山地和河谷为主，平均海拔高度在4000米以上，8000米以上的山峰达11座。与地形地貌相对应，西藏南部气候类型多样，区域差异和垂直变化十分明显，由于山峦重叠、河流纵横、湖泊星罗棋布，形成了多种多样的区域气候以及明显的垂直气候带。喜马拉雅山北坡地势平缓，降水较少，年降水量在400 mm左右，以植物种类单一的高寒草原为主；南坡地势陡峻，雨量充沛，冬季多暴雪，年降水量在600 mm以上，以生物种类丰富多样的亚热带常绿林为主。
Figure 1. Distribution of meteorological stations on the southern Xizang
图1. 西藏南部地理位置及气象站点分布
2.2. 资料与方法
2.2.1. 资料来源
利用西藏南部(即阿里的普兰、日喀则的聂拉木和帕里、山南的错那和隆子) 5个气象观测站(图1中三角符号标注) 1981~2014年地面降水、积雪和温度资料，以日降水量 ≥ 10 mm，同时积雪深度 ≥ 5 cm、日平均温度 ≤ 0℃来判断暴雪日[43]，分析西藏南部暴雪的气候特征；同时运用2001~2014年暴雪天气的环流形势场及T639物理量资料，基于GIS的格点精细化预报插值方法，计算5个站点的预报诊断物理量。
2.2.2. 预报方法
对暴雪过程的热力、水汽、动力条件的物理量进行统计，根据各物理量对暴雪重要程度确定其权重系数，选取暴雪过程中与降水关系密切且物理意义明确的多个物理量作为可发生暴雪天气的预报临界指标值[44]，建立西藏南部暴雪预报方程；重新将每个预报因子代入预报方程，选取概括全部历史个例的Y值为临界值YC；当500 hPa环流场满足暴雪天气形势，且方程Y值大于临界值YC时，则预报未来24 h将出现暴雪天气。
3. 西藏南部暴雪气候特征
3.1. 西藏南部暴雪月变化
分析1981~2014年西藏南部各站暴雪日数月变化(图2)发现，各地10月~次年5月均有暴雪出现，普兰和聂拉木基本呈单峰分布，帕里错那和隆子呈双峰分布。
帕里和错那暴雪日数峰值出现在3~4月和10月，帕里主峰值3月的暴雪日数为23天，次峰值10月的暴雪日数为20天；错那主峰值10月的暴雪日数为28天，次峰值4月的暴雪日数为25天；隆子暴雪日数较少，峰值10月暴雪日数为7天，5月为4天。帕里和错那谷值出现在12月，分别出现1天和2天的暴雪天气，而隆子1~3月几乎没有暴雪出现。聂拉木和普兰暴雪日数峰值出现在3月，暴雪日数分别为61和24天。尽管各站暴雪日数分布类型和峰值的所在月份不同，但暴雪过程均集中在初冬和春初，隆冬时期暴雪过程相对较少，这是因为该时段高原暴雪影响系统为西风带南支槽，水汽条件稍差，难以形成强降雪[33]。西藏南部西段与东段主峰值正好相反，主要与副热带高压的位置有关，西伸至90˚附近，高空槽的位置偏西偏北，造成普兰至聂拉木一带的强降雪；伊朗高压偏东时，造成西藏90˚以东地区的强降雪。
Figure 2. Monthly characters of the snowstorm days on the southern Xizang from 1981 to 2014
图2. 1981~2014年西藏南部各站暴雪日数月变化特征
3.2. 西藏南部暴雪年际变化
从1981~2014年西藏南部暴雪日数的年际变化(图3)分析发现，西藏南部各地暴雪日数变化趋势并不一致。东部的错那和帕里呈略微增多趋势，其增加幅度约为2天/100年左右；西部的聂拉木和普兰的暴雪日数呈减少趋势，各站减少幅度约为2~15天/100年之间；隆子暴雪年际变化不明显，以上均通过了0.05显著性水平检验。高原南侧的低值系统为西藏南部暴雪提供水汽来源，当副热带高压西伸明显，低值系统位于印度半岛及以西时，导致普兰至聂拉木一带的暴雪天气；否则，低值系统位于孟湾–中南半岛附近时，影响南部边缘东部至林芝南部暴雪天气；根据整理分析历年来副热带高压位置发现，西藏南部聂拉木一带暴雪天气减少明显与自20世纪末以来低值系统的所在位置偏东有关。另外，在全球变暖的背景下，降雪转变为降雨或雨夹雪，因此全球变暖也对聂拉木一带暴雪天气减少有一定的贡献[32]。
从西藏南部暴雪日数变化图可以看出，1981~2014年西藏南部平均暴雪日数为16.7天；从线性拟合结果分析，暴雪日数呈减少趋势；从5阶多项式曲线可以看出，年代际变化特征表现为：80年代至90年代初呈减少趋势，90年代中期至20世纪00年代变化不大，2010年以后呈增加趋势。近33年以来，1988年暴雪发生次数最多，达33站次，暴雪日数与近30年平均相比增加了97.4%；从各月暴雪日数分析，1988年10和1999年4月暴雪日数偏少20%，其余月份偏多2~7.8倍。从环流场(图略)上看，南支槽活跃，孟加拉湾和印度洋水汽输送高于多年平均值，导致高原南部暴雪过程频繁，暴雪日数偏多明显。
Figure 3. Interannual variation of the snowstorm days on the southern Xizang from 1981 to 2014
图3. 1981~2014年西藏南部及各站暴雪日数的年际变化
4. 西藏南部暴雪影响系统分析
对237次暴雪过程8:00时500 hPa天气形势进行分析，将暴雪天气形势归纳为南支槽型和孟湾风暴型，天气环流形式如图4所示。根据500 hPa高度场和地面降水实况资料，以西藏南部范围内1个站及以上出现暴雪为一次暴雪天气过程，对1981~2014年西藏南部的暴雪过程统计分析(表1)，1981~2014年共有237次暴雪过程，南支槽是产生西藏南部暴雪最多的天气系统，影响的暴雪过程达212次，约占93%；而孟加拉湾风暴和南支槽结合引发的暴雪过程15次，多发生在10~11月及次年5月，冬季后期和春季发生较少。
西藏距孟加拉湾较远，且受高原南坡地形影响，孟加拉湾风暴登陆后减弱，在南支槽的引导下，风暴外围云系携带大量水汽和能量在有利天气形势配置下在南部边缘地区形成强降雪。虽500 hpa上无明显的风暴环流特征，但能影响西藏南部边缘地区出现暴雪，1981~2014年共出现15次暴雪过程，约占全部过程的7%，多发生在10~11月及次年5月，冬季后期和春季发生较少。
Table 1. Interdecadal distribution of heavy snow impact systems in southern Tibet from 1981 to 2014
表1. 西藏南部1981~2014年暴雪影响系统的年代际分布
暴雪次数 影响系统 |
1981~1990年 |
1991~2000年 |
2001~2010年 |
2011~2014年 |
合计 |
南支槽型 |
66 |
67 |
57 |
22 |
212 |
孟加拉湾风暴型 |
4 |
3 |
6 |
2 |
15 |
Figure 4. Conceptual model of snowstorm on the southern Xizang (left：South Branch Trough, right: Southern Branch Trough in the Subtropical Westerlies Combined with Storm over the Bay of Bengal)
图4. 西藏南部暴雪天气概念模型(左：南支槽型，右：孟加拉湾风暴和南支槽结合型)
另外，高低空急流配置和水汽条件对暴雪天气有非常重要的作用。在237次西藏南部暴雪天气中，其中229次伴有20 m/s的低空急流，占所有暴雪过程的27%，几乎每次暴雪天气都伴有40~70 m/s的高空急流。低空急流与南部暴雪强度无明显的相关性，而高空急流与暴雪天气出现密切相关，同时受高原地形的影响(表2)。同时孟湾一带t~t d维持在4℃~8℃之间为西藏南部暴雪提供充沛的水汽。
Table 2. Distribution of upper-level jet stream and lower-level jet stream on snowstorm in the southern of Xizang from 1981 to 2014
表2. 西藏南部1981~2014年暴雪过程的高空急流和低空急流的分布情况
影响因素 |
高空急流 |
低空急流 |
次数 |
百分比 |
次数 |
百分比 |
次数及比例 |
220 |
97% |
63 |
28% |
5. 西藏南部暴雪形成物理机制分析
由于1981~2014年237次暴雪过程中单一南支槽引发的暴雪占93%，因此以单一南支槽暴雪过程为例对西藏南部暴雪进行物理量诊断进行统计分析，整理暴雪过程各物理量的数值范围，形成由南支槽引发的西藏南部暴雪天气的物理量指标。
5.1. 动力特征
(1) 垂直速度(ω)。降雪发生在上升运动区。统计2001~2014年西藏南部发生暴雪天气过程发现，500 hPa以下垂直速度为正，但400 hPa以上垂直速度多为负。垂直上升运动中心位于400 hPa，其值一般为−42.2 × 10−2~8 × 10−2 Pa·s−1。从垂直分布可以看出，在暴雪天气过程区域一般整层(从500~200 hPa)为上升运动区。(2) 散度(DIV)。低层辐合与高层辐散的有效配合使上升运动加强和维持，有利于西藏南部地区暴雪天气的开始和维持。在29次暴雪过程中，DIV500 hPa < 0区域有很好的对应，低层维持辐合状态，其值大致为−6 × 10−6~−22 × 10−6 s−1，500 hPa辐合区域出现和消失的时间与降雪开始和结束的时间有较好的对应关系。从200 hPa散度分析可知，29次过程均存在高层辐散，即DIV200 hPa > 0，其值大致为2 × 10−6~71.6 × 10−6 s−1。散度的垂直分布特征分析发现，暴雪天气过程发生在高层辐散远大于低层辐合的区域，200~500 hPa的散度差值越大，降雪强度越强。
5.2. 热力特征
假相当位温(θse)表征大气的温湿特征和垂直运动，反映了大气中的能量分布。分析西藏南部暴雪天气的500 hPa假相当位温发现。当暴雪天气发生时，500 hPa假相当位温值大约在38.2℃~56.9℃之间，暴雪天气过程常发生于500 hPa假相当位温能量大值区或梯度高值区。伴随西南气流水汽输送的增强，大气能量大值区内明显从印度半岛向东北方向扩展，西藏南部处在能量梯度高值区，能量梯度逐渐加大，暴雪过程开始；南支槽东移，西南气流输送的暖湿空气的减弱东移，能量大值区强度逐渐减弱至消失，降雪过程结束。
5.3. 水汽条件
充沛水汽的供应有利于西藏南部暴雪的发生，主要集中在500 hPa以下对流层的中低层。因此选取500 hPa比湿、500 hPa水汽通量和500 hPa水汽通量散度分析水汽条件与暴雪天气过程落区的关系。(1) 500 hPa比湿(Q)。西藏南部发生暴雪天气时，500 hPa比湿值大致为1~5 g·kg−1。降水开始前，水汽沿中低层(600~400 hPa)西南气流向东北输送，水汽含量增加，暖湿空气带不断向高原伸展，暴雪天气过程大多数在西藏南部伴有风速辐合，暴雪天气落区多位于湿中心前部，并且≥2 g·kg−1；或位于比湿大值中心或其西侧比湿梯度大值区。(2) 500 hPa水汽通量(Q_FLUX)。西藏南部发生暴雪天气的500hPa水汽通量值一般为1~6 g·s−1∙hPa−1∙cm−1，为暴雪提供水汽，大多数来源于孟加拉湾或阿拉伯海，暴雪天气落区大多数位于水汽通量梯度大值区，有时位于水汽通量大值中心通常与低空西南急流配合。(3) 500 hPa水汽通量散度(Q_DIV)。分析暴雪天气的500 hPa水汽通量散度可以看出，29次过程全部发生在水汽通量散度负值区，即存在水汽辐合，其数值变化范围在0~−14 × 10−8 g·s−1∙cm−2∙hPa−1之间。水汽通量散度从正变为负时暴雪开始，再次转为正值时，暴雪过程基本结束。辐合越强暴雪强度越大，暴雪天气通常出现在500 hPa水汽通量散度负值中心，有时出现在500 hPa水汽通量散度由正变为负的过渡区域。
5.4. 西藏南部暴雪预报指标分析及检验
通过上述西藏南部暴雪天气落区与各物理量分布的关系分析，总结归纳有利于西藏南部暴雪天气的物理量指标并制定其临界值(见表3)。
Table 3. Critical value of physical variables index of blizzard on the southern Xizang
表3. 西藏南部暴雪物理量指标临界值
临界值 |
Q500 HPa (g/kg) |
Q_FLUX500 HPa (g/s∙hPa∙c) |
Q_DIV500 HPa (g/s∙cm2) |
DIV500 hpa~200 hpa (/s) |
ω400 hpa (m/s) |
θse500 hpa (℃) |
西藏南部暴雪 |
1.8 |
1.6 |
−1 |
12 |
−20.3 |
44 |
西藏南部暴雪发生在高湿、大尺度上升运动、层结不稳定区域，单一的物理量不能判断是否有暴雪天气发生，需结合以上表征暴雪发生条件的各物理量指标综合判断。利用各物理量预报指标对2015年西藏南部四次暴雪过程进行检验(表4)：从检验结果可以看出，个例1的水汽、上升运动及热力条件等各物理量对西藏南部暴雪天气形成有利，降雪强度较大；而个例2、个例3和个例4的水汽、动力条件相对较差，降雪强度稍弱；其中个个例4虽然水汽和热力条件较好，但是上升运动明显偏弱，因此在四次暴雪过程中降雪强度最小。
Table 4. Application test of physical variables index of blizzard in the southern Xizang
表4. 西藏南部暴雪物理量预报指标应用检验
暴雪个例 |
比湿500 HPa (g/kg) |
Q_FLUX500 HPa (g/s∙hPa∙cm) |
Q_DIV500 HPa (g/s∙cm2) |
DIV500 hpa~200 hpa (/s) |
ω400 hpa (m/s) |
θse500 hpa (℃) |
站点日降水量(mm) |
聂拉木 |
普兰 |
1. 20150101 |
2 |
4 |
−3 |
47 |
−35 |
55 |
62.7 |
32.8 |
2. 20150225 |
1 |
2 |
−1 |
20 |
−26 |
53 |
25.0 |
26.1 |
3. 20150301 |
2 |
2 |
−1 |
43 |
−17 |
55 |
31.0 |
16.2 |
4. 20150412 |
3 |
2 |
−1 |
12 |
−15 |
60 |
24.7 |
10.4 |
6. 结论
利用1981~2014年降水资料、环流场及物理量资料对西藏南部暴雪的气候特征及预报指标进行了分析，结果表明：
(1) 西藏南部各地冬半年10月~次年5月均可出现大到暴雪，西段暴雪日数特征基本呈单峰分布，东段呈双峰分布。在变化趋势方面，除错那和帕里呈略微增多趋势外，其余各地暴雪次数总体呈减少趋势，各站减少幅度约为0.5~15 d/100年，西藏南部暴雪减少与全球变暖的气候背景有关。
(2) 影响西藏南部暴雪的主要天气系统为：单一南支槽和孟湾风暴与南支槽配合两大类型；高空急流和充沛的水汽条件与西藏南部暴雪强度密切相关，可以作为西藏南部暴雪天气的预报依据。
(3) 在动力和热力条件方面，暴雪落区通常伴随较强的上升运动区，400 hPa辐合区域出现和消失的时间与降雪开始和结束的时间有较好的对应关系；高层辐散远大于低层辐合差值越大，降水越强。暴雪落区能量大值区梯度逐渐加大标志着暴雪过程开始，能量大值区梯度逐渐减弱至消失，降雪过程结束。
(4) 在水汽条件方面，暴雪落区一般位于500 hPa湿区或湿区西侧比湿梯度大值区，且水汽通量梯度大值区一侧，通常伴有低空西南急流带，或分布在500 hPa水汽通量散度负值中心或由正变为负的过渡区域。
基金项目
国家重点研发计划(2016YFC203303)资助。
NOTES
*通讯作者。