引言

2015年11月23—24日，山东省出现了一次大范围强降雪天气，尤其是鲁南地区出现特大暴雪，此次降雪具有范围广、持续时间长、降雪强度大和积雪深度厚的特点，是一次比较罕见的初冬大暴雪天气过程。暴雪给当地的交通和生产生活带来严重影响。关于暴雪的成因和灾害研究，近年来国内外很多学者做了大量的工作，并且取得了诸多研究成果^[1-19]。杨成芳等^[1]采用基于构成要素的预报方法对一次切变线暴雪天气进行分析，四个有利构成要素相叠加导致鲁中地区产生暴雪；赵俊荣等^[2]对新疆一次致灾大暴雪的多尺度系统和物理量配置以及发生时间和落区进行了分析，结果表明大暴雪期间中高层辐散大于中低层辐合，上升运动强盛且深厚；黄海波和徐海容^[3]利用诊断分析方法对新疆一次秋季暴雪天气过程进行了研究，表明伊朗副热带高压的东西摆动、南北振荡引起的中亚地区大气环流的剧烈变化是暴雪天气产生的大尺度背景；张芹等^[4]对山东春季一次极端暴雪过程进行诊断分析，认为在这次极端暴雪过程中地形对温度的急剧下降起了重要的作用；周雪松等^[5]对山东两次早春暴雪过程进行对比分析，认为南北对称的垂直速度对是早春暴雪的重要特征；陈雪珍等^[6]对华北暴雪过程中的急流特征进行分析，结果发现高、低空急流耦合所形成的次级环流，增加了上升运动并触发不稳定能量释放，增加了暴雪强度和持续时间；任丽等^[7]对黑龙江省一次温带爆发性气旋引发的大暴雪过程进行了诊断分析，表明高低空急流的耦合加强了气旋中心附近的上升运动，有利于强降雪的持续和加强；李青青等^[8]对北京一次冬季回流暴雪天气过程进行数值模拟，得出数值模式对此次暴雪过程的近地面回流冷空气、中低层低值系统及变化特征、主要降雪时段和降雪量模拟效果较好。这些研究对进一步提高暴雪成因机理认识以及提高暴雪预报准确率，具有较高的参考价值。

2015年11月23—24日山东这次强降雪属于一次罕见的回流暴雪天气过程。在山东大范围和区域性回流暴雪过程中，鲁西北、鲁西南、鲁中北部和半岛北部地区为回流降雪的易发区，虽然这次暴雪点很集中，但暴雪落区却主要位于山东南部，与以往的统计规律有所不同。因此本文从大尺度环流背景、动力条件、水汽条件以及垂直风场等几个方面，分析此次鲁南回流暴雪天气的形成机理，为暴雪预报提供参考依据。

1 降雪实况

2015年11月23—24日山东出现了大范围的雨雪天气过程，降水量呈自南向北逐渐递减的分布特点，其中鲁南出现特大暴雪。11月23日08时—24日20时过程累积降水量全省平均13.3 mm(图 1a)，共有112个站点出现降水，其中41个站降水量大于10 mm，成武最大，达46.7 mm。鲁南的济宁、菏泽、枣庄以及临沂等地的积雪深度大都在20 cm以上，其中最大积雪深度出现在济宁兖州，达32 cm。由单站逐小时降水量演变(图 1b)可以看出，强降雪时段主要集中在23日23时—24日14时，强降雪时段持续时间较长，本次强降雪过程多站出现1 h降水量超过5 mm的强降雪，其中汶上1 h降雪量达6 mm(24日13—14时)。这次暴雪过程的降雪量之大、降雪强度之强和积雪深度之厚均为历史罕见，给当地的经济和人民生活财产等带来严重损失。

此次雨雪过程自23日11时从鲁南开始，降水相态为雨，一直持续到23日20时，降水范围向北推进至鲁中地区，降水量均在5 mm以下，此时菏泽和济宁降水相态开始转为雨夹雪，其他地区为雨，23日23时整个降水区域降水相态均转为雪，地面温度均降至0 ℃以下，同时降雪范围进一步扩大，山东北部也出现降雪。鲁南降雪于24日20时结束。

2 环流形势和影响系统

降水开始前，23日08时(图略)，500 hPa在50°N附近、80~130°E之间稳定维持一宽广的东西向横槽，其中30°N以北，新疆北部及其以东地区都处在横槽前西北偏西气流当中，有多个短波槽东移，表现为阶梯槽的形势。23日20时，500 hPa(图略)中支槽位于河套附近，山东受槽前西南气流影响。700 hPa(图略)南支槽经向度加大，槽前西南低空急流加强，急流轴上最大风速达18 m·s^-1，鲁西南位于急流轴的顶端，这股低空西南暖湿气流为鲁南的强降雪提供了源源不断的水汽条件。850 hPa(图 2d)东北风低空急流自东北经渤海回流进入山东，前沿到达河南北部地区，而江苏北部为东南低空急流，这股东南低空急流将东海的水汽输送至鲁南地区，鲁南为东北风与东南风辐合区，为鲁南强降雪的发生提供了有利的动力条件。925 hPa(图略)强盛的东北风超低空急流的前沿到达安徽中南部，地面冷锋已经到达江南，说明山东低层冷垫已经形成，高空西南气流叠加在地面东北风之上，为典型的回流形势，此时山东中南部降水已经开始。24日08时，500 hPa(图 2a)，河套西侧有西风槽存在，河套以东的中纬度地区环流比较平直，同时南支槽东移加深。700 hPa(图 2b)槽前西南低空急流进一步加强，风速最大达22 m·s^-1，并向北伸展到鲁中。850 hPa(图 2c)继续维持东南和东北两支低空急流，925 hPa(图略)一直到地面仍然维持一个强东北风形成的冷垫，地面图(图略)上，地面冷锋持续向南推进，到达华南地区，700 hPa西南低空暖湿气流沿着冷垫爬升，造成了山东24日的大范围降雪，属于一次比较典型的回流形势降雪。24日20时(图略)，随着700 hPa高空槽的移出，山东转为西北气流影响，降雪也随之结束。

由以上分析可以看出，这是一次典型的回流形势下的强降雪，关键系统主要有500 hPa高空槽、700 hPa低槽和西南低空急流、850 hPa东南低空急流以及925 hPa以下的强盛东北风形成的冷垫。在此次强降雪过程中，700 hPa强西南低空急流和850 hPa东南低空急流是造成鲁南特大暴雪的重要原因。暴雪落区位于850 hPa东南风与东北风辐合线的东南风急流一侧。

3 动力条件分析 3.1 散度场与垂直速度场

图 3a为2015年11月24日02时强降雪期间散度沿暴雪中心成武站(115.9°E，34.9°N)的经向垂直剖面图。由图可以看出，强降雪期间，暴雪区(34~36°N)上空，散度分布呈现出弱辐散—强辐合—强辐散的垂直结构。近地面层950 hPa以下是弱的辐散区，与近地面层为回流冷空气形成的冷垫相对应；950 hPa以上至500 hPa高度为强的辐合区，辐合中心位于700 hPa附近，中心值为-12×10^-6s^-1，500 hPa以上是强辐散区，中心位于250 hPa附近，中心值18×10^-6s^-1，这种低层强辐合、高层强辐散的空间配置，非常有利于中低层暖湿空气的聚集上升。暴雪中心与700 hPa的强辐合中心相吻合，由700 hPa散度的水平分布(图略)可以看出，强辐合中心位于鲁南地区，这也成为造成鲁南地区降雪强度最大的原因。

图 3b给出了24日02时垂直速度沿成武站的经向—高度剖面图。由图可以看出，强降雪时，整个暴雪区(34~36°N)上空为整层强上升运动区，38°N以北为弱的下沉区，强上升运动中心位于600 hPa附近，中心值-40×10^-3 hPa·s^-1，此中心位置正好位于暴雪中心成武站上空，说明暴雪中心与高空的强上升运动中心吻合度较高。由600 hPa垂直速度的水平分布(图 3c)可以看出，除半岛地区是下沉区外，山东其他地区都处于上升运动中，其中鲁西南是强上升运动中心，因而强降雪中心位于鲁南地区。

3.2 高低空急流

由200 hPa高空急流的演变可以看出，23日20时(图略)，中高纬度基本为西南偏西风急流，在蒙古中东部和河北北部有一个急流中心，中心值为55 m·s^-1，山东位于此急流中心的南侧，此处有正的涡度平流，对应高空辐散。高空辐散将低层的暖湿空气抽吸到高层，低层气压降低，使得低空气压梯度加大，进而使得低空西南气流加强，导致700 hPa低空急流形成与维持。强降雪时段，24日02时(图 4)，200 hPa高空急流中心进一步东移，最东端到了朝鲜半岛，山东位于急流中心的南侧，同时700 hPa西南风低空急流进一步发展，急流轴顶端位于鲁西南地区。由以上分析可以看出，高空急流在本次强降雪过程中起到了重要作用，暴雪落区主要位于高空急流中心的南侧，低空西南急流轴的北侧。

4 水汽条件和垂直风场分析 4.1 比湿和水汽通量散度

暴雪的发生发展需要充足的水汽供应。图 5a是2015年11月24日02时比湿沿暴雪中心成武站(115.9°E，34.9°N)作的经向垂直剖面图。由其垂直分布可以看出，强降雪时段24日02时，暴雪区(34~36°N)上空，600 hPa以下比湿在3~4 g·kg^-1之间，700 hPa附近有一条自南向北伸展的湿舌，比湿在4 g·kg^-1以上，这与该层的西南暖湿气流相对应，结合700 hPa水汽通量散度分布(图 5b)可见，除半岛地区外，山东上空均为水汽通量散度的辐合区，中心位于鲁西南，中心值-8×10^-6 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1，强降雪中心与水汽通量散度的强辐合中心有很好的对应关系，因而鲁南为此次强降雪的中心。

4.2 垂直风场

选取离暴雪中心最近点的徐州站(图 6a、c)和暴雪中心北侧的章丘站(图 6b、d)，由两个站的探空图演变可以发现：

1) 垂直风场。强降雪开始时，23日20时，徐州和章丘两站，850 hPa以下均为强盛的东北风，500 hPa以上是西北风；不同的是，暴雪区850 hPa为强盛的东南风，700 hPa是强盛的西南风，这两股气流为强降雪的产生提供了充足的水汽条件。而暴雪区北侧的章丘站，850 hPa仍然维持强盛东北风，700 hPa为偏西风，说明暴雪区北侧低层的冷垫比暴雪区要厚，而且700 hPa的暖湿气流还未伸展到暴雪区北侧。强降雪时段，24日08时，由徐州探空站资料可知，暴雪区上空850 hPa以下东北风明显增强，说明回流下来的冷空气增强，同时700 hPa的西南风也增强至22 m·s^-1，说明该层的西南暖湿气流也得到明显发展，即冷暖空气在此叠加，造成该地强降雪的产生。暴雪区北侧的章丘站，850 hPa及其以下风场变化不大，但700 hPa风向由偏西风转为西南风，说明西南暖湿气流已经向北发展。由以上分析可以看出，850 hPa东南气流和700 hPa西南气流对暴雪的形成起到了至关重要的作用。

2) 湿层。由整个降雪过程的探空曲线可见，暴雪区上空，500 hPa以下大气接近饱和，说明大气湿层深厚，有利于强降水的产生。

3) 逆温层。暴雪区降水开始前，23日08时(图略)，850~925 hPa已经开始出现逆温，由于低层是冷空气形成的冷垫，而850 hPa是东南气流，700 hPa为西南气流，均为暖湿空气，从而形成逆温层。逆温层的存在进一步说明了此次降雪的形成机制，即高层的暖湿气流在低层冷垫上爬升，造成降雪。强降雪时段24日08时，逆温更强烈，850 hPa温度变化不大，维持在0 ℃附近，而925 hPa温度由1 ℃锐降为-6 ℃，低层气温的锐降对雨雪相态的转换起到重要作用。

通过以上分析可以发现，850 hPa东南气流和700 hPa西南气流对暴雪的形成起到了至关重要的作用；鲁南地区大气湿层深厚，有利于强降水的产生；回流暴雪期间，850~925 hPa之间持续维持一个逆温层，同时低层气温的锐降对雨雪相态的转换起到决定性作用。

5 降水相态的演变

23日白天开始，随着强冷空气的入侵，鲁南地区上空的温度不断下降。23日20时，925 hPa -4 ℃线及1 000 hPa 0 ℃线已南压至鲁西南地区(图略)。由汶上、兖州、成武、济宁、菏泽气温的逐时演变(图 7a)来看，23日14时之后气温持续下降，23日20时，气温下降到2 ℃以下，此时菏泽和济宁开始转为雨夹雪，山东其他地区为雨，鲁南各站温度降至2 ℃以下，其中位于偏北位置的汶上站，气温下降到1 ℃左右，降水相态已经转为雪，位于南部的成武站温度在2 ℃左右，降水相态是雨。23日22时，各站气温均下降到0 ℃左右，降水区域内的降水相态均转为雪，同时山东降雪范围也进一步扩大，山东北部出现降雪。随着冷空气的继续入侵，气温持续走低，24日白天的最高温度均在0 ℃以下，24日20时，随着影响系统的移出，降雪结束。

由成武站温度平流场时间垂直剖面(图 7b)可以看出，降雪开始前的36 h内，850 hPa以下的近地面层一直维持负温度平流，说明冷空气已经提前从近地面层回流而下，此时的地面温度持续走低，形成冷垫。强降雪开始前500~850 hPa之间维持弱的暖平流。降雪时段内，即23日20时—24日16时，850 hPa以下全部为冷平流，且冷平流强度有所增强，500~850 hPa之间暖平流强，中心值高达15×10^-5K·s^-1，出现在600~700 hPa之间，与此时700 hPa明显增强的西南暖湿气流相对应。24日16时以后，对流层中低层的暖平流消失，转为冷平流，此时成武站降雪结束。

通过以上分析可以看出，由于冷空气从底层开始向南入侵，850 hPa以下冷平流明显，使得低层气温持续下降，转雪时间比较早，再加上降雪持续时间长，造成了此次鲁南特大暴雪。

6 结论

通过对2015年11月23—24日罕见的鲁南初冬特大暴雪过程的诊断分析，主要得出以下结论：

1) 降雪前，850 hPa以下强劲东北风形成冷垫；降雪时，700 hPa上强西南暖湿气流沿此冷垫爬升，水汽凝结形成降雪，属于一次典型的回流形势降雪。850 hPa存在东南风和东北风两支低空急流，暴雪落区位于受东南风急流影响的鲁南地区，而受东北风急流影响的山东其他地区降雪明显偏弱。

2) 强降雪期间，暴雪区上空散度分布呈现出弱辐散—强辐合—强辐散的垂直结构，这种低层强辐合，高层强辐散的空间配置，非常有利于中低层暖湿空气的聚集上升，其中高空急流是高层强辐散形成和维持的关键。由暴雪的落区来看，700 hPa的强辐合中心以及强上升运动中心均位于鲁南地区，因而鲁南为这次强降雪中心。

3) 暴雪区上空600 hPa以下比湿在3~4 g·kg^-1之间，700 hPa附近有一条自南向北伸展的湿舌，而暴雪中心与水汽通量散度的强辐合区分布一致。

4) 回流暴雪期间，850~925 hPa之间维持一个逆温层，925 hPa以下边界层气温的锐降对雨雪转换起到至关重要的作用。925 hPa温度降至-4 ℃、1 000 hPa温度降至0 ℃、地面气温降至1 ℃左右，降水相态转为雪。此次过程冷空气势力强，降雪持续时间比较长，是造成鲁南特大暴雪的重要原因。500~850 hPa之间正温度平流迅速增强和减弱，与降雪的开始和结束时间相对应。