1. 引言
寒潮伴随的大规模强冷空气在特定的天气形势下向南侵袭，可造成沿途地区大范围的剧烈降温、大风、雨雪等极端灾害性天气 [1] ，特别是强寒潮导致剧烈降温、大风、雨、雪、霜冻等天气对生态环境、社会经济、农业生产以及人体健康等会产生巨大影响。在全球变暖的气候背景下，北半球低温事件频发 [2] ，我国北方寒潮强度全区一致型异常与前春到冬季的北太平洋海温异常、前秋到冬季的北大西洋海温异常密切相关 [3] ，有学者研究表明，近几十年中国发生的区域性寒潮和全国性寒潮频次都呈减少的趋势，且不同地区的寒潮强度、频次变化趋势并不完全一致 [4] ，20世纪60年代是冬中国性寒潮频发期，随后缓慢减少 [5] ，尤其是西北新疆地区、华北和东北地区减少最为显著 [6] [7] ，针对华北地区而言，入侵华北地区的秋季寒潮路径分为三类，分别为西路、北路和西北路，北路寒潮强度最强，而西北路和西路寒潮强度较弱，北路寒潮为阻塞型寒潮 [8] ，因此北路寒潮造成的降温、降雪天气强度与范围强于其他路径寒潮。
降雪是中国北方冬季寒潮天气中常见的天气现象，冬季降水相态转换复杂、预报难度大一直是冬季降水预报和服务工作中的难点问题之一，对降雪天气的预报常结合地面观测资料、大尺度环流背景、水汽条件、热力条件及动力条件进行诊断作出预报预警。同时，有学者研究了降雪产生的云微物理机制，探讨了雪的形成过程并进行了人工催化降雪的数值模拟分析 [9] ，从边界层中尺度扰动和降雪期间水汽输送方面进行了详细研究 [10] ，结果表明，低涡前部暖湿平流带来的水汽和低涡切变线附近强烈的上升运动易造成区域性大雪天气，东南风急流、正涡度、垂直上升速度和水汽通量散度等物理量的增大或加强，从而影响了降雪的持续时间和强度。特定强度的湿度及温度层有利于枝状雪花的形成，高浓度云中冰相粒子与水相粒子重叠区有利于低融化雪花的形成，在预报时需重点关注 [11] 。
寒潮天气常常伴随着降雪、冰冻等天气条件，导致机场跑道结冰或积雪，影响飞机起降安全，为了避开恶劣天气区域，航空公司调整航线，因此导致飞机飞行时间延长或需要额外的燃油，从而影响了航班的正常运行。寒潮天气中低温高湿可能导致航班设备的冻结，如冻结的地面设施设备、燃油管道，引起航空器积冰。总而言之，寒潮天气对民航运行带来一系列挑战，包括航班延误、航线调整、设备冻结、飞机结冰以及航空交通管制，因此寒潮天气对民航运行的影响不容忽视。北京大兴机场已投入运行4年有余，针对大兴机场复杂天气的研究主要为低能见度、雷暴等天气，而对机场降雪天气少有研究，因此本文对大兴机场2023年年末特强寒潮天气过程中降雪天气进行了诊断分析，分析了降雪天气期间机场气象要素及相关天气学诊断量的变化特点，旨在为大兴机场运行管理部门及相关航空公司提供未来在降雪天气下运行的参考。
2. 资料来源
本文基于大兴机场气象自动观测数据、例行实况报文数据、NCEP FNL全球大气再分析数据，通过统计分析、环流形势分析、大气相关物理量诊断分析方法对本次特强寒潮背景下大兴机场降雪天气进行了分析研究。
3. 天气实况
2023年12月12日起，我国自西向东受强寒潮天气过程影响，自西向东、自北向南先后降温8~12度，部分地区降温超过20度。随着寒潮南下，部分区域出现极端低温现象。本次大范围寒潮过程具有影响范围广、持续时间长、相态复杂、累计降水量大等特点。有95个国家站点过程最大降温达到或超过20℃，过程最大降温幅度超过8℃的面积约596.7万平方公里，约占全国国土面积的62.2%，其中降温幅度超过14℃的约162.5万平方公里。受寒潮天气影响，北方大部出现降雪(水)天气，其中新疆、内蒙、东北、华北部分站点出现暴雪天气。
Table 1. Weather phenomena and factor table of Daxing Airport from December 13 to 15
表1. 大兴机场12月13~15日天气现象及要素表
(a) (b)
Figure 1. Time series chart of temperature and relative humidity at Daxing Airport from December 13 to 15
图1. 大兴机场12月13~15日气温、相对湿度时序图
本次寒潮天气于12月13~15日影响大兴机场，天气过程中大兴机场出现小雪、轻雾、霜等天气，天气过程期间最低温度−9.8℃，最高湿度94%，良好的湿度及气温条件导致机场出现连续三天降雪天气(表1)。12月13日起机场出现明显降温，且气温维持在−6℃~−2℃范围内，15日降雪逐渐停止后气温达到最低(图1(a))，相对湿度自13日起逐渐开始增高，15日降雪停止后开始降低(图1(b))。从实况要素变化上可以发现，本次降雪过程中机场处于高湿、气温适宜的环境条件下，对降雪的长时间维持起重要作用。
4. 环流形势分析
4.1. 极涡
由12月13至15日平均100 hPa环流场(图2(a))中可以发现，天气过程期间，北极地区有极涡系统建立，呈单极型极涡，极涡中心位于北美，西伯利亚北部至东亚中部地区存在深槽，说明极涡系统强大且深厚。天气过程期间平均500 hPa环流场表现为，乌拉尔山地区存在强的高压暖性脊区，乌拉尔阻塞高压建立，位于蒙古高原东北部的强冷槽延伸至新疆东部。由588 dagmp特征线分析可知，西太副热带高压西伸明显，且副高北抬至华南地区。本次寒潮过程中，寒潮发生与发展与乌拉尔阻塞形势密切相关，阻塞高压持续发展，高压脊向北抬升，一方面可以打断中纬度西风带，有利于北极冷空气向南输送 [12] 。
(a) (b)
Figure 2. (a) Mean 100 hPa circulation and (b) mean 500 hPa circulation situation from December 13 to 15
图2. 12月13~15日(a) 平均100 hPa环流、(b) 平均500 hPa环流形势
4.2. 500 hPa环流形势演变
12月13日08时(图3(a))，西伯利亚北部存在中心强度为−44℃的强冷中心，其槽线自蒙古高原延伸至新疆北疆西北部，此时华北地区处弱暖气团控制。14日08时(图3(b))，西伯利亚北部冷中心南压，其槽线东移，冷槽底部位于新疆南疆盆地东部区域，此时华北区域已建立西南风急流带，西南风急流带暖湿气流的建立为降雪持续提供了充足的水汽条件。随着西伯利亚北部冷空气不断南下，15日08时(图3(c))，在蒙古高原生成中心强度为−44℃的闭合冷中心，冷槽由南疆盆地东部移动至内蒙古北部，其槽线从内蒙北部南压至河西走廊一带，至当日20时(图3(d))，槽线已迅速东移至华北地区，温度槽从前期的−24℃降低至−40℃。综上，本次天气过程期间，500 hPa冷槽自西伯利亚北部迅速南压增强，北京前期出槽前西南风急流带控制，高空水汽条件较好，为华北地区持续降雪提供了充足的水汽条件，后期随冷空气东移至华北上空，使得15日后华北地区气温骤降。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3. 500 hPa circulation situation (black contour: height field; red dotted line: temperature field): (a) 13 December 08:00; (b) 14 December 08:00; (c) 15 December 08:00; (d) 15 December 20:00
图3. 500 hPa环流形势(黑色等值线：高度场；红色虚线：温度场)：(a) 12月13日08:00；(b) 12月14日08:00；(c) 12月15日08:00；(d) 12月15日20:00
4.3. 海平面气压场
西伯利亚中部(43˚~65˚N, 70˚~90˚E)是影响我国的冷空气发展堆积的关键区域，关注寒潮关键区内地面冷高压中心的强度、位置以及移动速度，有助于判断寒潮移动路径以及地面冷锋位置。本次寒潮过程中，13日08时中心位于咸海附近的冷高压呈带状分布，控制新疆北疆、中亚及西伯利亚大部区域，其中心强度达到1065 hPa。14日08时(图4(a))，冷高压中心已移动至蒙古高原，中心强度上升至1070 hPa，此时因冷空气东移南压其前缘南压至我国黄河以北大部区域，并出现5~10 hPa的24小时变压区，其中新疆南疆盆地变压达到25~30 hPa，此时华北地区处于冷高压底前部，24小时变压强度5 hPa。随着冷空气不断从北方向南渗透，至15日08时(图4(b))，高压前部已发展至我国华南地区，强24小时变压区从南疆盆地移至河西走廊、华北西部一带，当日20时长江流域大片区域24小时变压区达到15~20 hPa。通过天气过程中冷高压系统的发展移动可知，本次机场持续性降雪受到西伯利亚中部发展的冷空气影响，且冷空气爆发迅速，变温变压强度大。
(a) (b)
Figure 4. Sea level pressure and 24-hour pressure change (black contour: sea level pressure, unit: hPa; shadow: 24-hour pressure change, unit: hPa): (a) 14 December 08:00; (b) 15 December 08:00
图4. 海平面气压及24小时变压(黑色等值线：海平面气压，单位：hPa；阴影：24小时变压，单位：hPa)：(a) 12月14日08:00；(b) 12月15日08:00
5. 诊断量分析
5.1. 水汽条件
水汽通量散度是表征水汽辐散或辐合的物理量，通过对水汽通量散度的分析可以判断水汽的运动方式和水汽通道。图5为本次天气过程期间850 hPa水汽通量散度及风场分布演变，可以发现12月13日08:00 (图5(a))水汽通量散度主要集中在陕西中部及北部、山东半岛东南部等区域，北京地区处−5 g∙cm−2∙hPa−1∙s−1的弱水汽辐合中心，至14日(图5(b))水汽辐合中心强度达到−15 g∙cm−2∙hPa−1∙s−1，15日08:00 (图5(c))起北京地区水汽通量散度为正值，说明水汽呈辐散。从850 hPa风场可以看出降雪期间日13~14日低层渤海至北京区域表现为偏东风，说明水汽由渤海输入，15日起风向转西北，水汽辐散，降雪开始逐渐转小并停止。从水汽演变中可知，大兴机场降雪集中时间段低层受偏东气流从渤海输送的水汽集中在北京区域，低层风向转变后水汽开始消散，降雪逐渐停止。
(a) (b)
(a)
Figure 5. 850 hPa water vapor flux divergence (shadow, unit: 10−7 kg/m2∙s) and wind field: (a) 13 December 08:00; (b) 14 December 08:00; (c) 15 December 08:00
图5. 850 hPa 水汽通量散度(阴影，单位：10−7 kg/m2∙s)、风场：(a) 12月13日08:00；(b) 12月14日08:00；(c) 12月15日08:00
从大兴机场相对湿度的时间–高度剖面中(图6)发现，大兴机场降雪天气过程期间，1000 hPa~200 hPa处高相对湿度环境，说明大气始终处于高湿状态，特别是降雪集中时间12月13~14日，低层700 hPa~1000 hPa相对湿度 ≥ 90%，15日后高层湿度减小至50%以下，低700 hPa~1000 hPa层湿度在50%左右，因此，机场降雪天气表现为13~14日降雪集中、15日起降雪逐渐减小后转停。
Figure 6. Relative humidity time-height profile of Daxing Airport (unit: %)
图6. 大兴机场相对湿度时间–高度剖面(单位：%)
5.2. 动力条件
当大规模的水汽集中辐合时，必须有大范围深厚的上升运动抬升水汽才能形成强降雪，因此动力条件是产生降雪天气的一个必要条件 [13] 。分析大兴机场13~15日垂直速度与风场剖面可发现(图7)，12月13日08:00~14日20:00时，机场上空基本处于垂直速度负值区，上升运动明显，期间垂直方向上风场表现为偏南气流，表明低层源源不断的偏南气流向高层补充水汽，使得机场降雪时间持久，且降雪量增大。14日20:00后机场处强的下沉气流影响，风场转西北风，且存在有强度为3.2 pa∙s−1垂直速度高值区位于机场上空925 hPa附近，强烈的下沉运动有助于高空动量下传，是机场15日出现平均风速为17 m/s的偏北大风天气的主要原因。
Figure 7. Vertical velocity time-height profile of Daxing Airport (unit: pa∙s−1)
图7. 大兴机场垂直速度时间–高度剖面(单位：pa∙s−1)
5.3. 热力条件
(a) (b)
(c)
Figure 8. Temperature advection along 116˚E profile (unit: 10−5 ˚C/s): (a) 13 December 08:00; (b) 14 December 08:00; (c) 15 December 08:00
图8. 温度平流沿116˚E剖面(单位：10−5 ℃/s)：(a) 12月13日08:00；(b) 12月14日08:00；(c) 12月15日08:00
温度平流垂直方向上的变化与降雪之间存在密切的关系，温度递减率的值较大，意味着随着高度的增加，温度下降较快。这种急剧的温度下降有助于冷却大气中的水蒸气，使其迅速凝结成雪 [14] 。从北京地区(图8中40˚~41.5˚N范围)温度平流沿116˚E剖面上可以看出，13日北京西部700 hPa及500hPa存在中心强度为25 × 10−5℃/s的暖平流中心(图8(a))，且风向为偏南风，北京近地面受弱冷平流影响，14日08:00 (图8(b))原700 hPa、500 hPa处的暖平流因高空冷槽及地面冷高压南压，强度减弱，随着冷空气进一步移动加强，14日08:00 (图8(c))北京上空850 hPa出现−40 × 10−5℃/s的强冷平流中心，这与15日后北京地区气温骤降相吻合。降雪期间，大兴机场始终位于低层暖平流控制中，冷平流冷却低层偏南气流输送的水汽，对水汽凝结形成持续性降雪有重要贡献。
5.4. 探空分析
探空资料是一种用于观测大气垂直结构的重要工具，可以用于分析和预测降雪天气过程中判断垂直方向上大气状态是否有利于降雪天气出现。通过分析表2可知，在12月13~14日，各层平均相对湿度达到72%，平均比湿1.5 g/kg，说明整层大气均处于高湿状态，而12月15日整层大气平均湿度降低至51%，平均比湿0.7 g/kg。因此，通过观察探空图不同高度层的温度、湿度和风速情况，可以对降雪的时间和强度进行初步预测，对大兴机场持续性降雪具有指示意义。
Table 2. Statistics of meteorological elements in the main height layers of Beijing sounding data from December 13 to 15
表2. 12月13~15日北京探空数据各主要高度层气象要素统计
6. 结论
1) 北京大兴机场持续性降雪天气是在特强寒潮背景下，500 hPa冷槽迅速南压以及地面寒潮冷高压自西伯利亚中部地区影响导致冷空气迅速影响北京，槽前西南风急流带控制，高空水汽条件较好，为机场降雪提供了充足的水汽条件。
2) 除高空西南气流输送水汽外，低层850 hPa偏东气流从渤海输送的水汽集中在北京区域，降雪前期大兴机场长时间处于垂直上升运动的大气运动下，使得低层水汽的不断抬升，降雪保持较长时间的持续。
3) 本次大雪过程期间，大兴机场始终位于低层暖平流控制中，冷平流冷却低层偏南气流输送的水汽，对水汽凝结形成持续性降雪有重要贡献。
4) 整个降雪过程期间，探空数据与大兴机场降雪持续时间有很好的对应关系，通过观察探空图不同高度层的温度、湿度和风速情况，可以对降雪的时间和强度进行初步预测，对大兴机场持续性降雪具有指示意义。