1. 引言
2023年国家气象局评选出了十大天气事件中有两大事件需要引起我们的关注，一是12月强寒潮创多地低温与积雪新纪录(No. 3)，二是2023年全国平均气温再创历史新高(No. 4) [1]。一般来说，12月份开始后旅大地区3~5天就会有一次冷空气，但在上述的两个极端事件影响下，2023年12.15~12.22日旅顺最低气温均跌破−10℃，2023年12月旅顺某人工站还连续10天观测出降雪(单日最大4.7 mm，其次2.6 mm，最低0.0 mm，总计12.2 mm)，而大连在12月14日至17日下午出现强降雪，其中，市区降雪量达到12月中旬历史极值(13.3 mm，积雪深度达7.6 cm)，降雪时间之长，极为罕见。
冬季我国大部分地区受冬季风影响明显，且大陆吹向海洋的干冷空气，使得冬季降雪量一般较小，持续时间较短，但这个季节辽东半岛与山东半岛经常出现冷流降雪。冷流降雪是指环渤海地区特有的天气形势，主要是高空强冷空气经洋面南下时遇到了洋面上的暖湿空气，双方交汇后产生降雪，这种冷流降雪山东半岛北部(北侧为海)比辽东半岛更为明显，弱的冷流降雪就是空中偶尔飘落的几片雪花，强的冷流降雪则是漫天的狂风暴雪。国内对冷流降雪的起步较晚，于志良(1998)的研究发现[2]，渤海海表水温与冷空气入海前的锦州地面气温之差大于11.5℃时，半岛产生冷流降雪的几率为74.3%，表明只有达到一定强度的海气温差，才能输送足够的热量而产生降雪。李丽(2015)的研究发现[3]，冷流强降雪与非冷流强降雪的差异主要表现在，非冷流强降雪的水汽输送主要来自南方暖湿空气的水平输送，湿层深厚(地面到700 hpa)，冷流强降雪的水汽输送来自于北方的冷空气，来源是渤海海面对干冷空气的水汽垂直输送，湿层较薄(地面到925 hpa及其以下)。辽东半岛的降雪原因则相对复杂，一是冷流降雪，二是系统性降雪，三是非冷流性的地域性降雪。根据近10年的旅大地区冬季降雪资料分析，12月份虽然已开始出现降雪，但雪量不大，能出现连续降雪的次数更是不多见，且累计降雪量较少出现大–暴雪。到底是何种原因在12月份就出现了如此极端的连续降雪情况需要从气候背景和具体天气形势两个角度加以分析，其研究结果对旅大地区的冬季极端降雪预报工作有指导意义。
2. 资料来源及近10年12月降雪统计
文章使用2014~2023年旅顺某观测站(人工)以及旅顺、大连自动站实况资料，分别统计了旅顺站(人工站)降雪天数、连续降雪次数、最大有效连续降雪天数、最大连续降雪量(表1)以及这次极端降雪事件各站的降雪量(表2)。在分析气候背景和天气形势时还分别使用了ECMWF的ERA5资料以及中央气象台的高低空天气形势图。
Table 1. Statistics of Lvshun artificial station in the past 10 years
表1. 旅顺人工站近10年统计
12月统计 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
2022 |
2023 |
降雪天数 |
13 |
3 |
3 |
11 |
10 |
3 |
8 |
5 |
11 |
13 |
连续降雪次数 |
2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
最大有效连续降雪天数 |
2 |
0 |
2 |
2 |
2 |
0 |
2 |
2 |
0 |
8 |
最大连续降雪量 |
1.1 |
0 |
0 |
0 |
6.9 |
0 |
0.4 |
3.8 |
0 |
12.2 |
表1显示，自2014~2023年，旅顺12月份降雪累计超过10天的为2014、2017、2018、2022、2023这5年，而这5年中连续降雪天数多为2~4天(去除了降雪为0.0的天数)，但过程累计降雪量都达不到大雪以上级别。因此2023年12月无论是过程累计降雪量还是连续降雪天数都创造了近10年12月份的极值，为此应该深挖其产生的原因，而这个原因应该就是综合满足了大的气候背景和小的天气过程条件。
3. 东北冷涡与天气事件
3.1. 东北冷涡
东北冷涡[4]-[6]是中高纬度(对流层)中高层西风急流在东北地区的地形、热力、水汽等作用下，西风槽将南下的冷空气包围分割形成一个低涡，中心空气为冷空气，周边为暖空气，所以称为冷性低涡，简称冷涡，在东北的叫东北冷涡。而此次东北冷涡系统的形成和发展反映了高空西风槽在不断加深，冷涡自身的旋转，又加强了这次寒潮的势力，气温骤降，而气温的大幅降低又会导致地表和大气之间的热通量减少，同时辐射冷却也会增强，这些因素又会导致东北冷涡的形成和发展，因此这次连续降雪事件的东北冷涡系统是偏强的，偏强的结果同样造成了较强的水汽垂直输送(海气温差大且极易满足冷流降雪条件)，从而满足了冷流降雪的水汽条件。
3.2. 连续降雪事件
此次天气事件整体原因就是2023年5月起较强厄尔尼诺事件的影响，全国基础温度明显偏高，强冷空气南下造成大幅降温，海气温差十分明显，满足了冷流降雪条件。在这次强寒潮天气中，旅顺和大连地区(本文简称为旅大地区)出现的连续降雪分为几个阶段：12月14~15日为明显的系统性降雪，之后为地域性降雪(冷流降雪)，18~19日前半段为冷流降雪，后来受东北冷涡影响，转成系统性降雪，19日夜间冷涡转过去之后，又出现冷流降雪。表2对比了旅顺、大连自动站及旅顺人工观测的降雪情况，由于本次强寒潮为12.15~12.22，且旅顺本站12.23日和12.14日都观测出了降雪(且自动站未区分降雪还是降水)，因此以下统计时间为2023.12.14~12.23，但实际有效连续降雪天数为8天。可以看出此次强寒潮过程给旅大地区带来了明显降雪过程，寒潮过程累计降雪量达到了大–暴雪级别(24小时降雪量在7.5~15.0 mm或者12小时降雪量在4.5~7.5 mm)。
Table 2. Comparison of snowfall amounts at various stations from December 15th to December 23rd, 2023
表2. 2023年12.15~12.23日各站降雪量对比
|
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
总计降雪量(mm) |
旅顺观测站 |
1.1 |
2.6 |
1 |
0.7 |
0.3 |
0.5 |
4.7 |
1.3 |
0 |
0 |
12.2 |
旅顺自动站 |
|
2.9 |
6 |
1.2 |
|
0.5 |
6.5 |
4.8 |
0.7 |
|
22.6 |
大连自动站 |
|
3 |
1.9 |
2 |
0 |
0.2 |
0 |
2.2 |
0.8 |
0.2 |
10.3 |
4. 原因分析
4.1. 月平均位势高度场分析
为了探讨这次连续10天强降雪过程背后的原因，首先根据表1将2014、2017、2018、2022、2023年(均下雪超过10天)的12月平均位势高度场进行了对比，以期待找到大背景的异同点(图1)。
Figure 1. The average geopotential height in December of 2014, 2017, 2018, 2022 and 2023
图1. 2014、2017、2018、2022、2023年12月平均位势高度
通过12月平均位势高度场的对比：2014年冷涡中心为5120位势米，中心位于库页岛及以东海域，高空脊区横贯欧亚地区(脊线位于中西伯利亚地区，为东北–西南走向)，脊区和涡后的冷空气共同影响我区；2017年冷涡中心为5120位势米，中心位于库页岛(范围比2014年要小)，脊线位置西偏至80˚E，方向接近南北走向，并可以达到北极地区，588线(5880位势米)位置和2014年一致靠南，我辖区基本受高空脊和冷涡后影响；2018年冷涡中心为5120位势米，中心位于库页岛以东海域(冷涡中心距离辖区较远)，588线有2处为闭合曲线(东侧闭合曲线范围横跨约80~90个经度)，且比2014、2017位置靠北，脊线位于80˚E以西(呈现西北–东南方向)，我辖区仍受高空脊和冷涡后影响；2022年冷涡中心为5120位势米，中心位于俄罗斯境内上扬斯克山脉(鄂霍斯克海西北处)，588线在菲律宾以东存在闭合(范围比2018年小，横跨约30个经度)，脊线位置与2018年相近(方向为南北向，脊线可达到北极)，高空脊和冷涡后部皆可影响辖区；2023年12月的588线更为靠北(出现在15˚N，且没有明显分散闭合的588线情形，说明副高很强盛)，北方的冷涡中心为5080位势米(5年中值最低)，中心位于鄂霍次克海西北角，欧洲北部-北极之间位势高度梯度很小，南部的脊线曲率很小，脊区和冷涡共同影响东北地区。
综上，在库页岛北部，涡度的中心基本都是5120位势米，而2023年12月平均的冷涡强度最强(中心强度为5080位势米)，588线的强度最强(没有出现闭合等值线，且位置最靠北，穿过雷州半岛)，还发现唯独2023年欧洲北部位势高度梯度小，亚洲地区较为均匀，极强的高空冷涡导致了西伯利亚中东部冷空气持续堆积，因此地面的冷空气可能不走寻常路径而南下。所以北方强大的冷涡以及极为偏东的高空冷空气堆积是此次连续降雪事件的主要系统(上升气流强，同时涡后有利于引导后部冷空气南下，导致系统性降雪和冷流降雪等极端天气的出现)。
4.2. 月平均海表温度场分析
同样的方法将上述5年的12月份平均海表温度场进行了对比，发现：这5年的海表温度场，差异较小，因此绘制了12月份海表温度场分布示意图(图2)，其中12月海温暖中心有两个，一个是渤海海峡，另一个是黄海北部以东地区(近朝鲜半岛)，其中海峡的等温线分布有一个明显的向渤海以北延伸的暖舌(5.2℃~7.6℃之间)，这样冷空气(尤其是西北风)在经过上游暖舌区域增温增湿(水汽垂直输送)后可给辽东半岛带来冷流降雪。
Figure 2. Schematic diagram of mean sea mark temperature field in December
图2. 12月平均海表温度场示意图
接下来为了了解详细的事件期间水汽垂直输送的背景情况，获取了位于渤海中部的1号气象浮标(54,558站，概位：东经120˚34'57''，北纬39˚14'32''，此站位于旅顺的西北侧)在2023年12月14日~23日的海表温度与近地面的气温，通过计算海气温差(详见表3)，最后结合相应日期在旅顺本站的降雪量发现：降雪量较多的日子为15~16日(2.6~2.9 mm, 1~6 mm)以及20~21日(4.7~6.5 mm, 1.3~4.8 mm)，对应的海气温差为10℃、11.2℃以及12.7℃、11.5℃，海气温差越大，降雪量越大，对应的18日、23日海气温差降到了8℃以下，降雪量较少或没有(但有观测到降雪现象)。最后，将10天温度进行平均，平均气温在−5.1℃，海温4.3℃，海气温差9.4℃，因此2023年12月较强的冷涡活动与较高的海气温差，带来了强劲的冷流飘雪过程。
Table 3. Air temperature difference table of No.1 buoy in December 14~December 23, 2023
表3. 2023年12.14~12.23日1号浮标海气温差表
|
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
平均温度(℃) |
1号浮标气温 |
−3.3 |
−5.4 |
−7.2 |
−6.4 |
−2.4 |
−4.2 |
−8.6 |
−7.5 |
−4.3 |
−1.7 |
−5.1 |
1号浮标海温 |
5 |
4.6 |
4 |
4.1 |
4.4 |
4.4 |
4.1 |
4 |
4 |
4.2 |
4.3 |
1号浮标海气温差 |
8.3 |
10 |
11.2 |
10.5 |
6.8 |
8.6 |
12.7 |
11.5 |
8.3 |
5.9 |
9.4 |
4.3. 主要影响系统分析
极端天气事件虽不常见，但必定有天气形势作为背景。冷涡可以产生系统降雪(700 hpa或850 hpa处在槽前，有中云或低云)同样可以产生冷流降雪(700 hpa、850 hpa处在槽后脊前)，又由于其本身的非等速螺线运动，因此冷空气表现为时强时弱。根据以往经验，辽南地区地面风速小时(有利于地面水汽抬升)，常产生冷流降雪。本文对2023年12月14日~23日的天气形势进行了回顾，并重点分析了降雪量较大的15日(2.6 mm)、20日(4.7 mm)的高低空天气形势(冷涡出现于对流层中高层，对应500 hpa，而降雪现象对应700 hpa、850 hpa)，发现：
Figure 3. High and low weather situation on December 15 and 20, 2023 (Originating from the Central Meteorological Observatory (http://www.nmc.cn))
图3. 2023年12月15日、20日高低空天气形势(源自中央气象台(http://www.nmc.cn))
天气形势方面(图3)，15日500 hpa、700 hpa我区均处于高空槽前，850 hpa处于槽后脊前，说明出现中云和高云，地面02时一波冷空气前锋位于华北地区，黄渤海区已经出现了明显的大风区(由之前冷锋过境造成)，15日20时之前一波冷锋抵达海南岛以北，另一波冷锋位于渤海西岸；20日冷涡在中央气象台500 hpa天气图上已有所显现，我区高空有明显西北风，说明处在冷涡后，而700 hpa、850 hpa则处在槽后脊前，说明我区并没有系统性的中云和低云，地面02时黄渤海区的大风区已经明显变小，并向黄海中部南撤。
降雪方面(图3)，15日大连站全天都观测到了降雪(旅顺某人工观测站也是)，山东的降雪只是偶尔且并不明显，而20日大连站部分时段观测有降雪，但05时山东半岛的威海开始出现降雪，20时之后观测到大雪。综上，15日的降雪则是系统性影响为主，20日冷流降雪影响为主。对应两次过程的地面实况数据，也能印证，15日旅顺站白天平均风力都在7~9 m/s(锋面降雪，冷锋位于渤海西岸)，下半夜至早晨为3~4 m/s (冷流降雪，高低空分别处在涡后或槽后脊前)，而20日平均风力在0~3m/s (冷流降雪，高低空分别处在涡后或槽后脊前)。
4.4. 动力条件与水汽条件分析
Figure 4. Vertical velocity at 850 hpa on December 18~19, 2023
图4. 2023年12月18日~19日850 hpa垂直速度
Figure 5. Vertical velocity at 700 hpa on December 18~19, 2023
图5. 2023年12月18日~19日700 hpa垂直速度
850 hPa风场方面，15日开始渤海中部及辽东半岛以北海区上空已有明显的偏北急流，16日以后辽东半岛西北侧的渤海中部海区急流方向转为西北，此后的时间一直存在急流，基本上在北或西北方向转换。其中15日的急流主要以东北向为主，20日的渤海中部上空急流在02时以后开始转为明显的西北向，辽东半岛以北海域上空则为偏北气流。可见冷流降雪期间渤海地区为旅顺地区的降雪输送了大量水汽。
物理量(垂直速度)方面(图4与图5)，分析了中低层(850 hpa、700 hpa)的垂直速度演变情况(只分析了负值区)：旅顺连续降雪的发生发展需要较强的垂直上升运动和较长的持续时间，发现在降雪过程前和过程中渤海地区或者辽东半岛以北海区上空的垂直速度都出现过负值，存在上升运动，满足了持续时间。其中在2023年12月18日20时~19日02时的辽东半岛以北海区的中低空(850 hpa与700 hpa)都出现了非常大的垂直速度(负值)区，组成了深厚的强上升运动区。850 hpa辽东半岛以北大值区的垂直速度在−400 × 10−3~−900 × 10−3 Pa/s，700 hpa大值区的垂直速度在−300 × 10−3~−1500 × 10−3 Pa/s，因此700 hpa的上升运动更强，这都为冷涡降雪天气的产生提供了良好的动力条件。
Figure 6. Vapor flux at 850 hpa on December 18~19, 2023
图6. 2023年12月18日~19日850 hpa水汽通量
Figure 7. Water vapor flux divergence at 700 hpa on December 18~19, 2023
图7. 2023年12月18日~19日700 hpa水汽通量散度
水汽条件(850 hPa水汽通量及700 hpa水汽通量散度)方面，水汽通量(图6)显示冷流降雪期间，渤海中部及辽东半岛以北海区上空，水汽通量矢量方向以西北–东南方向居多，存在明显的低空水汽输送。但18日20时~19日02时则出现了系统性的水汽输送情形，即在辽东半岛西北海域出现了非常明显的西南–东北向水汽输送，这与前文辽东半岛以北地区上空的极强的垂直运动相配合，为20日的冷流降雪(8天降雪中最大的一天)提供了丰富的水汽条件。对应时间对应海区上空700 hpa水汽通量散度(图7)表现为负值，说明水汽是辐合状态。
4.5. 超极地路径与更偏东路径
超极地路径(图8)是前苏联科学家在上世纪四十年代前后研究欧洲大型天气过程时提出的一个概念，指的是欧洲地区来自北极的地面冷高压，出现了自东北向西南或自北向南运动，并且两天内不减弱的天气过程。目前造成全国寒潮天气的冷空气原地主要有四个：泰梅尔半岛及其以东洋面(超极地路径)；新地岛及其东西两侧、巴伦之海和喀拉海(北方路径)；北欧地区(西北路径)；欧洲中部地区(西方路径)。可见超极地路径地理位置更为偏东，且极少出现，一旦出现要经过中西伯利亚进入我国，但气温下降幅度大，容易引发极端低温事件。根据中央台统计，此次连续降雪事件中强寒潮路径还有一个特点：比“超极地路径”更偏东(图8)，因此发生概率更低，而一旦发生，由于我国中东部离西伯利亚中东部近，同时西伯利亚中东部冷空气直线南下，而非东移南下，这就造成我国中东部相对极端寒冷，导致了北极圈内气温达到零上(而我国华北低于零度) [7]。
Figure 8. Hyperpolar and more easterly paths (This map is based on the standard map with the approval number GS (2023) 2752 downloaded from the Ministry of Natural Resources Standard Base Map Service website, and the base map has not been modified.)
图8. 超极地路径与更偏东路径(该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2023)2752号的标准地图制作，底图无修改。)
5. 结论
本文以2023年12月旅顺出现的连续10天强降雪天气事件为着眼点，运用多个站点观测资料、ERA5的位势高度场、海表温度场、中央气象台的天气形势图与近10年12月连续降雪事件加以对比总结，得到以下结论：
(1) 2023年12月平均的冷涡强度最强(中心强度为5080位势米)，强大的冷涡以及极为偏东的高空冷空气堆积是此次连续降雪事件的主要系统。
(2) 海峡的等温线分布有一个明显的向渤海以北延伸的暖舌(5.2℃~7.6℃之间)，连续降雪期间1号浮标显示的海气平均温差在9.4℃以上，这样冷空气(尤其是西北风)在经过上游暖舌区域增温增湿(水汽垂直输送)后可给辽东半岛带来冷流降雪。
(3) 此次连续降雪既有系统性降雪，又有冷流性降雪，其中冷流降雪(旅大地区风速小)，850 hpa或700 hpa分别处在涡后或槽后脊前，系统性降雪，500 hpa、700 hpa我区均处于高空槽前，850 hpa处于槽后脊前。
(4) 冷流降雪前及过程中，辽东半岛北部中低空都出现了明显的垂直运动、水汽输送、水汽辐合，700 hpa相较850 hpa更为明显。