寒潮是冬半年影响我国的主要灾害性天气之一，往往伴随剧烈降温、大风以及雨雪天气。深秋初冬是寒潮暴雪的主要高发期之一
[1-2]，此时暖湿气流比隆冬季节更活跃，一旦与寒潮携带的强冷空气相遇，容易造成极端雨雪天气。20 世纪 50 年代以来我国每年寒潮的发生频次呈减少趋势
[3-5]，但近十几年寒潮导致的极端雨雪过程时有发生，强降雪对电力设施、畜牧农业、交通运输和社会运行影响较大，给国民经济和人民生命财产造成较大损失，因此寒潮雨雪过程值得深入研究。
2021年11月4—9日，我国遭遇一次强寒潮，影响80%以上地区，降温中心气温降幅超过16 ℃， 100多个国家站的日最低气温达到或突破11月上旬历史极值，寒潮影响区域部分地区阵风在11级以上，北方部分地区出现了冬半年极罕见的强雨雪天气，导致北方多条高速公路封闭，港口封航，郑州和鞍山等城市交通中断。相比历年冬半年北方暴雨雪过程
[6-11]，此过程雨雪量和积雪深度极端性突出，过程最强降水量和降雪量均超过80 mm，1 h最强降水量和降雪量均超过10 mm。中央气象台发布2021年首次暴雪红色预警并持续数期，预报服务较成功，但是对雨雪量级极端性预估不足。分析这次过程雨雪极端性及成因，总结预报难点和偏差原因，为类似的寒潮强雨雪天气过程的预报提供参考。
1 资料
采用国家气象信息中心整编的2021年11月5—8日国家气象地面观测站（以下简称“国家站”）的常规要素、闪电及自动站的小时降水观测资料，ERA5再分析数据、EC模式预报和中央气象台智能网格预报数据，资料分析范围集中在我国华北至黄淮地区和东北地区。自动站降水观测资料历史序列较短，对降水量的极端性特征反映不足，故以国家站降雨降雪量为主要依据分析雨雪极端性。此外，台站无降雪量观测值，降雪量是以降水量和观测天气现象融合而成，剔除了雨和雨夹雪的降水量，因此只包含纯雪相态的降水量。
2 实况特点
2.1 降水强度和极端性
2021年11月5日8时—9日8时，北方大部分地区自西向东先后出现雨雪天气。由
图1可知，河北、山西、山东、内蒙古、辽宁、吉林和黑龙江等地日降水量突破11月历史极值的国家站达112站。
表1给出4个代表站过程总降水量和日最大降水量在历史同旬和同月的排序情况。通辽站、鞍山站过程降水量均接近11月上旬和11月降水量的极大值，垦利站和济南站的过程雨量接近11月上旬雨量的极大值。通辽站、鞍山站和济南站日降水量在同旬和同月均排第一，垦利站仅次于1982年排第二。此次过程无论是过程总降水量还是日降水量均接近或达到历史同期最强，极端性显著，尤其是内蒙古东南部至辽宁中西部和吉林西部的降水极端性更显著。过程累计降水量（
图1）显示，华北至黄淮地区和东北地区出现2个明显的强降水中心。华北地区强降水中心出现在山东北部至河北南部地区，选取山东垦利站和济南站作为强降水代表站。东北地区最强降水中心出现在内蒙古东南部至辽宁中西部和吉林西部地区，选取累计降水量第一和第三的内蒙古通辽站和辽宁鞍山站作为代表站。此外，济南站和鞍山站降水具有对流性，出现了明显的闪电。
图2中4个代表站的逐6 h降水量表明，华北至黄淮地区强降水主要发生在6日夜间至7日白天，最大6 h降水量出现在垦利站，达45 mm以上，济南站最大6 h降水量超过30 mm，但维持时间均未超过24 h，累计降水量最大接近80 mm。东北地区降水中心强降水集中在7—8日，鞍山站6 h最大降水量为29 mm，但6 h超过10 mm降水持续时间＜24 h。通辽站6 h最大降水量不超过20 mm，但6 h超过10 mm降水持续时间接近48 h，因此该国家站累计降水量较大，为80～90 mm。
2.2 降雪强度、积雪深度及极端性
由于国家站不直接观测降雪量，缺乏降雪量的气候态资料，无法直接分析降雪量与其气候态极值关系。如果以降水量气候态极值为基准，由于降水量总是大于等于降雪量，降雪量超过降水历史极值情况会较真实的降雪极值偏离度偏小，但对强降雪的趋势和强度分析仍有明显的提示意义，因此本文降雪量极端性以降水量气候态为分析基准。此过程有112个国家站的日降水量超过11月历史极值，统计上述站的过程降雪量占过程降水量的比例，当比例=1.0时，上述112站中共计13个站日降雪量超过11月同期历史极值，在比例≥0.95时有53站，比例≥0.9时有62站。62站主要位于华北地区北部和东北地区(
图3），62站分布也与过程观测强降雪范围符合度较好，因此将62站作为此过程降雪量极端性站点代表。由
图3可知，62站所在的黑龙江西南部、吉林西部、辽宁西部、内蒙古东南部、山西北部、河北西北部等地积雪深度已经超过11月历史极大值，内蒙古东南部、辽宁西部和吉林西部地区为40～50 cm，强积雪深度中心与强降雪中心基本吻合。与过程强降水存在2个中心不同，华北南部至黄淮地区降雪量要明显小于降水量，降雪总量在过程降水总量中占比为30%～40%，而东北地区降雪量基本等于降水量，内蒙古东南部、辽宁西部和吉林西部累计降雪量普遍超过50 mm，最大降雪量超过80 mm，在辽宁大部、内蒙古东南部、吉林西部等地日降雪量超过30 mm，达到特大暴雪量级。通辽降雪持续时间最长，达 66 h，1 h雪强超过2 mm的持续时间超过38 h（7日12时—9日2时），1 h最大降雪量为3.1 mm，6 h最大降雪量为13.8 mm；鞍山降雪持续36 h（7日20时—8日8时），1 h雪强最大达10.6 mm，6 h最大降雪量达37.4 mm（
图4）。
3 极端雨雪成因分析
3.1 主要环流系统演变
此次强雨雪过程由典型的寒潮环流形势造成
[12-13]，5日前极涡中心已偏向欧亚大陆，欧亚中高纬地区呈现“两脊一槽”，乌拉尔山高压脊前偏北气流引导异常偏强的西伯利亚地面冷高压东移南下。5—6日，随着冷平流输送，高压脊前的西风槽逐步加深（
图5a、b），导致冷空气爆发快速南下，与槽前加强的偏南暖湿气流相互作用，部分地区叠加不稳定机制，造成我国中东部地区出现大范围的大风、降温及雨雪天气。7日，中东部地区西风槽继续发展并切断出低涡气旋，气旋受槽前气流引导向东北方向移动，经过渤海、黄海后得到增强，继续北上后受日本海高压脊阻挡，在东北地区维持较长时间（
图5c、d），引发持续性的强降雪过程。
3.2 动力抬升深厚且强烈
5—6日，我国中东部的西风槽发展强烈，500 hPa槽中心负距平达到100～150 dagpm，超过历史同期2个标准差（图5b），700 hPa槽前正涡度强度达到2×10
-5 ～3×10
-5 s
-1，西北地区东部、华北地区北部至东北地区西部850 hPa偏北风达24～30 m·s
-1，偏北风和较弱的偏南风之间存在气旋式切变，925 hPa至地面锋生作用明显。200 hPa高空存在强辐散作用，高空抽吸作用明显，存在较强的上升运动。7—8日，随着西风槽南下加深，500 hPa切断出深厚低涡，中心强度达524 dagpm，负距平最强降至200 dagpm以上，超过3个标准差，低涡低槽前部偏南风加强，偏南急流强度为20～24 m·s
-1，正涡度区逐渐增大，强度为3×10
-5～3.5×10
-5 s
-1，低空辐合加强，偏北冷空气与偏南暖湿气流在东北地区上空激烈交汇，925 hPa至地面存在位温线密集的强锋生区，200 hPa辐散场维持，7日上午华北南部至黄淮北部地区高空气流垂直上升速度最大达0.3 m·s
-1，8日2时东北地区南部达0.4～0.5 m·s
-1（
图6）。
此次过程西风槽和低涡强度显著偏强,近地面底层偏北风冷垫作用明显，偏南暖湿气流在冷垫上爬升的斜压特征显著，为强降水的出现提供了较强的大尺度垂直动力抬升强迫，高低空动力耦合形成对流层低层辐合和高空辐散的深厚垂直上升运动区。与北方较大范围强雨雪过程中低空辐合和高空辐散耦合形成垂直上升运动的大尺度动力抬升环境
[14-20]一致，但此次过程抬升强度和影响范围更大，强冷空气与暖湿气流形成的垂直抬升非常强。
3.3 水汽异常充沛
来自孟加拉湾、我国南部和东部海区的水汽主要由西风槽及低涡前部偏南偏东气流输送至我国北方地区，水汽通量异常区包括华北地区、黄淮地区和东北地区。5—6日，北方大部分地区整层大气湿度较高，可降水量为10～20 mm，850 hPa比湿在华北地区南部和黄淮地区最大达7 g·kg
-1，为强降水发生提供有利的水汽条件。7—8日，华北地区南部、黄淮地区北部和东北地区低涡前部偏南和东南急流加强，同时6日生成的西太平洋热带气旋系统北侧的偏东急流维持在16～20 m·s
-1,我国中东部整层大气水汽输送明显加强，华北地区南部、黄淮地区北部及东北地区850 hPa比湿维持在5～8 g·kg
-1，整层可降水量增加20～30 mm，强降水水汽条件进一步加强。7日华北地区南部、黄淮地区至东北地区整层水汽通量超过气候平均1～2个标准差，东北地区南部超过2个标准差；8日主要的整层水汽通量维持在东北地区，正异常达到2个标准差，大气环境为极端强降水提供了非常有利的水汽条件。2个强降水中心的湿层异常深厚，已经超过之前特大暴雪过程中4～6 g·kg
-1的比湿条件
[14]，远超北方大雪或暴雪普遍的比湿环境
[19]；我国中东部整层大气水汽输送通量为300～500 kg·m
-1·s
-1，强度明显超过北方冬季几次（特大）暴雪过程中水汽输送强度
[15,18,21]。
3.4 大气不稳定机制对降水影响
此次雨雪过程中，部分地区出现“雷打雪”天气现象，提示降水天气过程存在对流性特征。2个强降水中心均出现了明显的闪电观测，闪电发生时段与强降水主要发生时段比较一致。虽然深秋初冬大气不稳定能量较少，但6日23时（
图7a）华北地区南部和黄淮地区北部，7日20时（
图7b）东北地区南部CAPE为100～200 J·kg
-1，
K指数为20～30 K。6日23时，济南站1 h总降水中对流性降水比例超过60%，垦利站附近虽未直接观测到闪电，但1 h对流性降水比例超过60%，华北地区南部和黄淮地区的大气不稳定机制对降水效率的增强作用明显。7日20时，鞍山站附近虽观测到闪电，但1 h对流性降水比例未超过60%，通辽站附近未观测到闪电，1 h对流性降水比例未超过60%，一定程度上说明东北地区南部大气不稳定机制对降水增强有一定作用，但对流活动对强降水影响较小。
3.5 降水持续时间长
7—8日，500 hPa平均高度场上日本海至东北地区维持稳定的高压脊，高压脊强度显著偏强，高度场正距平最强中心强度为150～200 dagpm（
图5c、d）。华北地区至东北地区中南部为低槽区，地面气旋向东北地区移动时受强大而稳定的高压脊阻挡，移动缓慢。6日20时—8日20时影响时间超过48 h，造成内蒙古东南部、东北地区西部和南部强降雪持续时间较长，部分地区强降雪时长超过60 h，内蒙古东南部更显著，通辽站6日凌晨受冷空气影响开始降雪，持续至9日8时（7日凌晨有短暂停歇），降水主要在7日8时—9日0时，小时雪强最大为3.1 mm，比鞍山站、济南站和垦利站的最大小时降水量少，但持续时间超过66 h，是4个代表站中持续降水时间最长、累计降水量最大的站，因此降水的持续时间长也是降水量突破历史极值的原因之一。
4 强降水预报检验和偏差分析
针对此次极端雨雪过程，中央气象台提前发布2021年首次暴雪红色预警，预报服务比较成功，但对雨雪和积雪深度的量级预报仍存在不足。由6—7日10 mm以上的雨雪落区预报与实况对比（
图8）可知，主、客观预报偏差均较小，主要是6—7日降雪量预报偏弱。6日主观预报偏弱是受主流模式预报冷空气在华北地区、黄淮地区推进较实况偏慢影响，模式和主观预报在华北地区、黄淮地区雨转雪的时间较实况偏晚，导致预报降雪量小于实况累计降雪量。
对于东北地区超历史同期的极端强降雪，模式预报偏差较小，主要以主观预报的降雪量偏弱为主。误差的原因主要是内蒙古东南部到辽宁西部数值模式给出的远超冬季日降雪的强降雪预报极值不宜完全采信，在模式预报和EFI预报提示下预计到降雪强度和累计量将超过历史同期，主观仍然预估不足，预报最大降雪量比实况小。
当主流模式对冬季大尺度异常动力强迫及水汽条件充足的过程强降雨或强降雪有较好的预报能力时，预报员应在加强模式环流形势研判的前提下，对模式预报的特大暴雪过程（日纯雪量30 mm左右）进行综合分析，订正雨雪量级，以期达到较好的预报预警服务效果。
5 结论
对2021年11月5—8日影响我国北方的一场极端雨雪天气过程进行分析，得出以下结论：
（1）在典型寒潮天气形势下，寒潮冷平流造成我国华北地区、东北地区高空西风槽和中低层低涡异常偏强，大气斜压环境下高空辐散、中低层辐合抬升和近地面锋生耦合形成持续深厚的上升运动。低空偏南急流叠加西太平洋热带扰动北侧偏东急流输送异常强盛的水汽，局部大气不稳定对流及地面气旋移动缓慢等多个异常因素共同造成此次极端雨雪天气。
（2）雨雪过程持续时间长、累计降水量大、日降水强度强，过程雨雪极端性特征明显和影响天气系统的异常有密切关系，过程中500 hPa低涡中心负距平最强超过3个标准差，低涡最长影响时间超过48 h。东北地区南部水汽最强达8 g·kg-1，整层水汽通量异常，最大超过2个标准差，水汽条件远超以往北方地区其他暴雪过程。不同区域强降水原因有差别，华北地区南部、黄淮地区北部和东北地区南部的强降水主要原因是大尺度动力抬升、丰沛的水汽输送和小尺度对流，而内蒙古东南部强降水主要由长时间持续的大尺度动力抬升和充沛水汽输送产生。
（3）各种数值模式对此次极端过程均有较好的预报能力，中央气象台逐日的主观预报对主要雨雪范围、形态及强度相对主要模式预报效果有进一步提升，但对强雨雪的极端性预估不足，导致在模式集合预报强降水和强降雪EFI指数接近1的情况下，仍对东北地区极端强降雪预报量偏小。因此今后需要加强环流形势研判的前提下，在模式检验的基础上，对模式预报的极端强雨雪过程雨雪范围和量级极端性进行综合分析、采信或订正。
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