2011年貴州兩次降雪天氣過程的多普勒雷達產品特征分析

周治黔，朱 燕，黃世芹，羅乃興，田 程

(1.貴州省大氣探測與技術保障中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省貴陽市白云區氣象局，貴州 貴陽 550014;3.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

1 引言

降雪是我國北方冬季的主要降水形式，貴州屬于亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒、夏無酷暑，因此貴州冬季降雪是比較少的。隨著經濟社會的迅速發展，特別是高速公路網的建成和城市交通的快速發展，降雪對公路運輸、城市交通、生活出行等造成的影響越來越大，雪災作為一種災害性天氣越來越受到社會各界的廣泛關注。

對于降雪天氣成因的分析，國內有多種不同的分析角度，有利用對稱不穩定度來判斷分析的［1－2］，也有對降雪天氣過程進行形勢診斷和中尺度分析的［3－8］，有運用多普勒天氣雷達資料對雨雪天氣分析的［9－11］，部分學者還對降雪過程進行了數值模擬研究［12］等等。有關貴州降雪天氣的文章非常少，宋丹等［6］對貴州近44 a降雪天氣形勢及物理量進行了診斷分析。結果顯示:造成貴州降雪天氣可以分為4種類型，分別是北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動型和高空急流型;一次降雪天氣過程是由一種或多種類型組合而成。林易［13］對貴州一次強降雪天氣過程分析后得知:強降雪的產生主要是由于受高空深厚的西南暖濕氣流、中低層輻合系統、地面冷空氣以及前期地面溫度持續偏低的共同影響所致。湯俊等［14］運用EPV判斷CSI應用于貴州降雪天氣預報。但是貴州省內應用多普勒天氣雷達產品資料進行降雪過程分析的文章目前還是一個空白，預報員缺少應用多普勒雷達產品資料進行降雪短時、臨近預報的經驗、方法和指標，因此，加強多普勒雷達產品資料在貴州降雪過程中的研究應用具有重要意義。

由于貴州省降雪次數較少，應用雷達資料進行降雪過程跟蹤的個例也不多。在2011年1月17日—20日的兩次降雪過程中，貴陽多普勒天氣雷達進行了全程跟蹤，獲得了連續的回波資料。本文利用貴陽多普勒天氣雷達資料，結合環流形勢，詳細分析了雷達基本反射率、回波頂高、基本徑向速度以及風廓線等產品，探討了貴州省降雪過程中中小尺度系統在多普勒雷達上的特征及其與降雪的對應關系，總結了一些貴州省降雪的雷達產品特征，為今后貴州降雪短時監測和預報提供參考。

2 天氣實況

2011年1月17日—20日，貴州省出現了兩次大范圍的降雪天氣過程，第1次主要出現在17日11時—18日03時左右;第2次主要出現在18日23時—20日06時。截至20日08時貴州省共有78個縣(市、區)出現積雪;其中省的東部地區、西部及西南部共有19個縣(市、區)積雪在10 cm以上，最大的積雪厚度出現在銅仁萬山，其積雪29 cm。這兩次降雪過程之前貴州省已經連續出現了17 d嚴重的低溫雨雪冰凍災害，省民政廳1月19日的災情統計結果顯示全省受災人口749萬人，因災死亡1人，因災倒損房屋24 535間;直接經濟損失高達39.14億元。所以再次出現的大范圍降雪，一定程度上進一步加重了低溫雨雪冰凍災害的程度，對交通運輸、生活出行和人民群眾生命財產安全等影響非常嚴重。

3 環流形勢分析

500 hPa上，16日20時，在巴爾喀什湖西側和貝加爾湖附近分別出現切斷低壓，橫槽位于45°N附近，兩湖之間形成阻塞高壓，冷空氣在橫槽附近堆積。到17日20時，阻塞高壓形勢維持，貝加爾湖東側的切斷低壓緩慢東移，橫槽略有南壓;18日20時貝加爾湖西側低槽繼續加深為新的切斷低壓，前一個切斷低壓繼續東移南壓，橫槽繼續維持;19日20時新生成的切斷低壓南壓，引導冷空氣南下。持續維持到22日20時該橫槽轉豎。17日08時—19日08時南支槽基本位于85～90°E附近，貴州主要受槽前西南氣流影響，20日08時南支槽依然維持，但強度減弱，且17日08時—20日08時高原東側不斷有分裂的小槽東移影響貴州。

700 hPa上，16日20時貴州中南部的西南急流建立，并維持到19日20時，水汽供應充足，20日08時轉為偏西氣流，水汽供應減弱，降雪也隨之減弱。但16日20時—20日08時在貴州中部始終維持著風向切變或風速切變。急流為降雪提供充足的水汽供應，切變系統則為其創造抬升機制。溫度場上冷舌一直維持，溫度始終低于0℃，無明顯融化層，是導致此次降水以雪為主的一個重要原因。

850 hPa上，16日20時，在貝加爾湖到河套地區有一大范圍冷高壓，17日20時高壓強度達到此次連續過程中最強，并且伸展至我國的東部地區，一直到20日20時高壓才明顯減弱。由于高壓的穩定存在，貴州省主要受高壓西南部的東偏南氣流影響，與高原小槽帶來的偏北氣流在貴州中南部形成風向切變并長期停留，促發低層輻合抬升。

地面圖上，16日08時在云南北部到重慶之間有一地面輻合線，滇黔靜止鋒位于云南的西部，20時輻合線東段南壓，西段北抬，滇黔靜止鋒略東移，位于云南中部偏西;17日20時滇黔靜止鋒移到云南東部，并持續維持到20日20時，20時開始滇黔靜止鋒北抬減弱，降雪也隨之減弱。

總之，此次過程是由高原小槽東移引導弱冷空氣南下，促發近地面層輻合抬升而出現的兩次大范圍且持續的降雪天氣過程。

4 探空資料分析

從貴陽探空資料分析可知，1月16日20時—20日20時在850～700 hPa之間存在明顯的逆溫層，逆溫層頂最高氣溫除19日20時略高于0℃出現融化層，不利于降雪外，其余時段逆溫層頂最高氣溫均在0℃及以下，有利于降雪的產生。從水汽條件分析，1月16日20時—20日20時，逆溫層頂及以下水汽飽和，逆溫層頂以上水汽條件較差。

利用貴陽探空進行高空風的分析，17日08時—20日08時貴陽低層850 hPa風向除18日20時為東南偏風外，其余時段均為東北風，風速較小;700 hPa均一致轉為西南風，風速迅速增加;500 hPa以上均為一致的西南風或西南偏西風，500 hPa和400 hPa的風速在19～39 m/s之間，到了300 hPa和250 hPa風速迅速增加到53～83 m/s之間(見表1)，說明對流高層存在風速輻散，對對流低層的抽吸作用非常明顯。

表1 17日08時—20日08時貴陽探空各層風速表

5 雷達回波特征分析

5.1 反射率因子特征

此次降雪過程主要是由于高空波動槽東移，低層切變維持，地面弱冷空氣補充，滇黔靜止鋒活躍共同影響造成的。由于滇黔靜止鋒鋒區寬廣、水平范圍大、近地層風速小、低層抬升能量有限、垂直上升運動不強，從而形成了較大范圍、長時間、較均勻的層狀云降水。

由于冰晶和雪片對微波的散射能力比水滴小得多，對微波的衰減作用也較小，因此雪的回波強度通常要比連續性降水回波弱［15］。根據分析得知，當降雪過程中夾雜冰粒時，回波的對流發展較為旺盛，中心強度能達到50 dBz;當降雪過程中以純雪為主時，回波強度普遍偏低，大部分回波強度均在30 dBz以下，中心強度普遍在30～40 dBz之間，反射率因子的分布梯度總體不大。這兩次降雪過程中由于700 hPa存在18 m/s以上持續維持的低空西南急流，500 hPa和400 hPa也為一致的西南風或西南偏西風，風速均達到19～39 m/s之間，因此造成回波的移動速度也非常快，回波移動速度普遍在30 km/h以上。

同時，兩次過程中回波的生消速度比較快，降雪過程中出現了明顯的降雪中斷現象，對于某一地點降雪回波主要呈現間歇性影響的形式。以貴陽站為例，17日11時—18日03時的降雪過程中，共有3個主要的降雪時段，分別是17日12時—14時、19時—20時和20時30分—18日01時;18日23時—20日06時的降雪過程中，共5個主要的降雪時段，分別是19日00時—03時、04時—05時、06時—10時、15時—16時30分和20日00時—06時。

5.2 回波頂高特征

1月17日11時39分—18日02時23分共采集到155個降雪回波體掃資料，根據對各個體回波頂高資料分析可知，回波頂高最大值為8.5 km;回波頂高在 5～7 km的共出現99個，占總數的63.9%;回波頂高在7 km以上的共出現18個，占總數的11.6%;回波頂高在5 km及以下的共出現38個，占總數的24.5%(見圖1)。

圖1 2011年1月17日11時39分至18日02時23分降雪回波頂高最大值曲線

1月18日22時30分—20日06時51分共采集到375個降雪回波體掃資料，根據對各個體掃資料的回波頂高分析得知，回波頂高最大值為8.8 km;回波頂高在5～7 km的共出現223個，占總數的59.4%;回波頂高在7 km以上的共出現28個，占總數的7.5%;回波頂高在5 km及以下的共出現125個，占總數的33.1%(見圖2)。

圖2 2011年1月18日22時30分至20日06時51分降雪回波頂高最大值曲線

由此可見，降雪回波的高度比較低，一般回波頂高在5～7 km之間;發展旺盛階段，強回波中心的高度可以超過8 km。這是因為，其它季節的對流性降水主要通過上升運動使水滴碰并增長后降落，與其不同，冬季的降水方式則主要通過降溫形成冰晶和雪片并降落。根據對貴陽探空資料分析后可知:17日08時—20日08時貴陽上空－20℃層的高度分別為7 820 m、9 750 m、5 610 m、6 237 m、5 964 m、6 180 m和8 953 m。因此，可以看出，降雪回波頂高普遍在－20℃附近，關系密切。

－20℃層高度的變化對降雪量變化也有直接的影響。以貴陽站為例，貴陽探空顯示17日08時—20時－20℃層高度從7 820 m升高至9 750 m，監測表明17日降雪開始至20時降雪總量為1.5 mm;17日20時—18日08時，－20℃層高度從9 750 m下降至5 610 m，此時段的降雪總量為2.8 mm，接近于白天的1倍。18日20時—19日20時－20℃層高度持續維持在6 000 m左右，降雪持續維持，該次過程的降雪也主要集中在這個時段，20日08時－20℃層升至8 953 m以后，降雪逐漸減弱，直至停止，20日08時后，貴陽僅有微量量級的降雪。因此，－20℃層高度適宜，降雪量大，－20℃層高度升高，降雪將會逐漸減弱。

5.3 速度場特征

一般情況下，降雪過程主要是層狀云降水，均勻、連續、范圍大，通過多普勒雷達的徑向速度圖可以獲取風場的垂直結構。但是在這兩次降雪過程中，降雪間歇性較大，僅出現了4次大范圍連續回波過站。

對這4次回波過站的所有徑向速度圖進行分析可以得知，徑向速度的等值線比較密集，沿徑向梯度變化大，最大風速基本達到最大測速范圍，個別時次還出現了測速模糊，根據退模糊處理可知中高層的西南風基本均在24 m/s以上。兩次降雪過程中，近地面零速度線呈現NNW－SSE走向，說明近地面層主要為偏東風;中高層零速度線呈現NW－SE走向，說明中高層主要為西南風(圖略)。由表2看出，除了18日20時850 hPa與中高層的風向差＜180°，風隨高度順時針旋轉，存在暖平流外;其余各個時段850 hPa與中高層的風向差均在180°以上，存在一定的風隨高度逆時針旋轉現象，低空均有冷平流存在，低層抬升機制弱。因此兩次降雪過程均是近地面層冷空氣南下影響后，滇黔靜止鋒增強活躍，進一步觸發低層抬升，中高層西南暖濕氣團移動到冷氣團凝結后形成的降雪。

表2 17日08時—20日08時貴陽探空各層風向表

在這兩次降雪天氣的4次大范圍連續回波過站過程中，有8個體掃資料的徑向速度圖的近地面出現較為完整的“牛眼”狀正負速度對，正負速度中心位置偏低，速度值偏小，最大值在8 m/s左右，最小時僅為5 m/s左右，這與探空資料的結果比較吻合。“牛眼”閉合等值線最外圈高度一般在2.2 km左右，最低為2.15 km，最高達到2.28 km。因此，“牛眼”回波是降雪過程中的一個典型特征。

根據對“牛眼”正負速度中心值進行分析，17日21時—22時，“牛眼”狀回波正負速度中心值為5 m/s左右，從17日20時—18日03時貴陽的降雪總量為2.8 mm，貴陽以東的烏當區降雪總量為1.6 mm，貴陽以西的清鎮市降雪總量達2.5 mm，03時后雪停。19日04時—06時，“牛眼”狀回波正負速度中心值為7.7 m/s左右，18日20時—19日06時貴陽的降雪總量為3.8 mm，貴陽以東的烏當區降雪總量為6.9 mm，貴陽以西的清鎮市降雪總量達7.1 mm，19日06—08時“牛眼”狀回波特征仍維持，且正負速度中心數值增大到8 m/s左右，此時段貴陽的降雪持續，降雪量為0.8 mm。可見，“牛眼”狀回波正負速度中心值越大，說明近地面層的暖平流越強，地面抬升的能量也越大，速度中心值的大小與降雪量存在一定的正比關系。

5.4 風廓線特征

兩次降雪天氣過程中，近地面風向主要為東南風或東北風，部分時段出現了東北偏北風，中層到5 km以下基本上是一致的西南風或西南偏西風，部分時段出現了正西風，風速在24 m/s左右。

以貴陽為例，17日12時—14時，風廓線產品上1.5 km高度為一致的東南風，此時貴陽降雨夾雪。14時14分開始，1.5 km高度上風向逐漸向偏北方向旋轉，14時31分風向轉為東北偏東風，此時降水類型逐步轉為純雪。

17日18時—18日00時，風廓線圖上1.5 km及1.8 km高度上為一致的東北風或東北偏北風，此時貴陽降純雪。1月18日00時02分低層1.5 km處出現東南風，對照回波反射率因子，在此之后，回波逐漸東移減弱消失，降水類型逐漸由純雪轉變為雨夾雪。

貴陽18日23時—19日02時降雨夾雪，此時，風廓線產品上1.5 km高度為一致的東南風或東南偏東風;02時56分，1.5 km高度出現東北偏北風，降水中純雪開始增多;04時07分開始，1.5 km高度上為一致的東北風，其中04時40分起1.5 km和1.8 km高度上均轉為東北偏北風，此時降水全面轉為純雪。20日04時52分開始，1.5 km高度上風向由正北風向東北風偏轉，降水類型逐漸轉為雨夾雪，直至雪停。

6 小結

①貴州降雪回波強度一般＜30 dBz，中心強度普遍在30～40 dBz之間，反射率因子的分布梯度總體不大。但降雪過程中夾雜冰粒的時候，回波的對流發展較為旺盛，中心強度能達到50 dBz。

②降雪回波的頂高一般在7 km以下，其中頂高5～7 km的情況占到60%左右，發展旺盛時回波頂高可達到8 km以上。

③雷達徑向速度分析顯示，降雪回波徑向速度的等值線比較密集，沿徑向梯度變化大;中低層主要表現為冷平流;“牛眼”是降雪回波的一個典型特征，但“牛眼”高度一般較低，回波比較零散或者回波未過雷達時，該特征并不明顯。“牛眼”狀回波正負速度中心值的大小與降雪量存在一定的正比關系。速度中心值越大，說明近地面層的暖平流越強，地面抬升的能量也越大，降雪量也越大。

④風廓線產品的近地面層風向對于預報降水類型有明顯的指示意義，當風廓線產品上近地面1.5 km高度的風向由東偏南轉為東偏北時，地面冷平流取代暖平流，雨夾雪向純雪轉換，反之，暖平流取代冷平流，則是純雪向雨夾雪轉換，或者降雪減弱消失。

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