江西三次暴雪天氣雷達回波特征分析

陳鮑發，馬中元，諶 蕓，王立志，余劍浩，盧秋芳，鄭卡妮，張曉芳

（1.國家氣象中心，北京100081；2.江西省氣象科學研究所，江西 南昌330046；3.景德鎮市氣象局，江西 景德鎮333000；4.中國科學院大氣物理研究所，北京100029；5.鷹潭市氣象局，江西 鷹潭335000；6.上饒市氣象局，江西 上饒334000）

雨雪冰凍天氣是江西冬季常出現的氣象災害之一，尤其是當連續多日發生雨雪冰凍災害時，對人們的生活與生產有很大的影響。江西最為嚴重的雨雪冰凍災害發生在2008年初（1月10日—2月2日），江西出現了4次凍雨天氣過程，主要集中在1月中、下旬和2月初，尤其是1月下旬最為嚴重。因此，雨雪天氣持續發生最易出現冰凍天氣，而冰凍天氣才會產生冰凍災害。2014、2016、2018年，江西出現了3次雨雪天氣過程，最大雪深分別為12.6、18.0、20.0 cm，是比較典型的暴雪天氣過程，對江西北部農業、交通和生活都造成較嚴重影響，一些地方由于積雪還出現了災情。

江西降雪與北方降雪不同，出現概率較小，但影響大，多年來是江西預報、預警、服務的重點科目，被列為高影響天氣之一。國內專家對雨雪天氣的研究頗多，主要的影響天氣系統有地面冷高壓、阻塞高壓、副熱帶高壓、南支槽、850 hPa切變線、700 hPa切變線、地面輻合線（準靜止鋒）、溫度鋒區、700 hPa急流與濕舌等[1-4]。副熱帶高壓異常偏北，低空西南急流活躍，冷空氣與暖濕氣流匯合，共同造成江南地區大范圍降雪天氣過程[5]。暴雪產生在低空急流的左前方，雪區位于700 hPa冷式切變線以南1～3個緯距內或暖式切變附近[6]。逆溫層高度在850～700 hPa，平均逆溫差為4～5℃，最大10℃[1]。地面溫度在0℃以下或接近0℃，以降雪天氣為主[7]。0℃等溫線呈“漏斗狀”向下延伸區對未來降水相態由雨轉雪區和暴雪區有指示意義[8]。我國東部地區降雪判據T925≤-2℃，T1000≤0℃，T700≤0℃[9-13]。暴雪發生時，濕度層厚度升高，且整層溫度均＜0℃[14]。700 hPa有強的西南暖濕急流，導致其以上氣層出現潛在不穩定層結，是降雪天氣發生的重要機制[15-17]。降雪的反射率因子不超過40 dBZ，小于降水反射率因子的強度，反射率因子上有時能看到雨雪的明顯分界；回波頂高較低，都在6 km以下，比較平整連續；速度場上有明顯的“牛眼”特征[18-22]。這些研究成果為雨雪天氣過程的研究提供了有力的依據，但是，研究內容主要表現在天氣學方面，雷達回波分析以單部雷達回波產品為主，而能反映大范圍雨雪分布的雷達拼圖回波特征研究和應用較少。

文中使用常規天氣資料和天氣雷達、風廓線雷達等非常規資料，采用統計分析、中尺度分析、回波形態分析等方法，對江西3次暴雪天氣過程進行雷達回波特征對比分析，試圖得出江西暴雪天氣下的雷達回波特征，尤其是大范圍的雷達拼圖產品的應用，為暴雪天氣的短臨預報和服務提供依據。

1 資料來源和天氣實況

1.1 資料來源

雨量、雪深等氣象數據來源于CIMISS數據庫和江西省自動站地面觀測資料，天氣形勢中尺度分析和南昌探空資料來源于MICAPS 4系統平臺。

雷達拼圖資料來源于江西WebGIS雷達拼圖應用平臺（http：//10.116.32.81/，2012年開發）。這個平臺有24部S波段雷達，拼圖精度為1 km×1 km，具有組合反射率CR等產品，出圖時間為10 min間隔，拼圖范圍為：1100 km×1100 km。這個范圍對江西監測大范圍的雨雪天氣十分有利。文中雷達垂直回波圖來源于南昌、景德鎮和宜春三部雷達基數據的反演產品。

風廓線雷達資料來源于宜春（北京敏視達雷達公式生成的3 km探測高度的TWP3邊界層風廓線雷達）、景德鎮（北京敏視達雷達公式生成的3 km探測高度的TWP3邊界層風廓線雷達）和上饒（北京敏視達雷達公式生成的8 km探測高度的TWP8對流層風廓線雷達）3部風廓線雷達，產品有風場Wind、垂直速度W、徑向速度Vr、信噪比SNR和大氣折射結構常數等，其中W與Vr、SNR與圖像顯示效果差不多，本文主要分析風場Wind、垂直速度W和信噪比SNR。

文中全部使用北京時間。

1.2 3次暴雪天氣實況

2014年、2016年和2018年冬季（12—2月），江西出現3次暴雪過程，雪深都達到暴雪標準（≥8 mm/24 h），這是江西近6 a來3次最大的降雪過程。

2014年2月9日08時—10日08時（圖1a），江西北部、江西中部偏北區域出現大面積降雪，最大雪深達到12.6 cm（廬山）和10.1 cm（南昌）；江西中部局部地區出現1～10 mm降雪。從雪深上可見，九江、南昌、宜春、上饒、鷹潭和撫州北部降雪明顯，宜春東部、吉安北部降雪較大；吉安西部和贛州北部有零星小雪。

2016年1月22日08時—23日08時（圖1b），江西北部出現較大面積降雪，最大雪深達到18.0 cm（廬山）和11.2 cm（修水）；江西中西部局部地方出現1～40 mm降雪。從雪深上可見，九江、南昌、宜春、上饒和景德鎮降雪明顯，萍鄉、吉安北部局部也有降雪。

2018年12月30日08時—31日08時（圖1c），江西北部出現較大面積降雪，最大雪深達到20.0 cm（廬山）和20.0 cm（九江）；江西中部偏北區域出現1～40 mm降雪，尤其是撫州北部。從雪深上可見，九江、南昌、宜春、上饒和景德鎮降雪明顯，萍鄉、撫州、吉安北部局部也有降雪。

由此可見，江西暴雪天氣過程主要出現在江西北部和中部地區，最南可到吉安西部和贛州北部。除廬山高山站外，南昌、修水和九江也是雪深最大值分布中心。3次暴雪過程最嚴重的是2018年12月30—31日過程，2016年1月22—23日過程最輕，暴雪點分布不均勻、不成片，這可能與降雪天氣系統強弱、地面溫度偏高和分布不均勻等因素相關。

2 天氣系統配置與層結特征

將3次暴雪天氣08時的天氣圖融合在一起得到江西暴雪天氣中尺度系統配置（圖2a）。在200 hPa急流、500 hPa低槽、700 hPa切變線與急流、850 hPa冷溫槽、急流、-4～-8℃溫度線與偏東氣流的共同影響下，形成了江西暴雪天氣的中尺度系統配置模型。850 hPa上-4～-8℃溫度線區域是主要降雪區，溫度線走勢與雪區分布一致。850 hPa偏東氣流造成低層溫度迅速降到0℃以下，使液態降水演變成低層固態雪并在江西北部形成暴雪。華東850 hPa東風急流的方向從東北向西南，帶來低層冷平流。與700 hPa東南急流，帶來中層暖平流，與形成“中層暖層及低層‘冷墊’”的認識吻合。中層暖層及低層“冷墊”（地面溫度低于0℃或0℃附近）是江西暴雪天氣產生的有利條件，這種降水相態的垂直溫度濕度結構（冷—暖—冷）表現為700 hPa有增溫且濕層深厚，十分有利于江西大雪或暴雪天氣的產生與維持。

圖2 江西3次暴雪天氣08時系統配置綜合圖（a）和南昌探空T-lnP綜合圖（b）

將3次暴雪天氣的08時探空數據融合在一起制作平均場，得到江西暴雪天氣探空T-lnP綜合圖（圖2b）。探空綜合圖在江西出現大范圍固態降雪天氣時，其上空的層結有幾個重要特征：（1）850～700 hPa有逆溫層，700 hPa較850 hPa平均高出4～5℃，極端情況可以達8～10℃，逆溫層中最高氣溫≤0℃。（2）700 hPa及以下氣溫均在0℃或以下，850 hPa平均可達-5℃，1000 hPa平均0～-2℃，1000 hPa以下至地面在0℃附近，1℃以下。（3）風場上，850 hPa及以下為偏東風，冷空氣侵入，925～1000 hPa東北風達12 m·s-1。700 hPa及以上有強盛的西南急流或西南偏西急流，風速700 hPa平均達20 m·s-1，500 hPa平均達30 m·s-1，400 hPa平均達40 m·s-1，高空急流位于200 hPa，急流強度達70～80 m·s-1。（4）400 hPa以下露點線與溫度線非常接近，T-Td≤2℃，即中低層水汽呈飽和狀態。

江西大范圍的暴雪天氣過程，特別是降雪，要求850 hPa降至-4℃或以下，同時1000～700 hPa氣溫均要降至0℃或以下。有二層逆溫或等溫層存在，850～700 hPa逆溫強度平均達到-4℃。850 hPa以下有較大的東北風，500 hPa以下均為水汽飽和區。

3 暴雪天氣的雷達回波特征

3.1 雷達拼圖回波特征

影響江西的雨雪回波具有較大范圍的帶狀或團絮狀回波結構，單部雷達往往看不完整雨雪回波的結構，只有雷達拼圖才能較完整地反映大尺度雨雪天氣的分布。江西省地域分布為南北長、東西窄，在較大雨雪天氣過程中，雷達拼圖上能探測到北部雪、南部雨、中間是雨夾雪過渡的回波特征。雪回波強度比較特殊，在0～30 dBZ，暴雪可達30 dBZ左右，呈片狀絲縷結構；雨回波強度＞20 dBZ以上，呈現絮狀回波結構；雨夾雪回波中，最強雨回波可以發展到45 dBZ，呈現團絮狀回波結構。

雪回波強度特殊性表現在一些較弱的降雪在雷達回波上可能會沒有反映，但實際上，受地物遮蔽、距離衰減等因素影響，雷達圖上沒有回波的地方有可能還在下雪，這點在實際預報中要密切關注降雪區的實況進行綜合分析。

3次暴雪過程的雷達拼圖CR回波圖像（圖3a，3c，3e，圖中數值為地面溫度），其主要特征是北部為片狀結構，并伴有明顯絲縷狀結構的降雪回波，其回波強度為0～30 dBZ。南部為絮狀結構的降雨回波，回波強度可達35 dBZ或以上，3次過程中最強達到45 dBZ。在北部降雪回波與南部降雨回波之間，即有片狀回波結構，又有絮狀回波結構的混合型雨夾雪回波特征，回波強度在降雪回波與降雨回波之間。

3次暴雪過程的地面最低溫度場分布見圖3b、3d、3f，江西北部、中部是地面溫度最低和降雪主要區域，地面最低溫度在0℃以下或0℃附近，暴雪區域基本上與地面最低溫度相配合（圖3b、圖1a）。2016年1月22—23日暴雪過程比較特殊，江西北部、中部大多數觀測站地面最低溫度都在0～2℃，個別站點達到0℃，低溫分布極不均勻，這也導致暴雪點分布不均勻（圖3d、圖1b）。2018年12月30—31日暴雪過程較前兩次都嚴重，整個江西北部、中部都處在0℃以下，暴雪范圍也較大（圖3f、圖1c）。

圖3 江西3次暴雪天氣雷達拼圖CR產品與地面溫度對比

由此可見，江西暴雪的形成除與降雪天氣系統強弱有關外，還與地面溫度關系密切。當有降雪系統影響時，地面最低溫度分布與暴雪分布相吻合。有時地面溫度在0～2℃，雖然形成不了較大范圍成片暴雪，但在局部0℃區域，仍然有可能出現暴雪點。

3.2 單部雷達回波特征

3.2.1 基本特征

在單部雷達CR產品上，回波呈片絮狀結構。大片絮狀回波中嵌有中等強度的對流單體回波，降雪回波最大反射率在30 dBZ以下，超過30 dBZ以上的回波一般對應著降雨，片絮狀回波結構是雨雪混合的體現（圖4a）。單部雷達觀測雨雪區域有限，只能看到大尺度系統中的局部，在雷達拼圖上，雨雪回波覆蓋上1000 km范圍，橫跨幾個省，片絮狀回波不斷經過測站，由于持續時間長而累計形成暴雪天氣。暴雪天氣的產生除與天氣系統長時間經過測站有關外，還與降雪強度有關。降雪的回波頂高ET一般在5 km以下，雨夾雪在6 km以下，如果系統位置位于江西中部偏南一些時，回波頂高ET可以發展到7～8 km（圖4b）。垂直累積液態含水量VIL都較小，無論是雪、雨夾雪和雨，VIL都＜5 kg/m2（圖4c）。

圖4 2018年12月30日18：58撫州雷達產品

不同仰角雷達產品能反映降雪天氣系統的垂直結構。0.5°仰角可以看到雷達站附近降水或降雪的低層回波分布情況（圖5a），主要是由片絮狀回波結構組成，回波強度在30 dBZ之下。在0.5°徑向速度圖上（圖5b），零速度線呈標準的“S”彎曲，出現“牛眼”結構。“牛眼”的出現表明了2 km高度層附近存在很強的風向垂直切變，2 km以下為東北風，2 km以上轉為西南風。從“牛眼”的大小可以看出，負速度區的面積大于正速度區的面積，表明低層輻合明顯。這時，850 hPa以下溫度低，700 hPa增溫，500 hPa以下濕度較大，西南氣流把水汽輸送到降雪區，有利于在中低層暖式切變附近形成強降雪。把圖5b的零度線疊加到圖5a中，可以看出負值區對應于較強回波；正值區對應于較弱回波。在1.46°仰角上（圖5c），在測站南面回波較強，屬于雨夾雪回波，最強回波中心達到40 dBZ，這個仰角出現較強回波核，其它仰角沒有反應，表明這個較強回波核高度在2～3 km，懸浮在半空中。在2.44°仰角上（圖5d），回波范圍大大縮小。

在江西雨雪天氣過程中，近地面層東北風侵入是形成降雪較為有利的天氣形勢。低層東北風與中層西南風形成輻合，帶來冷空氣，形成850 hPa以下冷、700 hPa暖的溫度層結條件，十分有利于形成暴雪。當850 hPa轉為東風或東南風時，江西一般多為降雨天氣。

3.2.2 回波剖面特征

江西雨雪天氣回波系統尺度較大、范圍較廣，橫跨江西、湖南、福建、湖北等省，單部雷達探測范圍看不到全貌，只能看到雷達測站附近的局部回波。但單部雷達垂直剖面產品，包括反射率因子RCS（reflectivity cross section）產品和徑向速度VCS（velocity cross section）產品，可以了解這些系統之中的垂直結構。

垂直剖面是從組合反射率CR產品圖上，選擇2個不同方向的回波區進行反射率因子RCS和徑向速度VCS的剖面分析（圖6a中1區和2區），可以看出1區對應著降雪區，2區對應著雨夾雪區。反射率因子RCS（圖6b，6c），1區20 dBZ回波高度和2區30 dBZ回波高度都在3 km，回波強度分別為30 dBZ以下和40 dBZ以下。在2區RCS圖上（圖6c），2～3 km高度，有20～40 dBZ的較強回波帶，與700 hPa高度的強西南急流有關。徑向速度VCS（圖6d，6e）上，1區零速度線在1.5～2 km，其下為負速度區，其上為正速度區（圖6d）；2區零速度線在1.5～2 km，其上為負速度區，其下為正速度區（圖6e）。徑向速度剖面圖“下負上正，上負下正”結構，與徑向速度“牛眼”結構（圖5b）相關。

3.3 利用江西WebGIS雷達拼圖監測雨雪天氣

圖5 2018年12月30日18：58撫州雷達不同仰角反射率因子Z和徑向速度V產品

圖6 2018年12月30日18：58撫州雷達反射率因子RCS和徑向速度VCS剖面

雨雪天氣屬于大尺度天氣系統，其回波系統常常覆蓋江西、湖南、福建、浙江、安徽和湖北等省，具有雪、雨夾雪、雨3種降水相態共存特征（圖7a）。從單部雷達產品上看不到雨雪天氣系統的全貌（圖7b）。單部雷達只能探測到雨雪天氣系統中的某一個局部，不能同時觀測到雪、雨夾雪、雨三種降水相態共存的特征。單部雷達觀測還存在地物遮擋、距離衰減、地球曲率等因素的影響，相比之下，多部雷達拼圖監測大尺度雨雪天氣系統更具有優勢。

在雷達拼圖上，探測到具有雪、雨夾雪、雨三種降水相態共存的回波特征（圖8a）。雪的回波為絲縷片狀結構，回波強度較弱為5～20 dBZ，其中混有小范圍20～30 dBZ的長條形片狀稍強的回波，主要分布在江西北部。江西南部為絮團狀回波結構，回波團塊結構明顯，回波之間界限分明，強度達20～40 dBZ或以上，沒有絲縷狀結構特征，為典型的降雨絮狀回波結構。在江西北部雪與南部雨的回波之間，江西中部有片絮狀回波結構（絮狀與絲縷片狀結構回波共存）的混合回波，強度一般在0～35 dBZ，有時會更強一些，可達35 dBZ以上。這是雨、雪共存，為雨夾雪片絮狀回波結構。

在江西雷達拼圖上疊加地面極大風速，可以看到冷空氣侵入江西的路徑（圖8b）。低層東北風攜帶冷空氣經過九江長江河谷口、江西東部走廊灌入江西腹地，使得地面溫度下降到0℃以下，為大范圍積雪創造了有利條件。

通過江西暴雪天氣個例的雷達拼圖資料分析，經過多年單部雷達觀測雨雪回波的經驗，得到使用雷達拼圖監測雨雪天氣回波系統，能觀測到整個系統的全貌，彌補了單部雷達只能觀測到雨雪回波系統的局部和單部雷達地物擋角、距離衰減、地球曲率等缺陷的影響，能觀測記錄到整個雨雪回波系統中，同時觀測到雪的回波、雨夾雪回波和雨的回波3種降水相態共存的回波特征。

圖7 江西WebGIS雷達拼圖（a）與24部雷達（b）有效探測范圍分布

圖8 江西雪、雨夾雪、雨3種降水相態共存時雷達拼圖回波特征

4 暴雪天氣的風廓線雷達特征

4.1 風廓線雷達風場產品

分析2018年12月30日暴雪過程中的江西3部風廓線雷達（宜春、景德鎮TWP3風廓線雷達，上饒TWP8風廓線雷達）的風場特征（圖9）。宜春TWP3風廓線雷達上風場（圖9a）特征為：（1）3 km高度以上為偏西大風區；（2）1.2 km高度以下為偏東弱風區；（3）1.2～1.8 km為風向轉換區，反映了從低層冷空氣轉為上層暖空氣的混合層厚度，即風在單位高度上的變換角度和風速大小，體現了暖平流的強度和厚度。景德鎮TWP3風廓線雷達上風場（圖9b）特征為：（1）3 km高度以上為偏西大風區；（2）0.9 km高度以下為偏東弱風區；（3）0.9～1.8 km為風向轉換區。上饒TWP8風廓線雷達上風場（圖9c）特征為：（1）3 km高度以上為偏西大風區；（2）1.2 km高度以下為偏東弱風區；（3）1.2～3.2 km為風向切變區；（4）風隨高度順時針旋轉，存在明顯的暖平流。

江西3部風廓線雷達具有3個明顯特征：（1）3 km高度以上為偏西大風區；（2）0.9～1.2 km高度以下為偏東弱風區；（3）0.9～3.2 km為風向切變區。其中上饒風廓線雷達還存在風隨高度順時針旋轉的暖平流。

江西3次暴雪過程中空間各層溫度的變化十分重要，根據南昌探空1000～500 hPa不同高度上的溫度分布（表1）。暴雪期間，南昌探空顯示各層溫度都在0℃附近或0℃以下，3個暴雪過程的總體均值表明：1000 hPa溫度在0℃以下，均值為-1.440℃，最低可達-4℃。1000 hPa溫度在0℃以下，使得雪飄落地面不易融化，有利于地面形成降雪。925 hPa溫度均值為-3.67℃，最低可達-5℃。850 hPa溫度均值為-5.11℃，最低可達-8℃。700 hPa溫度均值為-1.78℃，最低可達-4℃。可見，700 hPa溫度高于850 hPa，出現明顯逆溫層，這是江西大雪或暴雪的一個重要標志。500 hPa溫度均值為-14.33℃，最低可達-16℃。

圖9 2018年12月30日01時—31日00時江西3部風廓線雷達產品

表1 江西3次暴雪天氣過程南昌探空站1000～500 hPa溫度T分布℃

風廓線上0.9～3.2 km的風向轉換層，與850～700 hPa的逆溫層關系密切。探空曲線上的逆溫層是底層東北風與高層西風交叉形成的，在風廓線雷達風場產品上可以看出。降雪出現時，1000 hPa溫度在0℃以下，大雪時可達-4℃；700 hPa溫度高于850 hPa，出現明顯逆溫層。

4.2 風廓線信噪比和垂直速度產品

風廓線雷達除了風場數據外，還有垂直速度W、徑向速度Vr、信噪比SNR和大氣折射結構常數等參數。其中W與Vr、SNR與圖像顯示效果差不多，本文分析2018年12月30日暴雪過程中的風廓線雷達的垂直速度W和信噪比SNR兩個參數（圖10）。

雪在TWP3風廓線雷達上信噪比SNR參數為20～35 dB（在-21～-19 m-2/3），垂直速度W和徑向速度為0～4 m·s-1，在有明顯降水的情況下，速度可達4～6 m·s-1。雪在TWP8風廓線雷達上信噪比SNR參數為35～50 dB（在-19～-17 m-2/3），明顯比TWP3邊界層風廓線雷達要強，垂直速度W和徑向速度為0～4 m·s-1，與TWP3邊界層風廓線雷達差不多。

雪在TWP3和TWP8風廓線雷達上表現不同，信噪比SNR分別為：20～35 dB和35～50 dB；垂直速度W為0～4 m·s-1。

圖10 2018年12月30日01時—31日00時風廓線雷達信噪比SNR和垂直速度W產品

5 結論與討論

使用常規天氣資料和天氣雷達、風廓線雷達、數值預報等非常規資料，采用統計分析、中尺度分析、回波形態分析和對比檢驗等方法，對江西3次暴雪天氣過程進行對比分析，得到以下結論：

（1）江西暴雪天氣過程主要出現在贛北和贛中地區，最南可到吉安西部和贛州北部。除廬山高山站外，南昌、修水和九江也是雪深最大值分布中心。

（2）江西大范圍的降雪天氣過程，500 hPa均處高空槽前，低槽呈南北向；850 hPa上0℃線橫穿江西南部，-4℃附近及以北-8℃區域是主要降雪區。850～700 hPa存在逆溫層，逆溫強度達到-4℃左右。

（3）影響江西的雨雪回波主要是團絮狀回波結構，單部雷達往往看不完整雨雪回波的全貌，雷達拼圖才能較完整地探測到大尺度雨雪天氣的回波系統分布。江西雨雪回波系統在雷達拼圖上表現為：北部雪、南部雨、中間是雨夾雪過渡帶。雪回波強度在5～20 dBZ，暴雪可達30 dBZ，呈現帶狀或片狀絲縷結構；雨回波強度＞20 dBZ，雨夾雪回波中，最強雨回波可以發展到40 dBZ以上，呈現團絮狀或帶狀結構。

（4）反射率因子RCS，回波伸展高度在5～6 km，2 km附近有20～30 dBZ的較強回波；徑向速度場VCS上，零速度線在1.5～2 km，根據不同方向，具有“下負上正、上負下正”兩種不同速度區。

（5）使用雷達拼圖監測雨雪天氣能觀測到整個回波系統的全貌，能將整個雨雪系統的南北相態分布同時呈現。

（6）風廓線上0.9～3.2 km的風轉換層，底層東北風與高層偏西風，加強了風切變的形成。雪在TWP3和TWP8風廓線雷達上表現不同，信噪比SNR分別為：20～35 dB和35～50 dB；垂直速度W為0～4 m·s-1。