秦皇島一次降雪天氣過程分析及雙極化雷達(dá)應(yīng)用

張晨宇 毛智政 燕成玉 劉冰玉 趙彥琴

關(guān)鍵詞降雪;動力條件;水汽條件;雙偏振雷達(dá)

降雪是華北地區(qū)冬季常見的天氣之一，冬季大范圍強降雪極易對交通、電力及人們生活造成影響。因此，降雪預(yù)報準(zhǔn)確率對北方地區(qū)冬季防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義，冬季降雪相態(tài)的預(yù)報也一直是短期預(yù)報的重點難點。田秀霞等對華北南部一次暴雪過程進(jìn)行動力診斷分析，得出高空槽和地面回流是該過程的影響系統(tǒng)，東北干冷氣流、東南暖濕氣流和西南暖濕氣流是此次過程的水汽來源。顧佳佳等分析了2014年河南一次暴雪過程的三維空間結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)低層?xùn)|北干冷空氣楔入暖濕氣流內(nèi)，一方面在近地層形成冷墊，另一方面促使暖濕空氣抬升，為暴雪提供有力動力條件。李江波等通過分析一次強冷空氣過程，指出地面溫度在0cc左右和1003hPa溫度在2℃以下，925 hPa溫度低于-2℃為華北地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換判據(jù)。也有部分學(xué)者利用雙極化雷達(dá)進(jìn)行冬季降水相態(tài)判別研究。

2020年2月14日秦皇島出現(xiàn)了一次大范圍降雪過程，但因為前期對主要降雪時段和相態(tài)判斷有誤，與實況出現(xiàn)了較大誤差，降雪當(dāng)天對全市交通、電力各方面造成較大影響。根據(jù)2020年2月14-15日歐洲數(shù)值預(yù)報中心（ECHwF）細(xì)網(wǎng)格資料、常規(guī)地面及探空資料、秦皇島市區(qū)域站、國家氣象站觀測資料，從環(huán)流形勢、水汽條件、動力條件等方面對本次降雪過程誤差原因進(jìn)行分析，并結(jié)合雙極化雷達(dá)資料對降雪實況相態(tài)進(jìn)行判別研究。

1災(zāi)害天氣實況分析

受西北路冷空氣影響，2020年2月13日開始，河北省自西向東出現(xiàn)降雪天氣。秦皇島降雪從14日13：00開始，青龍中雪，其他地區(qū)大雪，最大降雪量出現(xiàn)在盧龍，為8.5mm，最大小時降雪量出現(xiàn)在14日16：00，盧龍為1.9mm/h;各縣區(qū)積雪青龍2cm，其他縣區(qū)5～8cm（圖1）。

本次降雪過程，秦皇島市氣象臺預(yù)報為13日-14日雨夾雪轉(zhuǎn)小到中雪過程，實況中13日未出現(xiàn)降水，且14日全市普降中到大雪，預(yù)報與實況相比出現(xiàn)較大誤差。

2環(huán)流形勢分析

2020年2月14日08：00，500 hPa（圖2a）東亞中高緯呈一槽一脊形勢，在蒙古地區(qū)有一切斷低渦，冷中心可達(dá)360c，冷空氣南下影響華北地區(qū)，下游有一定阻擋形勢，系統(tǒng)影響時間較長。700hPa（圖2b）在河套北部有低渦存在，渦前正渦度平流使渦前移，系統(tǒng)加強，14日08：00 700 hPa發(fā)展出閉合環(huán)流。13日850 hPa和925 hPa上存在切變線（圖2c），14日發(fā)展為閉合環(huán)流，西南急流提供水汽與高空槽相配合影響產(chǎn)生此次降水。地面形勢上（圖2d），上游蒙古地區(qū)有強冷高壓，中心數(shù)值可達(dá)1070hPa，河北受高壓前部地面倒槽影響。14日秦皇島地區(qū)為東北風(fēng)，起到冷墊和水汽輸送的作用，且有地面輻合線存在。總體來說，高空槽配合中低層切變線、閉合環(huán)流以及地面倒槽，動力條件有利于降雪天出現(xiàn)。同時，河北省存在濕區(qū)，850 hPa、925 hPa西南急流和地面偏東風(fēng)的水汽輸送，為降雪提供了有利的水汽條件。

3物理量場分析

3.1水汽條件

從水汽通量散度剖面圖上（圖3a）可以看到，13日08：00水汽通量散度由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明水汽通道開始逐步打開，由低層西南風(fēng)輸送南方的水汽，底層?xùn)|北風(fēng)將渤海海面的水汽輸送至秦皇島。至20：00達(dá)到負(fù)值最大，說明13日夜間到14日白天水汽條件均有利于降雪發(fā)生。沿經(jīng)度做水汽通量散度剖面（圖3b），可以看到從北部到東部沿海水汽通量散度呈現(xiàn)負(fù)值并逐漸加大，水汽輸送加強，說明沿海地區(qū)水汽條件要比北部好，因此，北部青龍縣降雪量偏小。

3.2動力條件

秦皇島市氣象臺預(yù)報主要降雪時段為13日夜間到14日，而實況從14日中午開始全市才陸續(xù)出現(xiàn)降雪，出現(xiàn)較嚴(yán)重的誤差。

分析渦度剖面圖（圖4a）可知，13日中高層為負(fù)渦度，中心位于400 hPa，低層為正渦度但數(shù)值很小;到14日負(fù)渦度中心上升300 hPa，同時，低層正渦度顯著加強，中心高度升高至850 hPa。說明14日比13日系統(tǒng)厚度增加，發(fā)展更為旺盛。散度剖面圖（圖4b）中，13-14日低層負(fù)散度為輻合，高層正散度為輻散，但14日700～500 hPa的輻散更強，同樣說明系統(tǒng)垂直發(fā)展旺盛。同時，實況中700 hPa系統(tǒng)移動較慢，14日白天700 hPa切變線才東移至我省，與高低層系統(tǒng)形成配合，動力條件最佳。

查看13-14日秦皇島區(qū)域站10 m風(fēng)觀測資料，發(fā)現(xiàn)13日全市地面風(fēng)力較弱，為1～2m/s（圖5a），而14日地面風(fēng)力最大可達(dá)12～14m/s（圖5b），在沿海的秦皇島、撫寧、昌黎一帶形成較強輻合。低層強輻合產(chǎn)生上升運動，配合整層更有利的動力條件，進(jìn)而觸發(fā)降水，因此，實況降水出現(xiàn)在14日。

3.3熱力條件

EC數(shù)值預(yù)報和14日實況資料顯示，14日白天秦皇島850 hPa氣溫均在_40c以上。根據(jù)河北省預(yù)報員手冊，河北省雨雪轉(zhuǎn)化指標(biāo)為850 hPa達(dá)到_40c，925 hPa達(dá)-2℃。根據(jù)指標(biāo)預(yù)報雨夾雪天氣，但實際相態(tài)為雪，出現(xiàn)誤差。

分析秦皇島站溫度剖面圖（圖6）發(fā)現(xiàn)，14日白天低層存在逆溫，850～925hPa溫度在-4℃甚至0℃以上，不符合河北省降雪指標(biāo)，但近地層偏東風(fēng)起到冷墊作用，使925 hPa以下溫度迅速下降至-6℃，降幅較大，滿足雨一雪轉(zhuǎn)換的條件。且由圖可知，14日850 hPa暖平流偏弱，不足以使降雪粒子完全融化為雨。

4雙極化雷達(dá)圖像分析

從雷達(dá)基本速度產(chǎn)品看出，降雪初期我市低層和高層分別有急流出現(xiàn)，14：00～15：00 1.5°仰角（圖7a、7b）可觀察到牛眼結(jié)構(gòu)，18：00低層急流減弱（7c）。低層為東北急流，起到水汽輸送和冷墊作用：中高層西南急流也提供較強的水汽輸送;同時，垂直方向風(fēng)切變使系統(tǒng)移動緩慢，降水得以維持較長時間，達(dá)到中到大雪量級。

選取降雪最強的15：00～17：003.3deg雷達(dá)資料，協(xié)相關(guān)系數(shù)（圖8a、8b、8c）可看到距雷達(dá)75 km左右處部分區(qū)域CC值偏低，為0.97～0.85。根據(jù)雙極化雷達(dá)原理，水凝物相態(tài)多樣性和形狀的多樣性會引起相關(guān)系數(shù)減小，所以CC偏低區(qū)域說明有不同相態(tài)的粒子共存。但CC低值區(qū)呈塊狀分布而非明顯的環(huán)狀低值帶，判斷此為低層逆溫導(dǎo)致部分降雪粒子相態(tài)出現(xiàn)變化，相態(tài)混合致使CC圖像上出現(xiàn)成片低值區(qū)，并非指示融化層高度。而3.3仰角產(chǎn)品在距離75 km處對應(yīng)高度為4～5 km，與850～925hPa高度接近，與溫度剖面中逆溫層高度相一致。

差分反射率因子ZDR值基本在0-0.5 dB（圖8d、8e、8f），符合降雪粒子ZDR特征，但50-75km處也有部分偏大區(qū)域，在1dB左右。分析為低層逆溫導(dǎo)致粒子相態(tài)產(chǎn)生變化，使ZDR值上升。

粒子分類（HCL）產(chǎn)品同時次降水粒子在3.3deg（圖8g）相態(tài)的判斷主要為干雪和冰晶，0.5deg（圖8h）中靠近雷達(dá)的位置，即低層相態(tài)識別出少量濕雪，高層為干雪，與實況和偏振產(chǎn)品分析結(jié)果相符。

5總結(jié)

（1）此次過程是由高空冷渦、中低層切變線配合地面倒槽產(chǎn)生的一次降雪過程，降雪量以中到大雪為主。

（2）13日700hPa系統(tǒng)移速較慢，動力條件較差，因此，在水汽條件相當(dāng)?shù)那闆r下13日未出現(xiàn)降水，造成空報。沿海地區(qū)偏東風(fēng)輻合拾升作用和對水汽輸送的影響，形成地域差異，使青龍地區(qū)降水量小于沿海地區(qū)。

（3）本次過程中低層有逆溫層存在，850 hPa氣溫高于-4℃，但925 hPa氣溫迅速下降，最終相態(tài)為雪，不同于以往對雨雪轉(zhuǎn)換的認(rèn)知。在以后相態(tài)預(yù)報中要考慮到低層逆溫強度和近地層降溫的影響。

（4）降雪初期雷達(dá)速度產(chǎn)品出現(xiàn)了明顯的急流特征，對應(yīng)降雪最強時段，急流帶來的強水汽輸送和強垂直風(fēng)切變是降水量增大的主要原因。

（5）雙偏振雷達(dá)協(xié)相關(guān)系數(shù)（CC）產(chǎn)品指示低層存在粒子相態(tài)混合，對低層逆溫層的識別起到了較好的輔助作用，ZDR和HCL產(chǎn)品在降水相態(tài)觀測中也取得了較好的效果。