基于微波資料的烏魯木齊春季兩次強降水相態對比分析

李?；?，張云惠，趙 玲，芒蘇爾·艾熱提，安大維

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

我國北方春季冷空氣活動頻繁，開春后氣溫回升不穩定，降水常以雨、雨夾雪、雪等多種相態存在，且大范圍的雨雪轉換及局地強降雪，對作物的播種出苗、林果開花坐果、牧業轉場及產羔育幼等都會造成嚴重影響。近年來許多學者利用常規地面、探空等資料，對不同區域降水的相態變化進行了相關研究，漆梁波等[1]對東部地區不同降水相態對應的溫度和厚度進行統計分析，得出一組溫度和厚度因子的識別判據。冬季華北地區降水相態的預報方法及識別判據研究表明[2-5]，雨雪轉換關系密切的6種物理量（T850、T925、T1000、H1000～700、H1000～850和地面（2 m氣溫及相對濕度的結合量）），將925 hPa以下各層與氣溫結合起來判別相態，925 hPa溫度≤-2℃可以作為固態降水（雪）的預報判據；平均氣溫類別的因子對降水相態的區分效果要好于其他類別的因子。許美玲等[6]分析昆明冬季降水相態識別判據，選定700 hPa溫度、500～700 hPa的位勢厚度、地面日最低氣溫的組合作為組合判據。王洪霞等[7]分析2011年3月31日—4月2日山西雨轉雪過程，指出850 hPa溫度≤4℃是山西北部和中南部海拔＞1 000 m站點降水相態發生轉變的臨界值。

新疆學者對降水相態也開展了一些研究，張俊蘭等[8]分析2014年4月13—15日北疆降水相態轉換判識和成因，表明中低層溫度變化是預報北疆春季降水相態轉換的關鍵因子和指標。祝小梅等[9]統計分析2005—2014年新疆北部降水相態識別判據指出，烏魯木齊T850、T700分別為-1.75、-9.3℃，可作為雨雪分界，T500對烏魯木齊降水相態的指示意義不大。近年來有些專家利用微波輻射計資料分析降水、冰雹及大霧等天氣表明[10-15]，當液態水含量開始增加時，發生降水的可能性增大；降水和強對流過程中，＜6 km的相對濕度提前增大（濕度增大的提前時間在降水中較長，在強對流中較短），＜3.5 km液態水含量增加，尤其在2.25～3.25 km有明顯增加；大霧伴隨3～3.5 km以下相對濕度增大和＜1.5 km液態水含量激增，大霧發生時水汽密度和濕度均有爆發性增加的現象。降雹前后大氣液態水含量呈快速增長的趨勢。但微波輻射計資料分析新疆降水相態的研究較少，為此，本文在常規資料分析基礎上，利用烏魯木齊微波輻射計資料，重點對比分析2018年3月17—18日和4月11—12日（分別簡稱“03·18”過程和“04·11”過程）烏魯木齊市春季兩場強雨雪過程相關要素特點，以期對春季強雨雪天氣有進一步認識，也為相態轉換預報提供參考。

1 資料與方法

本文所用資料包括常規觀測、自動站逐小時觀測及微波輻射計資料。烏魯木齊微波輻射計為美國Radiometric Corporation公司生產的MP-3 000 A型微波輻射計，是目前國際上較先進的多通道微波輻射計，該型號的微波輻射計具有51～59 GHz和22～30 GHz二重波段，共計35個通道，可用于大氣溫度、相對濕度、水汽和液態水含量的探測，探測高度從地面至10 km高空，廓線0～500 m高度上每50 m輸出一組數據，500～2 000 m高度上每100 m輸出一組數據，2 000～10 000 m每250 m輸出一組數據，共58個反演層的溫度、相對濕度、水汽密度、液態水含量及可降水量，時間間隔1 min[16]。

烏魯木齊氣象觀測站點與烏魯木齊微波輻射計觀測點直線距離1.5 km，為了驗證微波輻射計資料在這兩場天氣中的可靠性，選取2018年3月18日08：00（北京時，下同）和4月11日20：00的探空觀測溫度和微波輻射計對應時段的資料進行對比檢驗（表1），表明微波輻射計資料的溫度結果與實況較吻合，可用于新疆雨雪天氣的相關研究。

表1 2018年3月18日08時和4月11日20時烏魯木齊站探空實況溫度與對應微波輻射計溫度對比

2 強雨雪實況及環流背景

2.1 強雨雪實況

“03·18”過程，3月16日17：00—18日20：00，受中亞低渦東移南下影響，北疆大部出現明顯雨轉雪（圖1a），其中烏魯木齊及其周邊大雨轉大到暴雪。烏魯木齊市累計降水量16.6 mm（歷年3月中旬降水量僅為8.3 mm），其中降雪量達11.8 mm，新增最大積雪深度9 cm。相態轉換時間：3月17日18：18—18日00：00降雨，18日01：00—06：00無降水，07：00—08：00降雨，08：00—09：33雨夾雪，09：34—17：00降雪，最大雪強2.5 mm·h-1，出現在18日10：00—11：00（圖1b）。

“04·11”過程，4月10日20：00—12日08：00，受西西伯利亞低槽影響，北疆大部出現雨或雨夾雪轉雪，其中沿天山一帶的部分區域出現大雨或雪，烏魯木齊市及其周邊局地暴雨或雪（圖1c）。烏魯木齊市累計降水量24.1 mm（歷年4月中旬降水量僅11.6 mm），其中降雪量達19.9 mm。相態轉換時間為4月11日10：42—13：38降雨，13：38—14：30雨夾雪，14：30—20：00降雪，其中最大雪強4.4 mm·h-1，出現在11日14：00—15：00（圖1d）。

圖1 北疆過程降水量和烏魯木齊站逐時降水量

兩次降水過程的共性是烏魯木齊市及其周邊雨雪轉換明顯，烏魯木齊市降雪持續時間＞6 h，且降雪量明顯大于降雨量。不同的是“04·11”過程的累計降雪量和小時雪強均明顯大于“03·18”過程。

2.2 環流背景

“03·18”過程，過程前期（14—15日），歐亞范圍內500 hPa中高緯為兩脊一槽經向環流，咸海至巴爾喀什湖為中亞低渦，新疆受高壓脊控制，升溫迅速。16—17日20時（圖2a）環流調整為兩支鋒區并呈反位向疊加形勢，西伯利亞為寬廣的高壓脊，中亞低渦不斷加深東移至巴爾喀什湖附近，北疆受低渦前西南氣流影響，烏魯木齊附近的西南風速增大至14 m·s-1。18日20時中亞低渦減弱成槽東移至烏魯木齊以東，降雪結束[17]。

“04·11”過程，過程前期（9—10日），歐亞范圍500 hPa為兩脊一槽經向環流，東歐高壓為高壓脊，西西伯利亞至中亞為低槽區，新疆受淺高壓脊控制。隨著新地島冷空氣快速南下，東歐高壓脊向南衰退，推動西西伯利亞低槽東移，鋒區加強，受下游貝加爾湖高壓脊阻擋，西西伯利亞至中亞低槽向南加深。11日08時（圖2b），中亞低槽的進入開始影響北疆大部，烏魯木齊處于槽前強西南急流上，最大風速達34 m·s-1。冷暖交匯劇烈[17]。11日20時西西伯利亞低槽東移至新疆東部，烏魯木齊降水趨于結束。

圖2 500 hPa位勢高度場（等值線，單位：dagpm）與風場（風向桿，陰影區風速≥20 m·s-1）

2.3 烏魯木齊單站要素變化

2.3.1探空風場、溫度變化

分析烏魯木齊單站探空風場、溫度的時間剖面可知，“03·18”過程（圖3a），17日20時500 hPa由偏西風轉為西南風，且500 hPa以上均為一致的西南風，風速隨高度增大，700～850 hPa有明顯的東南風與西北風的輻合及切變，有利于強上升運動和正渦度的發展；850 hPa溫度為-1℃，900 hPa附近溫度為4℃，此時氣溫較高，降水主要是雨。18日08時500 hPa以上西南風繼續增大，而700～850 hPa為一致的偏北風，風速為4～10 m·s-1；850 hPa溫度降至-3℃，900 hPa附近溫度為0℃，有利于雨轉雨夾雪或雪。

“04·11”過程（圖3b），11日08時500 hPa以上均為一致西南風且風速隨高度逐漸增強，近地層有風向擾動，850 hPa溫度為1℃，900 hPa附近溫度為7℃，此時近地層氣溫較高，有利于降雨。11日20時500 hPa以上仍維持一致較強西南風，700 hPa以下為偏北風，風速增大達12～14 m·s-1，850 hPa氣溫降至-4℃，900 hPa附近溫度為0℃，有利于降雪的持續和維持。12日08時整層轉為偏西（西北）風，降水結束。

圖3 烏魯木齊站探空風、溫度（實線，單位：℃）

2.3.2地面氣溫變化

烏魯木齊站逐小時地面氣溫變化可以看到，“03·18”過程（圖4a），3月17日最高氣溫為7.1℃，17日18：00氣溫為5.1℃，出現降雨，17日19：00—18日00：00氣溫、最高及最低氣溫在1.7～5.1℃，此時段溫度均較高，降雨持續。18日08：00—09：00氣溫下降到0.1℃并維持，最低氣溫為0℃，出現雨夾雪；10：00氣溫和最低氣溫為-0.4℃，出現降雪，11：00—16：00氣溫在-0.6～-1.0℃，最高氣溫在-0.1～-0.9℃，最低氣溫為-0.7～-1.1℃，此時段氣溫均＜0℃，降雪持續；17：00氣溫、最高氣溫略升至0.2～0.3℃，最低氣溫為-0.1℃，降雪減弱。

“04·11”過程（圖4b），4月11日08：00—11：00氣溫均在6℃左右，12：00氣溫及最低氣溫為4.7℃，出現降雨；13：00氣溫為3.5℃，14：00氣溫和最低氣溫降為1.7℃，出現雨夾雪，15：00氣溫和最低氣溫為0.5℃，出現降雪，15：00—20：00氣溫和最低氣溫在0.3～0.5℃、最高氣溫在0.4～1.7℃，降雪持續。

圖4 “03·18”過程（a），“04·11”過程（b）烏魯木齊地面氣溫變化

上述分析表明，地面氣溫雨轉雨夾雪在0.1～1.7℃，雨夾雪轉雪在-0.4～0.5℃。

3 烏魯木齊微波輻射計溫濕特征分析

3.1 溫度層結變化

基于微波輻射計資料，對應地面、探空實況，分析雨雪轉換溫度變化情況。

“03·18”過程，3月17日18：18開始降雨，微波輻射計資料0 m溫度為3.1℃，與地面氣溫3.6℃相近；雨夾雪時，1.5 km的溫度-3.1℃與對應高度探空的-3℃吻合，0 m溫度為-0.7℃、地面氣溫為-1.3℃；降雪時，0 m溫度-1℃與地面氣溫-1.3℃一致。

“04·11”過程，4月11日10：42降雨，雨夾雪時，1.5 km溫度-2.5℃，0 m溫度6.1℃與地面氣溫6.3℃較吻合；降雪時，1.5 km溫度-3℃，0 m溫度0.5℃與地面氣溫0.8℃接近。因此，可以把1.5 km溫度-2.5～-3.0℃作為雨夾雪的參考指標之一。

由地面～1.5 km溫度變化可知，兩次過程在1.2～1.5 km溫度變化趨勢是一致的，即雨轉雨夾雪溫度比雨夾雪轉雪略高，“03·18”過程溫度為-2.2～-5.3℃，“04·11”過程溫度為-4.5～1.3℃；0～1.2 km，“03·18”過程溫度為-2.2～4.4℃，但雨轉雨夾雪溫度比雨夾雪轉雪低；“04·11”過程溫度為0.1～7.4℃，較“03·18”過程明顯偏高，且雨轉雨夾雪溫度比雨夾雪轉雪高，這與降水相態類型發生改變所產生的潛熱吸收、釋放有密切關系[18-19]，并對降水的增幅有正反饋作用。

3.2 水汽密度

分析＜3 km的水汽密度即絕對濕度，表示水汽的絕對含量。“03·18”過程水汽密度值，降雨時為2.6～6.0 g·m-3；雨夾雪時為2.0～8.6 g·m-3，比降雨時略有增大；降雪時維持在2.3～10.6 g·m-3（圖5a）。從相態轉換可以看出（圖5c），水汽密度值雨轉雨夾雪為1～4.5 g·m-3，大值區＜32 km；雨夾雪轉雪為4.7～8.3 g·m-3，大值區在2～3 km為5.5～8.3 g·m-3，均高于雨轉雨夾雪，這也是降雪量明顯大于雨和雨夾雪的主要原因。

“04·11”過程水汽密度值，降雨時為1.9～9.0 g·m-3；雨夾雪時略增加為4.8～10.8 g·m-3；降雪時為4.0～12.0 g·m-3，較雨夾雪時略有增加，但高度上升至4 km（圖5b）。而從相態轉換可知（圖5d），0～3 km水汽密度值雨轉雨夾雪要高于“03·18”過程，為3.4～7.3 g·m-3，高值區維持在0～3 km，雨夾雪轉雪為4.5～11 g·m-3，大值區＜3 km，均高于雨轉雨夾雪，這與降雪量明顯大于降雨和雨夾雪相對應。

圖5 “03·18”過程（a，c）和“04·11”過程（b，d）3種相態水汽密度變化和相態轉換

2個過程水汽密度值降雪時均高于雨和雨夾雪，且均在2.25 km處最大；相態轉換中，雨夾雪轉雪均大于雨轉雨夾雪，且“04·11”過程雨轉雨夾雪、雨夾雪轉雪的水汽密度值均大于“03·18”過程。

3.3 液態水含量

圖6是兩次過程微波輻射計資料的液態水含量變化情況，液態水含量值均＜3 km?！?3·18”過程，液態水含量值降雨時為0.01～0.35 g·m-3，因剛開始降雨，大氣中的水汽剛開始凝結成云，致使含水量不大；雨夾雪時為0.001～0.28 g·m-3，較降雨時略有減小，主要是地面氣溫下降，大氣中的水汽不斷凝結并降落，水汽為醞釀的過程；降雪時為0.02～0.4 g·m-3，說明隨著地面氣溫持續下降，系統穩定發展使得液態水含量值比雨和雨夾雪大。相態轉換中，＜1.5 km的液態水含量值雨轉雨夾雪為0.14～0.27 g·m-3，1～3 km為0.01～0.19 g·m-3；雨夾雪轉雪為0.03～0.23 g·m-3。

圖6 “03·18”過程（a，c）和“04·11”過程（b，d）3種相態液態水含量和相態轉換

“04·11”過程，由于本次天氣系統較強，大氣中的水汽已開始凝結成云，液態水含量值降雨時＜3 km為0.01～0.43 g·m-3，要明顯高于“03·18”過程；雨夾雪時為0.04～0.45 g·m-3，比降雨時略有增加；降雪時為0.05～0.8 g·m-3，均比雨和雨夾雪及“03·18”過程明顯偏大。相態轉換中，雨轉雨夾雪和雨夾雪轉雪的液態水含量＜1.5 km為0.15～0.37 g·m-3；1～3 km雨夾雪轉雪為0.17～0.44 g·m-3，雨轉雨夾雪為0.08～0.32 g·m-3，前者大于后者，這也是降雪強的主要原因之一。

因此，2個過程中3種相態液態水含量值均在1～3 km且雨夾雪轉雪較雨轉雨夾雪大，相態轉換中，雨夾雪轉雪值均大于雨轉雨夾雪，且“04·11”過程液態水含量均高于“03·18”過程，這也是“04·11”過程的降水量明顯大于“03·18”過程的主要原因之一。

3.4 相對濕度

“03·18”過程（圖7a），相對濕度在降雨時高度＜4 km均＞80%，＞90%高濕區在1～3 km；雨夾雪時高濕區擴大，1.5～3 km濕度為100%達到飽和，高度＜5.5 km濕度均＞80%；降雪時高濕區繼續擴大，1.2～4.5 km濕度維持飽和100%，高度＜5.75 km濕度均＞80%。相對濕度雨轉雨夾雪和雨夾雪轉雪＜4 km表現較一致，均＞80%，＞4 km兩者表現不同，雨轉雨夾雪較干，雨夾雪轉雪高濕區維持高度更高。

圖7 “03·18”過程（a，c）和“04·11”過程（b，d）3種相態相對濕度和相態轉換

“04·11”過程，相對濕度在降雨時高度＜4.75 km均＞80%，＞90%的高濕區在1.1～4.75 km；雨夾雪時高濕區繼續擴大，1.2～4.75 km濕度維持在100%，高度＜5.25 km均＞80%；降雪時高度＜6 km均＞80%，1.2～4.75 km濕度達100%維持飽和。雨轉雨夾雪和雨夾雪轉雪的濕區變化不大，高度＜5 km的高濕區均＞80%，特別是在1.5～5 km濕度達100%維持飽和。

3種相態2個過程低層相對濕度均較大，高度＜4 km濕度均＞80%，“04·11”過程達100%的飽和濕區較“03·18”過程的高度更高，持續時間更長。因此，飽和濕區長時間維持是產生大降水的必要條件之一。

4 結論

（1）兩次強雨雪過程500 hPa均為兩脊一槽的經向環流：里海至咸海的高壓脊發展，使得中亞低槽（渦）東移影響北疆。不同的是“04·11”過程烏魯木齊上空500 hPa低槽前西南氣流、低空西北氣流、鋒區均較“03·18”過程偏強。

（2）兩次過程烏魯木齊均在1.2～1.5 km溫度變化趨勢一致，即雨轉雨夾雪溫度比雨夾雪轉雪略高，地面氣溫雨轉雨夾雪為0.1～1.7℃，雨夾雪轉雪為-0.4～0.5℃；0～1.2 km，“03·18”過程雨轉雨夾雪溫度比雨夾雪轉雪低，而“04·11”過程則相反。因此，地面氣溫為-0.4～0.5℃、1.5 km溫度為-2.5～-3.0℃可作為雨雪轉換的參考指標。

（3）微波輻射資料分析表明，兩次過程水汽密度值和液態水含量降雪時均高于雨和雨夾雪，且高度＜3 km均是雪最大，其水汽密度值為2.3～12 g·m-3、液態水含量為0.02～0.8 g·m-3。相態轉換中，兩次過程雨夾雪轉雪水汽密度、液態水含量值分別為4.5～11 g·m-3和0.03～0.44 g·m-3，均大于雨轉雨夾雪。強降雪時“03·18”過程水汽密度最大達10.6 g·m-3，液態水含量達0.4 g·m-3；“04·11”過程水汽密度最大達12.0 g·m-3，液態水含量達0.8 g·m-3。兩次過程相對濕度均＞80%，但“04·11”過程高濕區伸展高度更高，說明濕層越厚越利于降水維持，造成降水強度強。

本文針對烏魯木齊市兩次春季強降水相態進行了對比分析，利用微波輻射計資料，分析兩次過程春季強雨雪過程在水汽、相態的一些共性及差異特征，后期還需要根據多個個例分析，繼續挖掘出分鐘級微波輻射計的優勢，總結相態轉換時量化指標，以期對短時臨近預報有很好的指導意義。