多普勒雷達(dá)資料在強(qiáng)降雪相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程的研究應(yīng)用

周 濤，李 娜，王清川，楊 帥，張玉婷

（1.廊坊市氣象局，河北 廊坊065000；2.衡水市氣象局，河北 衡水053000）

對(duì)于華北地區(qū)，冬末春初對(duì)降水相態(tài)的把握是降水預(yù)報(bào)中的重要要素，也是精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)進(jìn)一步提高所遇到的瓶頸問題之一。目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者運(yùn)用多種方法對(duì)降水相態(tài)轉(zhuǎn)變做過(guò)研究[1-5]，如濕球溫度、微波輻射計(jì)等。河北省內(nèi)對(duì)降水相態(tài)的研究成果也頗豐，段宇輝等[6]發(fā)現(xiàn)700 hPa強(qiáng)冷平流的出現(xiàn)及其中心的迅速下降，對(duì)雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過(guò)程的短時(shí)預(yù)報(bào)有明顯指示意義。楊曉亮等[7]得出，只有保證云中冰雪層有一定厚度，才能實(shí)現(xiàn)雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變。張南等[8]通過(guò)溫度的垂直結(jié)構(gòu)辨別相態(tài)。李江波等[9]在研究中得到河北地區(qū)雨雪相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)各層的溫度閾值，也是目前廊坊本地預(yù)報(bào)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變的重要依據(jù)。李江波等[8-10]均發(fā)現(xiàn)零度層亮帶高度的迅速下降，與降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變有密切關(guān)系。上述研究成果對(duì)本地降水相態(tài)轉(zhuǎn)變預(yù)報(bào)有一定參考性，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，受地理位置、環(huán)境因素及地形條件等影響，仍存在一定偏差，需要定量研究北京雷達(dá)出現(xiàn)零度層亮帶高度迅速下降與廊坊各地面觀測(cè)站發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。且大多數(shù)研究成果側(cè)重對(duì)轉(zhuǎn)雪前的零度層亮帶變化特征進(jìn)行分析，在雨轉(zhuǎn)雨夾雪前的相關(guān)特征研究較少，沒有得到確切的結(jié)論。

2020年2月14日在河北廊坊地區(qū)的一次大范圍強(qiáng)降雪天氣過(guò)程中，過(guò)程前期多次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，雨夾雪轉(zhuǎn)雪現(xiàn)象，降雪落區(qū)預(yù)報(bào)與實(shí)況較為接近，但由于未能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)間，加之模式水汽條件預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致部分站點(diǎn)降雪量預(yù)報(bào)偏小一到兩個(gè)量級(jí)，使得精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)效果受到影響。在水汽條件分析預(yù)報(bào)方面，本地現(xiàn)有的實(shí)況資料和數(shù)值模式在水汽的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中均無(wú)法直觀得到其來(lái)源、路徑以及貢獻(xiàn)，對(duì)強(qiáng)降雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有一定影響，因此，需要探索研究不同的方法對(duì)本地水汽條件和雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變特征進(jìn)行分析。本文通過(guò)引入HYSPLIT模式，對(duì)強(qiáng)降雪地區(qū)的氣塊進(jìn)行追蹤模擬，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上增加水汽條件分析預(yù)報(bào)依據(jù)。熊秋芬等[11-13]運(yùn)用HYSPLIT模式有效地對(duì)暴雪區(qū)的水汽來(lái)源及路徑進(jìn)行追蹤，效果顯著。通過(guò)對(duì)雷達(dá)回波特征詳細(xì)分析，使本地雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間定量化，在完善現(xiàn)有預(yù)報(bào)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升本地大范圍強(qiáng)降雪的精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)水平。

1 資料和方法

選取2020年2月14日河北廊坊的一次大范圍強(qiáng)降雪過(guò)程，通過(guò)對(duì)北京多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行詳細(xì)分析，探索零度層亮帶高度迅速下降與廊坊本地雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。同時(shí)采用美國(guó)NOAA空氣資源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HYSPLIT模式[14-15]，即拉格朗日混合單粒子軌道模式，對(duì)強(qiáng)降雪地區(qū)氣塊進(jìn)行模擬追蹤。數(shù)據(jù)來(lái)源于全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）6 h一次的分析資料，水平分辨率1°×1°，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，逐小時(shí)輸出一次軌跡點(diǎn)的位置及相應(yīng)位置上氣塊的物理屬性（氣壓、相對(duì)濕度、比濕等）。相比常規(guī)方法，該方法可以更直觀地得到降水區(qū)的水汽來(lái)源、路徑及貢獻(xiàn)。

2 天氣概況及簡(jiǎn)要形勢(shì)分析

2020年2月14日03：00—20：00，受500 hPa槽、中、低空急流、低空切變線、地面倒槽和地面冷鋒（圖1）的共同影響，河北廊坊地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪、雨夾雪轉(zhuǎn)雨多次轉(zhuǎn)變（表1），再轉(zhuǎn)大雪到暴雪天氣，最大降水量為29.1 mm（固安），最大降雪量為12.8 mm（三河），除廊坊南部的文安是中雪，其余站為大雪到暴雪（圖2），積雪深度普遍在3～7 cm，最大為10 cm（三河），過(guò)程最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在固安的04：00—05：00，為9.2 mm（雨）。根據(jù)觀測(cè)站記錄，14日05：30前降水相態(tài)均為雨，05：32—06：05固安、三河、香河和大廠先后首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其余各站首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪的時(shí)間均在08：20之后，轉(zhuǎn)雪時(shí)間早晚大致呈現(xiàn)自西向東，從北到南分布。

圖2 2020年2月14日廊坊市各地面氣象觀測(cè)站雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)間及降雪量

表1 2020年2月14日廊坊各站出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪起止時(shí)間

圖1 2020年2月13日20時(shí)高低空系統(tǒng)

3 基于HYSPLIT模式的水汽條件分析

在對(duì)本次過(guò)程模擬起點(diǎn)選取時(shí)，綜合考慮廊坊各站的地理位置、降水量大值區(qū)及降水時(shí)間。選取14日08：00廊坊北部的大廠（116.98°E，39.88°N），垂直方向上選取800、1 500、3 000和5 500 m（分別代表925、850、700、500 hPa）4個(gè)高度作為模擬的起始高度，進(jìn)行96 h后向軌跡模擬（圖3），并對(duì)其水汽路徑及貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。

500 hPa的水汽來(lái)自中亞地區(qū)，最終從新疆沿西北路徑抵達(dá)大廠（圖3）。比濕前期維持在2～3 g/kg，經(jīng)過(guò)新疆后緩慢下降，在降水開始前（13日20時(shí)）為1.6 g/kg。700 hPa的水汽來(lái)自青藏高原，在經(jīng)過(guò)四川盆地后比濕迅速增大，到降水開始前一直維持在6 g/kg左右。850 hPa的氣塊來(lái)自東海，初始攜帶較多水汽，在進(jìn)入內(nèi)陸地區(qū)后比濕有所下降，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江流域水汽又得到補(bǔ)充，最后經(jīng)過(guò)渤海到達(dá)大廠。925 hPa的水汽來(lái)自蒙古西部，源地是干空氣，到達(dá)大興安嶺南側(cè)后折返，從河北東部進(jìn)入大廠，比濕一直維持在3 g/kg以下（圖4）。因此，對(duì)大廠本地來(lái)說(shuō)，此次過(guò)程中700、850 hPa分別帶來(lái)偏南和偏東的暖濕氣流，水汽貢獻(xiàn)較大。

圖3 2020年2月14日08時(shí)大廠（圖中★）4個(gè)高度層96 h氣塊后向軌跡

圖4 2020年2月14日08時(shí)大廠4個(gè)高度層96 h后向軌跡氣塊比濕

4 多普勒天氣雷達(dá)特征分析

4.1 基本反射率因子

分析北京雷達(dá)0.5°仰角反射率因子，14日02：36，從北京上空東移的回波開始陸續(xù)掃過(guò)廊坊的三河、大廠、香河，回波呈塊狀，最強(qiáng)反射率因子達(dá)到45 dBZ。03：18廊坊中南部大部分地區(qū)上空開始出現(xiàn)回波，03：48固安出現(xiàn)40 dBZ以上的強(qiáng)回波，強(qiáng)回波范圍不斷增大，持續(xù)時(shí)間近1 h，回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，最強(qiáng)反射率因子＞50 dBZ，與地面最大小時(shí)雨強(qiáng)相對(duì)應(yīng)。之后回波東移，強(qiáng)度有所減弱，廊坊上空的回波反射率因子＜35 dBZ，到09：00，隨著降雪的開始，回波強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，基本在10～20 dBZ。總體來(lái)看，在降雨時(shí)段回波呈塊狀，結(jié)構(gòu)密實(shí)，反射率因子強(qiáng)度大；在雨轉(zhuǎn)雨夾雪初期，反射率因子強(qiáng)度無(wú)明顯變化，到雨和雨夾雪交替時(shí)段，反射率因子整體較降雨時(shí)段有所減弱；到降雪時(shí)段，回波呈片狀，反射率因子強(qiáng)度明顯減弱。

4.2 徑向速度

從3.4°仰角徑向速度圖上看到，13日23：42低層開始出現(xiàn)弱的風(fēng)速輻合，偏東風(fēng)超低空急流短暫建立后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)超低空急流，高度位于800 m附近，超低空急流區(qū)最大徑向速度超過(guò)20 m/s，超低空急流持續(xù)近5 h后高度逐漸上升，轉(zhuǎn)為低空急流。14日02：30出現(xiàn)“牛眼”結(jié)構(gòu)，在25 km距離圈內(nèi)正、負(fù)速度區(qū)面積相當(dāng)?shù)那闆r下，最大入流速度區(qū)面積明顯大于最大出流速度區(qū)面積，低層風(fēng)速輻合加強(qiáng)，“牛眼”結(jié)構(gòu)持續(xù)近1.5 h，高度在0.6～1.4 km（圖5a），表明有較強(qiáng)的水汽輸送，在此期間，零速度線在低層與徑向線平行，為東南風(fēng)，在距離雷達(dá)12～25 km，高度在0.8～1.6 km呈“S”型，表示在該高度上有暖平流，對(duì)應(yīng)廊坊地面降水相態(tài)為雨。在04：18，零速度線形狀開始轉(zhuǎn)變，06：00在雷達(dá)附近出現(xiàn)較大折角（圖5b），此時(shí)雷達(dá)站北側(cè)貼地層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，東側(cè)為偏東風(fēng)，結(jié)合地面形勢(shì)及風(fēng)廓線資料，分析得出鋒面過(guò)境時(shí)間在06：00前后[16]，此后經(jīng)過(guò)雷達(dá)的零速度線沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為反“S”型（圖5c），表明此時(shí)低層出現(xiàn)冷平流，對(duì)應(yīng)廊坊中北部開始出現(xiàn)雨夾雪。其中東南風(fēng)低空急流從05：00一直持續(xù)到08：30，整個(gè)過(guò)程中風(fēng)速輻合共持續(xù)9 h左右。其中在04：18—06：06，固安上空出現(xiàn)西南風(fēng)低空急流，最大徑向速度達(dá)到20 m/s。10：30零速度線再次轉(zhuǎn)變，低層逐漸轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，此時(shí)上述7站地面降水相態(tài)均已轉(zhuǎn)為雪。長(zhǎng)時(shí)間的速度輻合和低空急流、超低空急流的長(zhǎng)時(shí)間維持，以及鋒面過(guò)境造成的高低空冷暖平流配置均為本次強(qiáng)降雪提供了很好的條件。

從零速度線特征分析，14日08：48開始0.5°仰角零速度線趨于閉合，到09：48，2.4°及以下仰角出現(xiàn)零速度線閉合，低層?xùn)|北急流逐漸減弱消失，低空急流上部的西南風(fēng)向低層逐步滲透，此過(guò)程中，在雷達(dá)西南象限5.5～7.0 km高度上出現(xiàn)速度模糊（圖5d），西南風(fēng)風(fēng)速加大，強(qiáng)盛的西南急流使云層中的云雨粒子主要呈液態(tài)，地面表現(xiàn)為降雨或雨夾雪，隨著西南急流強(qiáng)度有所減弱，低層?xùn)|北風(fēng)逐漸增強(qiáng)，結(jié)合風(fēng)廓線資料，10：24在1 km以下出現(xiàn)東北急流，低層?xùn)|北急流一直持續(xù)到15：36（圖6），在低層?xùn)|北風(fēng)加強(qiáng)的過(guò)程中，零速度線在高仰角也逐漸出現(xiàn)閉合，由于低層冷空氣侵入增強(qiáng)，云中云雨粒子相態(tài)逐步轉(zhuǎn)為固態(tài)，地面開始呈現(xiàn)降雪，與廊坊中北部各站轉(zhuǎn)雪時(shí)間（圖2）相對(duì)應(yīng)。到12：18零速度線在0.5°～6°仰角全部閉合，低層為東北急流，中高層為西南急流。低仰角時(shí)閉合區(qū)域較大，隨著仰角的增高閉合區(qū)域逐漸減小。閉合零速度線反映了近地面層和中高層之間由強(qiáng)勢(shì)風(fēng)和相反方向急流造成的風(fēng)切變，閉合越完整，表明切變?cè)綇?qiáng)烈[17]。整層零速度線閉合時(shí)間一直持續(xù)到12：48（圖7），隨后零速度線在低仰角逐漸不再閉合，14：30之后在高仰角也逐漸不再閉合，14：48閉合零速度線徹底消失。在出現(xiàn)零速度線閉合時(shí)段內(nèi)，降雪強(qiáng)度較大，地面小時(shí)雪強(qiáng)普遍在1～3 mm/h，且閉合越完整，降雪強(qiáng)度越大，而在零速度線閉合特征消失后，降雪強(qiáng)度明顯減弱，小時(shí)雪強(qiáng)均在＜0.5 mm/h。可見當(dāng)?shù)蛯訛闁|北急流，中高層為西南急流時(shí)，出現(xiàn)零速度線閉合特征，對(duì)強(qiáng)降雪有很好的指示意義，同時(shí)也驗(yàn)證了胡玲等[17]對(duì)天津暴雪過(guò)程的多普勒雷達(dá)特征研究結(jié)果，若不滿足這一前提條件，“零速度線閉合特征”對(duì)降雪的指示意義還需進(jìn)一步討論。

圖5 2020年2月14日3.4°仰角02：30（a）、06：00（b）、08：36（c）和08：54（d）徑向速度特征

圖6 2020年2月14日3.4°仰角12：30（a）、13：30（b）和14：42（c）徑向速度特征

圖7 2020年2月14日12：36零速度線閉合特征

4.3 零度層亮帶

“零度層亮帶”是天氣雷達(dá)判斷層狀云降水或?qū)訝睢e云混合降水的一個(gè)重要特征。零度層亮帶以上100～300 m處為0℃層高度，云雨粒子在0℃層上為固態(tài)，層下為液態(tài)，所以可以通過(guò)“零度層亮帶”高度估計(jì)地面降水粒子的相態(tài)。14日04：42，在4.3°仰角反射率因子圖上，距離雷達(dá)17～25 km出現(xiàn)不規(guī)則圓弧狀亮帶（圖8），反射率因子在30～40 dBZ，2個(gè)體掃后，圓弧狀亮帶變寬，呈現(xiàn)出較為完整的“零度層亮帶”，高度在1.6～2.3 km，其中沿雷達(dá)徑向方向經(jīng)過(guò)固安的圓弧亮帶高度在1.5～1.8 km，經(jīng)過(guò)三河的圓弧亮帶高度在1.5～2.0 km。05：00固安處的零度層亮帶高度迅速下降到1.1～1.5 km，三河處的亮帶合并變?yōu)槠瑺畈辉偾逦S后零度層亮帶變得模糊不易識(shí)別。05：12再次出現(xiàn)圓環(huán)狀亮帶，高度在1.5～1.8 km，2個(gè)體掃后局部回波增強(qiáng)，最強(qiáng)反射率因子超過(guò)45 dBZ，“零度層亮帶”高度基本不變，一個(gè)體掃后亮帶又變得模糊無(wú)法識(shí)別。05：30之前，廊坊全市均為降雨，05：32固安首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其他站點(diǎn)仍為降雨。05：36再一次出現(xiàn)可識(shí)別的“零度層亮帶”，高度在1.9～2.4 km，較之前“零度層亮帶”的高度有所上升，最強(qiáng)反射率因子仍超過(guò)45 dBZ，此時(shí)固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)階段，其他站點(diǎn)仍為降雨，到05：48無(wú)法再識(shí)別“零度層亮帶”，至此，間歇性出現(xiàn)的“零度層亮帶”徹底消失，此時(shí)只有固安和三河兩個(gè)站出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其他站點(diǎn)仍為降雨，在隨后的20 min，香河和大廠也先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪。

圖8 2020年2月14日（4.3°仰角04：42—05：48（a～l））雷達(dá)反射率因子演變

不規(guī)則“零度層亮帶”持續(xù)近1 h，期間亮帶呈圓弧或圓環(huán)狀間歇性出現(xiàn)，“零度層亮帶”的強(qiáng)度變化不大，對(duì)于“零度層亮帶”高度的變化，本次過(guò)程中只觀察到一次下降和一次上升，且沒有觀察到持續(xù)下降過(guò)程，“零度層亮帶”出現(xiàn)下降后半小時(shí)，固安出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，而在“零度層亮帶”高度出現(xiàn)上升時(shí)，固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)的狀態(tài)，在此階段內(nèi)，其他站點(diǎn)均為降雨。

07：24在4.3°仰角上第二次觀察到“零度層亮帶”，較第一次更加不完整，呈半圓弧狀，高度在2.2～2.6 km，之后零度層亮帶高度迅速下降，根據(jù)北京探空資料顯示，14日08：00，0℃層高度在180 m，08：30“零度層亮帶”接地，在零度層亮帶高度迅速下降半個(gè)小時(shí)左右后，距離雷達(dá)站較近（百公里以內(nèi)）的7個(gè)站陸續(xù)由雨或雨夾雪轉(zhuǎn)為雪。9個(gè)站轉(zhuǎn)雪先后順序（圖2）：香河（距離北京雷達(dá)45 km，下同）、永清（54 km）、固安（43.8 km）、霸州（79 km）、市區(qū)（37.9 km）、大廠（44.8 km）、三河（54.9 km）、文安（105 km）、大城（124.4 km）。通過(guò)對(duì)比各站轉(zhuǎn)雪時(shí)間，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)雪時(shí)間大致呈現(xiàn)自西向東、從北到南分布。在距離雷達(dá)40～80 km的各站，均在零度層亮帶高度迅速下降后30 min～1 h先后完成了雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變。文安站和大城站距離北京雷達(dá)已超過(guò)100 km，運(yùn)用北京雷達(dá)分析誤差較大，此法不再適用。值得注意的是，利用“零度層亮帶”高度的變化來(lái)預(yù)報(bào)地面降水粒子相態(tài)，還需要考慮雷達(dá)特征（波長(zhǎng)、靈敏度、探測(cè)距離等）、地表狀態(tài)（植被、地形等）和日變化等因素。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河北廊坊地區(qū)2020年2月14日強(qiáng)降雪過(guò)程中相態(tài)轉(zhuǎn)變特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）應(yīng)用HYSPLIT模式對(duì)強(qiáng)降雪地區(qū)進(jìn)行氣塊后向追蹤模擬，分別得到500、700、850、925 hPa高度層的水汽來(lái)源、路徑及貢獻(xiàn)，其中，700、850 hPa暖濕氣流對(duì)降水的水汽貢獻(xiàn)較大。

（2）此次強(qiáng)降雪過(guò)程中，有反射率因子強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、較強(qiáng)徑向速度輻合以及中、低空急流、超低空急流長(zhǎng)時(shí)間維持等雷達(dá)回波特征。

（3）零速度線閉合狀態(tài)反應(yīng)了低空急流與中高空急流（氣流）發(fā)展對(duì)峙消亡等狀態(tài)，對(duì)地面降水相態(tài)變化的臨近預(yù)報(bào)有較好指示意義。在雨轉(zhuǎn)雨夾雪初期，反射率因子強(qiáng)度較降雨時(shí)無(wú)明顯變化，到雨和雨夾雪交替出現(xiàn)階段，反射率因子強(qiáng)度有所減弱，同時(shí)“零度層亮帶”間歇性出現(xiàn)，可能預(yù)示著降水相態(tài)的不穩(wěn)定；在雨轉(zhuǎn)雨夾雪過(guò)程中，零速度線轉(zhuǎn)為反“S”型。

（4）當(dāng)“零度層亮帶”高度迅速下降后30 min～1 h，距離北京雷達(dá)40～80 km的廊坊7站先后發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變，對(duì)本地在雨雪相態(tài)預(yù)報(bào)中有一定指導(dǎo)意義。雨和雨夾雪發(fā)生多次相態(tài)轉(zhuǎn)變，期間“零度層亮帶”間歇性出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，是否是導(dǎo)致第二次零度層亮帶（轉(zhuǎn)雪前）不明顯的一個(gè)原因，有待探討。

（5）第一次出現(xiàn)的“零度層亮帶”，并未觀察到持續(xù)的零度層亮帶高度的下降過(guò)程，可能是由于空中冷暖空氣的勢(shì)力發(fā)生了翻轉(zhuǎn)（不是冷空氣持續(xù)增強(qiáng)）或出現(xiàn)了局部對(duì)流增強(qiáng)（破壞零度層亮帶生成條件）。

（6）在固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi)，只觀察到一次“零度層亮帶”高度的上升，是否是由于在此期間，0℃層在某一區(qū)間反復(fù)波動(dòng)，且上升和下降幅度較小，造成雨和雨夾雪的交替出現(xiàn)，而雷達(dá)圖的時(shí)空分辨率較低，對(duì)局地短時(shí)精細(xì)現(xiàn)象不一定都能觀察到。