廊坊地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換天氣成因分析

黃浩杰，沈 芳，劉艷杰

（廊坊市氣象局 河北，廊坊 065000）

廊坊地區(qū)平均海拔在13m左右，全市地貌比較平緩單調(diào)，以平原為主，由于洪積、沖積作用和河流多次決口改道淤積，沉積物交錯分布，加上風(fēng)力及人為活動的影響，境內(nèi)地貌差異性較大，緩崗、洼地、沙丘、小型沖積堆等遍布，全市地貌呈現(xiàn)大小不平狀態(tài)。縱觀全市地勢，從北、西、南三面逐漸向天津海河下游低傾。目前，廊坊市建成農(nóng)業(yè)科技園區(qū)共計(jì)37家，其中包括國家級3家，省級11家，市級23家，核心區(qū)面積達(dá)4.6萬畝，總共覆蓋11個縣區(qū)，形成了“綠色果蔬、園林花木、高效糧食、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)業(yè)旅游觀光”五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

降雪過程對于農(nóng)作物的生長產(chǎn)生了巨大的影響，以冬小麥為例，降雪過程給冬小麥的生長利大于弊，處于越冬的冬小麥有積雪的覆蓋可以減輕凍害的發(fā)生，同時，氣溫降低可以減緩小麥旺長的勢頭，有利于改善群體結(jié)構(gòu)，低溫過程凍死一部分晚弱苗，群體結(jié)構(gòu)更趨合理，并且低溫可以降低越冬的蟲害的密度，抑制病害蔓延，對減輕來年病蟲害有利，不利方面在雨雪量偏大的地區(qū)，可能會對小麥產(chǎn)生凍害。可見雨雪天氣對于農(nóng)作物的生長是至關(guān)重要的。

近幾年國內(nèi)的氣象工作者對于雨雪天氣的環(huán)流背景和成因等多方面進(jìn)行了深入分析，黃若男等對張家口壩上地區(qū)兩次降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，總結(jié)出了壩上的雨雪轉(zhuǎn)換的指標(biāo)，完善了張家口地區(qū)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)體系。隋景躍等對朝陽地區(qū)2009年2月12～13日一次雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過程的天氣形勢、衛(wèi)星以及物理量場進(jìn)行詳細(xì)分析研究。金少華等運(yùn)用Micaps資料和NCEP再分析資料對云南一次雨轉(zhuǎn)雪過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明在雨轉(zhuǎn)雪變化時，低層有明顯的鋒生，李進(jìn)等利用NECP再分析資料與觀測資料，對杭州地區(qū)10次雨轉(zhuǎn)雪過程進(jìn)行分析，總結(jié)出了典型的雨轉(zhuǎn)雪天氣的預(yù)報(bào)模型，于亞薇等利用常規(guī)觀測、數(shù)值預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖等資料分析發(fā)現(xiàn)，雨轉(zhuǎn)雪過程前期受暖濕空氣主導(dǎo)，后期受干冷空氣控制。

本文利用HYSPLIT模型后向軌跡資料、常規(guī)觀測資料和雷達(dá)資料，對廊坊市2021年2月28日的一次雨轉(zhuǎn)雪過程進(jìn)行分析總結(jié)，目的是為了今后更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)廊坊地區(qū)的雨轉(zhuǎn)雪天氣積累經(jīng)驗(yàn)，更好的為冬小麥等農(nóng)作物提供氣象服務(wù)。

1 資料與方法

主要采用常規(guī)觀測資料、雷達(dá)、HYSPLIT模型后向軌跡資料對廊坊市2021年2月28日的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，進(jìn)一步探索雨雪轉(zhuǎn)換時間以及雨雪轉(zhuǎn)換前各類氣象要素的特征。

HYSPLIT模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。HYSPLIT普遍應(yīng)用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡。它能夠用于計(jì)算氣團(tuán)的軌跡，以及模擬復(fù)雜的擴(kuò)散和沉降，包括沙塵、對流層臭氧、EC、二氧化硫、苯、火山噴發(fā)、森林火災(zāi)、汞、PM2.5的擴(kuò)散模擬。后向軌跡分析是氣流從何處而來，意味著溯源；前向軌跡分析是去了哪里意味著追蹤，其可用軌跡預(yù)報(bào)。

2 天氣實(shí)況及環(huán)流形勢分析

2.1 天氣實(shí)況

受冷暖空氣共同影響，2021年2月28日至3月1日，廊坊自北向南陸續(xù)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)雪天氣，如圖1所示，雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪的時間為28日21時至23時之間，廊坊總降水量（包括降雨和降雪的總量，下同）普遍為13.0～20.0mm，平均17.7mm，大城最大為19.9mm。積雪深度普遍為1～4cm。1日08時轉(zhuǎn)槽后西北氣流控制，天氣逐漸轉(zhuǎn)晴。此次雨雪天氣過程增加了土壤墑情，有利于冬小麥等農(nóng)作物越冬，對凈化空氣有一定作用，但對交通出行較為不利。

圖1 2021年2月28日廊坊市總降水量及雨雪轉(zhuǎn)換時間

如圖2所示，從小時降水量的分布來看，28日05：00開始各市縣逐漸開始降水，28日15：00降水強(qiáng)度逐漸增大，至22：00大部分縣市達(dá)到最大小時降水量，最大小時降水量為2.4mm，于28日22：00出現(xiàn)在霸州市，隨后雨強(qiáng)逐漸減弱，至1日10時降水趨于結(jié)束。

圖2 2021年2月28日05時～3月1日10時廊坊市國家地面氣象站小時降水量統(tǒng)計(jì)

2.2 環(huán)流形勢分析

2020年2月28日500 hPa環(huán)流整體呈兩脊一槽形勢，脊線分別位于新疆北部和朝鮮半島，槽線位于蒙古國附近。受前部高壓脊阻擋，27日20：00之后位于河套附近的西風(fēng)槽移動緩慢并轉(zhuǎn)橫，隨著朝鮮半島的高壓脊逐漸平直，28日08：00之后西風(fēng)槽重新轉(zhuǎn)豎東移南下，廊坊位于槽前西南氣流中（圖3a）；700hPa位于河北省西部的切變線27日20：00逐漸東移，28日20時加強(qiáng)形成低渦，其前部有30m/s的西南風(fēng)急流，河北省中南部地區(qū)位于急流出口區(qū)的右側(cè)（圖3b）；850hPa河北在28日20：00位于西南地區(qū)低渦的頂部，在西北地區(qū)東部和日本分別有兩個高壓系統(tǒng)，河北位于兩個高壓系統(tǒng)中部，河北中南部出現(xiàn)東南風(fēng)急流，風(fēng)速達(dá)14m/s（圖3c）。28日夜間受高低空系統(tǒng)共同影響，加之較好的水汽輸送帶配合，造成了本次強(qiáng)雨雪天氣過程。1日08：00隨著系統(tǒng)東移離開河北地區(qū)，降水逐漸結(jié)束。

圖3 2月27日20至01日20時500hPa形勢演變圖（a）、700hPa形勢演變圖(b)、850hPa形勢演變圖(c)

由圖4可知，27日20：00（圖4a）地面位于蒙古北部的高壓向東分離出一部分逐漸東移南下，其前部有明顯冷鋒系統(tǒng)，在28日02：00（圖4b），受西南地區(qū)低壓的影響，冷鋒西段受到阻擋逐漸拱起形成倒槽，河北地面逐漸轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，形成典型的河北冷空氣回流形勢，之后在28日20：00（圖4c）冷鋒東移南下，自西北向東南入侵河北省，01日08時（圖4d）冷鋒逐漸離開河北省，河北逐漸轉(zhuǎn)為冷高壓控制。

圖4 地面形勢圖（a.27日20時,b.28日02時,c.28日20時,d.01日02時）

由圖5可知，河北省在28日20：00整層呈后傾的形勢，在200hPa位于高空200hPa急流的右側(cè)，正的渦度平流有利于天氣尺度上升運(yùn)動的產(chǎn)生，500hPa高空槽位于河套東部，河北處于槽前的西南氣流控制中，同時700hPa風(fēng)場上分別在河北西南部存在切變線，低層700hPa、850 hPa河北地區(qū)處于濕區(qū)范圍內(nèi)，高低空的濕度都比較大，700hPa出現(xiàn)約30m/s的西南風(fēng)急流，850hPa上有14m/s的東南風(fēng)急流向河北地區(qū)輸送水汽，河北位于急流出口區(qū)的左側(cè)，地面上在廊坊附近有東北-西南走向的冷鋒，以上條件構(gòu)成了有利于本次降水有利的動力條件。

圖5 28日20時高低空配置圖

3 相態(tài)轉(zhuǎn)換成因分析

分析2月28日廊坊不同降水相態(tài)對應(yīng)的地面氣溫箱線圖（圖6）可見，出現(xiàn)降雨的站溫度均高于0℃；出現(xiàn)降雪的站中有部分站的溫度也在0℃以上，最高溫度為1.4℃，但大部分站基本都在0℃以下；當(dāng)降水相態(tài)為雨夾雪時，溫度分布比較復(fù)雜，但大部分為2℃左右，最大為2.6℃。以上分析表明相態(tài)轉(zhuǎn)為雪時地面溫度仍有一段時間高于0℃，因此僅通過地面氣溫區(qū)分降水相態(tài)比較困難。

圖6 廊坊市降水過程不同相態(tài)對應(yīng)地面氣溫分布

表1 所示雨雪轉(zhuǎn)換過程中0℃層高度和各層溫度，本次過程雨轉(zhuǎn)雪的時間在28日22：00左右，而各個高度層的溫度和0℃層高度在28日20時之后逐漸接近河北省總結(jié)的指標(biāo)，說明夜間降水相態(tài)將逐漸轉(zhuǎn)為雪，在此次降水過程中，雨雪相態(tài)時的各指數(shù)完全符合河北省對于雨雪轉(zhuǎn)換時的各項(xiàng)指標(biāo)。

表1 雨轉(zhuǎn)雪過程中0℃層高度和各層溫度

由圖7地面三線圖可以看出，氣壓從28日05：00至12：00逐漸上升，隨后由28日12：00至01日09：00先降后升，降水強(qiáng)度隨著氣壓的升高而增大。從溫度演變來看，氣溫自28日12：00的4.3℃逐漸下降，當(dāng)氣溫降至2℃以下時，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為降雪。21：00至1日02：00：冷鋒移近及過境時段，氣壓上升、氣溫下降、水汽壓上升、雨雪轉(zhuǎn)換。

圖7 廊坊站2805至0109三線圖

4 雷達(dá)資料分析

4.1 基本反射率因子

圖8 為28日18：00至23：00雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子。28日16：30開始在1.5°仰角反射率因子圖上出現(xiàn)圓弧狀的零度層亮溫帶，19：30零度層亮溫帶顯示的很清楚，高度在0.4km，隨后持續(xù)5個體掃，高度維持在0.3km。隨后零度層亮溫帶圓弧變短，變粗，逐漸模糊，到21：00在1.5°仰角無法分辨出零度層亮溫帶。與降水實(shí)況對比發(fā)現(xiàn)，0℃層亮帶高度的迅速下降的時段，北京上空的降水相態(tài)開始由降雨轉(zhuǎn)為降雪。雷達(dá)基本反射率圖上0℃層亮帶高度的迅速下降，可以作為雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的判據(jù)之一。當(dāng)北京站多普勒天氣雷達(dá)上零度層亮帶高度迅速下降后1～2小時，廊坊降水相態(tài)將由降雨轉(zhuǎn)為降雪。

圖8 雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子（28日18時-22時）

4.2 徑向速度圖

閉合零速度線反映了近地面層和中高層之間由強(qiáng)勢風(fēng)和相反方向急流造成的風(fēng)切變，閉合越完整，表明切變越強(qiáng)烈。

從3.4°仰角零速度線特征分析（圖9），28日15：00開始零速度線趨于閉合，16：00至21：30零速度線完全閉合，低層風(fēng)向由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，風(fēng)速略有增大，同時降水強(qiáng)度逐漸增大，21：30之后零速度線閉合區(qū)域減小，降水強(qiáng)度增大幅度減小，23：00閉合區(qū)域消失，降水強(qiáng)度明顯減弱。由此可見，當(dāng)雷達(dá)徑向速度圖出現(xiàn)零速度線閉合區(qū)域時，降水強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)零速度線閉合區(qū)域逐漸消失時，降水強(qiáng)度減弱。

圖9 雷達(dá)3.4°仰角徑向速度圖（28日15時-22時）

5 HYSPLIT模型分析

對2020年2月28日雨轉(zhuǎn)雪過程水汽來源利用基于拉格朗日方法的軌跡模式(HYSPLIT模型)，通過對軌跡模式后向追蹤輸出結(jié)果進(jìn)行分析。分析得到引起雨轉(zhuǎn)雪過程氣團(tuán)主要分為3條路徑(圖10）：其中500hPa和750hPa的路徑是來自我國北方的偏西風(fēng)水汽供應(yīng)，而850hPa的路徑是由于低層?xùn)|南風(fēng)的加強(qiáng)，將來自渤海灣與東海的水汽輸送至河北地區(qū)，這也是輸送水汽貢獻(xiàn)最大的路徑，與圖5所示850hPa的東南風(fēng)急流的水汽通道高度一致。在有利的動力條件下，充沛的水汽供應(yīng)使得本次降水強(qiáng)度較大。

圖10 2021年2月28日20時氣團(tuán)后向軌跡

6 總結(jié)

本文對廊坊市2021年2月28日的雨雪轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，并對其雨雪轉(zhuǎn)換時間以及水汽來源進(jìn)行深入研究，得出以下結(jié)論：

（1）本次強(qiáng)雨雪天氣的主要影響系統(tǒng)為高空槽，配合著高低空急流耦合和低空切變線，地面存在冷鋒和華北回流，造成此次強(qiáng)雨雪天氣；

（2）降水過程中存在降水相態(tài)轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，為雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)雪。轉(zhuǎn)雪時地面溫度仍有一段時間高于0℃，僅通過地面氣溫區(qū)分降水相態(tài)比較困難。對河北雨轉(zhuǎn)雪的指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各個高度層的溫度和0℃層高度均能很好反應(yīng)降水相態(tài)變化的時間，對今后降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)具有很好的指示意義。

（3）本次過程的零度層亮帶形狀比較完整，北京多普勒天氣雷達(dá)上零度層亮帶高度的迅速下降后1～2小時后，廊坊降水相態(tài)將由降雨轉(zhuǎn)為降雪。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)展對峙消亡等狀態(tài)，對地面降水相態(tài)變化的臨近預(yù)報(bào)有較好指示意義。

（4）通過對軌跡模式后向追蹤輸出結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣團(tuán)主要分為3條路徑，此次過程中的水汽主要來源于850hPa氣團(tuán)攜帶東海和渤海灣的水汽輸送至河北地區(qū)，與東南風(fēng)急流的水汽通道高度一致。

2月正是冬小麥返青至抽穗的季節(jié)，本次雨轉(zhuǎn)雪過程對越冬作物的生長十分有利，在今后日常的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，應(yīng)該多總結(jié)相關(guān)雨轉(zhuǎn)雪的典型個例，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雨雪轉(zhuǎn)換的具體時間，為更好的做農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)奠定基礎(chǔ)。