青海東部城市群一次弱降雪漏報(bào)成因分析

周 琴，謝啟玉，李姝彬

西寧市氣象臺(tái)，青海西寧 810006

近幾年青海東部城市群冬季降雪天氣過(guò)程呈現(xiàn)出降水量弱、突發(fā)性強(qiáng)、影響大、難預(yù)報(bào)等特征，導(dǎo)致空漏報(bào)的情況逐漸增多，尤其在漏報(bào)的情況下這種“突發(fā)”性小量級(jí)降雪天氣引發(fā)的道路結(jié)冰問(wèn)題易對(duì)城市群的公路交通運(yùn)輸和設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面造成較大影響，雪后降溫也加重了城市的供暖負(fù)荷[1-3]。因此，城市降雪天氣受到政府、公眾和媒體的深度關(guān)注。隨著數(shù)值模式的不斷發(fā)展，其已成為天氣預(yù)報(bào)不可或缺的重要依據(jù)，而預(yù)報(bào)員對(duì)數(shù)值模式的依賴(lài)性越來(lái)越大，由于太過(guò)看重?cái)?shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，又缺乏對(duì)模式的檢驗(yàn)修正能力，導(dǎo)致模式對(duì)中小尺度天氣和地形影響下的降水的預(yù)報(bào)能力較差[4]。

目前，針對(duì)青海降雪天氣過(guò)程有較多研究，其中也得到了一些預(yù)報(bào)指標(biāo)，但對(duì)易造成空漏報(bào)弱降雪天氣過(guò)程個(gè)例研究少[5-6]。弱降水過(guò)程沒(méi)有統(tǒng)一界定標(biāo)準(zhǔn)，由于本研究中77%的站點(diǎn)降水量在0.5 mm及以下，故稱(chēng)為弱降雪過(guò)程。為了應(yīng)對(duì)在實(shí)際工作中出現(xiàn)的一些空漏報(bào)問(wèn)題，利用MICAPS常規(guī)觀(guān)測(cè)資料（包括國(guó)家觀(guān)測(cè)站、區(qū)域站分鐘級(jí)數(shù)據(jù)）和ERA5再分析資料（空間分辨率為0.25°×0.25°），從發(fā)展機(jī)理、邊界層水汽、地形影響等方面詳細(xì)地研究了此次弱降雪過(guò)程，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)冬季青海東部城市群降雪過(guò)程提供參考。

1 降雪實(shí)況

2020年12月1日上午，青海省東部城市群迎來(lái)了一場(chǎng)“意料之外”的降雪天氣過(guò)程。對(duì)于此次降雪天氣，11月30日西寧市氣象臺(tái)的預(yù)報(bào)包括青海省氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)西寧、海東、海北門(mén)源等地?zé)o降水。此外，ECMWF數(shù)值模式預(yù)報(bào)高空500 hPa受偏西氣流控制，從模式整體分析500 hPa整層濕度條件較差，由于受到這種不利于降水產(chǎn)生的錯(cuò)誤指示干擾，導(dǎo)致此次降雪漏報(bào)。根據(jù)實(shí)況監(jiān)測(cè)，07:00左右河谷地區(qū)突然開(kāi)始飄雪，降雪時(shí)段在08:00～12:00，區(qū)域站（有效）累計(jì)降水量在0.1～3.1 mm，其中09:00～10:00降雪站數(shù)達(dá)到最多。從降水量分布圖可以看出，降雪沿著地形的分布特征明顯，其中東部河谷一帶降水基本在0.3 mm以下，而沿著達(dá)坂山附近的降雪時(shí)間長(zhǎng)、降雪量相對(duì)較大，門(mén)源部分區(qū)域站小時(shí)降雪量在1 mm以上。按照地面冷空氣及地形影響可以將降水成因分為2類(lèi)：一是從民和—樂(lè)都—平安—西寧一帶的湟水河河谷地形降雪，二是從互助西北部—大通—門(mén)源一線(xiàn)達(dá)板山地形降雪（圖1）。

圖1 2020年12月1日08:00～12:00青海東部城市群累計(jì)降水量分布圖

2 背景環(huán)境特征

11月30日20:00青海省北部受弱脊控制（500 hPa），北疆地區(qū)有一低渦分裂短波槽東移（槽的經(jīng)向度較小），配合-38℃的冷中心，東部河谷一帶為輻散場(chǎng)，溫度露點(diǎn)差大于10℃，降雪前期實(shí)況水汽條件相對(duì)較差。12月1日08:00西寧站以東高空風(fēng)沿河谷輻散，以西都蘭站與西寧站間有弱西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，此時(shí)西寧站溫度露點(diǎn)差下降至4℃，增濕明顯，與上下游站點(diǎn)之間形成明顯的濕度差，而降雪集中出現(xiàn)在輻合前的濕舌區(qū)內(nèi)。700 hPa西寧站為東南風(fēng)，青海東部暖平流明顯，西寧站溫度露點(diǎn)差0.7℃，水汽飽和度高且與周?chē)笥?℃的站點(diǎn)形成明顯的濕度差，因此從700～500 hPa以西寧站為中心的東部地區(qū)局地濕度條件好。從上述分析來(lái)看，降雪所需要的中低空水汽條件并不是完全無(wú)跡可尋。另外，冬季探空逆溫層對(duì)降雪有一定指示意義，從12月1日08:00西寧探空?qǐng)D可以看出低空逆溫層強(qiáng)度強(qiáng)，每4 hPa升溫2.6℃，阻礙了熱量和水汽的垂直交換，導(dǎo)致低層更加暖濕，高層相對(duì)干冷，不穩(wěn)定能量累積，一旦冷空氣進(jìn)入，逆溫層被沖破就易出現(xiàn)降水（圖2b）。

從降雪中尺度特征分析來(lái)看，12月1日08:00在500 hPa處有一條貫穿青海省的中空急流，降水區(qū)位于急流出口區(qū)的左側(cè)，說(shuō)明有輻合上升運(yùn)動(dòng)；高空冷平流弱，降水區(qū)24 h變溫小于-2℃，無(wú)顯著降溫區(qū)；從各層濕舌區(qū)來(lái)看，降雪主要是產(chǎn)生在500 hPa、700 hPa、地面顯著濕區(qū)的重合區(qū)域內(nèi)（圖2a）。地面冷鋒08:00已經(jīng)影響至河谷，并沿著湟水河谷可以分析到多條地面輻合線(xiàn)，有利于降水的產(chǎn)生。

圖2 12月1日08:00 500 hPa高空填圖疊加中尺度分析（a）、西寧站探空?qǐng)D（b）

3 地面鋒生及地形影響

3.1 地面冷鋒

從海平面氣壓場(chǎng)可以看出，青海省東南部受氣旋控制，北部巴爾喀什湖以西冷高壓不斷分裂冷空氣南下，青海東北部冷高壓強(qiáng)度達(dá)到1 030 hPa。冷鋒沿著河西走廊一路東移南下，12月1日05:00，冷空氣東灌進(jìn)入湟水河谷的速度變慢，鋒后24 h變壓值變化較小，西寧最大24 h正變壓為0.1 hPa，正變壓伴隨的降溫并不明顯，這也是當(dāng)天早上東部地區(qū)溫度沒(méi)有如期降下去的主要原因，但弱冷空氣還是沿著河谷西進(jìn)影響到西寧（未到湟源），冷空氣前沿到達(dá)時(shí)立馬產(chǎn)生降水，只是這種影響的局地性十分明顯：疊加矢量地形后分析08:00地面圖可以看出，沿著河谷地形分析出一條零變壓線(xiàn)（黑線(xiàn)），河谷內(nèi)凡正變壓影響處均產(chǎn)生了降水，配合地面比濕均大于2 g/kg，冷空氣雖弱但局地影響突出（圖3）。11:00河谷內(nèi)西寧地區(qū)24 h最大變壓增大至0.5 hPa，海東境內(nèi)則達(dá)2.0 hPa，對(duì)應(yīng)海東降水量也相對(duì)較大，之后冷空氣強(qiáng)度沒(méi)有進(jìn)一步加大，降水趨于結(jié)束。降雪過(guò)程中門(mén)源始終由負(fù)變壓控制，而實(shí)況門(mén)源產(chǎn)生降水后，其降水量快速增加，所以門(mén)源降雪冷空氣貢獻(xiàn)小，可重點(diǎn)分析其地形的影響。

圖3 地面冷鋒移動(dòng)路徑圖、08:00地面＞2 g/kg比濕

3.2 地面濕度及風(fēng)場(chǎng)

冬季降水時(shí)青海省東部湟水河谷地內(nèi)地面比濕一般情況下能達(dá)到2 g/kg以上，因此可重點(diǎn)分析地面露點(diǎn)溫度差。可以看出從12月1日05:00～08:00是逐漸增濕的過(guò)程，由北向南推進(jìn)，建立了有利的水汽輸送通道，每個(gè)時(shí)次各固定區(qū)域站點(diǎn)增濕將近1～2℃，到08:00，實(shí)況降雪區(qū)域內(nèi)最小T-Td（溫度露點(diǎn)差，下同）為2.5℃，最大T-Td為5.6℃（圖4）。另外，可以發(fā)現(xiàn)地面冷空氣經(jīng)過(guò)河西走廊東灌進(jìn)入河谷時(shí)移動(dòng)路徑上的武威到烏鞘嶺始終是一個(gè)濕度中心（T-Td的低值區(qū)），偏東風(fēng)作為一支濕平流，對(duì)降水區(qū)的增濕貢獻(xiàn)明顯。

圖4 12月1日08:00地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)、露點(diǎn)溫度差（白色，單位：℃）及門(mén)源地區(qū)“山脈壁角效應(yīng)”示意圖

從風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，直至12月1日02:00地面沿著河谷（樂(lè)都—西寧）是偏東風(fēng)，河谷內(nèi)無(wú)風(fēng)向交匯，T-Td＞5℃；到05:00西寧、海東境內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)由偏東風(fēng)開(kāi)始轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)和偏北風(fēng)，從樂(lè)都—西寧、大通—西寧、湟中—西寧形成氣旋式輻合流場(chǎng)；08:00，降水已經(jīng)開(kāi)始，自動(dòng)站風(fēng)向均順轉(zhuǎn)45°～90°，大通局地、西寧（市區(qū)）、平安—樂(lè)都形成多個(gè)輻合流場(chǎng)并維持，平安和樂(lè)都風(fēng)向形成西西北風(fēng)和東東南風(fēng)的180°對(duì)吹，到11:00除了互助為偏北風(fēng)外，其他站風(fēng)向轉(zhuǎn)回東南風(fēng)，T-Td＜3℃；11:45河谷基本吹東南風(fēng)，輻合僅大通和門(mén)源地區(qū)存在，其降水持續(xù)，配合T-Td＜3℃。

3.3 地形影響

圖1中南、北2個(gè)降雪中心，受地形影響的風(fēng)場(chǎng)輻合抬升作用產(chǎn)生明顯。由于冷空氣勢(shì)力太弱，沒(méi)能翻越祁連山進(jìn)入門(mén)源，降雪過(guò)程中門(mén)源站由負(fù)變壓控制（大通也較弱），但沿達(dá)板山附近降水量明顯要偏大。過(guò)程中地面吹偏東風(fēng)，11:00前，門(mén)源地區(qū)以東南氣流經(jīng)大通河流入盆地后受盆地西部山脈阻擋，受地形升高抬升產(chǎn)生降水為主。11:00后由于“壁角效應(yīng)”產(chǎn)生降水并且維持，關(guān)振中[7]提出門(mén)源降水與地形關(guān)系密切，流經(jīng)門(mén)源的大通河帶來(lái)局地水汽（地面T-Td在2～5℃可以看出），門(mén)源地區(qū)西部是大通山余脈，地勢(shì)西高東低，達(dá)板山、大通山、冷龍嶺形成門(mén)源小盆地，東南氣流受西部山脈阻擋，一部分被抬升，一部分沿山脈向南擴(kuò)散，氣流表現(xiàn)為氣旋性彎曲，產(chǎn)生正渦度，加強(qiáng)上升氣流，對(duì)本地降水的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生增幅作用，而地形的固定存在和局地水汽的維持使得達(dá)板山附近降水相對(duì)較大且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。循化的降雪中心可以看到其境內(nèi)沿著河谷四周風(fēng)場(chǎng)形成氣旋式的輻合，且降雪期間輻合始終維持，地面的這種持續(xù)輻合抬升作用造成較大的地形降水。

4 水汽與動(dòng)力條件

由12月1日09:00上升運(yùn)動(dòng)的分布和水汽輻合來(lái)看，500 hPa上在整個(gè)青海省東部可以看到明顯的上升運(yùn)動(dòng)，并存在一強(qiáng)一弱的負(fù)速度中心，中心強(qiáng)度最大達(dá)到-0.5 Pa/s，雖基本無(wú)水汽通量輻合的區(qū)域，但從以往降雪的實(shí)況分析中，中層的動(dòng)力條件對(duì)降雪的產(chǎn)生起到很顯著的作用（圖5a）。09:00 700 hPa上整個(gè)東部地區(qū)有多個(gè)水汽通量的輻合中心，并呈西北—東南向沿著湟水河谷分布明顯，在海東的化隆、民和輻合中心強(qiáng)度達(dá)-0.9×10-7g/(cm2·hPa·s)以上，且從圖中代表氣流輻合的黑色實(shí)線(xiàn)可以看出，09:00～11:00輻合也是自西向東移動(dòng)，加之從河谷東灌進(jìn)來(lái)的弱冷空氣受地形影響下產(chǎn)生了降水（圖5b）。

圖5 12月1日09:00水汽通量（綠色箭頭，單位：g/(cm2·hPa·s)）、水汽通量散度（陰影，單位：10-8 g/(cm2·hPa·s)）和垂直速度（等值線(xiàn)，單位：Pa/s）

5 模式預(yù)報(bào)能力檢驗(yàn)

對(duì)比分析檢驗(yàn)了ECMWF、CMAGFS、CMA-9 km三家數(shù)值模式格點(diǎn)降水預(yù)報(bào)，ECMWF對(duì)此次降雪過(guò)程具有一定的可預(yù)報(bào)性，臨近12 h時(shí)效內(nèi)ECMWF預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率明顯變好，大小預(yù)報(bào)在0.1～0.5 mm之間，這種情況下預(yù)報(bào)員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模式降水消空時(shí)需注意12～24 h時(shí)效內(nèi)消空量要控制在0.1～0.2 mm之間，消太多容易造成局地降水天氣的漏報(bào)，另外，更需關(guān)注臨近時(shí)次模式預(yù)報(bào)調(diào)整變化。CMA-9km模式降水預(yù)報(bào)參考性在于其降雪量預(yù)報(bào)比較接近實(shí)況，預(yù)報(bào)穩(wěn)定性較好，但其落區(qū)預(yù)報(bào)不如ECMWF。CMA-GFS沒(méi)有預(yù)報(bào)出此次降雪過(guò)程。因此對(duì)于此次小雪過(guò)程模式并無(wú)完全可預(yù)報(bào)性，只是預(yù)報(bào)員不能太過(guò)關(guān)注形勢(shì)場(chǎng)，應(yīng)加強(qiáng)模式各類(lèi)資料的應(yīng)用。

6 結(jié)論

（1）此次過(guò)程是一次由地面冷鋒過(guò)境，低層充沛水汽條件配合中層弱垂直運(yùn)動(dòng)，在受地形影響的風(fēng)場(chǎng)輻合抬升作用下產(chǎn)生的一次弱降雪。

（2）地形影響配合地面弱冷氣和低露點(diǎn)溫度差能很好地解釋從樂(lè)都—平安—西寧沿著河谷一帶的降水。對(duì)于門(mén)源地區(qū)無(wú)冷空氣影響情況下出現(xiàn)的降雪天氣是由于門(mén)源特殊的地理位置受地形山脈作用（地形抬升+壁角效應(yīng)）明顯，也配合有較好的濕度條件，從而使得降雪維持。

（3）對(duì)于弱降雪過(guò)程，預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)應(yīng)在于預(yù)報(bào)員對(duì)模式產(chǎn)品的綜合分析，尋找共同特征和預(yù)報(bào)趨勢(shì)，做預(yù)報(bào)時(shí)不要太過(guò)確信對(duì)手頭資料的判斷，不宜輕易下結(jié)論。按照預(yù)報(bào)員的常規(guī)預(yù)報(bào)思路，十分容易漏報(bào)此類(lèi)天氣過(guò)程，因此對(duì)這類(lèi)“似有非有”過(guò)程應(yīng)多花時(shí)間去分析模式和實(shí)況加密資料，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。弱冷空氣影響下預(yù)報(bào)時(shí)降水的不確定性大，更應(yīng)加強(qiáng)地面局地水汽的分析，總結(jié)指標(biāo)，及時(shí)做好此類(lèi)天氣過(guò)程中決策服務(wù)而彌補(bǔ)預(yù)報(bào)的不足。通過(guò)對(duì)2020年這次降雪過(guò)程漏報(bào)分析，有利于今后冬春季弱降雪的預(yù)報(bào)，減少此類(lèi)降雪天氣的漏報(bào)對(duì)城市交通出運(yùn)行造成的不利影響。