基于動態聚類法的安順降雪環流分型研究

韋 琦，吳哲紅，王興菊，曾 妮，蒙 軍

(1.貴州省鎮寧縣氣象局，貴州 鎮寧 561200；2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

0 引言

降雪是處于貴州省中西部的安順市冬季常見的災害性天氣[1]，雖然不像北方地區那么頻繁[2-8]，但常常與凍雨天氣連接出現，持續時間較長，對工農業生產及人們的生活造成極大影響[9]。但另一方面由于降雪較少出現，在某種程度上成為一種景觀，每一次明顯的降雪、積雪過程都會引起公眾、媒體的高度關注。因此如何準確預報降雪、降雨相態轉換、降雪量等顯得比較重要。學者對貴州的降雪天氣做過很多研究[10-16]，嘗試做過分型，但以往的研究主要從大的環流背景出發，分型都比較復雜。

聚類分析方法是運用數學方法對不同的樣品進行數學分類的一種客觀分型統計方法，K-means動態聚類法是其中用于分型研究的一種[17-20]。本文分析了近10 a安順市的典型降雪個例，對其中的主要影響系統進行總結，找出關鍵影響因子，利用K-means動態聚類分析方法，對降雪形勢進行分型，并對分型后的形勢特征和物理量指標做統計分析，以期對提高冬季降雪相態預報有所幫助。

1 資料和方法

采用2009—2018年10 a間安順市所轄6個國家氣象站觀測到的天氣實況，將日數據中要素“天氣現象”出現“70”字段即認定為1個降雪日，1次過程中全市有3站以上降雪的作為1次區域性降雪過程，所用資料還有MICAPS常規高空觀測、地面觀測資料、FNL 1°×1°再分析資料。對近10 a安順的降雪過程開展天氣學診斷分析和統計分析，重點分析降雪出現的前一時次天氣形勢。為便于總結預報模型，降雪主要出現在夜間的天氣形勢重點分析20時，主要出現在白天的重點分析08時，持續降雪則分析20時和08時；對降雪的時空分布，物理量場，地面海平面氣壓場、500 hPa、700 hPa、850 hPa高度場、風場、溫度場分布等特征開展分析，找出關鍵指標和典型個例。

分類方法采用基于關鍵影響因子進行K-means動態聚類，進行迭代分類，采用最短距離法將所有個例分類。分類后應用個例檢驗和方差檢驗，如果分類與典型個例有明顯差異，且分類后組內方差異常增加的需進行調整。

挑選了近10 a的典型區域性降雪天氣過程共14次，利用常規觀測資料，FNL 1°×1°再分析資料，對這些個例開展合成分析和個例分析。

多位學者結合個例的分析研究表明：高原南北側的槽東移是引發我國中東部地區降雪的重要系統[21-22]，因此將500 hPa高度場作為關鍵因子，開展動態聚類分析。

設置80～120°E，20～35°N為關鍵區域，采用關鍵區內高空觀測站的500 hPa高度序列作為關鍵因子，相似性度量采用距離系數中的歐氏距離(公式1)，計算采用DPS數據處理系統。

(1)

2 3類分組的合成分析

通過統計分析得到3種類型的分組：Ⅰ型4個，占29%；Ⅱ型僅有3個，占21%；Ⅲ型最多，7個，占50%。

個例分析中3類影響系統下降雪出現的強度、區域和持續時間等都有較為明顯的不同。

Ⅰ型個例在高原東側到貴州氣流基本平直，僅有小波動東移(以下稱為平直型，簡稱Ⅰ型)。這種形勢下，有利于滇黔準靜止鋒維持少動，天氣以凍雨為主，僅在有小波動東移時造成雨夾雪。分析表明這種形勢下往往為長時間低溫雨雪冰凍過程中出現的階段性降雪過程，天氣現象以凍雨伴雨夾雪為主，純雪較少。

Ⅱ型從高原東側到貴州有1個明顯的南支槽，受南支槽東移影響，出現明顯降雪，但區域有限，時間短(以下稱為南支槽型，簡稱Ⅱ型)。受南支槽過境影響，純雪特征較為明顯，過程持續時間較短，由于近地層氣溫較高，不易形成積雪。

Ⅲ型在高原東側到貴州有多個波動槽影響，在高原北側沿河套地區和孟灣以東均有槽影響，形成階梯槽。受到多個槽共同影響，安順出現大范圍較長時間的降雪，以純雪為主(以下稱為多波動型，簡稱Ⅲ型)。造成的降雪過程明顯，持續時間較長，天氣現象以純雪為主，降雪量較大，近地層溫度較低，易形成積雪。

2.1 天氣形勢合成分析

對各組中個例分別開展合成分析發現，3種形勢在影響系統形態、關鍵指標量指標和物理量分布上均有所區別：

Ⅰ型(圖1)滇黔準靜止鋒控制貴州大部到云南中東部，海平面氣壓梯度大，貴州海平面氣壓從西到東為1025～1035 hPa，氣壓差達10 hPa，靜止鋒較強，地面貴州西部氣溫低于0 ℃，中東部大部在0～4 ℃。500 hPa風場顯示中高緯都以偏西氣流為主，高原以東沒有明顯槽脊影響，僅有小波動東移，貴州處于-16～-10 ℃；700 hPa 0 ℃線壓至貴州南部，貴州處于-10～0 ℃，貴州境內等溫線較為密集，在貴州北部有東北風和西南風形成的切變，850 hPa貴州大部處于0 ℃以下，受東北氣流影響，中低層貴州都處于冷舌控制。

圖1 Ⅰ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實線，單位：℃)(a)；風場(風桿,單位:m·s-1)和氣溫(實線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅱ型(圖2)滇黔準靜止鋒控制云南中東部—貴州西部，貴州范圍海平面氣壓值在1027.5～1032.5 hPa，2 m氣溫貴州大部在0～4 ℃；500 hPa在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響貴州，貴州處于-14～-12 ℃之間；700 hPa在四川南部—貴州北部有東北風和西南風形成的切變，0 ℃線在貴州中部，中部以北在-6～0 ℃之間；850 hPa貴州處于-4～0 ℃。

圖2 Ⅱ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實線，單位：℃)(a)；風場(風桿,單位:m·s-1)和氣溫(實線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅲ型(圖3) 滇黔準靜止鋒控制貴州大部，貴州海平面氣壓值在1020～1032.5 hPa，鋒區較強，貴州2 m氣溫西北部低于0 ℃，其余地區在0 ℃附近。500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個短波槽，形成階梯槽，貴州氣溫-16～-12 ℃。700 hPa仍然在四川南部—貴州北部有切變，0 ℃線在貴州南部，貴州中北部溫度在-6～0 ℃。850 hPa除西南部邊緣外，貴州大部處于-4～0 ℃。結合個例分析，高原以東的短波槽不斷東移，有時形成階梯槽，高空槽使得上升運動加強，水汽輸送加強，槽后有溫度槽，冷平流和槽前渦度平流使得500 hPa槽東移加強，并使得低層系統增強，加強系統的抬升。

圖3 Ⅲ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實線，單位：℃)(a)；風場(風桿,單位:m·s-1)和氣溫(實線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

通過以上分析，3種形勢具有一定的共同特征：地面受靜止鋒控制影響，850 hPa和700 hPa都處于冷舌控制中，850 hPa受東北氣流影響，700 hPa在四川南部—貴州北部有東北風和西南風形成的切變，貴州受西南氣流影響。500 hPa風場上有明顯的區別：Ⅰ型中高緯主要為偏西平直氣流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響安順；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個短波槽，形成階梯槽。此外，滇黔準靜止鋒強度和影響區域，500 hPa、700 hPa、850 hPa特征溫度等物理量有所區別：Ⅲ型靜止鋒最強，整層溫度最低；Ⅱ型靜止鋒稍弱，整層溫度略高；Ⅰ型居中。

以下將進一步分析3種形勢垂直方向的特征，沿25.5°N做東西方向剖面圖。

合成分析表明3種形勢的大氣層結垂直分布也有一定的區別：根據3種形勢個例合成的沿25.5 °N的垂直速度和濕層(圖4)分析表明，Ⅰ型(圖4a)相對濕度>80%的濕層伸展到650 hPa附近，最大上升速度為0.8 pa·s-1，上升區主要集中在近地層到550 hPa；Ⅱ型(圖4b)上升區主要在近地層到600 hPa附近，最大上升速度1.4 pa·s-1,濕層較薄，范圍較窄；Ⅲ型(圖4c)濕層從近地層伸展到550 hPa，中低層有寬廣的濕層，最大上升速度為1.2 pa·s-1，水汽和抬升條件配合較好，有利于出現大范圍降雪。

圖4 3種類型個例合成的沿25.5°N的垂直速度(單位：pa·s-1，虛線為負值上升區)、相對濕度(單位：%，陰影區為相對濕度>80%區域)垂直剖面圖(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

溫度層結是降雪的重要條件，不同的逆溫層結是區分降水相態的重要指標。根據已有的研究，貴州及安順冬季的凍雨天氣期間，層結特征為中層有明顯的逆溫，逆溫通常達到5～7 ℃以上[13～15，23-24]，逆溫層頂在0 ℃以上。對3種降雪形勢沿25.5°N一線東西方向100～110°E范圍作溫度層結剖面(圖5)，分析結果表明3種形勢逆溫較弱或沒有逆溫，與凍雨的形勢有明顯的區別：Ⅰ型(平直氣流型)有1 ℃左右逆溫，逆溫層頂在0 ℃以下；Ⅱ型(南支槽型)在貴州中部有3 ℃逆溫，逆溫層頂在0 ℃以上；Ⅲ型(多波動型)近地層在0 ℃附近，幾乎沒有逆溫。

圖5 3種類型個例合成的沿25.5°N的溫度分布垂直剖面(陰影區為負值區)(單位：℃)(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

2.2 特征物理量指標分析

根據實況個例分析結果，將降雪期間主要物理量特征總結如(表1)。地面海平面氣壓的變化范圍可以代表冷空氣的強度和靜止鋒強度，500 hPa、700 hPa、850 hPa溫度代表冰晶層及冷空氣厚度，近地層溫度，逆溫情況等，在降雪預報中可用于降雪類型、時間、降雪量及積雪等的參考。高空物理量參考貴州中部貴陽探空站1 d內08時和20時平均值，地面海平面氣壓參考1 d內觀測資料最大變化范圍。

表1 3類降雪個例總結的物理量指標

3 小結

本文采用K-means動態聚類分型方法，以500 hPa高度場作為關鍵影響因子，將近10 a安順的降雪形勢劃分為平直氣流型(Ⅰ)、南支槽型(Ⅱ)、多波動型(Ⅲ)3種主要形勢。合成分析表明：Ⅰ型中高緯主要為偏西平直氣流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響貴州；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個短波槽，形成階梯槽。此外，3種類型在滇黔準靜止鋒強度和影響區域等特征500 hPa、700 hPa、850 hPa特征溫度等物理量及垂直方向濕度配置、逆溫等方面均有所區別：Ⅰ型濕層和上升區淺薄，有1 ℃左右逆溫；Ⅱ型濕層較薄，在貴州中部有3 ℃逆溫范圍較窄；Ⅲ型中低層有寬廣的濕層，水汽和抬升條件配合較好，幾乎沒有逆溫。