池州地區冬半年固態降水及其環流背景統計特征

孫 卉，吳照憲，劉玉林，田 慷

（池州市氣象局，安徽 池州 247100）

固態降水一般指雨夾雪、雪或陣雪、雨凇或凍雨、冰粒等天氣現象。池州市位于長江中下游，冬半年時有固態降水現象發生。大雪或凍雨等都會對工農業生產、道路交通等產生較大危害，故對此類災害天氣的研究具有現實意義。如2008年1月持續性雨雪冰凍過程給池州及整個南方地區帶來了嚴重的影響[1-4]，引起了全社會的廣泛關注。

不少學者對固態降水進行了深入研究。在冷空氣路徑方面，鄭婧等[5]指出江西省發生大雪時地面冷空氣多為中路；曾欣欣[6]發現東路冷空氣路徑有利于浙江出現大雪；苗愛梅等[7]對山西的研究發現，西北路冷空氣極易產生固態降水。也有學者對固態降水大氣環流進行了主觀分型，陶云等[8]把云南省1981—2013年固態降水500 hPa環流劃分為北脊南槽型和北橫槽型；宋丹等[9]通過對貴州近44 a 20個個例研究，將高空環流劃分為北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動型和高空急流型等；馬振升[10]建立了橫槽型和兩槽一脊型的河南暴雪天氣學模型；王玉亮等[11]則將魯南地區暴雪天氣的影響系統劃分為回流形勢、江淮氣旋、切變線和低槽冷鋒等4類。此外，學者們對固態降水發生時的中低層環流配置也進行了不少研究。鄭婧等[5]認為700 hPa西南氣流強盛，當850 hPa同時存在切變線時，降雪天氣更劇烈；胡順起等[12]發現暴雪一般出現在高空最大輻散中心和低層最大輻合中心的下面，西南急流下風方的左側。安徽氣象工作者們也對安徽影響較大的幾次降雪過程進行了一些研究[13-15]。

由于固態降水對環境場，尤其是對氣溫的要求高，各地固態降水產生的條件存在一些細微差別，而這些細微的差別將直接影響降水相態預報的準確率。目前，針對安徽的固態降水氣候特征及環流分型等研究較少，另外固態降水的大氣環流主觀分型存在主觀性強、統計難度大等問題。本文擬對2003—2018年冬半年大氣環流進行客觀分型，建立池州地區固態降水天氣模型，并分析其冷空氣路徑、中低層配置等，試圖找出池州地區固態降水的預報著眼點，供相關業務人員參考。

1 資料和方法

1.1 資料

采用的地面資料為2003—2018年池州站（117.5°E，30.65°N）觀測資料，高空資料則選取歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）第五代再分析資料ERA5（https：//cds.climate.copernicus.eu/），水 平 分 辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h，垂直分辨率為37層。關于冬半年時段的取值，已有研究不盡相同[16-19]，考慮池州的氣候特點，本文將冬半年定義為11月—次年3月。

1.2 降水相態分類

目前觀測業務中規定了雨、雨夾雪、雪或陣雪、雨凇或凍雨、冰粒共5種地面降水相態。關于冰粒，漆梁波等[1]從溫度層結方面考慮，認為其更接近凍雨。但也有專家認為冰粒、雨夾雪均為降水相態轉換過程中的過渡形態[20]。余金龍等[21]也認為凍雨造成的危害遠高于冰粒和雪。

綜上所述，將冰粒相態歸入雨夾雪類型，把固態降水劃分為雨雪轉換（天氣現象中出現雨、雨夾雪、雪任意兩種及以上相態轉換）、純雪和凍雨3類。統計獲得2003—2018年固態降水日總樣本數172個，其中雨雪轉換樣本95個，占比55.2%；純雪樣本71個，占比41.3%；凍雨樣本最少，僅6個，占比3.5%。

1.3 環流分型方法

對天氣形勢進行分類的方法多種多樣，包括主觀方法、客觀方法和混合方法。本文采用Huth提出的傾斜旋轉T-mode主成分分析（TPCA）方法[22-23]，對大氣環流場進行客觀分型。T模態是按時間序列對網格點數據進行主成分分析，建立每個時間網格點的主成分類型，其中輸入數據的列表示時間序列，行對應于網格點。TPCA方法在歐洲地區的天氣分型中得到廣泛應用和發展，該算法已經在“歐洲地區天氣模型分類協調與應用”方案（簡稱：COST733）中被發展為軟件系統“Cost733class-1.2”[24]。

TPCA分型數據采用2003—2018年11月—次年3月ERA5再分析資料02、08、14、20時（LST）共4個時次逐日平均500 hPa位勢高度場，空間范圍為20°～60°N，60°～140°E，分型數目設為4類，建立冬半年天氣模型，并輸出每日對應的天氣模型，結合地面觀測資料中固態降水樣本的出現日期，分別統計不同天氣模型下雨雪轉換和純雪天氣過程的中低層要素特征。

2 固態降水氣候特征

2003—2018年池州年平均固態降水日數為10.8 d，最多降水日數為22 d，出現在2007年冬半年（主要是2008年1月出現持續降雪過程）。2010年之前池州固態降水過程振蕩較明顯，2010年以后，除2012年外，基本偏少或正常（圖1a）。

固態降水也存在明顯的月際變化（圖1b），1月固態降水日數最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月，占16.3%；11月和3月較少。從相態看，雨雪轉換與純雪日數月變化趨勢與所有固態降水日數月變化基本一致；1月純雪日數較雨雪轉換略多，其他月份均偏少；凍雨較少，16 a共出現6 d，其中12月未出現。

圖1 池州2003—2018年冬半年固態降水日數年變化（a）及月變化（b）

3 固態降水天氣模型特征

對2003—2018年冬半年500 hPa的日平均位勢高度場進行環流特征分型，將冬半年天氣模型分為4類（圖2），分別為一槽一脊型（Ⅰ型）、緯向波動型（Ⅱ型）、兩槽一脊型（Ⅲ型）和北脊南槽型（Ⅳ型），其中，Ⅰ型占比最多，為45.2%；Ⅱ型次之，為28.8%；Ⅲ型占比為25.9%；Ⅳ型占比僅0.1%，本文不做討論。

從固態降水的雨雪轉換和純雪角度看，發生概率最大均為Ⅰ型，占比分別為67.3%和76.1%；Ⅲ型次之，為22.4%和11.9%；Ⅱ型最少，分別為10.3%和11.9%。凍雨除1例為Ⅱ型外，其余均為Ⅰ型。

3.1 一槽一脊型（Ⅰ型）

該環流型下，青藏高原—新西伯利亞為一高壓脊，東北地區—華東沿海為一深厚的高空槽。槽后脊前強冷空氣從內蒙古沿中路（或西北路）南下，影響長江中下游地區，給池州地區固態降水提供了有利的溫度條件，池州以南為較平直的緯向環流（圖2a）。

3.2 緯向波動型（Ⅱ型）

Ⅱ型環流背景下，亞洲中高緯度地區上空維持一寬廣的低壓區，冷空氣來自蒙古國—西伯利亞地區，中高緯西北氣流引導冷空氣從西路影響我國，為固態降水提供溫度條件。中緯度上空以緯向環流為主，100°E以東的中低緯地區則為西南氣流，青藏高原東側短波槽把西南暖濕氣流輸送到長江中下游，為池州地區降雪提供了動量、熱量和水汽條件（圖2b）。

3.3 兩槽一脊型（Ⅲ型）

Ⅲ型環流背景下，歐亞地區為“兩槽一脊”，貝加爾湖附近為一高壓脊，烏拉爾山及鄂霍次克海附近為一低槽，冷空氣從我國東北地區沿東路南下，影響池州地區。中緯度地區環流平直，青藏高原西部有南支槽東移，引導孟加拉灣的水汽向北輸送，為池州地區固態降水提供了水汽條件（圖2c）。

圖2 2003—2018年冬半年天氣模型

大氣環流客觀分型結果，能較好地詮釋傳統的冷空氣從中路（西北路）、東路和西路影響我國的環流特征，池州地區固態降水主要受中路冷空氣影響，與毗鄰的江西省固態降水一致[5]。

4 中低層系統

通過環流場分型可以發現，各類天氣模型均存在雨雪轉換、純雪和凍雨等不同固態降水類型，這與中低層系統及其氣象要素配置有關。為此，采用固態降水天氣過程中925、850和700 hPa風、溫度小時平均場（圖3），討論其特征（因凍雨個例較少，不予討論）。

4.1 雨雪轉換過程

Ⅰ型環流背景下，925 hPa（圖3a）為一致的東北氣流。850 hPa（圖3d）溫度低值區位于正北方，冷空氣受偏北氣流引導從中路南下；池州西南側（江西的北部）有一閉合氣旋性環流中心，環流中心東側東南氣流把暖濕氣流向西北輸送，與北方南下的冷空氣正好交匯于池州地區。700 hPa（圖3g）池州位于西南急流（≥12.0 m/s）北部邊緣，較強的西南急流給池州地區輸送水汽，其風速切變給暖濕氣流抬升提供了動力。在925～700 hPa上，池州地區溫度基本相同，均在-4.0～-5.0℃，冷空氣勢力較強。

Ⅱ型環流背景下，925 hPa（圖3b）在池州南部有明顯的鋒區。850 hPa（圖3e）北方溫度低值中心較Ⅰ型偏西，鋒區位于池州地區，較925 hPa偏北；在偏北氣流引導下，冷空氣從西路南下；同Ⅰ型一樣，也存在一個氣旋性環流，而池州地區位于環流中心，其南側西南氣流向池州地區輸送暖濕氣流。700 hPa（圖3h）西南急流較Ⅰ型更強盛，西南急流北抬到江淮之間，池州地區平均最大風速達到20.0 m/s。旺盛的暖濕氣流導致Ⅱ型925～700 hPa溫度在-2.0～-3.0℃，較Ⅰ型偏高2.0℃左右。

Ⅲ型環流背景下，925 hPa（圖3c）同樣盛行東北風。850 hPa（圖3f）氣旋性環流中心較Ⅰ型位置略偏東，溫度低值中心位于東北方向，在東北氣流引導下，冷空氣從偏東路徑南下影響池州地區，該層溫度與925 hPa差別不大，均在-4.0℃左右，較Ⅱ型低，但較Ⅰ型略高。700 hPa（圖3i）西南急流位置偏南，池州地區最大風速10.0 m/s左右，在三型中最弱，無明顯的風速輻合。

圖3 雨雪轉換風場和溫度場

根據以上分析可知，Ⅰ型出現雨雪轉換概率是其他型的3倍以上，Ⅱ型最低，這與溫度條件關系密切。925 hPa盛行東北風，該層與850 hPa溫度在-4.0～-5.0℃，700 hPa上有12.0 m/s左右急流，有利于雨雪轉換，急流偏強或偏弱則反之。

4.2 純雪過程

純雪天氣過程中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型冷空氣與雨雪轉換過程一樣，也是分別從中路、西路和東路南下；池州站上空925 hPa溫度分別為-6.5、-4.5和-5.5℃，均較850 hPa溫度偏高1.0℃左右，較雨雪轉換過程偏低；700 hPa溫度場分別為-5.5、-7.0和-4.8℃，除Ⅲ型外，也較雨雪轉換過程低。比較中低層溫度可知，純雪過程Ⅰ型和Ⅲ型在850～700 hPa均存在一定的逆溫，較雨雪轉換過程明顯。

風場上，925 hPa盛行東北偏東風；850 hPaⅠ、Ⅱ、Ⅲ型均存在氣旋性環流，位于池州地區西南方向（江西北部），氣旋東部偏西南氣流有利于水汽向北輸送，池州站基本受偏東風影響。Ⅱ型700 hPa，安徽西北地區有氣旋性環流，其西側偏北氣流引導冷空氣從西路南下，對池州地區固態降水的影響弱于Ⅰ型。同時，池州站均位于700 hPa西南偏西急流（≥12.0m/s左右）軸線的北部邊緣，結合雨雪轉換天氣過程，可認為，700 hPa 12.0 m/s左右急流有利于池州固態降水的產生。

5 物理量特征

站點出現固態降水與熱力、水汽及動力等物理量高低層配置關系密切。以池州站（117.5°E，30.65°N）為研究對象，探討高低層物理量之間的配置關系。

5.1 水汽條件

水汽輸送方面（圖4），固態降水的水汽一般自南向北由中高層（850～400 hPa）向北輸送，中心位于700 hPa附近，低層相對較弱。固態降水天氣過程中，Ⅱ型水汽輸送最強，最大水汽通量＞9.0 g/（cm·hPa·s），Ⅰ型次之，Ⅲ型最弱；池州站上空700 hPa附近水汽通量最大，達到6.0 g/（cm·hPa·s）左右。

從水汽輻合角度看（圖5），固態降水過程中，暖平流區水汽輻合強度明顯強于冷平流區，水汽輻合區主要位于850～700 hPa；其中，Ⅱ型水汽輻合最強，Ⅲ型最弱，與水汽通量特征類似。除Ⅲ型外，雨雪轉換過程中水汽輻合明顯強于純雪過程。池州位于較強水汽輻合區的北部邊緣，水汽通量散度基本在-1.0×10-5g/（cm-2·hPa·s）左右。

5.2 熱力條件

溫度是產生固態降水的關鍵性要素。池州站固態降水雨雪轉換天氣過程中，1 000 hPa溫度基本在0℃附近（圖4a～4c），而純雪天氣過程中，1 000 hPa溫度在0℃以下，Ⅰ型和Ⅲ型環流背景下，池州站溫度在-2.0℃左右，Ⅱ型在0～-2.0℃（圖4d～4f）。純雪較雨雪轉換天氣過程近地面溫度更低。

在固態降水過程中，池州站上空925～700 hPa，各環流類型基本均存在“等溫”或弱逆溫現象，1 000～925 hPa和700 hPa以上溫度均隨高度遞減（圖4）；其中，雨雪轉換天氣過程，Ⅱ型環流背景下溫度在0～-2.0℃，逆溫相對明顯；Ⅰ型和Ⅲ型溫度在-2.0～-4.0℃；純雪天氣過程，溫度基本在-4.0～-6.0℃，Ⅰ型和Ⅲ型逆溫較明顯。由圖5可知，池州固態降水過程受冷鋒影響，鋒前有暖平流，鋒后有明顯的冷平流，中高層冷暖平流一般較低層及近地面強。結合地形發現，皖南山區近地面為較強的冷平流，上空為暖平流，而其以北（即池州站以北）平坦地區近地面存在弱的暖平流，這可能與下墊面（如長江水體等）有一定的關系。從風速輻合和溫度不連續角度看，700 hPa以下有相對明顯的鋒區，地面冷鋒前沿位于安徽皖南山區以南，池州站位于冷鋒后部，受冷平流影響。

圖4 沿117.5°E的水汽通量（陰影區，單位：g/（cm·s·hPa））、水汽輸送（箭頭）、溫度（紅色虛線，單位：℃）、假相當位溫（黑實線，單位：K）剖面

圖5 沿117.5°E的水汽通量散度（陰影區，單位：10-5 g/（cm2·s·hPa））、溫度平流（紅色虛線，單位：10-5 K/s）剖面

5.3 動力條件

由圖4可知，池州站固態水天氣過程中，假相當位溫隨高度增加而增大，大氣層結穩定，水汽輻合和大氣抬升動力來自冷鋒鋒面抬升，切變線一般位于850～800 hPa，僅雨雪轉換Ⅲ型環流背景下，切變線位于700 hPa附近。總體而言，池州固態降水屬于大尺度降水天氣過程。

6 結論

對2003—2018年池州地區固態降水進行統計，采用T-mode主成分客觀分析法（TPCA）等對冬半年高空環流進行分型，建立池州固態降水天氣模型，討論其物理量高低層配置等，主要結論如下：

（1）2010年之前池州固態降水過程振蕩較明顯，2010年以后，除2012年，基本偏少或正常；池州固態降水存在明顯的月際變化，1月最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月占16.3%；11和3月最少。

（2）將池州冬半年天氣模型劃分為一槽一脊型（Ⅰ型）、緯向波動型（Ⅱ型）和兩槽一脊型（Ⅲ型）。其中，Ⅰ型占比最多，為45.2%；Ⅱ型次之，為28.8%；Ⅲ型占比為25.9%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型北方冷空氣分別從中路（西北路）、西路和東路南下，池州地區固態降水天氣過程主要受中路冷空氣影響。

（3）Ⅰ型氣溫最低，出現固態降水概率最高，是其他形勢的3倍以上；Ⅱ型氣溫最高，出現固態降水概率最低。除Ⅲ型外，純雪過程中低層溫度均較雨雪轉換過程低2.0℃左右，925 hPa溫度在雨雪轉換過程中與850 hPa相當，一般在-4.0～-5.0℃，純雪過程則較850 hPa偏高1.0℃左右，為-4.5～-6.5℃；雨雪轉換天氣過程1 000 hPa溫度基本在0℃附近，而純雪過程則在0℃以下。一般情況下，925 hPa盛行東北風，850 hPa有氣旋性環流，配合700 hPa上12.0 m/s左右急流更有利于池州固態降水的產生。

（4）池州固態降水過程水汽通量大值中心基本位于700 hPa附近；水汽輻合區主要位于850～700 hPa；Ⅱ型的水汽輻合最強，Ⅲ型最弱。雨雪轉換的水汽輻合強于純雪天氣過程，池州一般位于水汽輻合區的北部邊緣。

（5）池州固態降水一般屬于冷鋒大尺度降水，層結穩定，鋒區位于700 hPa以下，低層有冷平流，切變線一般位于850～800 hPa。