青海高原降水相態轉換特征及預報指標分析

李金海 馬元倉 管琴 黃甜甜

（1 青海省防災減災重點實驗室，西寧 811000；2 青海省氣象臺，西寧 811000）

0 引言

青海省位于青藏高原東北部，全省平均海拔＞3000 m，河湟谷地海拔2000 m左右，青南地區平均海拔＞4000 m，海拔高度跨度大。從氣候上看，青海屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫－5.7～8.5 ℃，祁連山區、青南高原年平均氣溫＜0 ℃[1]，春秋季節冷暖空氣活動頻繁，溫度變化常常導致降水相態轉換。不同的降水相態導致相同降水量的量級差別很大，例如24 h降水量10 mm，對應的相態為雨時，降水量級為中雨，相態為雪時，則為暴雪[2]。不同相態降水對工農業生產、居民生活影響不同，政府防御重點不同。強降水需防范局地誘發的洪澇，強降雪則需要防范道路結冰對交通、生活的影響，以及持續降雪對設施農業、畜牧業等的不利影響，例如2019年春季青南地區的雪災影響范圍廣、牧民損失慘重。因此青海高原的降水相態預報與居民生產生活及政府防災減災緊密聯系。

近年來，我國氣象工作者在東部地區開展了較多的降水相態研究。部分學者通過一次或幾次個例分析，總結得出不同氣壓層的不同溫度條件或厚度條件下的降水相態成因，獲得識別相態的判據[3-6]，并根據不同過程指出非絕熱加熱[7]、低層冷平流[8-9]造成的低層降溫是降水相態轉換的根本原因。也有一些研究者通過統計不同氣壓層的溫度，采用箱線圖分析、閾值分析等方法，分析實況探空和地面觀測資料獲得相態轉換時溫度閾值或關鍵指標[10-13]。西部高原地區雨雪轉換頻次多，但相態轉換研究較少。張俊蘭等[14]、祝小梅等[15]歸納了北疆地區降水相態轉換預報的中低層溫度指標。保廣裕等[16]指出500 hPa、400 hPa、300 hPa大氣厚度可以作為青海公路沿線降水相態預報的指標。管琴等[17]通過中尺度數值模式模擬了一次降雪過程，指出青海東部地區降水相態變化的主要原因是由于0 ℃層高度的迅速下降。以上研究表明，溫度是造成降水相態轉變的最根本原因，但在統計過程中有一定的缺陷：1）選取降水相態發生前與發生后的整點地面2 m溫度做閾值統計，不能夠精確地刻畫相態轉換時的地面2 m溫度；2）全國探空站點較少，時空分辨率較差，不能有效地代表臺站上空的大氣狀況；3）對于地形復雜的地區，海拔差異較大，同一種指標不能代表所有區域，根據海拔分區研究是有必要的。本文通過分析青海高原地面觀測資料、ERA-Interim資料，對青海高原降水相態轉換時空分布特征、預報指標開展了分區研究與驗證，提出定量的溫度預報指標，為業務預報提供參考依據。

1 資料與方法

本文實況資料為2006—2020年青海省50個國家級地面臺站質量控制后的觀測資料，包括天氣現象、整點氣溫等，篩選出雨與雨夾雪轉換樣本1738站次、雨夾雪與雪轉換樣本1159站次。不同降水相態對應的天氣現象編碼如表1所示。

表1 雨、雨夾雪與雪對應的天氣現象編碼Table 1 Weather phenomenon code of rain, sleet and snow

再分析資料來源于歐洲中期天氣預報中心的ERA-Interim資料，空間分辨率為0.75°×0.75°，時間分辨率為6 h，包含37層氣壓、溫度、位勢高度等要素。觀測資料驗證表明，該資料的溫度產品在中國或高原地區的可靠性優于其他再分析資料[18-19]。

本文采用線性假設的方法開展資料插值。為保證正確性，對地面觀測資料進行了篩選，剔除以下樣本：同1 h內發生兩次轉換的資料（如雨轉雨夾雪后再轉雨），降水時間＜0.5 h的陣性降水資料。假定溫度要素呈線性變化，且隨高度（時間）單調遞增或遞減，在已知坐標（x0，y0）與（x1，y1）的情況下，可應用線性插值，獲得[x0，x1]區間內某一位置x在直線上的值y，則有公式：

針對ERA-Interim資料，應用雙線性插值方法將ERA-Interim資料由格點數據插值成站點的高度、溫度、氣壓探空資料，同樣應用線性插值方法得到0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃溫度層的高度。本研究中的0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃溫度層的高度特指距離地面的高度，因此在統計分析時，減去了站點本身的海拔高度。

2 降水相態轉換時空分布特征

2.1 空間分布特征

2006—2020年青海高原降水相態轉換集中發生在青南地區與祁連山區（圖1a、圖1b），這兩個地區為青海海拔最高、平均溫度最低的地區，多數站點雨與雨夾雪轉換超過60次、雨夾雪與雪轉換超過40次。中心值位于青海省東南部的高原邊坡地區，雨與雨夾雪轉換頻次中心在久治縣，共發生123次，年平均發生8.2次；雨夾雪與雪轉換頻次中心在河南蒙古族自治縣（簡稱河南縣），共發生110次，年平均發生7.3次。柴達木盆地西部年降水量少，河湟谷地站點海拔低、溫度高，轉換頻次均在10次以下，年均小于1次。降水相態轉換的空間分布與海拔高度呈明顯的正相關(圖1c)，線性擬合方程為：y＝0.0464x－88.35，即海拔每升高100 m，青海高原降水發生轉換的站次增加4.6次。無論是雨與雨夾雪轉換，還是雨夾雪與雪轉換均與海拔高度呈正線性相關（圖略）。

圖1 2006—2020年青海高原雨與雨夾雪（a）、雨夾雪與雪（b）轉換空間分布及海拔分布特征（c）Fig. 1 Spatial distribution of precipitation phase transition between rain and sleet (a), sleet and snow (b), and altitude distribution (c) in Qinghai Plateau during 2006一2020

2.2 時間分布特征

青海省降水相態轉換的月分布呈雙峰結構，集中出現在春末夏初、秋季，5月、10月出現兩個轉換峰值（圖2a），且雨與雨夾雪轉換、雨夾雪與雪轉換的峰值均出現在5月、10月。月份不同，相態轉換有明顯的空間分布差異：3月、11月主要發生在東部農業區；4月主要發生在東部農業區、祁連山區；5月主要發生在祁連山區、青南地區；6—9月集中發生在青南地區；10月青海高原的各個區域均可能發生轉換。雨夾雪與雪轉換的月分布特征為：3月、11月主要發生在東部農業區；4月、10月青海高原的各個區域均可能發生轉換；5—9月集中發生在青南地區。這與站點的海拔高度有明顯的關系，取每個月發生相態轉換站點的海拔高度，按照出現頻次加權平均，計算相態轉換發生的平均海拔高度：3月、11月發生相態轉換的站點平均海拔＜3000 m；4—6月、9—10月平均海拔3000～4000 m；7—8月平均海拔＞4000 m；3—6月發生相態轉換的站點平均海拔越來越高，而9—11月發生相態轉換的站點平均海拔越來越低（圖2b）；雨夾雪與雪轉換的平均海拔高度高于雨與雨夾雪發生轉換的平均海拔100～400 m。

圖2 2006—2020年青海高原降水相態轉換站次月分布（a）、平均海拔月分布（b）和小時分布（c，d）Fig. 2 Precipitation phase transition characteristics of monthly distribution (a), average altitude monthly distribution (b)and hourly distribution (c, d) in Qinghai Plateau during 2006一2020

小時分布顯示，降水相態轉換集中發生在08—12時與17—19時，雪轉雨（雨夾雪轉雨、雪轉雨夾雪）過程比較集中，一日之內主要發生在08—15時，集中在08—12時。雨轉雪過程發生的時間分布比較平均，相對而言，08時、18時為雨轉雨夾雪轉換的兩個峰值時間（圖2c），雨夾雪轉雪在17—19時轉換的頻次較高（圖2d），這與氣溫的日變化特征有關，李存蓮等[20]分析了柴達木盆地有降水時日氣溫變化規律，指出小時氣溫最小值出現在07—08時，最大值出現在16—17時，因此08時以后隨著氣溫升高，雪轉雨頻次發生較多，而17—19時發生雨夾雪轉雪頻次較多。

3 相態轉換溫度特征

已有研究表明，溫度是造成降水相態轉變的重要因素。陳雙等[21]從微物理過程的角度重點分析了0 ℃、－10 ℃、－18～－12 ℃及地面2 m溫度等溫度層，解釋了熱動力垂直結構在降水相態形成中的重要作用。青海高原海拔高度從2000 m到4000 m以上，有必要分區開展地面2 m溫度、特征溫度層的高度及特征氣壓層的溫度分析，得出降水相態轉換的預報指標。按照青海高原降水相態轉換的空間分布特征及青海海拔與氣候分布特征[1]，將青海高原分為東部農業區、青南地區、祁連山區、柴達木盆地4個區域開展指標研究。

3.1 地面2 m溫度

從全省地面2 m溫度箱線圖分析（圖3a），降水相態轉換時的地面2 m溫度（表中記為T2m）分布比較集中。雨與雨夾雪轉換時地面2 m溫度的中位數為2.5 ℃，平均值為2.6 ℃，集中區間為1.8～3.4 ℃。雨夾雪與雪轉換的地面2 m溫度中位數為0.9 ℃，平均值為0.94 ℃，中位數與算術平均值基本一致，轉換區間集中，為1.7～0.1 ℃，由此可以得出，相態當T2m≥2.5 ℃時為雨，2.5 ℃＞T2m≥0.9 ℃時為雨夾雪，T2m＜0.9 ℃時為雪。降水相態發生轉換時的平均地面2 m溫度與海拔高度呈正相關（圖略），由于海拔越高，0 ℃到地面的融化層厚度越小，則需要更高的低層溫度使得冰相融化，因此地面2 m溫度越高；而海拔較低時，融化層厚度較大，融化距離較長，有足夠的時間在空中融化，因此平均地面2 m溫度較低，這與劉玉蓮等[22]應用日平均氣溫計算的關于相態分離臨界溫度模型時的結論是相似的（青海、四川臨界溫度高于東部平原區域）。雨與雨夾雪轉換的中位數分別為東部農業區2.2 ℃、祁連山區2.2 ℃、青南地區2.5 ℃、柴達木盆地3.4 ℃（圖3b）；雨夾雪與雪轉換的地面2 m溫度中位數分別為祁連山區0 ℃、柴達木盆地1.4 ℃、東部農業區0.7 ℃、青南地區1.1 ℃（圖3c）；柴達木盆地的降水天氣個例最少，兩種轉換個例樣本數僅為85次和41次，因此造成兩種箱線圖上、下限溫度差異較大。青南地區相態轉換樣本數最多，地面2 m溫度的25～75分位數區間最為集中，且高于東部農業區和祁連山區，這與青南地區站點的平均海拔最高有關。

圖3 青海高原平均（a），以及各區域雨與雨夾雪轉換（b）、雨夾雪與雪轉換（c）地面2 m溫度分布Fig. 3 Boxplots of T2m for average (a), transition between rain and sleet in each region (b), and transition between sleetand snow in each region (c) of Qinghai Plateau

3.2 特征溫度層的高度

0 ℃層的高度代表著融化層的厚度，0 ℃以上的特征溫度層的高度影響著高空冰相、雪相粒子形成的物理過程，因此有必要分析0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃相對臺站高度分布（分別記為H0、H－5、H－10、H－20），反映降水粒子形態及下降融化的過程。青海高原各溫度層的中位數統計表明，－20 ℃層高度為3857 m、－10 ℃層高度為2218 m、－5 ℃層高度為1272 m、0 ℃層高度為414 m（圖4a）時，臺站將出現雨與雨夾雪的轉換；雨夾雪與雪轉換的各特征溫度層的高度中位數（圖4b）為0 ℃層高度124 m、－5 ℃層高度為926 m、－10 ℃層高度為1816 m、－20 ℃層高度為3507 m，雨夾雪與雪轉換的各特征溫度層高度均比雨與雨夾雪轉換偏低300 m左右。不同溫度層相對地面高度近似呈現正態分布，從－20 ℃到0 ℃層，越接近地面，特征溫度層的高度箱體長度越短，密度分布越集中，越向上，高度分布越離散，說明低層溫度（0 ℃、－5 ℃）層相對于地面的高度對于降水相態轉換更敏感，重要性大于高層溫度層，換而言之，低層溫度層相對地面的高度是造成降水相態轉換的根本原因。這與葉晨等針對北京市2009年11月1日初雪暴雪微波輻射計及雷達的觀測事實[23]、馬良辰等[24]研究冬奧會張家口賽區降水相態轉換時的0 ℃層高度是一致的。

圖4 雨與雨夾雪轉換（a）、雨夾雪與雪轉換（b）時0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃層高度分布Fig. 4 Violin plots of 0 ℃, －5 ℃, －10 ℃, －20 ℃ layer height distribution for transition between rain and sleet (a), sleet and snow (b)

3.3 特征氣壓層的溫度

數值模式預報資料為等壓面的溫度場數據，因此分析降水相態轉換時的等壓面溫度指標對降水相態預報具有重要意義。與東部地區的選取850 hPa、925 hPa、1000 hPa等氣壓層不同，青海高原海拔較高，除東部農業區一些區域低于3000 m，其余大部區域高于3000 m，需選取700 hPa(東部農業區)、600 hPa、500 hPa三個特征氣壓層，并統計三個特征氣壓層的溫度（分別記為T700、T600、T500）中位數分布。統計結果如表2，全省雨與雨夾雪轉換時溫度中位數分布為500 hPa為－5.2 ℃、600 hPa為2.2 ℃、700 hPa為2.6 ℃，雨夾雪與雪轉換溫度中位數分布為500 hPa為－7.2 ℃、600 hPa為0.5 ℃、700 hPa為0.6 ℃。雨夾雪與雪轉換特征氣壓層的溫度較雨與雨夾雪轉換時每層平均偏低2 ℃左右。600 hPa為一個降水相態轉換的重要氣壓層，T600≤0.5 ℃時天氣現象為雪，0.5 ℃＜T600≤2.2 ℃時為雨夾雪，T600＞2.2 ℃時為雨。但不同地區差異很大，海拔越高，各特征氣壓層的轉換溫度越高；青南地區平均海拔＞4000 m，接近600 hPa，高空0 ℃高度較低海拔地區低，因此青南地區在雨雪轉換中溫度明顯高于其他三個地區，600 hPa需要降到1.8 ℃以下才會發生雨夾雪與雪轉換的過程，其他區域600 hPa降到－3 ℃以下，才會出現雨夾雪與雪的轉換。

表2 青海高原降水相態轉換不同區域特征氣壓層的溫度指標Table 2 Temperature indices of characteristic barometric layers in different regions in Qinghai Plateau

3.4 相態轉換過程的指標差別

以河南縣國家站為例，河南縣海拔為3500 m，是出現降水相態轉換較多的站點，表3對比了不同降水相態轉換過程的指標，各特征層高度與前面統計基本一致，但雨轉雪過程（雨轉雨夾雪、雨夾雪轉雪）與雪轉雨過程（雨夾雪轉雨、雪轉雨夾雪）特征溫度層高度及特征氣壓層的溫度分布是不同的。雨轉雪過程地面2 m溫度到－10 ℃層的平均溫度變化是接近0.5 ℃/100 m的溫度遞減率；雪轉雨過程，地面到0 ℃層溫度遞減率增大，超過0.5 ℃/100 m。雪轉雨夾雪時甚至達到0.89 ℃/100 m，同時0 ℃到－10 ℃層溫度遞減率仍是接近0.5 ℃/100 m。統計表明，雨轉雪過程平均地面2 m溫度低于雪轉雨過程，但同時0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃溫度層的平均高度基本上高于雪轉雨過程，這可能與雨轉雪過程為大氣整體狀態是從偏暖向偏冷轉換（降溫狀態），而雪轉雨過程通常是大氣整體狀態自偏冷向偏暖轉換（升溫狀態）有關。

表3 河南縣降水相態轉換過程預報指標對比Table 3 Comparison of prediction indices for different precipitation phase transition processes in Henan

4 指標檢驗

篩選2 0 2 1 年3—6 月雨夾雪與雪轉換樣本2 7個，雨夾雪與雨轉換樣本7個，應用實況資料與再分析資料進行檢驗。結果表明，雨夾雪與雪轉換時0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃相對臺站高度分別為231 m、1314 m、1953 m、3968 m；雨夾雪與雪轉換時0 ℃、－5 ℃、－10 ℃、－20 ℃相對臺站高度分別為325 m、1478 m、2028 m、4504 m；與大量樣本統計的指標相比，0 ℃高度相近，－20 ℃較指標高度偏高400 m左右，大約相差10%，偏差與樣本數較少有關，整體可用性較好。篩選2021年3—6月、9—11月共計8個月的逐小時降水天氣現象的樣本15011站次，按照T2m≥2.5 ℃、2.5 ℃＞T2m≥0.9 ℃、T2m＜0.9 ℃三個溫度區間進行地面2 m溫度識別率評定。表4的檢驗結果表明，T2m≥2.5 ℃時，97.55%站次的降水相態為雨；T2m＜0.9 ℃時，95.44%站次的降水相態為雪；2.5 ℃＞T2m≥0.9 ℃時，僅有29.07%的自動觀測相態為雨夾雪；這與雨夾雪樣本數較少及自動天氣現象觀測的誤差有關。首先，雨夾雪天氣屬于過渡天氣現象，觀測樣本只有749站次，出現在2.5 ℃＞T2m≥0.9 ℃范圍內的占58.21%，說明超過一半的雨夾雪出現在該指標范圍內。其次，多個學者均在降水現象儀與人工觀測對比中指出，儀器識別雨夾雪的錯報率及漏報率最高，人工觀測為雨夾雪時，儀器觀測到雨和雪的比例很高[25-28]，因此自動觀測的相態存在一定的誤差，將雨夾雪識別成雨或雪的情況較多，造成雨夾雪樣本少并降低了識別率。

表4 2021年青海高原地面2 m溫度指標檢驗結果Table 4 Test of T2m indices in Qinghai Plateau in 2021

5 討論與展望

本文利用青海高原50個地面氣象觀測站2006—2020年的逐日觀測數據和ERA-Interim再分析資料，采用線性插值的方法，較前人研究刻畫了更為精確的地面2 m溫度及探空層結數據，統計分析得出了青海高原降水相態發生轉換的一些地面及高空觀測事實，給出了青海高原降水相態預報的指標，并應用2021年的逐小時天氣現象儀觀測的降水相態及對應的地面2 m溫度進行了檢驗。主要結論如下：

1）2006—2020年青海高原降水相態轉換發生頻次與站點海拔高度正相關，主要出現在青南地區及祁連山區；月分布與小時分布均呈現雙峰結構，5月、10月是出現相態轉換最多的月份，08—12時、18—19時為相態轉換頻次的兩個峰值，上午有明顯的雪轉雨過程。

2）低層特征溫度層的高度及地面2 m溫度是影響降水相態轉換的關鍵因素，特別是0 ℃厚度及地面2 m溫度。雨夾雪與雨轉換時0 ℃高度414 m，雨夾雪與雨轉換時0 ℃高度124 m；雨夾雪與雪轉換較雨與雨夾雪轉換各溫度層低300 m左右。相態預報的地面2 m溫度指標為：T2m≥2.5 ℃時為雨，2.5 ℃＞T2m≥0.9 ℃時為雨夾雪，T2m＜0.9 ℃時為雪；降水相態發生轉換時海拔越高則地面2 m轉換溫度越高。

3）青海高原特征氣壓層的溫度指標有：雨與雨夾雪轉換時T500≤－5.2 ℃，T600≤2.2 ℃、T700≤2.6 ℃（東部農業區），雨夾雪與雪轉換時T500≤－7.2 ℃，T600≤0.5 ℃、T700≤0.6 ℃（東部農業區）。海拔越高，各特征層的轉換溫度越高；兩種相態轉換過程特征氣壓層的溫度相差2 ℃左右。

4）青南地區雨轉雪過程與雪轉雨過程固定氣壓層的溫度及特征溫度層的高度有差異，雪轉雨時地面到0 ℃層溫度垂直遞減率大于雨轉雪過程。

5）檢驗表明，受樣本量的影響，低層及地面2 m溫度指標的可用性較好，特別是地面2 m溫度指標對雨、雪天氣現象的識別率超過95%，中高層的指標有一定偏差。由于雨夾雪樣本較少及儀器自動識別的雨夾雪誤差較大，雨夾雪的識別率較低，但仍有58%以上的雨夾雪在指標范圍內。

本文研究結論可為預報業務人員在預報降水相態時提供指導，但需要指出的是，降水相態涉及復雜的云微物理過程，云中冰雪粒子環境、云底高度、粒子下落速度、地形條件等均會影響到實際下降到地面的降水相態，因此仍需要開展不同天氣系統對云微物理過程影響及對近地面層降溫機制的深入研究。