2021年12月23—24日石家莊市降雪天氣過程分析

2024-01-01 00:00:00李寧瑞曹越裴瑞穎

農業災害研究 2024年4期

收稿日期：2023-12-10

作者簡介：李寧瑞（1997—），女，河北任丘人，助理工程師，研究方向為地面氣象觀測。

摘要：利用自動站常規氣象資料及雙偏振雷達產品、風廓線雷達產品、ERAGRIB再分析資料，對2021年12月23—24日降雪天氣過程的形成和發展機制進行分析，探討此次強降雪過程成因。結果表明：（1）此次降雪過程是受500 hPa高空槽、700～850 hPa切變線、850 hPa東北風急流及低層回流冷鋒共同影響；（2）偏東風的建立比實際降雪時間偏早約7 h，且在垂直方向上發展深厚，發展高度達2.5 km；（3）回流天氣過程中，2.5 km以上偏西風向下延伸，2.5 km以下偏東風加強，高層氣流與低層氣流交匯，可作為降水開始的標志之一；（4）此次回流過程中層為偏西風、風速小、水汽輸送差，與典型回流天氣相比，此次過程邊界層偏東風的動力及水汽條件貢獻更突出。

關鍵詞：降雪；回流；偏東風

中圖分類號：P458.12 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

石家莊市地處河北省中南部，西部為太行山中段，東部為華北平原。由于其獨特的地理位置和地形，使得石家莊地區冬季降雪多與回流有關。在回流降雪中，低層偏東風的性質和作用目前還缺乏明確統一的認識[1]。

有研究表明[2-3]，回流天氣形勢下華北地區的偏東氣流經過渤海灣，一般會攜帶較為充沛的水汽，長時間的回流可增加低層濕度，從而有利于濕層增厚。

但張迎新等[4-6]對河北省回流降雪研究發現，即使低層偏東氣流經過海面，但依舊是干冷的，并沒有起到水汽輸送作用，干冷的偏東氣流在對流層下部形成“冷墊”，強迫暖濕空氣抬升并形成降雪。田秀霞等[7]、閻訪等[8]分別對華北南部和石家莊地區的降雪過程進行了分析研究，指出邊界層東風不僅可以為本地輸送水汽，同時，具有冷濕特征的偏東風與內陸暖濕結構的偏南風形成地面輻合線，加強了地面動力抬升作用，形成上升運動，有利于雨雪天氣的加強和維持。

1 降雪實況

2021年12月23日夜間至24日白天，石家莊出現降雪天氣，降雪自23日21：00開始，自西北向南推進，23日23：00—24日04：00降雪強度較大，大部分站點小時降雪量在0.4～0.8 mm；過程降雪量2.0～7.2 mm，

全市平均降雪量3.9 mm，其中西部（平山、井陘、贊皇）大雪，中東部小到中雪，井陘最大為7.2 mm，積雪深度1～7 cm，井陘最大8 cm。

2 大尺度環流背景

2021年12月23日08：00，500 hPa圖上，中高緯地區呈兩槽一脊型，40°N以北西風帶低槽引導冷空氣南下，河套及以西有一冷槽，槽前有大于20 m/s的偏南風急流，槽后等溫線與等高線相交近乎45°，且溫度槽落后于高度槽，低槽為一發展槽，槽后冷平流強盛；700 hPa層上，河套附近存在一切變線，切變線南側為西南偏西急流（12 m/s），石家莊處于低空急流入口區左側；850 hPa層上，河北省西部存在暖脊及弱切變；地面上的西伯利亞到蒙古冷高壓勢力強，冷高壓中心強度達1 057.5 hPa，河北處于蒙古冷高壓底部，以偏東風為主導，為一河北回流天氣形勢。

2021年12月23日20：00，高空槽東移北抬，存在大風速核（24 m/s），石家莊位于槽前西南氣流中；700 hPa

層上，切變線位于石家莊西部，但切變線以南仍為偏西氣流；850 hPa層上，存在東北風急流（12 m/s），石家莊北部存在風速輻合；地面上石家莊西部存在一弱倒槽，蒙古北部存在冷高壓中心，中心強度達1 052.5 hPa，

冷高壓東移南下，冷空氣不斷向東南擴散，從東北經華北平原南下，隨著偏東風加強，降水開始。

2021年12月24日08：00，500 hPa高空槽東移減弱并且移出我省，700 hPa轉為西北氣流，但低層仍存在偏東風，且濕度較好，在石家莊西部輻合抬升，仍存在弱降雪；10：00，低層偏東風轉為偏南風，降水結束。由環流形勢的發展演變可以得出，此次降雪過程是受500 hPa高空槽、700～850 hPa切變線、850 hPa東北風急流及低層回流冷墊共同影響，該形式為此次降雪過程提供了有利的動力條件與水汽條件。

3 物理量分析

3.1 動力條件

此次過程在700 hPa以上高度為偏西北氣流，且垂直速度＞0，為下沉運動；23日20：00，700 hPa以下低層偏東風增強，垂直上升運動增大，濕層厚度增加；水汽主要位于低層偏東伴隨的較大濕度。結合當天渦度垂直剖面，當日垂直上升運動較大時間段，在800～

850 hPa有明顯的負渦度平流、850～975 hPa有明顯的正渦度平流，有利于垂直上升運動的維持，為降水提供動力的抬升作用。

3.2 水汽條件

此次降雪過程中，700 hPa和850 hPa水汽通量散度均為正值，850～600 hPa存在干層，這可能是此次回流降雪過程較弱的一個主要因素；而在降雪主要時段，925 hPa一直存在超低空急流，且途經渤海海面的潮濕空氣，使得東風伴隨有一定濕度條件，在山前的強地形輻合作用下強迫抬升。2021年12月23日20：00，

700 hPa以下隨著偏東風增強，濕層厚度也在增加增加；偏東風為降雪提供了有利的水汽條件。因此此次過程主要動力條件為地形抬升及東風急流輻合作用，水汽條件主要來自低層東風急流輸送，偏東風在這次降雪過程中是重要水汽源。

4 探空條件分析

2021年12月23日08：00，925 hPa以下為東北風且配合一定濕區，但中高層較干；850 hPa附近有逆溫層，暖濕空氣在冷墊爬升；850 hPa以上為西南氣流，風隨高度順轉，有暖平流；23日20：00，中高層西南氣流加強，500 hPa風速達24 m/s，且400～600 hPa濕層顯著增加，接近飽和，為降水提供了充足的水汽條件；低層東北風伸展到850 hPa以上，在山前輻合抬升，為降水提供動力條件；600～850 hPa存在干冷空氣，使下沉氣流和低層冷空氣外流增強，強迫流入的暖濕氣流更強烈抬升，造成降雪。

5 多源觀測資料應用

5.1 地面自動站資料

從地面風場來看，2021年12月23日23：00—24日00：00，隨著地面東北風增強，降水也逐漸增強，從而產生較大量級的降雪。

5.2 大氣可降水量、氣溫

降水前期，大氣可降水量增加，降水強度為2 mm/h；

氣溫不斷降低，氣溫降低速率為1 ℃/h。

5.3 風廓線雷達

風廓線資料顯示，2021年12月23日15：00左右，地面偏東風開始建立，但風速較小，為2 m/s左右，中層為偏西氣流，500 hPa以上為西南氣流，風速達20 m/s；

偏東風不斷向上伸展；19：00左右，2.5 km以下轉為一致的東北氣流，2.5 km以上為偏西氣流，反映了近地面冷墊和上層暖濕氣流的反差，進而反映動力抬升作用的強度；21：00左右，中高層偏西氣流向下延伸，中低層東北氣流加強，達8 m/s，在2.5 km附近偏西氣流與東北氣流交匯，石家莊降水開始。12月24日10：00，800 hPa以下東風厚度減弱，風速減小，降雪漸止。

在上述高低空風場配置下，800 hPa以下偏東風在太行山東麓受地形阻擋，被強迫抬升。上升氣流與中高層下沉支氣流在750 hPa高度附近輻合，降雪大值區出現在山前上升氣流密集區。

此次回流天氣過程中，高層西南暖濕氣流不明顯。相較于典型回流天氣，偏東風建立比實際降雪時間偏早約7 h，且在垂直方向上發展深厚，發展高度達

2.5 km，風速達8 m/s。此次過程中邊界層偏東風的貢獻更為突出。

6 雙偏振雷達資料分析

選取2021年12月23日降雪過程對比分析，通過分

析雙偏振雷達3個基本產品特征，即相關系數（CC）、差分反射率（ZDR）和差分相移率（KDP）產品，對該過程降水粒子的相態識別進行分析，以增強預報員在雨雪天氣下對雙偏振雷達產品的認識，提高預報員對雨雪天氣預報預警能力。

CC通過描述雷達接收到水平和垂直脈沖變化的一致性，反映探測空間體內降水粒子相態相似度，主要用于降水粒子的相態識別；ZDR表示一個探測空間內的平均粒子形狀，當大氣中水凝物粒子的形狀差距較大，如大雨滴、大冰雹、固液態混合物等，水平尺寸與垂直尺寸差距較大，ZDR的絕對值較大；KDP表示一個探測空間內的平均液態水含量，且雨滴數量越多、形狀越大越扁平，KDP越大。

從0.5°仰角反射率因子看，2021年12月23日22：24

石家莊市主城區北部出較強降水回波，回波強度達到20～25 dBz；與之對應的差分反射率因子ZDR為-1～

0.5 dB，CC＞0.95，KDP為-0.1～0.1 deg/km，粒子分類（HCL）表現為干雪。

12月21日石家莊市主城區西部出降水回波，從1.5°仰角反射率因子看，08：42高度在1.4 km左右，反射率因子基本在15 dBz以下，此時觀測到下落粒子狀態為冰粒；與之對應的ZDR為-1.0～0.8 dB，CC＞0.95，KDP為-0.10～0.15 deg/km，粒子分類（HCL）表現為冰晶和干雪；從0.5°仰角反射率因子來看，21：42石家莊南部出現較強降水回波，反射率因子基本在20～

25 dBz；與之對應的ZDR為0.8～1.5 dB，CC＜0.97，KDP在-0.10～0.15 deg/km之間，粒子分類（HCL）表現為大雨滴、濕雪。

綜上，此次降雪過程雙偏振雷達回波產品特征為反射率因子為2 dBz左右時，差分反射率因子ZDR較大，在0.8～1.5 dB之間，相關系數CC＜0.97，差傳播相移KDP值在-0.1～0.1 deg/km之間，此時粒子分類表現為濕雪、大雨滴；當反射率因子在15 dBz以下時，差分反射率因子ZDR較小，在-1.0～0.5 dB之間，CC＞0.95，差傳播相移KDP值在-0.1～0.1 deg/km之間，此時粒子分類表現為干雪或冰晶。

針對2021年冬季石家莊兩次明顯降雪過程，使用雙偏振雷達探測產品，探討降水粒子屬性（表1）。

通過對兩次降雪過程雙偏振雷達回波資料整理分析，均符合此結論，說明此結論具有很好的普適性。通過雙偏振雷達產品對降水粒子的相態識別，可增強預報員在雨雪天氣下對雙偏振雷達產品的認識，提高預報員對雨雪天氣預報預警能力。

7 結論

（1）此次降雪天氣過程主要動力條件為地形抬升及東風急流輻合作用，水汽條件主要來自低層東風急流的輸送，偏東風在這次降雪過程中是一重要水汽源。

（2）從大氣可降水量看，降水前期，大氣可降水量增加，2 mm/h；從氣溫看，降水前期，氣溫不斷降低，1 ℃/h；地面風場上，地面東北風增強，降水也逐漸增強，從而產生較大量級降雪；從風廓線雷達看，2.5 km以上高空風向下延伸，2.5 km以下偏東風加強，偏西氣流與東北氣流交匯時，降水開始。

（3）當反射率因子較大時，其對應的ZDR也較大，但CC較小，此時降水粒子多表現為濕雪或干雪夾雜著大雨滴。

（4）冬季降雪或在弱降水條件下，KDP表現較差，其值較小，一般在-0.1～0.1 deg/km之間；

（5）若大氣中水凝物粒子為冰粒、干雪時，CC值較小，通常＞0.95；反之，若大氣中的水凝物粒子為大雨滴、濕雪或混合相態粒子時，CC值較小，大多＜0.95。

參考文獻

[1] 趙思雄，孫建華，陳紅，等.北京“12.7”降雪過程的分析研究[J].氣候與環境研究，2002（1）：7-21.

[2] 孫建華，趙思雄.華北地區“12.7”降雪過程的數值模擬研究[J].氣候與環境研究，2003（4）：387-401.

[3] 李青春，程叢蘭，高華，等.北京一次冬季回流暴雪天氣過程的數值分析[J].氣象，2011，37（11）：1380-1388.