楊淑華,趙桂香,程海霞,周晉紅,李臘平,李效珍,劉潔莉

(1.山西省大同市氣象局，山西 大同 037010；2.山西省氣象臺(tái)，山西 太原 030006；3.山西省晉城市氣象局，山西 晉城 048026；4.山西省太原市氣象局，山西 太原 030082)

引 言

暴雪是我國(guó)北方冬半年常見(jiàn)的一種災(zāi)害性天氣，常對(duì)電力設(shè)施、設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通等行業(yè)造成嚴(yán)重影響[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行了大量研究和探討，其中有關(guān)國(guó)外暴雪的研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)部分地區(qū)的暴雪過(guò)程與溫帶氣旋的形成和發(fā)展有關(guān)[2-3]；日本的降雪大多與海上低壓系統(tǒng)有關(guān)[4-5]。我國(guó)暴雪既可由氣旋發(fā)展引發(fā)[6-8]，也可由南支槽和北支槽合并帶來(lái)的強(qiáng)冷暖空氣交匯而形成的氣旋北上造成[9]，降雪影響系統(tǒng)具有多樣性和南北差異。高空冷渦后部橫槽南擺，使冷渦前部西南低空急流北上且輻合急劇加強(qiáng)是北方地區(qū)東北冷渦背景下出現(xiàn)暴雪的有利環(huán)流背景[10]。南方的暴雪過(guò)程，常常是北方冷空氣與南方暖濕氣流交匯所致，500 hPa高空槽東移，低層切變線東伸是有利的環(huán)流背景[11]。降雪區(qū)上空有水汽通量輻合，低空輻合、高空輻散的配置是強(qiáng)降雪產(chǎn)生的有利水汽和動(dòng)力條件[12]。

近年來(lái)，隨著雷達(dá)探測(cè)站網(wǎng)的不斷完善，雷達(dá)產(chǎn)品特征的分析有助于深化對(duì)暴雪形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。暴雪過(guò)程中，雷達(dá)回波以層狀云為主，徑向速度圖上有暖平流維持及低層風(fēng)場(chǎng)輻合[13]；降雪強(qiáng)度與雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)各高度層的輻合、輻散也有密切關(guān)系[14-15]；雷達(dá)基本反射率的回波形態(tài)具有人字形和帶狀結(jié)構(gòu)，具有短時(shí)弱對(duì)流特征[16-17]。

目前對(duì)暴雪過(guò)程發(fā)生、發(fā)展和消亡的多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品特征研究較少，尤其是對(duì)空間結(jié)構(gòu)的研究不多，且利用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)降雪進(jìn)行定量估測(cè)的研究更少。本文選取山西兩類(lèi)典型暴雪天氣，對(duì)比分析暴雪過(guò)程中雷達(dá)產(chǎn)品特征的異同點(diǎn)，提煉雷達(dá)產(chǎn)品的暴雪預(yù)報(bào)指示信息，并利用反射率因子垂直廓線對(duì)降雪進(jìn)行定量估測(cè)，以期加深對(duì)暴雪形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，改進(jìn)降雪定量估測(cè)技術(shù)，為暴雪預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料包括：(1)2015年11月5—6日和2018年4月3—4日逐日常規(guī)氣象觀測(cè)資料，包括風(fēng)場(chǎng)、溫度和實(shí)況降水等。由于山西每年10月至次年5月停止區(qū)域站降水觀測(cè)，故采用大同市國(guó)家氣候站觀測(cè)的逐小時(shí)降雪量來(lái)估測(cè)降雪強(qiáng)度。(2)大同CINRDA/CB多普勒雷達(dá)站2015年11月5—6日和2018年4月3—4日觀測(cè)的基數(shù)據(jù)，基數(shù)據(jù)把每個(gè)體掃的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成一個(gè)文件，選取其中4個(gè)仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°)的PPI資料進(jìn)行分析。在2.4°仰角以上的基本反射率圖上，在0 ℃層高度附近，將回波強(qiáng)度突然增加形成的圓環(huán)狀回波判定為0 ℃層亮帶。

大同CINRAD/CB雷達(dá)采用VCP21掃描方式，在6 min內(nèi)完成9個(gè)不同仰角掃描?；痉瓷渎室蜃訄D上距離圈差值為50 km，平均徑向速度圖上距離圈差值為20 km。反射率因子庫(kù)長(zhǎng)0.5 km，平均徑向速度庫(kù)長(zhǎng)0.25 km。

1.2 方 法

(1)9點(diǎn)平均法：讀取選定的雨量計(jì)上空及其周邊相鄰8個(gè)點(diǎn)的雷達(dá)基本反射率資料，基本反射率資料共選取9個(gè)仰角值，然后將這9個(gè)點(diǎn)的基本反射率進(jìn)行平均，得到雨量計(jì)上空垂直平均基本反射率。

由測(cè)高公式計(jì)算高度后，即可制作反射率因子垂直廓線。測(cè)高公式如下[18-20]：

(1)

式中：D(km)為目標(biāo)的斜距；Dm(km)為等效地球半徑，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，Dm為真實(shí)地球半徑的4/3倍，約8500 km；h(km)為雷達(dá)天線架設(shè)高度；H(km)為真實(shí)高度；δ(°)為天線仰角。由于冰晶和雪對(duì)微波的散射能力比雨滴要低，而且冬季熱力條件較差，不利于云體的對(duì)流生長(zhǎng)，所以云體高度較低[21]。研究表明降雪過(guò)程一般在4 km以下反射率因子較強(qiáng)且數(shù)值變化較大[22]，降雪量估測(cè)以4 km以下為最佳高度，因此本文選取4 km以下高度的基本反射率因子繪制其垂直廓線。

(2)基于多普勒天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度(Z)與降水強(qiáng)度(R)的關(guān)系，降雪的定量估測(cè)一般用公式Z=200R2[23]，其中Z、R的單位分別為mm6·m-3、mm·h-1。因此，對(duì)于降雪過(guò)程，只需計(jì)算出4 km高度以下的反射率因子平均值，就可以計(jì)算R。

2 實(shí)況概述與環(huán)流形勢(shì)

2.1 2015年11月5—6日暴雪天氣過(guò)程

2015年11月5—6日晉北地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣(簡(jiǎn)稱(chēng)“Ⅰ類(lèi)”)，強(qiáng)降雪主要集中在5日下午至夜間，最大降雪強(qiáng)度為5.7 mm·h-1，最大積雪深度15 cm。圖1為2015年11月5日08:00(北京時(shí)，下同)700 hPa風(fēng)場(chǎng)、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和地面氣壓場(chǎng)?？梢钥闯?，5日08:00，500 hPa山西受槽前西南氣流影響，貝加爾湖西部高壓向北強(qiáng)烈發(fā)展成高壓脊，變壓值為每10個(gè)緯距12 hPa，形成西低東高的環(huán)流形勢(shì)，是降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的原因之一。700 hPa出現(xiàn)風(fēng)速大于18 m·s-1的西南急流[圖1(a)]，急流出口位于晉北地區(qū)，將孟加拉灣的水汽輸送至暴雪區(qū)上空。850 hPa有風(fēng)速大于12 m·s-1的急流核(圖略)，同時(shí)在晉北地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)速大于8 m·s-1的東北風(fēng)區(qū)，形成低層為東北風(fēng)、中高層為西南風(fēng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)，持續(xù)時(shí)間12 h，也是降雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并出現(xiàn)暴雪的主要原因。

11月5日08:00地面圖[圖1(b)]上，倒槽在700 hPa和850 hPa西南急流攜帶的水汽和能量共同作用下，迅速向北發(fā)展，至17:00大約一個(gè)緯距的變壓值超過(guò)7.5 hPa，冷暖空氣在晉北一帶強(qiáng)烈對(duì)峙，為暴雪提供有利的大尺度環(huán)流背景。

圖1 2015年11月5日08:00 700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)(a)和地面氣壓場(chǎng)(等值線，單位：hPa)(b)(★為大同位置，下同)Fig.1 The horizontal wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 700 hPa and geopotential height field (solid lines, Unit: dagpm) on 500 hPa (a), and surface pressure field ( solid lines, Unit: hPa) (b) at 08:00 BST on 5 November 2015(The five-pointed star is Datong location, the same as below)

2.2 2018年4月3—4日暴雪天氣過(guò)程

2018年4月3—4日晉北地區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣過(guò)程(簡(jiǎn)稱(chēng)“Ⅱ類(lèi)”)，強(qiáng)降雪主要集中在4日下午，最大雪強(qiáng)5.2 mm·h-1，最大積雪深度14 cm。圖2為2018年4月4日08:00 700 hPa風(fēng)場(chǎng)、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和地面氣壓場(chǎng)。可以看出，4日08:00，500 hPa巴爾喀什湖以北高壓脊發(fā)展強(qiáng)烈[圖2(a)]，變壓值為每10個(gè)緯距12hPa，山西受槽前西南氣流影響，為強(qiáng)降雪提供了有利的水汽、動(dòng)力和熱力條件。700 hPa出現(xiàn)風(fēng)速大于22 m·s-1的西南急流[圖2(a)]，急流出口位于晉北地區(qū)。850 hPa最大風(fēng)速大于18 m·s-1(圖略)，同時(shí)在渤海至山西中北部地區(qū)又有一支東風(fēng)急流輸送水汽，最大風(fēng)速大于12 m·s-1，東風(fēng)急流和西南急流在山西北中部地區(qū)強(qiáng)烈輻合，是出現(xiàn)暴雪的重要原因；同時(shí)，晉北上空冷暖空氣強(qiáng)烈對(duì)峙，溫度梯度達(dá)2.0 ℃·(100 km)-1，形成斜壓性很強(qiáng)的強(qiáng)鋒區(qū)，晉北地區(qū)輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)。

圖2 2018年4月4日08:00 700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)(a)和地面氣壓場(chǎng)(等值線，單位：hPa)(b)Fig.2 The horizontal wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 700 hPa and geopotential height field (solid lines, Unit: dagpm) on 500 hPa (a) and surface pressure field (solid lines, Unit: hPa) (b) at 08:00 BST on 4 April 2018

4月3日08:00地面圖上(圖略)，河套倒槽在低層強(qiáng)暖濕氣流向北輸送作用下形成氣旋，在冷空氣作用下形成錮囚鋒；4月4日08:00地面圖[圖2(b)]上，錮囚鋒前的暖鋒到達(dá)晉北地區(qū)，同時(shí)晉北地區(qū)還受東部回流帶來(lái)的水汽補(bǔ)充供應(yīng)，使得氣旋前暖鋒附近降雪加強(qiáng)，造成晉北暴雪。

研究表明90°E—140°E、34°N—50°N區(qū)域是北方地區(qū)暴雪發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)[16, 24]，這兩次強(qiáng)降雪過(guò)程都發(fā)生在此區(qū)域內(nèi)，所以上述區(qū)域?qū)x北地區(qū)的強(qiáng)降雪落區(qū)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

3 多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品特征

3.1 基本反射率因子

Ⅰ類(lèi)暴雪和Ⅱ類(lèi)暴雪的基本反射率因子特征差別不大(圖略)，降雪前期呈積云特征，即片狀回波中夾雜一些強(qiáng)度大于50 dBZ的對(duì)流回波，絲縷狀結(jié)構(gòu)明顯，出現(xiàn)混合降水特征。降雪后期基本上呈現(xiàn)出典型的層狀云降水特征，即回波梯度很小、邊緣模糊。由于較強(qiáng)暖濕氣流和冷空氣共同作用，整個(gè)降雪期間大部分回波強(qiáng)度在15～40 dBZ之間，回波頂高小于6 km。

3.2 0 ℃層亮帶特征

由探空資料可知，Ⅰ 類(lèi)暴雪0 ℃層高度為2.01 km，Ⅱ類(lèi)暴雪的0 ℃層高度為2.83km。圖3為2015年11月5日11:44至6日00:26大同站雷達(dá)3.4°仰角基本反射率因子演變?？梢钥闯觯耦?lèi)暴雪從11月5日11:44開(kāi)始在3.4°仰角、距離地面2.1 km左右高度出現(xiàn)0 ℃層亮帶，并斷斷續(xù)續(xù)持續(xù)至23:56，時(shí)間超過(guò)8 h。最大回波強(qiáng)度達(dá)35～45 dBZ，最大降水強(qiáng)度為2.5 mm·h-1。23:50 0 ℃層亮帶開(kāi)始下降，6日00:26下降至地面，降水實(shí)況顯示，00:32開(kāi)始降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪。可見(jiàn)，0 ℃層亮帶下降對(duì)臨近降水相態(tài)變化的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)有指示意義。由逐小時(shí)降雪強(qiáng)度(圖略)可以看出，0 ℃層亮帶強(qiáng)度和范圍與降雪強(qiáng)度成正比，0 ℃層亮帶持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)降雪強(qiáng)度越大，對(duì)暴雪預(yù)報(bào)具有重要指示意義。

圖3 2015年11月5日11:44至6日00:26大同站雷達(dá)3.4°仰角基本反射率因子演變(單位：dBZ)Fig.3 The evolution of basic reflectivity on 3.4° elevation from 11:44 BST on 5 to 00:26 BST on 6 November 2015 from the Doppler radar at Datong station (Unit: dBZ)

圖4為Ⅱ 類(lèi)暴雪在降雪最強(qiáng)階段(2018年4月4日14:06—16:59)大同雷達(dá)站3.4°仰角基本反射率因子，可見(jiàn)整個(gè)過(guò)程沒(méi)有明顯的0 ℃層亮帶，最大回波強(qiáng)度為50～55 dBZ，最大降雪強(qiáng)度為3.8 mm·h-1，4月4日14:00—16:00的降雪具有不穩(wěn)定特點(diǎn)，局部地區(qū)出現(xiàn)雷打雪現(xiàn)象，主要原因是由于前期暖濕空氣勢(shì)力較強(qiáng)，大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，冷空氣的侵入觸發(fā)了對(duì)流天氣，產(chǎn)生雷電活動(dòng)。

圖4 2018年4月4日大同站雷達(dá)14:06—16:59的3.4°仰角基本反射率因子演變(單位：dBZ)Fig.4 The evolution of basic reflectivity on 3.4° elevation from 14:06 BST to 16:59 BST on 4 April 2018 from the Doppler radar at Datong station (Unit: dBZ)

3.3 基本徑向速度特征

圖5為2015年11月5日09:15至6日07:11，2018年4月4日12:01至18:10大同雷達(dá)站1.5°仰角基本徑向速度演變?？梢钥闯?，Ⅰ類(lèi)暴雪，5日09:15在1.5°仰角徑向速度圖上，零速度線呈明顯的“S”型彎曲，暖平流強(qiáng)盛，近地面層轉(zhuǎn)為東北風(fēng)之后逐漸向邊界層擴(kuò)展形成冷墊，同時(shí)在1.5 km左右高度出現(xiàn)中心風(fēng)速大于13 m·s-1的速度核，入流面積大于出流面積，出現(xiàn)風(fēng)速輻合，形成較強(qiáng)的牛眼結(jié)構(gòu)。在3.0 km左右高度，有風(fēng)速大于12 m·s-1的西南氣流輸送水汽。暖濕空氣沿低層?xùn)|北冷墊爬升，水汽凝結(jié)產(chǎn)生降水，降水相態(tài)為雨。13:25—18:00，伴隨風(fēng)速大于20 m·s-1的西南暖濕急流輸送，降水增強(qiáng)，最大強(qiáng)度為2.5 mm·h-1，降水相態(tài)仍為雨。6日00:32開(kāi)始，1.4 km以下“S”型零速度線逆轉(zhuǎn)成南北向分布的直線，說(shuō)明低層暖平流減弱的同時(shí)有東風(fēng)濕冷墊形成，此時(shí)降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)為雪，最大降雪強(qiáng)度達(dá)2.8 mm·h-1；6日07:11隨著高層西南急流和低層?xùn)|風(fēng)急流的減弱消失，降雪逐漸減弱，直至停止。

圖5 2015年11月5日09:15至6日07:11(a、b、c、d)，2018年4月4日12:01至18:10(e、f、g、h、i)大同站雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度(單位：m·s-1)演變(黃色實(shí)線指風(fēng)速輻合位置)Fig.5 The evolution of basic radial velocity on 1.5° elevation from the Doppler radar at Datong station from 09:15 BST on 5 to 07:11 BST on 6 November 2015 (a, b, c, d), and from 12:01 BST to 18:10 BST on 4 April 2018 (e, f, g, h, i) (Unit: m·s-1)(The yellow straight line indicates the location of wind speed convergence)

Ⅱ類(lèi)暴雪，2018年4月4日12:01在距離大同雷達(dá)站20.0 km附近，零速度線呈現(xiàn)較明顯的“S”型彎曲特征，表明低層暖平流強(qiáng)盛。低層2.0 km高度以下受東風(fēng)和東南風(fēng)影響，5.0 km高度附近有一支風(fēng)速大于20 m·s-1的西南急流，東風(fēng)和西南風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速輻合使降水在開(kāi)始時(shí)具有暖區(qū)降水特征，降水相態(tài)以雨夾雪為主。13:31，近地面出現(xiàn)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)的牛眼結(jié)構(gòu)，最大入流風(fēng)速大于12 m·s-1，說(shuō)明低層暖平流輸送仍然強(qiáng)盛，同時(shí)距大同雷達(dá)站20.0 km附近、距離地面1.4 km高度附近，零速度線由“S”型轉(zhuǎn)為反“S”型，說(shuō)明有冷平流開(kāi)始影響大同，此時(shí)降水相態(tài)由雨夾雪轉(zhuǎn)為純雪，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定使降雪具有對(duì)流特點(diǎn)，降雪強(qiáng)度較大，最大為2.5 mm·h-1，這種配置一直持續(xù)至16:00，最大降雪強(qiáng)度達(dá)5.0 mm·h-1。16:05開(kāi)始在大同雷達(dá)站40.0 km范圍內(nèi)、距離地面2.0 km以下零速度線呈現(xiàn)較明顯的“S”型彎曲特征，表征低層又出現(xiàn)暖平流，同時(shí)中高層仍然有風(fēng)速大于20 m·s-1的西南急流輸送水汽，屬于暖區(qū)降雪。此后3 h，在低層風(fēng)速大于15 m·s-1的東南急流和風(fēng)速大于20 m·s-1的西南急流共同作用下，降雪加強(qiáng)，最大降雪強(qiáng)度達(dá)5.2 mm·h-1，屬于錮囚鋒前暖區(qū)降雪。18:10開(kāi)始，低空急流消失，高空急流減弱，降雪隨之減弱，不穩(wěn)定降雪持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)和錮囚鋒前暖區(qū)降雪強(qiáng)度大是造成暴雪的主要原因。由于輸送水汽的南風(fēng)氣流逐漸減弱消失和冷空氣不斷入侵，零速度線出現(xiàn)明顯順轉(zhuǎn)，降雪趨于減弱并逐漸結(jié)束。

另外，對(duì)比兩類(lèi)暴雪切變線特征發(fā)現(xiàn)，Ⅰ類(lèi)暴雪為東北風(fēng)和西南風(fēng)的切變，屬于冷式切變降水，Ⅱ類(lèi)暴雪為東南風(fēng)和西南風(fēng)的切變，屬于暖式切變降水，這也是造成兩類(lèi)暴雪特征不同的重要原因之一。

3.4 空間剖面特征

3.4.1 降雪開(kāi)始階段

圖6為兩類(lèi)暴雪過(guò)程降水開(kāi)始階段大同站雷達(dá)徑向速度的垂直剖面?？梢钥闯?，降水開(kāi)始階段，Ⅰ類(lèi)暴雪[圖6(a)]，低層有東北冷墊生成，冷墊厚度在1.5 km左右，低層出現(xiàn)明顯的東北風(fēng)速核，最大風(fēng)速大于12 m·s-1，在1.5～6.0 km高度存在明顯的西南暖濕氣流。Ⅱ類(lèi)暴雪[圖6(b)]，3 km以下為東南氣流，同樣存在速度核，最大風(fēng)速大于12 m·s-1，但方向?yàn)闁|南風(fēng)，在3.0～6.0 km高度有弱西北冷空氣入侵。由二者速度剖面可以看到，Ⅰ類(lèi)暴雪為下冷上暖結(jié)構(gòu)，Ⅱ類(lèi)暴雪為下暖上冷結(jié)構(gòu)，同時(shí)Ⅱ類(lèi)暴雪還具有明顯的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征，是出現(xiàn)雷打雪的主要原因。

圖6 2015年11月5日09:15(a)，2018年4月4日12:01(b)降水開(kāi)始階段大同站雷達(dá)徑向速度的垂直剖面(單位：m·s-1)Fig.6 The vertical sections of radial velocity from the Doppler radar at Datong station at the initial stage of precipitation at 09:15 BST on 5 November 2015 (a), and 12:01 BST on 4 April 2018 (b) (Unit: m·s-1)

3.4.2 降雪增強(qiáng)階段特征

圖7為兩類(lèi)暴雪過(guò)程降水增強(qiáng)階段大同站雷達(dá)徑向速度的垂直剖面?？梢钥闯?，Ⅰ類(lèi)暴雪[圖7(a)]，在1.8～6.0 km高度有西南氣流輸送水汽，西南急流位于2.0 km以上，厚度超過(guò)5.0 km，最大風(fēng)速大于20 m·s-1，濕層深厚，為暴雪的產(chǎn)生提供了充沛的水汽。低層?xùn)|北冷墊維持，冷墊厚度為1.0 km左右，且在低層存在明顯的急流核，最大風(fēng)速大于12 m·s-1。Ⅱ類(lèi)暴雪[圖7(b)]，3 km以下為東南氣流，同樣存在急流核，最大風(fēng)速大于13 m·s-1，在5.0～7.0 km高度有弱冷空氣入侵。兩類(lèi)暴雪區(qū)上空均存在較強(qiáng)的暖平流和垂直風(fēng)切變及輻合區(qū)，這一點(diǎn)與莊曉翠等[25]研究結(jié)論一致；所不同的是，Ⅰ類(lèi)暴雪為下冷上暖結(jié)構(gòu)，暖濕氣流在上層，穩(wěn)定性降水特征多一些，Ⅱ類(lèi)暴雪為下暖上冷結(jié)構(gòu)，暖濕氣流在下層，對(duì)流性降水特征更明顯。

圖7 2015年11月5日13:25(a)，2018年4月4日13:31(b)降水增強(qiáng)階段大同站雷達(dá)徑向速度的垂直剖面(單位：m·s-1)Fig.7 The vertical sections of radial velocity from the Doppler radar at Datong station at the enhancement stage of precipitation at 13:25 BST on 5 November 2015 (a), and 13:31 BST on 4 April 2018 (b) (Unit: m·s-1)

3.4.3 雨轉(zhuǎn)雪階段特征

圖8為兩類(lèi)暴雪過(guò)程雨轉(zhuǎn)雪階段大同站雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度及其剖面?？梢钥闯?，Ⅰ類(lèi)暴雪，2015年11月6日00:32在低層2.0 km以下轉(zhuǎn)為東風(fēng)，并出現(xiàn)急流核，最大風(fēng)速大于12 m·s-1，而在2～7 km高度西風(fēng)開(kāi)始入侵。東風(fēng)濕冷墊楔入后，暖空氣爬升，降水相態(tài)由雨逐漸轉(zhuǎn)為雪。Ⅱ類(lèi)暴雪，2018年4月4日13:32，3.0 km以下東南風(fēng)明顯增強(qiáng)，并出現(xiàn)急流核，最大風(fēng)速大于12 m·s-1，而在3～6 km之間有冷平流入侵，隨著溫度不斷降低，降水相態(tài)由雨逐漸轉(zhuǎn)為雪。兩類(lèi)暴雪過(guò)程中，零速度線都呈“S”型，且均在低層出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的牛眼結(jié)構(gòu)，說(shuō)明低層風(fēng)速輻合特征明顯。不同的是，Ⅰ類(lèi)暴雪在低層?xùn)|北風(fēng)厚度增加到2.0 km后，降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)雪，Ⅱ類(lèi)暴雪的東南風(fēng)厚度減小到3.0 km以下同時(shí)西北風(fēng)強(qiáng)度增大后，降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)雪。

圖8 2015年11月5日00:32(a、b)、2018年4月4日13:32(c、d)雨轉(zhuǎn)雪階段大同站雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度(a、c)及其剖面(b、d)(單位：m·s-1)(黃色直線為剖面方向，下同)Fig.8 The basic radial velocity (a, c) and its section (b, d) on 1.5° elevation from the Doppler radar at Datong station at the rain to snow stage at 00:32 BST on 5 November 2015 (a, b) and 13:32 BST on 4 April 2018 (c, d) (Unit: m·s-1)(The yellow straight line is the direction of the section, the same as below)

3.4.4 降雪減弱階段特征

圖9為兩類(lèi)暴雪過(guò)程減弱階段大同站雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度及其剖面?？梢钥闯?，兩次過(guò)程零速度線均呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的“S”型特征。Ⅰ類(lèi)暴雪，西南氣流的高度降至3.0 km左右，隨著西南急流消失，水汽通道被切斷，降雪趨于減弱結(jié)束。Ⅱ類(lèi)暴雪，西南急流伸展高度在6.0 km以上，表示水汽輸送依然強(qiáng)盛，但出流速度同樣達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)，并且出流面積大于入流面積，整體呈現(xiàn)輻散的速度場(chǎng)特征，是降雪趨于結(jié)束的主要原因。兩類(lèi)暴雪趨于結(jié)束的多普勒雷達(dá)徑向速度特征，均在降雪結(jié)束前1 h以上出現(xiàn)，對(duì)預(yù)報(bào)暴雪結(jié)束具有明顯指示意義。

圖9 2015年11月5日07:11(a、b)、 2018年4月4日20:15(c、d)降雪減弱階段大同站雷達(dá)1.5°仰角基本徑向速度(a、c)及其剖面(b、d)(單位：m·s-1)Fig.9 The basic radial velocity (a, c) and its section (b, d) on 1.5° elevation from the Doppler radar at Datong station at the weakening stage of precipitation at 07:11 BST on 5 November 2015 (a, b) and 20:15 BST on 4 April 2018 (c, d) (Unit: m·s-1)

4 平均基本反射率因子垂直廓線與定量估測(cè)降雪

4.1 平均基本反射率因子垂直廓線特征

圖10為兩類(lèi)暴雪過(guò)程中降雪最強(qiáng)階段基本反射率因子的垂直廓線。可以看出，兩類(lèi)暴雪反射率因子的垂直廓線相同點(diǎn)：(1)基本反射率因子垂直廓線的強(qiáng)度大部分在30～40 dBZ之間；(2)中層和低層反射率因子的數(shù)值變化較大。不同點(diǎn)：Ⅰ類(lèi)暴雪在距地2.0 km左右有一個(gè)回波大值區(qū)，可以判斷是0 ℃層亮帶。0 ℃層亮帶以下反射率因子變化趨勢(shì)比較一致，實(shí)況顯示降雪量也比較均勻。而Ⅱ類(lèi)暴雪雖然在1.5 km以下回波強(qiáng)度變化較大，但沒(méi)有出現(xiàn)0 ℃層亮帶，實(shí)況顯示降雪量的變幅也比較大。

圖10 2015年11月5日13:15—22:33(a)、2018年4月4日13:07—21:08(b)大同站雷達(dá)基本反射率因子的垂直廓線Fig.10 The vertical profiles of basic reflectivity factor from the Doppler radar at Datong station from 13:15 BST to 22:33 BST on 5 November 2015 (a), and from 13:07 BST to 21:08 BST on 4 April 2018 (b)

4.2 定量估測(cè)降雪量

圖11為兩類(lèi)暴雪過(guò)程降雪最強(qiáng)階段大同站雷達(dá)平均反射率因子與降水實(shí)況隨時(shí)間的演變。可以看到，兩類(lèi)暴雪過(guò)程由強(qiáng)到弱的變化與回波強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。隨著降水減小，平均基本反射率因子整體呈減小趨勢(shì)，但也存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，這也是在估測(cè)降水時(shí)存在誤差的原因之一。

圖11 2015年11月5日13:15—22:33(a)、2018年4月4日13:07—21:08(b)大同站雷達(dá)平均反射率因子與降水量隨時(shí)間的演變Fig.11 The change of average reflectivity factor from the Doppler radar at Datong station and observed precipitation from 13:15 BST to 22:33 BST on 5 November 2015 (a), and from 13:07 BST to 21:08 BST on 4 April 2018 (b)

比較兩類(lèi)暴雪過(guò)程中各高度層平均基本反射率因子趨勢(shì)線(圖略)可知，Ⅰ類(lèi)暴雪在1.5～2.6 km高度，Ⅱ類(lèi)暴雪在1.2～2.4 km高度，兩類(lèi)暴雪的基本反射率因子趨勢(shì)線幾乎重合，說(shuō)明變化趨勢(shì)基本一致，但其他高度的基本反射率因子變化趨勢(shì)不一致。為得到定量化的結(jié)論，計(jì)算兩類(lèi)暴雪過(guò)程中平均基本反射率因子與降雪實(shí)況的相關(guān)系數(shù)(表1)，可以看出，隨高度升高相關(guān)性逐漸降低，故定量估測(cè)降雪時(shí)應(yīng)盡量選取較低高度的基本反射率因子平均值。根據(jù)不同高度層平均基本反射率因子趨勢(shì)線和不同高度層平均基本反射率因子與實(shí)況降水的相關(guān)系數(shù)，定量估測(cè)降雪的基本反射率因子值取4 km高度以下各層的平均值。

表1 兩類(lèi)暴雪不同高度層的平均基本反射率因子與實(shí)況降水的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients between average basic reflectivity factor at different altitude and observed precipitation of two types of blizzard processes in Datong of Shanxi Province

表2列出兩類(lèi)暴雪過(guò)程降雪最強(qiáng)階段逐時(shí)基本反射率因子、降雪實(shí)況值與定量估測(cè)值。對(duì)Ⅰ類(lèi)暴雪最強(qiáng)階段逐時(shí)降水量估測(cè)值與實(shí)況值進(jìn)行相關(guān)分析，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74 139，通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。Ⅱ類(lèi)暴雪2018年4月4日17:05降水實(shí)況值為2.0 mm，估測(cè)值為7.5 mm，二者相差5.5 mm，把這個(gè)點(diǎn)定為變異點(diǎn)，可能原因是多普勒天氣雷達(dá)對(duì)基本反射率因子探測(cè)時(shí)局部出現(xiàn)較大誤差導(dǎo)致，具體原因還需要對(duì)多個(gè)個(gè)例進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)余下8個(gè)時(shí)次降水量估測(cè)值與實(shí)況值進(jìn)行相關(guān)分析，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.79 992，通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

表2 2015年11月5日13:15—22:33、2018年4月4日13:07—21:08大同測(cè)站平均基本反射率因子、降雪實(shí)況與定量估測(cè)值Tab.2 The average basic reflectivity factor, observed snowfall and quantitative estimation of snowfall at Datong station from 13:15 BST to 22:33 BST on 5 November 2015, and from 13:07 BST to 21:08 BST on 4 April 2018

綜上所述，根據(jù)平均基本反射率垂直廓線特征可有效定量估測(cè)降雪量，特別是對(duì)冬季區(qū)域站沒(méi)有稱(chēng)重降水儀器的地區(qū)，可以利用平均基本反射率因子垂直廓線特征判斷逐小時(shí)降雪量，對(duì)提高多普勒天氣雷達(dá)定量估測(cè)降雪精度有一定參考價(jià)值。

5 結(jié)論和討論

(1)山西倒槽冷鋒型暴雪和錮囚鋒型暴雪有2個(gè)相似點(diǎn)：①當(dāng)降水相態(tài)為雨或雨夾雪時(shí)，低層零速度線均呈現(xiàn)較明顯的“S”型彎曲特征，表征低層暖平流強(qiáng)盛。零速度線形狀的變化和0 ℃層亮帶的位置變化對(duì)相態(tài)轉(zhuǎn)換具有明顯指示意義。②由9點(diǎn)平均法繪制的兩類(lèi)暴雪的平均基本反射率因子垂直廓線也具有相似特征，即平均基本反射率因子垂直廓線強(qiáng)度在30～40 dBZ之間。不同的是，倒槽冷鋒型暴雪屬于冷云降水且冷墊深厚，中層西南急流和西北氣流徑向輻合造成的輻合上升運(yùn)動(dòng)是降雪維持并產(chǎn)生暴雪的動(dòng)力機(jī)制。倒槽冷鋒型暴雪出現(xiàn)明顯的0 ℃層亮帶且長(zhǎng)時(shí)間維持，0 ℃層亮帶強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和范圍與降雪強(qiáng)度成正比，0 ℃層亮帶下降是雨雪轉(zhuǎn)換的標(biāo)志，0 ℃層亮帶降落到地面時(shí)，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪。錮囚鋒型暴雪屬于暖云降水且冷墊不明顯，錮囚鋒和南風(fēng)急流長(zhǎng)時(shí)間維持是出現(xiàn)暴雪的主要原因，降雪過(guò)程中沒(méi)有明顯的0 ℃層亮帶。

(2)山西倒槽冷鋒型暴雪，“S”型零速度線逆轉(zhuǎn)成南北向分布直線，是降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪的重要先兆信號(hào)。而錮囚鋒型暴雪，由雨轉(zhuǎn)雪的主要特征是零速度線由“S”型轉(zhuǎn)為反“S”型，且零速度線明顯順轉(zhuǎn)，可以作為降雪減弱并逐漸結(jié)束的一個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。

(3)山西倒槽冷鋒型暴雪，冷墊形成和中低層西南急流的建立對(duì)強(qiáng)降雪有4 h以上提前量。錮囚鋒型暴雪過(guò)程沒(méi)有明顯的冷墊，冷平流入侵是雨轉(zhuǎn)雪的主要原因；低層出現(xiàn)風(fēng)速大于10 m·s-1低空急流、中層出現(xiàn)風(fēng)速大于20 m·s-1高空急流是降雪加強(qiáng)的主要時(shí)段。

(4)利用平均基本反射率垂直廓線可以有效估測(cè)降雪量級(jí)。估測(cè)降雪量時(shí)，選取4 km以下的基本反射率因子平均值。根據(jù)平均基本反射率垂直廓線可以很容易判斷是否有0 ℃層亮帶及其位置。倒槽冷鋒型暴雪出現(xiàn)了0 ℃層亮帶，而錮囚鋒型暴雪則沒(méi)有出現(xiàn)0 ℃層亮帶。降雪過(guò)程出現(xiàn)0 ℃層亮帶的個(gè)例并不多見(jiàn)，結(jié)論有待選取更多個(gè)例來(lái)驗(yàn)證。