劉 梅 俞劍蔚 蔣義芳 喜 度 李 聰

1 江蘇省氣象臺，南京 210008

2 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京 210009

3 南京市氣象局，南京 210019

提 要： 利用自動氣象站、雙偏振雷達、微波輻射計和NCEP再分析資料，結(jié)合中尺度WRF模式模擬結(jié)果，分析了2020年3月28日江蘇的沿江和蘇南地區(qū)突發(fā)降雪前后多源監(jiān)測資料相關(guān)特征及溫度突降成因。研究表明：本次突發(fā)降雪的氣溫突降時間、區(qū)域變化與較強降水開始時間、移動方向一致。微波輻射計反演產(chǎn)品中0℃層高度下降和液態(tài)水含量的增加可作為地面氣溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近判據(jù)，地面氣溫的下降滯后于1.5～3.0 km高度氣溫的下降(約2～3 h)。雙偏振雷達反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品對雨雪轉(zhuǎn)換和雪區(qū)擴展方向判斷具有顯著特征，0℃層亮帶區(qū)域、形態(tài)變化與低層降溫區(qū)域、移動方向一致，相關(guān)系數(shù)中不同相態(tài)粒子的非對稱性特征和形態(tài)變化反映出融化層高度、厚度和移動方向變化，混合相態(tài)層不對稱特征和分類產(chǎn)品濕雪監(jiān)測信號早于降雪1～2 h。診斷分析發(fā)現(xiàn)冰晶及雪花下沉過程的融化潛熱作用和穿過干區(qū)的蒸發(fā)吸熱對低層氣溫短時迅速下降具有一定正貢獻。溫度下降呈現(xiàn)自上而下、自西向東的時空變化特點，850～700 hPa高度最先出現(xiàn)下降，近地面氣溫下降約滯后2 h。研究表明，多源監(jiān)測資料可為雨雪轉(zhuǎn)換過程提供較好的決策支撐，尤其是在短時臨近時效內(nèi)。

引 言

降雪在華東地區(qū)每年都有發(fā)生，春季相對較少。春季雨雪轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是低層及地面氣溫變化的判斷，其經(jīng)常出現(xiàn)在氣溫處于雨雪轉(zhuǎn)換的臨界點附近，而氣溫變化影響因子復(fù)雜，降水相態(tài)難以確定。2020年3月28日凌晨江蘇的沿江和蘇南地區(qū)在前期較暖的情況下受冷空氣和多要素共同影響發(fā)生的降雪，雖然降雪強度較弱，沒有明顯積雪，但社會反響較大，當(dāng)日媒體、微博均對本次弱降雪進行了廣泛報道。而本次降雪相態(tài)轉(zhuǎn)換快、持續(xù)時間短，前期模式預(yù)報表現(xiàn)較差。為何出現(xiàn)小范圍氣溫突然下降？如何通過監(jiān)測資料和機理分析發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換的信息？因此，有必要針對本次過程開展降雪突發(fā)成因及多源監(jiān)測資料等相關(guān)分析，為雨雪轉(zhuǎn)換預(yù)報提供參考依據(jù)。

關(guān)于雨雪相態(tài)判斷和降雪成因的研究可分為氣候統(tǒng)計判定標(biāo)準(zhǔn)和降溫機理兩個方面。在雨雪判定標(biāo)準(zhǔn)方面，許愛華等(2006)、梁紅等(2010)、李江波等(2009)均通過過程分析和統(tǒng)計給出了具有較好預(yù)報能力的地方降雪判斷依據(jù)和指標(biāo)。借鑒國外氣層位勢厚度表示大氣冷暖方法(Heppner,1992；Czys et al，1996)，漆梁波和張瑛(2012)、孫燕等(2013)經(jīng)統(tǒng)計分析，建立了具有更加普適客觀的相態(tài)判別方法，給出低層厚度閾值。研究顯示低層溫度層結(jié)是影響降水相態(tài)的關(guān)鍵。而引起溫度層結(jié)變化的原因非常復(fù)雜，國內(nèi)很多學(xué)者從不同方面也開展積極探索，杜佳等(2019)、楊舒楠等(2017)均從冷空氣疊加和溫度平流方面討論了對降水相態(tài)的影響。郭良辰等(2019)分析了北京城市化對降雪分布影響及低層大氣溫度層結(jié)影響。廖曉農(nóng)等(2013)針對北京3月降雪過程提出了回流東風(fēng)和槽后冷空氣入侵對邊界層氣溫下降都有一定影響。劉建勇等(2013)認(rèn)為溫度水平平流和非絕熱加熱項起主要作用。徐輝和宗志平(2014)發(fā)現(xiàn)相關(guān)層次的融化作用可以引起溫度垂直結(jié)構(gòu)變化和相態(tài)轉(zhuǎn)換。彭霞云等(2020)通過對低層降溫機制分析，發(fā)現(xiàn)在平流降溫較弱的背景下，冰晶融化吸熱作用也可導(dǎo)致中低層溫度下降。在降溫機制的分析中多側(cè)重于溫度平流的作用，也逐漸涉及非絕熱加熱項的探討。國外在非絕熱項對溫度變化影響的認(rèn)識更為深入，Lackmann et al(2002)指出低層凍結(jié)和融化作用對降水相態(tài)的影響，Thériault et al(2010)研究發(fā)現(xiàn)降水率對降水相態(tài)有重要影響。研究表明，任何可能導(dǎo)致低層溫度變化的因素都可能影響到最終降水相態(tài)的改變。而在實際預(yù)報過程中，既有平流作用又有非絕熱項引起的溫度層結(jié)變化，模式對平流作用引起的溫度變化預(yù)報效果較好，而非絕熱項對溫度影響的預(yù)報能力偏差較大，因此有必要對一些復(fù)雜降雪過程的溫度層結(jié)變化的機制做進一步探討總結(jié)。

近年來，隨著監(jiān)測資料的豐富，應(yīng)用微波輻射計、雙偏振雷達探測數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品進行降水相態(tài)的判斷分析成為可能。吳楊等(2018)利用浙江雙偏振雷達資料分析，建立了基于水平反射率因子、差分反射率因子、差傳播相移率、零滯后相關(guān)系數(shù)的降雪判據(jù)。魏瑋等(2019)分析了雙偏振雷達在降雪預(yù)報中的優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)0℃層亮帶識別降雪相態(tài)和降雪累計時間的可靠性。楊祖祥等(2019)分析了安徽特大暴雨過程中雙偏振雷達產(chǎn)品特征，再次驗證了利用相關(guān)系數(shù)、反射率因子、差分反射率產(chǎn)品判斷融化層高度、降水粒子屬性的可行性。微波輻射計資料主要應(yīng)用于溫濕垂直空間的高精度分析(廖曉農(nóng)等，2013)，但目前研究相對較少。兩類資料具有觀測范圍大、時空分辨率高、時效性強，且能在夜間持續(xù)監(jiān)測，對降雪影響因子的判斷又具有一定的可靠性和提前量，對降水相態(tài)的短時臨近預(yù)報監(jiān)測具有重要作用，因此突發(fā)過程或前期預(yù)報不好的過程可依靠監(jiān)測資料的分析進行臨近預(yù)報的修訂。這需要對降雪過程中雙偏振雷達產(chǎn)品和微波輻射計產(chǎn)品開展細致分析，從不同時空角度發(fā)現(xiàn)具有預(yù)報意義的信息。

根據(jù)本次過程特點和需求，本文對2020年3月28日突發(fā)弱降雪過程進行了溫度下降成因分析，試圖發(fā)現(xiàn)該背景下促使相態(tài)轉(zhuǎn)換的氣溫下降預(yù)報的關(guān)注點。同時結(jié)合多源監(jiān)測資料從溫度、水汽、形態(tài)各角度分析相態(tài)轉(zhuǎn)換前后變化特征，發(fā)現(xiàn)溫度變化和降水粒子屬性的空間變化特點。從監(jiān)測資料和降溫成因兩方面挖掘利于雨雪轉(zhuǎn)換的信息，以期分析的結(jié)果對預(yù)報人員認(rèn)知降水相態(tài)的變化過程及影響機制有所幫助，在此基礎(chǔ)上提高雨雪相態(tài)的判斷能力。

1 資料與方法

實況分析中應(yīng)用了江蘇省自動站降水、氣溫等分鐘級觀測資料；多源監(jiān)測資料分析主要應(yīng)用了雙偏振雷達(反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品)、微波輻射計(溫度和液態(tài)水含量)等監(jiān)測數(shù)據(jù)；過程診斷分析采用了NCEP一日4次0.25°×0.25°再分析資料和中尺度模式WRF模擬資料相結(jié)合，其中再分析資料主要用來說明實況形勢背景和非絕熱項中比濕變化對溫度的影響程度。因再分析資料時空分辨率較低，涉及到時空較細的分析采用了中尺度模擬資料。

所采用的中尺度WRF模式為15/3 km嵌套的系統(tǒng)，其中15 km分辨率系統(tǒng)的背景場采用NCEP水平分辨率為0.5°×0.5°的全球模式的分析場，主要同化了極軌和靜止衛(wèi)星資料和地面常規(guī)觀測和探空觀測資料，采用GSI同化系統(tǒng)，其邊界基本包括中國區(qū)域范圍；3 km分辨率的初始場和側(cè)邊界由15 km分辨率提供，其邊界大致涵蓋中國中東部區(qū)域，3 km分辨率的同化資料主要是加密觀測地面站、風(fēng)廓線雷達、S波段多普勒雷達，以及GPS/PWV等，采用WRFDA的同化模塊。物理參數(shù)化方案主要包括：微物理過程采用WSM6方案；長波輻射采用RRTM方案；短波輻射采用Dudhia方案；近地面采用Monin-Obukhov方案；陸面過程采用Noah方案；邊界層采用YSU方案；積云參數(shù)化方案僅用于外層15 km模式，采用Kain-Fritsch方案。

選取2020年3月27日20時NCEP再分析資料模擬初始場，模擬初始場和實況對比(圖略)，兩者各層風(fēng)場基本吻合，沿江和蘇南地區(qū)700 hPa以上槽前西南暖濕氣流增強和850 hPa以下東北風(fēng)的冷墊背景兩者一致，各層溫度梯度和分布也基本反映出溫度實況分布情況。同時模擬的降水落區(qū)、氣溫下降的時間、區(qū)域和實況也較吻合，能夠較好地反映降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換時間，因此，在診斷分析中應(yīng)用了相關(guān)模擬結(jié)果，探討南京、無錫降水相態(tài)轉(zhuǎn)換前后氣溫下降關(guān)鍵時段的溫度平流、垂直運動、濕度、不同層次溫度的逐時變化特征。

2 天氣實況

2020年3月28日02—08時降雪出現(xiàn)在江蘇的沿江和蘇南地區(qū)，雨雪轉(zhuǎn)換區(qū)域自西北向東南方向逐漸推進。圖1為本次雨轉(zhuǎn)雪的具體時間和雪區(qū)分布，雨轉(zhuǎn)雨夾雪最先出現(xiàn)在28日00—01時江淮之間西部局部站點(圖1a)，02時雨夾雪范圍擴大至南京中北部、鎮(zhèn)江北部和揚州南部，03時南京北部和揚州一些區(qū)域出現(xiàn)純雪，隨著純雪范圍進一步擴大，04時南京、鎮(zhèn)江、揚州南部、泰州南部均出現(xiàn)純雪，雪夾雪范圍東至南通一帶。05—07時雪和雨夾雪范圍繼續(xù)向東南方向擴展，覆蓋南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫一帶(圖1b)。蘇州在08時出現(xiàn)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，此時，上游地區(qū)南京至常州已轉(zhuǎn)為降雨，09時以后降雪完全結(jié)束，沿江和蘇南地區(qū)均轉(zhuǎn)為降雨。02—08時沿江和蘇南地區(qū)雨雪量為10～18 mm，各站點維持雨夾雪和雪的時間一般在2～5 h，受地面溫度較高和大部分時段降雨為主的影響，積雪并不明顯，至28日08時部分站點出現(xiàn)積雪，南京、溧水、靖江積雪深度分別為2、1、2 cm。另外，從不同站點的降水相態(tài)、溫度等要素逐時變化發(fā)現(xiàn)，降雪站點經(jīng)歷了雨—雨夾雪—雪—雨夾雪—雨的復(fù)雜相態(tài)變化，轉(zhuǎn)換時間和相態(tài)變化存在一定的空間差異。圖2為南京、金壇、蘇州三站的逐時演變，南京站02時雨夾雪、04時轉(zhuǎn)雪、06時再轉(zhuǎn)雨夾雪、08時轉(zhuǎn)雨；金壇站相對較晚，05時開始直接發(fā)生雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)變化，06時又轉(zhuǎn)為雨夾雪，之后迅速轉(zhuǎn)為降雨；蘇州站08時出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪相態(tài)變化，持續(xù)2 h后又轉(zhuǎn)為降雨。各站相態(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在氣溫快速下降階段，各地維持較低氣溫的時間較短，相態(tài)轉(zhuǎn)變是自西向東南方向依次發(fā)生，且固態(tài)降水持續(xù)時間也自西向東南方向逐漸減少。

圖1 2020年3月28日(a)00—04時，(b)05—08時降雪區(qū)域隨時間變化

圖2 2020年3月28日00—10時(a)南京、(b)金壇、(c)蘇州的溫度、露點溫度、天氣現(xiàn)象逐時演變

降雪發(fā)生前伴隨貝加爾湖東部高空槽南下，3月26日午后到夜間江蘇自北向南受到冷鋒影響，27日08時冷鋒到達浙江中部(圖略)，但冷空氣主體仍位于內(nèi)蒙古一帶，江蘇處于地面冷高壓底部。27日白天高空槽逐漸南壓，冷空氣繼續(xù)滲透南下，江蘇降水逐漸停止，受不斷擴散冷空氣影響，26—27日江蘇的淮河以南地區(qū)24 h降溫幅度達8～10℃，為28日凌晨沿江蘇南地區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪提供了低溫基礎(chǔ)。但在27日20時全省氣溫仍在9～11℃，江蘇地區(qū)出現(xiàn)降水相態(tài)變化時氣溫一般在2℃以下。因此，受前期冷空氣影響雖造成溫度明顯下降，但在27日20時還沒有達到降雪的溫度條件。27日夜間至28日上午850 hPa高度層以下一直維持東北風(fēng)，弱冷空氣繼續(xù)導(dǎo)致氣溫下降，為沿江和蘇南地區(qū)降雪的形成提供一定的冷墊條件。該時段700 hPa高度以上伴隨高空槽東移有明顯的暖濕氣流增強，27日20時至28日08時500 hPa槽自112°E移至120°E，700 hPa上沿江和蘇南地區(qū)也存在明顯的西南氣流增強，為降水發(fā)生提供了較好的水汽條件，是一次典型的暖濕氣流在冷墊上爬升的降雪形勢(圖3)。但28日00時之后江蘇氣溫南北分布出現(xiàn)異常，沿江和蘇南地區(qū)氣溫明顯低于淮北地區(qū)，06時沿江和蘇南大部分站點氣溫在3℃以下，江淮之間和淮北地區(qū)氣溫為4～7℃?？梢?8日凌晨氣溫下降除了前期冷空氣影響和日變化外，沿江和蘇南地區(qū)降水過程對降溫也具有一定影響，該區(qū)域低層氣溫為何會出現(xiàn)快速下降正是本文關(guān)注的重點，也是本次雨雪相態(tài)變化的關(guān)鍵致因。

圖3 2020年3月27日20時(a)500 hPa高度場(單位：gpm)和700 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢,單位：m·s-1)， (b)地面氣壓場(單位：hPa)和850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)

3 多源監(jiān)測資料在相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的演變特征

隨著多源監(jiān)測資料的豐富，捕捉從小時到分鐘級可預(yù)測信號成為可能，應(yīng)用加密自動站、微波輻射計和雙偏振雷達資料深入分析相態(tài)變換前后不同高度溫濕、回波演變等相關(guān)特征，為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近預(yù)報提供參考。

3.1 相態(tài)轉(zhuǎn)換前后溫度、雨強變化特點

28日02—06時江蘇的沿江和蘇南地區(qū)2 m氣溫出現(xiàn)明顯下降(圖略)，從4～6℃下降到2℃以下，很多站點逼近0℃。同時0℃層高度自27日20時到28日08時也呈現(xiàn)明顯變化(圖4)，南京站從3 269 m下降到436 m，而位于江蘇北部的徐州站0℃層高度卻變化不大，0℃層高度大幅下降的區(qū)域主要位于沿江和蘇南一帶。氣層厚度也發(fā)生明顯調(diào)整，沿江和蘇南地區(qū)的H700-850≤154 dagpm，說明在27日夜間到28日凌晨沿江和蘇南一帶整層氣溫出現(xiàn)明顯的短時迅速下降，凍結(jié)層厚度明顯增厚，造成了本區(qū)域短時降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致28日凌晨突降春雪。

圖4 2020年3月(a)27日20時和(b)28日08時0℃層高度變化(數(shù)字，單位：m)

降雪的起始時間、降水量和2 m氣溫的分鐘級變化顯示(圖5)，南京浦口站氣溫下降較早，28日00—02時其迅速下降，1個半小時內(nèi)氣溫從7.5℃下降到1.7℃，02時前后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)轉(zhuǎn)變，相對較低氣溫維持約5 h，07時后逐漸開始上升，降水漸止。張家港站氣溫下降相對較晚，06—07時2 m氣溫才降至2℃以下，降溫速度較緩慢，低溫持續(xù)時間短。其降水開始時間也相對較早，但前期降水較弱時氣溫變化不明顯，04—06時降水開始逐漸增強，氣溫才逐漸下降。兩站均出現(xiàn)降水開始先于氣溫下降，且隨著雨強增大降溫幅度明顯增強，氣溫最低點出現(xiàn)在降水強度最大之后?？梢姡敬谓笛┏霈F(xiàn)之前氣溫下降受到降水和降水強度的直接影響，降水強度增強和氣溫迅速下降存在密切聯(lián)系，這點和Thériault et al(2010)的觀點一致。

圖5 2020年3月28日00—10時(a)浦口和(b)張家港站氣溫、降雪實況變化

3.2 微波輻射計監(jiān)測特征分析

圖6為南京江寧微波輻射計監(jiān)測反演資料和對應(yīng)的分鐘級降水資料,江寧站27日23:15開始降水，03時雨夾雪，04時轉(zhuǎn)為純雪。圖6a顯示降水初期中層開始有弱的液態(tài)水聚集，23—24時0℃層高度出現(xiàn)明顯下降，且在較短時間內(nèi)下降到1.5 km左右，溫度下降最早開始于低層1.5～3 km，之后01—04時在3～4 km高度液態(tài)水含量明顯增大，低層液態(tài)水較少，該時段正對應(yīng)降水增強時段(圖6b)。期間溫度出現(xiàn)兩次明顯下降，分別是03時低層溫度-2℃線迅速下降，出現(xiàn)雨夾雪，04時3 km以下整層氣溫陡然下降，出現(xiàn)降雪。近地面氣溫下降出現(xiàn)在02時之后。顯然，降水發(fā)生、增強以及空中水含量的增多與低層氣溫明顯下降有一定的對應(yīng)關(guān)系，降溫首先出現(xiàn)在低層，然后隨著降水增強,整層降溫加強，地面降溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)變時間要滯后于低層氣溫下降2～3 h。因此，在出現(xiàn)0℃層高度明顯下降，同時中層較強的液態(tài)水積聚降落促使低層及近地面溫度繼續(xù)下降時，為降水相態(tài)轉(zhuǎn)變提供了有利的溫度條件。0℃層高度明顯降低和空中液態(tài)水含量增加可作為臨近降水相態(tài)判斷的指標(biāo)。

圖6 2020年3月南京江寧站(a)27日20時至28日08時微波輻射計反演溫度(紅線)和液態(tài)水(填色)分布，(b)27日23時至28日08時逐5 min降水分布

3.3 雙偏振雷達資料分析

雷達反射率因子圖上0℃層亮環(huán)位置及強度的變化反映了融化層高度變化。圖7為本次過程發(fā)生期間南京雷達反射率因子分布，從圖中看出降水及相態(tài)轉(zhuǎn)換期間0℃層高度變化的特點明顯。27日21:34距離雷達50～75 km處，反射率因子高出周圍10～15 dBz的0℃層亮環(huán)逐漸形成，亮環(huán)寬度約25 km，對應(yīng)融化層高度為2.5～3.5 km。亮環(huán)南北側(cè)在結(jié)構(gòu)上呈非對稱性特征，北側(cè)亮環(huán)強度大于南側(cè)，在形態(tài)上由環(huán)形逐漸演變?yōu)椤癉”字型，這是由安徽滁州附近生成的較強回波不斷南壓造成。隨著較強回波的移近，南京以北地區(qū)低層氣溫明顯下降，01時前后南京北部上空0℃層高度明顯下降，從2.5 km 下降到0.5 km左右， 01:30南京六合、浦口地面溫度分別下降到2.1℃、3.6℃，而南京江寧氣溫為5.3℃。02—03時南京中北部和揚州中西部地面氣溫普遍下降到0.6～1.5℃，上述地區(qū)普遍出現(xiàn)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變。南環(huán)在28日00時之前位置少動，之后，強度開始增強，亮環(huán)距雷達站也越來越近。02時雷達南側(cè)65 km范圍內(nèi)回波強度增強到30～45 dBz，強回波自西北向東南方向移動，強中心距離雷達25 km,對應(yīng)融化層高度為2 km，中心強度普遍為40～50 dBz，0℃層亮環(huán)內(nèi)回波的顯著增強、融化層內(nèi)大量冰晶粒子自高空降落，導(dǎo)致融化層高度下降，地面氣溫下降區(qū)域隨強回波移動而向東南方向推移，降雪范圍進一步擴大?？梢姡瑥娀夭ㄔ斐傻慕邓鰪姇r間和氣溫明顯下降時段相吻合，大量降水粒子流下降及拖曳作用導(dǎo)致地面氣溫和0℃層高度的下降(解釋見診斷分析部分)。0℃層亮帶的形狀變化和移動方向?qū)Φ孛鏆鉁叵陆?、未來降溫區(qū)域和可能發(fā)生相態(tài)變化區(qū)具有一定指導(dǎo)作用。

圖7 2020年3月(a)27日21:34，(b)28日00:33，(c)28日01:34，(d)28日02:02南京站雙偏振雷達2.4°仰角反射率因子分布

描述粒子形態(tài)的雙偏振特征產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品在降水相態(tài)變化方面也呈現(xiàn)一定的識別特征。圖8為本次過程2.4°仰角的相關(guān)系數(shù)和不同區(qū)域剖面，21:29(圖8a)，距離雷達80～120 km范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)較小，其值為0.85～0.95，80 km以內(nèi)以及120 km以外的相關(guān)系數(shù)則相對較大，數(shù)值在0.96～1.0，不同高度粒子相態(tài)分布不同，2.6～4.0 km高度區(qū)間內(nèi)粒子形態(tài)非對稱性較強。此時南京站探空700 hPa、850 hPa溫度分別為1℃和2℃，4 km 高度附近氣溫為0℃左右，冰晶、雪片等固態(tài)粒子下落進入4 km以下開始融化，形態(tài)發(fā)生改變，一般融化層厚度在0.4～1 km，但此時探測到的相關(guān)系數(shù)低值對應(yīng)厚度有1.4 km左右，這是由于850～700 hPa氣溫垂直變化較小，完全融化成水滴需要較長時間，從而造成融化層厚度較大。隨著時間推移，雷達站不同方位相關(guān)系數(shù)分布出現(xiàn)不同變化。28日00—02時(圖8b,8c)，相關(guān)系數(shù)低值區(qū)范圍(融化層)逐漸變?yōu)榘雸A形、弧形直至消失，南京西北部最先消失，然后逐漸向東南方向擴展，南京周圍0℃層高度下降最早出現(xiàn)在西北部地區(qū)，然后隨著較強降水回波向東南方向移動。02時南京東南方向距離雷達50 km處相關(guān)系數(shù)迅速下降，該區(qū)域融化層高度降低，且融化層內(nèi)粒子非對稱性加強，低層氣溫明顯下降，有利于雪的形成。

沿南京西北部AB線和東南部CD線做相關(guān)系數(shù)的垂直剖面，從圖中可清晰看出降水粒子空間物理結(jié)構(gòu)(圖8d～8f)。23:59南京西北部30～60 km范圍內(nèi)近地面已出現(xiàn)混合態(tài)降水粒子(圖8d白色框區(qū)內(nèi))，30 km內(nèi)近地面無混合態(tài)降水粒子。01:56南京西北部混合態(tài)降水粒子逐漸向南京城區(qū)靠近，距離雷達20 km近地面處出現(xiàn)明顯混合態(tài)降水粒子(圖8e白色框區(qū))，同時其上方P點處有較強相關(guān)系數(shù)低值區(qū)，有較強的混合態(tài)粒子存在，此時該區(qū)域降水最強、降溫最快，空中較強混合態(tài)粒子下落對地面溫度下降起到很好反饋作用。而此時南京東南方向混合態(tài)降水粒子還沒有接地，且距離雷達中心越遠，出現(xiàn)不同相態(tài)混合層高度越高。相關(guān)系數(shù)可以很好地反映出雷達周圍融化層高度、厚度變化，同時能探測到不同相態(tài)混合層高度的空間變化。和各地實際出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換時間(南京浦口02:30、無錫、蘇州04—06時)相比，空間相態(tài)混合層特征出現(xiàn)要先于地面降雪時間，對地面氣溫下降和相態(tài)變化具有較好的指示作用。雙偏振分類產(chǎn)品也呈現(xiàn)類似的特征。

圖8 2020年3月(a)27日21:29,(b)27日23:50,(c)28日01:56南京站雙偏振雷達2.4°仰角相關(guān)系數(shù)以及(d)27日23:59沿圖8b中AB線，(e)28日01:56沿圖8b中AB線，(f)28日01:56沿圖8c中CD線的垂直剖面

4 降水相態(tài)轉(zhuǎn)化成因分析

基于雨雪轉(zhuǎn)化前后溫度及層結(jié)厚度關(guān)鍵因子變化，分析在降雪發(fā)生前期26—27日冷空氣影響氣溫已經(jīng)出現(xiàn)大幅下降背景下，27日夜間哪些因子再次引起沿江和蘇南地區(qū)突然降溫，達到雨雪轉(zhuǎn)換條件。

關(guān)于局地溫度變化可利用式(1)(朱乾根等，2007)開展研判：

(1)

4.1 溫度平流

實況表明：28日00—02時南京氣溫下降明顯，04—06時蘇州、無錫氣溫明顯下降。圖9是WRF模擬的沿119°E和南京-無錫剖面風(fēng)場和溫度平流結(jié)果。28日00時(圖9a)，南京北部上空700 hPa以上出現(xiàn)西南風(fēng)速明顯增大，925 hPa以下32°N以北區(qū)域出現(xiàn)負(fù)溫度平流；而至02時(圖9b)中高層西南風(fēng)速減小，925 hPa以下負(fù)溫度平流減弱或消失，00—02時南京北部上空近地面存在一定的負(fù)溫度平流；04時 925 hPa以下負(fù)溫度平流南移至32°N以南。沿降雪區(qū)域東西方向,南京-無錫剖面顯示(圖9d～9f)，00時近地面弱負(fù)溫度平流僅僅存在于南京附近上空，無錫近地面沒有明顯的溫度平流。同時南京上空上下層垂直風(fēng)切變較大，利于該區(qū)域?qū)α靼l(fā)展加強，為此時南京北部地區(qū)降水增強提供動力條件。02時700 hPa以上偏南風(fēng)大風(fēng)速區(qū)東移，較高層次正溫度平流區(qū)也隨大風(fēng)速帶的移動?xùn)|推至鎮(zhèn)江以東區(qū)域上空，此時沿江和蘇南一帶近地面無明顯負(fù)溫度平流。04時近地面弱的負(fù)溫度平流范圍向東擴展，實況降溫發(fā)生時間自西向東開始，而低層風(fēng)向是東北風(fēng)，負(fù)溫度平流變化方向和低層風(fēng)向相反?？梢姡蛯訙囟绕搅髯兓臀黠L(fēng)帶系統(tǒng)中降水發(fā)展有一定關(guān)系。因此，在前期冷空氣影響溫度下降的基礎(chǔ)上，沿江和蘇南地區(qū)近地面1 km以下的弱負(fù)溫度平流對地面氣溫下降有一定影響。近地面負(fù)溫度平流最先出現(xiàn)在南京北部近地面層，然后隨著較強降水區(qū)域發(fā)展向東向南擴展。在雨雪轉(zhuǎn)換溫度是否下降的判斷中，由降水造成的近地面局地弱的負(fù)溫度平流也是不可忽視的關(guān)注點之一。

圖9 WRF模擬的2020年3月28日(a,d)00時，(b，e)02時和(c，f)04時溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)、風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a，b，c)沿119°E和(d，e，f)沿(32°N、118.8°E)—(31.7°N、120.2°E)的剖面

4.2 垂直運動項和非絕熱項

圖10為南京和無錫兩地風(fēng)場、垂直速度、溫濕的逐小時演變。27日20時至28日02時，南京附近850 hPa高度以上上升運動明顯增強，在2.5 km以上出現(xiàn)較強的垂直上升運動，而氣塊最初被抬升時處于不飽和狀態(tài)，γd>γ，有較強上升運動，w>0，w(γd-γ)>0，氣塊在上升過程中，垂直運動項對局地溫度變化具有一定的降溫作用，當(dāng)上升到一定高度達到飽和凝結(jié)，形成冰晶或雪花，溫度較低的冰晶就會降落，冰晶或雪花維持較低的溫度下降，致使近地面環(huán)境溫度下降。00—02時近地面出現(xiàn)明顯的下沉運動，而此時是南京降水最強時段，降溫也最為明顯。溫度下降的空間分布首先是27日21—22時850～700 hPa層次0℃層高度迅速下降，地面氣溫下降發(fā)生在28日00時之后，即中高層強上升運動、近地面強下沉運動出現(xiàn)后。且在00—01時近地面氣溫下降劇烈。濕度場分布顯示強降溫出現(xiàn)之前到強降溫初期南京上空低層是明顯的干區(qū)，一旦有明顯的降水發(fā)生經(jīng)過干區(qū)時，將伴有較強的蒸發(fā)降溫。另外，從無錫時間變化(圖10b)上也呈現(xiàn)出類似的特點，不同的是其低層850～700 hPa層次降溫出現(xiàn)時間晚，中高層垂直運動項導(dǎo)致的降溫幅度緩慢、持續(xù)時間長，這主要和系統(tǒng)的移動、發(fā)展強度有關(guān)，地面強降溫也是發(fā)生在強下沉運動時?？梢姡诮邓l(fā)生前氣塊強上升運動、降水增強、冰晶下降融化和干層的蒸發(fā)對地面氣溫下降均具有一定的影響。本次溫度下降過程可以說自上而下造成，較強的垂直上升運動導(dǎo)致中高層溫度下降和降水發(fā)展，在此條件下發(fā)生較強下沉運動并穿過低層干區(qū)導(dǎo)致地面氣溫的迅速下降。在沒有明顯冷平流背景下，地面氣溫較中低層氣溫下降有一定的滯后。

圖10 WRF模擬的2020年3月27—28日(a)南京，(b)無錫氣象要素的時間變化(填色：垂直速度，單位：Pa·s-1；藍線：相對濕度，單位：%；紅線：溫度，單位：℃;風(fēng)羽，單位：m·s-1)

垂直運動、非絕熱項對近地面溫度的影響程度可分別通過相應(yīng)的經(jīng)驗公式和熱力學(xué)第一定律的定量計算得以驗證。 Lumb(1961)指出雪花從融化層下落高度取決于降水強度、環(huán)境濕度和溫度垂直變化率。Kain et al(2000)、徐輝和宗志平(2014)利用式(2)估算了降雪過程固態(tài)降水融化導(dǎo)致低層溫度變化：

(2)

式中：D是地面累計降水(單位：cm) ；δp是融化潛熱影響的氣壓層厚度(單位：hPa)；δT是引起的平均溫度變化(單位：℃)。南京站27日20時至28日08時總降水量為12.9 mm，28日00時后逐漸開始出現(xiàn)降水，此時微波輻射計監(jiān)測融化層厚度較大，00時約為174 hPa。 08時971 hPa以下到地面溫度大于0℃，融化潛熱影響的氣壓層厚度約為53 hPa，考慮0℃層快速下降，00—08時融化潛熱影響的氣壓厚度平均更接近于28日08時的厚度,按照08時與00時8∶2分配比例，00—08時平均融化潛熱影響的氣壓層厚度約為77 hPa。若下降過程中冰晶全部融化，則融化潛熱致使氣柱平均溫度下降約3.25℃。當(dāng)然該過程中冰晶或雨雪下降過程并未完全融化，因降雪量較小，固態(tài)粒子中可能有70%被融化，這樣可使氣柱降溫2.4℃，對降溫貢獻也較大。02—08時南京上空850 hPa以上上升運動減弱，但2 km以下的下沉運動一直維持，冰晶及雪花的下沉融化對不同層次氣溫及近地面氣溫下降具有一定作用，為降雪發(fā)生提供有利降溫條件。

環(huán)境濕度對溫度的影響可應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進行定量探討：

cpdT-αdp=ΔQ

(3)

式中：cpdT、αdP、ΔQ分別表示內(nèi)能變化、外界做功、熱量變化?？紤]南京站27日20時抬升凝結(jié)高度較高，云底以下溫度均在0℃以上，僅考慮雨滴蒸發(fā)潛熱作用，舍去第二項，式(3)可簡化為下式：

cp·dT≈Lv·dq

(4)

式中：dq為比濕變化，Lv為蒸發(fā)潛熱，cp為定壓比熱容，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃的水蒸發(fā)潛熱一般為2 500 J·g-1，cp取1 004 kg-1·K-1。

27日20時(圖11c)南京上空1.5 km以下有明顯的負(fù)濕度平流，且均處于較強偏北風(fēng)場控制下， 119°E經(jīng)度剖面低層有明顯干區(qū)，南京北部上空1～2 km處20時出現(xiàn)明顯的干中心(圖11a)。比濕大值區(qū)位于3 km，02時比濕大值區(qū)下降(圖11b)，20時至次日02時低層比濕增加了3 g·kg-1。降水初期20時至次02時當(dāng)冰晶下落穿過低層干區(qū)時，其表面較強蒸發(fā)或升華現(xiàn)象將吸收大量熱量，致使環(huán)境溫度下降。根據(jù)式(4)，當(dāng)dq增加3 g·kg-1時，即引起7.5℃降溫。當(dāng)然，低層比濕的增加并不一定全部是由蒸發(fā)造成，但從濕度平流和風(fēng)場發(fā)現(xiàn)該時段濕度的外來輸送較小，而該時間段實際降溫5℃左右?？梢?，該時段低層干區(qū)內(nèi)降水粒子的蒸發(fā)吸熱對溫度下降具有明顯正貢獻，相關(guān)推斷是建立在對非絕熱加熱大量簡化的基礎(chǔ)上。

圖11 2020年3月(a)27日20時，(b)28日02時NCEP再分析風(fēng)場(風(fēng)矢，單位:m·s-1)、比濕(等值線，單位：g·kg-1)和(c)27日20時濕度平流(填色，單位：g·kg-1·m·s-1)和風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)沿119°E剖面

氣溫的局地變化影響因子較為復(fù)雜，特別是在有降水情況下，其變化更是受到降水強度、潛熱釋放等多要素影響。本次沿江及蘇南地區(qū)降溫是既有弱平流降溫，又有垂直運動降溫和非絕熱因子降溫共同作用造成的，干區(qū)的蒸發(fā)影響以及降水增強下降過程中的融化作用對臨近突發(fā)降溫起到關(guān)鍵作用，造成低層氣溫明顯下降。27日20時到28日02時沿江和蘇南一帶0℃層高度從3 km左右下降到0.5 km 以下，整層溫度除了近地面在0～2℃外，其他均在0℃以下，達到雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)轉(zhuǎn)變條件。

5 結(jié)論與討論

本文通過對2020年3月28日突發(fā)降雪的多源監(jiān)測資料特征分析和診斷，從短時臨近預(yù)報的角度發(fā)現(xiàn)了雨雪轉(zhuǎn)換前后氣象要素、雷達監(jiān)測和微波輻射監(jiān)測信息的變化特點，探討了28日凌晨降雪的關(guān)鍵致因，為長江中下游降雪及雨雪轉(zhuǎn)換預(yù)報提供的分析思路。所得結(jié)論如下：

(1)本次降雪過程持續(xù)時間短，范圍較小。降雪雖然在前期較強冷空氣影響背景下發(fā)生，但是發(fā)生前2～5 h整層氣溫出現(xiàn)短時迅速下降，凍結(jié)層厚度明顯增厚。氣溫下降時間、區(qū)域變化和較強降水開始時間、移動方向具有較好的一致性，降雪出現(xiàn)之前氣溫下降和降雨強度增強有一定關(guān)系。

(2)雙偏振雷達反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品在本次降雪過程中對雨雪轉(zhuǎn)換和雪區(qū)擴展方向判斷具有一定的指導(dǎo)作用。反射率產(chǎn)品的0℃層亮帶區(qū)域和形態(tài)變化與低層降溫區(qū)域和移動方向一致，亮帶高度的明顯下降預(yù)示著雨雪轉(zhuǎn)換的可能。相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品中不同相態(tài)粒子的非對稱性特征區(qū)域和形態(tài)變化反映出融化層高度、厚度和移動方向的變化，剖面圖上能清晰監(jiān)測出混合相態(tài)層高度的分布。這些特征的出現(xiàn)較實際降雪時間均具有一定的提前，混合層不對稱特征和空中濕雪的出現(xiàn)約早于實況降雪1～2 h，其移動方向預(yù)示著降雪可能出現(xiàn)區(qū)域。

(3)微波輻射計反演產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)：有降水發(fā)生，地面氣溫下降滯后1～3 km溫度下降約2～3 h時，0℃層高度明顯降低和空中液態(tài)水含量增加可作為地面氣溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近信號。

(4)診斷分析發(fā)現(xiàn)，前期冷空氣是本次氣溫下降的基礎(chǔ)，近地面負(fù)溫度平流對氣溫下降具有一定的作用；負(fù)溫度平流最先出現(xiàn)在南京北部近地面層，然后隨著較強降水區(qū)域發(fā)展向東向南擴展，負(fù)溫度平流變化方向和較強降水移動發(fā)展方向一致。

(5)700 hPa高度以上上升運動加強促使冰晶及雪花形成和整層溫度下降。氣溫下降自上而下發(fā)生，850～700 hPa層次溫度下降相對較早，近地面氣溫較低層和中層氣溫下降均有一定滯后。冰晶及雪花的下沉拖曳和穿過干區(qū)的蒸發(fā)作用增強了地面氣溫的快速下降，從而達到降雪閾值，造成沿江和蘇南地區(qū)28日凌晨突發(fā)降雪。

因此，本次過程氣溫下降是在前期冷空氣影響后，又在沿江和蘇南一帶出現(xiàn)溫度的突然再次下降，主要受到降水影響，數(shù)值預(yù)報對降水和相態(tài)變化導(dǎo)致的垂直方向氣溫預(yù)報存在不足，預(yù)報難度較大。本研究結(jié)論可為低層冷墊中層西南氣流形勢下判斷氣溫能否大幅下降提供思路，尤其在短時臨近預(yù)報時效內(nèi)。