毛宇清，李力，姜有山，李聰，魯明欣宇

(1.南京市氣象局，南京 210019；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044)

引言

寒潮天氣除了造成劇烈的降溫外，還會帶來大風(fēng)和雨雪天氣，常給工農(nóng)業(yè)、交通運輸和人民生活帶來巨大影響。對于寒潮天氣過程，我國氣象工作者進(jìn)行了諸多研究(王遵亞和丁一匯，2006；徐愛華等，2006；雷正翠等，2013)。在冬春季節(jié)，寒潮爆發(fā)時由于氣溫突降，降水相態(tài)也常常會隨之發(fā)生轉(zhuǎn)換，主要有雨、雨夾雪、雪、冰粒和凍雨等，這也是降水預(yù)報中的難點，國外學(xué)者早就對此開展了分析(Lownders et al.，1974；Heppner，1992；Kain et al.，2000)。近年來，國內(nèi)學(xué)者也對降水相態(tài)進(jìn)行了諸多研究，漆梁波和張瑛(2012)建立了中國東部地區(qū)冬季降水相態(tài)的推薦識別判據(jù)，認(rèn)為綜合考慮溫度因子和厚度因子的識別判據(jù)表現(xiàn)更好。孫燕等(2013)通過統(tǒng)計分析，將1 000—850 hPa厚度≤1 292 gpm，且T850≤-3℃，T≤2℃作為江蘇地區(qū)降雪判定指標(biāo)。邵宇翔和李周(2016)分析了河南一次寒潮期間降水多相態(tài)轉(zhuǎn)換的成因，認(rèn)為降水相態(tài)的變化與暖層溫度和0℃層高度密切相關(guān)。楊舒楠等(2017)認(rèn)為降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于整個對流層低層950—850 hPa的溫度平流狀況。李江波等(2009)、張備等(2014)、盧晶晶等(2019)也分別對寒潮背景下的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機理進(jìn)行了研究，得到了各自的結(jié)論或預(yù)報指標(biāo)，這些都對降水相態(tài)的研究具有重要意義。

近年來，一些新型探測資料因時空分辨率高在降水相態(tài)的研究中得到廣泛應(yīng)用。李峰和施紅蓉(2014)、施紅蓉等(2014)研究指出，風(fēng)廓線雷達(dá)的強度和速度產(chǎn)品能很好地監(jiān)測、診斷降雨到降雪相態(tài)變化的持續(xù)時間。張月華等(2019)的研究認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)向風(fēng)速、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和垂直速度的垂直變化對暴雪短臨預(yù)報有很好的參考價值。李德俊等(2013)分析了武漢一次短時暴雪的雨滴譜特征，得出降雨階段粒子下落速度大而粒徑小，純雪階段則相反。姚晨等(2018)、楊祖祥等(2019)的研究認(rèn)為雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品對冬季降水粒子的探測和降水相態(tài)的判定有一定參考價值。廖曉農(nóng)等(2013)利用風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計等資料分析了北京一次雨雪過程，表明抬升凝結(jié)高度附近的溫度是降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子。武威和胡燕平(2019)利用多源資料分析了沙潁河流域一次雨雪過程中的降水相態(tài)，表明微波輻射計的溫濕廓線、云底高度以及液態(tài)水等在雨雪轉(zhuǎn)換中均有顯著變化，風(fēng)廓線速度能定量反映出降雨和降雪之間的差異。目前南京地區(qū)尚缺乏新型探測資料在降水相態(tài)方面的研究。

2020年3月底，南京地區(qū)出現(xiàn)了一次罕見寒潮天氣過程，并伴有雨雪相態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，本文利用常規(guī)氣象觀測資料和微波輻射計、風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雨滴譜等新型探測資料對這次過程進(jìn)行分析，探討新型探測資料在雨雪天氣監(jiān)測和預(yù)報中的應(yīng)用，以期對南京地區(qū)的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)報提供參考。

1 資料和觀測儀器

本文所用的資料主要有雨雪過程中南京各站人工觀測的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時間、雨雪量和積雪深度，Mi?caps4高空與地面天氣圖資料，南京國家基準(zhǔn)站（以下簡稱南京站）的常規(guī)地面和探空資料、微波輻射計資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料、激光雨滴譜資料以及高淳站的激光雨滴譜資料。

MP-3000A微波輻射計是由美國Radiometrics公司研發(fā)的一種新型35通道的微波輻射計，采取被動式微波遙感，通過接收天空亮溫來反演地面至10 km高度的高分辨率的溫度、相對濕度和水汽廓線，以及較低分辨率的液態(tài)水廓線，每隔2~3 min掃描一次。它包括了溫度廓線子系統(tǒng)和水汽廓線子系統(tǒng)這兩個頻率段的子系統(tǒng)，分別在51~59 GHz和22~30 GHz之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測?？梢詫崿F(xiàn)天頂方向和斜路徑方向兩種模式交替觀測與反演，本文采用的是斜路徑模式的反演產(chǎn)品。

CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)是一種脈沖多普勒雷達(dá)，通過天頂、偏東15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五個波束位置在不同高度層的散射信號和數(shù)據(jù)處理，可以全天候連續(xù)探測邊界層水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直速度和功率譜數(shù)據(jù)，垂直探測范圍是100 m~10 km，探測頻率為6 min一次。

OTT Parsivel1型激光雨滴譜儀是以激光測量為基礎(chǔ)的高級光學(xué)粒子測量儀器，可以對探測到的降水粒子進(jìn)行分類，并同時測量和計算降水粒子的尺度和速度。Parsivel降水粒子譜測量系共有32個尺度通道和32個速度通道，其中粒子尺度測量數(shù)據(jù)范圍為0.2~25 mm，粒子速度測量范圍0.2~20 m·s-1，采樣間隔為1 min一次。

2 天氣實況

受到北方強冷空氣的影響，2020年3月26—28日，江蘇沿江蘇南的大部分地區(qū)出現(xiàn)了寒潮天氣。南京各站48 h最低氣溫降幅達(dá)15.6~16.8℃，為3月歷史同期極值；28日早晨最低氣溫0.4~1.5℃，其中南京站、溧水站和高淳站為2000年以來3月下旬最低值。

27日的后半夜到28日早晨，隨著氣溫的逐漸下降，除了最南端的高淳外，南京其余地區(qū)自北向南出現(xiàn)了雨-雨夾雪-雪-雨夾雪-雨的多相態(tài)轉(zhuǎn)換天氣，雨雪量為中等量級，其中南京站降雪時間為上半年歷史第四晚，為近10 a最晚。如表1，各站純雪時間僅為2~3 h，28日08時(北京時，下同)積雪深度南京站2 cm、溧水站1 cm，為上半年南京歷史上最晚積雪。

表1 2020年3月27日夜里南京各站降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時間、雨雪量和積雪深度Table 1 The phase transformation time,precipitation and snow depth in Nanjing in the night of 27 March 2020.

此次發(fā)生在南京3月底的罕見寒潮雨雪天氣過程共有4個特點∶48 h最低氣溫降幅大、最低氣溫低、降雪和積雪時間晚、降水相態(tài)轉(zhuǎn)換快。

3 環(huán)流背景

3.1 高空天氣形勢

3月26日08∶00的500 hPa高空圖上(圖略)，中高緯為兩槽兩脊的形勢，其中在烏拉爾山附近有一個高壓脊，東北北部有一個冷渦，其后部有-44℃的冷中心，冷空氣在此堆積，溫度槽落后于高空槽，有利于槽發(fā)展引導(dǎo)冷空氣南下。27日08∶00，500 hPa烏拉爾山高壓脊發(fā)展，并東移至貝加爾湖上空，渦后脊前的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，850 hPa江蘇處于等溫線密集帶內(nèi)，冷平流明顯。27日20∶00 500 hPa中緯度地區(qū)有南支槽東移，夜里影響南京，700 hPa在湖北北部有低渦發(fā)展，低渦切變線東移為南京地區(qū)降水提供了有利的動力和水汽條件，850 hPa有東北風(fēng)急流，0℃線位于沿淮一線，冷暖氣流在沿江蘇南一帶交匯(圖1)。28日凌晨，隨著冷空氣的不斷南下，850 hPa 0℃線南壓，氣溫持續(xù)下降，中層的暖濕氣流在低層冷墊上爬升，南京出現(xiàn)了雨雪轉(zhuǎn)換天氣。28日白天，隨著500 hPa高空槽的快速東移，降水漸止，天氣轉(zhuǎn)好。

圖1 2020年3月27日20∶00高空形勢綜合示意圖Fig.1 Synoptic diagram of high situation field at 20∶00 BT 27 March 2020.

3.2 地面天氣形勢

圖2為本次寒潮天氣過程地面冷鋒和冷高壓中心移動動態(tài)圖。26日08∶00，在貝加爾湖西南側(cè)有冷空氣堆積，冷高壓中心達(dá)1 057.5 hPa，地面冷鋒位于山東北部。26日午后起地面冷鋒開始自北向南影響江蘇，20∶00冷鋒到達(dá)南京，5個緯距內(nèi)有4根等壓線，氣壓梯度大，有利于產(chǎn)生大風(fēng)天氣。27日20∶00，冷高壓分裂為2個中心，一個仍在貝湖西南側(cè)，一個位于內(nèi)蒙中部，中心氣壓值都是1 032.5 hPa，夜里冷空氣補充南下，地面降溫明顯，南京出現(xiàn)了雨雪轉(zhuǎn)換天氣。28日14∶00，冷高壓中心南落至安徽北部，江蘇處于冷高壓控制之下，降水停止，天氣轉(zhuǎn)好。

圖2 2020年3月25日20∶00—28日14∶00地面天氣系統(tǒng)演變動態(tài)圖Fig.1 Dynamic diagram of surface weather system from 20∶00 BT 25 to 14∶00 BT 28 March 2020.

4 常規(guī)觀測資料分析

為了解本次寒潮雨雪天氣過程中南京上空氣溫的變化情況，本節(jié)用南京站的常規(guī)地面和高空資料進(jìn)行分析。如表2，本次寒潮天氣過程中地面氣溫有2個降溫階段，第一階段在26日夜里，受到冷鋒過境影響，12 h氣溫下降9.5℃，第二階段在27日夜里，12 h氣溫下降8.4℃，直接導(dǎo)致降雪的產(chǎn)生。高空500 hPa降溫最明顯的時段在26日夜里，和地面第一階段降溫相對應(yīng)，27日08∶00氣溫最低。700 hPa和850 hPa的氣溫是持續(xù)下降的，最低溫度均出現(xiàn)在28日08∶00，都低于-2℃。0℃層高度在26日08∶00—27日20∶00變化不明顯，維持在中層647—679 hPa之間，而在27日夜里卻發(fā)生陡降，到28日08∶00下降到了971 hPa。國內(nèi)已有的研究表明，0℃層高度的變化可導(dǎo)致降水性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，一般在雨轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪之前會有明顯降低，與本次過程相符。此外，27日08∶00—28日08∶00在814—897 hPa之間始終有逆溫層存在，加大了暖濕氣流爬升的斜率，有利于降雪天氣的產(chǎn)生。由此可見，本次降雪過程是在中低層溫度持續(xù)降低、0℃層高度明顯下降、低層存在逆溫的層結(jié)條件下產(chǎn)生的。

表2 2020年3月26日08∶00—28日08∶00南京站地面和高空要素Table 2 Surface and upper air meteorological elements at Nanjing station from 08∶00 BT 26 to 08∶00 BT 28 March 2020.

5 微波輻射計資料分析

水汽條件和高低空的溫度配置是能否產(chǎn)生降雪的關(guān)鍵，由于本次過程降水相態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁且間隔較短，主要出現(xiàn)在27日夜里，正好在常規(guī)高空探測資料的空白期，因此我們利用地基微波輻射計的溫度、液態(tài)水和水汽密度資料來進(jìn)一步分析降水相態(tài)轉(zhuǎn)換期間溫度層結(jié)和水汽的變化。李力等(2016)對比分析了南京站的微波輻射計和常規(guī)高空探測資料，認(rèn)為二者的氣溫資料差別較小，可參考性較高。陳英英等(2015)對比了雨雪天氣下MP-3000A微波輻射計斜路徑與天頂觀測的反演結(jié)果，認(rèn)為斜路徑方向的反演產(chǎn)品與探空觀測的更為一致。張文剛等(2015)將MP-3000A微波輻射計的水汽和液態(tài)水與探空得到的大氣可降水量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者偏差較小且相關(guān)性較好，可對降水的預(yù)報提供參考。

5.1 溫度層結(jié)

從27日20∶00—28日08∶00南京站微波輻射計溫度剖面圖(如圖3)可以看出，在27日23∶30降水開始之前，南京上空0℃層高度為2.6—3 km，地面氣溫較高，在8℃以上；27日23∶30—28日03∶00，各層氣溫都有所下降，其中0℃層高度快速降至1.3 km左右，地面氣溫逐漸下降至2℃，近地層500米以下開始出現(xiàn)逆溫層，此時降水開始，相態(tài)為雨；28日03∶00—04∶00，1.5—3 km的氣溫不斷下降至-2～-4℃，冷空氣從中低層持續(xù)滲透，0℃層高度維持在1.2—1.3 km，地面氣溫降至1～2℃，此時降水相態(tài)轉(zhuǎn)為雨夾雪；28日04∶00—06∶00，0℃層高度再次下降，最低至0.8 km，地面氣溫降至0～1℃，高空冷層深厚，利于雪花降落到地面，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪；28日06∶00—07∶30，0℃層高度回升至1.3 km左右，地面氣溫仍位于1℃以下，此時再次轉(zhuǎn)為雨夾雪天氣；28日07∶30以后，地面氣溫上升至2℃以上，近地層逆溫明顯減弱，轉(zhuǎn)為降雨天氣。

圖3 2020年3月27日20∶00—28日08∶00南京站微波輻射計溫度剖面圖(白色線為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時刻)Fig.3 Temperature profile from microwave radiometer at Nanjing station from 20∶00 BT 27 to 08∶00 BT 28 March 2020(White lines are the times of precipitation phase transition).

由以上分析可見，本次雨雪天氣過程中，中低層先降溫、地面后降溫，降雪時段近地層有薄的暖層，這和冬季降雪通常整層氣溫都在0℃以下有所不同。微波輻射計觀測的高低層的溫度配置，尤其是0℃層高度的變化，和降水相態(tài)轉(zhuǎn)換有較好的對應(yīng)關(guān)系，二者是相互作用的，高空的雨滴、冰晶或雪花降落過程中不斷蒸發(fā)，使得氣層溫度降低、地面氣溫下降，地面氣溫的下降也有利于雪花降落到地面形成積雪。降雪需要深厚的高空冷層，0℃層高度的變化可作為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的判據(jù)之一，這與李江波等(2009)、楊成芳等(2013)、邵宇翔和李周(2016)的結(jié)論一致。

5.2 水汽條件

從微波輻射計觀測的液態(tài)水和水汽密度可以看出本次雨雪過程中水汽的變化情況。如圖4所示，在降水開始前，受到西南暖濕氣流影響，高空有少量水汽積聚，液態(tài)水含量和水汽密度的最大值分別為0.24 g·m-3和8.92 g·m-3，均出現(xiàn)在27日22∶25的3.5 km處。降水開始后，1—4 km的液態(tài)水含量有所增大，其中3—4 km增加得尤為明顯，水汽密度在低空2.5 km以下增加得不明顯，但在2.8—4 km有明顯增大，二者的大值區(qū)都與700 hPa低渦切變線附近水汽通量輻合區(qū)的高度一致(圖略)。液態(tài)水含量和水汽密度的最大值均出現(xiàn)在28日03∶00—04∶00雨夾雪時段，分別為0.65 g·m-3和12.77 g·m-3，對應(yīng)此時段1 h降水量達(dá)3.8 mm，也是整個雨雪過程中的峰值。而在28日04∶00—06∶00的純雪時段，液態(tài)水含量和水汽密度的厚度及強度都比雨或雨夾雪時段小，這可能是由于冷空氣南下使得大濕區(qū)南移，以及小雨滴凝結(jié)為大的降雪粒子降落共同所致。由于冷空氣從低層侵入，中層的暖濕氣流在冷墊上爬升，因此整個雨雪天氣過程中，低層的水汽都比中層要少。由此可見，微波輻射計探測的液態(tài)水含量和水汽密度資料與天氣實況符合較好，對于降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換有一定的指示意義。

圖4 2020年3月27日20∶00—28日08∶00南京站微波輻射計液態(tài)水含量剖面(a)、水汽密度剖面圖(b)與逐小時降水疊加圖Fig.4 Liquid water profile and vaper density profile from microwave radiometer，and hourly precipitation at Nanjing station from 20∶00 BT 27 to 08∶00 BT 28 March 2020.

6 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

本節(jié)利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析這次雨雪天氣過程中南京上空風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的變化特征。何婧等(2018)對南京站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)場資料質(zhì)量進(jìn)行了評估，認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)探測到的水平風(fēng)速與常規(guī)探空資料觀測基本一致，兩者的偏差標(biāo)準(zhǔn)差基本在2.5 m·s-1附近?？笛┑?2020)的分析結(jié)果表明，南京風(fēng)廓線雷達(dá)在毛毛雨和小雨這兩個降水等級下測得的水平風(fēng)可信度較高。

圖5為2020年3月27日22∶00—28日10∶00南京站風(fēng)廓線雷達(dá)逐半小時風(fēng)場的演變，從圖中可以看出，在降水開始前，低層2 km以下為一致的東北風(fēng)，3 km以上為西南風(fēng)，之間風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流輸送，這與微波輻射計在同時段探測到的0℃層高度相一致。隨著西南氣流的增強，中低層液態(tài)水和水汽密度增大，降雨開始，同時低層1 km以下的北風(fēng)風(fēng)量有所加大，說明有冷空氣從低層滲透，對應(yīng)微波輻射計探測的低層氣溫逐漸下降。在雨轉(zhuǎn)雪時段，低層冷墊逐漸增厚，轉(zhuǎn)為純雪時擴展到3 km附近，最高達(dá)3.8 km，對應(yīng)微波輻射計探測的0℃層高度明顯下降，冷空氣的影響迫使西南暖濕空氣不斷抬升，從而導(dǎo)致了降水相態(tài)轉(zhuǎn)變。在整個雨雪階段，由于中低空西南急流沒有穩(wěn)定建立，加上降水相態(tài)轉(zhuǎn)換較快，因此沒有造成強降雪天氣。28日07∶30再次轉(zhuǎn)為雨之后，高層轉(zhuǎn)為一致的西北風(fēng)，之前的暖平流區(qū)轉(zhuǎn)為冷平流區(qū)，說明高空槽東移過境，此時干冷氣流深厚，降雨逐漸停止。

圖5 2020年3月27日22∶00—28日10∶00南京站風(fēng)廓線雷達(dá)演變Fig.5 Vertical distribution of wind profile radar data at Nanjing station from 22∶00 BT 27 to 10∶00 BT 28 March 2020.

王文波等(2020)的研究指出，風(fēng)廓線雷達(dá)探測的1 km以下超低空風(fēng)場變化是降水開始的信號，低層冷墊強度的變化決定降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，與本文的分析一致，但是轉(zhuǎn)為純雪的重要信號是冷墊擴展到1.5 km高度，比本文分析的3 km明顯偏低，這可能是季節(jié)和地域差異所致。

7 激光雨滴譜資料分析

在本次雨雪天氣過程中，位于南京最南端的高淳區(qū)并沒有出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換天氣，一直是降雨，因此利用南京站和高淳站激光雨滴譜儀的觀測數(shù)據(jù)來對比分析降雨粒子和降雪粒子的特征。李力等(2018)對比分析了南京站的Parsivel降水粒子譜儀與雨量計數(shù)據(jù)，得出二者的雨量數(shù)據(jù)相差較小，可以應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)中。

7.1 不同類型降水粒子的直徑和降落末速度對比

圖6、圖7分別為南京站和高淳站的激光雨滴譜儀在28日02∶00—08∶00觀測的逐小時累計粒徑-粒速分布圖?？梢钥闯?，南京站在02∶00—03∶00降雨時段，降水粒子的降落末速度基本隨直徑的增大而增大，粒子直徑總體較小，大部分在0～3 mm，降落末速度較大，有較多數(shù)量的粒子末速度在5 m·s-1以上；在03∶00—04∶00雨夾雪階段，部分降水粒子的直徑開始增大，同時末速度減小；到了04∶00—06∶00的降雪時段，降水粒子整體直徑比較大，大部分在0～8 mm，降落末速度較小，基本都在5 m·s-1以下；06∶00以后南京站先后轉(zhuǎn)為雨夾雪和雨，降水粒子又逐漸恢復(fù)為粒子直徑小、降落末速度大的特征。而高淳站在02∶00—08∶00時降雨期間，降水粒子直徑始終比較小，大部分在0～3 mm，降落末速度一直較大，有較多數(shù)量的粒子末速度在5 m·s-1以上，最大達(dá)10 m·s-1。

圖6 2020年3月28日02∶00—08∶00(a—f)南京站逐小時激光雨滴譜儀累計粒徑-粒速分布圖(N(D)為數(shù)濃度，單位：m-3·mm-1)Fig.6 Hourly cumulative particle diameter and falling velocity distribution from laser precipitation spectrometer at Nanjing station from 02∶00—08∶00 BT 28 March 2020(a-f).N(D)is number concentration，unit:m-3·mm-1.

圖7 2020年3月28日02∶00—08∶00(a—f)高淳站逐小時激光雨滴譜儀累計粒徑-粒速分布圖(N(D)為數(shù)濃度，單位：m-3·mm-1)Fig.7 Hourly cumulative particle diameter and falling velocity distribution from laser precipitation spectrometer at Gaochun station from 02∶00—08∶00 BT 28 March 2020(a-f).N(D)is number concentration，unit:m-3·mm-1.

由以上分析可見，激光雨滴譜儀觀測的降雨和降雪粒子的粒子直徑及降落末速度均有明顯差別，降雨粒子直徑小、降落末速度大，而降雪粒子直徑大、降落末速度小，雨夾雪則介于二者之間，這些特征可以用來輔助判斷降水相態(tài)的變化。

7.2 不同類型降水的粒子譜特征

圖8給出28日02∶00—08∶00南京站和高淳站不同類型降水的平均譜分布。從中看到，在0～2 mm的小直徑區(qū)，各降水類型的粒子譜型非常接近，都呈雙峰分布，分別在0.8、1.4達(dá)到峰值，在第一峰時雨夾雪的數(shù)濃度最大，在第二峰時純雪的數(shù)濃度最大。而對于直徑大于2 mm的粒子，不同類型降水的粒子譜差異較大。其中在降雨階段，南京站和高淳站的雨滴譜相似，雨滴譜較寬，最大直徑在6 mm左右，隨著粒子直徑的增大，數(shù)濃度明顯減??；在雨夾雪階段，譜寬增大，最大直徑接近12 mm，數(shù)濃度明顯增大，雨夾雪譜型呈波動下降趨勢；在純雪階段，譜寬最大，最大直徑達(dá)到13 mm，數(shù)濃度繼續(xù)增大，雪花譜型呈多峰結(jié)構(gòu)。在上文5.1節(jié)微波輻射計資料溫度層結(jié)分析中可知，本次過程降雪期間近地層有薄的暖層，地面氣溫在0～1℃，因此高空的雪花降落到近地層時，其表面融化，經(jīng)碰撞合并后易形成大雪花。綜上所述，從雨—雨夾雪—純雪階段，粒子譜型經(jīng)歷了雙峰—波動—多峰的演變過程，譜寬與數(shù)濃度呈明顯增加趨勢。

圖8 2020年3月28日02∶00—08∶00南京站和高淳站不同類型降水的平均譜特征Fig.8 The average spectrum characteristics of different precipitation at Nanjing and Gaochun station from 02∶00—08∶00 BT 28 March 2020.

8 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測資料和3種新型觀測資料對2020年3月底南京地區(qū)一次寒潮雨雪天氣過程中的降水相態(tài)演變特征進(jìn)行了分析，主要有以下結(jié)論∶

(1)本次寒潮雨雪天氣過程有4個特點∶48 h最低氣溫降幅大、最低氣溫低、降雪和積雪時間晚、降水相態(tài)轉(zhuǎn)換快。

(2)烏拉爾山高壓脊、高空冷渦、地面強冷高壓、地面冷鋒是造成本次寒潮的天氣系統(tǒng)。降雪發(fā)生在500 hPa南支槽東移、700 hPa低渦切變線東伸、850 hPa東北回流的形勢下。南支槽前西南氣流提供水汽、850 hPa以下冷空氣造成中低層氣溫持續(xù)下降是產(chǎn)生降水相態(tài)變化的關(guān)鍵。

(3)微波輻射計觀測資料顯示，雨雪過程中低層先降溫、地面后降溫，近地層有暖層。降水相態(tài)轉(zhuǎn)換前后，0℃層高度變化明顯，純雪時段達(dá)到最低，可作為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的判據(jù)之一。過程期間水汽主要分布在3—4 km，液態(tài)水含量和水汽密度在雨夾雪時段最大，在純雪時段最小。

(4)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測的垂直風(fēng)場反映出低層冷空氣南下使冷墊增厚，迫使暖濕空氣抬升、氣溫下降，從而導(dǎo)致降水相態(tài)轉(zhuǎn)變。由于西南急流沒有穩(wěn)定建立，因此未出現(xiàn)強降雪天氣。

(5)激光雨滴譜儀觀測的降雨和降雪粒子有明顯差別，降雪粒子的直徑大、降落末速度小，而降雨粒子直徑小、降落末速度大，雨夾雪則介于二者之間，可以用來監(jiān)測和預(yù)報降水相態(tài)的變化。從雨—雨夾雪—純雪階段，粒子譜型經(jīng)歷了雙峰—波動—多峰的演變過程，譜寬與數(shù)濃度呈明顯增加趨勢。

本文中使用微波輻射計觀測的0℃層高度變化雖然對降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換有明顯指示意義，但由于微波輻射計的氣溫資料和常規(guī)探空資料略有偏差，需在今后的研究中通過多個雨雪天氣個例進(jìn)一步總結(jié)提煉各降水相態(tài)的0℃層高度指標(biāo)。