2011年貴州兩次降雪天氣過(guò)程的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

周治黔，朱 燕，黃世芹，羅乃興，田 程

(1.貴州省大氣探測(cè)與技術(shù)保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省貴陽(yáng)市白云區(qū)氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550014;3.貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引言

降雪是我國(guó)北方冬季的主要降水形式，貴州屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑，因此貴州冬季降雪是比較少的。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，特別是高速公路網(wǎng)的建成和城市交通的快速發(fā)展，降雪對(duì)公路運(yùn)輸、城市交通、生活出行等造成的影響越來(lái)越大，雪災(zāi)作為一種災(zāi)害性天氣越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

對(duì)于降雪天氣成因的分析，國(guó)內(nèi)有多種不同的分析角度，有利用對(duì)稱不穩(wěn)定度來(lái)判斷分析的［1－2］，也有對(duì)降雪天氣過(guò)程進(jìn)行形勢(shì)診斷和中尺度分析的［3－8］，有運(yùn)用多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)雨雪天氣分析的［9－11］，部分學(xué)者還對(duì)降雪過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究［12］等等。有關(guān)貴州降雪天氣的文章非常少，宋丹等［6］對(duì)貴州近44 a降雪天氣形勢(shì)及物理量進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果顯示:造成貴州降雪天氣可以分為4種類型，分別是北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動(dòng)型和高空急流型;一次降雪天氣過(guò)程是由一種或多種類型組合而成。林易［13］對(duì)貴州一次強(qiáng)降雪天氣過(guò)程分析后得知:強(qiáng)降雪的產(chǎn)生主要是由于受高空深厚的西南暖濕氣流、中低層輻合系統(tǒng)、地面冷空氣以及前期地面溫度持續(xù)偏低的共同影響所致。湯俊等［14］運(yùn)用EPV判斷CSI應(yīng)用于貴州降雪天氣預(yù)報(bào)。但是貴州省內(nèi)應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品資料進(jìn)行降雪過(guò)程分析的文章目前還是一個(gè)空白，預(yù)報(bào)員缺少應(yīng)用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料進(jìn)行降雪短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)、方法和指標(biāo)，因此，加強(qiáng)多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料在貴州降雪過(guò)程中的研究應(yīng)用具有重要意義。

由于貴州省降雪次數(shù)較少，應(yīng)用雷達(dá)資料進(jìn)行降雪過(guò)程跟蹤的個(gè)例也不多。在2011年1月17日—20日的兩次降雪過(guò)程中，貴陽(yáng)多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行了全程跟蹤，獲得了連續(xù)的回波資料。本文利用貴陽(yáng)多普勒天氣雷達(dá)資料，結(jié)合環(huán)流形勢(shì)，詳細(xì)分析了雷達(dá)基本反射率、回波頂高、基本徑向速度以及風(fēng)廓線等產(chǎn)品，探討了貴州省降雪過(guò)程中中小尺度系統(tǒng)在多普勒雷達(dá)上的特征及其與降雪的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總結(jié)了一些貴州省降雪的雷達(dá)產(chǎn)品特征，為今后貴州降雪短時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供參考。

2 天氣實(shí)況

2011年1月17日—20日，貴州省出現(xiàn)了兩次大范圍的降雪天氣過(guò)程，第1次主要出現(xiàn)在17日11時(shí)—18日03時(shí)左右;第2次主要出現(xiàn)在18日23時(shí)—20日06時(shí)。截至20日08時(shí)貴州省共有78個(gè)縣(市、區(qū))出現(xiàn)積雪;其中省的東部地區(qū)、西部及西南部共有19個(gè)縣(市、區(qū))積雪在10 cm以上，最大的積雪厚度出現(xiàn)在銅仁萬(wàn)山，其積雪29 cm。這兩次降雪過(guò)程之前貴州省已經(jīng)連續(xù)出現(xiàn)了17 d嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，省民政廳1月19日的災(zāi)情統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示全省受災(zāi)人口749萬(wàn)人，因?yàn)?zāi)死亡1人，因?yàn)?zāi)倒損房屋24 535間;直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)39.14億元。所以再次出現(xiàn)的大范圍降雪，一定程度上進(jìn)一步加重了低溫雨雪冰凍災(zāi)害的程度，對(duì)交通運(yùn)輸、生活出行和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等影響非常嚴(yán)重。

3 環(huán)流形勢(shì)分析

500 hPa上，16日20時(shí)，在巴爾喀什湖西側(cè)和貝加爾湖附近分別出現(xiàn)切斷低壓，橫槽位于45°N附近，兩湖之間形成阻塞高壓，冷空氣在橫槽附近堆積。到17日20時(shí)，阻塞高壓形勢(shì)維持，貝加爾湖東側(cè)的切斷低壓緩慢東移，橫槽略有南壓;18日20時(shí)貝加爾湖西側(cè)低槽繼續(xù)加深為新的切斷低壓，前一個(gè)切斷低壓繼續(xù)東移南壓，橫槽繼續(xù)維持;19日20時(shí)新生成的切斷低壓南壓，引導(dǎo)冷空氣南下。持續(xù)維持到22日20時(shí)該橫槽轉(zhuǎn)豎。17日08時(shí)—19日08時(shí)南支槽基本位于85～90°E附近，貴州主要受槽前西南氣流影響，20日08時(shí)南支槽依然維持，但強(qiáng)度減弱，且17日08時(shí)—20日08時(shí)高原東側(cè)不斷有分裂的小槽東移影響貴州。

700 hPa上，16日20時(shí)貴州中南部的西南急流建立，并維持到19日20時(shí)，水汽供應(yīng)充足，20日08時(shí)轉(zhuǎn)為偏西氣流，水汽供應(yīng)減弱，降雪也隨之減弱。但16日20時(shí)—20日08時(shí)在貴州中部始終維持著風(fēng)向切變或風(fēng)速切變。急流為降雪提供充足的水汽供應(yīng)，切變系統(tǒng)則為其創(chuàng)造抬升機(jī)制。溫度場(chǎng)上冷舌一直維持，溫度始終低于0℃，無(wú)明顯融化層，是導(dǎo)致此次降水以雪為主的一個(gè)重要原因。

850 hPa上，16日20時(shí)，在貝加爾湖到河套地區(qū)有一大范圍冷高壓，17日20時(shí)高壓強(qiáng)度達(dá)到此次連續(xù)過(guò)程中最強(qiáng)，并且伸展至我國(guó)的東部地區(qū)，一直到20日20時(shí)高壓才明顯減弱。由于高壓的穩(wěn)定存在，貴州省主要受高壓西南部的東偏南氣流影響，與高原小槽帶來(lái)的偏北氣流在貴州中南部形成風(fēng)向切變并長(zhǎng)期停留，促發(fā)低層輻合抬升。

地面圖上，16日08時(shí)在云南北部到重慶之間有一地面輻合線，滇黔靜止鋒位于云南的西部，20時(shí)輻合線東段南壓，西段北抬，滇黔靜止鋒略東移，位于云南中部偏西;17日20時(shí)滇黔靜止鋒移到云南東部，并持續(xù)維持到20日20時(shí)，20時(shí)開(kāi)始滇黔靜止鋒北抬減弱，降雪也隨之減弱。

總之，此次過(guò)程是由高原小槽東移引導(dǎo)弱冷空氣南下，促發(fā)近地面層輻合抬升而出現(xiàn)的兩次大范圍且持續(xù)的降雪天氣過(guò)程。

4 探空資料分析

從貴陽(yáng)探空資料分析可知，1月16日20時(shí)—20日20時(shí)在850～700 hPa之間存在明顯的逆溫層，逆溫層頂最高氣溫除19日20時(shí)略高于0℃出現(xiàn)融化層，不利于降雪外，其余時(shí)段逆溫層頂最高氣溫均在0℃及以下，有利于降雪的產(chǎn)生。從水汽條件分析，1月16日20時(shí)—20日20時(shí)，逆溫層頂及以下水汽飽和，逆溫層頂以上水汽條件較差。

利用貴陽(yáng)探空進(jìn)行高空風(fēng)的分析，17日08時(shí)—20日08時(shí)貴陽(yáng)低層850 hPa風(fēng)向除18日20時(shí)為東南偏風(fēng)外，其余時(shí)段均為東北風(fēng)，風(fēng)速較小;700 hPa均一致轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速迅速增加;500 hPa以上均為一致的西南風(fēng)或西南偏西風(fēng)，500 hPa和400 hPa的風(fēng)速在19～39 m/s之間，到了300 hPa和250 hPa風(fēng)速迅速增加到53～83 m/s之間(見(jiàn)表1)，說(shuō)明對(duì)流高層存在風(fēng)速輻散，對(duì)對(duì)流低層的抽吸作用非常明顯。

表1 17日08時(shí)—20日08時(shí)貴陽(yáng)探空各層風(fēng)速表

5 雷達(dá)回波特征分析

5.1 反射率因子特征

此次降雪過(guò)程主要是由于高空波動(dòng)槽東移，低層切變維持，地面弱冷空氣補(bǔ)充，滇黔靜止鋒活躍共同影響造成的。由于滇黔靜止鋒鋒區(qū)寬廣、水平范圍大、近地層風(fēng)速小、低層抬升能量有限、垂直上升運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，從而形成了較大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、較均勻的層狀云降水。

由于冰晶和雪片對(duì)微波的散射能力比水滴小得多，對(duì)微波的衰減作用也較小，因此雪的回波強(qiáng)度通常要比連續(xù)性降水回波弱［15］。根據(jù)分析得知，當(dāng)降雪過(guò)程中夾雜冰粒時(shí)，回波的對(duì)流發(fā)展較為旺盛，中心強(qiáng)度能達(dá)到50 dBz;當(dāng)降雪過(guò)程中以純雪為主時(shí)，回波強(qiáng)度普遍偏低，大部分回波強(qiáng)度均在30 dBz以下，中心強(qiáng)度普遍在30～40 dBz之間，反射率因子的分布梯度總體不大。這兩次降雪過(guò)程中由于700 hPa存在18 m/s以上持續(xù)維持的低空西南急流，500 hPa和400 hPa也為一致的西南風(fēng)或西南偏西風(fēng)，風(fēng)速均達(dá)到19～39 m/s之間，因此造成回波的移動(dòng)速度也非?？?，回波移動(dòng)速度普遍在30 km/h以上。

同時(shí)，兩次過(guò)程中回波的生消速度比較快，降雪過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的降雪中斷現(xiàn)象，對(duì)于某一地點(diǎn)降雪回波主要呈現(xiàn)間歇性影響的形式。以貴陽(yáng)站為例，17日11時(shí)—18日03時(shí)的降雪過(guò)程中，共有3個(gè)主要的降雪時(shí)段，分別是17日12時(shí)—14時(shí)、19時(shí)—20時(shí)和20時(shí)30分—18日01時(shí);18日23時(shí)—20日06時(shí)的降雪過(guò)程中，共5個(gè)主要的降雪時(shí)段，分別是19日00時(shí)—03時(shí)、04時(shí)—05時(shí)、06時(shí)—10時(shí)、15時(shí)—16時(shí)30分和20日00時(shí)—06時(shí)。

5.2 回波頂高特征

1月17日11時(shí)39分—18日02時(shí)23分共采集到155個(gè)降雪回波體掃資料，根據(jù)對(duì)各個(gè)體回波頂高資料分析可知，回波頂高最大值為8.5 km;回波頂高在 5～7 km的共出現(xiàn)99個(gè)，占總數(shù)的63.9%;回波頂高在7 km以上的共出現(xiàn)18個(gè)，占總數(shù)的11.6%;回波頂高在5 km及以下的共出現(xiàn)38個(gè)，占總數(shù)的24.5%(見(jiàn)圖1)。

圖1 2011年1月17日11時(shí)39分至18日02時(shí)23分降雪回波頂高最大值曲線

1月18日22時(shí)30分—20日06時(shí)51分共采集到375個(gè)降雪回波體掃資料，根據(jù)對(duì)各個(gè)體掃資料的回波頂高分析得知，回波頂高最大值為8.8 km;回波頂高在5～7 km的共出現(xiàn)223個(gè)，占總數(shù)的59.4%;回波頂高在7 km以上的共出現(xiàn)28個(gè)，占總數(shù)的7.5%;回波頂高在5 km及以下的共出現(xiàn)125個(gè)，占總數(shù)的33.1%(見(jiàn)圖2)。

圖2 2011年1月18日22時(shí)30分至20日06時(shí)51分降雪回波頂高最大值曲線

由此可見(jiàn)，降雪回波的高度比較低，一般回波頂高在5～7 km之間;發(fā)展旺盛階段，強(qiáng)回波中心的高度可以超過(guò)8 km。這是因?yàn)?，其它季?jié)的對(duì)流性降水主要通過(guò)上升運(yùn)動(dòng)使水滴碰并增長(zhǎng)后降落，與其不同，冬季的降水方式則主要通過(guò)降溫形成冰晶和雪片并降落。根據(jù)對(duì)貴陽(yáng)探空資料分析后可知:17日08時(shí)—20日08時(shí)貴陽(yáng)上空－20℃層的高度分別為7 820 m、9 750 m、5 610 m、6 237 m、5 964 m、6 180 m和8 953 m。因此，可以看出，降雪回波頂高普遍在－20℃附近，關(guān)系密切。

－20℃層高度的變化對(duì)降雪量變化也有直接的影響。以貴陽(yáng)站為例，貴陽(yáng)探空顯示17日08時(shí)—20時(shí)－20℃層高度從7 820 m升高至9 750 m，監(jiān)測(cè)表明17日降雪開(kāi)始至20時(shí)降雪總量為1.5 mm;17日20時(shí)—18日08時(shí)，－20℃層高度從9 750 m下降至5 610 m，此時(shí)段的降雪總量為2.8 mm，接近于白天的1倍。18日20時(shí)—19日20時(shí)－20℃層高度持續(xù)維持在6 000 m左右，降雪持續(xù)維持，該次過(guò)程的降雪也主要集中在這個(gè)時(shí)段，20日08時(shí)－20℃層升至8 953 m以后，降雪逐漸減弱，直至停止，20日08時(shí)后，貴陽(yáng)僅有微量量級(jí)的降雪。因此，－20℃層高度適宜，降雪量大，－20℃層高度升高，降雪將會(huì)逐漸減弱。

5.3 速度場(chǎng)特征

一般情況下，降雪過(guò)程主要是層狀云降水，均勻、連續(xù)、范圍大，通過(guò)多普勒雷達(dá)的徑向速度圖可以獲取風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)。但是在這兩次降雪過(guò)程中，降雪間歇性較大，僅出現(xiàn)了4次大范圍連續(xù)回波過(guò)站。

對(duì)這4次回波過(guò)站的所有徑向速度圖進(jìn)行分析可以得知，徑向速度的等值線比較密集，沿徑向梯度變化大，最大風(fēng)速基本達(dá)到最大測(cè)速范圍，個(gè)別時(shí)次還出現(xiàn)了測(cè)速模糊，根據(jù)退模糊處理可知中高層的西南風(fēng)基本均在24 m/s以上。兩次降雪過(guò)程中，近地面零速度線呈現(xiàn)NNW－SSE走向，說(shuō)明近地面層主要為偏東風(fēng);中高層零速度線呈現(xiàn)NW－SE走向，說(shuō)明中高層主要為西南風(fēng)(圖略)。由表2看出，除了18日20時(shí)850 hPa與中高層的風(fēng)向差＜180°，風(fēng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，存在暖平流外;其余各個(gè)時(shí)段850 hPa與中高層的風(fēng)向差均在180°以上，存在一定的風(fēng)隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，低空均有冷平流存在，低層抬升機(jī)制弱。因此兩次降雪過(guò)程均是近地面層冷空氣南下影響后，滇黔靜止鋒增強(qiáng)活躍，進(jìn)一步觸發(fā)低層抬升，中高層西南暖濕氣團(tuán)移動(dòng)到冷氣團(tuán)凝結(jié)后形成的降雪。

表2 17日08時(shí)—20日08時(shí)貴陽(yáng)探空各層風(fēng)向表

在這兩次降雪天氣的4次大范圍連續(xù)回波過(guò)站過(guò)程中，有8個(gè)體掃資料的徑向速度圖的近地面出現(xiàn)較為完整的“牛眼”狀正負(fù)速度對(duì)，正負(fù)速度中心位置偏低，速度值偏小，最大值在8 m/s左右，最小時(shí)僅為5 m/s左右，這與探空資料的結(jié)果比較吻合?！芭Ｑ邸遍]合等值線最外圈高度一般在2.2 km左右，最低為2.15 km，最高達(dá)到2.28 km。因此，“牛眼”回波是降雪過(guò)程中的一個(gè)典型特征。

根據(jù)對(duì)“牛眼”正負(fù)速度中心值進(jìn)行分析，17日21時(shí)—22時(shí)，“牛眼”狀回波正負(fù)速度中心值為5 m/s左右，從17日20時(shí)—18日03時(shí)貴陽(yáng)的降雪總量為2.8 mm，貴陽(yáng)以東的烏當(dāng)區(qū)降雪總量為1.6 mm，貴陽(yáng)以西的清鎮(zhèn)市降雪總量達(dá)2.5 mm，03時(shí)后雪停。19日04時(shí)—06時(shí)，“牛眼”狀回波正負(fù)速度中心值為7.7 m/s左右，18日20時(shí)—19日06時(shí)貴陽(yáng)的降雪總量為3.8 mm，貴陽(yáng)以東的烏當(dāng)區(qū)降雪總量為6.9 mm，貴陽(yáng)以西的清鎮(zhèn)市降雪總量達(dá)7.1 mm，19日06—08時(shí)“牛眼”狀回波特征仍維持，且正負(fù)速度中心數(shù)值增大到8 m/s左右，此時(shí)段貴陽(yáng)的降雪持續(xù)，降雪量為0.8 mm?？梢?jiàn)，“牛眼”狀回波正負(fù)速度中心值越大，說(shuō)明近地面層的暖平流越強(qiáng)，地面抬升的能量也越大，速度中心值的大小與降雪量存在一定的正比關(guān)系。

5.4 風(fēng)廓線特征

兩次降雪天氣過(guò)程中，近地面風(fēng)向主要為東南風(fēng)或東北風(fēng)，部分時(shí)段出現(xiàn)了東北偏北風(fēng)，中層到5 km以下基本上是一致的西南風(fēng)或西南偏西風(fēng)，部分時(shí)段出現(xiàn)了正西風(fēng)，風(fēng)速在24 m/s左右。

以貴陽(yáng)為例，17日12時(shí)—14時(shí)，風(fēng)廓線產(chǎn)品上1.5 km高度為一致的東南風(fēng)，此時(shí)貴陽(yáng)降雨夾雪。14時(shí)14分開(kāi)始，1.5 km高度上風(fēng)向逐漸向偏北方向旋轉(zhuǎn)，14時(shí)31分風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北偏東風(fēng)，此時(shí)降水類型逐步轉(zhuǎn)為純雪。

17日18時(shí)—18日00時(shí)，風(fēng)廓線圖上1.5 km及1.8 km高度上為一致的東北風(fēng)或東北偏北風(fēng)，此時(shí)貴陽(yáng)降純雪。1月18日00時(shí)02分低層1.5 km處出現(xiàn)東南風(fēng)，對(duì)照回波反射率因子，在此之后，回波逐漸東移減弱消失，降水類型逐漸由純雪轉(zhuǎn)變?yōu)橛陫A雪。

貴陽(yáng)18日23時(shí)—19日02時(shí)降雨夾雪，此時(shí)，風(fēng)廓線產(chǎn)品上1.5 km高度為一致的東南風(fēng)或東南偏東風(fēng);02時(shí)56分，1.5 km高度出現(xiàn)東北偏北風(fēng)，降水中純雪開(kāi)始增多;04時(shí)07分開(kāi)始，1.5 km高度上為一致的東北風(fēng)，其中04時(shí)40分起1.5 km和1.8 km高度上均轉(zhuǎn)為東北偏北風(fēng)，此時(shí)降水全面轉(zhuǎn)為純雪。20日04時(shí)52分開(kāi)始，1.5 km高度上風(fēng)向由正北風(fēng)向東北風(fēng)偏轉(zhuǎn)，降水類型逐漸轉(zhuǎn)為雨夾雪，直至雪停。

6 小結(jié)

①貴州降雪回波強(qiáng)度一般＜30 dBz，中心強(qiáng)度普遍在30～40 dBz之間，反射率因子的分布梯度總體不大。但降雪過(guò)程中夾雜冰粒的時(shí)候，回波的對(duì)流發(fā)展較為旺盛，中心強(qiáng)度能達(dá)到50 dBz。

②降雪回波的頂高一般在7 km以下，其中頂高5～7 km的情況占到60%左右，發(fā)展旺盛時(shí)回波頂高可達(dá)到8 km以上。

③雷達(dá)徑向速度分析顯示，降雪回波徑向速度的等值線比較密集，沿徑向梯度變化大;中低層主要表現(xiàn)為冷平流;“牛眼”是降雪回波的一個(gè)典型特征，但“牛眼”高度一般較低，回波比較零散或者回波未過(guò)雷達(dá)時(shí)，該特征并不明顯?！芭Ｑ邸睜罨夭ㄕ?fù)速度中心值的大小與降雪量存在一定的正比關(guān)系。速度中心值越大，說(shuō)明近地面層的暖平流越強(qiáng)，地面抬升的能量也越大，降雪量也越大。

④風(fēng)廓線產(chǎn)品的近地面層風(fēng)向?qū)τ陬A(yù)報(bào)降水類型有明顯的指示意義，當(dāng)風(fēng)廓線產(chǎn)品上近地面1.5 km高度的風(fēng)向由東偏南轉(zhuǎn)為東偏北時(shí)，地面冷平流取代暖平流，雨夾雪向純雪轉(zhuǎn)換，反之，暖平流取代冷平流，則是純雪向雨夾雪轉(zhuǎn)換，或者降雪減弱消失。

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