2016年浙江省一次區(qū)域性暴雪天氣診斷和預報誤差分析*

張子涵 孫長 彭霞云 羅玲 李文娟

(浙江省氣象臺，浙江 杭州 310017)

2016年浙江省一次區(qū)域性暴雪天氣診斷和預報誤差分析*

張子涵 孫長 彭霞云 羅玲 李文娟

(浙江省氣象臺，浙江 杭州 310017)

利用NCEP再分析資料、Micaps資料以及自動站加密觀測資料對2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次區(qū)域性暴雪過程進行了天氣診斷和預報誤差分析，結(jié)果表明，本次降雪過程主要由強冷空氣、南支槽和低層切變共同影響造成的。700 hPa西南急流為強降雪的產(chǎn)生提供有利的水汽和能量條件。950 hPa的水汽通量散度場對強降雪區(qū)有一定的對應關系，濕層越厚，降雪越明顯，深厚的濕層為此次暴雪的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件。低層輻合、高層輻散的配置為降雪的產(chǎn)生提供有利的動力條件，強降雪區(qū)主要位于200 hPa負渦度中心區(qū)和750 hPa正渦度大值重疊區(qū)。中低層存在逆溫、近地層不存在高于0 ℃的融化層，是降雪產(chǎn)生的有利條件。此次降雪過程從量級和降水的起止預報上是比較準確的，但降雪的落區(qū)尤其是積雪深度的預報與實況相差較大，主要原因是對于溫度條件的預測失誤和對各地降雪量轉(zhuǎn)化為積雪深度的積雪率掌握不足。

暴雪；冷空氣；預報誤差；積雪率

0 引 言

暴雪天氣是我國冬季嚴重的主要災害性天氣之一，它的出現(xiàn)給交通、電力、通信、農(nóng)業(yè)、畜牧和人民生活帶來嚴重災害。對暴雪天氣的研究，全國氣象工作者較為重視，已有不少研究成果。趙桂香等[1]對華北大到暴雪過程切變線的動力診斷進行了分析，認為暴雪過程與中尺度切變線的發(fā)展和東移直接有關。朱坤等[2]對2008年1月25—29日長江中下游暴雪凍雨天氣過程進行了數(shù)值模擬和分析，結(jié)果表明中層西南急流對暖濕空氣的輸送以及低層冷空氣的持續(xù)擴散為暴雪和凍雨的發(fā)生提供較好的溫度層結(jié)條件。張小玲等[3]對高原的暴雪過程進行了水汽和動力診斷分析,認為水汽、條件不穩(wěn)定在高原暴雪中起重要作用。朱紅等[4]通過對浙江湖州歷史上20 a降雪個例的分析,提出了有利于該地區(qū)降雪的大氣溫度層結(jié)條件。徐雙柱等[5]對于湖北省區(qū)域大雪進行了機理分析,認為由于鋒面抬升和西南低空急流的作用,在對稱不穩(wěn)定條件下產(chǎn)生傾斜上升和下沉運動,形成中尺度傾斜環(huán)流,在充沛環(huán)境水汽條件下,產(chǎn)生大雪天氣。還有一些學者[6-8]從濕位渦特征、螺旋度、地面倒槽等方面對暴雪天氣進行了分析和比較，都得出了一些有意義的結(jié)論。

浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，強降雪天氣雖然比強降雨發(fā)生的概率低很多，但由于發(fā)生次數(shù)少，更容易引起社會各部門和老百姓的關注。對強降雪天氣預報是冬季天氣預報服務中的一個重點，也是一個難點。本文利用NCEP再分析資料、Micaps資料以及自動站加密觀測資料對2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次區(qū)域性暴雪過程進行了天氣診斷和預報誤差分析，以期能從中得到一些降雪預報的啟示，為今后降雪的精細化預報提供參考依據(jù)。

1 降雪過程概況

2016年1月20日傍晚起，降雪首先在浙江西北部山區(qū)開始，之后雪區(qū)逐漸向東南發(fā)展；21日浙中北大部地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣；22日降雪范圍進一步擴大，降雪強度也明顯加強，除沿海和浙南南部外，各地相繼出現(xiàn)中到大雪，部分暴雪天氣；23日全省雨雪止轉(zhuǎn)陰天，此次過程結(jié)束。此次過程浙江省積雪面積約7.79萬km2，占省陸域面積約76%，其中積雪5 cm以上約3.86萬km2，10 cm以上約1.75萬km2。縣城積雪深度較大的有德清25 cm、臨安24 cm、安吉20 cm、龍游和浦江11 cm，部分山區(qū)積雪達30 cm以上(圖1a)。從代表站逐小時雨雪量演變(圖1b)可以發(fā)現(xiàn)，強降雪時間主要集中在22日08時(北京時，下同)—22日14時。本次降雪過程導致浙江省出現(xiàn)嚴重冰凍災害,因災造成直接經(jīng)濟損失21.96億元。浙江省氣象臺對于該過程，在降雪的起止時間和降雪量級預報上把握比較準確，于20日上午便發(fā)布了大雪警報，但從降雪的落區(qū)尤其是積雪深度的預報檢驗來看，還存在一定的偏差。所以有必要對該過程進行分析，總結(jié)預報誤差原因，提高對降雪天氣的認識。

圖1 (a)2016年1月21—23日全省最大積雪分布(單位：cm)與(b)各代表站逐小時雨雪量演變(單位：mm)

2 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

從500 hPa的環(huán)流形勢來看，本次降雪過程屬于較典型的“橫槽型”[9]。在1月20日08時500 hPa高度場(圖2a)上，高緯度貝加爾湖東側(cè)存在完整的低渦，有-48 ℃冷中心配合，在低渦后部到新疆北部一帶有偏北風與西北偏西風的東西向橫槽；烏拉爾山附近有一高壓脊，脊后暖平流促使高壓脊不斷發(fā)展，脊前不斷加強的偏北氣流不斷引導冷空氣在貝加爾湖附近的橫槽內(nèi)堆積。中緯度地區(qū)有橫槽分裂的短波槽東移。低緯度我國西南地區(qū)有南支槽發(fā)展東移。700 hPa(圖略)高度場上，在23°N～30°N,105°E～120°E區(qū)域內(nèi)有明顯的西南急流存在,急流核位于廣西北部到湖南一帶，中心風速達26 m/s。850 hPa(圖略)高度場上，在江西—湖南—貴州一帶有偏南風和東南風的切變存在。地面氣壓場上(圖略)冷高主體位于貝加爾湖西部，高壓中心達1065 hPa,主鋒位于我國內(nèi)蒙古地區(qū)，浙江省處在主鋒前部的弱高壓環(huán)流底部東北氣流控制中，大部地區(qū)以多云天氣為主。20日傍晚起，伴隨高空短波槽、南支槽和850 hPa切變東移，浙江西北部山區(qū)開始降雪，之后降雪區(qū)伴隨冷空氣的擴散南下逐漸向東南方向擴展。22日08時(圖2b)，500 hPa高空冷渦東移南壓至我國東北地區(qū)，橫槽下擺，地面強冷空氣主體南下。同時700 hPa西南急流核東移至江西湖南一帶，中心風速增強至28 m/s，強西南急流給浙江省帶來充足的水汽和能量。850 hPa切變在東移過程由于冷空氣及西南氣流的加強，在江西省內(nèi)形成明顯低渦。浙江省位于700 hPa西南急流出口處左側(cè)，850 hPa低渦的東北側(cè)，具有較好的輻合抬升條件，降水明顯增強。杭州、湖州南部地區(qū)6 h累積降雪量超8 mm，達到暴雪量級。此外伴隨強冷空氣南下，850 hPa 0 ℃線南壓至福建北部地區(qū)，浙江南部的麗水地區(qū)也逐漸雨轉(zhuǎn)雪。23日白天(圖略)，500 hPa西風槽東移過境，浙江省中低層轉(zhuǎn)為一致的西北氣流控制，降雪天氣趨于結(jié)束。

由以上分析可見，此次降雪過程主要由強冷空氣、南支槽和低層切變共同影響造成，700 hPa西南急流為強降雪的產(chǎn)生提供了有利的水汽和能量條件。

(實線：500 hPa高度場，虛線：500 hPa溫度場，粗實線：槽線)圖2 實況500 hPa環(huán)流形勢 (a)1月20日08時 (b)1月22日08時

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件

充足的水汽供應是大雪和暴雪發(fā)生的重要物理條件，水汽通量散度在一定程度上反映了大氣中水汽的含量和聚集程度。分析各時次沿強降雪中心120°E的水汽通量散度垂直剖面圖,可見此次降雪區(qū)水汽幅合高度比較高，大部時段可達到600 hPa，低層輻合中心主要位于950 hPa。22日08時(圖3a)，29.5°N～30.8°N上空(圖中矩形區(qū))水汽通量輻合區(qū)高度更是達到了500 hPa，950 hPa輻合中心增強至-2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，此后6 h內(nèi)該區(qū)域產(chǎn)生了明顯的強降雪天氣，湖州南部、杭州大部縣站6 h累積降雪量超8 mm，達暴雪量級。22日14時(圖略)，該區(qū)域的水汽輻合高度降至700 hPa，低層950 hPa輻合中心也減弱至-1.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，此后6 h內(nèi)該區(qū)域降雪強度有所減弱，縣站最大6 h累積降雪量只有5.2 mm。23日02時(圖略)以后，該區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)水汽通量輻散區(qū)控制，降雪趨于結(jié)束。

圖3 2016年1月22日08時水汽通量散度 (a)沿120°E的垂直剖面圖；(b)850 hPa；(c)950 hPa(單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)

對降雪過程中各層水汽通量散度場和每6 h的降雪區(qū)(圖略)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)850 hPa的水汽通量散度場與強降雪區(qū)的對應關系并不顯著(圖3b)，而分析950 hPa的水汽通量散度幅合場(圖3c),可以發(fā)現(xiàn)該強降雪區(qū)基本處于-1×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽幅合區(qū)內(nèi)。950 hPa的水汽通量散度場與強降雪區(qū)有較好的對應關系。

此外經(jīng)暴雪區(qū)沿120°E的相對濕度垂直剖面圖(圖略)上，也可以發(fā)現(xiàn)強降雪時相對濕度達到90%的大濕區(qū)從地面一直伸展到300 hPa，整層大氣都處在一個比較飽和的狀態(tài)。濕層越厚，降雪越明顯，與水汽通量散度剖面圖分析結(jié)果一致，深厚的濕層為此次暴雪提供了有利的水汽條件。

3.2 動力條件

分析各時次各層渦度場發(fā)現(xiàn)，同樣850 hPa正渦度區(qū)與暴雪區(qū)的對應關系不明顯。從各時次沿強降雪區(qū)120°E渦度場的垂直剖面圖上可見，渦柱隨高度向北傾斜，正渦度中心不是簡單地分布在一個層次上而是有多個，且中心隨高度北傾。如22日08時(圖4a)，浙江省上空從低層到300 hPa都是明顯的正渦度區(qū)，正渦度中心主要有3個，分別位于750 hPa、550 hPa和400 hPa附近，中心值分別為8×10-5s-1、10×10-5s-1和8×10-5s-1。300 hPa以上基本為負渦度區(qū)，負渦度中心主要位于200 hPa附近，中心值達-6×10-5s-1。此后較明顯的降水區(qū)位于28°N～31°N之間，由于溫度條件的差異，強降雪區(qū)則主要出現(xiàn)在29.5°N～30.5°N之間。強降雪區(qū)并非完全與某層渦度中心相對應，而是基本處于200 hPa負渦度中心區(qū)和750 hPa正渦度大值重疊區(qū)，而低層850 hPa及以下為較小正渦度區(qū)甚至有弱的負渦度區(qū)；其它時次也有類似現(xiàn)象存在。這與冷空氣低層侵入后，正渦度柱隨高度北傾有關。

散度場上，在強降雪區(qū)的中低層500 hPa以下主要都處于輻合上升區(qū)，輻合中心也有多個，與渦度場相似，隨高度北傾；500 hPa以上為輻散區(qū)。這種低層輻合、高層輻散的配置在降雪過程中一直維持，有利于形成深厚的上升運動，22日08時(圖4b)，高低層散度差更是達到10×10-5s-1，抽吸作用明顯，為強降雪的發(fā)生提供了有利的動力條件。

圖4 2016年1月22日08時沿120°E的垂直剖面圖 (a)渦度場(單位：10-5 s-1)；(b)散度場(單位：10-5 s-1)

3.3 熱力條件

充足的水汽、深厚的上升運動是產(chǎn)生強降雪的必要條件，但要形成固態(tài)降雪還必須有合適的溫度條件。南方降雪有利的溫度條件在垂直方向上一般需要滿足以下幾點：地面溫度≤4 ℃，850 hPa溫度≤-3 ℃，700 hPa溫度≤0 ℃，500 hPa溫度≤-12 ℃，并且中層要有逆溫層[10]。曾欣欣[9]曾對浙江省歷年92次大雪過程進行統(tǒng)計分析，總結(jié)了大雪預報概念模型，并針對溫度條件進行了深入探討，當存在逆溫現(xiàn)象，且700 hPa溫度比850 hPa溫度要至少高出1 ℃時比較有利于降雪的產(chǎn)生。

對杭州站各層溫度層結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，杭州站20日20時500、700、850 hPa和地面氣溫分別為-17、-2、-7、3.4 ℃，滿足南方降雪有利的降雪條件[5]，但由于1000 hPa附近存在2 ℃的融化層，對應為降雨過程，21日08時(圖5a)500、700、850 hPa和地面氣溫分別為-16、-2、-5、0.5 ℃,1000 hPa的氣溫降至-1 ℃，700 hPa至850 hPa逆溫差達3 ℃，對應此時降水相態(tài)為降雪，結(jié)合地面逐小時觀測資料，降雪主要持續(xù)了16 h，累計降雪量11.2 mm，達暴雪量級。22日01時由于近低層偏東風的增強，海上暖濕氣流的影響使杭州1000 hPa到地面又出現(xiàn)了0 ℃以上的融化層，降水性質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)為降雨。22日08時(圖5b)，伴隨強冷空氣的南下，地面氣溫下降，又開始轉(zhuǎn)明顯的降雪，且由于水汽條件、動力條件進一步轉(zhuǎn)好，雖然700 hPa至850 hPa逆溫差只有0 ℃，此后6 h內(nèi)累積降雪量8.4 mm，12 h內(nèi)累積降雪量12.1 mm，亦達暴雪量級。

圖5 杭州站T-logp圖 (a)21日08時；(b)22日08時

由以上分析可見，要產(chǎn)生較明顯的降雪，溫度不僅僅需要滿足南方降雪有利的條件，還需關注近地層必須不存在高于0 ℃的融化層。中低層存在逆溫有利于暴雪的產(chǎn)生，但強逆溫并不是必要條件，在水汽和動力條件較好的同時，弱的逆溫條件同樣可以產(chǎn)生較強的降雪。

4 預報得失分析

通過分析天氣環(huán)流形勢和物理量場、對比各種數(shù)值預報產(chǎn)品，浙江省氣象臺1月20日上午針對這次過程發(fā)布了大雪警報。將預報與天氣實況相對比發(fā)現(xiàn),這次過程從降水量級和起止時間的預報上還是比較準確的，但對降雪的落區(qū)尤其是積雪深度的預報與實況相差較大。主要差異有兩方面：1)降雪落區(qū)上，預報上基本是考慮全省性降雪過程，但實際上東南沿海一帶從始至終降水相態(tài)均為降雨。2)積雪深度上，無論是模式還是主觀預報均考慮除沿海地區(qū)，大部地區(qū)可達10～20 cm，山區(qū)可超過30 cm以上(圖6a)。實際積雪深度10 cm以上的區(qū)域主要出現(xiàn)在浙江的西北部地區(qū)和一些高山站(圖1a)，而衢州、麗水以及杭州主城區(qū)雖然降雪量都達到了暴雪量級，但積雪深度并沒有達到預計的10 cm以上。對外服務效果略差。分析原因如下。

1)東南沿海地區(qū)降水相態(tài)預報出現(xiàn)偏差的主要原因是對地面溫度的下降預計過于樂觀。預報22日白天強冷空氣主體南下后，該地區(qū)溫度會明顯下降，但實際上該地區(qū)前期陰雨天為主，低云量多，風力大，降溫不明顯，氣溫仍在4 ℃左右；不利于降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，23日08時起，其氣溫才開始有明顯的下降，但此時中低層開始轉(zhuǎn)一致的西北氣流，雨雪過程趨于結(jié)束。

圖6 (a)2016年1月21—23日全省最大積雪深度主觀預報(單位：cm)；(b)2016年1月22日08時溫度沿120°E的垂直剖面圖(單位：℃，黑三角代表德清站)

2)積雪深度預報上出現(xiàn)較大誤差原因在于對浙江各地降雪量轉(zhuǎn)化為積雪深度的積雪率認識不足。經(jīng)驗上的積雪率為0.8 cm/mm左右，即1 mm的降雪量可產(chǎn)生0.8 cm左右的積雪深度，但實際上各地差異非常大。影響積雪率的因素有很多，但最重要的還是近地面的溫度層結(jié)和地表氣溫是否有利于積雪產(chǎn)生。一般地表溫度和近地面的溫度層結(jié)都在0 ℃以下，積雪率比較高，如德清站22日白天，地表氣溫基本維持-0.1 ℃，地面氣溫0 ℃左右，近地面溫度層結(jié)0 ℃以下(圖6b),其大部時次積雪率都可達到1 cm/m以上；但隨著時間累積，由于重力壓雪，其積雪率有所下降。杭州站雖然上空溫度層結(jié)也較有利于積雪形成，但其地面氣溫略高，為0.4～1.2 ℃，有利于雪花在近地面融化，不利于產(chǎn)生很大的積雪深度，其大部時段積雪率都不足0.8 cm/mm，平均積雪率只有0.4 cm/mm。這是杭州雖然出現(xiàn)了12.1 mm的降雪量但積雪深度最大只有4 cm的關鍵原因。衢州、麗水站在此次過程中分別出現(xiàn)了17.2 mm、16.8 mm的降雪量，但由于其近地面1000 hPa附近存在高于0 ℃的暖層，地表和地面氣溫均偏高，積雪率較小，尤其是麗水站降雪時段中地表溫度維持在0.3～2.6 ℃之間，地面溫度為0.6～2.4 ℃，有利于雪花在近地面融化，故其最大積雪率只有0.27 cm/mm，最小積雪率為0.06 cm/mm。這是衢州、麗水最終積雪深度比原先預計明顯偏小的重要原因。

在日常預報中，準確預報冬季第一場大范圍強降雪的社會效益不亞于梅汛期的首場暴雨。降雪預報難度很大，有時可能比暴雨還難，最主要原因就在于對溫度條件的預測不準，或是對溫度條件的分析不足以及對積雪率的掌握不足。因此在做降雪預報時，除了考慮水汽和動力條件外，應格外重視對各層溫度條件的分析，尤其在做積雪深度預報時，要關注近地面的溫度層結(jié)和地表氣溫是否有利于積雪產(chǎn)生。不同的區(qū)域、不同溫度條件下可有不同的積雪率，同樣的降雪量產(chǎn)生的積雪深度可能差異很大。

5 結(jié) 語

本文利用NCEP再分析資料、micaps資料以及自動站加密觀測資料對2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次區(qū)域性暴雪過程進行了天氣診斷和預報誤差分析，結(jié)果表明：

1)本次降雪過程主要由強冷空氣、南支槽和低層切變共同影響造成的，700 hPa西南急流為強降雪的產(chǎn)生提供有利的水汽和能量條件。

2)950 hPa的水汽通量散度場對強降雪區(qū)有較好的對應關系，濕層越厚，降雪越明顯，深厚的濕層為此次暴雪的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件。低層輻合、高層輻散的配置為降雪的產(chǎn)生提供有利的動力條件，強降雪區(qū)位于200 hPa負渦度中心區(qū)和750 hPa正渦度大值重疊區(qū)，而不是單純地與850 hPa正渦度區(qū)相對應。

3)熱力條件分析表明，要產(chǎn)生強降雪，溫度不僅僅需要滿足南方降雪有利的條件[10]，還需關注近地層是否存在高于0 ℃的融化層，中低層存在逆溫、近地層不存在高于0 ℃的融化層有利于降雪的產(chǎn)生。

4)這次降雪過程從量級和降水的起止的預報上還是比較準確的，但降雪的落區(qū)尤其是積雪深度的預報與實況相差較大，主要原因是對于溫度條件的預測失誤和對各地降雪量轉(zhuǎn)化為積雪深度的積雪率掌握不足。因此在做降雪預報時，除了要考慮充足的水汽和有利的動力條件外，應重視對各層溫度條件的分析，關注近地面的溫度層結(jié)和地表氣溫是否有利于積雪產(chǎn)生，進而做出較好的積雪深度預報。

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2016-08-01

*資助項目：浙江省氣象局重點科技項目(2015ZD02)