烏魯木齊城區(qū)季節(jié)轉(zhuǎn)換降水相態(tài)的識別判據(jù)研究

蔣慧敏 劉春云 馮靜潔 趙德龍

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830001）

烏魯木齊市地處新疆的中天山地區(qū)，受地形、海波高度的影響，形成獨(dú)特的氣候特點(diǎn)[1]，降水預(yù)報(bào)具有一定的復(fù)雜性，特別是在秋冬和冬春季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)，雨或雨夾雪轉(zhuǎn)雪的降水相態(tài)是擺在預(yù)報(bào)員面前的一道難題[2-3]，如果能提供較準(zhǔn)確的降水相態(tài)變化的預(yù)報(bào)，這樣對城市交通、電力通訊及人民生產(chǎn)、生活做好應(yīng)對措施，是十分有利。

因此國內(nèi)外的學(xué)者紛紛開展對降水相態(tài)的轉(zhuǎn)化研究，廖曉農(nóng)[4]針對北京一次個(gè)例進(jìn)行分析，得到3個(gè)降水相態(tài)溫度分布差異較大的層次。孫燕[5]對江蘇省冬季降水相態(tài)進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)850～1000hPa厚度閾值1292 gpm作為區(qū)分雨、雪的臨界指標(biāo)。許美玲[6]利用昆明氣象站近23a冬季降水資料，最終找出地面日最低溫度等3個(gè)指標(biāo)可以較好的區(qū)分雨雪天氣。

從上述研究可以看出，降水相態(tài)的研究主要集中在東部地區(qū)，而西北地區(qū)開展很少，烏魯木齊作為西北的主要城市，也是中國降雪事件最為頻繁的區(qū)域之一，無論從緯度還是海拔高度均和內(nèi)地有很大差別，因此針對烏魯木齊城區(qū)開展降水相態(tài)變化是十分必要的。

1 資料與方法

選取烏魯木齊觀測站2000—2014年3—4月和10—11月降水日的地面和探空資料，找出每日08:00和20:00 2個(gè)時(shí)次之間的雨、雨夾雪、雪天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)以及與其對應(yīng)時(shí)次的探空氣象要素?cái)?shù)據(jù)。其中降水出現(xiàn)不連續(xù)性，而且考慮到短時(shí)預(yù)報(bào)是以12h為間隔的，則分別計(jì)算當(dāng)天的2次探空資料作為2次過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

通過對烏魯木齊觀測站的地面資料分為2次/d進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程，14a來共出現(xiàn)148次降雨樣本，137次降雪樣本，而在進(jìn)行相態(tài)轉(zhuǎn)換個(gè)例選取中，雨或雨夾雪轉(zhuǎn)雪對社會影響較大，因此選取該類過程作為研究對象，此類樣本共49個(gè)。

2 烏魯木齊地區(qū)識別判據(jù)與降水相態(tài)的相關(guān)性分析

2.1 高空各層氣溫與相態(tài)變化的相關(guān)性分析

2.1.1 850hpa溫度

圖1 850hpa溫度分布

由圖1可以看出，雨雪的中位線分別在5℃和-6℃，而且就20%～80%分位的范圍而言,雨集中在2～10℃，雪集中在-10～-4℃，它們沒有交叉區(qū)間。當(dāng)溫度＞2℃時(shí)，雨發(fā)生的概率可達(dá)78%，當(dāng)溫度＜-4℃時(shí)，雪發(fā)生的概率可達(dá)83%，此狀態(tài)占有降雪的80%，可以較好地預(yù)測有雨或雪現(xiàn)象，可作為區(qū)分雨、雪是否出現(xiàn)的閾值，而發(fā)生降水相態(tài)改變的溫度在統(tǒng)計(jì)上介于降雨和降雪之間,60%相態(tài)改變的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)在-3～3℃。

2.1.2 貼地層溫度

圖2 貼地層溫度分布

由圖2可以看出，雨雪的中位線分別在10℃和-3℃，而且就20%～80%分位的范圍而言,雨集中在6～15℃，雪集中在-7～1℃，它們沒有交叉區(qū)間。當(dāng)溫度＞5℃時(shí)，雨發(fā)生的概率可達(dá)85%，當(dāng)溫度＜1℃時(shí)，雪發(fā)生的概率可達(dá)90%，此狀態(tài)占有降雪的93%，可以較好地預(yù)測有雨或雪現(xiàn)象，可作為區(qū)分雨、雪是否出現(xiàn)的閾值，而發(fā)生降水相態(tài)改變的溫度在統(tǒng)計(jì)上介于降雨和降雪之間,而在1℃和5℃之間降水相態(tài)變化的天氣現(xiàn)象概率達(dá)到了43%。從貼地層溫度可以較好的判別雨、雪2種天氣現(xiàn)象，但從該層的溫度上較好判別相態(tài)是否發(fā)生變化還是有一定難度。

2.2 特征層-5℃高度與降水相態(tài)的相關(guān)性分析

圖3 -5℃高度分布圖

張琳娜[7]在對北京地區(qū)進(jìn)行雨雪判別時(shí)發(fā)現(xiàn)，－5℃高度對無法判別雨夾雪、雪和雨3種降水相態(tài)，因?yàn)樘蕹?5℃高度作為降水相態(tài)的判別指標(biāo)，而在本文中，大約有82%的雨-5℃高度集中在2700位勢米以上，而雪76%集中在1800位勢米以下，而且當(dāng)-5℃高度≤1800位勢米時(shí)，出現(xiàn)降雪的概率高達(dá)96%，而當(dāng)-5℃高度≥2700位勢米時(shí)，出現(xiàn)降雨的概率達(dá)70%，-5℃高度對雨雪降水相態(tài)的指示意義大，其次雪和雨轉(zhuǎn)雪的20%～80%分位的交叉范圍極小，可以對雪和雨轉(zhuǎn)雪較好的區(qū)分，但雨轉(zhuǎn)雪和雨在20%～80%的重合比例仍占了雨整體的37%，區(qū)分效果并不理想。

3 烏魯木齊市降水相態(tài)預(yù)報(bào)方法研究

從上述分析中可以看出, 850hpa溫度，貼地層溫度， -5℃高度，均對降水相態(tài)預(yù)報(bào)有一定的指示作用，因此將3個(gè)參數(shù)綜合建立方程計(jì)算降水相態(tài)的概率指數(shù)，通過對每個(gè)物理量中對應(yīng)的降水相態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征分布研究，依照其分布特征，將每個(gè)物理量在相應(yīng)的閾值分布范圍內(nèi)每種相態(tài)的得分設(shè)定如下：當(dāng)物理量在不同的閾值區(qū)間內(nèi)，3種相態(tài)獲得不同的分?jǐn)?shù)（表1）。

表1 3個(gè)物理量在不同相態(tài)和閾值區(qū)間的系數(shù)分布

當(dāng)指標(biāo)屬于哪個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，那個(gè)區(qū)間的x值取1，否則為0，而權(quán)重系數(shù)如上圖所示，從而得到單個(gè)指標(biāo)的相應(yīng)得分，以850hpa溫度為例，此時(shí)溫度為-3℃，介于[-4,2]之間，此時(shí)，這個(gè)值為1，雨的得分為Y=0×0+0×0+0.2×1+0.6×0+1×0=0.2，而雪的得分為：Y=0×0+0.4×0+0.6×1+0.4×0+0×0=0.6，而雨轉(zhuǎn)雪的得分則為0.2，從而從850hpa單一指標(biāo)上分析此時(shí)降水相態(tài)為雪，而為了得到3個(gè)指標(biāo)的綜合判斷則Y=Y850+Y貼地+Y-5。從而得到Y(jié)雨，Y雨轉(zhuǎn)雪,Y雪，三者誰的得分較高，則判斷降水相態(tài)的歸屬。

表2 3個(gè)物理量及綜合指標(biāo)對3種相態(tài)的判別檢驗(yàn)結(jié)果

從上述分析可以看出，3個(gè)單一指標(biāo)參數(shù)對雨、雪區(qū)分度都能達(dá)到接近80%以上的正確率，但是對雨轉(zhuǎn)雪來說，只有850hpa溫度能有較好的指示作用，而將這3個(gè)因子綜合一起考察時(shí)，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率均有較好的表現(xiàn)。特別對雨轉(zhuǎn)雪來說，對比單一指標(biāo)分析，均有所提升這在以后的預(yù)報(bào)都將有較好的應(yīng)用。

4 結(jié)論

對近14a烏魯木齊地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換過度季節(jié)的降水過程和臨界值的降水分析，得到與雨雪轉(zhuǎn)換關(guān)系密切的 3種物理量：T850、T貼地、-5℃高度。

通過研究這3個(gè)物理量與3種相態(tài)的關(guān)系，得到該3個(gè)物理量在3種相態(tài)中的特征：對于 T850，雨和雪轉(zhuǎn)換的分界點(diǎn)是0℃ ，轉(zhuǎn)雪的范圍是[-4℃，2℃]；對于T貼地，雨和雪轉(zhuǎn)換的分界點(diǎn)是3℃ ，轉(zhuǎn)雪的范圍是[1℃，5℃]；-5℃高度，雨和雪轉(zhuǎn)換的分界點(diǎn)是2250位勢米，轉(zhuǎn)雪的范圍是[1800位勢米，2700 m位勢米]。

通過定量細(xì)化上述3個(gè)物理量在3種相態(tài)中的特征，3個(gè)單一指標(biāo)參數(shù)對雨、雪區(qū)分度都能達(dá)到接近80%以上的正確率，但是對雨轉(zhuǎn)雪來說，只有850hpa溫度能有較好的指示作用，將上述3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合判定后，發(fā)現(xiàn)綜合判據(jù)對于烏魯木齊地區(qū)3種降水相態(tài)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了73%，說明這3組的判據(jù)設(shè)定，基本可以滿足烏魯木齊地區(qū)降水相態(tài)的判斷。