陜西降水相態(tài)識(shí)別判據(jù)研究及檢驗(yàn)

黃少妮，杜莉麗，劉嘉慧敏，梁 綿

(1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014;2.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

近年來(lái)我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市現(xiàn)代化公共設(shè)施建設(shè)不能完全滿足大城市發(fā)展的需求，面對(duì)極端氣象災(zāi)害的脆弱性也日益凸顯。冬季降雪天氣常常會(huì)給人們的生活帶來(lái)不便[1-3]，特別是道路結(jié)冰和積雪常常造成城市上下班高峰期交通擁堵。降水相態(tài)的預(yù)報(bào)一直是天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)。一方面，降水相態(tài)受大氣溫度層結(jié)的影響[4]；另一方面，降水粒子在發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，又會(huì)影響和改變溫度層結(jié)[5]。因此降水相態(tài)的預(yù)報(bào)常常是天氣預(yù)報(bào)人員關(guān)注的重點(diǎn)，許多學(xué)者通過(guò)研究雨雪天氣個(gè)例，總結(jié)出我國(guó)不同地方不同降水相態(tài)的特性層溫度特征[6-11]。

不同地區(qū)冬季降水相態(tài)的識(shí)別指標(biāo)有不同的判據(jù)，其閾值設(shè)定也有很大不同。陜西南北長(zhǎng)達(dá)800多公里，氣候從陜北的溫帶干旱半干旱氣候到陜南的暖溫帶濕潤(rùn)氣候，境內(nèi)的秦嶺是我國(guó)氣候的南北分界線，因此陜西冬季降水雨雪相態(tài)的預(yù)報(bào)更為復(fù)雜。目前有關(guān)陜西降水相態(tài)預(yù)報(bào)的相關(guān)研究多以雨雪天氣過(guò)程成因分析為主，因此有必要對(duì)本地降水相態(tài)進(jìn)行深入研究，提出定量的預(yù)報(bào)指標(biāo)，為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，對(duì)降水相態(tài)的判別常常依賴于特性層(850、925 hPa以及地面)的溫度，我國(guó)北方氣象工作者利用高空探測(cè)資料及地面實(shí)況數(shù)據(jù)，針對(duì)不同降水相態(tài)相應(yīng)的溫度及厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，開(kāi)展了許多相關(guān)研究[12-18]，揭示了常規(guī)氣象要素在冬季降水相態(tài)判別中的作用[13]，指出地面溫度和露點(diǎn)溫度指標(biāo)預(yù)報(bào)意義較大[16]。本文較系統(tǒng)地分析了陜西陜北、關(guān)中和陜南的代表站降水相態(tài)預(yù)報(bào)中主要影響因子及判別指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立降水相態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程。對(duì)2017年1月至2018年1月降水過(guò)程中降水相態(tài)的檢驗(yàn)表明，該判據(jù)在延安、西安、漢中、安康等站的降水相態(tài)預(yù)報(bào)具有一定的參考價(jià)值，可為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1 資料與方法

選取陜北地區(qū)的榆林、延安，關(guān)中地區(qū)的西安、周至、藍(lán)田，陜南地區(qū)的漢中和安康7個(gè)氣象站2003—2016年10月至次年4月逐日地面觀測(cè)資料，分析得到各站雨夾雪天氣的季節(jié)特征。天氣現(xiàn)象觀測(cè)記錄中，當(dāng)日出現(xiàn)雨夾雪天氣現(xiàn)象即記為一個(gè)雨夾雪日。

為了保證所選個(gè)例均為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的天氣過(guò)程，確定的選取標(biāo)準(zhǔn)為：(1)2003—2016年出現(xiàn)的全部雨夾雪過(guò)程；(2)2003—2016年秋冬過(guò)度季(10—11月)和冬春過(guò)度季(3—4月)出現(xiàn)的降雪過(guò)程；(3)2003—2016年冬季(12月—2月)出現(xiàn)的降雨過(guò)程。根據(jù)陜西氣候特點(diǎn)，安康和漢中選擇標(biāo)準(zhǔn)略有調(diào)整：12月16日—2月15日出現(xiàn)的降雨過(guò)程；10月—12月15日和2月16日—4月的降雪過(guò)程。通過(guò)對(duì)每個(gè)站點(diǎn)雨雪轉(zhuǎn)換臨界值的范圍及其特征的研究，統(tǒng)計(jì)出三種降水相態(tài)出現(xiàn)時(shí)各特性層氣溫的范圍和閾值，從而給出降水相態(tài)識(shí)別的判據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)方法分析各特性層氣溫與降水相態(tài)的關(guān)系；使用多元線性回歸方法建立降水相態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程，并對(duì)2017年1月—2018年1月出現(xiàn)的雨雪天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 雨夾雪的季節(jié)變化

圖1為2003—2016年陜西7個(gè)代表站雨夾雪日數(shù)的季節(jié)變化特征。14 a中，地處黃土高原的榆林和延安分別出現(xiàn)25 d和36 d雨夾雪日(圖1a)，雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月和3月。關(guān)中地區(qū)的西安站共出現(xiàn)18 d雨夾雪日，地處秦嶺北麓的周至共出現(xiàn)20 d雨夾雪日，藍(lán)田出現(xiàn)10 d雨夾雪日；雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在1月，其次為11、12月和2月(圖1b)。秦嶺以南的漢中和安康分別出現(xiàn)26 d和21 d雨夾雪日(圖1c)，雨夾雪頻次高的月份在12、1月和2月。以上分析說(shuō)明，榆林和延安降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)期集中在11月和3月，西安地區(qū)雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月到次年2月，漢中和安康雨夾雪天氣主要發(fā)生在12月到次年2月，即西安、漢中和安康雨夾雪天氣在冬季都有發(fā)生，因此冬季降水相態(tài)的預(yù)報(bào)更為復(fù)雜。

圖1 2003—2016年陜西10月至次年4月雨夾雪日數(shù)分布

3 識(shí)別判據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征及指標(biāo)確定

3.1 不同層次氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征

由西安三種降水相態(tài)地面溫度和露點(diǎn)溫度點(diǎn)聚圖(圖2a)可見(jiàn)：在降雨和降雪時(shí)，地面溫度和露點(diǎn)溫度集中在不同區(qū)域中；而雨夾雪時(shí)，分布區(qū)域與兩者都有重疊，但整體上更接近雪的區(qū)域。這種分布特征在區(qū)分降水相態(tài)時(shí)具有較好的參考價(jià)值[13]。圖2b是西安三種降水相態(tài)地面溫度箱線圖?？梢钥闯?，雨和雪的溫度分布特征有顯著差異，兩者的10%～90%分位的范圍幾乎沒(méi)有交叉。降雨10%分位在2 ℃以上，而降雪90%分位則在2 ℃以下，所以2 ℃可以作為西安雨雪相態(tài)的分界值。雨夾雪和雨、雪兩種相態(tài)的溫度分布都有交叉，且雨夾雪溫度的分布更接近降雪的溫度分布?？偟膩?lái)說(shuō)，就單一指標(biāo)而言地面溫度對(duì)雨、雪的區(qū)分效果較好。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖2 西安三種降水相態(tài)點(diǎn)聚圖(a)和對(duì)應(yīng)的溫度箱線(b、c、d)

由圖2c可以看出，西安925 hPa溫度在雨和雪10%～90%分位范圍幾乎沒(méi)有交叉。降雨的10%分位為-1 ℃，即當(dāng)925 hPa溫度高于-1 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雨的概率比較大；而降雪的90%分位為-1 ℃，即當(dāng)925 hPa溫度低于-1 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雪的概率比較大。因此-1 ℃可作為降雨和降雪的分界。雨夾雪和其他兩種相態(tài)均有交叉。由不同降水相態(tài)850 hPa溫度箱線(圖2d)可以看出，850 hPa出現(xiàn)雨夾雪的溫度范圍幾乎都包括在出現(xiàn)降雨的溫度范圍中。當(dāng)850 hPa溫度低于-5 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雪的概率比較大。700 hPa三種降水相態(tài)溫度分布的交叉范圍非常多(圖略)，明顯大于850 hPa的交叉范圍，對(duì)于三種降水相態(tài)的指示意義不大，所以不選擇700 hPa溫度作為降水相態(tài)判別指標(biāo)。以上分析可見(jiàn)，隨著高度的增加，高層溫度區(qū)分降水相態(tài)的能力越來(lái)越弱，低層溫度和地面溫度優(yōu)于高層溫度。

從延安三種降水相態(tài)地面溫度和露點(diǎn)溫度箱線(圖3a、3b)可以看出，雨和雪的分布特征有顯著差異，兩者的地面溫度和露點(diǎn)溫度10%～90%分位幾乎沒(méi)有交叉，地面溫度2 ℃和露點(diǎn)溫度0 ℃可作為延安雨、雪的臨界值。當(dāng)?shù)孛鏈囟雀哂? ℃、露點(diǎn)溫度高于0 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雨的概率較高；當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀? ℃、露點(diǎn)溫度低于0 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雪的概率較高。雨夾雪的地面溫度和露點(diǎn)溫度與其他兩種相態(tài)均有交叉。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖3 延安三種降水相態(tài)箱線

由于延安位于黃土高原，平均海拔高度在1 000 m左右，因此選取850 hPa溫度進(jìn)行分析(圖3c)。雨、雨夾雪和雪850 hPa溫度的中位數(shù)分別為 0、-2、-3 ℃，差異較小，三種相態(tài)交叉范圍比地面溫度大。但雨和雪10%～90%分位還是有明顯區(qū)別，當(dāng)850 hPa溫度高于-2 ℃時(shí)，出現(xiàn)降雨的概率比較高，可以作為降雨的下限分界值；當(dāng)850 hPa溫度低于-2 ℃時(shí)，降雪的概率比較高。以上分析可見(jiàn)，雨夾雪地面和特性層的溫度分布在統(tǒng)計(jì)上與其他兩種相態(tài)均有交叉，這可能是由于雨夾雪多出現(xiàn)在秋冬季和冬春季過(guò)渡季節(jié)，常常出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雨夾雪轉(zhuǎn)雪的情況，因此難以區(qū)分，將建立回歸方程來(lái)加以判別。

位于秦嶺以南的安康和漢中，三種降水相態(tài)在不同特性層溫度的臨界值和秦嶺以北的延安和西安有較大差別。安康站的雨、雨夾雪和雪地面溫度的中位數(shù)分別為 5、2、0.5 ℃，說(shuō)明在安康地區(qū)地面溫度高于0 ℃的狀況下，雨、雨夾雪和雪都有可能發(fā)生。當(dāng)?shù)孛鏈囟雀哂? ℃時(shí)，出現(xiàn)降雨的概率比較大；當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀? ℃時(shí)，出現(xiàn)降雪概率比較大；雨夾雪的地面溫度和其他兩個(gè)相態(tài)都有交叉(圖4a)。當(dāng)?shù)孛媛饵c(diǎn)溫度低于 0 ℃時(shí)，出現(xiàn)雪和雨夾雪的概率較高(圖4b)。安康雨和雪925 hPa溫度的10%～90%分位基本沒(méi)有交叉，-1 ℃可以作為降雨和降雪的分界。但雨夾雪和其他兩種相態(tài)均有交叉，當(dāng)溫度在-4～-2 ℃時(shí)，主要出現(xiàn)雨夾雪和雪，而當(dāng)溫度在-2～0 ℃時(shí)，主要出現(xiàn)雨和雨夾雪。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖4 安康三種降水相態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度箱線

與安康一樣，漢中三種降水相態(tài)地面溫度幾乎都在0 ℃以上，即地面溫度高于0 ℃的狀況下，雨、雨夾雪和雪都有可能發(fā)生(圖5a)。其中，絕大多數(shù)降雨個(gè)例中地面溫度幾乎都在3 ℃以上，而雨夾雪和雪的90%分位基本都在3 ℃以下，因此3 ℃可作為降雨下限的分界值。雨夾雪和雪的地面溫度和露點(diǎn)溫度在10%～90%分位的交叉范圍較大(圖5a、圖5b)，難以區(qū)分雨夾雪和雪。從925 hPa溫度箱線圖(圖5c)上也可看到相同的分布特征，雨夾雪和雪的交叉范圍較大，難以區(qū)分。降雨的10%分位在0 ℃以上，而降雪的90%分位基本在0 ℃以下，因此0 ℃可作為降雨和降雪的分界。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖5 漢中三種降水相態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度箱線

3.2 降水相態(tài)的判別指標(biāo)

西安、延安、安康和漢中4站不同特性層溫度與不同相態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析說(shuō)明，隨著高度的增加，高層溫度區(qū)分降水相態(tài)的能力越來(lái)越弱，低層溫度和地面溫度的區(qū)分能力優(yōu)于高層溫度的。因此，在進(jìn)行降水相態(tài)預(yù)報(bào)時(shí)，首選地面溫度和地面露點(diǎn)溫度，其次是925 hPa(850 hPa)溫度。參考以上4站的統(tǒng)計(jì)分析特征，給出地面判別指標(biāo)(表1)。

表1 陜西代表站降水相態(tài)判別指標(biāo)

4 統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程建立及檢驗(yàn)

4.1 方程的建立

以上統(tǒng)計(jì)分析得出的陜西地區(qū)降水相態(tài)地面和特性層判別指標(biāo)，可以在很大程度上指導(dǎo)業(yè)務(wù)一線人員的主觀預(yù)報(bào)。由表1可以看到，雨夾雪的地面判別指標(biāo)與雨和雪有較大的重復(fù)，單獨(dú)使用地面溫度和地面露點(diǎn)在某些情況下有局限性，存在難以判別的情況。在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)過(guò)程中，預(yù)報(bào)員常常需要綜合考慮地面和各特性層溫度的參考權(quán)重。因此采用多元線性回歸方法，選取地面溫度和露點(diǎn)溫度，以及925 hPa或850 hPa溫度作為因子，對(duì)延安、西安、漢中、安康各站分別建立預(yù)報(bào)方程。表2給出了4站降水相態(tài)預(yù)報(bào)方程和判別標(biāo)準(zhǔn)。延安選取地面溫度、露點(diǎn)溫度和850 hPa溫度建立預(yù)報(bào)方程，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.63，根據(jù)48個(gè)樣本給出判別標(biāo)準(zhǔn)。西安、安康和漢中均選取地面溫度、露點(diǎn)溫度和925 hPa溫度建立降水相態(tài)預(yù)報(bào)方程，復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.41、0.61和0.54，分別根據(jù)39、50和60個(gè)樣本給出判別標(biāo)準(zhǔn)。

表2 陜西代表站降水預(yù)報(bào)方程及判別指標(biāo)

4.2 檢驗(yàn)

應(yīng)用延安、西安、漢中和安康4站降水相態(tài)判別指標(biāo)和降水相態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程，對(duì)2017年1月至2018年1月出現(xiàn)雨、雨夾雪和雪的天氣個(gè)例進(jìn)行檢驗(yàn)。由于實(shí)際業(yè)務(wù)中只有08時(shí)和20時(shí)有探空資料，能獲取925 hPa和850 hPa溫度，可以對(duì)判別指標(biāo)和預(yù)報(bào)方程都進(jìn)行檢驗(yàn)，其他時(shí)次僅對(duì)判別指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。2017年1月至2018年1月，延安和西安有三次雨雪天氣過(guò)程。延安三次過(guò)程(共13個(gè)時(shí)次)的指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果與實(shí)況均一致，其中4個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)方程檢驗(yàn)結(jié)果也與實(shí)況相符。西安三次過(guò)程使用判別指標(biāo)(14個(gè)時(shí)次)和預(yù)報(bào)方程(5個(gè)時(shí)次)的檢驗(yàn)結(jié)果均與實(shí)況完全一致。

同時(shí),對(duì)漢中和安康站2017年1月至2018年1月出現(xiàn)雨、雨夾雪和雪的天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn),漢中共有12個(gè)時(shí)次使用判別指標(biāo)檢驗(yàn)，4個(gè)時(shí)次采用預(yù)報(bào)方程進(jìn)行檢驗(yàn)。其中2018年1月3日14時(shí)指標(biāo)檢驗(yàn)將雨夾雪判別為雨，出現(xiàn)降水相態(tài)誤判，其余時(shí)次均與實(shí)況相符。安康共有11個(gè)時(shí)次用于判別指標(biāo)檢驗(yàn)且結(jié)果與實(shí)況一致；3個(gè)時(shí)次采用預(yù)報(bào)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，其中2018年1月3日20時(shí)預(yù)報(bào)方程將雨判別為雨夾雪，其余檢驗(yàn)結(jié)果均與實(shí)況相符。

從延安、西安、漢中和安康4站的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，延安和西安地面降水判別指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)方程檢驗(yàn)結(jié)果較好，而漢中和安康在雨夾雪和雨的判別上分別出現(xiàn)一次相態(tài)誤判。總的來(lái)說(shuō)，降水相態(tài)判別指標(biāo)和預(yù)報(bào)方程對(duì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中降水相態(tài)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有一定的參考價(jià)值和使用價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)陜西2003—2016年雨夾雪天氣的氣候資料分析得到，榆林和延安降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)度季節(jié)集中在3月和11月，西安地區(qū)雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月至次年2月，漢中和安康雨夾雪天氣主要發(fā)生在12月至次年2月。

(2)對(duì)近14年延安、西安、安康和漢中4站雨雪轉(zhuǎn)換過(guò)度季節(jié)降水過(guò)程和臨界值的分析發(fā)現(xiàn)，雨和雪的溫度、露點(diǎn)在地面有明顯差異，低層溫度也有明顯差異，但隨著高度增加差異逐漸減小。在降水相態(tài)預(yù)報(bào)中應(yīng)盡量考慮地面溫度、露點(diǎn)及低層溫度要素。其中，925 hPa溫度可作為判別西安、漢中和安康雨雪相態(tài)的參考，而850 hPa溫度可用來(lái)區(qū)分延安雨和雪相態(tài)的參考。

(3)利用判別指標(biāo)和降水相態(tài)預(yù)報(bào)方程對(duì)陜西4站在2017年1月至2018年1月期間出現(xiàn)的雨雪天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，判別效果較好，有一定的參考價(jià)值。但是，由于檢驗(yàn)時(shí)間僅有1年，雨雪天氣個(gè)例較少，因此判別指標(biāo)和降水相態(tài)預(yù)報(bào)方程的適用性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。