新疆北部降水相態(tài)的識別判據(jù)研究

祝小梅，白 婷，齊元元

（伊犁州氣象局，新疆 伊寧835000）

降水相態(tài)轉(zhuǎn)換是秋冬、冬春季轉(zhuǎn)換季節(jié)常出現(xiàn)的影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的關鍵轉(zhuǎn)折天氣，特別是春季的寒潮天氣，強降溫造成的雨轉(zhuǎn)雪的天氣對新疆造成很重的災害，而且什么時候雨轉(zhuǎn)雪也給預報員帶來一定的難度，例如，2014年4月22—23日北疆地區(qū)出現(xiàn)了雨轉(zhuǎn)雪天氣，對伊犁地區(qū)造成經(jīng)濟損失達354.48萬元，烏魯木齊農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟損失共計1055萬元。2013年3月31日夜間至4月2日白天，伊犁地區(qū)霍爾果斯縣出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪天氣過程，過程降水量為16.0 mm，最低氣溫已降至-0.5℃，地面積雪4 cm。此次強冷空氣天氣過程，造成霍爾果斯縣農(nóng)業(yè)、林果業(yè)很大損失，特別是正在開花期的約7000 hm2樹上干杏損失嚴重。隨著社會發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求不斷增加，對降水相態(tài)變化在關鍵時節(jié)對生產(chǎn)生活影響也越來越關注。近年來，針對降水相態(tài)變換的天氣許多學者也開展了一些研究，如：李江波等[1]對河北地區(qū)降水相態(tài)轉(zhuǎn)變的研究發(fā)現(xiàn)，當0℃層高度低于950 hPa、地面氣溫在0℃上下、1000 hPa溫度低于2℃、925 hPa溫度低于-2℃時，降水性質(zhì)將從雨向雨夾雪或雪轉(zhuǎn)變。孫燕等[2]對江蘇冬季降水相態(tài)研究指出厚度分析能被用來識別降水相態(tài)（雨、雪），1000～500 hPa厚度閾值1292 gpm可以作為江蘇冬季區(qū)分雨、雪的一個重要參考指標。同時結(jié)合地面溫度和850 hPa溫度可以較準確地判定降水的相態(tài)，即1000～850 hPa厚度≤1292 gpm，且T850≤-3℃，T≤2℃時，判定為雪；反之，則為雨。尤鳳春等[3]使用與降水個例對應時次的地面及高空常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各層常用氣象要素在各降水相態(tài)判別中的作用，并找出主要影響因子及降水相態(tài)判別指標，應用多元回歸方法，建立了北京降水相態(tài)統(tǒng)計預報方程。段云霞等[4]將影響沈陽地區(qū)的天氣形勢分為冷高前部、蒙古氣旋、華北—河套氣旋和倒槽—江淮氣旋型，基于不同高度上的溫度和氣壓層間的位勢厚度，建立沈陽不同天氣形勢降水相態(tài)預報的指標。鄭麗娜等[5]利用2000—2013年冬季回流形勢36次降水個例的高空、地面觀測資料及濟南、青島的降水資料，研究了山東回流形勢的環(huán)流特征，并按中間暖層和低層冷層的厚度進行了分型。在分型的基礎上，探討了不同形勢下溫度、厚度的垂直變化特征，獲得了不同降水相態(tài)下的溫度和厚度預報指標。還有許多氣象工作者[6]-[16]對降水相態(tài)進行研究，并建立不同區(qū)域的降水相態(tài)的判別依據(jù)。而目前在新疆只有對初雪天氣的一些研究，如白惠星等[17]對2000年北疆地區(qū)初雪天氣進行分析，指出高空橫槽轉(zhuǎn)豎過程中，所攜帶的強烈冷平流造成了雨轉(zhuǎn)雪天氣的發(fā)生。降水時溫度的迅速下降并維持較低是產(chǎn)生雨轉(zhuǎn)雪天氣的基本條件。而對降水相態(tài)轉(zhuǎn)變此類天氣新疆地區(qū)還沒有人系統(tǒng)地研究過。通過本課題的研究，期望為北疆地區(qū)此類天氣預報提供一定的預報依據(jù)，并為當?shù)氐姆罏?、減災、為農(nóng)服務提供一定的指導和依據(jù)。

1 資料選取

選取新疆北部4個站，伊寧市、烏魯木齊、阿勒泰、塔城（對應的海拔高度分別為663.4、935.9、737.7、536.6 m）2005—2014年 3—4月和 10—11 月日每日2次探空資料和地面觀測資料，為了保證所選個例都為雨雪轉(zhuǎn)換臨界值的個例，選取標準：（1）每年3—4月和10—11月出現(xiàn)的雨、雪過程（排除雨夾雪的天氣現(xiàn)象）；（2）每年3—4月和10—11月出現(xiàn)的純降雪及純降雨過程，通過對臨界值的特征及其范圍的確定，統(tǒng)計出不同相態(tài)出現(xiàn)時各物理量的范圍，從而得到相態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。

通過統(tǒng)計，伊寧降雨日277 d、降雪日為174 d；烏魯木齊降雨日126 d、降雪日為266 d；塔城降雨日243 d、降雪日為247 d；阿勒泰降雨日為157 d、降雪日為248 d。

2 識別判據(jù)的統(tǒng)計特征

在靜力學原理中，兩層等壓面之間的厚度與此兩層之間的平均溫度成正比。即某層的厚度是與這層的平均溫度成一定比例，兩層之間厚度越大，該兩層間的平均溫度就高，即厚度能夠體現(xiàn)對流層中層的平均溫度狀況。在實際的探空中，得到的溫度只是某點標準層和特性層的溫度，而且往往有逆溫的存在，逆溫的存在直接導致了特征層溫度的變化，在相態(tài)判斷中出現(xiàn)失誤。使用厚度作為降水相態(tài)識別判據(jù)，通過比較這些厚度可得出降水類型的閾值以提供有價值的不同相態(tài)降水的信息，從而彌補發(fā)生逆溫時使用特征層溫度而發(fā)生的誤差。

本文利用厚度值H500-850（500 hPa與850 hPa之間的高度差，下同）、H700-850、H850-925、H700-925及不同等壓面的溫度 T500、T700、T850、T925（高空觀測一天 2 次），建立北疆4個站點（伊寧、烏魯木齊、塔城、阿勒泰）雨、雪天氣過程的判別依據(jù)。由于925 hPa的高度一般在750 m左右，而烏魯木齊及阿勒泰的海拔高度分別為935.9、737.7 m，所以烏魯木齊及阿勒泰厚度指標用的是H700-850、H500-850，溫度指標用的是T850、T700、T500。

2.1 伊寧高空各層氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計特征

圖1是伊寧兩種降水相態(tài)對應的T925、T850和T700的箱線圖，粗柱分別代表25%分位和75%分位。從圖1可以看出，925 hPa雨和雪的中位數(shù)（50%分位）分別為4℃和1℃，雨和雪的25%～75%分位有交叉，既當T925＜1℃以降雪為主，在1～4℃之間有可能是降雨、也有可能是降雪，但當T925＜2.5℃時，降雪的概率比較大。因此925 hPa溫度為2.5℃可作為降雨和降雪的分界。850 hPa雨和雪溫度的中位數(shù)分別為2℃和-2.5℃。雨和雪的25%～75%分位幾乎沒有交叉，所以，850 hPa溫度為-2.5℃可作為降雨和降雪的分界。700 hPa兩種相態(tài)的溫度箱線圖交叉非常大，首先，兩種相態(tài)的分布交叉范圍極大；其次，兩種相態(tài)的25%～75%分位的范圍也明顯大于其他層次的分布范圍。鑒于此700 hPa溫度對兩種降水相態(tài)的指示意義不大，可剔除700 hPa溫度作為降水相態(tài)判別的指標。

圖1 伊寧兩種降水相態(tài)對應的溫度箱線

2.2 伊寧厚度與降水相態(tài)的統(tǒng)計特征分布

從兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線圖（圖2a）中可看出，雨、雪兩種相態(tài)的H700-925中分位分別在2230 m和2220 m。降雨的25%分位在2 217.5 m以上，而降雪的75%在2220 m以下，雨和雪的25%～75%分位沒有交叉。所以，使用2220 m作為雨雪的簡單分界是可行的。從圖2b中可看出，雨雪兩種相態(tài)的H850-925中分位分別在687.5 m和675 m。降雨的25%分位在680 m以上，而降雪的75%在680 m以下，雨和雪的25%～75%分位也沒有交叉。故使用680 m作為雨雪的簡單分界也是可行的。

圖2 伊寧兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線

2.3 塔城高空各層氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計特征

圖3是塔城兩種降水相態(tài)對應的T925、T850和T700的箱線圖，粗柱分別代表25%分位和75%分位。從圖3中可以看出，925 hPa雨和雪的中位數(shù)（50%分位）分別為3.5℃和0℃，雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既當T925＜0℃以降雪為主，在0℃～3.5℃之間有可能是降雨、也有可能是降雪，只有當T925＜1.8℃時，降雪的概率比較大。因此，925 hPa溫度為1.8℃可作為降雨和降雪的分界。850 hPa雨和雪的中位數(shù)分別為0.5℃和-3.5℃。雨和雪的25%～75%分位也有部分交叉，既當T850＜-3.5℃以降雪為主，在-3.5～0℃有可能是降雨、也有可能是降雪。只有當T850＜-1.5℃時，降雪的概率比較大，所以850 hPa的溫度為-1.5℃可作為降雨和降雪的分界。700 hPa兩種相態(tài)的溫度箱線圖交叉非常大，首先，兩種相態(tài)的分布交叉范圍極大；其次，兩種相態(tài)的25%～75%分位的范圍也明顯大于其他層次的分布范圍。鑒于此700 hPa溫度對兩種降水相態(tài)的指示意義不大，可剔除700 hPa溫度作為降水相態(tài)判別的指標。

圖3 塔城伊寧兩種降水相態(tài)對應的溫度箱線

2.4 塔城厚度與降水相態(tài)的統(tǒng)計特征分布

從兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線圖（圖4a）中可看出，雨、雪兩種相態(tài)的中分位分別在2220 m和2195 m。雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既當H700-925＜2195 m時以降雪為主，在2195～2220 m之間有可能是降雨、也有可能是降雪。只有當H700-925＞2 207.5 m時，出現(xiàn)降雨天氣；而降雪時，H700-925＜2 207.5 m。所以，使用2 207.5 m作為雨雪的簡單分界是可行的。從圖4b中可看出，雨雪兩種相態(tài)的中分位分別在680 m和670 m。同樣雨和雪的25%～75%分位也有部分交叉，只有當H850-925＞675 m時，降雨概率較大；而H850-925＜675 m時，降雪概率較大。

圖4 塔城兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線

2.5 阿勒泰高空各層氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計特征

圖5是阿勒泰兩種降水相態(tài)對應的T850、T700和T500的箱線圖，粗柱分別代表25%分位和75%分位。從圖5中可以看出，850 hPa雨和雪的中位數(shù)（50%分位）分別為2.5℃和-2℃，雨和雪的25%～75%分位幾乎沒有交叉，所以-2℃可作為降雨和降雪的分界指標，所以，當T850＞-2℃ 時，出現(xiàn)降雨的概率比較大，反之，降雪的概率比較大。700 hPa雨和雪的中位數(shù)分別為-6℃和-11℃，雨和雪的25%～75%分位也幾乎沒有交叉，當T700＞-8.5℃時，出現(xiàn)降雨的概率比較大，可以作為降雨的下限分界值；只有當T700＜-8.5℃時，降雪的概率比較大。因此，700 hPa的溫度為-8.5℃可作為雨雪分界指標。500 hPa雨和雪的中位數(shù)分別為-23.5℃和-27℃，雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既當T925＜-27℃以降雪為主，在-27～-23.5℃有可能是降雨、也有可能是降雪。只有當T500＜-25.3℃時，降雪的概率比較大，因此500 hPa的溫度為-25.3℃可作為雨雪分界指標。

2.6 阿勒泰厚度與降水相態(tài)的統(tǒng)計特征分布

從兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線圖（圖6a）中可看出，雨、雪兩種相態(tài)的H500-850中分位分別在4085 m和4020 m。降雨的25%分位在4064 m以上，而降雪的75%在4 052.5 m以下，雨和雪的25%～75%分位沒有交叉。所以，使用4052.5 m作為雨雪的簡單分界是可行的。從圖6b中可看出，雨雪兩種相態(tài)的H700-850中分位分別在1540 m和1520 m。降雨的25%分位在1530 m以上，而降雪的75%在1522 m以下，雨和雪的25%～75%分位沒有交叉。因此可將1522 m作為雨雪分界的指標。

圖5 阿勒泰兩種降水相態(tài)對應的溫度箱線

圖6 阿勒泰兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線

2.7 烏魯木齊高空各層氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計特征

圖7是烏魯木齊兩種降水相態(tài)對應的T850、T700和T500的箱線圖，粗柱分別代表25%分位和75%分位。從圖7中可以看出，850 hPa雨和雪的中位數(shù)（50%分位）分別為0℃和-3.5℃，850 hPa溫度為-1.75℃時可作為降雨和降雪的分界指標。所以，當T850＞-1.75℃ 時，出現(xiàn)降雨的概率比較大，反之，降雪的概率比較大。700 hPa雨和雪的中位數(shù)分別為-6.5℃和-12℃。當T700＞-9.3℃時，出現(xiàn)降雨的概率比較大，反之，降雪的概率比較大。因此，700 hPa的溫度為-9.3℃時可作為雨雪分界指標。500 hPa雨和雪的溫度中位數(shù)分別為-20℃和-23℃。兩種相態(tài)的分布交叉范圍太大。鑒于此，500 hPa溫度對兩降水相態(tài)的指示意義不大，可剔除500 hPa溫度作為降水相態(tài)判別的指標。

2.8 烏魯木齊厚度與降水相態(tài)的統(tǒng)計特征分布

從兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線（圖8a）中可看出，雨、雪兩種相態(tài)的H500-850中分位分別在4100 m和4035 m。降雨的25%分位在4080 m以上，而降雪的75%在4 067.5 m以下，雨和雪的25%～75%分位沒有交叉。H500-850＞4 067.5 m，降雨的概率大些；而降雪時，H500-850則大多＜4 067.5 m。所以，使用4 067.5 m作為雨雪的簡單分界是可行的。從圖8b中可看出，雨雪兩種相態(tài)的H700-850中分位分別在1530 m和1510 m。降雨的25%分位在1 521.5 m以上，而降雪的75%在1520 m以下，雨和雪的25%～75%分位幾乎沒有交叉。當H700-850＞1520 m時，降雨概率較大；而H700-850＜1520 m時，降雪概率較大。所以，可以使用1520 m作為雨雪的簡單分界是可行的。

圖7 烏魯木齊兩種降水相態(tài)對應的溫度箱線

圖8 烏魯木齊兩種降水相態(tài)對應的厚度箱線

3 檢驗

用上述判別指標對伊寧站、烏魯木齊站2015年3—4月、10—11月的10次降雨、降雪天氣進行檢驗，由表1可知，T925判別指標對10次天氣過程檢驗時，只有2015年11月14日其925 hPa溫度為1.8℃，低于了2.5℃這個臨界判別值，但出現(xiàn)了降雨天氣，而2015年11月20日H850-925為680 m時出現(xiàn)了降雨天氣。10次天氣過程準確判別出8次天氣過程的降水相態(tài)，準確率達到80%，從表2可知，烏魯木齊的判別指標對于6次降水過程的降水相態(tài)判別都正確，因此所得出的判別指標對今后提高降水相態(tài)預報準確率均有一定的參考價值。

4 結(jié)論

（1）通過統(tǒng)計新疆北部2005—2014年3—4月、10—11月年發(fā)生雨夾雪天氣的氣候資料，得到北疆降雨、降雪日，伊寧降雨日277 d、降雪日為174 d；烏魯木齊降雨日126 d、降雪日為266 d；塔城降雨日243 d、降雪日為247 d；阿勒泰降雨日為157 d、降雪日為248 d。

表1 2015年3—4月、10—11月伊寧站降水過程及檢驗結(jié)果

表2 2015年3—4月、10—11月烏魯木齊站降水過程及檢驗結(jié)果

（2） 通過研究 T925、T850、T700、T500、H700-925、H850-925、H700-850、H500-850，建立北疆 4個站點（伊寧、烏魯木齊、塔城、阿勒泰）雨轉(zhuǎn)雪的預報指標，由于925 hPa的高度一般在750 m左右，而烏魯木齊及阿勒泰的海拔高度分別在935.9 m、737.7 m，所以烏魯木齊及阿勒泰厚度指標用的是H700-850、H500-850，溫度指標用的是 T850、T700、T500。

（3）研究表明伊寧 T925、T850分別為2.5 ℃、-2.5 ℃時，可作為降雨和降雪的分界；塔城站點T925為1.8℃時可作為降雨和降雪的分界，T850為-1.5℃時可作為雨雪分界指標；伊寧、塔城兩站700 hPa溫度對降水相態(tài)的指示意義不大；阿勒泰T850、T700、T500分別為-2、-8.5、-25.3℃時，可作為雨雪分界指標；烏魯木齊 T850、T700分別為-1.75、-9.3 ℃時，可作為雨雪分界，500 hPa溫度對降水相態(tài)的指示意義不大。

（4）厚度研究表明，伊寧 H700-925、H850-925分別為2220、680 m時，可作為雨雪的簡單分界；塔城H700-925、H850-925分別為 2 207.5、675 m 時，可作為雨雪的簡單分界；阿勒泰 H700-850、H500-850分別為 1522、4 052.5 m時，可作為雨雪的簡單分界；烏魯木齊H700-850、H500-850分別為 1520、4 067.5 m 時，可作為雨雪的簡單分界。

（5）通過對2015年3—4月、10—11月伊寧站、烏魯木齊站的降水過程的降水相態(tài)檢驗可知，所得出的判別指標對于新疆北部的降水相態(tài)的預報有一定的參考價值。