2001—2018年北京地區(qū)暴雪天氣雷達回波特征分析

吳劍坤 黃初龍 雷蕾

(1 北京城市氣象研究院，北京 100089； 2 昆明市氣象局，昆明 650034； 3 北京市氣象臺，北京 100089)

引言

暴雪天氣過程是指24 h降雪量超過10.0 mm的降雪過程，其造成道路積雪、結(jié)冰和濕滑，已經(jīng)成為影響城市交通安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民正常生活的主要災(zāi)害性天氣之一。孫繼松[1]等指出北京地區(qū)冬季暴雪出現(xiàn)幾率雖小，但危害性大，預(yù)報難度較高，一直是氣象預(yù)報研究的一個重要內(nèi)容之一。

國內(nèi)針對北京地區(qū)的暴雪天氣過程的研究多集中在機理分析、特種資料觀測和數(shù)值模擬上，而利用多普勒天氣雷達進行統(tǒng)計分析相對較少。葉晨[2]等利用多種新觀測資料，對2009年11月1日北京地區(qū)出現(xiàn)的60年來降雪量最大的暴雪天氣過程的發(fā)生、發(fā)展特征進行了分析，探討了此次暴雪的形成機制，結(jié)果表明，此次暴雪天氣過程是在500 hPa東亞大槽斜壓發(fā)展、低層鋒區(qū)較強的背景下，由華北錮囚鋒強迫所致。吳慶梅[3]等利用常規(guī)氣象觀測、加密自動站觀測和NCEP再分析資料，以及風(fēng)廓線雷達、微波輻射計觀測的精細風(fēng)場、溫度和濕度資料，對2009年11月9日夜間北京地區(qū)的一次回流暴雪天氣過程的鋒區(qū)特征進行了詳細分析，結(jié)果表明，該過程的主要影響系統(tǒng)為華北錮囚鋒和中高層短波槽，與錮囚鋒聯(lián)系的中低空暖濕空氣在回流干冷空氣上爬升造成鋒生，是北京地區(qū)出現(xiàn)暴雪的主要原因。李青春[4]等利用北京地區(qū)高分辨率快速循環(huán)同化中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)(BJ-RUC)對2010年1月2—3日一次典型的回流暴雪天氣過程進行模擬，得出上游低渦系統(tǒng)前部西南暖濕氣流相對應(yīng)的大濕度區(qū)移近是產(chǎn)生暴雪的重要條件，降水開始時間、強度的變化與中低層開始轉(zhuǎn)南風(fēng)的時間、偏南風(fēng)的風(fēng)速大小密切相關(guān)，偏南風(fēng)的風(fēng)速大小往往與中低層系統(tǒng)的發(fā)展強度有關(guān)。也有部分專家利用風(fēng)廓線雷達資料，分析了北京地區(qū)兩次暴雪天氣過程，得出：①暴雪開始前2 h內(nèi)底層有偏東氣流建立，且該偏東氣流會突然加強；②700 hPa以上出現(xiàn)冷平流或者冷平流加強且高度降低預(yù)示暴雪即將開始[5]。

近年來，多普勒天氣雷達在暴雪天氣過程中應(yīng)用研究逐漸增多，取得了一些有價值的暴雪的雷達回波統(tǒng)計特征[6-8]。蔣大凱[9]等對遼寧省3次暴雪天氣過程分析表明，遼寧省的暴雪回波強度一般不超過30 dBz，回波強度超過40 dBz時，其以液態(tài)降水粒子或處于融化狀態(tài)的固態(tài)降水粒子為主，且小時降水量與降雪回波強度呈正相關(guān)關(guān)系。王榮基[10]等利用天氣雷達回波資料對2001—2010年大連市7次降雪過程分析表明，天氣雷達能更直觀、連續(xù)地揭示降雪過程中天氣系統(tǒng)和水汽的演變特征。胡鵬宇[11]等對遼寧省3次暴雪天氣過程分析表明，暴雪天氣過程的雷達回波強度不超過40 dBz，回波頂高低于10 km；雷達參量Zmax和Zmean15的演變與降雪過程強弱的變化對應(yīng)較好，強回波中心增強和觸地的時段與主要降雪時段較一致，可以揭示系統(tǒng)強度的變化和降水粒子的下落，對降雪天氣具有一定的預(yù)報意義。

綜上所述，利用多普勒天氣雷達資料來分析暴雪天氣過程還是有較高的價值，本文利用北京市常規(guī)觀測資料以及多普勒天氣雷達(CINRAD/SA型)資料，在對16次暴雪天氣過程氣候特征和環(huán)流形勢分析的基礎(chǔ)上，對其中的10次暴雪天氣過程的雷達回波統(tǒng)計特征進行了詳細的分析，得到產(chǎn)生暴雪時的幾個雷達回波統(tǒng)計指標，旨在為北京地區(qū)冬季暴雪天氣過程的業(yè)務(wù)預(yù)報服務(wù)提供參考。

1 北京地區(qū)暴雪的氣候與環(huán)流特征

1.1 北京地區(qū)暴雪的氣候特征

本文規(guī)定：在北京所轄的20個國家級氣象站中，只要有一個站24 h冬季降水量超過10.0 mm，即定義為一次暴雪天氣過程。據(jù)此，北京地區(qū)2001—2018年冬季共出現(xiàn)16次暴雪天氣過程，一年中暴雪天氣過程最多出現(xiàn)2次，最大降水量為32.6 mm(表1)。

從月份來看，11月最多，為9次，其次2月有4次，1月、3月和4月各出現(xiàn)一次，12月則無暴雪出現(xiàn)(圖1)。這可能因為11月是北京地區(qū)降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的過渡季節(jié)，該過渡季節(jié)水汽較為充沛，有利于出現(xiàn)暴雪天氣[12-13]。

1.2 北京地區(qū)暴雪的環(huán)流特征

研究表明，北京地區(qū)暴雪的天氣形勢主要有以下4種：①低渦低槽型；②地面倒槽型；③橫槽型；④回流型。低渦低槽型是指850 hPa有低渦或低壓環(huán)流以及高空槽影響北京，700 hPa以上可有高空槽與之配合，也可以沒有明顯高空槽配合，其代表個例有2012年11月3—4日北京特大暴雪天氣過程。地面倒槽型是指在高低空均有高空槽經(jīng)過北京，有時850 hPa有低渦，但低渦位置偏北，并未直接影響北京，或者有氣旋式風(fēng)場；而地面氣壓場表現(xiàn)為西北高東南低，有明顯的地面倒槽存在，其代表個例有2001年11月12日京津冀地區(qū)大到暴雪、北京局地暴雪天氣過程。橫槽型表現(xiàn)為，貝加爾湖以西地區(qū)高壓脊向北發(fā)展，鄂霍次克海至我國東北地區(qū)有冷渦發(fā)展加強，在高壓脊前、冷渦后部出現(xiàn)冷空氣的積聚，因此在我國的東北、內(nèi)蒙北部至中蒙邊界一帶形成橫槽；地面貝加爾湖以南的廣大地區(qū)受大范圍的冷高壓控制，北京一般處于高壓底部，伴隨著橫槽南壓轉(zhuǎn)豎，強冷空氣爆發(fā)將會造成華北及北京地區(qū)的大范圍暴雪天氣，其代表個例有2009年11月1日北京深秋暴雪天氣過程[2]?；亓餍捅憩F(xiàn)為，500 hPa貝加爾湖南部至我國東北一帶出現(xiàn)橫槽，40°N附近氣流平直但有弱的波動影響；與橫槽型最顯著的不同是此類天氣下橫槽并沒有一次性的迅速南壓轉(zhuǎn)豎影響北京，而表現(xiàn)成小股冷空氣的向南滲透疊加到平直西風(fēng)氣流上形成淺槽的影響，地面表現(xiàn)形式仍然是高壓底部回流影響，其代表個例有2009年11月9日北京回流暴雪天氣過程[3]。結(jié)合4種天氣形勢的概念模型(圖2)，對16次暴雪天氣過程按照天氣形勢進行分類，發(fā)現(xiàn)低渦低槽型最多，有6次，地面倒槽型有3次，橫槽型有3次，回流型有4次(表1)。

表1 2001—2018年北京地區(qū)16次暴雪天氣過程統(tǒng)計

圖1 2001—2018年北京地區(qū)暴雪天氣過程出現(xiàn)次數(shù)逐月變化

圖2 北京地區(qū)暴雪出現(xiàn)的4種天氣形勢的概念模型:(a)低渦低槽型,(b)地面倒槽型,(c)橫槽型,(d)回流型

2 北京地區(qū)暴雪的雷達回波特征

利用北京多普勒天氣雷達資料，對北京地區(qū)暴雪天氣過程中反射率因子(包括R和CR)，徑向速度(V)，回波頂高(ET)，垂直累積液態(tài)水含量(VIL)和VAD風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)等產(chǎn)品的特征進行統(tǒng)計分析，以期找到北京地區(qū)暴雪的雷達回波特征指標。

2.1 反射率因子特征

雷達氣象學(xué)家將降水的反射率因子回波大致分為3種類型：積云降水回波、層狀云降水回波和積云層狀云混合降水回波[14]。而降雪回波一般劃分為兩種，即層狀云降雪回波(簡稱層狀云型)和積云層狀云混合降雪回波(簡稱混合型)[15]。分析了10次暴雪天氣過程(有6次過程缺乏雷達資料)的反射率因子特征，發(fā)現(xiàn)有7次屬于混合型，回波形態(tài)呈片絮狀，最強反射率因子可達35 dBz以上；有3次屬于層狀云型，回波形態(tài)呈片狀，最強反射率因子可達20～25 dBz，但大部分回波強度維持在15～20 dBz，而這3次過程的逐小時降雪量并不大，之所以能達到暴雪量級，主要是因為降雪持續(xù)時間長，具體見表2。

挑選2009年11月9日(混合型)和2010年1月2—3日(層狀云型)這兩次純雪暴雪天氣過程做對比，揭示這兩種類型暴雪在反射率因子特征上的差異。自動站實況顯示，2009年11月9日過程屬于回流型降雪，其主要降雪時段為9日23:00至10日03:00，歷時4 h，最大小時雪強為8.1 mm/h，出現(xiàn)在00:00—01:00，可見該過程具有持續(xù)時間短、雪強大和分布不均勻的特點。從10日00:00 1.5°仰角反射率因子圖(圖3a)上可以看出，該過程降雪回波呈片絮狀，在北京中部地區(qū)有橢圓形對流單體回波，反射率因子強度達30～35 dBz。從其垂直剖面圖(圖3c)中可以看到，強回波伸展到4～5 km，具有明顯的回波懸垂結(jié)構(gòu)，這是一次典型的對流性降雪過程，而10日00:00左右，城區(qū)大部分地區(qū)聞雷。2010年1月2—3日該過程屬于低渦低槽型，其降雪從3日01:00前后開始，22:00左右結(jié)束，持續(xù)時間超過21 h。從3日12:00 1.5°仰角反射率因子圖(圖3b)上可以看出，該過程降雪回波呈片狀，大部分反射率因子強度為15～25 dBz，回波分布較為均勻。從其垂直剖面圖(圖3d)中可以看到，無明顯的強回波區(qū)，無回波懸垂結(jié)構(gòu)，15 dBz以上回波集中在3 km以下，且分布均勻，這是一次典型的穩(wěn)定性降雪過程。

圖3 北京天氣雷達2009年11月10日00:00 1.5°仰角反射率因子(a)和沿圖a中紅線的反射率因子垂直剖面(c)，2010年1月3日12:00 1.5°仰角反射率因子(b)和沿圖b中紅線的反射率因子垂直剖面(d)

2.2 速度場特征

朱乾根[16]等把600 hPa以下出現(xiàn)的強而窄的氣流稱為低空急流，一般要求風(fēng)速大于等于12 m/s，大量研究表明700 hPa附近的低空急流在暴雨或暴雪的產(chǎn)生過程中發(fā)揮重要的作用[17-18]。由于常規(guī)探空資料一般每日僅包含兩個時次，且空間分布不均勻，其低時空分辨率難以捕捉所有的低空急流事件，但多普勒天氣雷達6 min掃描一次，利用其徑向速度資料及其衍生產(chǎn)品VWP能很好地監(jiān)測暴雪天氣過程中低空急流的演變特征。針對北京地區(qū)10次暴雪天氣過程，通過分析雷達徑向速度場和VWP特征，發(fā)現(xiàn)8次暴雪天氣過程出現(xiàn)了較為明顯的“牛眼結(jié)構(gòu)”，其高度均在1.5 km以下，絕大部分徑向速度中心值達12 m/s以上，按照高度劃分，一般稱之為邊界層低空急流[19]，這不同于以往研究的700 hPa附近的低空急流。早在2005年，孫繼松[20]研究指出北京夏季的局地強降水與邊界層低空急流之間存在明顯的正反饋現(xiàn)象，邊界層急流增加了風(fēng)速輻合，有利于降水強度進一步增強。而在冬季，邊界層低空急流與暴雪是否也有較好的相關(guān)性？為此選取該8次暴雪天氣過程，對其出現(xiàn)的“牛眼結(jié)構(gòu)”進行了詳細的分析。從表2可以看出，“牛眼結(jié)構(gòu)”(邊界層低空急流)高度一般出現(xiàn)在0.6～0.9 km，持續(xù)時間最短5 h，最長為14 h，大部分個例發(fā)現(xiàn)，“牛眼結(jié)構(gòu)”出現(xiàn)要早于強降雪，結(jié)束要晚于強降雪，比強降雪持續(xù)時間要長。從風(fēng)向來看，8次邊界層低空急流中，有一次偏南風(fēng)，一次西北風(fēng)，其他均為偏東風(fēng)。而大量研究指出，冷空氣沿偏東路徑自邊界層侵入，在底層形成冷墊，其一方面能使邊界層氣溫降低，利于產(chǎn)生降雪天氣；另一方面其構(gòu)建的“楔形”產(chǎn)生觸發(fā)機制，迫使中空暖濕空氣沿冷墊爬升造成鋒生。因此，邊界層低空急流的出現(xiàn)及強度和維持時間對暴雪的產(chǎn)生和維持至關(guān)重要[10，18，21]。

表2 北京地區(qū)8次暴雪天氣過程“牛眼結(jié)構(gòu)”特征

圖4 北京天氣雷達2009年11月9—10日2.4°仰角徑向速度演變：(a)9日22:48“牛眼”結(jié)構(gòu)形成,(b)10日00:00反“S”形；(c)10日07:30低層北風(fēng)+風(fēng)速輻散

以2009年11月9日回流型暴雪天氣過程為例，分析邊界層低空急流在暴雪天氣過程中的作用。華北回流天氣是指冷空氣從東北平原南下，經(jīng)過渤海以偏東路徑侵入華北平原。從徑向速度場上可以看出，從9日22:48(圖4a)開始至10日07:00(圖略)，2.4°以上仰角徑向速度圖上風(fēng)速分布一直有明顯的“牛眼”結(jié)構(gòu)特征，高度在0.6～0.9 km，“牛眼”中心徑向入流和出流最大速度值均為12 m/s，滿足邊界層低空急流標準。該“牛眼”結(jié)構(gòu)持續(xù)時間超過8 h，結(jié)合前面的實況介紹，可以看出該“牛眼結(jié)構(gòu)”出生現(xiàn)早于強降雪，且持續(xù)時間明顯更長。00:00時，零速度線呈非典型反“S”形，且正速度面積<負速度面積，即存在冷平流加輻合；而“牛眼”結(jié)構(gòu)范圍較前一個時次有所增加，其最低高度下降到0.6 km，表明邊界層低空急流有所增強，而這又會加強急流前方的風(fēng)速輻合，這種大尺度風(fēng)場結(jié)構(gòu)有利于強降雪的維持[15,22]。10日07:30以后低層出現(xiàn)偏北風(fēng)，“牛眼結(jié)構(gòu)”消失，風(fēng)速出現(xiàn)輻散，降雪趨于減弱，3 h后本次降雪結(jié)束。

圖5 北京天氣雷達2009年11月9—10日不同階段VAD風(fēng)廓線產(chǎn)品VWP的主要特征

從VAD風(fēng)廓線產(chǎn)品VWP上可以看出，9日22:12開始，0.9 km高度上出現(xiàn)了12 m/s的偏東風(fēng)，邊界層低空急流開始建立，此時偏東風(fēng)厚度位于2.4 km以下，而23:00時，能看到2.4 km和2.7 km之間存在近乎180°的垂直風(fēng)切變(圖5a)，該風(fēng)場結(jié)構(gòu)有利于強降雪的產(chǎn)生；另外，10日00:00開始，轉(zhuǎn)換高度2.7 km處，風(fēng)向由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)(圖5b)，表明該高度上存在西南風(fēng)和西北風(fēng)的切變，之后該切變逐漸上傳，說明有系統(tǒng)正好經(jīng)過北京上空，而實況顯示此階段海淀站出現(xiàn)明顯強降雪。實況探空上顯示9日夜間，700 hPa上確實有一淺槽經(jīng)過北京(圖略)，但由于局限性并不知道具體時間。10日07:00之后，低層的北風(fēng)加入，邊界層低空急流消失，降雪逐漸停止(圖5c)。

2.3 雷達二次產(chǎn)品特征

為了更好地揭示北京地區(qū)暴雪的雷達回波特征，從雷達二次產(chǎn)品中挑選了幾個與降雪有關(guān)的組合反射率因子(CR)、回波頂高(ET)和垂直累積液態(tài)水含量(VIL)等進行統(tǒng)計分析(表3)。10次暴雪天氣過程，從回波類型來看，有7次為混合型，回波形態(tài)呈片絮狀，其組合反射率因子最強均達35 dBz以上，最大值為50 dBz,出現(xiàn)在2015年11月5—6日暴雪過程中；有3次為層狀云型，回波形態(tài)呈片狀，其組合反射率因子最強達25 dBz。從回波頂高來看，混合型降雪過程的回波頂高在4 km以上，而其中3次聞雷過程的回波頂高最高，可達7～8 km；層狀云型回波頂高最高達3 km。暴雪天氣過程VIL中心最大值為8 kg/m2,絕大多數(shù)為3～5 kg/m2。

表3 北京地區(qū)10次暴雪天氣過程雷達二次產(chǎn)品特征

3 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)氣象觀測資料，選取了2001—2018年北京地區(qū)16次暴雪天氣過程，得出北京地區(qū)暴雪的氣候特征和環(huán)流特征。挑選其中10次暴雪個例，從反射率因子特征、風(fēng)場特征和雷達二次產(chǎn)品特征3個方面，統(tǒng)計分析北京地區(qū)暴雪的雷達回波特征，具體結(jié)論如下：

(1)2001—2018年，一年中出現(xiàn)暴雪過程最多2次，最多月份為11月，有9次，這可能是過渡季節(jié)水汽較為充沛，有利于出現(xiàn)暴雪天氣。

(2)北京地區(qū)出現(xiàn)暴雪的天氣形勢主要有4種:低渦低槽型，地面倒槽型，橫槽型和回流型;低渦低槽型最多，為6次。

(3)10次暴雪個例雷達回波特征詳細分析得出：反射率因子特征方面，北京暴雪一般可以分為混合型和層狀云型，混合型占多數(shù)，回波形態(tài)呈片絮狀，最強反射率因子可達35 dBz以上；層狀云型占少數(shù)，回波形態(tài)呈片狀，最強反射率因子可達20～25 dBz，但大部分回波強度維持在15～20 dBz。從速度場來看，出現(xiàn)了8次較為明顯的“牛眼”結(jié)構(gòu)，其高度均在1.5 km以下，為邊界層低空急流；邊界層低空急流的存在對暴雪的產(chǎn)生和維持至關(guān)重要。從雷達其他產(chǎn)品來看，混合型過程的回波頂高在4 km以上，而其中的3次聞雷過程的回波頂高最高，可達7～8 km；層狀云型過程回波頂高最高達3 km。暴雪天氣過程VIL中心最大值為8 kg/m2,絕大多數(shù)為3～5 kg/m2。

可以看出，目前統(tǒng)計的個例較少，主要因為北京地區(qū)并不是暴雪的高發(fā)地區(qū)，但鑒于暴雪對于城市交通等各方面的影響較大，因此還是有一定研究價值的，后期選取京津冀地區(qū)進行統(tǒng)計分析，以使結(jié)論更合理。