北京海坨山區(qū)低槽降雪云系演變特征的觀測(cè)研究*

馬新成 董曉波 畢 凱 溫 典 陳云波 陳羿辰 麥 榕

1.北京市人工影響天氣辦公室，北京，100089

2.云降水物理研究和云水資源開(kāi)發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100089

3.中國(guó)氣象局華北云降水野外科學(xué)試驗(yàn)基地，北京，101200

4.河北省人工影響天氣辦公室，石家莊，050020

1 引言

海坨山區(qū)是中國(guó)大型冬季室外運(yùn)動(dòng)開(kāi)展的重點(diǎn)區(qū)域。自然積雪是冬季室外運(yùn)動(dòng)會(huì)舉辦的重要?dú)庀髼l件，為了提高復(fù)雜地形下降雪精細(xì)化預(yù)報(bào)水平和人工增加山區(qū)降雪，需要對(duì)2月海陀山區(qū)的自然降雪過(guò)程有清晰的認(rèn)識(shí)。美國(guó)從20 世紀(jì)70年代起在多個(gè)山區(qū)開(kāi)展了山區(qū)自然降雪觀測(cè)研究和人工增雪試驗(yàn)（Hobbs，1975；Rauber，1987；Stoelinga，et al，2003；Geerts，2013；Breed，et al，2014；Tessendorf，et al，2019）。20 世紀(jì)80年代中國(guó)在新疆天山首次開(kāi)展了空-地聯(lián)合的雪觀測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)人工增雪作業(yè)潛力和自然條件進(jìn)行了探討（游來(lái)光等，1989，1992；王謙等，1978；王廣河等，1989；劉玉寶等，1990）。這些研究發(fā)現(xiàn)不同山區(qū)的自然降雪云系有很大差異，對(duì)應(yīng)存在不同降雪特征。因此，有必要針對(duì)不同地理區(qū)域的山區(qū)降雪開(kāi)展協(xié)同觀測(cè)研究。

近年來(lái)，學(xué)者們利用雪花顯微、地基（遙感）儀器等觀測(cè)設(shè)備取得了降雪云系演變的許多研究結(jié)果。Thériault 等（2014）在加拿大的SNOW-V10 外場(chǎng)試驗(yàn)中利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)顯微儀，通過(guò)人工和自動(dòng)同時(shí)觀測(cè)手段，對(duì)雪花進(jìn)行拍攝分析，證明了雪花形狀和尺度在空間分布上存在很大差異，統(tǒng)計(jì)認(rèn)為最常見(jiàn)的雪花形狀是輻枝狀（＞30%）和片狀（＜5%），凇附粒子在降雪個(gè)例中也經(jīng)常被觀測(cè)到。Colle 等（2014）采用了立體顯微鏡與相機(jī)結(jié)合的方法，在15—30 min 間隔下通過(guò)對(duì)降雪粒子采樣，分析了粒子屬性和凇附程度，認(rèn)為在接近降雪天氣的氣旋中心強(qiáng)凇附的粒子主要為針狀和霰粒，而在氣旋中心的西側(cè)主要為微弱凇附的片狀和輻枝狀雪花；結(jié)合微雨雷達(dá)（MRR）和探空等設(shè)備進(jìn)行地面微物理特征變化與垂直動(dòng)力、溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系研究，認(rèn)為最大垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生在有利于冰增長(zhǎng)和過(guò)冷水較少的區(qū)域（即-15—-25℃），在重凇附期間以針狀雪花和霰粒為主，最大垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生在0—-5℃溫度范圍內(nèi)，相對(duì)于輕度凇附，重凇附期間具有更強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)和湍流。這些研究結(jié)果顯示，不同地區(qū)地面降雪微物理特征有很大的差異，在不同地區(qū)廣泛開(kāi)展降雪微結(jié)構(gòu)觀測(cè)具有重要意義（Thériault，et al，2014）。中國(guó)方面，胡云濤等（2017）利用Parsivel 激光雨滴譜儀觀測(cè)了南京地區(qū)2014—2016年6 場(chǎng)降雪粒子譜資料，得到了具有局地化特征的降雪微物理性質(zhì)。李遙等（2019）利用Parsivel、自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料及 MICAPS 數(shù)據(jù)，對(duì)2018年冬季南京的4 次強(qiáng)降雪過(guò)程中雪花微物理參量進(jìn)行分析。遺憾的是，上述兩項(xiàng)研究缺少降雪光學(xué)儀器和地基遙感設(shè)備的協(xié)同觀測(cè)。針對(duì)華北地區(qū)，酆大雄（1963）利用目測(cè)、顯微照相、陰影照相3 種方法對(duì)華北冬季弱降水系統(tǒng)進(jìn)行雪晶觀測(cè)分析。賈星燦等（2018）以及 Jia 等（2019）利用 Parsivel結(jié)合地面部分雪晶顯微觀測(cè)和云雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了北京海坨山區(qū)冬季過(guò)冷雨滴、霰粒、雪花、混合態(tài)降水粒子譜和下落速度特征。陳羿辰等（2018）聯(lián)合 Ka 波段云雷達(dá)、稱(chēng)重式雨量計(jì)和S 波段天氣雷達(dá)對(duì)降雪系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的宏微觀結(jié)構(gòu)、毫米波雷達(dá)在探測(cè)中電磁波的衰減以及估測(cè)雪粒子含水量和地面降雪量估測(cè)等方面進(jìn)行了分析研究。但針對(duì)海坨山2月的降雪過(guò)程觀測(cè)研究還很少，并且缺少利用飛機(jī)和地面雪花顯微觀測(cè)結(jié)合分析降雪粒子形狀分類(lèi)、凇附程度和攀附現(xiàn)象等微物理屬性。

Ma 等（2017）對(duì)2016—2017年冬季海坨山區(qū)降雪過(guò)程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示低槽和低渦低槽是降雪的高空主要影響系統(tǒng)。儀清菊等（1999）和張琳娜（2014）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也認(rèn)為北京地區(qū)典型降雪過(guò)程主要為低渦低槽型、低槽型和東風(fēng)回流型等。每年冬季低槽影響下的西南氣流攜帶的暖濕水汽沿著華北平原到達(dá)北京境內(nèi)，越過(guò)軍都山后到達(dá)海坨山前延慶盆地平原，西南氣流基本與海坨山谷軸線垂直，由于山谷的地形作用，氣流沿著山谷在迎風(fēng)面匯合并上升，形成了低層的地形云，這些地形云對(duì)冬季室外運(yùn)動(dòng)會(huì)造成低能見(jiàn)度事件，往往造成取消或推遲比賽的事件；此外這些地形云和高層云相互配合形成的降雪對(duì)海坨山區(qū)降雪預(yù)報(bào)都存在很大的不確定性。針對(duì)華北地區(qū)低槽降雪研究，主要集中在天氣尺度的分析研究上（王建中等，1995；孫繼松等，2003），缺少對(duì)微物理結(jié)構(gòu)演變的分析。Ma 等（2017）通過(guò)飛機(jī)、云雷達(dá)、微波輻射計(jì)和雪花顯微觀測(cè)等對(duì)2016—2017年海坨山區(qū)冬季12 個(gè)降雪個(gè)例進(jìn)行了綜合分析，但缺少對(duì)低槽降雪過(guò)程的空-地協(xié)同觀測(cè)。黃鈺等（2020）基于風(fēng)廓線雷達(dá)、云雷達(dá)、粒子譜儀、微波輻射計(jì)和自動(dòng)站等垂直觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)資料，結(jié)合中尺度數(shù)值模式（WRF）對(duì) 2017年3月23—24日北京延慶海坨山區(qū)的一次低槽降雪過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)和數(shù)值模擬研究，但缺少對(duì)地面雪花的顯微觀測(cè)分析。

2017—2022年，北京市人工影響天氣辦公室（簡(jiǎn)稱(chēng)北京人影辦）組織開(kāi)展針對(duì)海陀山冬季地形云降水觀測(cè)和綜合云催化試驗(yàn)研究（簡(jiǎn)稱(chēng)TOPICE 研究計(jì)劃，Ma，et al，2017），該試驗(yàn)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括以下3 方面：（1）海陀山區(qū)自然降雪特征，（2）人工增雪潛力評(píng)估，（3）冬季降雪綜合催化試驗(yàn)。文中針對(duì)2019年2月14日一次低槽云系產(chǎn)生的降雪過(guò)程，通過(guò)組織海陀山區(qū)自然降雪空-地協(xié)同觀測(cè)，重點(diǎn)討論海陀山區(qū)自然降雪的宏、微觀結(jié)構(gòu)演變特征及可能的人工增雪潛力。

2 試驗(yàn)區(qū)和儀器

2.1 研究區(qū)域概況

海坨山（圖1a）位于北京延慶區(qū)西北部，屬燕山山脈的軍都山系，距北京市中心約90 km。山脈呈西南—東北走向，由山脈、盆地和山谷組成，其最高峰—大海坨海拔2241 m。地面觀測(cè)儀器主要部署在閆家坪綜合觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)閆家坪，2016年后逐步建成），它位于海坨山谷西北方向的山脊上（圖1b），海拔1344 m，水平距離大海坨約6 km。海坨山谷位于大海坨和馬鞍山（海拔約1800 m）之間，呈楔形，由閆家坪向東南方向延伸，到山谷入口處（海拔約600 m）水平距離約10 km，山谷口面向東南為山前延慶盆地平原（海拔約489 m）。試驗(yàn)飛機(jī)起降機(jī)場(chǎng)在北京昌平（位于海坨山東南，距離約64 km）。山區(qū)最低安全高度為2900 m，所以低層降雪結(jié)構(gòu)主要由地基遙感獲得。

圖1 （a）華北地區(qū)地形、北京海陀山位置和外場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域（黑框），（b）外場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)放大地形包括閆家坪等位置（黑圈），（c）閆家坪空中俯視圖及主要觀測(cè)設(shè)備（數(shù)字為建成時(shí)間）Fig.1 （a）Topography of North China，location of Beijing Haituo Mountain in North China and the study area（black box）；（b）The enlarged topography of the study area，including the location of Yanjiaping Comprehensive Observation Station（black circle）；（c）Aerial view and main observation equipment at Yanjiaping Observatory（numbers indicate the set-up time）

2.2 儀 器

在海坨山試驗(yàn)區(qū)使用了多種類(lèi)型的觀測(cè)設(shè)備（圖1c）。主要包括：（1）美國(guó)SPEC 云物理機(jī)載探測(cè)儀器，（2）Ka 波段多普勒云雷達(dá)，（3）微波輻射計(jì)，（4）降水粒子譜儀，（5）雪晶顯微觀測(cè)儀。同時(shí)，閆家坪還擁有霧滴譜儀、風(fēng)廓線雷達(dá)、標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)氣象站、固態(tài)稱(chēng)重降雪量?jī)x、雪深（人工）、能見(jiàn)度儀等。探空站點(diǎn)選擇距閆家坪西北78 km 處河北張家口站（54401）和東南90 km 處北京觀象臺(tái)站（54511）。除上述數(shù)據(jù)外，天氣圖和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局（CMA）并提供了專(zhuān)門(mén)的分析。北京觀象臺(tái)的S 波段多普勒雷達(dá)提供了中尺度云系結(jié)構(gòu)資料。此外，利用NCEP 的1°×1°再分析資料獲得了閆家坪上空4 個(gè)時(shí)次（世界時(shí)00、06、12、18時(shí)）、高度層為13 層（900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300 hPa）的溫度和相對(duì)濕度等特征量，并通過(guò)計(jì)算得出比濕和假相當(dāng)位溫等用于分析降雪云系水汽和不穩(wěn)定條件。

2.2.1 美國(guó)SPEC 云物理機(jī)載探測(cè)儀器

利用“空中國(guó)王”飛機(jī)搭載的美國(guó)SPEC 公司生產(chǎn)的云物理探測(cè)儀器對(duì)云系微物理結(jié)構(gòu)開(kāi)展觀測(cè)。主要儀器有探測(cè)2—50 μm 云滴粒子的CDP 探頭、云滴及冰晶粒子數(shù)濃度（2DS）和圖像（CPI）探頭、探測(cè)范圍150—19200 μm 并可提供雪粒子圖像的HVPS 探頭、測(cè)量液水含量/總水探頭（LWC/TWC）、古德里奇溫度探頭以及機(jī)載氣象探測(cè)系統(tǒng)（AIMMS-20；獲得溫度、濕度、壓強(qiáng)、水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速等）。這些云物理機(jī)載探頭探測(cè)結(jié)果可以對(duì)地基遙感觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行直接驗(yàn)證，但是由于飛行受時(shí)間和安全高度限制，整個(gè)云系演變期間宏、微觀物理特征還需要由地基云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、降水粒子譜儀、降雪顯微觀測(cè)儀等配合獲得。此外，由于受海坨山南側(cè)空中走廊影響，閆家坪上空的垂直探測(cè)只能選擇在閆家坪附近開(kāi)展。機(jī)載探測(cè)儀器每年在飛行使用前均進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)在每次飛行前對(duì)機(jī)載探測(cè)儀器進(jìn)行維護(hù)以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

2.2.2 Ka 波段多普勒云雷達(dá)

閆家坪使用的垂直指向8 mm 波長(zhǎng)云雷達(dá)，能夠在對(duì)流層12 km 內(nèi)以每8.8 s 垂直方向30 m 間距實(shí)時(shí)連續(xù)探測(cè)，獲取包括線性偏振雷達(dá)反射率因子、垂直速度、速度變化率、線性極化率以及多普勒譜等（陳羿辰等，2018）。使用Maahn 等（2012）的方法對(duì)原始多普勒譜數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并計(jì)算多普勒譜寬度。Ka 波段云雷達(dá)對(duì)降雪云的觀測(cè)，衰減效應(yīng)通?？梢院雎圆挥?jì)（Matrosov，et al，2008）。但在大雪的情況下，降雪會(huì)堆積在加熱天線上，產(chǎn)生大量的衰減。在實(shí)際觀測(cè)中需及時(shí)清理天線積雪，并在后期數(shù)據(jù)分析中考慮衰減影響的時(shí)段。

2.2.3 降雪顯微觀測(cè)儀

降雪顯微觀測(cè)儀（SPI，Snow Particles Imager）由北京人影辦研究團(tuán)隊(duì)搭建，原理與Gibson 等（2007）和Thériault 等（2014）在加拿大山區(qū)雪花顯微觀測(cè)所使用的人工和自動(dòng)設(shè)備功能基本相同。該儀器用來(lái)分析降雪粒子形狀類(lèi)型、尺度、不同形狀所占比列、凇附程度和攀附現(xiàn)象等結(jié)構(gòu)和演變特征。它由相機(jī)主體加改裝的高分辨率顯微鏡頭以及數(shù)顯屏構(gòu)成。觀測(cè)時(shí)在儀器外圍安裝防護(hù)罩，以防止吹雪造成的影響。人工觀測(cè)流程主要是首先通過(guò)使用長(zhǎng)寬20 cm 載玻盤(pán)根據(jù)降雪強(qiáng)度暴露5—10 s 進(jìn)行雪花采樣（一般一次收集20—30 個(gè)雪花粒子），然后放到改裝的相機(jī)鏡頭下從左到右依次下移（同組放大倍數(shù)固定和拍攝區(qū)域不重復(fù)）載玻盤(pán)拍攝6—9 張雪花圖片，并依此作為一組雪花顯微觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)后期人工和軟件識(shí)別進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析。一般觀測(cè)一組需要1 min，所以整個(gè)降雪期間雪花顯微觀測(cè)最小間隔1 min，最長(zhǎng)不超過(guò)10 min。雪花形狀分類(lèi)參考Magono 等（1966）的雪晶形狀分類(lèi)法，降雪粒子的凇附程度分析參考Mosimann 等（1994）方法，也可識(shí)別降雪粒子攀附現(xiàn)象的有和無(wú)。雪花尺寸通過(guò)后期處理添加標(biāo)尺測(cè)量主要長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。該儀器觀測(cè)的雪花形狀可判斷空中產(chǎn)生雪晶處的濕度和溫度條件，根據(jù)地面溫度及產(chǎn)生雪晶處的溫度之差，大體可估計(jì)出產(chǎn)生某些形狀雪晶的云中高度，并通過(guò)飛機(jī)觀測(cè)給予驗(yàn)證。

3 天氣形勢(shì)演變

2019年2月14日08 時(shí)（北京時(shí)，下同），即閆家坪最大降雪開(kāi)始前2 h，500 hPa 中高緯度的低壓槽向東南移動(dòng)，與中低緯度的低壓槽合并加強(qiáng)，閆家坪中高空位于低壓槽前部暖濕西南氣流中，對(duì)應(yīng)在700 和850 hPa 上也有低壓槽東移加強(qiáng)（圖略）。此時(shí)，地面在河套地區(qū)存在低值環(huán)流中心（1027 hPa，距離北京360 km），倒槽頂部位于內(nèi)蒙古中部與蒙古國(guó)交界處，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)緯向分布的降水云系（圖2a）；而東北地區(qū)受高壓控制，北京近地層存在東風(fēng)回流。閆家坪正受降雪云系前部影響，紅外云圖上顯示云頂亮溫中等強(qiáng)度，屬于中層云。11 時(shí)低值環(huán)流中心增強(qiáng)并進(jìn)一步向東移動(dòng)，隨著倒槽加深，閆家坪處于主體云系影響中（圖2b），云頂亮溫顯示達(dá)到最低，說(shuō)明云層已顯著增厚并達(dá)最大。14 時(shí)后，低值環(huán)流前部控制北京，東風(fēng)回流逐漸東移退出，北京不斷受降雪云系后部云帶的影響（圖2c），云頂亮溫已很低，說(shuō)明主要為低云降雪。隨著槽后冷空氣的不斷南下，16 時(shí)地面鋒面過(guò)境期間，伴隨著東風(fēng)回流減弱，低層由西南暖濕氣流控制，人工觀測(cè)到地形云沿著海坨山谷從東南方向不斷爬升到閆家坪。到20 時(shí)，降雪云系基本移出北京，槽后干燥冷空氣主導(dǎo)北京上空（圖2d），閆家坪地面到高空轉(zhuǎn)為西北風(fēng)控制，降雪基本結(jié)束。

圖2 2月14日08 時(shí)（a）、11 時(shí)（b）、14 時(shí)（c）和20 時(shí)（d）地面天氣形勢(shì)疊加紅外云圖（黑圈為海坨山試驗(yàn)區(qū)）Fig.2 Infrared cloud image and surface weather chart at 08：00 BT（a），11：00 BT（b），14：00 BT（c）and 20：00 BT（d）14 February 2019（the black circle shows the Haituo Mountain experiment area）

由于這次過(guò)程地面倒槽位置距離北京偏西北，導(dǎo)致河北的西北部降雪量相對(duì)較大，北京城區(qū)及東南部地區(qū)以小雪為主，北部地區(qū)出現(xiàn)中雪，懷柔、延慶和密云局地大雪（圖略）。人工觀測(cè)顯示閆家坪從04 時(shí)20 分開(kāi)始大風(fēng)中飄雪，降雪持續(xù)到20 時(shí)基本結(jié)束，持續(xù)時(shí)間近16 h，最大降雪出現(xiàn)在10—14 時(shí)（圖3），累計(jì)雪深23.7 cm，閆家坪出現(xiàn)中雪過(guò)程（2.9 mm/（24 h））。這次降雪過(guò)程是北京海坨山區(qū)2月典型降雪天氣。文中選取主要降雪時(shí)段（04—20 時(shí)）加以分析。圖3 顯示，04—18 時(shí)，地面為偏東風(fēng)，風(fēng)速5—8 m/s，18 時(shí)30 分前后偏東風(fēng)轉(zhuǎn)向偏西風(fēng)，在風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí)，地面風(fēng)速逐漸減弱，并一度出現(xiàn)靜穩(wěn)狀態(tài)，20 時(shí)后迅速增大。地面相對(duì)濕度由50%迅速升高至超過(guò)80%（相應(yīng)地面溫度由-14℃降低到-15℃以下）并一直維持到降雪結(jié)束后逐漸跌至60%。地面溫度也一直維持在-15℃附近，但是在降雪后期出現(xiàn)先升后降現(xiàn)象，在升溫期間地面不斷有地形云爬升到閆家坪，而能見(jiàn)度更是低于100 m；隨著偏西冷空氣不斷入侵，降雪趨于結(jié)束時(shí)溫度又迅速下降到最低（-16℃）。

圖3 閆家坪地面氣象信息時(shí)間序列（a.風(fēng)向，b.風(fēng)速，c.氣溫，d.相對(duì)濕度，e.降雪量，f.能見(jiàn)度（黑實(shí)線）和霧滴數(shù)濃度（藍(lán)實(shí)線））Fig.3 Time series of meteorological variables at Yanjiaping site（a.wind direction，b.wind speed，c.temperature，d.relative humidity，e.snowfall amount，f.visibility（solid black line）and fog drop number concentration（solid blue line））

4 中尺度結(jié)構(gòu)演變

按照降雪云系不同部位影響閆家坪的時(shí)間，將研究時(shí)段劃分成4 階段：云系前部（Ⅰ）、云系主體（Ⅱ）、云系后部（Ⅲ）和云系消散（Ⅳ）。圖4 是閆家坪云雷達(dá)垂直向上探測(cè)的降雪云系雷達(dá)反射率因子的時(shí)間序列，圖5 是閆家坪風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)演變。

圖4 閆家坪云雷達(dá)反射率因子時(shí)間序列（左側(cè)垂直軸是距地高度）Fig.4 Time series of cloud radar reflectivity at Yanjiaping site（left vertical axis shows height above the ground level）

4.1 階段Ⅰ（云系前部）：04—08 時(shí)

04 時(shí)，北京觀象臺(tái)S 波段多普勒雷達(dá)PPI 顯示（圖略），北京觀象臺(tái)到河北張家口之間有一東南—西北走向降雪回波帶（長(zhǎng)約150 km，寬約50 km，最強(qiáng)15 dBz），其前沿已到閆家坪，回波帶由西南向東北移動(dòng)，移速30—40 km/h。到04 時(shí)20 分，回波帶分布范圍顯著擴(kuò)大，閆家坪已完全處于降雪回波帶中并開(kāi)始降雪。圖4 顯示云系前端回波頂部相對(duì)平坦，主要維持在4.3 km 高度（溫度-20℃），云底高度約1.6 km（溫度-17℃）。假相當(dāng)位溫廓線顯示（圖略）為弱不穩(wěn)定層結(jié)，圖6b 和c 也顯示在閆家坪開(kāi)始降雪前期，即00—04 時(shí)，邊界層存在弱的不穩(wěn)定。云中1.6—3 km 高度層存在逆溫，西南風(fēng)也主要分布在該高度層（圖5），最大風(fēng)速（20 m/s）所在高度約維持在2 km，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)最大相對(duì)濕度，但比濕小于 0.8 g/kg（圖略）。云系最大回波強(qiáng)度（10 dBz）主要集中在云中下部。而云底以下受東風(fēng)回流影響（圖2a），一直維持偏東風(fēng)（約6 m/s，圖5），由于其攜帶水汽較少，主要時(shí)段并未在近地層觀測(cè)到地形云爬升到閆家坪。

圖5 閆家坪風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列（左側(cè)垂直軸是距地高度）Fig.5 Time series of wind field observed by wind profile radar at Yanjiaping site（left vertical axis shows height above the ground level）

圖6 閆家坪微波輻射計(jì)和云雷達(dá)綜合反演參數(shù)演變（a.氣溫，b.相對(duì)濕度，c.水汽密度，d.整層積分冰水路徑，e.整層積分液態(tài)水和水汽；a、b、c 垂直軸是距地高度）Fig.6 Time-height cross sections of（a）temperature，（b）relative humidity，（c）water vapor density and time series of（d）IWP，（e）ILWC and IWV at Yanjiaping site from 00：00 to 23：00 BT 14 February（vertical axis of a，b，c shows height above the ground level）

4.2 階段Ⅱ（云系主體）：08—14 時(shí)

08 時(shí)，隨著降雪云系主體到來(lái)，北京觀象臺(tái)S 波段雷達(dá)PPI 顯示北京北部山前，從延慶到平谷之間存在東—西走向的降雪回波帶，前沿已到閆家坪，最大回波強(qiáng)度已達(dá)20 dBz（圖略），回波帶由南向北移動(dòng)，移速20—25 km/h。圖4 顯示回波頂高已達(dá)7.8 km，與探空觀測(cè)云頂高度基本一致（圖略），云頂溫度接近-43℃，云底維持在1.6 km（-17℃），并在1.6—3 km 高度存在逆溫，逆溫強(qiáng)度4.57℃/km。12—14 時(shí)，回波頂高維持在6.8 km（對(duì)應(yīng)溫度-35℃）。云系主體非常深厚，尤其是10—14 時(shí)，回波頂部具有與弱對(duì)流相關(guān)的弱波狀特征?；夭ńY(jié)構(gòu)反映了云中潛在的不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定是由于天氣尺度抬升而以弱嵌對(duì)流的形式釋放出來(lái)，層結(jié)逐漸向中性調(diào)整，假相當(dāng)位溫廓線（圖略）也顯示存在中性不穩(wěn)定。圖5 顯示，云系中西南風(fēng)分布厚度不僅達(dá)到最大（高度1.6—7.3 km，西南風(fēng)速均超過(guò)16 m/s），而且極大風(fēng)速（28 m/s）出現(xiàn)在4.5 km 高度附近，對(duì)應(yīng)高空出現(xiàn)比濕最大值（1.6 g/kg，圖略）。與階段Ⅰ一樣，云底以下繼續(xù)處于東風(fēng)回流的偏東風(fēng)控制中，霧滴譜儀觀測(cè)也顯示基本無(wú)地形云爬升到閆家坪（圖3f）。

4.3 階段Ⅲ（云系后部）：14—18 時(shí)

14 時(shí)隨著地面低值環(huán)流中心東移，東風(fēng)回流減弱移出，閆家坪降雪處于低槽云系后部影響中。圖4顯示回波頂高已明顯下降到4.3—2.6 km（對(duì)應(yīng)溫度-24—-15℃）。云底基本及地，15—16 時(shí)，地面觀測(cè)到不斷有地形云沿著海坨山谷爬升到閆家坪，圖3f 顯示云、霧滴數(shù)濃度出現(xiàn)峰值，達(dá)300 cm-3，并且能見(jiàn)度一度降到不足100 m，這期間地形云范圍覆蓋了整個(gè)冬季運(yùn)動(dòng)活動(dòng)區(qū)，這種低層地形云所造成的低能見(jiàn)度現(xiàn)象，對(duì)冬季運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。整層回波變?。ㄈ斯び^測(cè)顯示模糊可見(jiàn)太陽(yáng)），呈現(xiàn)弱的淺層對(duì)流特征，存在明顯的弱不穩(wěn)定，主要受地形抬升影響。云中下部仍舊存在逆溫，西南風(fēng)分布高度已顯著降低，風(fēng)速進(jìn)一步減弱（圖5），但由于近地層轉(zhuǎn)受西南風(fēng)控制，此階段比濕達(dá)到最大（1.8 g/kg，圖略）。

4.4 階段Ⅳ（云系消散）：18—20 時(shí)

消散階段，圖5 顯示西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，西南風(fēng)輸送的水汽減少，回波頂高進(jìn)一步降低。地面觀測(cè)顯示可見(jiàn)月亮，地面風(fēng)向由偏東轉(zhuǎn)為偏西（圖3a）。20 時(shí)鋒面過(guò)境后，風(fēng)速迅速增大，超過(guò)10 m/s，出現(xiàn)風(fēng)吹雪現(xiàn)象，鋒后低層有零散的積云維持，并由西北不斷向東南移動(dòng)，移速很快，在移動(dòng)中逐漸消散。

5 微物理結(jié)構(gòu)演變特征

降雪云中是否存在過(guò)冷水對(duì)是否適合實(shí)施人工增雪至關(guān)重要。飛機(jī)可以提供過(guò)冷水直接觀測(cè)資料，但受時(shí)間和山區(qū)安全飛行高度限制，而地基微波輻射計(jì)可提供連續(xù)的過(guò)冷水觀測(cè)資料。圖6 微波輻射計(jì)觀測(cè)的整層積分過(guò)冷水（ILWC）和積分水汽（IWV），以及由云雷達(dá)資料反演的整層積分冰水路徑（IWP）時(shí)間演變結(jié)果顯示：降雪期間地面溫度始終低于0℃，ILWC 和IWP 不存在高估誤差。根據(jù)地面雪晶形狀可以了解雪晶形成溫度和水汽等條件，并確定形成層高度，結(jié)合飛機(jī)觀測(cè)給予驗(yàn)證。除ILWC 外，根據(jù)雪花凇附現(xiàn)象及程度也可以判斷過(guò)冷水存在情況。雪晶形成溫度范圍數(shù)據(jù)是基于Nakaya 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：柱狀分別在-9—-12℃和-17—-25℃兩個(gè)范圍內(nèi)出現(xiàn)；柱片組合的雪晶（不包括柱帽狀）產(chǎn)生的溫度為-28—-36℃；立體枝狀：-18—-25℃；枝狀（星狀）：-14—-17℃；片狀：-10—-20℃（酆大雄，1963）。

5.1 階段Ⅰ（云系前部）：04—08 時(shí)

04 時(shí)20 分，雪花為單晶體。06 時(shí)06 分，開(kāi)始降片狀雪花，六角片狀單晶體尺寸小于1 mm（圖7a），其他六角片狀角端已出現(xiàn)扇片，偶爾出現(xiàn)枝狀（約3 mm，圖7b）。圖6e 顯示在降雪初期ILWC 為0，說(shuō)明云中無(wú)過(guò)冷水，云系完全是冰云。06 時(shí)10 分，ILWC 為0.01 mm，地面顯示降六角片狀雪花，但其角端多有延伸，或有扇片、輻枝（圖7c），尺寸最大約有1.5 mm。06 時(shí)33 分，片狀角端出現(xiàn)的輻枝明顯增大（雪花尺寸約3.5 mm，圖7d），說(shuō)明云中水汽有一定升高，IWV 由0.35 cm 升高到0.41 cm（圖6d）。06 時(shí)41 分，片狀雪花中偶爾出現(xiàn)星狀（約4.5 mm，圖7e）。一直到08 時(shí)主要為片狀晶型（圖7f）。階段Ⅰ地面降雪粒子形狀統(tǒng)計(jì)顯示，93%為片狀單晶體，回波頂高約4.3 km，對(duì)應(yīng)溫度-20℃，說(shuō)明片狀雪花是從這個(gè)高度生成降下。圖6e顯示，ILWC 最大僅0.015 mm，而且只是偶爾觀測(cè)到，地面降雪形狀中也沒(méi)有觀測(cè)到凇附現(xiàn)象，說(shuō)明云系為冰云，基本不存在過(guò)冷水，降雪主要由云中冰粒子的凝華增長(zhǎng)產(chǎn)生。從降雪的形狀及06—08 時(shí)降雪強(qiáng)度的少變，可以看出云的結(jié)構(gòu)比較均勻，雪花形成層高度隨時(shí)間變化不大。圖12a 顯示云系前部雪花粒子譜分布譜寬最窄，降雪粒子數(shù)濃度也最低。

圖7 階段Ⅰ地面雪花形狀演變示例（a、b.06 時(shí)06 分，c.06 時(shí)10 分，d.06 時(shí)33 分，e.06 時(shí)41 分，f.07 時(shí)41 分）Fig.7 Observed snow habit pictures by SPI in stage Ⅰ at（a）and（b）06：06 BT，（c）06：10 BT，（d）06：33 BT，（e）06：41 BT，and（f）07：41 BT

5.2 階段Ⅱ（云系主體）：08—14 時(shí)

08—09 時(shí)，繼續(xù)降片狀雪花，主要為六角片狀，并且以角端帶輻枝狀最多（約2.2 mm，圖8a）。10 時(shí)前后雪花形狀變?yōu)橐灾顬橹鳎┗ǔ叨让黠@增大（約5 mm，圖8b），同時(shí)也觀測(cè)到枝狀雪花聚并現(xiàn)象（圖8c），降雪強(qiáng)度也達(dá)最大（約0.4 mm/h），這期間整層積分過(guò)冷水含量最大（約0.015 mm）。10 時(shí)36 分，觀測(cè)到枝狀雪花最大約7 mm（圖8d）。一直到10 時(shí)41 分雪花形狀基本維持為枝狀，這期間也正處于底層回波強(qiáng)度最大期（圖4）。10 時(shí)41 分以后，雪花形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?，而且尺度顯著變小（圖8e），并觀測(cè)到大量六角片狀上有空間片狀以及柱狀和柱狀的結(jié)合體（尺寸小于1 mm），部分子彈柱狀聚合體（圖8f、g、h、i），并一直維持到該階段的末期（14 時(shí)），這期間底層回波強(qiáng)度也明顯減弱，降雪量也持續(xù)減小到0.2 mm/h。11 時(shí)54 分—12 時(shí)，由于受海坨山南側(cè)空中走廊影響，只能在閆家坪周邊附近開(kāi)展了飛機(jī)垂直觀測(cè)（圖9a），探測(cè)高度是從5286 m（-23.6℃）開(kāi)始，下降到3808 m（-17.6℃），圖9 給出了CPI 云粒子探頭獲得的不同高度的粒子圖像，這與地面觀測(cè)的雪花形狀一致，說(shuō)明柱狀應(yīng)該是在高空-17—-25℃云層中產(chǎn)生降落，下落的過(guò)程中可能與片狀冰晶聚并，導(dǎo)致地面觀測(cè)到大量六角片狀上有空間片狀以及柱狀聚并的雪花（圖8f）。整個(gè)階段Ⅱ，整層積分過(guò)冷水含量只在14 時(shí)達(dá)到最大0.02 mm，其他時(shí)間都低于0.01 mm，云中觀測(cè)也顯示過(guò)冷水含量很低（圖9b），其中在最大降雪期間一度未觀測(cè)到過(guò)冷水，云中冰面相對(duì)濕度整層基本上在100%，但是水面相對(duì)濕度整層低于90%（圖略），700 hPa 高度附近存在比濕大值區(qū)（約1.6 g/kg），IWV 基本維持在0.43 cm（圖6e），對(duì) 應(yīng) 圖6d 顯 示IWP 也 出 現(xiàn) 最 大 值（0.015 kg/m2），雪花粒子譜分布顯示此階段譜寬最寬，降雪粒子數(shù)濃度也最高（圖12a）。云中和地面未觀測(cè)到凇附現(xiàn)象，表明凝華-聚并是降雪增長(zhǎng)的重要過(guò)程。

圖8 階段Ⅱ地面雪花形狀演變示例（a.08 時(shí)35 分，b.09 時(shí)52 分，c.10 時(shí)13 分，d.10 時(shí)36 分，e.10 時(shí)54 分，f.12 時(shí)19 分，g.13 時(shí)20 分，h.13 時(shí)21 分，i.13 時(shí)36 分）Fig.8 Observed snow habit pictures by SPI in stage Ⅱ at（a）08：35 BT，（b）09：52 BT，（c）10：13 BT，（d）10：36 BT，（e）10：54 BT，（f）12：19 BT，（g）13：20 BT，（h）13：21 BT，（i）13：36 BT

圖9 （a）海坨山附近飛機(jī)探測(cè)軌跡，（b）機(jī)載云物理探頭觀測(cè)溫度和液態(tài)水含量（虛線）、CDP、2DS 及HVPS 時(shí)間序列和（c—i）各高度云粒子圖像示例（c.5286 m，-23.6℃；d.5100 m，-22.4℃；e.4802 m，-20.1℃；f.4498 m，-18.3℃；g.4199 m，-18.2℃；h.3900 m，-18.2℃；i.3808 m，-17.6℃）Fig.9 Flight path（a），time series of temperature，LWC（dotted red line），CDP，2DS and HVPS（b）and examples of particle images observed by SPEC CPI probe at the altitudes（c）5286 m，-23.6℃；（d）5100 m，-22.4℃；（e）4802 m，-20.1℃；（f）4498 m，-18.3℃；（g）4199 m，-18.2℃；（h）3900 m，-18.2℃；and（i）3808 m，-17.6℃

5.3 階段Ⅲ（云系后部）：14—18 時(shí)

14 時(shí)25 分后，觀測(cè)的雪花主要為枝狀（最大約4 mm，圖10a），14 時(shí)35 分前后出現(xiàn)大量枝狀聚并雪花（圖10b、c、d）。這些聚并的雪花降落到載玻片上后就自然散開(kāi)成大量的枝狀單晶體，并且大部分容易破碎，聚并枝狀單晶體尺寸平均約2 mm，枝狀聚并現(xiàn)象維持到15 時(shí)，這期間底層雷達(dá)回波強(qiáng)度也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)最大值。隨后枝狀雪花減少，主要為片狀雪花，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單而且比較單薄，容易破碎（圖10e），這些雪花形狀基本一直維持到16 時(shí)。16 時(shí)后再次出現(xiàn)枝狀單晶體雪花，而且單個(gè)晶體尺度非常大（圖10f、g），觀測(cè)到最大達(dá)7 mm（圖10h），觀測(cè)顯示這期間不斷有地形云爬升到閆家坪，其整層積分過(guò)冷水（ILWC）也達(dá)到最大的0.07 mm，IWV 最大接近0.5 cm，可能與地形云貢獻(xiàn)有關(guān)，這與以往研究（Rauber，1987）中觀察到的與地形抬升相關(guān)的過(guò)冷水特征一致。17 時(shí)后還觀測(cè)到枝狀聚并雪花（圖10i），這些參與聚并的單晶體雪花尺度也基本在3—4 mm。圖6d 顯示整個(gè)降雪過(guò)程ILWC 最大值出現(xiàn)在階段Ⅲ，比濕在低層也最大達(dá)1.8 g/kg（圖略），而IWP 很?。▓D6d），說(shuō)明此階段是降雪云系水汽最多時(shí)期，盡管這樣，但I(xiàn)LWC 量級(jí)還是很小，地面觀測(cè)到弱的凇附現(xiàn)象，降雪主要由凝華-聚并過(guò)程形成。

圖10 階段Ⅲ地面雪花形狀演變示例（a.14 時(shí)27 分，b.14 時(shí)34 分，c、d.14 時(shí)35 分，e.15 時(shí)17 分，f.16 時(shí)11 分，g.16 時(shí)12 分，h.16 時(shí)42 分，i.16 時(shí)51 分）Fig.10 Observed snow habit pictures by SPI in stage Ⅲ at（a）14：27 BT，（b）14：34 BT，（c）and（d）14：35 BT，（e）15：17 BT，（f）16：11 BT，（g）16：12 BT，（h）16：42 BT，（i）16：51 BT

5.4 階段Ⅳ（云系消散）：18—20 時(shí)

18 時(shí)之后地面降雪形狀又轉(zhuǎn)變?yōu)橐云瑺顬橹鳎▓D11a），尺寸也變小，偶爾出現(xiàn)枝狀聚并雪花，但不多見(jiàn)（圖11b），主要還是以片狀單晶體為主（圖11c），接近19 時(shí)曾觀測(cè)到六角片狀上有空間片狀（圖11d）。19 時(shí)后隨著降雪明顯減弱，地面雪花形狀基本是片狀單晶體（圖11e），偶爾有柱狀（圖11f），尺度顯著變小低于1 mm。整層積分過(guò)冷水含量又減少到0.015 mm 以下，地面未觀測(cè)到凇附現(xiàn)象，跟階段Ⅰ云系前部一樣，降雪主要還是由云中冰粒子凝華增長(zhǎng)產(chǎn)生。雪花粒子譜分布顯示該階段與第Ⅰ階段基本一樣，譜寬最窄，降雪粒子數(shù)濃度也最低（圖12a）。

圖11 階段Ⅳ地面雪花形狀演變示例（a.18 時(shí)37 分，b.18 時(shí)40 分，c.18 時(shí)52 分，d.18 時(shí)57 分，e.19 時(shí)06 分，f.19 時(shí)07 分）Fig.11 Observed snow habit pictures by SPI in stage Ⅳ at（a）18：37 BT，（b）18：40 BT，（c）18：52 BT，（d）18：57 BT，（e）19：06 BT，and（f）19：07 BT

圖12 降雪粒子平均譜（a）和下落末速度與直徑的關(guān)系（b）Fig.12 Average size spectra（a）and terminal velocity（b）of snow particles with regard of diameter from 06：00 to 20：00 BT 14 February 2019

6 結(jié)論

低槽降雪是2月北京海坨山區(qū)典型的天氣過(guò)程。2019年2月14日，在TOP-ICE 研究計(jì)劃實(shí)施期間，高空低槽系統(tǒng)配合地面倒槽和東風(fēng)回流共同作用下形成的降雪云系影響海坨山區(qū)。利用Ka 波段多普勒雷達(dá)、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、降雪顯微觀測(cè)儀和機(jī)載云物理探頭等協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)集，分析了該次降雪過(guò)程的天氣形勢(shì)、中尺度和微物理結(jié)構(gòu)的演變特征。綜合分析結(jié)果總結(jié)在概念性示意圖13 中。在該個(gè)列中，降雪過(guò)程分為4 個(gè)階段：云系前部（Ⅰ）、云系主體（Ⅱ）、云系后部（Ⅲ）和云系消散（Ⅳ），主要結(jié)論如下：

圖13 閆家坪2019年2日14日低槽降雪云系結(jié)構(gòu)演變概念示意Fig.13 Schematic of the change of the low trough snow cloud structures and their environmental conditions in Yanjiaping on 14 Feb 2019：（a）stability，（b）ambient wind speed component，（c）echo patterns，（d）LWC，（e）microphysical structures in snow cloud，（f）snow habit pictures and（g）snowfall

（1）云系前部階段，中高層西南風(fēng)在低層?xùn)|風(fēng)回流控制下的偏東風(fēng)上部明顯增強(qiáng)，地面相對(duì)濕度和IWV 出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。降雪雷達(dá)回波屬穩(wěn)定層狀云回波，地面降雪粒子為片狀單晶體，基本無(wú)過(guò)冷水存在，地面降雪無(wú)凇附和攀附現(xiàn)象發(fā)生，云系為冰云，降雪主要由云中冰粒子的凝華增長(zhǎng)產(chǎn)生。

（2）云系主體影響階段，低層由東風(fēng)回流的偏東風(fēng)繼續(xù)控制，但中高層西南風(fēng)無(wú)論厚度和強(qiáng)度都達(dá)最大。云系為深厚層狀云，處于中性不穩(wěn)定。地面隨著攀附的枝狀雪花出現(xiàn)，降雪量達(dá)最大。地面出現(xiàn)的大量片狀、柱狀及柱片狀攀附雪花與飛機(jī)空中觀測(cè)結(jié)果一致，但地面和飛機(jī)都沒(méi)有觀測(cè)到凇附現(xiàn)象，凝華-聚并是降雪增長(zhǎng)的重要機(jī)制。

（3）云系后部影響期間，東風(fēng)回流東退減弱，低層轉(zhuǎn)由槽前西南氣流控制，導(dǎo)致不斷有波狀地形云爬升到閆家坪，造成低于100 m 的低能見(jiàn)度事件，與之對(duì)應(yīng)的ILWC 出現(xiàn)最大值，比濕在底層也出現(xiàn)最大值，說(shuō)明過(guò)冷水的出現(xiàn)與地形云有關(guān)。由于整層西南氣流厚度顯著減小，回波頂高也明顯下降，存在弱的對(duì)流不穩(wěn)定，地面雪晶觀測(cè)顯示主要為攀附的枝狀雪花，但并無(wú)凇附現(xiàn)象，降雪仍舊主要由凝華-聚并過(guò)程形成。

（4）在云系消散階段，西南風(fēng)明顯減弱，干燥西北風(fēng)占主導(dǎo)，地面雪花相態(tài)由片狀和枝狀單晶體構(gòu)成。降雪停止后出現(xiàn)大風(fēng)吹雪現(xiàn)象，并且低層有零散的積云持續(xù)，在快速移動(dòng)中消散。

（5）在降雪云系后部，即東風(fēng)回流減弱，整層由槽前西南氣流控制后，不斷有地形云在山谷爬升，并對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了ILWC 和比濕的最大值，地形云爬升期間存在人工增雪潛力。但是整個(gè)降雪期間地面降雪形狀主要為片狀、枝狀和柱狀單晶體，并未觀測(cè)到凇附現(xiàn)象（包括飛機(jī)空中觀測(cè)結(jié)果），說(shuō)明該個(gè)例降雪云中無(wú)過(guò)冷水，人工增雪潛力比較弱，冰、雪晶的凝華-聚并增長(zhǎng)是降雪的主要形成機(jī)制。

致 謝感謝陶玥博士提供衛(wèi)星觀測(cè)分析資料，張邢提供風(fēng)廓線分析資料，肖偉提供探空資料分析以及秦睿對(duì)文章提出的修改意見(jiàn)。