寧波市鄞州區(qū)63 a降雪變化特征及其影響因素分析

夏靜雯，高愛臻，厲 侃

(1.鄞州區(qū)氣象局，鄞州 315194；2.寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心，寧波 315000)

0 引言

雪屬于降水的一種，是由大量白色不透明的冰晶(雪晶)和其聚合物(雪團(tuán))組成的固態(tài)降水。大部分雪來自雨層云和高層云，常緩緩飄落，強(qiáng)度變化較緩慢，溫度高時多成團(tuán)降落[1]。 鄞州區(qū)地處浙江省東部沿海，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，相比于其他災(zāi)害性天氣，降雪出現(xiàn)的頻次并不高，但其導(dǎo)致的低溫凍害、積雪和道路結(jié)冰不僅對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生危害，也會為交通安全和公眾出行帶來極大的不便。因此，研究鄞州區(qū)的降雪天氣特征及其影響因素具有重要價值，對提高其預(yù)報準(zhǔn)確率尤為重要。

目前，對于降雪機(jī)制和成因的研究已取得了較大進(jìn)展[2-4]，但是由于鄞州自身的氣候特點(diǎn)，以及倚山靠海的特殊地理位置，使雨雪性質(zhì)的預(yù)報更加困難。

文章將利用1953—2016年鄞州國家基本氣象站(區(qū)站號：58562)的地面觀測資料，總結(jié)鄞州區(qū)出現(xiàn)的歷史降雪過程，分析降雪變化特征，并對降雪出現(xiàn)前后的氣象條件進(jìn)行對比，以此了解降雪天氣形勢的共性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 IGRA探空數(shù)據(jù)

文章研究用到的全球常規(guī)無線電探空數(shù)據(jù)集(The Integrated Global Radiosonde Archive，簡稱IGRA)是由美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(National Climatic Data Center，簡稱NCDC)提供的，可在線免費(fèi)下載(網(wǎng)址http：//www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/igra/)。它提供的探測數(shù)據(jù)包括兩個時次，0000UTC和1200UTC(世界時)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括各標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的大氣參數(shù)，如溫度、位勢高度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向和風(fēng)速等，并且2003年后，有3/4的測站探測高度可超過100 hPa[5，6]。

目前，浙江地區(qū)存在的IGRA探空測站有3個：杭州(站號：58457，經(jīng)度：120.17°E，緯度：30.23°N)、洪家(站號：58665，經(jīng)度：121.42°E，緯度：28.65°N)和衢州(站號：58633，經(jīng)度：118.87°E，緯度：28.97°N)。

1.2 降雪年定義

降雪年是根據(jù)降雪的季節(jié)變化特征定義的，文章將當(dāng)年的9月1日至次年的8月31日稱為1個降雪年，1個降雪年的開始時間為秋季，結(jié)束時間為夏季，文章中將降雪年簡稱為年。

1.3 對流有效位能定義

強(qiáng)對流天氣發(fā)生時必須具備不穩(wěn)定能量，而用來描述不穩(wěn)定能量的物理量有很多，其中對流有效位能(Convective Avialable Potential Energy，簡稱CAPE)就是其中之一，它不僅可以表征低層大氣特征，也可以描繪氣塊上升運(yùn)動過程中經(jīng)過的高層大氣特性，所以，對流有效位能被認(rèn)為可以比較真實(shí)地描述探空資料表示的大氣不穩(wěn)定度[7]。

CAPE的表達(dá)式為：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 降雪日數(shù)的變化特征

文章首先對鄞州國家基本氣象站的降雪變化特征進(jìn)行了分析。從降雪日數(shù)的月際變化可以看出，鄞州站的降雪主要集中在冬春兩季，最早開始于12月，最晚結(jié)束于次年3月，因此將12月至次年3月稱為降雪期。其中1月的降雪最多，64 a累計降雪日數(shù)達(dá)152 d，占全年降雪日數(shù)的42.2%，平均每年降雪2.375 d；2月次之，平均降雪日數(shù)2.17 d/a；3月的降雪最少，平均每年降雪0.3 d，僅占全年降雪日數(shù)的0.05%。

同時，從鄞州站年降雪日數(shù)的變化趨勢可以看出，鄞州站年降雪日數(shù)的平均值為5.63 d，總體呈現(xiàn)出下降的趨勢，趨勢傾向率為-0.6 d/10 a，并通過了95%的可信度檢驗(yàn)。其中1984年降雪最多，降雪日數(shù)達(dá)到了21 d；1986年之后，每年的降雪日數(shù)明顯減少，31 a中絕大多數(shù)(24 a)年份的降雪日數(shù)皆在平均值5.63 d以下。

2.2 降雪和降水、溫度的關(guān)系

文章還研究了降雪期間一些氣象要素的變化，如降水量、風(fēng)速、氣溫、地表溫度和下墊面溫度(草面、磚面、瀝青地面、水泥地面)等的年際變化趨勢(圖1)，以分析不同類型的氣候因子對降雪的影響。從圖1中可以看出，降雪期間氣溫、地面溫度以及下墊面溫度的氣溫變量都呈現(xiàn)出上升的趨勢，與降雪日數(shù)的長期變化趨勢相比呈現(xiàn)出相反的情況，其中氣溫和地面溫度的升溫幅度分別達(dá)到0.349 ℃/10 a和0.286 ℃/10 a，并且從圖中可以看出，在20世紀(jì)80年代，這種升溫的形式逐漸明顯。另外，值得關(guān)注的是，在整個溫度波動性上升的過程中，出現(xiàn)了幾個低溫時期，分別為1963年、1968年、1977年、1984年和2011年等，而且在地溫出現(xiàn)谷值的當(dāng)年或其后1～2 a內(nèi)，降雪日數(shù)峰值會出現(xiàn)。這也從某種程度上體現(xiàn)出溫度變化與降雪息息相關(guān)。而從降水量的變化可以明顯看出分為兩個階段，即20世紀(jì)80年代中期以前表現(xiàn)為波動性，20世紀(jì)80年代中期以后表現(xiàn)為降水增加的趨勢，總的趨勢傾向率為0.568 mm/10 a。降雪期平均風(fēng)速的變化與溫度、降水相比呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢，其減少原因與觀測環(huán)境的變化以及觀測儀器的變更有較大聯(lián)系。

圖1 降雪期內(nèi)各氣象要素的年際變化:(a)降雪日數(shù);(b)平均日雨量和平均風(fēng)速;(c)平均氣溫和平均地表溫度;(d)下墊面溫度(草面、磚面、瀝青地面、水泥地面)

分析降雪期內(nèi)降雪日數(shù)與各氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)得出，降雪期內(nèi)降雪日數(shù)的變化與各溫度變量的變化有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)-0.849(草面溫度)，最低為-0.67(地表溫度)，說明降雪日數(shù)與溫度關(guān)系較為密切。而降水量、風(fēng)速對降雪日數(shù)的影響則沒有那么顯著，相關(guān)系數(shù)僅為-0.176和0.345。

2.3 降雪前后氣象要素對比

為了進(jìn)一步分析降雪天氣形勢，文章還給出了降雪前1日及降雪當(dāng)日各氣象要素的平均值。氣溫、地表溫度和下墊面溫度等溫度變量的間隔為1.0 ℃，風(fēng)速變量的間隔為0.5 m/s。

降雪前1日，氣溫平均值為2.75 ℃，超過58.6%的降雪日氣溫維持在0～3 ℃；降雪當(dāng)日，氣溫平均值為1.37 ℃，降幅達(dá)到1.38 ℃，從概率上來看，0～2 ℃左右的氣溫所占比例更高，達(dá)到16.9%～21.8%。同樣，降雪當(dāng)日，地表溫度也會有所降低，由前1日的3.34 ℃(平均值)下降至2.11 ℃(平均值)，降幅達(dá)1.23 ℃。對于風(fēng)速而言，降雪前1 日風(fēng)速平均值為3.49 m/s，降雪當(dāng)日為3.48 m/s，其概率密度分布也很相似，說明降雪前后風(fēng)速的變化并不顯著。

降雪前1日和當(dāng)日草溫、磚面溫度、瀝青路面溫度和水泥路面溫度的概率密度分布為降雪出現(xiàn)時草面、磚面、瀝青路面和水泥路面的溫度都會降低，其中瀝青路面溫度下降最多，由降雪前1日的3.86 ℃降至2.27 ℃，降幅達(dá)1.59 ℃，其他3種下墊面溫度降幅約1.17～1.46 ℃。在概率密度分布上，降雪發(fā)生時，下墊面溫度分布的高值區(qū)會向更低的溫度范圍偏移。

利用浙江省內(nèi)3個探空站的IGRA探空數(shù)據(jù)研究降雪時大氣的垂直結(jié)構(gòu)特征，圖2給出了降雪發(fā)生前后溫濕垂直結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定能量的分布特征。圖中表明降雪前1日和降雪當(dāng)日平均溫度廓線差異主要出現(xiàn)在近地面：在地表至700 hPa高度層內(nèi)，降雪前1日的平均溫度比當(dāng)日高1 ℃以上；500 hPa以上，兩者的溫度廓線基本重合。這進(jìn)一步說明了更低的近地面溫度有利于降雪的形成。

圖2 降雪前1日和降雪當(dāng)日溫度、露點(diǎn)溫度垂直分布

降雪前1日和降雪當(dāng)日的平均溫度露點(diǎn)差自地面至925 hPa均低于4 ℃，且均方差小(4～6 ℃)，表明大氣低層水汽含量較大并且狀態(tài)穩(wěn)定；平均溫度露點(diǎn)差會隨著高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在400～200 hPa高度層內(nèi)可達(dá)11～14 ℃，且均方差也呈現(xiàn)增大趨勢，明顯大于低層，說明此時大氣上部比較干。與降雪當(dāng)日的露點(diǎn)溫度廓線相比，降雪前1日的平均溫度露點(diǎn)差略低，其中在700～250 hPa的對流層中上部，平均溫度露點(diǎn)差更是比降雪當(dāng)日偏低，差值達(dá)到1.1～2.4 ℃，說明在降雪前1日整層大氣都更加濕潤。對于對流有效位能，降雪前1日CAPE的平均值為9.75 J/kg，降雪當(dāng)日CAPE的平均值為10.29 J/kg，說明形成降雪需要的不穩(wěn)定能量更高。

3 結(jié)束語

此次研究主要是結(jié)合地面氣象觀測資料和探空資料對1953—2016年鄞州的降雪變化特征及其影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

1)鄞州站的降雪集中在冬春兩季，最早開始于12月，最晚結(jié)束于次年3月，其中有42.2%的降雪出現(xiàn)在1月。年降雪日數(shù)總體呈下降趨勢，1984年降雪最多，1986年之后降雪減少趨勢明顯。

2)降雪期內(nèi)降雪日數(shù)與氣溫、地面溫度、下墊面溫度呈負(fù)相關(guān)，各氣溫變量有增加趨勢，且升溫趨勢從20世紀(jì)80年代起更顯著，在低溫達(dá)到谷值的當(dāng)年或其后1～2 a，降雪日數(shù)出現(xiàn)峰值。降水量、風(fēng)速對降雪日數(shù)的影響不顯著。

3)降雪前后氣溫、地面溫度降幅達(dá)1.38 ℃和1.23 ℃，瀝青路面溫度降幅達(dá)1.59 ℃，草面、磚面和水泥路面溫度降幅約1.17～1.46 ℃。降雪發(fā)生時，各溫度變量概率密度分布的高值區(qū)向更低的溫度范圍偏移。降雪前后風(fēng)速的變化并不明顯。降雪前后溫度廓線差異主要出現(xiàn)在近地面，500 hPa以上溫度基本不變；降雪前1日整層大氣都更加濕潤，平均溫度露點(diǎn)差偏低1.1～2.4 ℃；降雪前1日和當(dāng)日CAPE的平均值為9.75 J/kg和10.29 J/kg，說明降雪的形成需要更高的不穩(wěn)定能量。