許昌地區(qū)大雪以上量級降雪及雨雪轉(zhuǎn)換過程特征研究

侯凱

摘 要：通過對2006—2020年許昌地區(qū)大雪以上量級降雪過程及降水相態(tài)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，許昌市大雪以上量級降雪過程有189次，其中94.2%發(fā)生在1月、2月和11月，64.0%發(fā)生在白天，76.2%為純雪過程，年際變化較大，空間分布與地形關(guān)系密切。同時對10個大雪以上量級降雪的雨雪轉(zhuǎn)換過程環(huán)流背景和探空資料進行分析，總結(jié)出許昌地區(qū)出現(xiàn)大雪以上量級降雪的雨雪轉(zhuǎn)換過程主要環(huán)流形勢，并制定出氣溫的雨雪轉(zhuǎn)換判別指標(biāo)，為許昌大雪以上量級降雪的雨雪轉(zhuǎn)換預(yù)報提供參考。

關(guān)鍵詞：大雪;氣候特征;雨雪轉(zhuǎn)換;判別指標(biāo)

中圖分類號：P457.6;P426.63 ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0101-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.023

Study on the Characteristics of Snowfall Above Heavy Snow and Rain-snow Conversion Process in Xuchang Area

HOU Kai

（Meteorological Administration of Xuchang，Xuchang 461100，China）

Abstract：Through the statistical analysis of snowfall above heavy snowprocesses and precipitation phase in Xuchang area from 2006 to 2020， it is found thatthere were 189snowfall above heavy snow processes in Xuchang Area，and the 94.2% of processes occurred in January，F(xiàn)ebruary and November，the 64.0% occurred during daytime， the 76.2% were pure snow processes.The annual variation of snowfall above heavy snowprocesses is large，and the spatial distribution of snowfall above heavy snowprocesses is closely related to topography.Based on the the analysis of the atmospheric circulation background and radiosonde data of 10 rain-snow conversion processes，the main atmospheric circulation situation of the rain-snow conversion process in Xuchang area is summarized，and the index of temperature in the process of rain-snow conversion is established. These can provide a reference for the forecasting of rain-snow conversion in Xuchang area.

Keywords：heavy snow;climate characteristics;rain-snow conversion;discriminant index

0 引言

降雪天氣是冬半年重要的災(zāi)害性天氣之一，對設(shè)施農(nóng)業(yè)、交通運輸、城市運行等帶來嚴(yán)重影響。許昌市地處河南省中部、豫西山地與豫東平原過渡地帶，屬北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，純雪和雨雪轉(zhuǎn)換天氣貫穿整個冬季，對準(zhǔn)確預(yù)報降雪量級及相態(tài)造成一定影響。我國氣象工作者對降雪，尤其是大雪及以上降雪從氣候特征、天氣學(xué)分析、物理量診斷、雷達(dá)分析、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用、雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)等方面做了大量卓有成效的研究[1-10]。許昌氣象工作者也通過對本地暴雪、雨轉(zhuǎn)雪[11-12]的個例分析研究，為暴雪預(yù)報及雨雪轉(zhuǎn)換提供了重要的參考依據(jù)。本研究旨在通過總結(jié)歸納近15年許昌地區(qū)大雪以上量級降雪氣候特征，以及典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的天氣成因和雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)，為許昌地區(qū)冬季降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)大雪以上量級的降雪預(yù)報提供參考。

本研究雨雪轉(zhuǎn)換過程主要指雨轉(zhuǎn)雪、雨轉(zhuǎn)雨夾雪再轉(zhuǎn)雪、雨夾雪轉(zhuǎn)雪的天氣過程。

1 資料與標(biāo)準(zhǔn)

本研究所用的資料為2006—2020年共15年的國家常規(guī)高空、地面氣象觀測資料和降雪加密觀測資料。所用方法主要為統(tǒng)計分析、天氣分析等。

本研究選取許昌地區(qū)所轄長葛、禹州、許昌、鄢陵、襄城5個國家氣象觀測站12 h純雪量≥3.0 mm的過程作為大雪以上量級降雪過程的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)。其中，2017 年后冬季降水觀測采用稱重式雨雪量器，夜間不觀測記錄雨雪轉(zhuǎn)換時間，無法識別夜間降雪量。因此，夜間雨雪轉(zhuǎn)換過程選取的是降水量超過3.0 mm，且積雪深度超過1 cm的過程作為大雪以上量級降雪過程的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)。

2 大雪以上量級降雪過程氣候分析

2.1 時間統(tǒng)計分析

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（表1），2006—2020年許昌地區(qū)5個國家氣象觀測站共出現(xiàn)大雪以上量級降雪過程189次，年平均12.6次。其中，夜間（20—08時）出現(xiàn)68次，白天（08—20時）出現(xiàn)121次，過程主要出現(xiàn)在白天（占比為64.0%）。大雪以上量級降雪過程最早出現(xiàn)在2009年11月10日夜間（10日20時—11日08時）的長葛、襄城站，為雨雪轉(zhuǎn)換過程，純雪量分別為4.7 mm、7.9 mm;最晚出現(xiàn)在2010年3月5日白天（08—20時）的長葛站，為雨雪轉(zhuǎn)換過程，純雪量為3.9 mm。

分析2006—2020年許昌地區(qū)5個站點大雪以上量級降雪過程年際變化和月度變化[圖1（a）]發(fā)現(xiàn)，年內(nèi)出現(xiàn)過程最多28次（2006年），最少0次（2007年），年際變化較大，但整體趨勢無明顯變化。從月度變化[圖1（b）]上可以發(fā)現(xiàn)，過程1月出現(xiàn)最多，次之是2月和11月，合計占總次數(shù)的94.2%，最少則出現(xiàn)在3月和12月。

2.2 空間分布特征

從表1可以看出，許昌地區(qū)大雪以上量級降雪天氣過程空間分布不均勻，最多出現(xiàn)在襄城46次，最少出現(xiàn)在禹州30次，均位于許昌西部山區(qū)和平原交界地帶，出現(xiàn)過程次數(shù)基本相同的長葛、許昌、鄢陵則位于平原地帶?？梢姡S昌地區(qū)大雪以上量級降雪天氣過程與地形關(guān)系密切。

2.3 降水相態(tài)特征分析

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2006—2020年許昌地區(qū)5個國家氣象觀測站出現(xiàn)大雪以上量級降雪過程中雨雪轉(zhuǎn)換過程45次、純雪過程144次，純雪過程為主（占比76.2%）。從時間分布看，雨雪轉(zhuǎn)換過程和純雪過程在11—3月、白天或晚上均會出現(xiàn)，僅純雪過程出現(xiàn)在白天的次數(shù)較多（占比70.8%）。可見，許昌地區(qū)5個國家氣象觀測站出現(xiàn)大雪以上量級降雪過程中降水相態(tài)總體無明顯的時間分布特征。

3 雨雪轉(zhuǎn)換過程特征研究

本研究選取2006—2020年許昌地區(qū)5個國家氣象觀測站中任意3個及以上站點出現(xiàn)大雪以上量級降雪，且降水相態(tài)為雨轉(zhuǎn)雪、雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)雪、或雨夾雪轉(zhuǎn)雪的過程作為雨雪轉(zhuǎn)換過程為典型過程進行研究。共篩選出典型雨雪轉(zhuǎn)換過程10個。利用常規(guī)高空、地面觀測資料對10個典型過程的大尺度環(huán)流背景和探空資料進行分析，總結(jié)出許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的主要環(huán)流形勢，并研究建立了許昌地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換的判別指標(biāo)。

3.1 大尺度環(huán)流背景分析

3.1.1 500 hPa環(huán)流形勢。分析10個典型過程的500 hPa環(huán)流發(fā)現(xiàn)，許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程環(huán)流形勢可分為三類。

一是南支槽型。過程前期，東亞大槽已東移至海上，許昌上空受東亞大槽后部冷空氣影響，氣溫較低。過程期間，河套以北受東亞大槽后部西北氣流控制，許昌上空受河套附近至云南一帶南支槽影響。南支槽前暖濕氣流使過程開始時整層氣溫升高，降水相態(tài)為雨或雨夾雪。隨著低層冷空氣的補充侵入，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪。如2019年2月13日08—20時大雪過程，該環(huán)流類型在近15 a出現(xiàn)了3例，占比30%。

二是北脊南槽型。過程前期，貝加爾湖附近受高壓脊控制，引導(dǎo)極地冷空氣從貝加爾湖和鄂霍次克海之間，經(jīng)我國北部不斷南下影響許昌，貝加爾湖至我國東北至內(nèi)蒙一帶有低槽或低渦存在，受其影響，許昌上空氣溫較低;我國中高緯環(huán)流形勢整體呈經(jīng)向型。過程期間，許昌上空受河套附近至云南一帶南支槽影響。該類型與南支槽類型相似，其槽前暖濕氣流使過程開始時氣溫升高，降水相態(tài)為雨或雨夾雪。隨著低層冷空氣的補充侵入，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪。如2015年11月23日20時—24日08時的暴雪過程，該環(huán)流型在近15 a出現(xiàn)了4例，占比40%。

三是北渦南槽型。過程前期，貝加爾湖西部、北部或西北部有一較強低渦存在，其后部不斷分裂小槽攜帶冷空氣東移南下，許昌上空氣溫持續(xù)下降，但下降不明顯;我國中高緯環(huán)流形勢呈緯向型。過程期間，低渦后部分裂的小槽和河套附近至云南一帶南支槽過程中逐漸合并影響許昌，氣溫不斷下降，降水相態(tài)因冷空氣的不斷補充逐漸轉(zhuǎn)為純雪。如2006年1月30日08時—20時的大雪過程，該環(huán)流型在近15 a出現(xiàn)了3例，占比30%。

綜上，500 hPa上三種環(huán)流形勢中均受到南支槽的影響，且雨雪轉(zhuǎn)換過程中升溫、降溫都會有出現(xiàn)，可見南支槽在許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。而過程期間該層是否有冷空氣的補充，在雨雪轉(zhuǎn)換中并不起主要作用。

3.1.2 700 hPa環(huán)流形勢。700 hPa上，許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程環(huán)流形勢可分為兩類。

一是冷槽型。該類型在過程期間，冷槽（或冷式切變線）位于河南至陜西附近，其前部有較強的西南急流，許昌位于西南急流上空或出口區(qū)。冷槽在東移過程中，其后部偏北氣流攜帶的冷空氣侵入許昌上空，700 hPa氣溫下降，降水相態(tài)轉(zhuǎn)為純雪。如2017年2月21日08—20時的大雪過程，該環(huán)流型在近15 a出現(xiàn)了9例，占比90%。

二是暖槽型。該類型在過程期間，許昌主要受河套附近至云南一帶暖性低槽影響，無冷空氣補充，700 hPa氣溫上升，但隨著低層冷空氣的補充，降水相態(tài)仍轉(zhuǎn)為了純雪。該類型僅在2006年1月30日08—20時的大雪過程中出現(xiàn)1次。

綜上，700 hPa上，較強的西南急流是許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中的主要影響系統(tǒng)，為過程提供了充足的水汽、能量和動力條件。與500 hPa相似，過程中700 hPa上升溫、降溫都有存在，可見700 hPa上是否有冷空氣的補充侵入，在許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換中同樣并不起主要作用。

3.1.3 850 hPa、925 hPa環(huán)流形勢。許昌10個典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中，850 hPa上受偏北氣流、偏東氣流、東南氣流、東南氣流和偏東氣流切變線、西南氣流的影響，環(huán)流形勢表現(xiàn)并無明顯規(guī)律，850 hPa上氣溫變化也是升溫、降溫均有出現(xiàn)，并無明顯規(guī)律?？梢姡?50 hPa系統(tǒng)在許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中作用并不明顯。925 hPa上則主要受偏東氣流、偏北氣流或東北氣流的影響，過程中氣溫下降，為雨雪轉(zhuǎn)換提供必要的溫度條件。

3.1.4 小結(jié)。分析發(fā)現(xiàn)，在許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中，500 hPa上氣溫上升時，700 hPa上表現(xiàn)為降溫;700 hPa升溫時（2006年1月30日08—20時過程），500 hPa、850 hPa、925 hPa、1 000 hPa則均表現(xiàn)為降溫。可見，許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中對相態(tài)轉(zhuǎn)換起主要作用的是中層及以下氣溫的整體變化，而不是單獨某一層的冷空氣作用。

因此，總結(jié)出許昌地區(qū)典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的主要環(huán)流形勢為：500 hPa上位于河套附近至云南一帶南支槽東移影響許昌地區(qū)的過程中，與許昌地區(qū)700 hPa上空較強的西南急流相互配合，共同為許昌地區(qū)大雪以上量級降雪過程提供充足的水汽、能量和動力條件;中層及以下冷空氣的補充侵入為雨雪轉(zhuǎn)換提供了必要的溫度條件。

3.2 雨雪轉(zhuǎn)換指標(biāo)研究

參照國內(nèi)廣大學(xué)者對雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換指標(biāo)研究[8-10，13-16]，本研究從500 hPa及以下特定層的氣溫、濕球溫度、假相當(dāng)位溫、位勢厚度及特定層間的平均值進行研究，同時還對0℃層高度、抬升凝結(jié)高度及其高度差進行了分析。結(jié)果表明，假相當(dāng)位溫、位勢厚度、0℃層高度、抬升凝結(jié)高度及相關(guān)指標(biāo)在許昌10個典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中并無明顯特征，僅特定層氣溫并結(jié)合特定層間的平均值對雨雪轉(zhuǎn)換有較明顯的指示意義。

對許昌10個典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的環(huán)流形勢分析可知，典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中起主要作用的是中層及以下氣溫的整體變化，且10個過程中的500 hPa上氣溫和雨雪轉(zhuǎn)換前后變化相對其他層次均明顯偏小，因此氣溫指標(biāo)重點選取了700 hPa及以下特定層的平均氣溫作為主要判別依據(jù)，并結(jié)合特定層次氣溫制定了綜合判別指標(biāo)。

最終總結(jié)出許昌典型雨雪轉(zhuǎn)換過程的氣溫判別指標(biāo)為：①T2 m～700 hPa（地面2 m到700 hPa間的平均氣溫，下同）≤-5.4 ℃時，出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換;②T2 m～700 hPa>-5.4 ℃時，T850（850 hPa氣溫，下同）≤-3.7℃、T700（700 hPa氣溫，下同）≤0 ℃，出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換;③T2 m～700 hPa>-5.4 ℃、T850>-3.7 ℃時，T2 m（地面2 m氣溫，下同）≤0 ℃，出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換。

分析發(fā)現(xiàn)，925 hPa、850 hPa、700 hPa三層平均氣溫，結(jié)合T850、T700、T1 000（1000 hPa氣溫）或T2 m也可有效判別出許昌大雪及以上量級降雪過程中的雨雪轉(zhuǎn)換。但因許昌上空各層氣溫采用的是鄭州探空資料，與實際情況有一定差別，因此，本文將許昌地區(qū)2 m氣溫加入判別依據(jù)，選取了T2 m～700 hPa、T850、T700和T2 m作為判別指標(biāo)。

4 結(jié)語

①2006—2020年，許昌地區(qū)共出現(xiàn)大雪以上量級降雪過程189次，主要出現(xiàn)在白天（占比64.0%），且純雪過程出現(xiàn)最多（占比76.2%）。年際變化較大，但整體趨勢無明顯變化。過程主要出現(xiàn)在1月、2月和11月（占比94.2%）。

②2006—2020年，許昌地區(qū)大雪以上量級降雪過程空間分布不均勻，最多出現(xiàn)在襄城46次，最少出現(xiàn)在禹州30次，與地形關(guān)系密切。

③許昌大雪以上量級降雪的典型雨雪轉(zhuǎn)換過程中，500 hPa南支槽和700 hPa較強的西南急流為雨雪轉(zhuǎn)換過程提供了水汽、能量和動力條件;中層以下冷空氣的侵入為雨雪轉(zhuǎn)換提供了溫度條件。

④綜合地面2 m到700 hPa平均氣溫及特定層次氣溫或濕球溫度為許昌雨雪轉(zhuǎn)換的判別提供依據(jù)，但本研究僅對10個大雪以上量級降雪的雨雪轉(zhuǎn)換過程進行了統(tǒng)計分析，沒有對大雪以下量級的降雪的雨雪轉(zhuǎn)換過程進行檢驗，判別指標(biāo)仍存在一定的局限性。

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