基于動(dòng)態(tài)聚類法的安順降雪環(huán)流分型研究

韋 琦，吳哲紅，王興菊，曾 妮，蒙 軍

(1.貴州省鎮(zhèn)寧縣氣象局，貴州 鎮(zhèn)寧 561200；2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

0 引言

降雪是處于貴州省中西部的安順市冬季常見的災(zāi)害性天氣[1]，雖然不像北方地區(qū)那么頻繁[2-8]，但常常與凍雨天氣連接出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活造成極大影響[9]。但另一方面由于降雪較少出現(xiàn)，在某種程度上成為一種景觀，每一次明顯的降雪、積雪過程都會(huì)引起公眾、媒體的高度關(guān)注。因此如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降雪、降雨相態(tài)轉(zhuǎn)換、降雪量等顯得比較重要。學(xué)者對(duì)貴州的降雪天氣做過很多研究[10-16]，嘗試做過分型，但以往的研究主要從大的環(huán)流背景出發(fā)，分型都比較復(fù)雜。

聚類分析方法是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)不同的樣品進(jìn)行數(shù)學(xué)分類的一種客觀分型統(tǒng)計(jì)方法，K-means動(dòng)態(tài)聚類法是其中用于分型研究的一種[17-20]。本文分析了近10 a安順市的典型降雪個(gè)例，對(duì)其中的主要影響系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，找出關(guān)鍵影響因子，利用K-means動(dòng)態(tài)聚類分析方法，對(duì)降雪形勢(shì)進(jìn)行分型，并對(duì)分型后的形勢(shì)特征和物理量指標(biāo)做統(tǒng)計(jì)分析，以期對(duì)提高冬季降雪相態(tài)預(yù)報(bào)有所幫助。

1 資料和方法

采用2009—2018年10 a間安順市所轄6個(gè)國(guó)家氣象站觀測(cè)到的天氣實(shí)況，將日數(shù)據(jù)中要素“天氣現(xiàn)象”出現(xiàn)“70”字段即認(rèn)定為1個(gè)降雪日，1次過程中全市有3站以上降雪的作為1次區(qū)域性降雪過程，所用資料還有MICAPS常規(guī)高空觀測(cè)、地面觀測(cè)資料、FNL 1°×1°再分析資料。對(duì)近10 a安順的降雪過程開展天氣學(xué)診斷分析和統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)分析降雪出現(xiàn)的前一時(shí)次天氣形勢(shì)。為便于總結(jié)預(yù)報(bào)模型，降雪主要出現(xiàn)在夜間的天氣形勢(shì)重點(diǎn)分析20時(shí)，主要出現(xiàn)在白天的重點(diǎn)分析08時(shí)，持續(xù)降雪則分析20時(shí)和08時(shí)；對(duì)降雪的時(shí)空分布，物理量場(chǎng)，地面海平面氣壓場(chǎng)、500 hPa、700 hPa、850 hPa高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布等特征開展分析，找出關(guān)鍵指標(biāo)和典型個(gè)例。

分類方法采用基于關(guān)鍵影響因子進(jìn)行K-means動(dòng)態(tài)聚類，進(jìn)行迭代分類，采用最短距離法將所有個(gè)例分類。分類后應(yīng)用個(gè)例檢驗(yàn)和方差檢驗(yàn)，如果分類與典型個(gè)例有明顯差異，且分類后組內(nèi)方差異常增加的需進(jìn)行調(diào)整。

挑選了近10 a的典型區(qū)域性降雪天氣過程共14次，利用常規(guī)觀測(cè)資料，F(xiàn)NL 1°×1°再分析資料，對(duì)這些個(gè)例開展合成分析和個(gè)例分析。

多位學(xué)者結(jié)合個(gè)例的分析研究表明：高原南北側(cè)的槽東移是引發(fā)我國(guó)中東部地區(qū)降雪的重要系統(tǒng)[21-22]，因此將500 hPa高度場(chǎng)作為關(guān)鍵因子，開展動(dòng)態(tài)聚類分析。

設(shè)置80～120°E，20～35°N為關(guān)鍵區(qū)域，采用關(guān)鍵區(qū)內(nèi)高空觀測(cè)站的500 hPa高度序列作為關(guān)鍵因子，相似性度量采用距離系數(shù)中的歐氏距離(公式1)，計(jì)算采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

(1)

2 3類分組的合成分析

通過統(tǒng)計(jì)分析得到3種類型的分組：Ⅰ型4個(gè)，占29%；Ⅱ型僅有3個(gè)，占21%；Ⅲ型最多，7個(gè)，占50%。

個(gè)例分析中3類影響系統(tǒng)下降雪出現(xiàn)的強(qiáng)度、區(qū)域和持續(xù)時(shí)間等都有較為明顯的不同。

Ⅰ型個(gè)例在高原東側(cè)到貴州氣流基本平直，僅有小波動(dòng)?xùn)|移(以下稱為平直型，簡(jiǎn)稱Ⅰ型)。這種形勢(shì)下，有利于滇黔準(zhǔn)靜止鋒維持少動(dòng)，天氣以凍雨為主，僅在有小波動(dòng)?xùn)|移時(shí)造成雨夾雪。分析表明這種形勢(shì)下往往為長(zhǎng)時(shí)間低溫雨雪冰凍過程中出現(xiàn)的階段性降雪過程，天氣現(xiàn)象以凍雨伴雨夾雪為主，純雪較少。

Ⅱ型從高原東側(cè)到貴州有1個(gè)明顯的南支槽，受南支槽東移影響，出現(xiàn)明顯降雪，但區(qū)域有限，時(shí)間短(以下稱為南支槽型，簡(jiǎn)稱Ⅱ型)。受南支槽過境影響，純雪特征較為明顯，過程持續(xù)時(shí)間較短，由于近地層氣溫較高，不易形成積雪。

Ⅲ型在高原東側(cè)到貴州有多個(gè)波動(dòng)槽影響，在高原北側(cè)沿河套地區(qū)和孟灣以東均有槽影響，形成階梯槽。受到多個(gè)槽共同影響，安順出現(xiàn)大范圍較長(zhǎng)時(shí)間的降雪，以純雪為主(以下稱為多波動(dòng)型，簡(jiǎn)稱Ⅲ型)。造成的降雪過程明顯，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，天氣現(xiàn)象以純雪為主，降雪量較大，近地層溫度較低，易形成積雪。

2.1 天氣形勢(shì)合成分析

對(duì)各組中個(gè)例分別開展合成分析發(fā)現(xiàn)，3種形勢(shì)在影響系統(tǒng)形態(tài)、關(guān)鍵指標(biāo)量指標(biāo)和物理量分布上均有所區(qū)別：

Ⅰ型(圖1)滇黔準(zhǔn)靜止鋒控制貴州大部到云南中東部，海平面氣壓梯度大，貴州海平面氣壓從西到東為1025～1035 hPa，氣壓差達(dá)10 hPa，靜止鋒較強(qiáng)，地面貴州西部氣溫低于0 ℃，中東部大部在0～4 ℃。500 hPa風(fēng)場(chǎng)顯示中高緯都以偏西氣流為主，高原以東沒有明顯槽脊影響，僅有小波動(dòng)?xùn)|移，貴州處于-16～-10 ℃；700 hPa 0 ℃線壓至貴州南部，貴州處于-10～0 ℃，貴州境內(nèi)等溫線較為密集，在貴州北部有東北風(fēng)和西南風(fēng)形成的切變，850 hPa貴州大部處于0 ℃以下，受東北氣流影響，中低層貴州都處于冷舌控制。

圖1 Ⅰ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實(shí)線，單位：℃)(a)；風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿,單位:m·s-1)和氣溫(實(shí)線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅱ型(圖2)滇黔準(zhǔn)靜止鋒控制云南中東部—貴州西部，貴州范圍海平面氣壓值在1027.5～1032.5 hPa，2 m氣溫貴州大部在0～4 ℃；500 hPa在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響貴州，貴州處于-14～-12 ℃之間；700 hPa在四川南部—貴州北部有東北風(fēng)和西南風(fēng)形成的切變，0 ℃線在貴州中部，中部以北在-6～0 ℃之間；850 hPa貴州處于-4～0 ℃。

圖2 Ⅱ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實(shí)線，單位：℃)(a)；風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿,單位:m·s-1)和氣溫(實(shí)線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅲ型(圖3) 滇黔準(zhǔn)靜止鋒控制貴州大部，貴州海平面氣壓值在1020～1032.5 hPa，鋒區(qū)較強(qiáng)，貴州2 m氣溫西北部低于0 ℃，其余地區(qū)在0 ℃附近。500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個(gè)短波槽，形成階梯槽，貴州氣溫-16～-12 ℃。700 hPa仍然在四川南部—貴州北部有切變，0 ℃線在貴州南部，貴州中北部溫度在-6～0 ℃。850 hPa除西南部邊緣外，貴州大部處于-4～0 ℃。結(jié)合個(gè)例分析，高原以東的短波槽不斷東移，有時(shí)形成階梯槽，高空槽使得上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，水汽輸送加強(qiáng)，槽后有溫度槽，冷平流和槽前渦度平流使得500 hPa槽東移加強(qiáng)，并使得低層系統(tǒng)增強(qiáng)，加強(qiáng)系統(tǒng)的抬升。

圖3 Ⅲ型合成分析：海平面氣壓(虛線，單位：hPa)和地面溫度(實(shí)線，單位：℃)(a)；風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿,單位:m·s-1)和氣溫(實(shí)線,單位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

通過以上分析，3種形勢(shì)具有一定的共同特征：地面受靜止鋒控制影響，850 hPa和700 hPa都處于冷舌控制中，850 hPa受東北氣流影響，700 hPa在四川南部—貴州北部有東北風(fēng)和西南風(fēng)形成的切變，貴州受西南氣流影響。500 hPa風(fēng)場(chǎng)上有明顯的區(qū)別：Ⅰ型中高緯主要為偏西平直氣流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響安順；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個(gè)短波槽，形成階梯槽。此外，滇黔準(zhǔn)靜止鋒強(qiáng)度和影響區(qū)域，500 hPa、700 hPa、850 hPa特征溫度等物理量有所區(qū)別：Ⅲ型靜止鋒最強(qiáng)，整層溫度最低；Ⅱ型靜止鋒稍弱，整層溫度略高；Ⅰ型居中。

以下將進(jìn)一步分析3種形勢(shì)垂直方向的特征，沿25.5°N做東西方向剖面圖。

合成分析表明3種形勢(shì)的大氣層結(jié)垂直分布也有一定的區(qū)別：根據(jù)3種形勢(shì)個(gè)例合成的沿25.5 °N的垂直速度和濕層(圖4)分析表明，Ⅰ型(圖4a)相對(duì)濕度>80%的濕層伸展到650 hPa附近，最大上升速度為0.8 pa·s-1，上升區(qū)主要集中在近地層到550 hPa；Ⅱ型(圖4b)上升區(qū)主要在近地層到600 hPa附近，最大上升速度1.4 pa·s-1,濕層較薄，范圍較窄；Ⅲ型(圖4c)濕層從近地層伸展到550 hPa，中低層有寬廣的濕層，最大上升速度為1.2 pa·s-1，水汽和抬升條件配合較好，有利于出現(xiàn)大范圍降雪。

圖4 3種類型個(gè)例合成的沿25.5°N的垂直速度(單位：pa·s-1，虛線為負(fù)值上升區(qū))、相對(duì)濕度(單位：%，陰影區(qū)為相對(duì)濕度>80%區(qū)域)垂直剖面圖(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

溫度層結(jié)是降雪的重要條件，不同的逆溫層結(jié)是區(qū)分降水相態(tài)的重要指標(biāo)。根據(jù)已有的研究，貴州及安順冬季的凍雨天氣期間，層結(jié)特征為中層有明顯的逆溫，逆溫通常達(dá)到5～7 ℃以上[13～15，23-24]，逆溫層頂在0 ℃以上。對(duì)3種降雪形勢(shì)沿25.5°N一線東西方向100～110°E范圍作溫度層結(jié)剖面(圖5)，分析結(jié)果表明3種形勢(shì)逆溫較弱或沒有逆溫，與凍雨的形勢(shì)有明顯的區(qū)別：Ⅰ型(平直氣流型)有1 ℃左右逆溫，逆溫層頂在0 ℃以下；Ⅱ型(南支槽型)在貴州中部有3 ℃逆溫，逆溫層頂在0 ℃以上；Ⅲ型(多波動(dòng)型)近地層在0 ℃附近，幾乎沒有逆溫。

圖5 3種類型個(gè)例合成的沿25.5°N的溫度分布垂直剖面(陰影區(qū)為負(fù)值區(qū))(單位：℃)(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

2.2 特征物理量指標(biāo)分析

根據(jù)實(shí)況個(gè)例分析結(jié)果，將降雪期間主要物理量特征總結(jié)如(表1)。地面海平面氣壓的變化范圍可以代表冷空氣的強(qiáng)度和靜止鋒強(qiáng)度，500 hPa、700 hPa、850 hPa溫度代表冰晶層及冷空氣厚度，近地層溫度，逆溫情況等，在降雪預(yù)報(bào)中可用于降雪類型、時(shí)間、降雪量及積雪等的參考。高空物理量參考貴州中部貴陽探空站1 d內(nèi)08時(shí)和20時(shí)平均值，地面海平面氣壓參考1 d內(nèi)觀測(cè)資料最大變化范圍。

表1 3類降雪個(gè)例總結(jié)的物理量指標(biāo)

3 小結(jié)

本文采用K-means動(dòng)態(tài)聚類分型方法，以500 hPa高度場(chǎng)作為關(guān)鍵影響因子，將近10 a安順的降雪形勢(shì)劃分為平直氣流型(Ⅰ)、南支槽型(Ⅱ)、多波動(dòng)型(Ⅲ)3種主要形勢(shì)。合成分析表明：Ⅰ型中高緯主要為偏西平直氣流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期間東移影響貴州；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多個(gè)短波槽，形成階梯槽。此外，3種類型在滇黔準(zhǔn)靜止鋒強(qiáng)度和影響區(qū)域等特征500 hPa、700 hPa、850 hPa特征溫度等物理量及垂直方向濕度配置、逆溫等方面均有所區(qū)別：Ⅰ型濕層和上升區(qū)淺薄，有1 ℃左右逆溫；Ⅱ型濕層較薄，在貴州中部有3 ℃逆溫范圍較窄；Ⅲ型中低層有寬廣的濕層，水汽和抬升條件配合較好，幾乎沒有逆溫。