長(zhǎng)沙一次暴雪天氣過(guò)程的多普勒雷達(dá)回波特征

胡 媚 ， 尹亮彬， 唐明暉

1. 湖南省氣象臺(tái)， 湖南 長(zhǎng)沙 410118 2. 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 4101183. 衡陽(yáng)市氣象局， 湖南 衡陽(yáng) 421001

0 引 言

冰雪災(zāi)害是常見(jiàn)的氣象災(zāi)害之一，湖南省降雪天氣相較北方而言，雖然出現(xiàn)的概率較低，但是影響仍然很大，被列為高影響天氣之一(李麗等,2017)。降雪預(yù)報(bào)是精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一(閻訪和孫婧怡等,2020),許多學(xué)者對(duì)大范圍雨雪過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，并取得了顯著成果。姚蓉等(2012)研究發(fā)現(xiàn)低空西南急流、中層切變線和鋒面的配合，是暴雪天氣持續(xù)的主要原因。馮麗莎等(2020)強(qiáng)調(diào)低層偏北急流對(duì)暴雪發(fā)展有增強(qiáng)的作用。漆梁波和張瑛(2012)、昌立偉等(2021)研究指出925 hPa高度層及其以下的低層大氣溫度是南方降雪的關(guān)鍵。以上對(duì)于暴雪天氣過(guò)程的研究主要集中在大氣環(huán)流形勢(shì)和物理量分析等方面，涉及多普勒天氣雷達(dá)資料的應(yīng)用比較少。

近年來(lái)，多普勒天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流臨近預(yù)報(bào)預(yù)警中廣泛地應(yīng)用(薛諶彬等,2015；陳娟等,2016)，但將多普勒天氣雷達(dá)資料應(yīng)用于降雪天氣過(guò)程的研究還相對(duì)較少(王麗榮等,2006；王文波等,2020)。沈永生等(2010)和胡鵬宇等(2018)利用多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)品診斷和判別天氣系統(tǒng)的演變以及降雨、降雪天氣的轉(zhuǎn)變，揭示了降水過(guò)程的細(xì)節(jié)變化，強(qiáng)調(diào)多普勒天氣雷達(dá)可以更好地應(yīng)用于雨雪天氣的預(yù)報(bào)。施紅蓉等(2014)對(duì)一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度和徑向速度產(chǎn)品能夠很好地監(jiān)測(cè)、診斷降雨到降雪相態(tài)變化的持續(xù)時(shí)間，垂直徑向速度、信噪比可作為區(qū)分不同相態(tài)降水的有效依據(jù)。梁軍等(2010)和楊淑華等(2021)研究發(fā)現(xiàn)，降雪的反射率因子強(qiáng)度小于降水，雷達(dá)反射率因子圖上有時(shí)能看到雨雪的明顯分界；回波頂高一般在6 km高度以下，高度相對(duì)低且平整連續(xù)；速度場(chǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)明顯的“牛眼”特征?？梢?jiàn)，高時(shí)空分辨率的雷達(dá)探測(cè)資料不僅可以提供雨雪回波強(qiáng)度的分布信息，還能得到多普勒徑向速度的演變特征,為更詳細(xì)地了解和研究雨雪天氣系統(tǒng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)提供更多觀測(cè)依據(jù)。雖然暴雪是湖南的高影響天氣之一，但是本地應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)降雪天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警研究還較少。2021年12月25—26日長(zhǎng)沙出現(xiàn)了一次暴雪天氣過(guò)程且導(dǎo)致了一定的災(zāi)情，文中主要利用長(zhǎng)沙多普勒天氣雷達(dá)資料,對(duì)此次暴雪天氣過(guò)程進(jìn)行分析,希望從中提取出暴雪預(yù)報(bào)預(yù)警的關(guān)鍵信息，為此后暴雪臨近預(yù)報(bào)提供參考。

1 雨雪實(shí)況及天氣背景

1.1 資料說(shuō)明

文中所使用的雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自長(zhǎng)沙S波段多普勒天氣雷達(dá)(海拔高度622 m)，雷達(dá)掃描模式為VCP21。物理量分析等采用2021年12月25—27日逐日08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)國(guó)家地面觀測(cè)站和探空站資料，降水資料為2021年12月24—27日長(zhǎng)沙地面氣象觀測(cè)站(28.1°N，112.7°E)的逐小時(shí)數(shù)據(jù)，雨雪天氣現(xiàn)象結(jié)合國(guó)家站人工觀測(cè)。

1.2 雨雪實(shí)況

12月24日冷空氣開(kāi)始影響湖南，25日凌晨湖南東北部最先出現(xiàn)雨夾雪，接著向西向南擴(kuò)展，轉(zhuǎn)為純雪，25日除湖南東南部外，全省大部分地區(qū)均出現(xiàn)降雪，暴雪主要集中在懷化中北部和益陽(yáng)西部(圖1a)；26日降雪范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，除永州南部出現(xiàn)雨夾雪外，其他地區(qū)大部分為中到大雪，其中湖南中部及其以北(42站)為暴雪(圖1b)；至27日08時(shí)，湖南省97站中有85站出現(xiàn)降雪或雨夾雪。降雪造成省內(nèi)74站出現(xiàn)積雪，32站積雪超過(guò)10 cm，其中長(zhǎng)沙站積雪深度為15 cm。本次過(guò)程降雪強(qiáng)度大、范圍廣，導(dǎo)致長(zhǎng)沙、湘潭等10個(gè)市州39個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)雪災(zāi)，受災(zāi)人口25.56萬(wàn)人，農(nóng)作物受災(zāi)面積1.12×108hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.134億元。

圖1 2021年12月25日(a)和26日(b)湖南省降水實(shí)況(單位：mm)Fig. 1 Precipitation (unit：mm) in Hunan on 25 (a) and 26 (b) December 2021

此次天氣過(guò)程長(zhǎng)沙市出現(xiàn)暴雪，累計(jì)降水量達(dá)25.3 mm。圖2給出了2021年12月24日20時(shí)—27日08時(shí)長(zhǎng)沙逐3 h降水量和氣溫變化。分析可知，25日23：00以前，氣溫在0 ℃以上，降水形式為小雨，23：00左右出現(xiàn)短暫的雨夾雪；隨著氣溫的進(jìn)一步下降，26日02：00逐漸轉(zhuǎn)為純雪，08：00以前純雪達(dá)2 mm。26日白天為降雪主要時(shí)段，降雪量為12.4 mm，且出現(xiàn)兩個(gè)降雪峰值，分別為26日08：00—11：00和14：00—17：00，小時(shí)降雪量最大達(dá)到了2.8 mm(26日15：00—16：00)；26日晚上，降雪減弱為3.3 mm，27日02:00后降雪暫停，純雪持續(xù)時(shí)間為24 h。長(zhǎng)沙此次雨雪天氣過(guò)程出現(xiàn)在初冬，與歷史同期降水相比，此次降雪強(qiáng)度較大。

圖2 2021年12月24日20：00—27日08：00長(zhǎng)沙逐3 h降水量和氣溫變化Fig. 2 Precipitation and temperature per 3 hours in Changsha from 20:00 BT 24 to 08:00 BT on 27 December 2021

1.3 天氣背景

分析2021年12月25日08時(shí)天氣形勢(shì)可知(圖略)，200 hPa急流強(qiáng)盛，中心位于湖南北部至江蘇一帶，500 hPa冷空氣勢(shì)力強(qiáng)且不斷堆積，東移南壓，橫槽位于東北至內(nèi)蒙古北部一帶，橫槽前20°—45°N為一片明顯的負(fù)變溫區(qū)域，冷平流明顯；25日20時(shí)(圖略)，200 hPa急流南壓向東傳播，冷空氣主體南下，冷鋒位于廣西中部至廣東沿海；26日08時(shí)，地面冷高壓主體位于蒙古西部地區(qū)，中心氣壓為1 065 hPa，冷空氣持續(xù)補(bǔ)充南下，1 030 hPa特征線南壓至華南沿海一帶，0 ℃線已經(jīng)南壓到南嶺山脈附近。26日為本次暴雪過(guò)程的最強(qiáng)時(shí)段，綜合分析08時(shí)各層天氣系統(tǒng)配置發(fā)現(xiàn)，500 hPa(圖3a)中高緯為“兩槽一脊”型，烏拉爾山以東的阻塞高壓穩(wěn)定維持，前部橫槽緩慢南壓，鄂霍茨克海為低渦中心，低緯南支槽緩慢移動(dòng)，湖南位于南支槽前，強(qiáng)盛的西南急流(最大風(fēng)速大于28 m/s)輸送暖濕空氣，湖南大部分地區(qū)溫度低于-16 ℃；26日白天700 hPa高度(圖3b)不斷有短波槽過(guò)境且西南急流加強(qiáng)，急流出口位于湖南東部，增強(qiáng)了強(qiáng)降雪產(chǎn)生的動(dòng)力條件，700 hPa高度層溫度均小于0 ℃；500—850 hPa高度湖南大部分地區(qū)都為明顯的濕區(qū)；850—925 hPa高度層(圖3c)湖南均為較強(qiáng)的偏東北風(fēng)；地面湖南位于高壓底部，隨著冷空氣補(bǔ)充南下，為降雪提供了深厚的冷墊。

綜合分析主要系統(tǒng)(圖3d)可知，200 hPa急流加強(qiáng)，急流核穿過(guò)湖南中部。中高緯環(huán)流形勢(shì)保持穩(wěn)定，橫槽南壓帶動(dòng)冷空氣南下，冷鋒自北向南影響湖南；同時(shí)南支槽偏強(qiáng)，700 hPa強(qiáng)盛的西南暖濕氣流沿冷墊爬升，急流出口增強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)暖濕空氣的抬升和凝結(jié)，這些因素的共同影響，導(dǎo)致長(zhǎng)沙出現(xiàn)暴雪天氣。

圖3 2021年12月26日08時(shí)500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)形勢(shì)場(chǎng)(等值線為高度場(chǎng)，單位：dagpm；風(fēng)矢量為風(fēng)速，單位：m/s)以及主要影響系統(tǒng)綜合圖(d)Fig. 3 500 hPa (a), 700 hPa (b) and 850 hPa (c) situation fields (the contour line represents the height field, unit: dagpm; wind vector represents wind speed, unit: m/s) and weather comprehensive analysis chart (d) at 08: 00 BT on 26 December 2021

對(duì)2021年12月25日20時(shí)長(zhǎng)沙站探空?qǐng)D(圖4a)分析可知，地面溫度為0.8 ℃，1 000 hPa高度以上溫度均低于0 ℃，濕層僅擴(kuò)展到了3.9 km高度(-10 ℃附近)，中高層以偏西風(fēng)為主，4—6 km為明顯干層，非常不利于冰晶、雪花的形成。26日08時(shí)(圖4b)，隨著冷空氣進(jìn)一步南下，地面溫度降至-2.5 ℃，整層溫度均低于0 ℃；中層由25日20時(shí)的偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為26日08時(shí)的西南風(fēng)，濕層向上伸展到8.6 km高度，非常有利于冰晶、雪花的形成。同時(shí)，800 hPa高度以下均為偏北氣流，為明顯冷墊。25日20時(shí)、26日08時(shí)均有冷性逆溫層，因此本次過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)凍雨，降水相態(tài)以純雪為主。

2 多普勒雷達(dá)特征分析

2.1 反射率因子

本次暴雪天氣過(guò)程最強(qiáng)時(shí)段為26日白天，26日08:00以前(圖略)，回波主體位于湖南西部，強(qiáng)度較弱，分布均勻，回波強(qiáng)度為20—25 dBz，呈毛松絲縷狀，表現(xiàn)為層狀云降水回波特征。在偏西風(fēng)引導(dǎo)氣流的作用下，向東緩慢移動(dòng)，隨著低層輻合的增強(qiáng)，反射率因子強(qiáng)度有所增強(qiáng)，最強(qiáng)為30—35 dBz(圖5a)，從對(duì)應(yīng)的垂直剖面(圖略)可知，30—35 dBz回波位于4 km高度以下。分析對(duì)應(yīng)的08時(shí)探空曲線(圖4b)可知，整層溫度均低于0 ℃，可見(jiàn)降水回波即為降雪回波。26日白天時(shí)段因持續(xù)不斷有25—30 dBz回波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)沙,且30—35 dBz回波維持了46個(gè)體掃(4.6 h)，導(dǎo)致長(zhǎng)沙出現(xiàn)暴雪。20：00以后，反射率因子減弱為15—20 dBz(圖5b)。對(duì)比分析本次暴雪天氣過(guò)程的降雪回波反射率因子和湖南春、夏季連續(xù)性降水回波可知，降雪的回波強(qiáng)度偏弱，這是雪對(duì)微波的散射和衰減均較小所致，與沈永生等(2010)研究的結(jié)論比較吻合。

圖4 2021年12月25日20時(shí)(a)和26日08時(shí)(b)長(zhǎng)沙探空曲線Fig. 4 t-lnp of Changsha station at 20:00 BT (a) on 25 December and 08:00 BT (b) on 26 December 2021

圖5 2021年12月26日長(zhǎng)沙雷達(dá)08：04(a)、20：27(b)組合反射率因子(單位：dBz)Fig. 5 Radar composite reflectivity (unit:dBz) of Changsha at 08:04 BT (a),20:27 BT (b) on 26 December 2021

2.2 回波頂高和垂直液態(tài)水含量

對(duì)26日白天長(zhǎng)沙小時(shí)降雪最強(qiáng)時(shí)段(15：00—16：00)進(jìn)行分析，因垂直方向大氣相對(duì)較穩(wěn)定，明顯不利于對(duì)流發(fā)展，反射率因子最強(qiáng)為30—35 dBz(圖略)，由于降水粒子沒(méi)有發(fā)展到高空，所以回波頂高比較低(圖6a)，高度大部分在3—6 km，最高為6—8 km，但回波頂高為6—8 km的面積明顯有限，符合降雪回波的特征(俞小鼎等，2020)。垂直液態(tài)水含量不足1 kg/m2，個(gè)別區(qū)域?yàn)?—5 kg/m2，明顯低于春、夏季降水回波值，而垂直液態(tài)水含量為1—5 kg/m2的區(qū)域和回波頂高度在6—8 km的區(qū)域重合(圖6b)。

圖6 2021年12月26日長(zhǎng)沙雷達(dá)15：22回波頂高(a，單位：km)和垂直液態(tài)水含量(b，單位：kg/m2)Fig. 6 Radar echo height (a，unit：km) and VIL(b，unit：kg/m2) of Changsha at 15:22 BT on 26 December 2021

2.3 徑向速度

為分析本次降雪加強(qiáng)及出現(xiàn)暴雪的原因，選取降雪最強(qiáng)時(shí)段及前后的徑向速度產(chǎn)品進(jìn)行分析。26日07：00以前降雪量為0.4 mm，07：00—08：00為1.3 mm，降雪量明顯增大。從08：00的2.4°仰角徑向速度(圖7a)可知，2.1 km高度距離圈內(nèi)(藍(lán)色圓圈)為東北風(fēng)，速度值雖偏弱，但冷墊深厚；零速度線成直線，正負(fù)速度面積相當(dāng)，但5—10 m/s的負(fù)速度范圍比5—10 m/s的正速度范圍略偏大，存在弱輻合，因此有利于降雪的繼續(xù)加強(qiáng)；2.2—3.8 km高度，風(fēng)速隨高度明顯順轉(zhuǎn)，具有一定暖平流特征；中層(4.5—6.5 km高度)有西南急流核存在(紅色橢圓)。14：01徑向速度(圖7b)表明,以上風(fēng)場(chǎng)特征幾乎維持不變，但中層急流核(圖7b紅色橢圓)更加清楚；雷達(dá)西南側(cè)負(fù)速度由此前的15—20 m/s增大到20—27 m/s(圖7c紅色橢圓)。16：02(圖7c)，5—10 m/s負(fù)速度范圍明顯大于正速度面積，低層的輻合較前期有所加強(qiáng)，該階段降雪更加明顯。20：27(圖7d)，中層急流核(紅色橢圓)強(qiáng)度較20：00以前有所減弱，降雪較前期明顯減弱至停止?？梢?jiàn)，徑向速度的風(fēng)場(chǎng)輻合、急流核的增強(qiáng)預(yù)示著動(dòng)力條件的增強(qiáng)，為降雪的維持和增強(qiáng)提供了一定的信息。

圖7 2021年12月26日長(zhǎng)沙雷達(dá)2.4°仰角08：04(a)、14：01(b)、16：02(c)、20：27(d) 徑向速度(單位：m/s)Fig. 7 Radial velocity of Doppler radar at an elevation angle of 2.4° at 08:04 (a), 14:01 (b), 16:02 (c) and 20:27 (d) BT on 26 December 2021(unit:m/s)

2.4 垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品

風(fēng)廓線產(chǎn)品是通過(guò)VAD技術(shù)和雷達(dá)體積掃描資料，對(duì)獲得降水粒子平均徑向速度分布進(jìn)行處理，得出以測(cè)站為中心，半徑為30 km水平區(qū)域中不同高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速，對(duì)判斷風(fēng)向風(fēng)速變化、垂直風(fēng)切變等有重要作用(俞小鼎等，2020)。26日06:32以前(圖8a)，2.1 km高度以下為偏東北風(fēng)；2.1—3.0 km由東北風(fēng)順轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，具有弱垂直風(fēng)切變(俞小鼎等，2020)；3.4—4.9 km以西北風(fēng)為主(紅色方框)，因此西南風(fēng)較淺薄，中層水汽條件明顯不利，對(duì)應(yīng)地面僅為零星小雪。07：07以后(圖8b)，2.1 km以下東北風(fēng)仍維持，3.4—4.9 km由此前的西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，可見(jiàn)對(duì)應(yīng)短波槽逐漸過(guò)境(紅色方框)，地面由此前零星小雪轉(zhuǎn)為持續(xù)小雪，08：00西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。此后(圖8c)西南風(fēng)厚度增強(qiáng)，2.7—6.7 km均為西南風(fēng)(紅色方框)，有利于中層水汽的輸送，且5.5—7.6 km為強(qiáng)盛的西南風(fēng)，風(fēng)速達(dá)20 m/s，為降雪提供了水汽和輻合的條件；2.1 km以下東北風(fēng)仍然持續(xù)維持；強(qiáng)西南氣流在深厚的冷墊上爬升，為典型降雪的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)配置。

圖8 2021年12月26日05：35—06：32(a)、07：07—08：04(b)、11：03—12：00(c)、19：01—19：58(d)長(zhǎng)沙雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品Fig. 8 Vertical wind profile VWP of Doppler radar for Changsha during 05:35-06:32 (a), 07:07-08:04(b), 11:03-12:00(c) and 19:01-19:58(d) BT of December 26, 2021

在如此有利的風(fēng)場(chǎng)配置下，長(zhǎng)沙白天出現(xiàn)了12.4 mm純雪，導(dǎo)致城區(qū)大面積積雪。19：01開(kāi)始(圖8d)，2.7—5.2 km從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)(紅色方框)，水汽輸送條件轉(zhuǎn)差，降雪減弱至逐漸停止。

3 結(jié) 論

文中利用長(zhǎng)沙多普勒天氣雷達(dá)資料，并結(jié)合天氣形勢(shì)和環(huán)境條件，對(duì)2021年12月25—26日長(zhǎng)沙暴雪的回波強(qiáng)度、徑向速度、雷達(dá)風(fēng)廓線等演變進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1) 在中高緯“兩槽一脊”穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)下，橫槽緩慢南壓，帶動(dòng)冷空氣南下，冷鋒自北向南影響湖南，整層溫度均位于0 ℃以下。同時(shí)，南支槽偏強(qiáng)，槽前西南暖濕氣流強(qiáng)盛，冷暖空氣在湖南交匯，急流出口增強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)暖濕空氣的抬升凝結(jié)，是長(zhǎng)沙此次暴雪天氣的主要原因。

2) 降雪前中層以偏西風(fēng)為主，有明顯干層，不利于冰晶雪花形成；降雪時(shí)段中層由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，濕層明顯增厚，有利于冰晶、雪花形成，且整層無(wú)融化層存在，導(dǎo)致長(zhǎng)沙降水性質(zhì)以純雪為主。

3) 強(qiáng)反射率因子回波持續(xù)不斷地經(jīng)過(guò)長(zhǎng)沙且維持時(shí)間長(zhǎng)，徑向速度風(fēng)場(chǎng)輻合、急流核增強(qiáng)、零速度線成直線等特征，預(yù)示著動(dòng)力條件增強(qiáng)；隨著西南風(fēng)速度增大和厚度的持續(xù)增強(qiáng)，降雪增強(qiáng)；后期風(fēng)場(chǎng)再次轉(zhuǎn)為西北風(fēng)為主，對(duì)應(yīng)降雪減弱。以上特征為暴雪臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供有用的信息。