基于L波段雷達資料的威寧降雪天氣預報模型初探

呂 靜，蔡 彤，余 呂，張 艷，柯莉萍

(貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局，貴州 威寧 553100)

0 引言

降雪常常伴隨著大風、寒潮、冰凍和低溫等，是貴州冬季常見的災害性天氣現(xiàn)象之一。降雪，特別是強降雪,不僅對城市交通、農(nóng)牧業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害，同時也會對人民生命安全造成一定的威脅。貴州地勢溝壑縱橫，海拔高差大，在同一環(huán)流背景下，復雜的地形地貌造成降雪天氣的不均勻性、不連續(xù)性。與其他地區(qū)相比，貴州降雪天氣的預報對預報員提出了更高的技術(shù)要求。許多專家學者對貴州降雪開展了一些研究，宋丹等[1]對44 a的降雪天氣分析發(fā)現(xiàn)，造成貴州降雪的環(huán)流特征主要有北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動型和高空急流型；李習瑾等[2]研究表明孟加拉灣的暖濕氣流與北方冷空氣的強輻合是貴州暴雪的重要原因；甘文強等[3]指出“前暖濕后冷濕”的溫濕結(jié)構(gòu)使得貴州低溫雨雪天氣過程中的降雪相態(tài)多樣化；羅喜平等[4]對比分析貴州降雪和凍雨天氣時，發(fā)現(xiàn)降雪發(fā)生前有弱逆溫，而降雪開始后無逆溫。這些研究主要是從天氣學角度展開的大范圍環(huán)流形勢分析，對貴州降雪預報有重要的指導意義，但對于精細到縣一級的預報服務存在一定的局限性。

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化水平不斷提高，飛機、天氣雷達、GPS/MET水汽、L波段探空雷達觀測技術(shù)等發(fā)展，使得觀測手段變得更加多元化。特別是L波段雷達探空資料對研究降雪云物理機制的運用，對預報技術(shù)的改進提供了新的思路。馮麗莎等[5]運用L波段雷達探空觀測資料成功診斷分析了2016年初河南1次典型的區(qū)域暴雪過程。朱彩霞等[6]研究發(fā)現(xiàn)L波段雷達探測資料可用于大氣邊界層特征分析，在氣候評價中起到重要作用。

威寧縣地處貴州西北部，年平均降雪日數(shù)20 d，降雪主要集中在每年的11月—次年3月。冬季頻繁的降雪，對當?shù)厣a(chǎn)生活造成較大影響。作為貴州僅有的2個探空站之一，威寧站L波段雷達探空資料的應用研究對當?shù)靥鞖庾兓?、氣象防災減災有重要的意義。本文利用L波段雷達探空資料，對貴州威寧降雪天氣進行分析，初步得出威寧降雪預報指標，并建立預報模型，為今后精細化降雪預報研究奠定基礎。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料選用威寧站2008—2019年經(jīng)過臺站本級和國家氣象信息中心質(zhì)量控制的逐日地面觀測資料和L波段雷達每天08時、20時的探空資料。地面觀測資料是月報表中記錄的逐日地面降雪觀測資料；探空資料是根據(jù)《高空氣象探測規(guī)范》，由L波段(1型)數(shù)據(jù)處理軟件計算得到的各規(guī)定標準等壓面溫度、濕度、風向、風速氣象要素值。由于威寧是高海拔山區(qū)，冬季近地面氣壓在770～780 hPa左右，850 hPa的物理量無預報指示意義。因此，探空資料選取的各規(guī)定標準等壓面分別為近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa。

1.2 研究方法

根據(jù)地面觀測資料，一天當中任何時候出現(xiàn)了降雪(包括雨夾雪、純雪、雨夾雪和純雪并存)，均記為有降雪發(fā)生，定義為1個降雪日。當?shù)孛嬗^測資料中記錄有降雪發(fā)生時，選取離該降雪日降雪出現(xiàn)時間最近的探空資料，利用箱線圖統(tǒng)計分析當日近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa的溫度、濕度、風速、風向氣象要素值變化特征，得出相應的預報指標，建立預報模型。

箱線圖可以描述1組數(shù)據(jù)的分布特征，是日常天氣分析常用的方法之一。假定不同大氣層結(jié)的探空物理量分布呈(準)正態(tài)分布，長方框箱體上下邊延伸線的端點表示最大值和最小值，箱體的上下底分別代表75%分位數(shù)和25%分位數(shù)，箱體中的粗線代表50%樣本的物理量值(中位數(shù))。

2 物理量的統(tǒng)計特征及預報指標確定

2.1 探空濕度統(tǒng)計學特征及預報指標確定

廣義的降水是指大氣中的水汽凝結(jié)后以液態(tài)水或固態(tài)水降落到地面的現(xiàn)象，這里的固態(tài)降水包含雪。一般來說，形成降水要滿足3個重要條件：充足的水汽、足夠多的凝結(jié)核、氣塊能夠抬升并冷卻凝結(jié)。根據(jù)以上條件，只有空氣達到一定的濕度，才能保證有充足的水分，使得降雪能夠發(fā)生。因此，預報模型的第1個預報指標為濕度條件。

從探空濕度的箱線圖(圖略)可以看出，700 hPa、近地面濕層厚且分布集中，保證了降雪的水汽供應。600 hPa的濕度區(qū)間廣，大多數(shù)個例的濕度較大，對于降雪的水汽供應有一定的貢獻。500 hPa上的濕度在2%～91%之間，濕度普遍較低且分布離散度大，預報參考性低。由此可見，濕度預報指標主要決定于600 hPa及其以下的濕度。

由圖1看出，近地面和700 hPa都存在1個濕度在80%以上的高濕區(qū)。與近地面的濕度相比，700 hPa上的濕度在90%以上的占比更高。近地面層濕度在90%≤H≤100%區(qū)間為最多，占65%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占23%；再次是70%≤H<80%區(qū)間，占9%；濕度在70%及其以下共占3%，可以忽略不計。700 hPa上的濕度在90%≤H≤100%區(qū)間為最高，占58%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占33%；濕度在80%以下占9%。600 hPa上的濕度在H<50%區(qū)間為最多，占31%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占28%；再次是90%≤H≤100%區(qū)間，占22%；然后是70%≤H<80%區(qū)間，占8%；再然后是60%≤H<70%區(qū)間，占6%；最后是50%≤H<60%區(qū)間，占5%。

綜上所述，近地面和700 hPa的高濕區(qū)滿足降雪發(fā)生的條件，可以確立預報指標為：H近地面≥80%、H700≥80%。600 hPa在H<50%濕度區(qū)間的個例最多，但是該區(qū)間濕度較低，不利于降雪發(fā)生，不能作為預報指標。進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)64%的個例在600 hPa上的濕度不小于60%，該閾值既能滿足降雪發(fā)生的條件，又屬于大多數(shù)個例的共性特征，可以確立為預報指標：H600≥60%。

圖1 近地面、700 hPa及600 hPa等壓面的濕度在不同區(qū)間的比例Fig.1 Proportion of humidity near the ground, 700 hPa and 600 hPa isobaric surface in different intervals

2.2 探空溫度統(tǒng)計學特征及預報指標確定

降水發(fā)生并不代表降雪發(fā)生，還有可能是降雨。一直以來，降水相態(tài)都是冬季天氣預報重點關(guān)注的內(nèi)容之一。對于相同量級的降水，固態(tài)降水和液態(tài)降水對人們生產(chǎn)生活造成的影響完全不同。同樣是24 h累積降水，液態(tài)降水只不過是中雨，屬于一般性降水，而固態(tài)降水則達到了暴雪，成為冬季常見的災害性天氣。國外早期研究發(fā)現(xiàn)，決定降水類型的主要因素是溫度垂直廓線[7-8]。國內(nèi)許多專家學者也總結(jié)出了類似的結(jié)論，師鴻儒等[9]認為近地面的氣溫能指示雨雪相態(tài)，龍柯吉等[10]提出地面和高空近地層的溫度對區(qū)分降水相態(tài)有較好的指示意義。因此，預報模型的第2個預報指標為溫度條件。

圖2是威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次近地面—500 hPa不同高度層的溫度箱線圖。由圖2看出，除了少數(shù)異常值，近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa的溫度分別為-9～6 ℃、-13～7 ℃、-13～0 ℃、-20～-1 ℃。不同高度的等壓面，溫度區(qū)間存在不同程度的重合，但大值區(qū)存在差異。從中位數(shù)來看，由近地面層到500 hPa層各等壓面的溫度分別是-1.5 ℃、-4.1 ℃、-6.5 ℃、-12 ℃。對于75%的個例，近地面層的溫度在0.5 ℃以下，700 hPa溫度<-1.2 ℃，600 hPa溫度<-4.8 ℃，500 hPa溫度<-8.2 ℃。為了保證降水的相態(tài)是固態(tài)(雪)，溫度在垂直分布上應該趨于保持一致的冷層。75%分位數(shù)比中位數(shù)更好地體現(xiàn)了大多數(shù)個例的溫度分布特征，同時也滿足降雪的溫度垂直分布條件，可以作為溫度預報指標。即溫度預報指標為：T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃。

圖2 各探空等壓面對應的溫度箱線圖Fig.2 Temperature box diagram corresponding to each sounding isobaric surface

2.3 探空風的統(tǒng)計學特征及預報指標確定

風對降雪的貢獻，主要包含2個方面：風向、風速輻合為降雪發(fā)生提供動力；風對水汽和能量的輸送作用。所以，預報模型的第3個指標應為風向風速條件。

圖3是威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次近地面—500 hPa不同高度層的風速箱線圖。分析圖3發(fā)現(xiàn)，近地面的風速小(最大值為7 m·s-1)，隨著高度的增加，風速增大，風速輻合特征明顯。從近地面—500 hPa，各等壓面的中位數(shù)分別為4、7、21、28 m·s-1，25%～75%分位分別為3～5 m·s-1、5～10 m·s-1、17～26 m·s-1、21～35 m·s-1。

圖3 各探空等壓面對應的風速箱線圖Fig.3 Wind speed box diagram corresponding to each sounding isobaric surface

分析威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次探空資料在垂直方向的風向變化雷達圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，近地面層—500 hPa層上的風向具有明顯的南北風切變。近地面和700 hPa上的風向比較雜亂，不同方向的風都有出現(xiàn)。近地面層72%的個例風向偏北，冷空氣勢力強。700 hPa上77%的個例風向偏南。除了極少數(shù)個例 ，600 hPa、500 hPa的風向以西南風到西風為主，600 hPa西南風比重更大，500 hPa西風頻率更高。從最多風向統(tǒng)計來看，近地面為北風(74次)、700 hPa為西南風(60次)、600 hPa為西南西風(101次)、500 hPa為西風(125次)。

圖4 各等壓面對應的風向變化雷達圖(單位：°)Fig.4 Radar chart of wind direction change corresponding to each isobaric surface (unit:°)

綜上分析，探空風向風速的分布特征為：近地面多為北風且風速??；600 hPa、500 hPa偏西、偏南風強，風向、風速的輻合為降雪天氣提供動力條件，且強勁的偏西、偏南風對水汽的輸送貢獻較大。結(jié)合濕度條件，降雪天氣要保證600 hPa及以下的濕度達到相應的指標，即考慮600 hPa的大風速區(qū)對水汽的輸送。因此，風向風速的預報指標可以確定為：V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風速增大，南北風切變明顯。

由于天氣系統(tǒng)的抬升、地形的抬升等作用都可以替代風的動力抬升作用，大氣層實際濕度條件充分時，可以忽略風對水汽的輸送；在溫度和濕度預報指標同時滿足的情況下，可以不考慮風向、風速的預報指標。

3 預報模型的建立與檢驗

根據(jù)上述綜合分析，初步建立降雪預報模型：濕度條件為H近地面≥80%、H700≥80%、H600≥60%；溫度條件為T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃；風向風速條件為V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風速增大，南北風切變明顯。當濕度、溫度條件同時滿足時，直接判斷為將有降雪發(fā)生，不再進行風向風速條件的判別。

設NA為預報正確次數(shù)，NC為漏報次數(shù)，NB為空報次數(shù)，通過計算準確率、漏報率、空報率，檢驗預報模型的預報效果，具體計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

利用公式(1)～(3)對2020年冬季(12月、1月、2月)17個降雪日的預報準確率、漏報率、空報率進行計算，得到2020年冬季降雪日的預報準確率、漏報率、空報率分別為70%、18%、18%(表1)。說明對于絕大多數(shù)個例預報模型都有較好的指示意義，極少數(shù)個例模式預報存在漏報和空報的現(xiàn)象。對于不同的月份，12月的預報效果最差，準確率、漏報率、空報率分別為50%、43%、20%；1月和2月的預報效果一致，準確率、漏報率、空報率均分別為83%、0%、17%。

表1 2020年冬季(12月、1月、2月)預報模型效果檢驗Tab.1 Test of forecast model in 2020 winter (December, January, February)

4 結(jié)論與討論

通過對貴州威寧站2008—2019年降雪天氣的L波段雷達探空資料分析研究，得出以下結(jié)論：

①中低層較大的濕度是影響威寧降雪的重要因子，預報指標為H近地面≥80%、H700≥80%、H600≥60%。

②溫度對于威寧降雪有重要的指示意義，在500 hPa及以下的大氣為相對統(tǒng)一的冷層環(huán)境下，最有利于降雪。預報指標為T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃。

③風對威寧降雪的動力抬升和水汽供應具有一定的作用，預報指標為V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風速增大，南北風切變明顯。在溫度、濕度指標同時滿足降雪條件下，不必考慮風向風速的預報指標。

根據(jù)降雪預報指標，建立了貴州威寧降雪的預報模型。利用該模型對2020年冬季降雪進行檢驗，其準確率達70%，預報參考性較大，但12月降雪預報準確率較低。究其原因，一是漏報。可能是在探空觀測時段以外天氣系統(tǒng)快速發(fā)展變化、有冷空氣補充或加強導致。二是空報?？赡苁怯捎谶B續(xù)降雪過程的最后1 d的夜晚或是第2 d，各物理量不會馬上發(fā)生變化，預報模型誤判降雪還將繼續(xù)發(fā)生。由于探空資料觀測時次的局限性以及天氣變化在時間上的不確定性，在今后的研究中，可適當考慮環(huán)流背景、冷空氣活動以及其他觀測資料的補充等多方面對降雪預報模式進行訂正、完善。在日常預報工作中，為了進一步提高預報準確率，還應結(jié)合天氣形勢的變化、冷空氣的活動、其他觀測資料的使用等多方面對預報模式進行訂正、完善。