山東一次極端雨雪過程積雪特征分析及模式產(chǎn)品檢驗(yàn)

高留喜，楊成芳，劉暢

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031)

引言

極端雨雪是較嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，對生產(chǎn)生活影響較大，如2008年中國南方持續(xù)低溫雨雪天氣造成23個(gè)省份公路交通出現(xiàn)中斷，43%的省級電網(wǎng)受影響，受災(zāi)人口達(dá)1億多人[1]。預(yù)報(bào)人員對雨雪過程認(rèn)識存在不足，其中液態(tài)和固態(tài)的轉(zhuǎn)換預(yù)報(bào)是預(yù)報(bào)難點(diǎn)，相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)結(jié)果也直接影響到應(yīng)急和決策服務(wù)的開展，并暴露預(yù)報(bào)能力不足問題，因此降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制研究成為關(guān)注點(diǎn)之一。

近些年針對降水相態(tài)的研究明顯增多。漆梁波和張瑛[2]分析總結(jié)出中國東部地區(qū)冬季降水相態(tài)的識別判據(jù)；楊成芳等[3]研究山東冬半年的降水相態(tài)，發(fā)現(xiàn)降水相態(tài)與影響系統(tǒng)有關(guān)，強(qiáng)降雪存在雨雪轉(zhuǎn)換；還有人進(jìn)行積雪深度的預(yù)報(bào)研究[4-7]，山東冬季降雪成因等也有較多研究成果[8-9]。這些研究成果一定程度上為預(yù)報(bào)員降雪預(yù)報(bào)提供了參考依據(jù)。降雪往往會(huì)產(chǎn)生積雪，積雪深度的大小對交通、棚架等的影響及相應(yīng)的防御有很大差異。因而積雪深度成為降雪過程的關(guān)注點(diǎn)之一。由于冬半年觀測資料的局限性，積雪深度方面的研究較為初步。預(yù)報(bào)員對降雪過程積雪深度的特征、影響因子及預(yù)報(bào)技術(shù)認(rèn)識還有不足，實(shí)際業(yè)務(wù)中常有明顯預(yù)報(bào)偏差[10-11]，積雪深度成為冬半年降水預(yù)報(bào)新難點(diǎn)。

2021年11月6—8日，山東出現(xiàn)一次極端雨雪天氣過程，對人民生產(chǎn)生活和交通產(chǎn)生重大影響。山東省氣象臺對這次雨雪過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，但積雪深度預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大偏差，需要進(jìn)一步分析研究。

1 資料和方法

所用資料包括常規(guī)觀測資料，2021年11月6—8日山東122個(gè)國家級地面氣象觀測站逐時(shí)觀測資料，降水現(xiàn)象儀識別出的逐時(shí)雨、雨夾雪和雪等降水相態(tài)，逐時(shí)人工加密積雪深度觀測資料和ERA5再分析資料等。采用統(tǒng)計(jì)和天氣動(dòng)力學(xué)診斷相結(jié)合的方法分析這次極端雨雪天氣過程。

降雪含水比是指新增積雪深度與降雪融化后等量液體深度(降雪量)的比值，是為定量預(yù)報(bào)積雪深度而引入的概念[12-13]，以建立降雪量和積雪深度的轉(zhuǎn)化關(guān)系。確定了降雪量和降雪含水比，便可以計(jì)算出積雪深度。本文取積雪各站過程最大積雪深度，累加降雪開始至最大積雪深度產(chǎn)生時(shí)的逐時(shí)降雪量得到總降雪量，計(jì)算最大積雪深度與總降雪量的比值，即降雪含水比。模式預(yù)報(bào)積雪深度誤差指模式預(yù)報(bào)輸出的積雪深度與對應(yīng)站點(diǎn)的積雪深度之差，正誤差表示模式積雪預(yù)報(bào)高于觀測值，反之，低于觀測值。當(dāng)積雪預(yù)報(bào)誤差大于20%時(shí)，為明顯偏多；當(dāng)其小于-20%時(shí)，為明顯偏少；若介于二者之間，視為誤差不明顯或接近于觀測值。雪深均采用整數(shù)。

2 天氣實(shí)況及預(yù)報(bào)難點(diǎn)

2.1 雨雪實(shí)況

2021年11月6日17時(shí)—8日16時(shí)，受寒潮影響，山東出現(xiàn)一次大范圍雨雪過程。全省過程平均降水量為35.0 mm，接近11月常年平均降水量(18.5 mm)的兩倍，墾利降水量最大，為76.6 mm。多站降水量突破同期歷史極值，是一次極端天氣事件。雨雪主要出現(xiàn)在7日，有20站降水量R≥50 mm，主要分布在魯西北地區(qū)；31站日降水量突破本站11月歷史極值，占全省總站數(shù)的25%；魯中的東部和半島地區(qū)降水相對較小(圖1a)。47站出現(xiàn)暴雪(R≥10 mm)，平原、聊城和濟(jì)南出現(xiàn)特大暴雪，暴雪和積雪集中分布在魯西北和魯中的北部地區(qū)(圖1b、c)，4站積雪深度達(dá)到或突破本站極值。另外，7日魯西北和魯中北部地區(qū)出現(xiàn)能見度不足500 m的濃霧天氣，濃霧區(qū)(圖1d)和暴雪區(qū)(圖1b)、積雪區(qū)(圖1c)有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 2021年11月7日降水量(a，色標(biāo)，單位：mm)、降雪量(b，色標(biāo)，單位：mm)、最大積雪深度(c，色標(biāo)，單位：cm)和最低能見度(d，色標(biāo)，單位：km)Fig.1 Precipitation (a, color scale, units: mm), snowfall (b, color scale, units: mm), maximum snow depth (c, color scale, units: cm), and minimum visibility (d, color scale, units: km) on 7 November 2021

2.2 相態(tài)變化

全省除魯南和半島南部地區(qū)有13站沒出現(xiàn)降雪，其余109站均出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換。7日01時(shí)，莘縣開始出現(xiàn)雨夾雪，隨著冷空氣影響，降雪的地方逐漸增多；05時(shí)，德州、聊城、濱州、濟(jì)南和菏澤等地有15縣(市)轉(zhuǎn)為降雪，之后山東自北向南陸續(xù)轉(zhuǎn)雪或雨夾雪。魯西北和魯中北部地區(qū)主要為雨轉(zhuǎn)雪；魯南和魯中的南部地區(qū)有的站點(diǎn)出現(xiàn)多次相態(tài)轉(zhuǎn)換，鄒城7日06時(shí)由雨轉(zhuǎn)雨夾雪，08時(shí)轉(zhuǎn)雨，09時(shí)轉(zhuǎn)雪，10時(shí)轉(zhuǎn)雨，12時(shí)轉(zhuǎn)雨夾雪，13時(shí)轉(zhuǎn)雨。半島地區(qū)經(jīng)歷雨—雨夾雪—雪的轉(zhuǎn)換。綜上，此次過程降水相態(tài)復(fù)雜。

2.3 積雪深度特征分析

此次過程中，55站出現(xiàn)有量積雪，23站積雪深度在10 cm以上，16站為5～10 cm，濟(jì)南和德州最大(20 cm)。積雪主要分布在魯西北和魯中的北部地區(qū)，積雪深度呈現(xiàn)自北向南減小的特點(diǎn)，有明顯的緯度差異(圖1c)。降雪期間溫度也呈北低南高的分布，積雪嚴(yán)重的地區(qū)與低的溫度區(qū)吻合較好(圖略)，說明緯度高溫度低的區(qū)域有利于積雪形成。比較圖1c和圖1b發(fā)現(xiàn)有量積雪的范圍與降雪量R≥5 mm的分布范圍基本一致，魯西北和魯中北部降雪量大、積雪深度大，沒有積雪的地方降雪量小。對7日有積雪站的最大雪深和最大降雪量進(jìn)行相關(guān)分析，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.73，通過信度0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈顯著的正相關(guān)。利用最小二乘法對其進(jìn)行線性擬合，擬合關(guān)系式為：

y=0.50x+ 0.18。

(1)

式(1)中：y為最大積雪深度(單位：cm)，x為總降雪量(單位：mm)。積雪深度隨降雪量增加，1 mm降雪量可使積雪深度增加0.5 cm。積雪深度與降雪量有密切關(guān)系，這與已有研究[14]是一致的。

山東降雪主要發(fā)生在7日白天，90%以上的站積雪深度隨降雪量的增加而增大，最大積雪深度出現(xiàn)在降雪結(jié)束時(shí)，聊城、河口等少數(shù)站積雪深度峰值沒有出現(xiàn)在降雪結(jié)束時(shí)。7日白天出現(xiàn)積雪峰值的53個(gè)有量積雪站，在20時(shí)積雪深度減小的有26站，占49%，最大減小5 cm，平均減小2 cm；維持峰值的有27站，占51%。夜間積雪深度繼續(xù)減小的有39站，占74%，最大減小5 cm，平均減小2 cm，維持不變的有14站，占26%。夜間融化的站數(shù)比白天的占比高，融化程度相當(dāng)。積雪深度峰值維持至8日08時(shí)的僅有6站，占11%。由此可見，白天和夜間都可出現(xiàn)積雪融化、積雪深度減小的情況，夜間融化程度不一定比白天低，積雪深度不一定在次日08時(shí)達(dá)到最大值，積雪深度具有明顯的時(shí)間變化特征。常規(guī)觀測的08時(shí)積雪深度數(shù)據(jù)很難代表降雪過程的最大值，有必要進(jìn)行積雪加密觀測。

2.4 預(yù)報(bào)難點(diǎn)

針對此次極端雨雪過程，山東省氣象臺于11月5日發(fā)布雨雪重要天氣預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)全省平均過程降水量為20～30 mm，6—7日魯西北地區(qū)中到大雨轉(zhuǎn)中雪。此后將預(yù)報(bào)量級調(diào)大。對比主觀預(yù)報(bào)與實(shí)況，預(yù)報(bào)員對過程降水量、暴雪范圍、降水起止和相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，但積雪深度預(yù)報(bào)存在較大偏差，積雪預(yù)報(bào)是難點(diǎn)。

3 極端積雪影響因子分析

3.1 大氣環(huán)流背景和環(huán)境場分析

500 hPa天氣圖上，11月3—4日烏拉爾山到北冰洋出現(xiàn)東北—西南向阻塞高壓，其前部形成寬廣的大橫槽，4日20時(shí)橫槽南壓到貝加爾湖至巴爾喀什湖、新疆北部一帶。5日08時(shí)阻塞高壓減弱崩潰，橫槽轉(zhuǎn)成豎槽，后發(fā)展東移過程中與南支槽疊加，使100°E以東的環(huán)流經(jīng)向度加大，出現(xiàn)低渦深槽，110°～130°E發(fā)展為較強(qiáng)的沿海高壓脊，7日08時(shí)高壓脊延伸至東北地區(qū)，山東處于脊后槽前旺盛的西南暖濕氣流中(圖2a)。6日夜間北路和西路兩路冷空氣自北向南入侵山東(圖2b、c)，形成“下東北上西南”的山東典型回流暴雪天氣形勢[15]。降水主要影響系統(tǒng)有：500 hPa低渦深槽、850 hPa切變線、冷鋒和地面倒槽(圖2)。

圖2 2021年11月7日08時(shí)500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場(a) 和6日20時(shí)(b)、7日02時(shí)(c)地面形勢場(等值線：位勢高度，單位：dagpm；風(fēng)矢：風(fēng)速，單位：m·s-1)Fig.2 Geopotential height at 500 hPa and wind at 850 hPa at 08:00 BST 7 (a) and surface synoptic situation at 20:00 BST 6 (b) and 02:00 BST 7 (c) November 2021 (isoline for geopotential height, units: dagpm； wind barb for wind speed, units: m·s-1)

6日20時(shí)—7日14時(shí)的1 000～850 hPa水汽通量散度圖(圖略)上，魯西北長時(shí)間存在明顯的水汽輻合中心。7日08時(shí)，700 hPa濟(jì)南出現(xiàn)20 m·s-1的西南低空急流，850 hPa徐州出現(xiàn)14 m·s-1的東南低空急流。由于沿海高壓脊的穩(wěn)定存在，脊后低槽移動(dòng)緩慢，有利于槽前低空急流向山東輸送充足水汽，7日08時(shí)魯西北地區(qū)850 hPa比濕達(dá)到4～6 g·kg-1，顯著高于山東發(fā)生暴雪時(shí)低層平均比濕[15]。7日08時(shí)，850 hPa濟(jì)南到東營切變線南側(cè)為12～14 m·s-1的東南風(fēng)，北側(cè)是超過10 m·s-1的東北風(fēng)，有風(fēng)向風(fēng)速的強(qiáng)輻合，動(dòng)力條件好。7日08時(shí)章丘探空顯示0～3 km和0～6 km風(fēng)切變分別為27.6、31.9 m·s-1，0～6 km風(fēng)切變不小于20 m·s-1，屬于強(qiáng)的垂直風(fēng)切變[16]，所以大氣有強(qiáng)的動(dòng)力不穩(wěn)定。850～450 hPa有明顯的風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)且增大，且有較厚的近飽和層，雷達(dá)回波拼圖和衛(wèi)星云圖圖像顯示有多條平行于熱層風(fēng)的云帶和雨帶(圖略)，根據(jù)章麗娜等[17]研究的判據(jù)，說明有條件對稱不穩(wěn)定。925 hPa山東北部出現(xiàn)22 m·s-1的東北急流，一方面從渤海輸送濕冷水汽，另一方面使強(qiáng)盛的西南暖濕氣流在強(qiáng)冷空氣墊上爬升，起到明顯動(dòng)力抬升作用。強(qiáng)風(fēng)切變、對流不穩(wěn)定、充沛的水汽供應(yīng)和適當(dāng)?shù)奶龡l件有利于強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展。地面圖上魯西北處于倒槽頂端，輻合條件好。魯西北地區(qū)降水期間有強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，900～800 hPa低層上升速度最大為-360×10-2Pa·s-1，超過山東暴雨指標(biāo)垂直速度閾值。對流層低層3支急流輸送水汽，且在山東北部形成明顯輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于該地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水。在溫度比較低的情況下，強(qiáng)降水可以變成強(qiáng)降雪。

由6日20時(shí)—7日20時(shí)溫度平流演變看，6日23時(shí)之前山東上空對流層均為不太強(qiáng)的暖平流，7日01時(shí)，隨著低層冷空氣的入侵，1 000～850 hPa存在強(qiáng)冷平流，1 000 hPa聊城附近冷平流中心值為-70×10-6℃·s-1(圖略)。在強(qiáng)冷平流的作用下，魯西北925 hPa以下溫度迅速下降至0 ℃以下，為雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)，7日早晨開始強(qiáng)降水轉(zhuǎn)為強(qiáng)降雪。魯西北主要降雪時(shí)段，低層一直存在冷平流，溫度持續(xù)下降，強(qiáng)降雪降落至地面不易融化，出現(xiàn)嚴(yán)重積雪。

本文介紹的明挖地鐵站與市政高架橋“同期同位分離式合建”方案，在合肥地鐵1號線取得了成功的應(yīng)用。目前，市政高架橋已經(jīng)通車運(yùn)營5 a，地鐵車站已經(jīng)通車運(yùn)營1 a。該方案極大地節(jié)約了用地；高架橋與地鐵車站僅與豎向受力相關(guān)，橫向受力完全脫開，傳力路徑清晰，地震工況受力良好；能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵車站全外包防水；高架橋可以與地鐵結(jié)構(gòu)同期施工，也可以在地鐵結(jié)構(gòu)后期施工。該方案的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

綜上分析，在山東典型回流暴雪天氣形勢下，充足的水汽供應(yīng)、有利的動(dòng)力抬升條件和冷空氣降溫共同作用，導(dǎo)致山東出現(xiàn)極端雨雪天氣。冷空氣和強(qiáng)冷平流降溫導(dǎo)致山東降水發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換，強(qiáng)降水轉(zhuǎn)為強(qiáng)降雪，山東中北部出現(xiàn)暴雪和嚴(yán)重積雪。

3.2 降雪含水比分析

圖3顯示山東出現(xiàn)積雪各站過程降雪含水比為0.15～0.99 cm·mm-1，10站在0.8～1.0 cm·mm-1之間，30站在0.4～0.8 cm·mm-1之間，15站小于0.4 cm·mm-1，德州最大(0.99 cm·mm-1)，聊城最小(0.15 cm·mm-1)，平均降雪含水比為0.53 cm·mm-1，比歷史統(tǒng)計(jì)的0.8～1.1 cm·mm-1[5]明顯偏小，說明這次嚴(yán)重積雪是降雪量大造成的。各站降雪含水比差異大，呈“北大南小”分布，德州和聊城的西部地區(qū)含水比值大。對比圖1c發(fā)現(xiàn)，德州到濟(jì)南積雪嚴(yán)重的地區(qū)和降雪含水比高的地區(qū)對應(yīng)很好，說明高降雪含水比有利于積雪形成。

3.3 溫度對積雪深度的影響

從微物理學(xué)角度分析，積雪深度受到高低空環(huán)境氣象條件的影響，積雪深度及降雪含水比與冰晶結(jié)構(gòu)有關(guān), 決定冰晶特性的最重要影響因子是環(huán)境溫度。冰晶從生成到降落到地面的過程中，云內(nèi)、云下和地面3個(gè)階段的環(huán)境溫度是積雪深度最大的影響因子。在云內(nèi)，環(huán)境溫度在-4～0 ℃時(shí)冰晶主要是片狀，-10～-4 ℃主要是針狀、柱狀，-20～-10 ℃主要是樹枝狀、盤狀、扇狀、厚片狀，低于-20 ℃則主要是空心柱狀[18-19]，其中樹枝狀冰晶的積雪深度最大，相應(yīng)的降雪含水比也大，其次是針狀冰晶，最小的是柱狀冰晶和片狀冰晶。云內(nèi)相對濕度會(huì)影響冰晶的形狀和大小，周圍空氣呈高度過飽和狀態(tài)，冰晶會(huì)快速增長[20]。在離開云體、下落過程中，周圍大氣的溫度大于0 ℃時(shí)冰晶會(huì)融化[21]。雪降落到地面，地面溫度主要決定冰晶的變化。

圖3 2021年11月7—8日山東積雪站點(diǎn)降雪含水比(色標(biāo)，單位：cm·mm-1)分布Fig.3 Distribution of snow-to-liquid ratio (color scale, units: cm·mm-1) at stations of snow cover in Shandong from 7 to 8 November 2021

山東各地降雪量、積雪深度和降雪含水比存在明顯差異，選取積雪深度和降雪含水比大的德州(20 cm，0.99 cm·mm-1)、濟(jì)南(20 cm，0.62 cm·mm-1)及積雪深度和降雪含水比小的聊城(4 cm，0.15 cm·mm-1)，分析溫度對降雪的影響。

降雪時(shí)段大氣最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)層與最大相對濕度疊加的區(qū)域，水汽交換最多，是冰晶最大增長率發(fā)生的區(qū)域，附近溫度和相對濕度決定冰晶類型[14]。主要降雪和積雪形成時(shí)段，德州為7日05—11時(shí)，聊城為05—08時(shí)，濟(jì)南為08—12時(shí)。由圖4看到，3地降雪期間1 000～300 hPa相對濕度都在90%以上，云頂溫度低于-50 ℃，-20 ℃層在550 hPa，冰晶層深厚，具有相似的溫度場結(jié)構(gòu)，900～700 hPa都有明顯的逆溫層。降雪時(shí)段大氣最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)層與大的相對濕度疊加的區(qū)域(紫色矩形框處)，德州在600～500 hPa(圖4a)，溫度為-20～-12 ℃，適宜樹枝狀冰晶增長，下面層次溫度均低于0 ℃，有利于冰晶維持原來狀態(tài)，造成積雪深度大和降雪含水比高。濟(jì)南在750～650 hPa(圖4b)，溫度為-8～-2 ℃，主要是針狀、柱狀冰晶，800 hPa附近有高于0 ℃的融化層，冰晶在空中部分融化，降雪含水比德州低。聊城在800～700 hPa(圖4c)，溫度為-8～4 ℃，以片狀、柱狀冰晶為主，下面高于0 ℃的融化層比濟(jì)南深厚、溫度更高，冰晶融化程度高，降雪含水比低，不利于積雪形成。900 hPa以下低層，德州溫度最低(-8～-4 ℃)，聊城溫度最高(-4～0 ℃)，濟(jì)南溫度低于聊城。德州高空低的溫度有利于降雪和積雪的形成，降雪含水比大。聊城溫度高，降雪含水比最低，最不利于產(chǎn)生大的積雪深度。高空溫度、相對濕度和垂直速度的配置差異可導(dǎo)致積雪深度和降雪含水比的明顯不同。

圖4 2021年11月7日過德州(a)、濟(jì)南(b)和聊城(c)的溫度(紅色等值線，單位：℃)、相對濕度(色標(biāo)，單位：%)和垂直速度(藍(lán)色等值線，單位：10-2 Pa·s-1)的垂直剖面圖(黑色三角為主要降雪時(shí)段，紫色框?yàn)樽顝?qiáng)上升運(yùn)動(dòng)層與大的相對濕度疊加區(qū))Fig.4 Vertical cross section of temperature (red isoline, units: ℃), relative humidity (color scale, units: %), and vertical velocity (blue isoline, units: 10-2 Pa·s-1) in Dezhou (a), Jinan (b), and Liaocheng (c) on 7 November 2021 (black triangle means main snowfall period, and purple rectangle is large relative humidity overlaid with layer of the strongest ascending motion)

由濟(jì)南、德州和聊城的逐時(shí)氣溫演變(圖5)來看，山東出現(xiàn)降雪前，氣溫呈迅速下降狀態(tài)，濟(jì)南、德州和聊城5～6 h降幅超過15 ℃，德州的氣溫7日05時(shí)下降至0.2 ℃，7日08時(shí)為-1.5 ℃，此后繼續(xù)下降，降雪結(jié)束時(shí)為-1.7 ℃，純降雪時(shí)段，氣溫為-2.0～-0.5 ℃。濟(jì)南降雪時(shí)段，氣溫為-2.6～0 ℃。德州降雪時(shí)段溫度低，有利于形成積雪和高的降雪含水比。聊城溫度高，降雪下落過程中融化，不利于積雪形成，從而降雪含水比低。濟(jì)南降雪期間最低溫度雖低于德州，但主要降雪時(shí)段比德州高1～2 ℃，濟(jì)南降雪含水比小于德州，說明低的溫度有利于出現(xiàn)高的降雪含水比。

3.4 地面風(fēng)速、地形和地理位置對積雪深度的影響

氣象觀測場為開闊的場地，風(fēng)速太大時(shí)，可能吹走積雪，從而使得積雪深度減小。此次降雪時(shí)平均風(fēng)速為4～6級、陣風(fēng)為7～9級，存在風(fēng)吹雪的條件，全省平均降雪含水比明顯偏低可能與大風(fēng)有關(guān)。積雪最深的德州7日08時(shí)前平均風(fēng)力為5級、陣風(fēng)為7～8級，積雪為9 cm，降雪含水比為0.74 cm·mm-1，上午風(fēng)力明顯減弱，風(fēng)力為4級、陣風(fēng)為6～7級，新增積雪11 cm，降雪含水比為1.36 cm·mm-1。濟(jì)南7日上午風(fēng)力為4級、陣風(fēng)為6級，積雪為15 cm，降雪含水比為0.5 cm·mm-1，下午降雪時(shí)風(fēng)力為3級、陣風(fēng)為5級，新增積雪5 cm，降雪含水比為1.72 cm·mm-1。德州、濟(jì)南積雪隨風(fēng)的變化在一定程度上佐證了大風(fēng)不利于觀測站形成積雪。

圖5 濟(jì)南、德州和聊城地面2 m氣溫逐時(shí)演變(單位：℃)Fig.5 Hourly evolution of temperature (units: ℃) at 2 m in Jinan, Dezhou, and Liaocheng

圖6是山東地形、7日最大積雪深度和7日05、10時(shí)地面風(fēng)場圖。山東地形呈中間高、四周低的特點(diǎn)，中部是海拔較高(400～800 m)的魯中山地，泰山最高(1 545 m)，北部是地勢平坦且海拔較低(50 m以下)的魯西北平原。由圖6a看出，積雪分布在泰山以北的魯西北和魯中山地北部，泰山以南沒有積雪，積雪分布除了明顯的緯度差異外，可能與魯中山地地形有關(guān)。冷空氣主要從925 hPa以下的大氣低層自北向南影響山東，與魯中山地高度相近，受地形影響，山地北側(cè)比南側(cè)降溫明顯，7日14時(shí)觀測發(fā)現(xiàn)，過去24 h降溫北側(cè)比南側(cè)約高4 ℃，導(dǎo)致魯西北溫度低，出現(xiàn)明顯積雪，魯中山地以南溫度高，沒有形成積雪。泰山出現(xiàn)2 cm的積雪，泰山腳下的泰安沒有積雪，濟(jì)南到淄博附近明顯的積雪中心與魯中山地地形對應(yīng)很好，均說明地形對積雪有影響。由地面風(fēng)場(圖6a、b)看出，強(qiáng)的偏北風(fēng)到山地北側(cè)的濟(jì)南附近風(fēng)力減弱，山地北側(cè)的濟(jì)南到淄博一帶出現(xiàn)積雪中心，某種程度上說明風(fēng)和地形對積雪有影響。

圖6 山東地形(色標(biāo)為海拔高度，單位：m)、7日最大積雪深度(紅色實(shí)線，單位：cm)以及地面風(fēng)場(a. 7日05時(shí)， b. 7日10時(shí))Fig.6 Topography (color scale for altitude, units: m) of Shandong, maximum snow depth (red solid line, units: cm) on 7, and surface wind field at 05:00 BST (a) and 10:00 BST (b) 7 November 2021

降雪、積雪與地理位置存在一定關(guān)系，分別計(jì)算7日有積雪站(不含泰山站)的最大積雪深度、最大降雪量與緯度、經(jīng)度和海拔高度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)積雪深度與經(jīng)度的相關(guān)性最好，緯度次之，海拔高度最差，相關(guān)系數(shù)分別為-0.74、0.40和0.26。最大降雪量與經(jīng)度的相關(guān)性最好，緯度次之，海拔高度最差，相關(guān)系數(shù)分別為-0.72、0.36和-0.19。計(jì)算山東全部站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)也有類似的相關(guān)關(guān)系。山東東面是大海(熱容量大)，冷空氣影響時(shí)，東部比西部降溫幅度小、溫度高，海陸差異導(dǎo)致東部降雪和積雪形成條件比西部差，造成降雪量和積雪深度隨經(jīng)度減小。除泰山站(1 533 m)和沂源(305 m)外，山東其余測站海拔高度均在230 m以下，其中98站低于100 m(近70站低于50 m)，山東測站海拔高度低、差別小。此次過程降雪和積雪主要出現(xiàn)在海拔低、地勢平坦的魯西北平原地區(qū)，海拔高度影響較小。山東積雪的緯度差最大為1.85°，緯度變化小可能是影響不顯著的原因。降雪和積雪均與經(jīng)度相關(guān)性最好，呈明顯的負(fù)相關(guān)，說明此次過程山東海陸差異比緯度差異、海拔高度影響大。

4 數(shù)值模式積雪產(chǎn)品檢驗(yàn)

圖7 2021年11月5日20時(shí)—6日20時(shí)EC模式預(yù)報(bào)11月7日積雪誤差(a、b、c中色標(biāo)為積雪深度誤差，單位：cm；d、e、f中色標(biāo)為積雪深度誤差百分率，單位：%)Fig.7 Difference of snow cover in Shandong on 7 November between observation and forecast by ECMWF weather model from 20:00 BST 5 to 20:00 BST 6 November 2021 (color scale in Fig.7a/b/c for difference of snow depth, units: cm; color scale in Fig.7d/e/f for percentage of the difference, units: %)

綜上分析，EC模式積雪產(chǎn)品對山東此次積雪有較好的預(yù)報(bào)能力，時(shí)效近誤差小，但存在預(yù)報(bào)總體偏弱、山東北部偏小和中南部偏大的特點(diǎn)。雪深誤差與溫度、降雪含水比有關(guān)。溫度低、降雪含水比高，誤差??；反之，誤差大。

5 結(jié)論

利用地面自動(dòng)氣象觀測站、人工加密積雪深度逐時(shí)觀測資料和ERA5再分析資料，對山東2021年11月6—8日極端雨雪過程進(jìn)行分析，得出的主要結(jié)論如下：

(1)此次雨雪過程相態(tài)復(fù)雜，暴雨雪站數(shù)多，積雪嚴(yán)重。降水量突破同期歷史極值，是一次極端天氣事件，積雪深度是預(yù)報(bào)難點(diǎn)。主要影響系統(tǒng)有500 hPa低渦深槽、850 hPa切變線、冷鋒和地面倒槽。

(2)暴雪和積雪集中分布在山東的中北部地區(qū)，積雪深度與降雪量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，降雪量大則積雪深度大，平均1 mm降雪量可使積雪深度增加0.5 cm。有量積雪的范圍與降雪量R≥5 mm的分布范圍基本一致。積雪深度具有明顯的時(shí)間變化特征，白天和夜間都可出現(xiàn)積雪融化、積雪深度減小的情況，夜間融化程度不一定比白天低，積雪深度不一定在次日08時(shí)達(dá)到最大值。

(3)在山東典型回流暴雪天氣形勢下，充足的水汽供應(yīng)、有利的動(dòng)力抬升條件和冷空氣降溫共同作用，導(dǎo)致山東出現(xiàn)極端雨雪天氣。冷空氣和強(qiáng)冷平流降溫導(dǎo)致山東降水發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換，強(qiáng)降水轉(zhuǎn)成強(qiáng)降雪，山東中北部出現(xiàn)暴雪和嚴(yán)重積雪。

(4)積雪區(qū)降雪含水比差異大，在0.15～1.0 cm·mm-1之間，分布呈“北大南小”，高的降雪含水比有利于形成積雪。此次積雪區(qū)降雪含水比平均為0.53 cm·mm-1，比歷史平均值明顯偏低。積雪深度與高空溫度、相對濕度和垂直速度的配置有關(guān)，低的溫度有利于降雪、積雪和出現(xiàn)高的降雪含水比。

(5)此次嚴(yán)重積雪主要是降雪量大造成的，地理位置、魯中山地地形和地面風(fēng)速對積雪深度有影響。緯度高、溫度低的地方有利于形成積雪，大風(fēng)不利于觀測站形成積雪。降雪量、積雪深度隨經(jīng)度變化具有很好的一致性。降雪量、積雪深度隨緯度變化存在一定差異，總體上均隨緯度增加而增加。此次降雪和積雪，海陸差異影響大于緯度影響，海拔高度影響較小。

(6)EC模式積雪產(chǎn)品對山東積雪有較好的預(yù)報(bào)能力，時(shí)效近誤差小，但存在預(yù)報(bào)總體偏弱、北部偏小和中南部偏大的特點(diǎn)。溫度低、降雪含水比高的地區(qū)，模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)偏小、誤差小。溫度高、降雪含水比低的地區(qū)，模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)偏大、誤差大。EC模式24 h時(shí)效積雪產(chǎn)品對山東北部的主要積雪區(qū)預(yù)報(bào)較好，誤差不明顯(偏小20%以下)，對中南部地區(qū)誤差較大。