池州地區(qū)冬半年固態(tài)降水及其環(huán)流背景統(tǒng)計特征

孫 卉，吳照憲，劉玉林，田 慷

（池州市氣象局，安徽 池州 247100）

固態(tài)降水一般指雨夾雪、雪或陣雪、雨凇或凍雨、冰粒等天氣現(xiàn)象。池州市位于長江中下游，冬半年時有固態(tài)降水現(xiàn)象發(fā)生。大雪或凍雨等都會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、道路交通等產(chǎn)生較大危害，故對此類災(zāi)害天氣的研究具有現(xiàn)實意義。如2008年1月持續(xù)性雨雪冰凍過程給池州及整個南方地區(qū)帶來了嚴(yán)重的影響[1-4]，引起了全社會的廣泛關(guān)注。

不少學(xué)者對固態(tài)降水進(jìn)行了深入研究。在冷空氣路徑方面，鄭婧等[5]指出江西省發(fā)生大雪時地面冷空氣多為中路；曾欣欣[6]發(fā)現(xiàn)東路冷空氣路徑有利于浙江出現(xiàn)大雪；苗愛梅等[7]對山西的研究發(fā)現(xiàn)，西北路冷空氣極易產(chǎn)生固態(tài)降水。也有學(xué)者對固態(tài)降水大氣環(huán)流進(jìn)行了主觀分型，陶云等[8]把云南省1981—2013年固態(tài)降水500 hPa環(huán)流劃分為北脊南槽型和北橫槽型；宋丹等[9]通過對貴州近44 a 20個個例研究，將高空環(huán)流劃分為北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動型和高空急流型等；馬振升[10]建立了橫槽型和兩槽一脊型的河南暴雪天氣學(xué)模型；王玉亮等[11]則將魯南地區(qū)暴雪天氣的影響系統(tǒng)劃分為回流形勢、江淮氣旋、切變線和低槽冷鋒等4類。此外，學(xué)者們對固態(tài)降水發(fā)生時的中低層環(huán)流配置也進(jìn)行了不少研究。鄭婧等[5]認(rèn)為700 hPa西南氣流強(qiáng)盛，當(dāng)850 hPa同時存在切變線時，降雪天氣更劇烈；胡順起等[12]發(fā)現(xiàn)暴雪一般出現(xiàn)在高空最大輻散中心和低層最大輻合中心的下面，西南急流下風(fēng)方的左側(cè)。安徽氣象工作者們也對安徽影響較大的幾次降雪過程進(jìn)行了一些研究[13-15]。

由于固態(tài)降水對環(huán)境場，尤其是對氣溫的要求高，各地固態(tài)降水產(chǎn)生的條件存在一些細(xì)微差別，而這些細(xì)微的差別將直接影響降水相態(tài)預(yù)報的準(zhǔn)確率。目前，針對安徽的固態(tài)降水氣候特征及環(huán)流分型等研究較少，另外固態(tài)降水的大氣環(huán)流主觀分型存在主觀性強(qiáng)、統(tǒng)計難度大等問題。本文擬對2003—2018年冬半年大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型，建立池州地區(qū)固態(tài)降水天氣模型，并分析其冷空氣路徑、中低層配置等，試圖找出池州地區(qū)固態(tài)降水的預(yù)報著眼點，供相關(guān)業(yè)務(wù)人員參考。

1 資料和方法

1.1 資料

采用的地面資料為2003—2018年池州站（117.5°E，30.65°N）觀測資料，高空資料則選取歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）第五代再分析資料ERA5（https：//cds.climate.copernicus.eu/），水 平 分 辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h，垂直分辨率為37層。關(guān)于冬半年時段的取值，已有研究不盡相同[16-19]，考慮池州的氣候特點，本文將冬半年定義為11月—次年3月。

1.2 降水相態(tài)分類

目前觀測業(yè)務(wù)中規(guī)定了雨、雨夾雪、雪或陣雪、雨凇或凍雨、冰粒共5種地面降水相態(tài)。關(guān)于冰粒，漆梁波等[1]從溫度層結(jié)方面考慮，認(rèn)為其更接近凍雨。但也有專家認(rèn)為冰粒、雨夾雪均為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的過渡形態(tài)[20]。余金龍等[21]也認(rèn)為凍雨造成的危害遠(yuǎn)高于冰粒和雪。

綜上所述，將冰粒相態(tài)歸入雨夾雪類型，把固態(tài)降水劃分為雨雪轉(zhuǎn)換（天氣現(xiàn)象中出現(xiàn)雨、雨夾雪、雪任意兩種及以上相態(tài)轉(zhuǎn)換）、純雪和凍雨3類。統(tǒng)計獲得2003—2018年固態(tài)降水日總樣本數(shù)172個，其中雨雪轉(zhuǎn)換樣本95個，占比55.2%；純雪樣本71個，占比41.3%；凍雨樣本最少，僅6個，占比3.5%。

1.3 環(huán)流分型方法

對天氣形勢進(jìn)行分類的方法多種多樣，包括主觀方法、客觀方法和混合方法。本文采用Huth提出的傾斜旋轉(zhuǎn)T-mode主成分分析（TPCA）方法[22-23]，對大氣環(huán)流場進(jìn)行客觀分型。T模態(tài)是按時間序列對網(wǎng)格點數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，建立每個時間網(wǎng)格點的主成分類型，其中輸入數(shù)據(jù)的列表示時間序列，行對應(yīng)于網(wǎng)格點。TPCA方法在歐洲地區(qū)的天氣分型中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，該算法已經(jīng)在“歐洲地區(qū)天氣模型分類協(xié)調(diào)與應(yīng)用”方案（簡稱：COST733）中被發(fā)展為軟件系統(tǒng)“Cost733class-1.2”[24]。

TPCA分型數(shù)據(jù)采用2003—2018年11月—次年3月ERA5再分析資料02、08、14、20時（LST）共4個時次逐日平均500 hPa位勢高度場，空間范圍為20°～60°N，60°～140°E，分型數(shù)目設(shè)為4類，建立冬半年天氣模型，并輸出每日對應(yīng)的天氣模型，結(jié)合地面觀測資料中固態(tài)降水樣本的出現(xiàn)日期，分別統(tǒng)計不同天氣模型下雨雪轉(zhuǎn)換和純雪天氣過程的中低層要素特征。

2 固態(tài)降水氣候特征

2003—2018年池州年平均固態(tài)降水日數(shù)為10.8 d，最多降水日數(shù)為22 d，出現(xiàn)在2007年冬半年（主要是2008年1月出現(xiàn)持續(xù)降雪過程）。2010年之前池州固態(tài)降水過程振蕩較明顯，2010年以后，除2012年外，基本偏少或正常（圖1a）。

固態(tài)降水也存在明顯的月際變化（圖1b），1月固態(tài)降水日數(shù)最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月，占16.3%；11月和3月較少。從相態(tài)看，雨雪轉(zhuǎn)換與純雪日數(shù)月變化趨勢與所有固態(tài)降水日數(shù)月變化基本一致；1月純雪日數(shù)較雨雪轉(zhuǎn)換略多，其他月份均偏少；凍雨較少，16 a共出現(xiàn)6 d，其中12月未出現(xiàn)。

圖1 池州2003—2018年冬半年固態(tài)降水日數(shù)年變化（a）及月變化（b）

3 固態(tài)降水天氣模型特征

對2003—2018年冬半年500 hPa的日平均位勢高度場進(jìn)行環(huán)流特征分型，將冬半年天氣模型分為4類（圖2），分別為一槽一脊型（Ⅰ型）、緯向波動型（Ⅱ型）、兩槽一脊型（Ⅲ型）和北脊南槽型（Ⅳ型），其中，Ⅰ型占比最多，為45.2%；Ⅱ型次之，為28.8%；Ⅲ型占比為25.9%；Ⅳ型占比僅0.1%，本文不做討論。

從固態(tài)降水的雨雪轉(zhuǎn)換和純雪角度看，發(fā)生概率最大均為Ⅰ型，占比分別為67.3%和76.1%；Ⅲ型次之，為22.4%和11.9%；Ⅱ型最少，分別為10.3%和11.9%。凍雨除1例為Ⅱ型外，其余均為Ⅰ型。

3.1 一槽一脊型（Ⅰ型）

該環(huán)流型下，青藏高原—新西伯利亞為一高壓脊，東北地區(qū)—華東沿海為一深厚的高空槽。槽后脊前強(qiáng)冷空氣從內(nèi)蒙古沿中路（或西北路）南下，影響長江中下游地區(qū)，給池州地區(qū)固態(tài)降水提供了有利的溫度條件，池州以南為較平直的緯向環(huán)流（圖2a）。

3.2 緯向波動型（Ⅱ型）

Ⅱ型環(huán)流背景下，亞洲中高緯度地區(qū)上空維持一寬廣的低壓區(qū)，冷空氣來自蒙古國—西伯利亞地區(qū)，中高緯西北氣流引導(dǎo)冷空氣從西路影響我國，為固態(tài)降水提供溫度條件。中緯度上空以緯向環(huán)流為主，100°E以東的中低緯地區(qū)則為西南氣流，青藏高原東側(cè)短波槽把西南暖濕氣流輸送到長江中下游，為池州地區(qū)降雪提供了動量、熱量和水汽條件（圖2b）。

3.3 兩槽一脊型（Ⅲ型）

Ⅲ型環(huán)流背景下，歐亞地區(qū)為“兩槽一脊”，貝加爾湖附近為一高壓脊，烏拉爾山及鄂霍次克海附近為一低槽，冷空氣從我國東北地區(qū)沿東路南下，影響池州地區(qū)。中緯度地區(qū)環(huán)流平直，青藏高原西部有南支槽東移，引導(dǎo)孟加拉灣的水汽向北輸送，為池州地區(qū)固態(tài)降水提供了水汽條件（圖2c）。

圖2 2003—2018年冬半年天氣模型

大氣環(huán)流客觀分型結(jié)果，能較好地詮釋傳統(tǒng)的冷空氣從中路（西北路）、東路和西路影響我國的環(huán)流特征，池州地區(qū)固態(tài)降水主要受中路冷空氣影響，與毗鄰的江西省固態(tài)降水一致[5]。

4 中低層系統(tǒng)

通過環(huán)流場分型可以發(fā)現(xiàn)，各類天氣模型均存在雨雪轉(zhuǎn)換、純雪和凍雨等不同固態(tài)降水類型，這與中低層系統(tǒng)及其氣象要素配置有關(guān)。為此，采用固態(tài)降水天氣過程中925、850和700 hPa風(fēng)、溫度小時平均場（圖3），討論其特征（因凍雨個例較少，不予討論）。

4.1 雨雪轉(zhuǎn)換過程

Ⅰ型環(huán)流背景下，925 hPa（圖3a）為一致的東北氣流。850 hPa（圖3d）溫度低值區(qū)位于正北方，冷空氣受偏北氣流引導(dǎo)從中路南下；池州西南側(cè)（江西的北部）有一閉合氣旋性環(huán)流中心，環(huán)流中心東側(cè)東南氣流把暖濕氣流向西北輸送，與北方南下的冷空氣正好交匯于池州地區(qū)。700 hPa（圖3g）池州位于西南急流（≥12.0 m/s）北部邊緣，較強(qiáng)的西南急流給池州地區(qū)輸送水汽，其風(fēng)速切變給暖濕氣流抬升提供了動力。在925～700 hPa上，池州地區(qū)溫度基本相同，均在-4.0～-5.0℃，冷空氣勢力較強(qiáng)。

Ⅱ型環(huán)流背景下，925 hPa（圖3b）在池州南部有明顯的鋒區(qū)。850 hPa（圖3e）北方溫度低值中心較Ⅰ型偏西，鋒區(qū)位于池州地區(qū)，較925 hPa偏北；在偏北氣流引導(dǎo)下，冷空氣從西路南下；同Ⅰ型一樣，也存在一個氣旋性環(huán)流，而池州地區(qū)位于環(huán)流中心，其南側(cè)西南氣流向池州地區(qū)輸送暖濕氣流。700 hPa（圖3h）西南急流較Ⅰ型更強(qiáng)盛，西南急流北抬到江淮之間，池州地區(qū)平均最大風(fēng)速達(dá)到20.0 m/s。旺盛的暖濕氣流導(dǎo)致Ⅱ型925～700 hPa溫度在-2.0～-3.0℃，較Ⅰ型偏高2.0℃左右。

Ⅲ型環(huán)流背景下，925 hPa（圖3c）同樣盛行東北風(fēng)。850 hPa（圖3f）氣旋性環(huán)流中心較Ⅰ型位置略偏東，溫度低值中心位于東北方向，在東北氣流引導(dǎo)下，冷空氣從偏東路徑南下影響池州地區(qū)，該層溫度與925 hPa差別不大，均在-4.0℃左右，較Ⅱ型低，但較Ⅰ型略高。700 hPa（圖3i）西南急流位置偏南，池州地區(qū)最大風(fēng)速10.0 m/s左右，在三型中最弱，無明顯的風(fēng)速輻合。

圖3 雨雪轉(zhuǎn)換風(fēng)場和溫度場

根據(jù)以上分析可知，Ⅰ型出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換概率是其他型的3倍以上，Ⅱ型最低，這與溫度條件關(guān)系密切。925 hPa盛行東北風(fēng)，該層與850 hPa溫度在-4.0～-5.0℃，700 hPa上有12.0 m/s左右急流，有利于雨雪轉(zhuǎn)換，急流偏強(qiáng)或偏弱則反之。

4.2 純雪過程

純雪天氣過程中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型冷空氣與雨雪轉(zhuǎn)換過程一樣，也是分別從中路、西路和東路南下；池州站上空925 hPa溫度分別為-6.5、-4.5和-5.5℃，均較850 hPa溫度偏高1.0℃左右，較雨雪轉(zhuǎn)換過程偏低；700 hPa溫度場分別為-5.5、-7.0和-4.8℃，除Ⅲ型外，也較雨雪轉(zhuǎn)換過程低。比較中低層溫度可知，純雪過程Ⅰ型和Ⅲ型在850～700 hPa均存在一定的逆溫，較雨雪轉(zhuǎn)換過程明顯。

風(fēng)場上，925 hPa盛行東北偏東風(fēng)；850 hPaⅠ、Ⅱ、Ⅲ型均存在氣旋性環(huán)流，位于池州地區(qū)西南方向（江西北部），氣旋東部偏西南氣流有利于水汽向北輸送，池州站基本受偏東風(fēng)影響。Ⅱ型700 hPa，安徽西北地區(qū)有氣旋性環(huán)流，其西側(cè)偏北氣流引導(dǎo)冷空氣從西路南下，對池州地區(qū)固態(tài)降水的影響弱于Ⅰ型。同時，池州站均位于700 hPa西南偏西急流（≥12.0m/s左右）軸線的北部邊緣，結(jié)合雨雪轉(zhuǎn)換天氣過程，可認(rèn)為，700 hPa 12.0 m/s左右急流有利于池州固態(tài)降水的產(chǎn)生。

5 物理量特征

站點出現(xiàn)固態(tài)降水與熱力、水汽及動力等物理量高低層配置關(guān)系密切。以池州站（117.5°E，30.65°N）為研究對象，探討高低層物理量之間的配置關(guān)系。

5.1 水汽條件

水汽輸送方面（圖4），固態(tài)降水的水汽一般自南向北由中高層（850～400 hPa）向北輸送，中心位于700 hPa附近，低層相對較弱。固態(tài)降水天氣過程中，Ⅱ型水汽輸送最強(qiáng)，最大水汽通量＞9.0 g/（cm·hPa·s），Ⅰ型次之，Ⅲ型最弱；池州站上空700 hPa附近水汽通量最大，達(dá)到6.0 g/（cm·hPa·s）左右。

從水汽輻合角度看（圖5），固態(tài)降水過程中，暖平流區(qū)水汽輻合強(qiáng)度明顯強(qiáng)于冷平流區(qū)，水汽輻合區(qū)主要位于850～700 hPa；其中，Ⅱ型水汽輻合最強(qiáng)，Ⅲ型最弱，與水汽通量特征類似。除Ⅲ型外，雨雪轉(zhuǎn)換過程中水汽輻合明顯強(qiáng)于純雪過程。池州位于較強(qiáng)水汽輻合區(qū)的北部邊緣，水汽通量散度基本在-1.0×10-5g/（cm-2·hPa·s）左右。

5.2 熱力條件

溫度是產(chǎn)生固態(tài)降水的關(guān)鍵性要素。池州站固態(tài)降水雨雪轉(zhuǎn)換天氣過程中，1 000 hPa溫度基本在0℃附近（圖4a～4c），而純雪天氣過程中，1 000 hPa溫度在0℃以下，Ⅰ型和Ⅲ型環(huán)流背景下，池州站溫度在-2.0℃左右，Ⅱ型在0～-2.0℃（圖4d～4f）。純雪較雨雪轉(zhuǎn)換天氣過程近地面溫度更低。

在固態(tài)降水過程中，池州站上空925～700 hPa，各環(huán)流類型基本均存在“等溫”或弱逆溫現(xiàn)象，1 000～925 hPa和700 hPa以上溫度均隨高度遞減（圖4）；其中，雨雪轉(zhuǎn)換天氣過程，Ⅱ型環(huán)流背景下溫度在0～-2.0℃，逆溫相對明顯；Ⅰ型和Ⅲ型溫度在-2.0～-4.0℃；純雪天氣過程，溫度基本在-4.0～-6.0℃，Ⅰ型和Ⅲ型逆溫較明顯。由圖5可知，池州固態(tài)降水過程受冷鋒影響，鋒前有暖平流，鋒后有明顯的冷平流，中高層冷暖平流一般較低層及近地面強(qiáng)。結(jié)合地形發(fā)現(xiàn)，皖南山區(qū)近地面為較強(qiáng)的冷平流，上空為暖平流，而其以北（即池州站以北）平坦地區(qū)近地面存在弱的暖平流，這可能與下墊面（如長江水體等）有一定的關(guān)系。從風(fēng)速輻合和溫度不連續(xù)角度看，700 hPa以下有相對明顯的鋒區(qū)，地面冷鋒前沿位于安徽皖南山區(qū)以南，池州站位于冷鋒后部，受冷平流影響。

圖4 沿117.5°E的水汽通量（陰影區(qū)，單位：g/（cm·s·hPa））、水汽輸送（箭頭）、溫度（紅色虛線，單位：℃）、假相當(dāng)位溫（黑實線，單位：K）剖面

圖5 沿117.5°E的水汽通量散度（陰影區(qū)，單位：10-5 g/（cm2·s·hPa））、溫度平流（紅色虛線，單位：10-5 K/s）剖面

5.3 動力條件

由圖4可知，池州站固態(tài)水天氣過程中，假相當(dāng)位溫隨高度增加而增大，大氣層結(jié)穩(wěn)定，水汽輻合和大氣抬升動力來自冷鋒鋒面抬升，切變線一般位于850～800 hPa，僅雨雪轉(zhuǎn)換Ⅲ型環(huán)流背景下，切變線位于700 hPa附近?？傮w而言，池州固態(tài)降水屬于大尺度降水天氣過程。

6 結(jié)論

對2003—2018年池州地區(qū)固態(tài)降水進(jìn)行統(tǒng)計，采用T-mode主成分客觀分析法（TPCA）等對冬半年高空環(huán)流進(jìn)行分型，建立池州固態(tài)降水天氣模型，討論其物理量高低層配置等，主要結(jié)論如下：

（1）2010年之前池州固態(tài)降水過程振蕩較明顯，2010年以后，除2012年，基本偏少或正常；池州固態(tài)降水存在明顯的月際變化，1月最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月占16.3%；11和3月最少。

（2）將池州冬半年天氣模型劃分為一槽一脊型（Ⅰ型）、緯向波動型（Ⅱ型）和兩槽一脊型（Ⅲ型）。其中，Ⅰ型占比最多，為45.2%；Ⅱ型次之，為28.8%；Ⅲ型占比為25.9%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型北方冷空氣分別從中路（西北路）、西路和東路南下，池州地區(qū)固態(tài)降水天氣過程主要受中路冷空氣影響。

（3）Ⅰ型氣溫最低，出現(xiàn)固態(tài)降水概率最高，是其他形勢的3倍以上；Ⅱ型氣溫最高，出現(xiàn)固態(tài)降水概率最低。除Ⅲ型外，純雪過程中低層溫度均較雨雪轉(zhuǎn)換過程低2.0℃左右，925 hPa溫度在雨雪轉(zhuǎn)換過程中與850 hPa相當(dāng)，一般在-4.0～-5.0℃，純雪過程則較850 hPa偏高1.0℃左右，為-4.5～-6.5℃；雨雪轉(zhuǎn)換天氣過程1 000 hPa溫度基本在0℃附近，而純雪過程則在0℃以下。一般情況下，925 hPa盛行東北風(fēng)，850 hPa有氣旋性環(huán)流，配合700 hPa上12.0 m/s左右急流更有利于池州固態(tài)降水的產(chǎn)生。

（4）池州固態(tài)降水過程水汽通量大值中心基本位于700 hPa附近；水汽輻合區(qū)主要位于850～700 hPa；Ⅱ型的水汽輻合最強(qiáng)，Ⅲ型最弱。雨雪轉(zhuǎn)換的水汽輻合強(qiáng)于純雪天氣過程，池州一般位于水汽輻合區(qū)的北部邊緣。

（5）池州固態(tài)降水一般屬于冷鋒大尺度降水，層結(jié)穩(wěn)定，鋒區(qū)位于700 hPa以下，低層有冷平流，切變線一般位于850～800 hPa。