2022年湖北省兩次雨雪過程對(duì)比及預(yù)報(bào)偏差分析*

王珊珊 鐘 敏 陳 璇 柳 草 王艷杰 章翠紅 韓芳蓉

武漢中心氣象臺(tái),武漢 430074

提 要：利用高空、地面觀測(cè)資料和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)ERA5再分析資料,對(duì)2022年湖北省兩次雨雪過程的環(huán)流形勢(shì)和環(huán)境條件進(jìn)行了對(duì)比分析,并探討了兩次過程對(duì)降水相態(tài)、降雪量及積雪深度預(yù)報(bào)的偏差及原因。結(jié)果表明2022年1月27—29日過程低槽偏西,急流相對(duì)弱且維持時(shí)間短,中低層氣溫高且以暖平流為主,云中冰相粒子含量低,降水相態(tài)以雨為主,降雪量主要偏差是由于降水相態(tài)預(yù)報(bào)偏差和ECMWF模式對(duì)低空急流預(yù)報(bào)偏強(qiáng)導(dǎo)致降雪量預(yù)報(bào)偏大以及對(duì)積雪融化機(jī)制預(yù)報(bào)不足使得積雪深度預(yù)報(bào)偏大。2022年2月6—7日過程低槽偏東,急流相對(duì)強(qiáng)且維持時(shí)間長(zhǎng),中低層氣溫更低,云中冰相粒子含量高,低層相對(duì)濕度低,主要以降雪為主,ECMWF模式對(duì)該過程雨雪量和降水相態(tài)的預(yù)報(bào)均和實(shí)況接近,但邊界層氣溫預(yù)報(bào)偏高和積雪融化能力預(yù)報(bào)不足是造成積雪深度變化誤差的主要原因。對(duì)模式降雪量和積雪深度的訂正需關(guān)注云中冰相粒子的含量、近地層氣溫的訂正以及積雪融化能力的分析。

引 言

2022年1月底到2月初正值春運(yùn)高峰期,湖北省先后出現(xiàn)了兩次雨雪天氣,分別為1月27—29日(以下簡(jiǎn)稱“0127”過程)和2月6—7日(以下簡(jiǎn)稱“0206”過程)。兩次雨雪天氣地面均受弱冷空氣影響,但降雪量、積雪深度差別大,兩次降雪對(duì)春運(yùn)交通、城市運(yùn)行、農(nóng)業(yè)的影響是不同的。準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)可以為政府、部門和公眾采取不同的防御措施提供支撐。

雨雪轉(zhuǎn)換的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和雨雪分界線是這兩次過程降雪量和積雪深度預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。楊舒楠等(2017)分析了2012年11月3—4日華北雨雪天氣過程指出,雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于對(duì)流層低層水平溫度平流狀況。廖曉農(nóng)等(2013)分析了2012年3月17日北京一次雨雪過程,指出造成降水相態(tài)不同的關(guān)鍵在于云中的成雪機(jī)制以及雪花下落過程中發(fā)生的變化。有研究指出,地面氣溫對(duì)降水相態(tài)變化影響程度最大(董偉等,2019),當(dāng)?shù)孛鏆鉁匚挥?～2℃的臨界氣溫時(shí)降水相態(tài)的分析尤為復(fù)雜。陳雙等(2019)對(duì)2001—2013年臨界氣溫下的降雪時(shí)空分布與降雨的垂直熱力特征進(jìn)行了研究,指出臨界氣溫下,降水相態(tài)為雨或者雪對(duì)應(yīng)的平均氣溫廓線最大差異位于650 hPa附近,平均濕度廓線差異則主要位于低層。徐輝和宗志平(2014)指出降水相態(tài)嚴(yán)重依賴于氣溫的垂直結(jié)構(gòu),其細(xì)微的改變將決定最終到達(dá)地面的降水類型,同時(shí)雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的融化和蒸發(fā)等一系列的相變過程又導(dǎo)致環(huán)境氣溫的降低,二者是相互依賴,相互影響的。漆梁波和張瑛(2012)考慮溫度和厚度因子提出了中國(guó)東部降水相態(tài)的識(shí)別判據(jù)。積雪深度預(yù)報(bào)是另一難點(diǎn),有研究指出,雪水比是新增積雪深度預(yù)報(bào)的一個(gè)重要參數(shù),但我國(guó)降雪過程的雪水比具有明顯的區(qū)域和季節(jié)特征(符嬌蘭等,2022)。近年來,學(xué)者們對(duì)北方降雪過程的積雪深度和雪水比之間的關(guān)系開展了一些分析研究(崔錦等,2015;楊成芳和劉暢,2019;王一頡等,2019;楊成芳和朱曉清,2020;楊成芳和趙宇,2021)。陳雙和符嬌蘭(2021)分析了兩次降雪過程的雪密度差異化的天氣學(xué)原因,為積雪深度的預(yù)報(bào)提供了預(yù)報(bào)參考。但目前針對(duì)南方的相關(guān)分析還比較少。

目前模式的降水相態(tài)產(chǎn)品和積雪深度產(chǎn)品是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的主要參考,其中降水相態(tài)產(chǎn)品主要由預(yù)報(bào)的云內(nèi)水成物含量的垂直分布結(jié)合其預(yù)報(bào)的環(huán)境氣溫垂直廓線診斷得到(Hersbach et al,2018),然而實(shí)際的降水相態(tài)與高空云中的冰晶或雪花粒子的含量、形態(tài)以及冰晶的增長(zhǎng)等一系列復(fù)雜的物理過程有關(guān)。胡寧等(2021)對(duì)2020年華北一次極端降雪的誤差分析指出模式預(yù)報(bào)的地面氣溫較觀測(cè)低,從而過早預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)雪時(shí)間。張亞妮等(2022)通過對(duì)2020年2月14日華北降雪的雪水比分析,指出雪水比預(yù)報(bào)偏差是造成積雪深度出現(xiàn)偏差的一個(gè)主要原因。因此,不管是基于模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品還是基于特定層次的氣溫、厚度值的判斷,對(duì)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間預(yù)報(bào)依然是當(dāng)前的難點(diǎn)。

2022年初的這兩次雨雪過程在降雪量和積雪深度預(yù)報(bào)上都出現(xiàn)了一定的偏差。同樣在弱冷空氣影響下,“0127”過程模式預(yù)報(bào)的降雪量和積雪深度比實(shí)況明顯偏大,且實(shí)況出現(xiàn)雨、雪、雨夾雪頻繁轉(zhuǎn)換;而“0206”過程模式預(yù)報(bào)的降雪量和積雪深度與實(shí)況接近,以純雪為主。由于預(yù)報(bào)員對(duì)弱冷空氣影響下的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制理解不夠,受“0127”過程預(yù)報(bào)偏差的影響,對(duì)模式預(yù)報(bào)的降雪量和積雪深度向小調(diào)整,造成預(yù)報(bào)比實(shí)況明顯偏小。因此有必要對(duì)這兩次過程進(jìn)行對(duì)比分析,揭示兩次雨雪過程的差異,同時(shí)探討預(yù)報(bào)偏差原因以及訂正思路,為湖北省雨雪預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1 降雪天氣實(shí)況與預(yù)報(bào)偏差

1.1 資料數(shù)據(jù)

本文使用資料包括歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析資料(分辨率為 0.25°×0.25°),08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí),下同)的高空觀測(cè)數(shù)據(jù),逐小時(shí)的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)(國(guó)家級(jí)氣象站);CMA-GFS、ECMWF細(xì)網(wǎng)格、NCEP等數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1.2 天氣實(shí)況

第一次雨雪過程(“0127”過程)為2022年1月27日00時(shí)至29日20時(shí)。此次雨雪過程降水相態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜,雨、雨夾雪、雪交替出現(xiàn),主要的降雪時(shí)段為27日夜間至28日上午,湖北省自西向東逐漸轉(zhuǎn)雪,28日12—20時(shí)湖北省大部又先后轉(zhuǎn)為雨或雨夾雪,28日夜間至29日上午湖北省自南向北轉(zhuǎn)為純雪,29日中午以后湖北省大部再次轉(zhuǎn)為雨或雨夾雪。鄂東南雨雪總量為30～40 mm,其他地區(qū)為5～20 mm,其中鄂西北、江漢平原南部和鄂東南純雪量為5～12 mm。圖1給出了此次過程的雨雪總量(圖1a)和積雪深度(圖1b),過程最大積雪深度為10 cm(神農(nóng)架),鄂東北沒有積雪,其他大部地區(qū)積雪深度為1～6 cm。

圖1 2022年湖北(a,b)“0127”過程和(c,d)“0206”過程的(a,c)累計(jì)降水量(填色和等值線,單位:mm)和(b,d)最大積雪深度(單位:cm)Fig.1 Distribution of (a, c) accumulated precipitation (colored and contour, unit: mm) and (b, d) max snow depth (unit: cm) of (a, b) the 27-29 January event and (c, d) the 6-7 February event in 2022 in Hubei Province

第二次雨雪過程(“0206”過程)為2022年2月6日08時(shí)至7日14時(shí)。此次雨雪過程特點(diǎn)為降雨時(shí)間短,轉(zhuǎn)雪快,轉(zhuǎn)雪后為持續(xù)降雪。主要的降雪時(shí)段為6日17時(shí)至7日12時(shí),湖北省自西向東逐漸轉(zhuǎn)大到暴雪,鄂東南還出現(xiàn)大暴雪。湖北東部和南部雨雪總量為15～31 mm,其中純雪量為10～29 mm。鄂西北和江漢平原北部雨雪總量為5～15 mm,其中純雪量為5～10 mm。圖1給出了此次過程的雨雪總量(圖1c)和積雪深度(圖1d),湖北省大部地區(qū)積雪深度為5～15 cm,鄂東南和鄂西南局部達(dá)到15～19 cm。

1.3 預(yù)報(bào)偏差與難點(diǎn)

兩次雨雪過程都是處于春運(yùn)高峰期。針對(duì)“0127”過程,武漢中心氣象臺(tái)于1月24日發(fā)布預(yù)報(bào):“25—27日降雪區(qū)主要位于中西部,十堰、襄陽(yáng)、神農(nóng)架、宜昌、隨州、荊門等地有大到暴雪、局部大暴雪,東部以雨為主;28—29日,降雪區(qū)將東擴(kuò)并覆蓋全省,江漢平原東部、鄂東北、鄂東南有大到暴雪、局部大暴雪,其他地區(qū)中到大雪。全省大部地區(qū)積雪深度為5～15 cm,局部可達(dá)20 cm以上”。實(shí)況顯示,此次過程降雪量和積雪深度預(yù)報(bào)明顯偏大,特別是湖北省東部的積雪深度實(shí)況與預(yù)報(bào)相比出現(xiàn)較大的偏差。

針對(duì)“0206”過程,武漢中心氣象臺(tái)于2月5日發(fā)布預(yù)報(bào):“2月5日晚至7日白天,湖北省自西向東將有一次明顯雨雪天氣過程,湖北省西部有中到大雪,局部暴雪,積雪深度為3～8 cm,局部可達(dá)10 cm 以上,6日晚至7日白天湖北省中東部和南部地區(qū)將轉(zhuǎn)為中到大雪,局部暴雪,積雪深度可達(dá)2～5 cm”。實(shí)況顯示,此次過程降雪量預(yù)報(bào)比實(shí)況偏小1個(gè)量級(jí),東部積雪深度實(shí)況比預(yù)報(bào)明顯偏小。

造成這兩次過程預(yù)報(bào)偏差的主要原因是對(duì)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、降雪量和近地層氣溫的預(yù)報(bào)出現(xiàn)偏差,從而進(jìn)一步導(dǎo)致了積雪深度的預(yù)報(bào)偏差,下文主要從天氣形勢(shì)、熱力和水汽條件對(duì)兩次過程進(jìn)行對(duì)比,并分析其預(yù)報(bào)偏差。

2 兩次雨雪天氣成因?qū)Ρ确治?/h2>

2.1 環(huán)流形勢(shì)

“0127”過程。500 hPa南支槽加深,但主槽偏西,位于孟加拉灣東部,中緯度北支槽位于青藏高原東北部(圖2a),南北兩支槽均移速較慢,28日夜間至29日白天才快速東移影響湖北。27—28日白天中上層動(dòng)力抬升條件較差,垂直速度中心主要位于600～500 hPa,達(dá)到-1.1 Pa·s-1,而400 hPa以上垂直速度僅為-0.2 Pa·s-1,不利于水汽抬升到凍結(jié)高度,水汽的輻合主要在中低層(圖2c)。27日后半夜到28日白天,700 hPa 西南急流加強(qiáng)并影響湖北,急流軸風(fēng)速達(dá)22 m·s-1,27日后半夜轉(zhuǎn)雪后,武漢站西南風(fēng)風(fēng)速為8～16 m·s-1,并在持續(xù)7 h 后轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),其中12 m·s-1以上風(fēng)速維持5 h。850 hPa上湖南中部至江西北部有東西向切變線維持,湖北位于切變線北側(cè)偏東氣流中。

圖2 2022年(a)1月28日08時(shí),(b)2月6日20時(shí)500 hPa位勢(shì)高度(黑線,單位:dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽),(c)1月27日20時(shí)至28日20時(shí),(d)2月6日14時(shí)至7日14時(shí)武漢站的水汽通量散度(填色和黑線,單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)和垂直速度(紅線,單位:Pa·s-1)時(shí)間-高度剖面Fig.2 (a, b) Geopotential height (black line, unit: dagpm) and wind (barb) at 500 hPa at (a) 08:00 BT 28 January and (b) 20:00 BT 6 February 2022, (c, d) time-height profile of moisture flux divergence (colored and black line, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) and vertical velocity (red line, unit: Pa·s-1) at Wuhan Station (c) from 20:00 BT 27 to 20:00 BT 28 January, (d) from 14:00 BT 6 to 14:00 BT 7 February 2022

“0206”過程。500 hPa印緬附近南支槽較深,中緯度河套西部有北支槽,南北兩支槽移動(dòng)較快,6日夜間靠近湖北并同位相疊加(圖2b),為6—7日降雪提供了較好的動(dòng)力抬升條件,垂直速度中心達(dá)到-1.0 Pa·s-1,位于400～300 hPa,有利于水汽抬升到足夠高度形成冰晶(圖2d)。受南支槽東移影響,6日夜間700 hPa西南急流加強(qiáng),急流軸風(fēng)速達(dá)26 m·s-1,6日夜間轉(zhuǎn)雪后,武漢站西南風(fēng)風(fēng)速為16～20 m·s-1,持續(xù)8 h后轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。6日夜間850 hPa在湖北東部有低渦生成并加強(qiáng),使得整層的上升運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng)并形成渦旋云系。

2.2 水汽和熱力條件

Huffman and Norman(1988)研究表明,-10℃是區(qū)分云中是否有冰晶的關(guān)鍵閾值。以武漢站為例,對(duì)比兩次過程溫濕條件的差異,圖3a為武漢站1月27日08時(shí)至28日17時(shí)相對(duì)濕度和氣溫的垂直分布,可以看出相對(duì)濕度大于80%的層次主要在500 hPa以下,與實(shí)況探空(圖4c)一致,表明這次過程只有中低云,且氣溫大部分在-10℃以上,主要以液態(tài)水為主,云中只有少數(shù)時(shí)次有冰晶。從云中冰相粒子和液態(tài)水粒子含量隨時(shí)間的演變可以看出(圖3c),“0127”過程中,僅在28日05—11時(shí),云中冰相粒子含量略高,且位于500～400 hPa,厚度小,維持時(shí)間短,而700～600 hPa云中液態(tài)水粒子含量較高,因此武漢的降水相態(tài)在雨、雨夾雪和雪之間反復(fù)轉(zhuǎn)換,沒有出現(xiàn)連續(xù)性的降雪。

圖3 2022年武漢站(a)1月27日08時(shí)至28日17時(shí),(b)2月6日08時(shí)至7日14時(shí)氣溫(黑線,單位:℃)和相對(duì)濕度(填色)的時(shí)間-高度剖面,(c)1月27日14時(shí)至28日14時(shí),(d)2月6日20時(shí)至7日20時(shí)云中冰相粒子含量(黑線,單位:10-5 kg·kg-1)、云中液態(tài)水粒子含量(填色,單位:10-5 kg·kg-1)和溫度(紅線,單位:℃)的時(shí)間-高度剖面Fig.3 Time-height profiles of (a, b) temperature (black line, unit: ℃) and relative humidity (colored) (a) from 08:00 BT 27 to 17:00 BT 28 January and (b) from 08:00 BT 6 to 14:00 BT 7 February, and (c, d) specific cloud ice water content (black line, unit: 10-5 kg·kg-1), specific cloud liquid water content (colored, unit: 10-5 kg·kg-1) and temperature (red line, unit: ℃) (c) from 14:00 BT 27 to 14:00 BT 28 January, and (d) from 20:00 BT 6 to 20:00 BT 7 February 2022 at Wuhan Station

圖4 2022年武漢站(a)1月27日20時(shí)至28日20時(shí),(b)2月6日08時(shí)至7日20時(shí)的溫度平流(等值線,單位:10-5℃·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)時(shí)間-高度剖面,(c)1月28日08時(shí),(d)2月7日08時(shí)的T-lnp圖Fig.4 (a, b) Time-height profiles of temperature advection (contour, unit: 10-5℃·s-1) and wind (barb) (a) from 20:00 BT 27 to 20:00 BT 28 January and (b) from 08:00 BT 6 to 20:00 BT 7 February, (c, d) T-lnp diagrams at (c) 08:00 BT 28 January and (d) 08:00 BT 7 February 2022 at Wuhan Station

而從武漢站2月6日08時(shí)至7日14時(shí)相對(duì)濕度和氣溫的垂直分布來看(圖3b),整層濕度深厚,云頂高,高云(相對(duì)濕度>80%)伸展到250 hPa,實(shí)況探空也顯示(圖4d),濕層伸展到9 km,氣溫在-20℃以下。武漢6日22時(shí)轉(zhuǎn)雪,對(duì)應(yīng)的云中冰相粒子含量從6日20時(shí)以后開始升高(圖3d),至7日08時(shí)共維持了10 h以上,并且云中冰相粒子含量高的層次比“0127”過程厚,位于600～350 hPa。由于整層氣溫在0℃以下,冰晶在下落過程中基本不融化,因而在此期間出現(xiàn)連續(xù)性降雪,強(qiáng)降雪持續(xù)至7日08時(shí)后才減弱。

觀測(cè)和理論研究(楊軍等,2011;陳雙等,2019)均表明,冰晶的融化通常發(fā)生在0～5℃的氣溫范圍內(nèi),同時(shí)相對(duì)濕度越高越容易融化,如果環(huán)境的相對(duì)濕度由100%變?yōu)?0%,雪花下落融化的距離會(huì)增加100 m。因此當(dāng)近地層存在大于0℃的氣溫層,低層的相對(duì)濕度也影響冰晶下落時(shí)融化的程度,從而影響降水粒子落到地面時(shí)的相態(tài)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)這兩次過程低層濕度也存在明顯的差別。“0127”過程降雪前湖北省一直維持陰雨天氣,900 hPa相對(duì)濕度始終大于80%,且在近地層有大于0℃薄層存在,冰晶下落過程中易融化;“0206”過程降雪前期無(wú)降水,降雪開始前低層相對(duì)濕度<60%,雖然近地層也有大于0℃薄層存在,但由于降水粒子的蒸發(fā)吸熱作用會(huì)引起周圍環(huán)境氣溫的降低,所以需要更高的環(huán)境氣溫來完全融化固態(tài)降水粒子(Stewart,1992;Stewart et al,2015),冰晶完全融化的下落距離更長(zhǎng)。

從上述分析可知,環(huán)境的氣溫和濕度會(huì)影響降水相態(tài),反過來,水物質(zhì)相變也會(huì)導(dǎo)致低層環(huán)境的降溫(彭霞云等,2020)。以925 hPa為例,“0127”過程中28日04—06時(shí)武漢站925 hPa氣溫下降0.8℃;同樣,在“0206”過程中,6日17—20時(shí)武漢站925 hPa 氣溫下降1.1℃。地面氣溫下降更為明顯,1月28日04—06時(shí)地面氣溫下降1.7℃,2月6日19—20時(shí)下降2.7℃。此時(shí)武漢站925 hPa溫度平流為暖平流(圖4a,4b),且垂直運(yùn)動(dòng)為上升運(yùn)動(dòng)(圖2c,2d)。根據(jù)溫度傾向方程,溫度的局地變化由水平溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)引起的垂直方向熱量輸送和非絕熱加熱共同組成,由于溫度平流和垂直運(yùn)動(dòng)都無(wú)法解釋低層的降溫,主要的形成原因只能是非絕熱加熱作用。非絕熱加熱項(xiàng)包括太陽(yáng)短波輻射、地面長(zhǎng)波輻射、水汽相變潛熱、地面與大氣之間的熱量和水汽通量等。兩次過程在開始降雪時(shí)均有厚云層覆蓋,且在夜間,因此可忽略太陽(yáng)輻射的影響,主要考慮相變潛熱的影響。根據(jù)上文分析,“0206”過程925 hPa以上層次的氣溫比“0127”過程低,降雪開始前,1000 hPa和地面氣溫比“0127”過程高,但是冰晶含量多,且降雪時(shí)段是夜間,因此受相變降溫的影響,地面氣溫持續(xù)下降并維持在0℃附近,而“0127”過程,冰晶粒子少,且降雪時(shí)段為早晨到上午,地面氣溫還受到太陽(yáng)輻射的影響出現(xiàn)波動(dòng),降水相態(tài)在雪、雨夾雪和雨之間轉(zhuǎn)換。

綜上所述,兩次過程850 hPa切變輻合區(qū)南北相差200 km左右,“0206”過程高低空系統(tǒng)配置決定了整層的動(dòng)力抬升強(qiáng),更有利于水汽向高層伸展,高層冰晶含量高,而“0127”過程低層輻合較強(qiáng),但是高層動(dòng)力條件弱,因此水汽集中在500 hPa以下,云中以液態(tài)水為主。冰晶和氣溫的垂直分布是兩次過程降水相態(tài)差異的主要原因,低層濕度和相變降溫機(jī)制也會(huì)影響環(huán)境的溫度,進(jìn)而影響預(yù)報(bào)員對(duì)降水相態(tài)的判斷。

3 兩次雨雪預(yù)報(bào)偏差分析

本節(jié)重點(diǎn)圍繞三個(gè)方面的偏差進(jìn)行分析:(1)降雪量預(yù)報(bào)偏差:“0127”過程湖北省純雪量實(shí)況為中到大雪,較預(yù)報(bào)的大到暴雪、局部大暴雪明顯偏小;“0206”過程湖北省純雪量實(shí)況為大到暴雪、局部大暴雪,較預(yù)報(bào)的中到大雪明顯偏大。(2)降水相態(tài)預(yù)報(bào)偏差:“0127”過程降水相態(tài)比預(yù)報(bào)更復(fù)雜,在雨、雪、雨夾雪反復(fù)轉(zhuǎn)換;“0206”過程轉(zhuǎn)雪時(shí)間比預(yù)報(bào)偏早3 h左右。(3)積雪深度預(yù)報(bào)偏差:“0127”過程實(shí)況積雪深度為1～6 cm,與預(yù)報(bào)的5～15 cm相比明顯偏小;“0206”過程實(shí)況積雪深度為5～15 cm,其中鄂東為15～19 cm,與預(yù)報(bào)的2～5 cm相比明顯偏大。

在兩次過程中,ECMWF模式預(yù)報(bào)的各層溫度、降水相態(tài)和積雪深度與CMA-GFS、NCEP模式相比,均與實(shí)況最為接近,因此下文主要把ECMWF模式的預(yù)報(bào)和實(shí)況做對(duì)比分析(圖5,圖6)。

圖5 2022年武漢站(a,b)“0127”過程和(c,d)“0206”過程的(a,c)ERA5數(shù)據(jù)和(b,d)ECMWF預(yù)報(bào)的各層氣溫變化Fig.5 Change curves of temperature based on (a, c) ERA5 data and (b, d) ECMWF forecasts of (a, b) the 27-29 January event and (c, d) the 6-7 February event in 2022 at Wuhan Station

注:圖a,b中,綠色、粉色、灰色直方圖分別代表相態(tài)為雨、雨夾雪、純雪。圖6 2022年(a)武漢站1月27日20時(shí)至28日20時(shí),(b)云夢(mèng)站2月6日12時(shí)至7日12時(shí)的降水量(直方圖,單位:mm)、地面2 m氣溫(紅線)、海平面氣壓(藍(lán)線)觀測(cè)和ECMWF模式地面2 m氣溫預(yù)報(bào)(黑點(diǎn),單位:℃),(c,d)ECMWF模式預(yù)報(bào)的(c)武漢站1月25日20時(shí)至28日20時(shí),(d)云夢(mèng)站2月6日08時(shí)至8日08時(shí)總降水量(藍(lán)色)和降雪量(綠色)Fig.6 (a, b) Change curves of precipitation (column, unit: mm), 2 m temperature (red line), sea level pressure (blue line) of observation and 2 m temperature of ECMWF forecast (black dot, unit: ℃) (a) from 20:00 BT 27 to 20:00 BT 28 January at Wuhan Station, (b) from 12:00 BT 6 to 12:00 BT 7 February at Yunmeng Station, (c, d) total precipitation (blue) and snowfall (green) of ECMWF model forecasts (c) from 20:00 BT 25 to 20:00 BT 28 January at Wuhan Station, (d) from 08:00 BT 6 to 08:00 BT 8 February at Yunmeng Station in 2022

3.1 降雪量預(yù)報(bào)

“0127”過程,ECMWF模式預(yù)報(bào)的純雪量比實(shí)況偏大1倍左右,這主要由于對(duì)急流預(yù)報(bào)偏強(qiáng)造成的。武漢站28日07—11時(shí)是主要的純雪階段,此時(shí)700 hPa轉(zhuǎn)為西南風(fēng),風(fēng)速達(dá)12～14 m·s-1,這較模式預(yù)報(bào)的20 m·s-1明顯偏小。急流預(yù)報(bào)偏強(qiáng),從而導(dǎo)致降水量預(yù)報(bào)較實(shí)況偏大。由實(shí)況可知,武漢站僅出現(xiàn)7 mm的降雪,而模式預(yù)報(bào)的雪量達(dá)到14 mm,偏大約1倍,詳見第3.3節(jié)?！?206”過程,武漢站6日22時(shí)至7日11時(shí)是主要的純雪階段,其中6日21時(shí)700 hPa西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)20 m·s-1,ECMWF預(yù)報(bào)的風(fēng)速與實(shí)況一致,預(yù)報(bào)的降雪量為16 mm,接近實(shí)況的14 mm。

3.2 降水相態(tài)預(yù)報(bào)

雨轉(zhuǎn)雪的時(shí)間節(jié)點(diǎn)往往是降雪量和積雪深度預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn),特別是在臨界氣溫條件下(陳雙等,2019),雨、雪、雨夾雪都有可能出現(xiàn),給預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)雨雪相態(tài)帶來困難。降水相態(tài)的預(yù)報(bào)主要依賴于溫度的指標(biāo),本文利用ERA5的各層逐3 h氣溫來檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降恼`差,首先對(duì)比再分析的氣溫和實(shí)況探空氣溫的偏差,來說明再分析數(shù)據(jù)的可用性。

“0127”過程。武漢站1月28日08時(shí)實(shí)況探空得到的1000、925、850、700 hPa的氣溫分別為-0.4、-2.0、-3.5、-1.6℃,而再分析數(shù)據(jù)(圖5a)的上述相應(yīng)層次、相應(yīng)時(shí)刻的氣溫分別為-0.2、-1.6、-3.5、-1.5℃,即再分析數(shù)據(jù)比實(shí)況探空氣溫偏高0.0～0.4℃,可用其代替沒有探空數(shù)據(jù)時(shí)刻的模式偏差分析。由再分析數(shù)據(jù)的武漢站1000 hPa氣溫演變可以看出(圖5a),27日17時(shí)氣溫從1.8℃開始下降,到28日05時(shí)降至0℃,武漢開始轉(zhuǎn)雪,主要是以純雪為主,其中兩個(gè)時(shí)刻有雨夾雪,28日12時(shí)以后,隨著1000 hPa氣溫升到0℃以上,降水相態(tài)又由雪轉(zhuǎn)雨。ECMWF模式預(yù)報(bào)的1000～850 hPa氣溫(圖5b)偏高,最大偏高1.3℃,特別是1000 hPa氣溫直到28日11時(shí)才降到0℃以下,因此在28日05—11時(shí)純雪階段,ECMWF降水相態(tài)預(yù)報(bào)一直為雨夾雪或濕雪(圖6c)。

“0206”過程。武漢站2月6日20時(shí)實(shí)況探空得到的1000、925、850、700 hPa的氣溫分別為0.9、-2.8、-6.3、-2.8℃,而再分析數(shù)據(jù)(圖5c)的上述相應(yīng)層次、相應(yīng)時(shí)刻的氣溫則分別為0.9、-3.3、-4.6、-2.7℃。可見,再分析數(shù)據(jù)的1000～925 hPa氣溫與實(shí)況探空偏差在0.5℃以內(nèi),而模式預(yù)報(bào)(圖5d)的1000 hPa氣溫比實(shí)況高1.1℃。由再分析數(shù)據(jù)的武漢站1000 hPa氣溫演變可以看出(圖5c),6日14時(shí)氣溫從3.6℃開始下降,到20時(shí)降至0℃以下,武漢開始轉(zhuǎn)雪,降雪持續(xù)到7日12時(shí)以后停止,此時(shí)1000 hPa氣溫升至0℃以上,ECMWF模式預(yù)報(bào)的1000 hPa氣溫在6日23時(shí)以后降至0℃以下,因此降水相態(tài)也是從該時(shí)刻轉(zhuǎn)為純雪(圖6d),轉(zhuǎn)雪時(shí)間比實(shí)況晚了3 h。

綜上所述,兩次過程雖然再分析數(shù)據(jù)與實(shí)況探空相比有偏差,但1000 hPa氣溫與實(shí)況近乎一致,可以較好地描述轉(zhuǎn)雪的時(shí)間,而模式預(yù)報(bào)的1000～700 hPa氣溫基本都比實(shí)況高,特別是“0127”過程,1000 hPa實(shí)況氣溫在0℃以下,而預(yù)報(bào)在0℃以上,從而影響降水相態(tài)的預(yù)報(bào)。

由上分析可知,兩次過程ECMWF模式對(duì)近地層的氣溫預(yù)報(bào)都偏高,對(duì)降溫機(jī)制考慮不足(彭霞云等,2020)可能是兩次過程降水相態(tài)預(yù)報(bào)偏差的主要原因?！?127”過程,武漢站在28日05時(shí)轉(zhuǎn)雪,地面氣溫由2.2℃下降到0.8℃(圖6a),07時(shí)和08時(shí)轉(zhuǎn)為雨和雨夾雪,09—12時(shí)又轉(zhuǎn)為純雪,在這期間,地面的氣溫始終在1℃以下且呈波動(dòng)狀態(tài),而在28日05—11時(shí)這段降雪期間,ECMWF預(yù)報(bào)的地面2 m氣溫始終高于1℃。13時(shí)又轉(zhuǎn)為雨,隨后地面2 m氣溫上升至2.5℃。“0206”過程以云夢(mèng)站為例,6日20時(shí)轉(zhuǎn)雪,地面2 m氣溫由4.2℃下降到1.5℃,1 h降幅達(dá)2.7℃,7日01時(shí)降至0℃以下,直至7日08時(shí)以后,降雪減弱,地面氣溫才開始上升,至10時(shí)升至0℃以上。而在整個(gè)降雪時(shí)段ECMWF模式預(yù)報(bào)的地面2 m氣溫均不低于0℃。“0127”過程,武漢站雨轉(zhuǎn)雪時(shí),地面實(shí)況顯示1 h降幅達(dá)1.4℃,而ECMWF預(yù)報(bào)的地面氣溫是沒有下降的。“0206”過程,模式也未報(bào)出2.7℃的降幅。研究指出當(dāng)?shù)孛鏆鉁卮笥?℃,但空中降雪強(qiáng)度足夠大時(shí),可逐漸吸收大量融化潛熱,導(dǎo)致地面氣溫降至0℃(Lackmann et al,2002)。這兩次過程由雨轉(zhuǎn)雪時(shí),底層均為暖平流,海平面氣壓上升0.1～0.3 hPa,但地面氣溫下降1.4～2.7℃,說明這是由于固態(tài)降水融化導(dǎo)致的地面氣溫的變化。對(duì)比大氣中水凝物的實(shí)況和ECMWF模式預(yù)報(bào)(圖略),可發(fā)現(xiàn),模式預(yù)報(bào)與實(shí)況比較一致,因此在預(yù)報(bào)中需要充分考慮模式預(yù)報(bào)的云中冰相粒子的含量,從而對(duì)ECMWF模式的低層氣溫的預(yù)報(bào)做出訂正。

3.3 積雪深度預(yù)報(bào)

積雪深度的預(yù)報(bào)偏差主要是由于降雪量和降水相態(tài)的預(yù)報(bào)偏差造成的。ECMWF模式預(yù)報(bào)降雪量占總降水量的80%以上且地面氣溫大于0℃時(shí),模式相態(tài)預(yù)報(bào)為濕雪,20%～80%則為雨夾雪。從降水相態(tài)分析看,“0127”過程,模式預(yù)報(bào)的降雪量與總降水量占比在80%附近,預(yù)報(bào)的降雪量也轉(zhuǎn)化成了積雪,而實(shí)況是以雨夾雪為主,因此,此次過程除了降雪量偏大導(dǎo)致積雪預(yù)報(bào)偏大外,降水相態(tài)的預(yù)報(bào)偏差也是造成積雪深度偏大的一個(gè)原因。除了以上兩個(gè)原因,模式對(duì)積雪融化預(yù)報(bào)能力不足也是導(dǎo)致積雪預(yù)報(bào)出現(xiàn)較明顯偏差的一個(gè)原因。以武漢站為例,28日05—11時(shí)受降雪影響,地表氣溫在1℃以下, 12時(shí)很快升至1℃以上,ECMWF模式對(duì)地表氣溫的預(yù)報(bào)與實(shí)況接近,從積雪深度預(yù)報(bào)的變化(圖7a)可以看出,雖然地表溫度升至1℃以上,但是積雪深度并無(wú)變化?！?206”過程,ECMWF模式預(yù)報(bào)的降雪量和積雪深度與實(shí)況較為一致,但是,分析模式的地面氣溫預(yù)報(bào)與積雪深度的變化(圖7b)可以發(fā)現(xiàn),6日23時(shí)受降雪的影響,地表溫度由1.6℃下降至0.1℃,隨后一直穩(wěn)定維持在0.1～0.4℃,至8日14時(shí)升至1℃以上。ECMWF模式預(yù)報(bào)7日11時(shí)地表溫度就升至1℃以上,但積雪深度的減少并不明顯,也反映了模式對(duì)積雪融化的預(yù)報(bào)能力不足,當(dāng)降雪出現(xiàn)間歇時(shí)再次降雪,ECMWF模式的積雪深度容易預(yù)報(bào)偏大。因此,對(duì)模式積雪深度的預(yù)報(bào)訂正,需要結(jié)合地表氣溫的預(yù)報(bào)。

圖7 (a)“0127”過程,(b)“0206”過程ECMWF模式預(yù)報(bào)的武漢站積雪深度Fig.7 Predicted snow depth of Wuhan Station by ECMWF model for (a) the 27-29 January event and (b) the 6-7 February event in 2022

4 結(jié)論和討論

本文通過對(duì)2022年初湖北兩次雨雪過程的環(huán)流形勢(shì)、水汽和熱力對(duì)比,討論和分析了造成兩次過程降雪量、降水相態(tài)、積雪深度預(yù)報(bào)偏差的原因,結(jié)論如下。

(1)“0206”過程與“0127”過程相比,高低空天氣系統(tǒng)配置好,急流發(fā)展強(qiáng),垂直上升運(yùn)動(dòng)伸展高,動(dòng)力抬升條件好,為云的垂直發(fā)展高度提供了更有利的天氣背景。

(2)氣溫和云中冰相粒子的垂直分布是造成雨雪相態(tài)不同的主要原因之一。“0127”過程主要以中低云為主,導(dǎo)致云中以液態(tài)水為主,只有少數(shù)時(shí)次才有冰晶,所以降水相態(tài)主要以雨為主。“0206”過程降雪前900 hPa以下層次環(huán)境相對(duì)濕度小,降雪時(shí)云頂高,高云的氣溫低于-20℃,云中多為冰相粒子,大量冰晶在下落過程中基本不融化,因而以降雪為主。

(3)ECMWF模式預(yù)報(bào)的各層溫度、降水相態(tài)和積雪深度與CMA-GFS、NCEP模式相比,雖與實(shí)況最為接近,但也存在三個(gè)方面的偏差。一是模式對(duì)低空急流強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間的預(yù)報(bào)偏差,導(dǎo)致降雪量的預(yù)報(bào)偏差;二是模式邊界層降溫機(jī)制考慮不足造成的邊界層氣溫預(yù)報(bào)偏差,導(dǎo)致降水相態(tài)的預(yù)報(bào)偏差;三是降雪量、地表溫度和積雪融化預(yù)報(bào)能力不足,是積雪深度預(yù)報(bào)偏差的主要原因。

這兩次過程總體來看屬于弱冷空氣影響,特別是模式預(yù)報(bào)的地面氣溫均在0℃附近,“0127”過程預(yù)報(bào)偏差對(duì)“0206”過程預(yù)報(bào)服務(wù)也帶來了一定的影響。通過以上分析,在實(shí)際業(yè)務(wù)中,除了關(guān)注模式本身預(yù)報(bào)調(diào)整外,還需綜合考慮云物理?xiàng)l件、邊界層降溫機(jī)制、模式的預(yù)報(bào)能力等對(duì)預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正。