2021年11月7日山東極端暴雪過程降水相態(tài)的多源觀測特征分析*

孫莎莎 孫 藝 徐婷婷 王 洪 楊成芳 何鵬程

1 山東省氣象局氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,濟南 250031 2 山東省氣象臺,濟南 250031 3 煙臺市人民政府人工影響天氣辦公室,山東煙臺 264003 4 國家海洋局東海預(yù)報中心,上海 200136 5 山東省人民政府人工影響天氣辦公室,濟南 250031 6 濟南市氣象臺,濟南 250102

提 要：利用自動氣象站、雙偏振雷達、毫米波云雷達、溫度廓線儀和ERA5逐小時再分析資料等,分析了2021年11月7日山東西部地區(qū)暴雪甚至特大暴雪過程中降水相態(tài)的多源觀測資料特征。研究表明:此次過程主要受西風(fēng)槽、低渦切變線和冷鋒共同影響,系統(tǒng)斜壓性強,有低空急流配合,降雪持續(xù)時間不長,但小時雪強大,山東的西部地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雪局地特大暴雪的極端降雪。多源觀測資料較好地捕捉到此次過程降水相態(tài)及變化信息。風(fēng)廓線雷達的風(fēng)和垂直速度,雙偏振雷達的相關(guān)系數(shù)和0℃層亮帶,毫米波云雷達的反射率、垂直液態(tài)水含量、速度和譜寬,溫度廓線儀的邊界層溫度及二維視頻雨滴譜儀的粒子二維圖像和信息都可以作為降水相態(tài)判斷的指標(biāo),為0～1 h短時臨近預(yù)報提供參考。此次過程地面降溫非常迅速,雨快速轉(zhuǎn)雪,雨雪混合持續(xù)時間短。地面降溫是強的負(fù)溫度平流、垂直運動和非絕熱作用共同導(dǎo)致,其中,負(fù)溫度平流作用最大,非絕熱次之,垂直運動作用最小。負(fù)溫度平流強,且負(fù)溫度平流強度隨高度降低而增強,導(dǎo)致地面呈現(xiàn)出快速降溫的特征。

引 言

11月對山東來說屬于秋冬過渡的季節(jié),氣溫多起伏,出現(xiàn)降水時很容易發(fā)生復(fù)雜的雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換。雨雪轉(zhuǎn)換最主要影響因素是低層及地面溫度。許多學(xué)者對降水相態(tài)進行過研究,有學(xué)者從氣候特征統(tǒng)計角度出發(fā),漆梁波和張瑛(2012)、楊成芳等(2013)基于統(tǒng)計分析得到冬季降水相態(tài)的綜合識別判據(jù);王一頡等(2019)對山西冬半年雨轉(zhuǎn)雪過程進行歸類與分析,探討地面氣溫在降水相態(tài)轉(zhuǎn)換中的作用,提取降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的前兆信息;陳雙等(2019)使用統(tǒng)計判別分析建立了基于云頂溫度、中層融化參數(shù)和低層濕球溫度構(gòu)建的決策樹判別模型,能較好地解決臨界氣溫下雨和雪的判別問題;荊浩等(2022)從預(yù)報角度著眼于成雪和融雪兩方面,把云頂溫度和0℃層高度作為相態(tài)判別的關(guān)鍵要素,為冬季降水相態(tài)的預(yù)報與訂正提供了新的參考。也有學(xué)者從個例分析角度出發(fā),廖曉農(nóng)等(2013)分析了北京2012年3月17日夜間降水過程中降雨、雨夾雪和降雪3個階段溫度的垂直分布和溫度差異的機制,發(fā)現(xiàn)冷空氣活動是造成3個降水相態(tài)溫度垂直分布不同的原因,但在不同階段影響的方式各異,導(dǎo)致降水相態(tài)轉(zhuǎn)變的機制是復(fù)雜多樣的。楊舒楠等(2017)對2012年11月3—4日華北地區(qū)雨雪天氣過程的降水相態(tài)特征進行分析,發(fā)現(xiàn)雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于整個對流層低層(950～850 hPa)的溫度平流狀況。胡寧等(2021)對 2020 年 2 月 13—14日北京地區(qū)一次極端雨雪過程進行分析,發(fā)現(xiàn)此次降水過程相態(tài)轉(zhuǎn)化主要取決于0℃層高度的變化。這些研究集中在氣候統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)判斷和降溫機理等方面。Stewart et al(2015)發(fā)現(xiàn)實際降水相態(tài)與復(fù)雜的云微物理過程有關(guān),大氣垂直結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別可以決定降水類型。近年來,隨著觀測技術(shù)的發(fā)展,監(jiān)測資料種類的不斷豐富,許多產(chǎn)品可以從時空上更精細(xì)地描述大氣垂直結(jié)構(gòu),用于降水相態(tài)的判斷分析的可行性明顯提高。楊祖祥等(2019)對2018年1月初安徽特大暴雪進行雙偏振雷達觀測分析。杜佳等(2019)利用雨滴譜儀、多普勒天氣雷達、微波輻射計、地面加密自動站、再分析資料及氣候整編資料等多源觀測資料,分析了2018年4月初北京地區(qū)罕見暴雪過程的極端性及形成機制。陶然亭(2020)利用二維視頻雨滴譜儀和雙偏振雷達對中國東部地區(qū)降雪微物理特征進行研究。劉梅等(2021)利用自動氣象站、雙偏振雷達、微波輻射計和再分析資料等對江蘇地區(qū)突發(fā)降雪進行特征和成因分析。多源資料在降雪分析中起到了重要作用。

2021年11月7日山東的西部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的暴雪、局地特大暴雪天氣,過程降雪量大,小時雪強大,極端性顯著。數(shù)值模式預(yù)報此次降水隨時效臨近不斷調(diào)整,與實況較為接近,預(yù)報出暴雪及以上量級降雪,體現(xiàn)出顯著極端性。但預(yù)報員主觀預(yù)報降雪量時,預(yù)報和實況相比明顯偏小,導(dǎo)致積雪深度預(yù)報也偏小。出現(xiàn)預(yù)報偏差的主要原因為參考模式預(yù)報雨雪轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)成純雪的時間較實況偏晚,同時考慮到季節(jié)特點,預(yù)報員認(rèn)為總降水量中的純雪達不到大暴雪或特大暴雪量級,因此只預(yù)報了暴雪,此次極端降雪過程預(yù)報難度非常大。近年來極端天氣事件頻發(fā)、廣發(fā),加強極端天氣的研究有重要的理論和現(xiàn)實意義。根據(jù)本次過程特點和業(yè)務(wù)需求,利用多源觀測資料具有高時空分辨率、時效性強、對降水相態(tài)影響因子的判斷有一定的提前量的特點,對此次極端天氣相態(tài)轉(zhuǎn)換進行特征分析,挖掘山東多源資料在雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換中的信息,并對本次降雪過程前期溫度快速下降導(dǎo)致雨轉(zhuǎn)雪進行成因分析,以提高預(yù)報員對該類天氣過程的認(rèn)識,為今后準(zhǔn)確預(yù)報這類事件提供科學(xué)支撐。

1 資料與方法

本文使用的實況資料有山東省自動氣象站降水、氣溫和積雪深度等,多源觀測資料有雙偏振SA雷達、風(fēng)廓線雷達、毫米波云雷達、溫度廓線儀及二維視頻雨滴譜儀等觀測數(shù)據(jù),過程診斷分析主要使用歐洲數(shù)值預(yù)報中心的ERA5逐小時再分析資料(空間分辨率:0.25°×0.25°)和地面觀測資料。

地面觀測資料(包括自動站降水和氣溫等)、雙偏振SA雷達及風(fēng)廓線雷達等資料屬于業(yè)務(wù)常規(guī)資料,按照中國氣象局統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行觀測。毫米波云雷達、溫度廓線儀和二維視頻雨滴譜儀等資料屬于非常規(guī)業(yè)務(wù)資料。其中:

濟南毫米波云雷達位于山東省氣象局院內(nèi),Ka波段,工作頻率為35 GHz,時間分辨率為5 s,空間分辨率為50 m,觀測最高高度超過10 000 m,通過發(fā)射和接收脈沖觀測回波強度、垂直速度、速度譜寬和垂直液態(tài)水含量等要素;

二維視頻雨滴譜儀也位于山東省氣象局院內(nèi),根據(jù)兩個攝像頭對高速運動物體進行線性掃描,記錄降水的詳細(xì)狀態(tài),獲得降水粒子大小、運動速度及形狀等;

溫度廓線儀數(shù)據(jù)來自濟南市環(huán)境監(jiān)測中心MTP5探測結(jié)果,工作頻率為56 GHz,時間分辨率為3 min,空間分辨率為50 m,觀測高度為0～1000 m。

2 雨雪實況

2021年11月7日,山東的中西部地區(qū)出現(xiàn)降雪天氣,雨雪轉(zhuǎn)換區(qū)域自西向東逐漸推進,7日02時雨轉(zhuǎn)雨夾雪最先出現(xiàn)在魯西北的德州部分地區(qū),03時雨夾雪范圍擴大至魯西北的西部地區(qū),同時德州局地出現(xiàn)純雪,隨著純雪范圍向東進一步擴大,23時,除山東半島外,大部分地區(qū)都出現(xiàn)純雪。從7日全省的國家監(jiān)測站降雪量分布可以看出(圖1a),魯西北和魯中地區(qū)降雪量在10 mm以上(達暴雪量級),局地超過30 mm(達特大暴雪量級),最大降雪量出現(xiàn)在德州的平原站(41.6 mm),濟南站降雪量為32.5 mm。由于降雪量大,魯西北和魯中地區(qū)出現(xiàn)5～20 cm積雪 (圖1b)。此次降雪全省有4個站的積雪深度達到或突破歷史極值。

圖1 2021年11月7日(a)00—23時山東省降雪量(陰影)、(b)積雪深度(填色),(c)00—14時平原和(d)03—16時濟南降水量、2 m氣溫和降水相態(tài)(填圖符號)逐時演變Fig.1 (a) The snowfall (shaded) and (b) snow depth (colored) in Shandong Province from 00:00 BT to 23:00 BT, and (c, d) the time evolution of precipitation, 2 m air temperature and precipitation phase (drawing symbol) in (c) Pingyuan from 00:00 BT to 14:00 BT and (d) Jinan from 03:00 BT to 16:00 BT 7 November 2021

從出現(xiàn)特大暴雪的平原和濟南其逐時降水量、2 m 氣溫和天氣現(xiàn)象隨時間變化分布發(fā)現(xiàn):平原(圖1c)7日00時開始降雨,03時轉(zhuǎn)雨夾雪,04時轉(zhuǎn)雪,14時再轉(zhuǎn)雨夾雪并降水結(jié)束;濟南(圖1d)降雨從7日03時開始,08時轉(zhuǎn)雨夾雪,09時轉(zhuǎn)雪,16時降雪結(jié)束;降雪期間,兩站的最大小時雪強分別為6.7 mm·h-1和7.4 mm·h-1,且4 mm·h-1以上的小時雪強維持了約5～6 h,小時雪強的強度和持續(xù)時間均體現(xiàn)了顯著的極端性。同時,對應(yīng)降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雨夾雪再轉(zhuǎn)雪,兩站的2 m氣溫呈現(xiàn)一直下降的特點,均從最高10℃以上大幅下降至0℃以下,約4 h完成10℃以上降溫。由于降溫迅速劇烈,持續(xù)幾小時的降雨后,雨夾雪相態(tài)僅維持1 h,之后迅速轉(zhuǎn)為雪并持續(xù)。

3 環(huán)流背景

500 hPa,11月6日夜間(圖2a)至7日白天(圖2b),山東的上游有西風(fēng)槽東移發(fā)展并加強為冷渦,該西風(fēng)槽經(jīng)向度大,山東處于槽前的西南氣流控制中。700 hPa,6日夜間(圖2a),切變線位于山西附近,山東受偏南風(fēng)控制,7日白天(圖2b),隨著切變線東移南壓至河北附近,切變線南側(cè)的偏南風(fēng)不斷發(fā)展加強,山東受偏南暖濕氣流控制。西南風(fēng)風(fēng)速在山東的中西部地區(qū)達到12 m·s-1以上,山東境內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)速20 m·s-1以上的低空急流核。850 hPa (圖略),6日夜間,該層切變線位于河北附近,山東的西部地區(qū)處于切變線南側(cè),7日白天,系統(tǒng)發(fā)展加強,山東的中西部地區(qū)有低渦生成,山東受低渦的暖式切變線和低空急流影響。地面上,6日20時(圖略),冷鋒位于河北境內(nèi)還未進入山東,7日08時(圖2c),冷鋒東移南下已進入山東的西部地區(qū),山東降水出現(xiàn)在冷鋒鋒后。從對流層中低層整體分布來看,此次過程系統(tǒng)呈后傾結(jié)構(gòu),鋒區(qū)顯著,700 hPa和850 hPa強盛偏南低空急流及地面冷鋒共同影響山東的西部地區(qū),從而形成強降雪。

圖2 2021年11月(a)6日20時和(b)7日08時500 hPa高度場(等值線,單位:gpm)、700 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽)和比濕(填色), (c)7日08時地面氣壓場(等值線,單位:hPa)、風(fēng)場(風(fēng)羽)和天氣現(xiàn)象(填圖符號)Fig.2 (a, b) The 500 hPa height (isoline, unit: gpm), 700 hPa wind (barb) and specific humidity (colored) at (a) 20:00 BT 6 and (b) 08:00 BT 7, (c) surface pressure (isobar, unit: hPa), wind (barb) and weather phenomenon (drawing symbol) at 08:00 BT 7 November 2021

4 降水相態(tài)轉(zhuǎn)變的多源觀測特征

對于此類過程的降水相態(tài)變化,濟南有多種觀測資料可以間接或直接顯示(孫莎莎等,2015;Wang et al,2021),此次由于濟南出現(xiàn)特大暴雪,觀測資料的特征可能更為顯著。因此,相比1 h分辨率的地面觀測天氣現(xiàn)象,本節(jié)對高時空分辨率多源資料的觀測特征進行分析,捕捉精細(xì)可預(yù)測的信號,為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換判斷和0～1 h短時臨近降水預(yù)報提供參考。

4.1 風(fēng)廓線雷達資料分析

降水相態(tài)變化主要由低層溫度決定,低層的冷暖空氣變化都會對溫度造成影響。風(fēng)廓線雷達觀測水平風(fēng)向風(fēng)速可以反映低層冷暖空氣活動,觀測的垂直速度可以反映降水粒子下落速度來分辨降水粒子類型(孔照林等,2016;申高航等,2021)。從濟南章丘風(fēng)廓線雷達風(fēng)羽圖(圖3a)可見,7日03—16時,降水期間,2 km以上一直受西南風(fēng)控制,西南風(fēng)先增大后減少,其中11時,西南風(fēng)伸展至8 km高度且出現(xiàn)明顯風(fēng)速脈動,風(fēng)速達20～32 m·s-1,對應(yīng)降雪最強時段;1 km以下風(fēng)向變化顯著,03時為東南風(fēng)或南風(fēng),05時冷空氣已控制近地層轉(zhuǎn)為北風(fēng),16時轉(zhuǎn)為西北風(fēng)控制,此時冷空氣達到最高高度(約2 km)。從垂直速度的分布(圖3b)看出,對流層低層2 km以下的垂直速度隨降水相態(tài)變化發(fā)生明顯變化,03—16時降水開始到結(jié)束,垂直速度基本為正值,其中04—07時垂直速度值最高達4～5 m·s-1,08時垂直速度明顯下降,09—16時垂直速度基本穩(wěn)定在1～2 m·s-1。雨轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)雪三個階段的對流層低層垂直速度呈由大到小的變化,高垂直速度梯度發(fā)生在雨夾雪階段。風(fēng)廓線雷達觀測的西南急流脈動預(yù)示強降水時段出現(xiàn),垂直速度由大變小提示降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪,為短時臨近降水預(yù)報提供參考。

圖3 2021年11月7日00時至8日00時章丘風(fēng)廓線雷達的(a)風(fēng)羽圖和(b)垂直速度Fig.3 (a) Wind plume and (b) vertical velocity from Zhangqiu Wind Profile Radar from 00:00 BT 7 to 00:00 BT 8 November 2021

4.2 雙偏振雷達資料分析

雙偏振雷達觀測范圍大、時空分辨率高、時效性強,可以應(yīng)用于雨雪相態(tài)的研究 (Giangrande et al,2016)。雙偏振產(chǎn)品中,相關(guān)系數(shù)反映粒子的均勻一致性,粒子一致性不同,水平偏振和垂直偏振的前后相鄰的回波都會產(chǎn)生變化;差分反射率反映粒子水平和垂直尺寸的不同,回波強度有差異。從7日濟南雷達0.5°仰角相關(guān)系數(shù)分布看出,02:07(圖4a),山東與河北交界上空相關(guān)系數(shù)有顯著差異,該差異由冷鋒鋒面造成,此時地面冷鋒剛進入山東的西北地區(qū),冷鋒后降雪區(qū)域的相關(guān)系數(shù)為0.98～1.01,雨夾雪區(qū)域的相關(guān)系數(shù)為0.8～0.95,降雨區(qū)域的相關(guān)系數(shù)為0.98～1.01,雨夾雪與雨和雪的相關(guān)系數(shù)有明顯差異。09:25(圖4b),冷鋒自西向東移動已經(jīng)過濟南,濟南處于地面冷鋒后轉(zhuǎn)為降雪,降雪或降雨區(qū)域的相關(guān)系數(shù)維持在0.98～1.01,雨夾雪區(qū)域的相關(guān)系數(shù)在0.8～0.95。對比兩個時次發(fā)現(xiàn),鋒面移動的過程中,不同降水相態(tài)落區(qū)隨其移動而演變。從02:07(圖4c)和09:25(圖4d)濟南雷達0.5°仰角差分反射率分布同樣可以看出鋒面自西向東移動的過程,但降水相態(tài)的特征并不清晰,難以區(qū)分雨夾雪和雨,需要配合反射率因子及相關(guān)系數(shù)等參數(shù)產(chǎn)品進行判斷。對于此次雨轉(zhuǎn)雪過程,雙偏振產(chǎn)品中的相關(guān)系數(shù)的指示意義要好于差分反射率。

注:藍色方框為濟南。

0℃層亮帶是指雪花或冰晶降落到0℃層附近,表面發(fā)生融化使雷達反射率突然增大的現(xiàn)象,0℃層亮帶經(jīng)常出現(xiàn)在雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中。雙偏振雷達產(chǎn)品中反射率因子和相關(guān)系數(shù)可以識別0℃層亮帶(楊祖祥等,2019;莊薇等,2013;魏瑋等,2019)。7日06:20,4.3°仰角基本反射率因子(圖5a)顯示,0℃層亮帶位于第二、三象限呈近半圓狀,反射率因子在30～50 dBz,第三象限0℃層亮帶高度約為2.7～2.8 km,第二象限0℃層亮帶高度約為2 km,低于第三象限;同仰角相關(guān)系數(shù)(圖5b)顯示有0℃層亮帶,但形狀和反射率因子識別的亮帶有區(qū)別,主要表現(xiàn)為非對稱的閉合環(huán)狀低值區(qū),數(shù)值在0.95以下,相比于其他象限,第二象限的帶狀低值區(qū)高度明顯偏低,約為2 km,其他象限高度約為2.7～2.8 km。反射率因子和相關(guān)系數(shù)識別的0℃層亮帶形狀差異一方面由冷鋒位置決定,另一方面由降水集中在地面冷鋒后,鋒前幾乎無降水的分布特點決定。08:16,4.3°仰角基本反射率因子(圖5c)上的0℃層亮帶位于第三、四象限,呈弧形,反射率因子依然在30～50 dBz;同仰角相關(guān)系數(shù)(圖5d)顯示的0℃層亮帶形狀與反射率因子上基本一致呈弧形,相關(guān)系數(shù)數(shù)值仍在0.95以下,位于第三、四象限。

注:白色方框為濟南,黑色方框為禹城。

對比降水相態(tài)和0℃層亮帶,06—08時,濟南上游禹城降水由雨轉(zhuǎn)雪,其上空的0℃層亮帶高度由2 km 下降至消失。由于0℃層亮帶的高度變化趨勢與地面溫度變化趨勢一致,地面冷鋒經(jīng)過的區(qū)域溫度明顯下降,對應(yīng)0℃層亮帶高度下降,預(yù)示降水相態(tài)由雨向雪轉(zhuǎn)變。不同降水相態(tài)對應(yīng)0℃層高度有一定變化,0℃層亮帶高度下降可以作為雨向雪轉(zhuǎn)變過程中較好的指示。

4.3 毫米波云雷達資料分析

毫米波云雷達具有比風(fēng)廓線雷達和多普勒雷達更高的時空分辨率,對于單點可以獲得觀測要素隨時間及高度的變化。從濟南毫米波云雷達觀測(圖6a～6d)發(fā)現(xiàn):7日03—07時降雨期間反射率值高度分布呈現(xiàn)上低下高的特征,低層反射率為-25～10 dBz,高層反射率為10～30 dBz。08時雨夾雪期間,反射率為-10～10 dBz。09—16時降雪期間,反射率值高度分布特征依然呈上低下高,但相比降雨,反射率值整體下降。對于垂直液態(tài)水含量,降雨期間垂直液態(tài)水含量值明顯高于雨夾雪或降雪時段,基本在0.5 g·m-3以上,降雪時段值基本在0.2 g·m-3附近。對于垂直速度,降雨期間垂直速度數(shù)值最大為4～10 m·s-1,雨夾雪次之,在2 m·s-1左右,降雪最小,約為0～2 m·s-1。對比毫米波云雷達和風(fēng)廓線雷達觀測,垂直速度結(jié)果基本一致,無論數(shù)值量級還是變化趨勢都很接近。對于譜寬,降雨期間譜寬最寬,約為2 m·s-1;雨夾雪次之,約為1～2 m·s-1;降雪最小,約為0～1 m·s-1。

圖6 2021年11月7日00—16時毫米波云雷達(a)反射率,(b)垂直液態(tài)水含量,(c)速度和(d)譜寬Fig.6 (a) Reflectivity, (b) vertical liquid water content, (c) velocity and (d) spectral width of Ka-band millimeter-wave radar from 00:00 BT to 16:00 BT 7 November 2021

總體來說,降雨具有高反射率、高垂直液態(tài)水含量、高的速度和大的譜寬,降雪具有低反射率、低垂直液態(tài)水含量、低的速度和小的譜寬,雨夾雪介于兩者之間。降水相態(tài)判斷中可以在參考風(fēng)廓線雷達和雙偏振雷達的基礎(chǔ)上,同時參考毫米波云雷達的反射率、垂直液態(tài)水含量、速度和譜寬,區(qū)分出不同相態(tài),從而在短時臨近預(yù)報中做出適當(dāng)調(diào)整。

4.4 溫度廓線儀及二維視頻雨滴譜資料分析

溫度廓線儀可以獲得多層溫度,較為精細(xì)地刻畫大氣邊界層溫度垂直結(jié)構(gòu)。7日濟南溫度廓線儀觀測(圖7)顯示,02:30邊界層整層溫度開始明顯下降,07:45降到0℃以下,降雨期間約5 h溫度下降幅度最大(為14℃),降溫速度為2.8℃·h-1。08時雨轉(zhuǎn)為雨夾雪期間,邊界層溫度在-1～0℃,09時轉(zhuǎn)雪至12時,邊界層溫度小幅下降約2℃,至16時降雪結(jié)束,邊界層溫度低于0℃。分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)邊界層整層溫度低于0℃時,降水相態(tài)以雨夾雪和雪為主,但難以區(qū)分雨夾雪與雪這兩種相態(tài)。短時臨近降水相態(tài)判斷時,可以使用溫度廓線儀邊界層整層溫度0℃以下作為指標(biāo)判斷區(qū)分雨與雨夾雪或雪,區(qū)分雨夾雪與雪則需要結(jié)合時間分辨率更高的毫米波云雷達和二維視頻雨滴譜儀等其他多源觀測資料進行判斷。

二維視頻雨滴譜儀用于取得清晰的粒子二維圖像,對降水相態(tài)分析有重要作用。從7日濟南二維視頻雨滴譜儀捕捉的此次過程降水粒子狀態(tài)的信息(表1)可知:06時降雨、08時雨夾雪和10時降雪三種不同降水相態(tài),粒子直徑、下落速度和扁平率都有顯著差異。粒子直徑降雪期間最大,約為2.22 mm,雨次之,雨夾雪最小;粒子垂直下落速度降雨期間最大,約為3.93 m·s-1,明顯高于雨夾雪和雪;粒子扁平率降雨期間最大,約為1.04,雨夾雪次之,雪最小,說明降雨粒子形狀近乎圓形,降雪粒子形狀扁平,雨夾雪介于兩者之間。從三個時次的粒子正面和側(cè)面照片發(fā)現(xiàn):不同降水相態(tài),粒子邊緣光滑程度有所不同,雨粒子(圖8a,8b)邊緣比較光滑,雨夾雪粒子(圖8c,8d)邊緣不那么光滑;雪粒子(圖8e,8f)邊緣有些粗糙。降水相態(tài)判斷可以根據(jù)粒子圖像信息區(qū)分雨、雨夾雪和雪,在短時臨近預(yù)報和訂正降水相態(tài)時提供有效參考。

表1 2021年11月7日06時雨、08時雨夾雪和10時雪三種不同降水相態(tài)的粒子狀態(tài)Table 1 The particle states of three different precipitation phases: rainfall at 06:00 BT, sleet at 08:00 BT and snowfall at 10:00 BT 7 November 2021

圖8 2021年11月7日(a,b)06時雨,(c,d)08時雨夾雪和(e,f)10時雪三種相態(tài)降水粒子的(a,c,e)正面(紅)和(b,d,f)側(cè)面(藍)照片F(xiàn)ig.8 (a, c, e) The front (red) and (b, d, f) side (blue) views of three phase precipitation particles of (a, b) rainfall at 06:00 BT, (c, d) sleet at 08:00 BT and (e, f) snowfall at 10:00 BT 7 November 2021

圖7 2021年11月7日00—23時濟南邊界層溫度垂直分布隨時間變化Fig.7 Variation of the vertical distribution of temperature in the boundary layer of Jinan with time from 00:00 BT to 23:00 BT 7 November 2021

5 快速降溫的原因分析

通過前面實況分析得知,降溫速度在降水相態(tài)變化方面有明顯的影響作用,快速降溫導(dǎo)致雨迅速轉(zhuǎn)雪,雨雪混合持續(xù)時間短,轉(zhuǎn)雪后小時雪強大,有利于大的降雪量發(fā)生。本節(jié)對此次過程快速降溫的原因進行分析,以對降溫迅速劇烈的雨雪過程降水相態(tài)預(yù)報提供參考。

由天氣學(xué)原理中溫度傾向方程(朱乾根等,2007)可知局地溫度變化由平流變化、垂直運動和非絕熱變化組成:

(1)

式中:-V·T表示溫度平流項,-w(γd-γ)表示垂直運動項,表示非絕熱變化項。廖曉農(nóng)等(2013)、彭霞云等(2020)、劉梅等(2021)對不同個例的分析發(fā)現(xiàn):不同天氣形勢下,各項影響因子對溫度變化起到的作用大小不同。此過程主要受天氣尺度系統(tǒng)影響,對于局地溫度變化,首先考慮溫度平流作用。對11月6—7日平原和濟南做溫度平流和風(fēng)場隨時間和高度變化的垂直剖面(圖9)發(fā)現(xiàn),6日23時至7日05時,925 hPa至地面,平原(圖9a)由之前的弱南風(fēng)轉(zhuǎn)為較強的偏北風(fēng),偏北風(fēng)風(fēng)速最大達10 m·s-1,負(fù)溫度平流也位于這個氣層中,負(fù)溫度平流強度隨高度降低而增強,地面負(fù)溫度平流最強中心強度約為-1.8×10-3℃·s-1。7日02—07時,925 hPa至地面,濟南(圖9b)的風(fēng)場也由弱南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),偏北風(fēng)風(fēng)速最大為8 m·s-1,負(fù)溫度平流也隨高度降低而增強,負(fù)溫度平流在地面最強中心強度約為-9×10-4℃·s-1。平原近地層偏北風(fēng)風(fēng)速和負(fù)溫度平流強度強于濟南,同時相比于一般降溫過程,兩站的偏北風(fēng)風(fēng)速和負(fù)溫度平流強度都偏強。此次過程平原和濟南的地面呈現(xiàn)出快速降溫的特征,除了與負(fù)溫度平流偏強有關(guān)以外,還與負(fù)溫度平流的垂直分布特征有關(guān),最強負(fù)溫度平流中心位于地面,導(dǎo)致地面溫度持續(xù)快速下降,其中,平原地面降溫速度快于濟南是由于其負(fù)溫度平流強于濟南。

圖9 2021年11月6日20時至7日20時(a)平原和(b)濟南溫度平流(填色:<0×10-4℃·s-1)和風(fēng)(風(fēng)羽)隨時間和高度變化Fig.9 Variation of temperature advection (colored for temperature advection <0×10-4℃·s-1) and wind (barb) in (a) Pingyuan and (b) Jinan with time and height from 20:00 BT 6 to 20:00 BT 7 November 2021

除溫度平流外,此次過程垂直運動和非絕熱作用也對局地溫度變化有一定影響。選取平原(圖10a)和濟南(圖10b)分別做逐小時垂直速度、相對濕度、溫度和風(fēng)的垂直剖面,可以看出:6日23時至7日00時的平原和7日02—03時的濟南925～700 hPa有強烈的上升運動,兩站的降水即將開始,氣塊初始從近地層被抬升時處于不飽和狀態(tài),抬升至對流層中層附近達到飽和狀態(tài),這期間上升運動對溫度局地變化起一定的降溫作用。7日00時平原和03時濟南降水開始后,高空中降水物降落到地面,地面觀測的降水相態(tài)為雨,說明高空降水物下降過程中發(fā)生融化,吸收環(huán)境熱量起到降溫作用,925 hPa至地面溫度梯度顯著和地面溫度快速下降,降水開始2～3 h 后0℃線高度明顯降低。計算此過程垂直運動的影響:平原和濟南p坐標(biāo)垂直運動中心強度為-3～4 Pa·s-1,換算為z坐標(biāo)垂直速度約為3×10-2～4×10-2m·s-1,γd為1×10-2℃·m-1,γ根據(jù)實況計算約為6×10-3℃·m-1,γd-γ約為4×10-3℃·m-1,因此垂直運動對溫度的影響為1.2×10-4～1.6×10-4℃·s-1,與溫度平流相比小一個量級。

圖10 2021年11月6日20時至7日20時(a)平原和(b)濟南垂直速度(填色)、相對濕度(黑色等值線,單位:%)、溫度(紅色等值線,單位:℃)和風(fēng)(風(fēng)羽)隨時間和高度變化Fig.10 Variation of vertical velocity (colored), relative humidity (black isoline, unit: %),temperature (red isoline, unit: ℃) and wind (barb) in (a) Pingyuan and (b) Jinan with height and time from 20:00 BT 6 to 20:00 BT 7 November 2021

對于非絕熱作用,由于降溫過程中,平原和濟南的對流層中低層相對濕度都在90%以上,沒有明顯干區(qū),因此在這忽略降水蒸發(fā)對溫度的影響,主要考慮高空降水物下降融化對溫度的影響。參考徐輝和宗志平(2014)、劉梅等(2021)估算固態(tài)降水融化導(dǎo)致低層溫度變化的方法:

(2)

式中:D是地面累計降水量(單位:cm),δp是融化潛熱影響的氣壓層厚度(單位:hPa),δT是引起的平均溫度變化(單位:℃)。平原6月23時至7日01時降水量為11.5 mm,融化層位于925～800 hPa,利用式(2)計算得到高空降水物融化作用將該層平均溫度下降1.8℃;而該時段地面2 m氣溫下降了7.9℃。濟南7日02—04時降水量為6.7 mm,融化層依然位于925～800 hPa,計算得到高空降水物融化作用將該層平均溫度下降1℃;而該時段地面2 m氣溫下降了8.6℃。可知,高空降水物融化的作用在地面氣溫降溫的貢獻率約為10%～20%。

上述分析表明,此次過程地面迅速降溫是強的負(fù)溫度平流、垂直運動和非絕熱作用共同導(dǎo)致,其中,負(fù)溫度平流作用最大,非絕熱次之,垂直運動作用最小。

此次快速降溫主要由近地面的強負(fù)溫度平流造成,溫度平流的強度由天氣系統(tǒng)配置決定,天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和強度差異都會產(chǎn)生不同強度的溫度平流。通過上文天氣背景分析得知,此次過程對流層高層為冷渦,低層有切變線,地面有冷鋒配合,系統(tǒng)垂直分布呈現(xiàn)后傾,鋒區(qū)強盛,該結(jié)構(gòu)促使冷空氣從近地面自西向東侵入山東。地面冷鋒南下之前,山東受地面倒槽控制,倒槽右側(cè)來自黃海的東南風(fēng)不斷地吹向山東的西部地區(qū)。對于山東的西部地區(qū),其西側(cè)為強的干冷的西北風(fēng),東側(cè)為暖濕的東南風(fēng),風(fēng)向與等溫線交角接近垂直,并且由于鋒區(qū)強盛造成近地面等溫線密集,因此形成了此次強的近地面負(fù)溫度平流。

6 結(jié)論與討論

本文利用自動氣象站、雙偏振雷達、毫米波云雷達、溫度廓線儀和ERA5逐小時再分析資料等對2021年11月7日山東的西部地區(qū)暴雪甚至特大暴雪過程降水相態(tài)進行多源觀測資料特征分析和溫度快速下降成因診斷,結(jié)論如下:

(1)此次過程主要影響系統(tǒng)為西風(fēng)槽、低渦切變線和冷鋒,系統(tǒng)斜壓性強,有低空急流配合,降雪持續(xù)時間不長,但小時雪強大,山東的西部地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雪局地特大暴雪的極端降雪。

(2)風(fēng)廓線雷達觀測的西南急流脈動與最強降雪時段一致,垂直速度由大到小預(yù)示雨轉(zhuǎn)雪的趨勢,垂直速度高梯度區(qū)代表雨夾雪的混合降水相態(tài)。雙偏振雷達的相關(guān)系數(shù)對降水相態(tài)的指示意義比差分反射率清晰,高的相關(guān)系數(shù)代表純雨或純雪,低的相關(guān)系數(shù)代表雨夾雪;雙偏振雷達識別0℃層亮帶高度下降指示雨向雪轉(zhuǎn)變。

(3)對于毫米波云雷達,降雨具有高反射率、高垂直液態(tài)水含量、高的速度和大的譜寬,降雪具有低反射率、低垂直液態(tài)水含量、低的速度和小的譜寬,雨夾雪介于兩者之間。在風(fēng)廓線雷達和雙偏振雷達使用基礎(chǔ)上,毫米波云雷達可以更精細(xì)地顯示降水相態(tài)。

(4)溫度廓線儀精細(xì)地顯示邊界層溫度迅速下降的過程,邊界層溫度在0℃以下的降水相態(tài)既有雨夾雪也有雪,區(qū)分雨夾雪與雪可以結(jié)合時間分辨率更高的毫米波云雷達和二維視頻雨滴譜儀等其他多源觀測資料進行判斷。二維視頻雨滴譜儀對于不同降水相態(tài)粒子有直觀的觀測效果。風(fēng)廓線雷達、雙偏振雷達、毫米波云雷達、溫度廓線儀和二維視頻雨滴譜儀可以為0～1 h的短時臨近預(yù)報提供可靠的參考依據(jù)。

(5)此次過程地面降溫是強的負(fù)溫度平流、垂直運動和非絕熱作用共同導(dǎo)致,其中,負(fù)溫度平流作用最大,非絕熱次之,垂直運動作用最小。負(fù)溫度平流強,且負(fù)溫度平流強度隨高度降低而增強,導(dǎo)致地面呈現(xiàn)出快速降溫的特征。

此次極端暴雪出現(xiàn)預(yù)報偏差主要體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)雪時間判斷偏晚和特大暴雪的漏報。有相態(tài)變化的降水,涉及復(fù)雜的云微物理過程,預(yù)報員很難預(yù)報出超過歷史紀(jì)錄的降雪強度。模式是預(yù)報過程參考的首要依據(jù),多源觀測資料是預(yù)報員訂正模式誤差的可能手段之一。本文對此次極端降雪個例中的降水相態(tài)多源資料特征進行分析,也對快速降溫成因進行了初步診斷分析,可以為類似強冷空氣的過程提供降溫和相態(tài)判斷思路,但在實際過程中降溫機制和相態(tài)變化非常復(fù)雜,本個例研究結(jié)論的普適性仍有待于更多的天氣個例分析來驗證,為預(yù)報提供思路。另外,本文利用多源觀測資料進行分析時從相態(tài)相關(guān)的物理量和相態(tài)直接觀測兩個角度出發(fā),受目前觀測條件所限,分鐘級的相態(tài)直接觀測產(chǎn)品難以廣泛業(yè)務(wù)化,業(yè)務(wù)人員可以獲得分鐘級業(yè)務(wù)化相態(tài)相關(guān)物理量觀測產(chǎn)品,綜合使用這些物理量產(chǎn)品也可以基本滿足短時臨近降水相態(tài)和雨雪預(yù)報訂正需求。