基于歷史過程分析的南通地區(qū)強降雪特征分析

陳 鐵 江 潔 吳嘉偉 張 琪

（南通市氣象局，江蘇南通 226018）

強降雪可能造成積雪結(jié)冰、設(shè)施損壞和樹木折斷等，嚴重影響農(nóng)林作物、農(nóng)業(yè)設(shè)施，危及家禽牲畜安全，對能源供應(yīng)、交通運輸以及生產(chǎn)生活也有較大影響。對臨近災(zāi)害天氣發(fā)生進行準確預(yù)報固然重要，提早發(fā)現(xiàn)強降雪過程，為應(yīng)對強降雪過程留出足夠準備時間則更加可貴。

研究表明，強降雪形成需要特定的天氣背景和物理條件[1-2]，從我國主要的降雪區(qū)來看，西北到華北一帶常見高空槽、切變線、低空急流[3-4]和近地面冷墊配置[5-6]；東北地區(qū)常見冷渦和冷中心、西風(fēng)槽或南支槽、地面倒槽或氣旋、切變線及低空急流[7-9]或高空急流[10-11]；長江中下游和江南常常是阻塞系統(tǒng)、西風(fēng)槽與南支槽、西南急流[12-14]或高空急流以及低層冷墊[15-17]。一般來說，鋒生、高低空急流耦合可以促使?jié)撛诓环€(wěn)定能量釋放，增大降水總量，進而增加積雪深度[18]。另外，強降雪預(yù)報離不開降雪量與積雪深度的換算，楊琨和薛建軍[19]得出我國積雪深度變化值和相應(yīng)降雪量的關(guān)系大體為0.75 cm/mm；楊成芳等[20-21]認為積雪深度與多種氣象要素有關(guān)；崔錦等[22-23]認為氣溫和相對濕度影響最大，并計算了沈陽的降雪含水比值（SLR）；陳鐵等[24]對南通地區(qū)SLR 進行了計算。

然而，上述強降雪過程分析多屬于分散事件研究，相關(guān)結(jié)論雖然可在本地預(yù)報時參考，但不能照搬。因此，系統(tǒng)挖掘本地強降雪天氣和氣候特征，不僅可以給預(yù)報預(yù)警提供更多支撐，而且對更早發(fā)現(xiàn)強降雪過程也十分有利。周子強等[25]得出4 種環(huán)流能夠在黑龍江省24 h 產(chǎn)生降水（中雨夾雪、暴雪）量≥10 mm；晁紅艷等[26]對高寒牧區(qū)氣候變化包括冬半年極端降水事件變化特征進行了分析；王波等[27]分析了黑龍江省降雪特征及氣候趨勢；項瑛等[28]分析了江蘇省主要氣象災(zāi)損事件（含雪災(zāi)）的時空變化特征；李瑞萍等[29]對太原市設(shè)施農(nóng)業(yè)雪災(zāi)指標進行了設(shè)計；姜有山等[30]選擇濕位渦斜壓項、地面氣溫、氣溫和降雪量等要素作南京降雪區(qū)與積雪深度預(yù)報；王憲彬等[31]建立了阜新地區(qū)暴雪預(yù)報方程；徐雙柱等[32]建立了湖北大雪預(yù)報方法。

當前的數(shù)值模式和集合模式預(yù)報強降雪還存在一定的偏差，但一般500 hPa 天氣系統(tǒng)的可用預(yù)報時效明顯比中下層天氣系統(tǒng)及溫、壓、濕、風(fēng)等要素的可用預(yù)報時效長[33-36]，因此加強500 hPa 天氣系統(tǒng)的分析總結(jié)可以更早地發(fā)現(xiàn)強降雪過程。陳鐵等[24]研究表明，通過相似過程可以輔助預(yù)報。本文重點分析了500 hPa 天氣系統(tǒng)分布情況，將“配料法”[37-38]思想運用其中，同時統(tǒng)計了江蘇南通地區(qū)強降雪的積雪深度及空間分布特征，并在大氣層結(jié)、動力和水汽條件等方面進行了系統(tǒng)歸納，以便在更早發(fā)現(xiàn)強降雪過程后，能對產(chǎn)生的積雪進行合理的估計。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

選取南通市本級、2區(qū)和4縣（市）共7個國家觀測站的地面氣象觀測資料，地面和高空天氣圖包含的常規(guī)資料以及時間間隔為6 h、空間分辨率為1 °×1 °(或0.75 °×0.75 °），垂直方向上數(shù)十層的ECWMF 和NCEP 全球再分析資料，資料年限為1960—2022年，共63年。

1.2 研究方法

根據(jù)往年南通地區(qū)強降雪災(zāi)情，綜合考慮我國城市雪災(zāi)氣象等級劃分[39]、江蘇省暴雪標準，即24 h降雪量≥10.0 mm，且積雪深度≥5.0 cm[40]和南通市低溫雨雪冰凍災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案啟動最低級別應(yīng)急響應(yīng)要求中的一種，即24 h內(nèi)降雪量≥7.5 mm，且預(yù)報雨雪天氣持續(xù)，結(jié)合本地平均SLR，將中心深度≥4.0 cm的過程定義為本地區(qū)的強降雪過程。由此統(tǒng)計本地區(qū)在1960—2022 年間共出現(xiàn)強降雪過程37 次。將“配料法”[37-38]思想運用到強降雪過程分析中，分析歸納強降雪天氣氣候特征，利用再分析資料進行物理量計算和分析，結(jié)合地面和高空資料從影響系統(tǒng)、大氣層結(jié)、動力和水汽條件等方面探索強降雪和積雪深度的預(yù)報指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 南通強降雪過程的氣候特征

12月至次年3月均可出現(xiàn)強降雪，絕大多數(shù)出現(xiàn)在1、2月份，合計占31/37；3月占4/37；12月占2/37，最少。強降雪初日為12 月25 日，日積雪深度5.0 cm，1966 年出現(xiàn)南通本站；強降雪終日在3 月21 日，日積雪深度18.0 cm，1998年出現(xiàn)在如皋。全市最大積雪深度28.0 cm，2008 年1 月28 日出現(xiàn)在如皋。積雪深度在10.0 cm 以下占22/37，10.0～20.0 cm 的占12/37，20.0 cm 及以上的只出現(xiàn)過3 次（詳見表1）。南通本站和如皋站最容易成為積雪中心（一個過程可以不止一個降雪中心），分別有15次和12次，其他站成為積雪中心的次數(shù)均在5 次以下，最少為啟東僅出現(xiàn)2 次。北三站（海安、如皋和如東）共出現(xiàn)22次，中南三站（南通、通州和海門）共出現(xiàn)22次，與北三站持平。東部三站（如東、通州和啟東）共出現(xiàn)11 次積雪中心，明顯小于西部的35 次（詳見表2）?？梢?，南通地區(qū)積雪深度主要體現(xiàn)為東西方向上的差別。

表1 1960—2021年南通市37次強降雪過程積雪深度分布

表2 1960—2021年南通市7個國家觀測站強降雪過程積雪中心分布

2.2 歐洲中心細網(wǎng)格數(shù)值模式預(yù)報能力檢驗

強降雪過程的預(yù)報離不開參考多家數(shù)值天氣預(yù)報模式的結(jié)果，各家的結(jié)論可能存在較大的差別，以目前公認的歐洲中心網(wǎng)格數(shù)值模式為例，采用2020年底至2021年初2次全國性寒潮過程，南通市這2 次天氣過程48 h 降溫達到區(qū)域性強寒潮標準，過程最低氣溫均出現(xiàn)在第3 日早晨，為減少晴空輻射降溫對模式結(jié)果的干擾，分別檢驗歐洲中心細網(wǎng)格數(shù)值模式對過程最低氣溫前一天08時，即2020年12月30日08時和2021年1月7月8日08時，離南通國家觀測站最接近格點上空2 m、925、850、700 和500 hPa模式氣溫，從240 h至12 h間隔12 h的預(yù)報偏差（詳見圖1）。

圖1 Ec細網(wǎng)格240 h內(nèi)間隔12 h預(yù)報常用層和2 m氣溫偏差

圖2 南通地區(qū)強降雪過程的500 hPa天氣系統(tǒng)配料

由圖1 可知，500 hPa 氣溫偏差最為平穩(wěn)，絕大多數(shù)時間均在2 ℃范圍內(nèi)，只有極少數(shù)時次超出2 ℃，偏差也在2～4 ℃，而且絕大多數(shù)時次為負偏差，也就是對高空的渦預(yù)報比實際略強，對高空脊預(yù)報比實際略弱。其他各層的氣溫偏差，尤其是850 hPa 和925 hPa 均為正偏差，可能在48 h后偏差明顯大于2 ℃、在72 h后偏差達到4 ℃以上，并可能在120 h 及之后偏差急劇上升。通過以上偏差比較可知，為了更早預(yù)報強降雪過程，需要著重分析500 hPa 天氣系統(tǒng)的分布情況，同時盡量統(tǒng)計過程前后各層氣溫、垂直速度、一定范圍水汽等物理量的極值，來在模式預(yù)報中進行辨別，少用某一時刻的各層氣溫及其他物理量分布來判識，因為在具體預(yù)報時無法準確得知該過程各層氣溫及其他物理量誤差的具體數(shù)值，準確預(yù)報的時效可能不超過48 h。

2.3 500 hPa天氣系統(tǒng)配料

強降雪過程主要發(fā)生的冬、春季節(jié)，天氣尺度及大尺度天氣系統(tǒng)起到主要作用，中低空特征顯著的中小尺度系統(tǒng)在系統(tǒng)演變劇烈階段才出現(xiàn)。參考《江蘇省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》，南通強降雪過程影響天氣系統(tǒng)可歸納為阻塞系統(tǒng)、高壓脊、冷渦、南北西風(fēng)槽、中低空切變、西南急流、高空急流和低空冷墊等等。一般中低空系統(tǒng)是500 hPa 系統(tǒng)的變形場，可以通過500 hPa 系統(tǒng)推測中低空系統(tǒng)演變，另外高空急流一般對應(yīng)中低空強鋒區(qū)，也能通過500 hPa 系統(tǒng)間接推測高空急流演變情況。

鑒于500 hPa天氣系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報偏差明顯較中低層小，為了更早發(fā)現(xiàn)強降雪過程，本文通過500 hPa等壓面上的阻塞系統(tǒng)、高壓脊、冷渦、南北西風(fēng)槽和冷中心的分布進行歷史過程500 hPa 天氣系統(tǒng)的配料歸類，方便對源源不斷的冷空氣和充足的暖濕氣流擴散到長江下游地區(qū)進行診斷。本文在（50°～150 °E、5°～70 °N）的范圍上重點關(guān)注4 個區(qū)域，即（100°～150 °E、35～60 °N）的中高緯東部區(qū)域、（50°～100 °E、35°～70 °N）的中高緯西部區(qū)域、（70°～110 °E、15°～35 °N）的中低緯上游區(qū)域和（90°～120 °E、25°～45 °N）的中緯上游區(qū)域。

條件A 為在中高緯東部區(qū)域內(nèi)有≤-36 ℃冷中心，所有歷史強降雪過程均符合此條件。條件B 細分為3 條，在中高緯西部區(qū)域內(nèi)，有阻塞系統(tǒng)為B1，有冷渦并伴有≤-32 ℃冷中心為B2，有北伸到60 N以北的高壓脊為B3。中高緯地區(qū)東部區(qū)域和西部區(qū)域的條件A和B組合顯示有源源不斷的冷空氣擴散到長江下游。條件C 細分為2 條，在中緯上游區(qū)域有西風(fēng)槽為C1，在中低緯上游區(qū)域內(nèi)有寬廣南支槽為C2，條件C 顯示有充足的（暖）濕空氣到達長江下游，詳見圖1（a）。另外，圖1 中的虛線長方形區(qū)域代表預(yù)報時重點關(guān)注水汽輸送區(qū)，實心球代表南通地區(qū)，為下文水汽診斷時涉及。南通地區(qū)歷史強降雪過程都可以歸為其中的一種配置（詳見表3），配料型①～⑤的典型天氣形勢與圖1 中的（b）～（f）一一對應(yīng)（詳見圖1）。

表3 1960—2021年強降雪過程500 hPa系統(tǒng)配料

在中高維西部區(qū)域，條件B2（有冷渦并伴有≤-32 ℃冷中心）出現(xiàn)次數(shù)較少，占4/37，條件B1（阻塞系統(tǒng)，占21/37）和條件B3（高壓脊，占12/37）為絕大多數(shù)。在中緯上游區(qū)域條件C1（西風(fēng)槽）出現(xiàn)14次，略超過1/3，而在中低緯上游區(qū)域條件C2（南支槽）接近2/3，為大多數(shù)。

2.4 動力、溫度層結(jié)和水汽條件分析

2.4.1動力條件分析選取各強降雪過程中積雪中心上空1 000 hPa至100 hPa的最大上升速度進行比較（詳見圖3）。可見最大上升速度集中在-0.5～-0.2 Pa/s，占32 /37；-0.35 Pa/s 出現(xiàn)頻次最多，對應(yīng)積雪深度的跨度也最大；-0.25 Pa/s出現(xiàn)頻次和對應(yīng)積雪深度的跨度僅次于前者。垂直上升速度絕對值大于0.5 Pa/s 的只有2 個，雖然上升速度排名靠前，但對應(yīng)積雪深度的排名在前5 名以外，可見劇烈的上升運動，對應(yīng)著高低空急流的耦合、強烈的鋒生及不穩(wěn)定能量的釋放，強暖平流及大量潛熱釋放，導(dǎo)致雨夾雪占比高，積雪深度反而不是最高。

圖3 南通地區(qū)最大積雪深度與上空垂直速度

2.4.2氣溫垂直分布選取各強降雪過程從開始到結(jié)束，積雪中心上空925 和850 hPa 上的最低氣溫進行比較（詳見圖4）。850 hPa 最低氣溫絕大多數(shù)≤-6 ℃，占35 /37，大部分介于-17～-6 ℃；925 hPa最低氣溫絕大多數(shù)≤-4 ℃，占36 /37，大部分介于-15～-4 ℃。最大積雪深度超過20 cm的3個過程，850 hPa 最低氣溫介于-12～-8 ℃，925 hPa 最低氣溫介于-11～-7 ℃，可見并不是氣溫越低積雪深度就越厚，而呈現(xiàn)出中間厚、兩側(cè)低的分布。

圖4 南通地區(qū)最大積雪深度與850 hPa（a）和925 hPa（b）過程最低氣溫

絕大多數(shù)強降雪過程925～700 hPa 存在逆溫層，700 hPa為暖蓋，也有少部分過程不存在700 hPa對850 hPa及925 hPa逆溫的情況。選取各強降雪過程從開始到結(jié)束，積雪中心上空700 hPa 與850 hPa最大氣溫差、700 hPa 與925 hPa 最大氣溫差進行比較（詳見圖5）。一般700 hPa 對850 hPa 溫差≥0 ℃，占32/37；一般700 hPa 對925 hPa 溫差≥0 ℃，占30/37。700 hPa 與850 hPa 及925 hPa 溫差最大都在7 ℃左右（詳見圖5）。

圖5 南通地區(qū)最大積雪深度與700 hPa和850 hPa（a）、700 hPa和925 hPa（b）溫差

2.4.3水汽條件分析南通地區(qū)（圖2a中的綠色實心范圍）處于陸海交界區(qū)域，且緯度偏南，強降雪過程相態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜，過程降水量、本地區(qū)及周邊水汽通量散度中心值與最大積雪深度間的統(tǒng)計關(guān)系并不理想。南通強降雪的水汽源地主要是孟加拉灣或南海，低空至500 hPa存在較深厚的水汽輸送區(qū)和水汽飽和區(qū)，上游或附近（100 °～125 °E、20 °～35 °N，圖2a中的方框范圍）強降雪過程中水汽通量輸送最大數(shù)值與強降雪過程地面最大積雪深度存在良好線性關(guān)系，700 hPa 水汽通量絕大多數(shù)大于10 g/(cm·hPa·s)，500 hPa均大于5 g/(cm·hPa·s)，過程最大積雪深度與500 hPa 水汽通量輸送中心數(shù)值近乎相同（詳見圖6），可以用來估計積雪中心深度。

圖6 南通地區(qū)最大積雪深度與500 hPa(a)和700 hPa(b)水汽通量

3 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測資料和再分析資料，分析南通地區(qū)1960—2022年共37次強降雪過程，為更早發(fā)現(xiàn)強降雪過程，加強對500 hPa 天氣系統(tǒng)的分析總結(jié)，將“配料法”思想運用其中，同時統(tǒng)計了南通地區(qū)強降雪的積雪深度及空間分布特征，并在大氣層結(jié)、動力和水汽條件等方面進行了系統(tǒng)歸納，以便在更早發(fā)現(xiàn)強降雪過程后，能對產(chǎn)生的積雪進行合理的估計。主要結(jié)論如下。

（1）南通地區(qū)強降雪過程大多數(shù)積雪深度小于10 cm，10 cm 以上的占15/37；南通本站和如皋站最容易成為積雪中心，分別有15 次和12 次，其余站成為積雪中心的次數(shù)均在5 次以下，最少為啟東僅出現(xiàn)2 次。積雪中心出現(xiàn)次數(shù)南北差異不大，差別主要體現(xiàn)在東西方向上。

（2）通過恰當?shù)?00 hPa 天氣系統(tǒng)配料，南通地區(qū)出現(xiàn)強降雪過程必要的500 hPa 天氣系統(tǒng)配料條件為引導(dǎo)冷空氣南下的中高緯度槽脊及冷中心、引導(dǎo)暖濕氣流北上西風(fēng)槽與南支槽的5 種組合，通過具體組合可以分辨冷、暖空氣的來源以及屬于歷史常見還是少見組合。

（3）絕大多數(shù)中心垂直上升速度在-0.5～-0.2 Pa/s，占32/37；絕對值大于0.5 Pa/s的只有2個。

（4）37 次過程中850 hPa 最低氣溫≤-6 ℃的有35 個，925 hPa 最低氣溫≤-4 ℃的有36 個；700 與850 hPa 溫差≥0 ℃的有32 個，700 與925 hPa 溫差≥0 ℃的有30 個；通過對照可以把握層結(jié)條件和逆溫強度。

（5）上游或附近（100°～125°E、20°～35°N）存在水汽輸送大值中心，700 hPa水汽通量≥10 g/(cm·hPa·s)的36 個，500 hPa 水汽通量≥5 g/(cm·hPa·s)的37 個，其中500 hPa 水汽通量中心數(shù)值可以近似為過程最大積雪深度。

結(jié)果適合業(yè)務(wù)預(yù)報使用，能及早發(fā)現(xiàn)并持續(xù)關(guān)注天氣系統(tǒng)的調(diào)整，可以做出更富遠見的強降雪預(yù)報和服務(wù)。當前研究主要基于預(yù)報員分析天氣的思路進行的分析和歸納，未來可利用機器深度學(xué)習(xí)來作進一步分析。