河南北中部一次雨雪冰凍過程的相態(tài)特征分析

摘要：2023年末河南北中部出現(xiàn)一次大范圍雨雪冰凍過程，降水相態(tài)復(fù)雜多變，并伴有區(qū)域性雷暴，較為罕見。利用 常規(guī)觀測、ERA5再分析以及風(fēng)廓線雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)資料等對此次過程的相態(tài)特征及成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎、南支槽東移，700hPa西南急流發(fā)展，地面先后受東路及西路冷空氣影響，導(dǎo)致河南北中部出現(xiàn)持續(xù)性 大范圍雨雪冰凍天氣。（2）冷墊以上的條件不穩(wěn)定性、鋒區(qū)附近的條件對稱不穩(wěn)定以及強(qiáng)鋒生環(huán)流上升支為對流天氣發(fā) 生發(fā)展提供有利條件，是強(qiáng)雨雪、雷暴及冰雹產(chǎn)生的主要原因。（3）過程中凍雨對應(yīng)“厚暖層（100—200 hPa）-冷層”層結(jié)結(jié)構(gòu)，冰粒對應(yīng)“冰晶層-薄暖層（50-100hPa）-冷層”結(jié)構(gòu)，純雪對應(yīng)整層冷層，雨夾雪對應(yīng)近地面出現(xiàn)淺薄暖層。（4）風(fēng) 廓線雷達(dá)水平風(fēng)場產(chǎn)品可定性反映低層西南急流和近地面冷空氣強(qiáng)度的變化，不同相態(tài)降水的垂直速度產(chǎn)品差異明顯， 可為相態(tài)轉(zhuǎn)變短臨的監(jiān)測和預(yù)報提供參考。（5）雙偏振產(chǎn)品顯示，凍雨和純雪對應(yīng)相關(guān)系數(shù)最大（≥0.99），雨夾雪相關(guān)系 數(shù)最小（0.85～0.9）；冰粒中層融化層顯著，其高度處差分反射率因子最大，相關(guān)系數(shù)最小。 關(guān)鍵詞：河南；雨雪冰凍；降水相態(tài)；風(fēng)廓線雷達(dá)；雙偏振雷達(dá)

中圖法分類號：P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.12406/byzh.2024-069

Characteristics of the precipitation phase during a rainfall/snowfall and freezing event in northern and central Henan

DUAN Zhongxia123， SU Aifang14， XU Lina5， YAN yan14

（1. CMA/Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support Applied Technique， Zhengzhou 450003;2. Xinxiang Key Laboratory of Meterological Disaster Prevention and Mitigation， Xinxiang 453000; 3. Xinxiang Meteorological Burea， Xinxiang 453000;4. Henan

Meteorological Observatory， Zhengzhou 453003 ;5. Pingdingshan Meteorological Burea， Pingdingshan 467000）

Abstract： At the end of 2023， a large–scale rainfall/snowfall and freezing event occurred in northern and central Henan， featuring variable precipitation phases and accompanied by regional thunderstorms， which was relatively rare. This paper analyzed this process by using the da- ta from conventional observations， ERA5 reanalysis， wind profile radar， and dual–polarization radar with a focus on the characteristics of pre- cipitation phases and cause. The results are as follows. （1） At 500 hPa， the horizontal trough turned vertical， and the south branch trough moved eastward，while at 700 hPa， the southwest jet developed. Meanwhile， the ground was affected by the cold air from the east and the west successively， which led to the persistent large–scale freezing rain and snow weather in northern and central Henan. （2） The conditional insta- bility above the cold cushion， the conditional symmetry instability near the frontal zone， and the upward branch of strong frontogenesis circu- lation provided a favorable condition for the occurrence and development of convective weather， which were the main causes of heavy rain and snow， thunderstorm， and hail. （3） During the process， the freezing rain corresponded to a \"thick warm layer （100–200 hPa）–cold layer\" stratification， with the ice pellets linking to a “l(fā)ayer of ice crystals – thin warm layer （50–100 hPa） – cold layer” stratification. While the pure snow and sleet corresponded to an entirely cold layer stratification and a shallow warm layer near the ground， respectively. （4） The hori- zontal wind field products of wind profile radar can qualitatively reflect the changes in the low-level southwest jet stream and the intensity of cold air near the ground. The differences in the vertical velocity products of different precipitation phases are significant， providing a refer- ence for the monitoring and forecasting of short-term phase transitions. （5） The dual-polarization products revealed that the freezing rain and pure snow had the highest correlation coefficients （≥0.99）， while the sleet had the lowest （0.85～0.9）. The ice pellets showed a significant middle–layer melting， with a maximum differential reflectivity and a minimum correlation coefficient at that level.

Key words： rainfall/snowfall and freezing; precipitation phase; wind profile radar; dual–polarization radar

引言

冬季降水相態(tài)主要包括雨、雪、雨夾雪、凍雨、冰 粒等。低于0℃的雨滴落在0℃以下的物體上時，立 即凍結(jié)成外表光滑透明的冰層，稱為凍雨（Bernstein， 2000）；直徑小于5mm的透明固態(tài)降水稱為冰粒，往往 由融化的雪或雨滴凍結(jié)而成（漆梁波和張瑛，2012）。 雨雪冰凍天氣對交通運(yùn)輸、電力輸送、能源供應(yīng)、農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)和人民生活等均會帶來嚴(yán)重的不利影響，其中凍 雨和冰粒的危害尤為突出。例如，2008年初我國南方 的大范圍雨雪冰凍天氣導(dǎo)致受災(zāi)人口超過1億，直接 經(jīng)濟(jì)損失超過1516億元人民幣（趙琳娜等，2008）。

自2008年我國南方雨雪冰凍事件以來，國內(nèi)越來 越多學(xué)者基于常規(guī)觀測和再分析資料對冬季降水相 態(tài)開展了一系列研究（丁一匯等，2008；Li et al.，2010）。 在降水相態(tài)機(jī)理研究方面，崔慧慧和蘇愛芳（2019）發(fā) 現(xiàn)對流層低層的充沛水汽輸送和強(qiáng)烈鋒生作用有利 于強(qiáng)雨雪出現(xiàn)和維持；王傳輝等（2020）指出不同的云 頂高度和暖濕平流強(qiáng)度對應(yīng)不同的凍雨形成機(jī)制；馬 晨晨等（2020）指出溫濕平流對冰粒過程中融化層、凍 結(jié)層和干層的形成起關(guān)鍵作用；李姝霞等（2023）發(fā)現(xiàn) 次級環(huán)流圈上升支疊加有利于雷暴發(fā)生和降雪增 強(qiáng)。在降水相態(tài)判別指標(biāo)方面，漆梁波等（2012）發(fā)現(xiàn) 邊界層溫度和厚度對于判斷降雪有指示意義，但不足以判斷凍雨和冰粒；邵宇翔和李周（2016）總結(jié)了河南 地區(qū)雨、雪、冰粒等冬季不同相態(tài)降水對應(yīng)的暖層溫 度及0℃層高度；陳雙等（2019）構(gòu)建決策樹判別模型較 好地解決了臨界氣溫時對雨雪的判別；荊浩等（2022） 發(fā)現(xiàn)云頂溫度和0℃層高度可作為北京地區(qū)雨、雪、雨 夾雪的關(guān)鍵判斷要素。

近年來，隨著高分辨率新型探測資料的廣泛應(yīng) 用，基于風(fēng)廓線雷達(dá)和雙偏振雷達(dá)對冬季降水監(jiān)測和 識別方面的研究越來越多。孔照林等（2016）統(tǒng)計得出 浙江地區(qū)液態(tài)和固態(tài)粒子對應(yīng)不同的風(fēng)廓線雷達(dá)下 降速度；毛宇清等（2022）發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)向 風(fēng)速和垂直速度的變化可用作雨雪預(yù)報；姬雪帥等 （2022）利用雙偏振雷達(dá)的融化層和水凝物分類產(chǎn)品較 準(zhǔn)確地進(jìn)行了降水相態(tài)識別；唐明暉等（2023）提出可 綜合利用水平反射率因子、相關(guān)系數(shù)和差分反射率因 子等雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品判斷雨雪相態(tài)及強(qiáng)度。

2023年12月13-15日，河南北中部遭遇了一次 雨雪冰凍天氣過程，此次過程表現(xiàn)為影響范圍廣、持續(xù)時間長、相態(tài)復(fù)雜、降水強(qiáng)度大、社會影響大的特 點，并導(dǎo)致河南大部分地市中小學(xué)停課，全區(qū)高速公 路、高架通行等階段性封閉。一般而言，凍雨、冰粒降 自層結(jié)穩(wěn)定的層狀云降水，雷暴、冰雹要求大氣具有 不穩(wěn)定層結(jié)，而本次過程凍雨、冰粒以及雷暴、冰雹等 同時出現(xiàn)，較為少見。另外，主客觀預(yù)報均對13夜間 至14日白天降雪量嚴(yán)重高估，同時漏報了該時段大范 圍長時間的凍雨、冰粒以及雷電和冰雹，造成較大的 社會影響，值得深入分析。因此，本文針對此次過程 中復(fù)雜降水相態(tài)的特征及成因進(jìn)行分析，以期得到有 關(guān)冬季降水相態(tài)判別的預(yù)報預(yù)警指標(biāo)，為河南地區(qū)冬 季降水的精細(xì)化預(yù)報提供科學(xué)借鑒。

1資料說明

本文分析采用的資料主要包括：（1）國家氣象信息 中心提供的2023年12月常規(guī)高空觀測資料，用于分 析環(huán)流背景及溫濕層結(jié)；同時段國家基本基準(zhǔn)氣象站 （以下簡稱國家站）1h間隔地面觀測資料，地面要素包 括天氣現(xiàn)象、氣溫、降水量等，用于分析地面要素及降 水相態(tài)。（2）歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心提供的第五代全 球大氣再分析資料（ERA5），空間分辨率0.25°×0.25°， 時間分辨率1h，用于診斷分析不穩(wěn)定、動力、溫濕層結(jié) 等條件。經(jīng)檢驗，過程期間鄭州站上空不同高度 ERA5資料的溫度、風(fēng)場、比濕等要素與探空觀測的相 應(yīng)要素值基本一致，故具有一定的代表性。（3）全國綜 合氣象信息共享平臺“天擎”提供的2023年12月新鄉(xiāng) 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，0—6km垂直分辨率為120m，6— 10km垂直分辨率為240m，風(fēng)速分辨率為0.2m·s=1，風(fēng)向分辨率為0.5°，用于風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)和降水相態(tài)分 析。（4）全國綜合氣象信息共享平臺“天擎”提供的 2023年12月鄭州S波段雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)，包括反射率因子（Z）、差分反射率因子（ZDR）、相關(guān)系數(shù)（CC）等，用于 降水粒子的識別和判斷。該過程中的降水相態(tài)實況 是綜合天氣現(xiàn)象儀、人工觀測以及地基垂直觀測等資 料識別，并經(jīng)業(yè)務(wù)技術(shù)人工判別質(zhì)控后得到。

2雨雪冰凍天氣實況

2023年12月13日20時（北京時，下同），河南西部 開始出現(xiàn)弱雨雪，相態(tài)以凍雨為主，夜間弱雨雪區(qū)逐 漸自西向東發(fā)展。14日，雨雪區(qū)自豫西北擴(kuò)展到豫北 中大部，強(qiáng)度增強(qiáng)，豫北部分地區(qū)出現(xiàn)暴雪，安陽、湯 陰、內(nèi)黃、孟津4個國家站日降雪量突破建站以來12月極值，最大日降雪量為18mm（安陽站和內(nèi)黃站），相態(tài)復(fù)雜多變，有雨夾雪、凍雨、冰粒、冰雹、雪等（圖1a）。同時，豫北中部及豫西出現(xiàn)區(qū)域性雷暴，閃電定位數(shù)據(jù)（圖1b）顯示，全省地閃總數(shù)高達(dá)1866次，其中正閃 達(dá)到498次，負(fù)閃高達(dá)1368次。15日，河南大部再次 出現(xiàn)純雪。

選取安陽、衛(wèi)輝、禹州國家站（圖1a灰色圓圈）作為 豫北中部代表站，分析代表站14日07—23時逐時2m 氣溫、降水量及主要天氣現(xiàn)象演變發(fā)現(xiàn)，安陽站（圖2a）于14日07—08時出現(xiàn)冰粒，08—09時轉(zhuǎn)冰雹、冰粒等 伴雷暴，10-12時為冰粒，12時之后轉(zhuǎn)純雪，2m氣溫 在-2.1～-1.7℃之間；衛(wèi)輝站（圖2b）于08-09時出現(xiàn)冰粒，09-10時轉(zhuǎn)冰雹伴雷暴，10-13時再轉(zhuǎn)冰粒，13時 之后轉(zhuǎn)雨夾雪，2m溫度在-0.7～0℃之間；禹州站（圖2c） 于14日10-15時出現(xiàn)凍雨，17—19時轉(zhuǎn)冰粒，19時之 后轉(zhuǎn)雨夾雪，2m氣溫在0～1℃之間。15日（圖略），降 水時段三站降水相態(tài)均為純雪，對應(yīng)的2m氣溫降 至-4～-1℃。

3環(huán)流背景

此次過程前期，500hPa烏拉爾山附近阻塞高壓向 北發(fā)展，脊前橫槽位于貝加爾湖至新疆北部；鄂霍次 克海東部東亞大槽穩(wěn)定維持，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空 氣影響我國中東部地區(qū)；與此同時，南支槽在孟加拉 灣建立。14日08時（圖3a），500hPa橫槽前不穩(wěn)定小槽 東移至河套西部，低緯南支槽前有小波動?xùn)|移至高原 東部；700hPa西南急流強(qiáng)烈發(fā)展并伸至豫中東部，急 流核風(fēng)速達(dá)28m·s1，豫北中部位于急流左前側(cè)輻合 區(qū)中，比濕度達(dá)到6g·kg1以上，溫度達(dá)3℃；850hPa 鋒區(qū)位于河南中南部，豫北中部受切變線以北偏東氣 流影響，溫度約為-4℃；925hPa東北急流攜帶近地層冷空氣擴(kuò)散南下，形成冷墊，有利于大范圍雨雪冰凍 天氣發(fā)生。15日08時（圖3b），500hPa橫槽旋轉(zhuǎn)南下 至河套西部附近，南支槽東移北縮至四川東部，偏西 氣流與西南氣流再次在黃淮地區(qū)匯合；700hPa豫北中 部轉(zhuǎn)受西北風(fēng)與西南風(fēng)之間的冷式輻合切變線影響， 溫度降至-9℃；850hPa和925hPa豫北中部均為偏北 氣流，15日白天河南大部出現(xiàn)小雪。15日夜間（圖略） 隨著500hPa低槽過境，河南位于槽后西北氣流中，整 個雨雪過程趨于結(jié)束。

地面圖上（圖略），過程前期貝加爾湖附近有冷高 壓維持，中心強(qiáng)度達(dá)1060hPa，冷空氣一路自新疆、甘 肅一帶南下（西路），并在河套中西部形成冷鋒，一路自 東北、華北回流南下至黃淮地區(qū)（東路）。與此同時，高原中東部有暖低壓形成，暖倒槽位于江淮地區(qū)，河套 地區(qū)錮囚形勢明顯，河南受回流冷空氣影響，處于東 北高西南低的氣壓場中。14日暖倒槽發(fā)展，東路回流冷空氣持續(xù)南下，冷暖空氣在黃淮一帶對峙，大范圍 雨雪冰凍出現(xiàn)；15日伴隨河套冷鋒南下并影響河南， 豫北中部出現(xiàn)降雪。

4對流發(fā)展條件

由實況分析可知，過程期間豫北中部出現(xiàn)了大范 圍冰雹和雷暴，表明有對流天氣發(fā)生發(fā)展。14日08時 鄭州站探空（圖5b）顯示，雖低層存在逆溫層，但從逆溫 層頂抬升氣塊時，對流有效位能約365J·kg-，說明逆 溫層之上存在條件不穩(wěn)定層結(jié)。該時刻的飽和假相 當(dāng)位溫度（0）垂直剖面（圖4a）也顯示，豫北地區(qū)（34°— 36°N）800 hPa以下為低e*區(qū)，與冷墊相對應(yīng)，700hPa受西南急流影響出現(xiàn)高能舌，中心達(dá)324K，500hPa附近受干冷空氣影響出現(xiàn)中心達(dá)312K的低值區(qū)，由此可知700-500hPa0*隨高度遞減，即冷墊以上存在 條件不穩(wěn)定層結(jié)（俞小鼎等，2020）。結(jié)合地轉(zhuǎn)絕對動 量（M）垂直剖面（圖4a）可見，此時36°N附近900—700hPa上等0線坡度明顯大于等M線坡度，且地轉(zhuǎn)濕位渦負(fù)值中心值達(dá)到-2PVU以上，表明大氣還具有 較強(qiáng)的條件性對稱不穩(wěn)定。另外，由08時鋒生函數(shù)和 垂直速度的垂直剖面（圖4b）可知，36°N和32°N附近低層出現(xiàn)強(qiáng)鋒生區(qū)，中心強(qiáng)度均達(dá)到60×101°K·m=1·s1 以上，兩鋒生區(qū)之間存在一鋒生正環(huán)流，其顯著上升 支突破冷墊并伸展至對流層中高層，豫北36°N附近上空上升運(yùn)動區(qū)自700hPa向上延伸至300hPa，強(qiáng)度達(dá)到-1.6 Pa·s-1，此時雨雪增強(qiáng)并伴有雷暴、冰雹出現(xiàn)。

5降水相態(tài)層結(jié)特征

Huffiman（1988）總結(jié)了兩種凍雨形成機(jī)制，一是 基本無冰相粒子參與的“暖雨機(jī)制”，即雨滴下落到過 冷層后成為過冷水滴；二是“融化機(jī)制”，云中的冰晶 和雪花先下落到融化層變?yōu)橛甑?，然后落到過冷層成 為過冷水滴，即“冰晶層-暖層-冷層”模式。冰粒形 成也有類似兩種機(jī)制，即雨滴直接在冷層中凍結(jié)為 冰粒的“暖雨機(jī)制”（Kajikawa and Andrew，1989）和雪花或冰晶部分融化后進(jìn)入冷層重新凍結(jié)的“融化機(jī) 制”（Zerr，1997）。2023年12月13日20時鄭州站探空（圖5a）顯示，800hPa以下冷墊顯著，最低溫度達(dá)-4℃，800-700hPa存在暖層，最高溫度4～5℃，925—800hPa出現(xiàn)顯著逆溫層，濕層位于650hPa以下，呈“暖雨機(jī) 制”的探空層結(jié)（漆梁波，2012）。14日08時（圖5b），近 地面冷墊維持并略有增強(qiáng)，最低溫度-6～-5℃，暖層 略有增厚，位于800-650hPa，925-750hPa存在逆溫，濕層從地面伸至500hPa附近，隨著中高層降溫 增濕，層結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)出“融化機(jī)制”特征（漆梁波， 2012），有利于14日大范圍冰粒、雨雪天氣形成（李杰 等，2016）。到20時（圖5c），700hPa轉(zhuǎn)受偏西氣流影 響，降溫顯著，暖層即將被破壞，相態(tài)逐漸轉(zhuǎn)純雪（Zhang et al.，2022）。

圖6為2023年12月13-15日三個代表站相對濕 度、溫度及垂直速度高度-時間剖面圖。從中可知，14 日08時豫北地區(qū)安陽站（圖6a）和衛(wèi)輝站（圖6b）上空濕 層迅速增厚，云頂達(dá)到300hPa（-40℃）附近，強(qiáng)上升速度區(qū)達(dá)-20℃層附近，最大速度達(dá)-1.5Pa·s1以上，有 利于冰相粒子快速增長（Pruppacher and Klett，1997）； 09時左右安陽、衛(wèi)輝等地出現(xiàn)冰雹、雷暴和強(qiáng)雨雪。 14日上午上述兩站上空層結(jié)均表現(xiàn)出濕層厚，融化層 弱（0℃附近）且?。ê穸冗_(dá)50～100hPa）（邵宇翔和李周，2016），冷層約250hPa，對應(yīng)降水相態(tài)為冰粒；而禹州站（圖6c）濕層薄，融化層強(qiáng)（2～4℃）且厚（100～200hPa）（霍也等，2023），冷層約200hPa，對應(yīng)出現(xiàn)凍雨。這說 明此次過程中冰粒融化層厚度小于凍雨，其凍結(jié)厚度 大于凍雨，這與漆梁波（2012）、李杰等（2016）的研究結(jié) 論類似。午后，安陽站暖層溫度降至-2℃，近地面維 持-4℃以下，相態(tài)轉(zhuǎn)純雪；衛(wèi)輝站上空冰晶層變薄，暖 層溫度降至-2～0℃，近地面溫度升至0℃左右，相態(tài) 轉(zhuǎn)雨夾雪。禹州站于17—18時暖層溫度降至2℃，其 厚度降至50～100hPa，且濕層層頂自600hPa附近升至300hPa（-40℃），降水相態(tài)轉(zhuǎn)為冰粒；20時暖層溫 度繼續(xù)降至0℃，近地面出現(xiàn)淺薄暖層，溫度增高至 0℃以上，降水相態(tài)為雨加雪。15日三個代表站云頂 高度均達(dá)300hPa（-40℃），濕層深厚且整層為冷層，對 應(yīng)出現(xiàn)純雪。

6降水相態(tài)的雷達(dá)產(chǎn)品特征

6.1風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品特征

風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場產(chǎn)品可反映冷暖平流的演 變特征（張月華等，2019）。2023年12月14日新鄉(xiāng)風(fēng)廓 線雷達(dá)產(chǎn)品（圖7）顯示，04時，新鄉(xiāng)上空1km以下轉(zhuǎn)受 顯著東北風(fēng)影響，對應(yīng)東路冷空氣，有利于冷墊維持； 與此同時，2-3km西南氣流逐漸增大，輸送暖濕氣 流，有利于雨雪增強(qiáng)和暖層維持。09時，西南急流中 心風(fēng)速增至20m·s1以上，近地面東北風(fēng)增至18m·s=1， 形成強(qiáng)垂直風(fēng)切變，此時降水增強(qiáng)，同時出現(xiàn)雷暴、冰 雹。12一13時，3km附近轉(zhuǎn)為強(qiáng)偏西風(fēng)，近地面偏北 風(fēng)減弱，降水維持，相態(tài)由冰粒逐漸轉(zhuǎn)雨夾雪。15日 白天（圖略）3km以下為偏北風(fēng)，以上為偏西風(fēng)，出現(xiàn)小雪。

風(fēng)廓線探測的降水粒子的下落速度范圍可作為 區(qū)分冬季降水粒子的依據(jù)?？渍樟值龋?016）統(tǒng)計發(fā)現(xiàn) 冬季對流不強(qiáng)烈時，浙江地區(qū)液態(tài)降水粒子下降末速 為1.8～6.0m·s=1，固體降水下降末速為0.1～1.8m·s=1； 孫莎莎等（2023）研究山東一次極端暴雪過程發(fā)現(xiàn)，雨 轉(zhuǎn)雨夾雪轉(zhuǎn)雪，低層垂直速度由大到小變化，降雨時 最高達(dá)4～5m·s-1，降雪時段為1～2m·s2，高垂直速度 梯度發(fā)生在雨夾雪階段。14日08時，下落速度自下而 上發(fā)展至5km以上，09-10時，最大下落速度達(dá)1.6～ 2.4m·s-1，位于1～2km，新鄉(xiāng)附近出現(xiàn)冰粒、冰雹等固 態(tài)降水，較上述研究中固態(tài)相態(tài)對應(yīng)的垂直速度略 大，可能與對流性降水出現(xiàn)有關(guān)。13時，5km以下下 落速度顯著增大至2.4m·s=1以上，3km以下達(dá)3.2～ 4.0m·s-1，此時降水相態(tài)為雨、凍雨、冰粒等多混合相 態(tài)，較上述研究的降雨下降速度偏小。15日白天（圖略），整層平均下降速度為1m·s1左右，與上述研究的 降雪下降速度較為一致。

6.2雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征

雙偏振雷達(dá)時空分辨率高，可用于降水相態(tài)的研 究（Giangrande et al.，2016）。溫靜等（2023）對常州一次多相態(tài)降水分析發(fā)現(xiàn)降雨轉(zhuǎn)雨夾雪時，反射率因子（Z）和差分反射率因子（ZDR）增大，相關(guān)系數(shù)（CC）減小，雨雪混合相態(tài)對應(yīng)Zgt;30dBz、ZDRgt;1dB、CClt;0.95，而純雪則Zgt;22dBz、ZDRlt;1dB、CCgt;0.98；孫莎莎等（2023） 研究山東一次雨雪過程發(fā)現(xiàn)CC能更好地指示雨雪轉(zhuǎn) 換，并得出穩(wěn)定雨雪期間，降雨或降雪時CC為0.98～1.01，雨夾雪時CC為0.8～0.95。鄭州雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品 （圖8）顯示，14日08時（圖8a）組合反射率因子表現(xiàn)為片 狀的層積混合降水回波，中心強(qiáng)度達(dá)40～45dBz，部分 較強(qiáng)回波呈平行帶狀排列，可能與條件對稱不穩(wěn)定有 關(guān)；剖面分析可知，強(qiáng)單體35dBz以上回波主要集中在6km以下（圖8b），對應(yīng)ZDR為0.2～0.8（圖8c），CC≥ 0.99（圖8d），表明云體中下層以小雨滴為主，實況為凍 雨。14日10時組合反射率因子（圖8e）不均勻性增強(qiáng)， 積云降水回波特征更明顯，中心強(qiáng)度達(dá)50dBz；對強(qiáng)單體進(jìn)行剖面分析可知，35dBz超過7km（-20℃層高度），45dBz達(dá)6km（圖8f），有利于雷暴產(chǎn)生；高層ZDR為-1～0.5dB（圖8g），CC≥0.98（圖8h），可能為均一的小冰雹（俞小鼎等，2020），低層ZDR顯著增大為0.8～2.0dB（圖8g），CC降至0.9～0.97（圖8h），表明小冰雹下落部分 融化，此時出現(xiàn)雷電、小冰雹。14日14時回波強(qiáng)度有 所減弱，中心強(qiáng)度為40～45dBz（圖8i）；反射率因子剖面 （圖8j）顯示，強(qiáng)中心高度在3km附近，對應(yīng)融化層，其ZDR為0～1dB和1～2dB，對應(yīng)CC為0.92～0.96和0.9，35dBz以上回波位于4km以下，對流性顯著減弱；ZDR（圖8k）和CC（圖8I）剖面顯示，A、B兩單體3km高度近地面ZDR減小至-1～0.2dB和1～1.5dB，對應(yīng)CC 為0.98～0.99和0.85～0.9；結(jié)合上述研究結(jié)果可推斷單 體A中冰晶在融化層中部分融化后重新凍結(jié)，低層雙 偏振產(chǎn)品特征與純雪相似，對應(yīng)地面出現(xiàn)冰粒；單體 B中冰晶在融化層融化并以固液混合態(tài)降落地面，低 層產(chǎn)品特征與雨夾雪類似，實況出現(xiàn)雨夾雪。15日 回波呈現(xiàn)均勻的大片層云結(jié)構(gòu)，最強(qiáng)不超過25dBz （圖8m），剖面顯示發(fā)展高度不足4km（圖8n），低層 ZDR為0～0.5dB（圖8o），CC≥0.99（圖8p），呈現(xiàn)純雪的雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征（楊祖祥等，2019）；實況為干雪， 強(qiáng)度較弱。

7結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測、風(fēng)廓線雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)及 ERA5再分析等資料對2023年末發(fā)生在河南北中部一 次大范圍的雨雪冰凍過程進(jìn)行分析，重點探討了不同 降水相態(tài)的觀測特征及形成機(jī)制，得出以下主要結(jié)論：

（1）500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎與南支槽東移，為大范圍雨雪冰凍過程發(fā)生提供了有利背景。700hPa槽前強(qiáng)盛 的西南暖濕急流與不斷擴(kuò)散南下的低層?xùn)|路冷空氣 結(jié)合，河南北中部出現(xiàn)大范圍凍雨、冰粒。地面西路 冷空氣伴冷鋒南下，氣溫迅速下降，全區(qū)轉(zhuǎn)為純雪。

（2）冷墊以上的條件不穩(wěn)定性、鋒區(qū)附近的條件對 稱不穩(wěn)定以及強(qiáng)鋒生環(huán)流上升支為對流天氣發(fā)生發(fā) 展提供有利條件，是強(qiáng)雨雪、雷暴及冰雹產(chǎn)生的主要 原因。

（3）過程中凍雨呈現(xiàn)“暖雨機(jī)制”的“厚暖層（100— 200hPa）-冷層”層結(jié)結(jié)構(gòu)；冰粒對應(yīng)“融化機(jī)制”的“冰晶層-薄暖層（50-100hPa）-冷層”層結(jié)結(jié)構(gòu)；純雪表 現(xiàn)為整層冷層結(jié)構(gòu)；雨夾雪期間，近地面出現(xiàn)淺薄暖 層。因此，降水相態(tài)主要取決于各高度上的溫濕變 化，僅根據(jù)單一層結(jié)指標(biāo)來判斷降水相態(tài)局限性大。

（4）風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場產(chǎn)品反映出低層西南急 流和近地面東北風(fēng)加強(qiáng)造成垂直風(fēng)切變和雨雪強(qiáng)度 增強(qiáng)，西南急流和低層?xùn)|北風(fēng)減弱預(yù)示降水相態(tài)轉(zhuǎn) 變；不同相態(tài)降水對應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度產(chǎn)品存 在差異，總的來說，固態(tài)小于液態(tài)，可為短臨相態(tài)轉(zhuǎn)變 的監(jiān)測和預(yù)報提供參考。

（5）雙偏振產(chǎn)品顯示，過程中濕冰雹對應(yīng)回波中心 強(qiáng)度最強(qiáng)（45～50dBz），發(fā)展高度最高；干雪階段回波最弱（≤25dBz），發(fā)展高度最低；凍雨和純雪對應(yīng)相關(guān)系數(shù)（CC）最大（≥0.99），雨夾雪CC最小（0.85～0.9）；冰粒中層融化層顯著，其高度處差分反射率因子（ZDR）最大，CC最小。這表明對于不同降水相態(tài)的監(jiān)測雙偏振雷 達(dá)產(chǎn)品較單極化產(chǎn)品具有更好的參考意義。

需要指出的是，由于新鄉(xiāng)風(fēng)廓線雷達(dá)和鄭州雙偏 振雷達(dá)建立的時間較短，典型個例少，本文針對一次 過程得到的結(jié)論可能有一定局限性。此外，2024年初 在高緯冷空氣南侵和南支槽東移背景下，河南再次出 現(xiàn)冰凍雨雪過程，且凍雨的形成機(jī)制呈現(xiàn)多出現(xiàn)在我 國南方的“融化機(jī)制”，是否與大氣環(huán)流北抬和全球變 暖的氣候背景有關(guān)，前期主客觀預(yù)報均對此類降水相 態(tài)預(yù)報偏差較大，其主要原因是什么，這些問題有待 今后綜合利用多源資料采用診斷分析、數(shù)值模擬等方 法進(jìn)行深入分析，為此類高影響天氣精準(zhǔn)預(yù)報預(yù)警提 供更有效的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)（References）：

陳雙，諶蕓，何立富等.2019.我國中東部平原地區(qū)臨界氣溫條件下降水相 態(tài)判別分析[J].氣象，45（8）：1037-1051.Chen S，Chen Y，He LF，et al. 2019. Discrimination analysis of snow and rain occurring under critical temperature conditions in central and eastern China [J]. Meteorological Monthly，45（8）：1037–1051 （in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000–0526.2019.08.001

崔慧慧，蘇愛芳.2019.2018年初豫南特大暴雪過程的特征與成因分

析[J].暴雨災(zāi)害，38（2）：169-176.Cui H H，Su A F.2019.Analysis on characteristics and causes of a heavy snowstorm event in southern Henan in the beginning of January 2018 [J]. Torrential Rain and Disas– ters，38（2）：169–176（in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.1004–9045.2019.02.009

丁一匯，王遵婭，宋亞芳，等.2008.中國南方2008年1月罕見低溫雨雪冰 凍災(zāi)害發(fā)生的原因及其與氣候變暖的關(guān)系[J].氣象學(xué)報，66（5）： 808–825. Ding Y H， Wang Z Y， Song Y F， et al. 2008. Causes of the un- precedented freezing disaster in January 2008 and its possible associa- tion with the global warming [J]. Acta Meteorologica Sinica，66（5）： 808–825 （in Chinese）. doi：10.11676/qxxb2008.07

姬雪帥，王麗婧，郭宏，等.2022.基于多源觀測資料對張家口一次雨雪天 氣降水相態(tài)特征的分析[J].干旱氣象，40（3）：507-515.JiXS，WangL J， Guo H， et al. 2022. Analysis of characteristics of precipitation phase during a rain–snow weather process in Zhangjiakou based on multi–source observation data [J]. Journal of Arid Meteorology，40（3）： 507–515 （in Chinese）. doi：10.11755/j.issn.1006–7639（2022）–03–0507

荊浩，于波，張琳娜，等.2022.北京及周邊地區(qū)冬季降水相態(tài)的判別指標(biāo)研究[J].氣象，48（6）：746-759.Jing H，Yu B，Zhang LN，et al.2022.

Discrimination criteria of winter precipitation types in and around Bei– jing [J]. Meteorological Monthly，48（6）：746–759 （in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2021.122401

孔照林，趙放，彭霞云，等.2016.風(fēng)廓線下落速度在浙江冬季降水相態(tài)識 別中的應(yīng)用[J].氣象，42（9）：1090-1095.Kong ZL，Zhao F，Peng XY， et al. 2016.Application of wind profiler velocity data in identifying win– ter precipitation types in Zhejiang Provine [J]. Meteorological Monthly， 42（9）：1090–1095 （in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000–0526.2016.08.006

李杰，郭學(xué)良，盛日峰，等.2016.我國冰粒降水天氣的觀測特征統(tǒng)計分 析[J].大氣科學(xué)學(xué)報，39（3）：349-360.Li J，Guo X L，Sheng R F，et al.

2016. Statistical analysis of observed properties of ice–pellet precipita– tion in China [J]. Transactions of Atmospheric Sciences，39（3）：349-360

（in Chinese）. doi：10.13878/j.cnki.Dqkxxb.20140418032

李姝霞，袁小超，王國安，等.2023.一次暴雪過程的高架雷暴環(huán)境條件及 雷達(dá)特征[J].暴雨災(zāi)害，42（5）：541-553.LiSX，Yuan XC，Wang GA， et al. 2023. Synoptic conditions and radar characteristics for elevated thunderstorm during a snowstorm event in Henan Province [J]. Torren- tial Rain and Disasters，42（5）：541-553 （in Chinese）. doi：10.12406/by-zh.2022-219

馬晨晨，韓桂榮，黃文彥，等.2020.江蘇省冰粒過程的天氣特征和預(yù)報著 眼點探討[J].氣象科學(xué)，40（2）：270-277.Ma C C，Han G R，Huang W Y， et al. 2020. Features and forecast points of ice pellet weather process in Jiangsu Province [J]. Journal of the Meteorological Sciences，40（2）： 270–277 （in Chinese）. doi：10.3969/2019jms.0009

毛宇清，李力，姜有山，等.2022.一次春季雨雪天氣的降水相態(tài)演變特征 分析[J].暴雨災(zāi)害，41（3）：290-297.Mao Y Q，Li L，Jiang Y S，et al.2022. Analysis on the phase transformation of precipitation in a rain and snow event in spring [J]. Torrential Rain and Disasters，41（3）： 290–297 （in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.1004–9045.2022.03.005

漆梁波.2012.我國冬季凍雨和冰粒天氣的形成機(jī)制及預(yù)報著眼點[J].氣象，38（7）：769-778.Qi L B.2012.Research on winter precipitation types–discrimination criterion in eastern China [J]. Meteorological Monthly，38（1）：96–102 （in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000–05262012.1.011

漆梁波，張瑛.2012.中國東部地區(qū)冬季降水相態(tài)的識別判據(jù)研究[J].氣象，38（1）：96-102.Qi L B，Zhang Y.2012.Research on winter precipi- tation types' discrimination criterion in Eastern China [J]. Meteorologi– cal Monthly，38（1）：96–102 （in Chinese）. doi：10.7519/j.issn.1000–0526.2012.01.011

邵宇翔，李周.2016.一次寒潮背景下降水相態(tài)變化特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，39（1）：89-95.Shao Y X，Li Z.2016.Characteristics analysis of the precipitation phase transformation during a cold wave [J]. Meteoro- logical and Environmental Sciences，39（1）：89–95 （in Chinese）. doi：

10.16765/j.cnki.1673-7148.2016.01.012

孫莎莎，孫藝，徐婷婷，等.2023.2021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[J].氣象，49（7）：830-842.Sun SS，Sun Y， Xu T T， et al. 2023. Multi–Source observational characteristics of pre- cipitation phase during extreme snowstorm in Shandong on 7 Novem- ber 2021 []]. Meteorological Monthly，49（7）：830–842. （in Chinese）. doi：

10.7519/j.issn.1000-0526.2023.030302

唐明暉，俞小鼎，王青霞，等.2023.湖南一次雨雪天氣降水相變的環(huán)境條 件與雙偏振雷達(dá)特征分析[J].暴雨災(zāi)害，42（3）：293-302.Tang M H，

Yu X D， Wang Q X， et al. 2023. Analysis on environmental conditions and dual–polarization radar characteristics of the phase transformation of precipitation in a rain and snow event in Hunan [J]. Torrential Rain and Disasters，42（3）：293–302（in Chinese）. doi：10.12406/byzh.2022-065

王傳輝，姚葉青，苗開超，等.2020.安徽省南部兩次凍雨天氣過程對比分析[J].氣象，46（2）：169-178.Wang CH，Yao Y Q，Miao K C，et al.2020.

Contrastive analysis of two freezing rain processes in southern Anhui Province [J]. Meteorological Monthly，46（2）：169–178 （in Chinese）. doi：

10.7519/j.issn.1000-0526.2020.02.003

溫靜，雷正翠，溫龍，等.2023.一次強(qiáng)寒潮過程的多相態(tài)降水分析[J].氣象

科技，51（5）：704-714.Wen J，Lei Z C，Wen L，et al. 2023. Analysis of

multiphase precipitation during a strong cold wave at end of March 2020 [J]. Meteorological Science and Technology，51（5）：704–714 （in

Chinese）. doi：10.19517/j.1671–6345.20220229

楊祖祥，謝亦峰，項陽，等.2019.2018年1月初安徽特大暴雪的雙偏振雷 達(dá)觀測分析[J].暴雨災(zāi)害，38（1）：31-40.YangZX，Xie Y F，Xiang Y， et al. 2019. Analysis on dual polarization radar observations of a heavy snowstorm event in Anhui in the beginning of January 2018 [J]. Torren– tial Rain and Disasters，38（1）：31–40 （in Chinese）. doi：10.3969/j.issn.

1004-9045.2019.01.004

俞小鼎，王秀明，李萬莉，等.2020.雷暴與強(qiáng)對流臨近預(yù)報[M].北京：氣象出 版社. Yu X D， Wang X M， Li M L， et al， 2020. Forecast of thunder-logical Press （in Chinese）

張月華，王健，鄭玉萍，等.2019.風(fēng)廓線雷達(dá)資料在烏魯木齊一次大暴雪 過程分析中的應(yīng)用[J].沙漠與綠洲氣象，13（5）：49-54.Zhang Y H，

Wang J， Zheng Y P， et al. 2019. The application of wind profile radar products in analysis of a heavy snowfall process in Urumqi [J]. Desert and Oasis Meteorology，13（5）：49–54 （in Chinese）. doi：10.12057/j.issn.

1002-0799.2019.05.007

趙琳娜，馬清云，楊貴名，等.2008.2008年初我國低溫雨雪冰凍對重點行 業(yè)的影響及致災(zāi)成因分析[J].氣候與環(huán)境研究，13（4）：556-566.Zhao L N， Ma Q Y， Yang G M， et al. 2008. Disasters and its impact of a se– vere snow storm and freezing rain over Southern China in Jaunary 2008 [J]. Climatic and Environmental Research，13（4）：556–566 （in Chi– nese）. doi：10.3878/j.issn.1006–9585.2008.04.20

Bernstein B C. 2000. Regional and local influences on freezing drizzle，freez– ing rain， and ice pellet events [J]. Weather and Forecasting，15（5）：485-508. doi：10.1175/1520-0434（2000）015lt;0485：RALIOFgt;2.0.CO;2

Giangrande S E， Toto T， Bansemer A， et al. 2016. Insights into riming and aggregation processes as revealed by aircraft，radar，and disdrometer ob– servations for a 27 April 2011 widespread precipitation event [J]. Jour- nal of Geophysical Research：Atmosphere，121（10）：5846–5863. doi：

10.1007/s13351-022-1068-8

Huffiman G J.1988. The supercooled warm rain process and the spectification of freezing precipitation [J]. Monthly Weather Review，116（11）：2172-2182

Kajikawa M， Andrew J.1989. Heymsfield， aggregation of ice crystals in cir– rus [J]. Journal of the Atmospheric Sciences，46（20）：3108–3121

Li J， Zhao S X， Yu F. 2010. Analysis of a Beijing Heavy snowfall related to an inverted trough in November 2009 [J]. Atmospheric and Oceanic Science Letters，3（3）：127–131. doi：10.1080/16742834.2010.11446859

Pruppacher H R， Klett J D. 1997. Microphysics of clouds and precipitation

（Second Revison） [M]. Washington：Kluwer Academic Publishers：954 Zerr R J. 1997. Frezzing rain： An observational and theoretical study [J].

Monthly Weather Review，123（11）：3144-3162

Zhang W L， Cui X P， Duan B L， et al. 2022. A case study on the rapid rain–to–snow transition in late spring 2018 over northern China： Ef– fects of return flows and topography [J]. Journal of Meteorological Re–search，36（1）：107-127. doi：10.1007/s13351-022-1068–8

（責(zé)任編輯 唐永蘭）