沈阳降水相态特征分析及预报方法
2016-04-19段云霞李得勤李大为柴晓玲
段云霞，李得勤，李大为，梁 红，柴晓玲，张 帅
(1. 辽宁省沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110168；2. 南京信息工程大学，江苏 南京 210044；3. 沈阳中心气象台，辽宁 沈阳 110016)
沈阳降水相态特征分析及预报方法
段云霞1,2，李得勤3，李大为1，梁红1，柴晓玲1，张帅1
(1. 辽宁省沈阳市气象局，辽宁沈阳110168；2. 南京信息工程大学，江苏南京210044；3. 沈阳中心气象台，辽宁沈阳110016)
摘要：基于2003～2012年1～3月与11～12月沈阳市浑南站近10 a常规地面和探空观测资料，将影响沈阳地区的天气形势分为冷高前部、蒙古气旋、华北—河套气旋和倒槽—江淮气旋型，基于不同高度上的温度和气压层间的位势厚度，建立沈阳不同天气形势降水相态预报的指标。不同天气形势对应的不同降水相态的温度及位势厚度特征存在明显差异，冷高前部型对应冷空气最强，降水相态一般为雪，其温度指标较其他天气型更低，位势厚度指标也较其他天气型更小，另外3种天气形势的降水相态也能通过温度和位势厚度指标加以区分。此外，位势厚度作为预报指标较温度指标更易区分降水相态，尤其是700 hPa与1 000 hPa之间的位势厚度(H(700-1000))在不同天气分型条件下差别较大。通过与不同地区建立的降水相态预报指标对比发现，建立的预报指标与以往的研究比较接近，但基于天气分型建立的预报指标更有利于对不同降水相态的准确预报和把握。
关键词：天气分型；降水相态；指标；位势厚度
引言
沈阳地区冬季相对较长，冷暖季节交替时，单次降水过程经常会伴随不同降水相态的变化，特别在寒潮天气爆发时，降温幅度大，导致降水相态转变的天气经常发生，对降水相态及不同相态转变时间的准确预报是天气预报工作中面临的难题。对于天气服务而言，当24 h累计降水量达到5 mm、降水相态为雨时，对城市交通、市民出行及社会生产不会产生太大影响。但如果降水相态为降雪，5 mm的降水量则达到大雪量级，产生的影响不可忽视。所以，降水相态的准确预报对气象服务质量有决定性的作用，同时也能够及时为政府部门的决策提供依据。
受观测资料限制，对降水相态转变天气的云内微物理结构以及大气温度和湿度的垂直结构与变化还没有很好的认识。降水相态的变化主要在于空中成雪相关的微物理机制以及雪花下落过程中大气温度的垂直变化。廖晓农等[1]用探空资料及微波辐射仪观测的温度廓线与中尺度数值模式的输出结果分析了北京一次降水相态转变的天气过程，发现0 ℃层高度相对于云底的高度与降水相态有很好的对应关系，指出冷空气活动是造成不同降水相态天气温度垂直分布不同的主要原因；漆梁波等[2]指出降水相态的判别应该综合考虑温度与位势厚度，通过对中国东部冬季降水相态的研究，认为温度平均廓线对雨和雪的区分较好，雪和雨夹雪在低层的大气冷暖状态较相似，区别主要是雨夹雪在中层相对较暖接近降雨，雪花在中层有部分融化，降落到地面时，在近地层继续融化，以雨夹雪的形态出现。
国外关于雨雪的判断，除了传统的气温阈值外，不同高度层的位势厚度也常用来表征大气的冷暖情况，如Lowndes等[3]用850～1 000 hPa之间的位势厚度(H850-1000)区别降雨和降雪天气，当H850-1000≤ 1 280 gpm，判定降水相态为雪。此外，700～1 000 hPa之间的位势厚度(H700-1000)也用来区分雨、雪、冻雨及冰粒，并将其应用于数值模式的后处理中用于计算不同降水相态的诊断量[4-5]。
国内对降水相态预报研究相对较晚，早期主要针对不同高度层上的温度进行分析，并通过建立相应的预报指标判别降水相态[6-8]。如许爱华等[6]通过分析一次寒潮天气过程指出，将925和1 000 hPa上的温度(T925和T1000)作为区分雨雪的判据，当T925≤ -2 ℃且T1000≤ 0 ℃时降水相态为雪；李江波等[7]在对一次强降温过程的降水相态进行分析后指出，当0 ℃层高度下降到950 hPa以下、地面气温<0 ℃、925 hPa温度<-2 ℃，且1 000 hPa温度<2 ℃，降水相态将从雨逐渐向雨夹雪到雪转变。随着对已有判据的不断使用和对降水相态天气特征的不断认识，位势厚度也逐渐用于降水相态预报指标的建立工作中[9-10]。漆梁波等[2]在研究中国东部冬季降水相态时，采用H700-1000、H700-850、H850-1000、T925、T1000，以单个判据和混合判据的方式，建立了雨、雪、雨夹雪和冻雨(冰粒)预报的判据，结果表明其具有较好的应用效果。张琳娜等[11]在建立北京地区冬季降水相态识别指标时，除了将不同高度层上的温度和位势厚度作为判据，还加入了地面2 m温度和相对湿度。
随着数值预报模式的不断发展，数值模式所使用的微物理过程方案中包含了更加细致的水物质分类，如云水、雨水、冰晶、雪、霰和水汽量等。但模式仍然不能直接输出降水的相态产品，需要借助实际观测资料的分析来对数值预报模式的结果进行诊断，得到数值预报模式降水相态的诊断预报阈值。崔锦等[12-13]基于东北地区数值预报结果建立了东北地区冬季降水相态的预报产品，在东北区域数值预报业务中也得到了很好的应用。
降水相态不仅与近地层的温度有关，还与中层大气气温和层结状态有很大的关系。纵观以上研究内容，虽然已经对不同降水相态的温度和位势厚度进行了统计分析，并建立了一些指标，但这些研究具有很强的局地特征，不同文献中的判据不能完全统一，也很难应用于其他地方。与以往研究不同的是，这里选取了对沈阳具有代表性的浑南站作为研究对象，通过地面观测资料首先确定影响该地的天气形势，然后对不同的天气形势进行归类，进而对每种天气形势不同高度上对应的温度与位势厚度进行分析，最终建立沈阳地区不同降水相态的预报指标，为天气预报业务提供判断依据。
1资料及天气分型
所用资料为沈阳浑南站2003～2012年1～3月和11～12月共10 a的地面数据与每日08时和20时的探空观测资料。
冬季影响辽宁省及其周边区域的天气系统主要有冷高前部、蒙古气旋、华北气旋、河套气旋、倒槽和江淮气旋。根据冷空气活动路径和强度特征，将来源于沈阳地区西部的华北气旋和河套气旋二者合并为一类，将来自沈阳地区西南方向的倒槽和江淮气旋系统划分为一类。最终，将影响沈阳冬季的天气形势归纳为冷高前部型、蒙古气旋型、华北—河套气旋型与倒槽—江淮气旋型共4种。
沈阳地区冬季较长，降水相态主要以降雪为主，在冷暖交替季节，降雪天气过程常常伴有降雨和雨夹雪天气，这里主要以每年1～3月和11～12月的降水过程作为统计研究对象。通过统计2003～2012年浑南站1～3月和11～12月地面观测资料中的降水样本共386次，其中雨夹雪27个样本、雨106个样本、雪 253个样本。图1给出沈阳城区浑南站2003～2012年近10 a冬季1～3月和11～12月出现的降雨、降雪和雨夹雪天气的样本数，可以看出2010和2012年的降雪天气次数较往年明显增加，降雨天气次数除2005年和2009年外，其余年接近10～15次。自2007年以来，雨夹雪天气有效记录次数呈明显增加趋势。图2给出2003～2012年1～3月和11～12月每月发生降雪、降雨和雨夹雪天气的次数，可以看出12月与1月沈阳地区降水主要以降雪为主，主要因为12月和1月为该地区气温最低月份，其它3个月均能出现雨夹雪和降雨，但主要集中在3月和11月，2月相对较少。
图1 2003～2012年沈阳冬季1～3月
图2 2003～2012年沈阳1～3月和
由于不同降水相态指标的建立主要依据不同高度上的温度和位势厚度，其主要基于探空观测资料进行统计分析。所以所使用的实际分析样本选择08时与20时沈阳浑南站发生降水的样本，表1给出4种天气分型所对应的样本数。
表1 2003～2012年影响沈阳的
2结果分析
根据以往的研究结果[1-2,6-9]，国内早期大多使用850 hPa、925 hPa及近地面2 m温度(T850、T925和T2 m)建立不同降水相态的预报指标，但仅仅使用温度并不能很好地界定降水相态。不同高度上的位势厚度表示空气从一个高度抬升(或下降)到另外一个高度所吸收(或释放)的能量，实际上在一定程度上反映了2层大气间的冷暖状况。结合以往的研究[3-5,9-10]，本文引入700 hPa与1 000 hPa及850 hPa与1 000 hPa间的位势厚度(H700-1000和H850-1000)，用来建立不同降水相态的预报指标。
2.1不同天气形势下的温度统计特征
降水相态的主要影响要素仍然为温度，但不同降水相态的转变不仅与近地面温度有关，还与整层大气温度的垂直结构有直接的关系。所以，以往的研究内容也大多使用了不同高度上的温度建立降水相态的预报指标[11]。在建立沈阳冬季降水相态的预报指标时，考虑了850 hPa高度上的温度(T850)、925 hPa高度上的温度(T925)与近地面2 m高度上的温度(T2 m)，用来对比分析不同天气形势条件下不同降水相态对应的3个温度要素的差异。
图3为4种天气分型情况下降水相态为雨和雪时T850、T925和T2 m的分布，由于冷高前部型天气降水相态基本为雪，降雨样本很少，所以图3a中只给出降雪样本的温度变化。统计结果显示冷高前部(图3a)降水相态为雪时一般满足T850≤-11 ℃、T925≤-10 ℃和T2 m≤-2 ℃，26个降雪样本中仅有3个样本未满足上述条件。对于蒙古气旋天气形势(图3b)，降水相态为雪时一般满足T850≤-5 ℃、T925≤-4 ℃和T2 m≤-1 ℃；当降水相态为雨时一般满足T850>-7 ℃、T925>-5 ℃和T2 m>-1 ℃；当-7 ℃
2.2不同天气形势下位势厚度统计特征
常规的08时与20时探空资料所得的温度只是不同标准高度层上的温度，不能用来识别2层之间或整层大气的温度状况。根据大气静力学方程，气压层之间的厚度与2层间的平均温度成正比，平均温度越高，对应2层之间的厚度也就越大，即气压层之间的厚度能体现2层间大气的整体冷暖情况。所以，2层间的位势厚度也常常被用来建立降水相态的预报指标，即通过比较这些厚度可得出降水类型的阈值以提供不同相态降水的信息[15-16]。
图3 冷高前部(a)、蒙古气旋(b)、华北—河套气旋(c)和倒槽—江淮气旋(d)
图4给出4种天气分型对应的降水相态为雪和雨时H700-1000和H850-1000的箱线图，方框中的横线代表中位数，方框的上下边界分别代表样本数第一四分位数和第三四分位数，由于冷高前部型降雨样本较少，所以没有给出相应的箱线图。可以看出，4种天气分型对应的降水相态为雨时，H700-1000与H850-1000均比降水相态为雪时大，即降水相态为雨时整层空气相对较暖，对应位势厚度也较大。蒙古气旋、华北—河套气旋和倒槽—江淮气旋型降水相态为雨时H700-1000和H850-1000最小值都比降水相态为雪时的第三四分位数大，即当H700-1000和H850-1000小于第三四分位数时降水相态基本可以判别为雪。降水相态为雪(雨)时，华北—河套气旋H700-1000和H850-1000的中位数最大，分别为2 770 gpm(2 880 gpm)和1 275 gpm(1 335 gpm)，冷空气强度相对最弱。冷高前部天气形势下，降水相态大部分为雪，H700-1000和H850-1000的中位数最小，分别为2 710 gpm和1 230 gpm，冷空气强度最强。降水相态为雪(雨)时，蒙古气旋和倒槽—江淮气旋形势下，H700-1000和H850-1000相近，H700-1000和H850-1000中位数差值均<20 gpm(雪)和10 gpm(雨)，特别是降雪相态时两者H850-1000中位数相同。
图5给出4种天气分型下降水相态为雪和雨的不同样本H700-1000和H850-1000的分布。可以看出冷高前部型(图5a)与其他3种天气分型对应的H700-1000和H850-1000有较大差别，冷高前部天气形势下只给出降雪天气位势高度的分布特征，对应降水相态为雪时一般同时满足H700-1000≤2 750 gpm、H850-1000≤1 270 gpm；蒙古气旋型(图5b)对应的降水相态为雪时一般同时满足H700-1000≤2 780 gpm、H850-1000≤1 280 gpm，降水相态为雨时同时满足H700-1000>2 770 gpm、H850-1000>1 290 gpm；华北—河套气旋型(图5c) 降水相态为降雪时同时满足H700-1000≤2 850 gpm、H850-1000≤1 300 gpm，降水相态为雨时同时满足H700-1000>2 770 gpm、H850-1000>1 290 gpm；倒槽—江淮气旋型(图5d)样本数相对较少，但也呈现出比较明显的特征，降水相态为降雪时同时满足H700-1000≤2 800 gpm、H850-1000≤1 290 gpm，而降水相态为雨时同时满足H700-1000>2 770 gpm和H850-1000>1 290 gpm。
图4 冷高前部、蒙古气旋、华北—河套气旋、倒槽—江淮气旋天气形势下
图5 冷高前部(a)、蒙古气旋(b)、华北—河套气旋(c)、倒槽—江淮气旋(d)型
2.3沈阳降水相态判别指标建立
表2给出冷高前部、蒙古气旋、华北—河套气旋和倒槽—江淮气旋4种天气分型下降水相态为雪和雨时不同高度上的温度和位势厚度的预报指标。从3个高度上温度的降雪指标来看，冷高前部的指标与其他3种天气形势的指标差异相对较大，不同高度上的温度均低于其他3种天气形势的指标，其中T850和T925偏低5～6 ℃。对于其他3种天气形势的指标，降雨样本数比较少，但就这几个样本而言，T850指标相差1 ℃，华北—河套气旋T850偏低，倒槽—江淮气旋T925和T2 m偏高。对于位势厚度指标，降水相态为雪时，不同天气形势的H850-1000相差30 gpm，H700-1000相差则达到100 gpm，这充分说明850 hPa以上的中高层冷暖情况对降水相态预报具有很好的指示作用。对于不同天气分型，冷高前部的位势厚度和温度指标比较一致，位势厚度也较其他3种天气形势偏小，特别是H700-1000，且华北—河套气旋的位势厚度指标也表现出与温度指标相似的情况。具体应用中在考虑温度指标的同时也应充分考虑H700-1000指标。
表3给出国内最新相关研究建立的预报指标，用来分析不同地区降水相态预报指标的共性与差异，为沈阳市以及其他地区降水相态预报指标的建立和应用提供指导。可以看出虽然统计样本来自不同研究区域，但从温度指标来看，不同地区的T850存在较好的一致性；从位势厚度指标来看，不同地区的H700-1000和H850-1000也具有很好的一致性。具体来看，南部地区(中国东南部地区和江苏省)降雪的T850温度指标较北方(北京、山西和丹东)偏高1 ℃，相比之下，近地面的温度指标(T925和T2 m)并不完全一致，当T925的温度<-2 ℃，T2 m的温度<0 ℃时，降水相态一般为雪。结合表2可以看出这些指标与本文建立的指标相比相对偏高。从位势厚度指标来看，虽然样本来自于不同地区，但H700-1000、H850-1000指标之间的差异并不明显。但相对于温度指标而言，H700-1000、H850-1000差异较大，也便于分辨。同样对比以往的降雪指标与本文建立的指标发现，对于不同天气分型H700-1000与以往的指标存在一定的差异，而H850-1000与以往的指标有很好的一致，不同天气分型条件下的差异较小，这也同时反映了在位势高度指标建立时应重点考虑850 hPa高度以上的温度条件，即H700-1000，从而更加有利于降水相态的准确把握。
表2 不同天气分型下降水相态为雪、雨时温度与位势厚度指标
表3 以往研究文献中降水相态的判据
为了检验预报指标对实际降水相态预报的指示意义，选择2013～2014年1～3月和11～12月08时与20时降水样本进行检验。表4给出分别使用位势厚度和温度指标判断正确和错误的样本数。可以看出22个降水样本，利用温度和位势厚度指标检验的准确率均为90.9%，而降水相态判断出错的样本主要为华北—河套气旋天气形势，且均不能同时满足相应的温度与位势厚度指标。所以在实际应用时，不仅需要将2种指标结合使用，且降水相态判别出现差异时，还需引入其他判别方法。而根据以往的预报指标，如果不对天气进行分型，利用850 hPa、925 hPa和地面温度分别为-4 ℃、-2 ℃和0 ℃直接作为降水相态预报判别指标，准确率仅为77.3%。可见，将天气形势分型后，单独利用温度指标或位势厚度指标判别都较以往的指标显示出一定的优势，将二者结合，对降水相态的预报具有很好的指导意义。
表4 分别使用温度和位势厚度指标对2013～2014年沈阳冬季降水样本相态的检验
3小结
(1)基于不同的天气分型，利用T850、T925和T2 m建立了沈阳不同降水相态的预报指标，通过4种天气分型条件下降水相态指标的对比得到冷高前部天气形势下一般发生降雪天气，蒙古气旋相对华北—河套气旋型温度更低，同时倒槽—江淮气旋西南路系统较西路系统更冷，这可能与相对湿度较高或冷涡天气控制有关。
(2)不同标准高度间的位势厚度反映了一定高度层之间空气的冷暖情况，比只选择某一层或几层上的温度作为判别指标更有代表性意义。针对不同天气分型的位势厚度进行统计分析，基于H700-1000和H850-1000建立不同降水相态的预报指标，结果表明位势厚度不仅能反映温度指标的一些特征，且较温度指标更易分辨降水相态，特别是中高层H700-1000与低层温度指标的综合使用能更好地判别降水相态。
(3)建立的预报指标虽然绝大多数与以往研究得到的指标有很好的一致性，但由于引入天气分型，较以往研究指标更为细致，也更具有指导性作用。通过对2013～2014年的降水样本进行检验后发现，根据天气分型建立的降水相态预报指标更加可靠。
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Analysis on Precipitation Phase Characteristics and Its Forecast Methods of Shenyang
DUAN Yunxia1,2, LI Deqin3, LI Dawei1, LIANG Hong1, CHAI Xiaoling1, ZHANG Shuai1
(1.ShenyangMeteorologicalBureauofLiaoningProvince,Shenyang110168,China;2.CollegeofAtmosphereScience,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;3.ShenyangCentralMeteorologicalObservatory,Shenyang110016,China)
Abstract:Based on surface conventional observation data and sounding data from January to March and November to December during 2003-2012 at Hunnan station of Shenyang, the weather circulation influencing Shenyang was classified into four patterns including the front of cold high pressure, Mongolia cyclone, North China-Yellow River cyclone and the inverted trough-Changjiang-Huaihe cyclone firstly, then on the basis of that, the identification criterions of different precipitation phase in winter of Shenyang were established. By comparing the identification criterions of different precipitation phase, it was found that there were significant differences in temperature and geopotential thickness for different precipitation phase under different weather patterns. The strength of cold air was strongest under the front of cold high pressure situation, and temperature was lower and geopotential thickness was thinner than those under other weather situations. However, temperature and geopotential thickness could be used to distinguish precipitation phase of the other three weather patterns quite well. It was more likely to distinguish precipitation phase with geopotential thickness than that with temperature only, especially the geopotential thickness between 700 hPa and 1 000 hPa. Finally, by comparing the identification criterions with the past work, though the identification criterion in this work was more close to the past, it was more conductive to distinguish precipitation phase and make more accurate prediction based on weather patterns.
Key words:synoptic patterns; precipitation phase; identification criterion; geopotential thickness
中图分类号：P457.6
文献标识码：A
文章编号：1006-7639(2016)-01-0051-07
doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0051
作者简介：段云霞(1983-)，女，内蒙乌兰察布人，博士研究生，主要从事雷达资料反演、台风数值模拟研究. E-mail：yxduan@163.com通讯作者：李得勤(1981-)，男，甘肃民乐人，博士，主要从事中尺度天气、陆面过程和区域气候模拟研究. E-mail：lewen05@hotmail.com
基金项目：国家自然科学基金“参数优化和数据同化用于土壤湿度估算研究”(41105064)和“辽宁省强对流专家型预报员团队”共同资助
收稿日期：2015-04-25；改回日期：2015-06-29
段云霞，李得勤，李大为，等.沈阳降水相态特征分析及预报方法[J].干旱气象，2016，34(1)：51-57, [DUAN Yunxia, LI Deqin, LI Dawei, et al. Analysis on Precipitation Phase Characteristics and Its Forecast Methods of Shenyang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):51-57], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0051
