多普勒雷达资料在强降雪相态转变过程的研究应用

周 涛，李 娜，王清川，杨 帅，张玉婷

（1.廊坊市气象局，河北 廊坊065000；2.衡水市气象局，河北 衡水053000）

对于华北地区，冬末春初对降水相态的把握是降水预报中的重要要素，也是精细化预报服务进一步提高所遇到的瓶颈问题之一。目前，国内很多学者运用多种方法对降水相态转变做过研究[1-5]，如湿球温度、微波辐射计等。河北省内对降水相态的研究成果也颇丰，段宇辉等[6]发现700 hPa强冷平流的出现及其中心的迅速下降，对雨转暴雪天气过程的短时预报有明显指示意义。杨晓亮等[7]得出，只有保证云中冰雪层有一定厚度，才能实现雨雪相态的转变。张南等[8]通过温度的垂直结构辨别相态。李江波等[9]在研究中得到河北地区雨雪相态发生转变时各层的温度阈值，也是目前廊坊本地预报雨雪相态转变的重要依据。李江波等[8-10]均发现零度层亮带高度的迅速下降，与降水相态的转变有密切关系。上述研究成果对本地降水相态转变预报有一定参考性，在实际应用过程中，受地理位置、环境因素及地形条件等影响，仍存在一定偏差，需要定量研究北京雷达出现零度层亮带高度迅速下降与廊坊各地面观测站发生雨雪相态转变时间对应的关系。且大多数研究成果侧重对转雪前的零度层亮带变化特征进行分析，在雨转雨夹雪前的相关特征研究较少，没有得到确切的结论。

2020年2月14日在河北廊坊地区的一次大范围强降雪天气过程中，过程前期多次出现雨转雨夹雪，雨夹雪转雪现象，降雪落区预报与实况较为接近，但由于未能准确预报雨雪转换时间，加之模式水汽条件预报出现较大偏差，导致部分站点降雪量预报偏小一到两个量级，使得精细化预报服务效果受到影响。在水汽条件分析预报方面，本地现有的实况资料和数值模式在水汽的监测和预报中均无法直观得到其来源、路径以及贡献，对强降雪预报准确率有一定影响，因此，需要探索研究不同的方法对本地水汽条件和雨雪相态转变特征进行分析。本文通过引入HYSPLIT模式，对强降雪地区的气块进行追踪模拟，在现有资料的基础上增加水汽条件分析预报依据。熊秋芬等[11-13]运用HYSPLIT模式有效地对暴雪区的水汽来源及路径进行追踪，效果显著。通过对雷达回波特征详细分析，使本地雨雪相态转变时间定量化，在完善现有预报指标的基础上，进一步提升本地大范围强降雪的精细化预报服务水平。

1 资料和方法

选取2020年2月14日河北廊坊的一次大范围强降雪过程，通过对北京多普勒雷达特征进行详细分析，探索零度层亮带高度迅速下降与廊坊本地雨雪相态转变时间对应的关系。同时采用美国NOAA空气资源实验室开发的HYSPLIT模式[14-15]，即拉格朗日混合单粒子轨道模式，对强降雪地区气块进行模拟追踪。数据来源于全球资料同化系统（GDAS）6 h一次的分析资料，水平分辨率1°×1°，时间步长为1 h，逐小时输出一次轨迹点的位置及相应位置上气块的物理属性（气压、相对湿度、比湿等）。相比常规方法，该方法可以更直观地得到降水区的水汽来源、路径及贡献。

2 天气概况及简要形势分析

2020年2月14日03：00—20：00，受500 hPa槽、中、低空急流、低空切变线、地面倒槽和地面冷锋（图1）的共同影响，河北廊坊地区陆续出现雨转雨夹雪、雨夹雪转雨多次转变（表1），再转大雪到暴雪天气，最大降水量为29.1 mm（固安），最大降雪量为12.8 mm（三河），除廊坊南部的文安是中雪，其余站为大雪到暴雪（图2），积雪深度普遍在3～7 cm，最大为10 cm（三河），过程最大小时降水量出现在固安的04：00—05：00，为9.2 mm（雨）。根据观测站记录，14日05：30前降水相态均为雨，05：32—06：05固安、三河、香河和大厂先后首次出现雨转雨夹雪，其余各站首次出现雨转雨夹雪的时间均在08：20之后，转雪时间早晚大致呈现自西向东，从北到南分布。

图2 2020年2月14日廊坊市各地面气象观测站雨雪转换时间及降雪量

表1 2020年2月14日廊坊各站出现雨转雨夹雪起止时间

图1 2020年2月13日20时高低空系统

3 基于HYSPLIT模式的水汽条件分析

在对本次过程模拟起点选取时，综合考虑廊坊各站的地理位置、降水量大值区及降水时间。选取14日08：00廊坊北部的大厂（116.98°E，39.88°N），垂直方向上选取800、1 500、3 000和5 500 m（分别代表925、850、700、500 hPa）4个高度作为模拟的起始高度，进行96 h后向轨迹模拟（图3），并对其水汽路径及贡献进行分析。

500 hPa的水汽来自中亚地区，最终从新疆沿西北路径抵达大厂（图3）。比湿前期维持在2～3 g/kg，经过新疆后缓慢下降，在降水开始前（13日20时）为1.6 g/kg。700 hPa的水汽来自青藏高原，在经过四川盆地后比湿迅速增大，到降水开始前一直维持在6 g/kg左右。850 hPa的气块来自东海，初始携带较多水汽，在进入内陆地区后比湿有所下降，但经过长江流域水汽又得到补充，最后经过渤海到达大厂。925 hPa的水汽来自蒙古西部，源地是干空气，到达大兴安岭南侧后折返，从河北东部进入大厂，比湿一直维持在3 g/kg以下（图4）。因此，对大厂本地来说，此次过程中700、850 hPa分别带来偏南和偏东的暖湿气流，水汽贡献较大。

图3 2020年2月14日08时大厂（图中★）4个高度层96 h气块后向轨迹

图4 2020年2月14日08时大厂4个高度层96 h后向轨迹气块比湿

4 多普勒天气雷达特征分析

4.1 基本反射率因子

分析北京雷达0.5°仰角反射率因子，14日02：36，从北京上空东移的回波开始陆续扫过廊坊的三河、大厂、香河，回波呈块状，最强反射率因子达到45 dBZ。03：18廊坊中南部大部分地区上空开始出现回波，03：48固安出现40 dBZ以上的强回波，强回波范围不断增大，持续时间近1 h，回波结构密实，最强反射率因子＞50 dBZ，与地面最大小时雨强相对应。之后回波东移，强度有所减弱，廊坊上空的回波反射率因子＜35 dBZ，到09：00，随着降雪的开始，回波强度进一步减弱，基本在10～20 dBZ。总体来看，在降雨时段回波呈块状，结构密实，反射率因子强度大；在雨转雨夹雪初期，反射率因子强度无明显变化，到雨和雨夹雪交替时段，反射率因子整体较降雨时段有所减弱；到降雪时段，回波呈片状，反射率因子强度明显减弱。

4.2 径向速度

从3.4°仰角径向速度图上看到，13日23：42低层开始出现弱的风速辐合，偏东风超低空急流短暂建立后转为东南风超低空急流，高度位于800 m附近，超低空急流区最大径向速度超过20 m/s，超低空急流持续近5 h后高度逐渐上升，转为低空急流。14日02：30出现“牛眼”结构，在25 km距离圈内正、负速度区面积相当的情况下，最大入流速度区面积明显大于最大出流速度区面积，低层风速辐合加强，“牛眼”结构持续近1.5 h，高度在0.6～1.4 km（图5a），表明有较强的水汽输送，在此期间，零速度线在低层与径向线平行，为东南风，在距离雷达12～25 km，高度在0.8～1.6 km呈“S”型，表示在该高度上有暖平流，对应廊坊地面降水相态为雨。在04：18，零速度线形状开始转变，06：00在雷达附近出现较大折角（图5b），此时雷达站北侧贴地层转为偏北风，东侧为偏东风，结合地面形势及风廓线资料，分析得出锋面过境时间在06：00前后[16]，此后经过雷达的零速度线沿逆时针方向旋转，转为反“S”型（图5c），表明此时低层出现冷平流，对应廊坊中北部开始出现雨夹雪。其中东南风低空急流从05：00一直持续到08：30，整个过程中风速辐合共持续9 h左右。其中在04：18—06：06，固安上空出现西南风低空急流，最大径向速度达到20 m/s。10：30零速度线再次转变，低层逐渐转为东北风，此时上述7站地面降水相态均已转为雪。长时间的速度辐合和低空急流、超低空急流的长时间维持，以及锋面过境造成的高低空冷暖平流配置均为本次强降雪提供了很好的条件。

从零速度线特征分析，14日08：48开始0.5°仰角零速度线趋于闭合，到09：48，2.4°及以下仰角出现零速度线闭合，低层东北急流逐渐减弱消失，低空急流上部的西南风向低层逐步渗透，此过程中，在雷达西南象限5.5～7.0 km高度上出现速度模糊（图5d），西南风风速加大，强盛的西南急流使云层中的云雨粒子主要呈液态，地面表现为降雨或雨夹雪，随着西南急流强度有所减弱，低层东北风逐渐增强，结合风廓线资料，10：24在1 km以下出现东北急流，低层东北急流一直持续到15：36（图6），在低层东北风加强的过程中，零速度线在高仰角也逐渐出现闭合，由于低层冷空气侵入增强，云中云雨粒子相态逐步转为固态，地面开始呈现降雪，与廊坊中北部各站转雪时间（图2）相对应。到12：18零速度线在0.5°～6°仰角全部闭合，低层为东北急流，中高层为西南急流。低仰角时闭合区域较大，随着仰角的增高闭合区域逐渐减小。闭合零速度线反映了近地面层和中高层之间由强势风和相反方向急流造成的风切变，闭合越完整，表明切变越强烈[17]。整层零速度线闭合时间一直持续到12：48（图7），随后零速度线在低仰角逐渐不再闭合，14：30之后在高仰角也逐渐不再闭合，14：48闭合零速度线彻底消失。在出现零速度线闭合时段内，降雪强度较大，地面小时雪强普遍在1～3 mm/h，且闭合越完整，降雪强度越大，而在零速度线闭合特征消失后，降雪强度明显减弱，小时雪强均在＜0.5 mm/h。可见当低层为东北急流，中高层为西南急流时，出现零速度线闭合特征，对强降雪有很好的指示意义，同时也验证了胡玲等[17]对天津暴雪过程的多普勒雷达特征研究结果，若不满足这一前提条件，“零速度线闭合特征”对降雪的指示意义还需进一步讨论。

图5 2020年2月14日3.4°仰角02：30（a）、06：00（b）、08：36（c）和08：54（d）径向速度特征

图6 2020年2月14日3.4°仰角12：30（a）、13：30（b）和14：42（c）径向速度特征

图7 2020年2月14日12：36零速度线闭合特征

4.3 零度层亮带

“零度层亮带”是天气雷达判断层状云降水或层状—积云混合降水的一个重要特征。零度层亮带以上100～300 m处为0℃层高度，云雨粒子在0℃层上为固态，层下为液态，所以可以通过“零度层亮带”高度估计地面降水粒子的相态。14日04：42，在4.3°仰角反射率因子图上，距离雷达17～25 km出现不规则圆弧状亮带（图8），反射率因子在30～40 dBZ，2个体扫后，圆弧状亮带变宽，呈现出较为完整的“零度层亮带”，高度在1.6～2.3 km，其中沿雷达径向方向经过固安的圆弧亮带高度在1.5～1.8 km，经过三河的圆弧亮带高度在1.5～2.0 km。05：00固安处的零度层亮带高度迅速下降到1.1～1.5 km，三河处的亮带合并变为片状不再清晰，随后零度层亮带变得模糊不易识别。05：12再次出现圆环状亮带，高度在1.5～1.8 km，2个体扫后局部回波增强，最强反射率因子超过45 dBZ，“零度层亮带”高度基本不变，一个体扫后亮带又变得模糊无法识别。05：30之前，廊坊全市均为降雨，05：32固安首次出现雨转雨夹雪，其他站点仍为降雨。05：36再一次出现可识别的“零度层亮带”，高度在1.9～2.4 km，较之前“零度层亮带”的高度有所上升，最强反射率因子仍超过45 dBZ，此时固安处于雨和雨夹雪交替出现阶段，其他站点仍为降雨，到05：48无法再识别“零度层亮带”，至此，间歇性出现的“零度层亮带”彻底消失，此时只有固安和三河两个站出现雨转雨夹雪，其他站点仍为降雨，在随后的20 min，香河和大厂也先后出现雨转雨夹雪。

图8 2020年2月14日（4.3°仰角04：42—05：48（a～l））雷达反射率因子演变

不规则“零度层亮带”持续近1 h，期间亮带呈圆弧或圆环状间歇性出现，“零度层亮带”的强度变化不大，对于“零度层亮带”高度的变化，本次过程中只观察到一次下降和一次上升，且没有观察到持续下降过程，“零度层亮带”出现下降后半小时，固安出现雨转雨夹雪，而在“零度层亮带”高度出现上升时，固安处于雨和雨夹雪交替出现的状态，在此阶段内，其他站点均为降雨。

07：24在4.3°仰角上第二次观察到“零度层亮带”，较第一次更加不完整，呈半圆弧状，高度在2.2～2.6 km，之后零度层亮带高度迅速下降，根据北京探空资料显示，14日08：00，0℃层高度在180 m，08：30“零度层亮带”接地，在零度层亮带高度迅速下降半个小时左右后，距离雷达站较近（百公里以内）的7个站陆续由雨或雨夹雪转为雪。9个站转雪先后顺序（图2）：香河（距离北京雷达45 km，下同）、永清（54 km）、固安（43.8 km）、霸州（79 km）、市区（37.9 km）、大厂（44.8 km）、三河（54.9 km）、文安（105 km）、大城（124.4 km）。通过对比各站转雪时间，发现转雪时间大致呈现自西向东、从北到南分布。在距离雷达40～80 km的各站，均在零度层亮带高度迅速下降后30 min～1 h先后完成了雨雪相态转变。文安站和大城站距离北京雷达已超过100 km，运用北京雷达分析误差较大，此法不再适用。值得注意的是，利用“零度层亮带”高度的变化来预报地面降水粒子相态，还需要考虑雷达特征（波长、灵敏度、探测距离等）、地表状态（植被、地形等）和日变化等因素。

5 结论

通过对河北廊坊地区2020年2月14日强降雪过程中相态转变特征进行分析，得出以下结论：

（1）应用HYSPLIT模式对强降雪地区进行气块后向追踪模拟，分别得到500、700、850、925 hPa高度层的水汽来源、路径及贡献，其中，700、850 hPa暖湿气流对降水的水汽贡献较大。

（2）此次强降雪过程中，有反射率因子强度大、持续时间长、较强径向速度辐合以及中、低空急流、超低空急流长时间维持等雷达回波特征。

（3）零速度线闭合状态反应了低空急流与中高空急流（气流）发展对峙消亡等状态，对地面降水相态变化的临近预报有较好指示意义。在雨转雨夹雪初期，反射率因子强度较降雨时无明显变化，到雨和雨夹雪交替出现阶段，反射率因子强度有所减弱，同时“零度层亮带”间歇性出现，可能预示着降水相态的不稳定；在雨转雨夹雪过程中，零速度线转为反“S”型。

（4）当“零度层亮带”高度迅速下降后30 min～1 h，距离北京雷达40～80 km的廊坊7站先后发生雨雪相态转变，对本地在雨雪相态预报中有一定指导意义。雨和雨夹雪发生多次相态转变，期间“零度层亮带”间歇性出现，持续时间较长，是否是导致第二次零度层亮带（转雪前）不明显的一个原因，有待探讨。

（5）第一次出现的“零度层亮带”，并未观察到持续的零度层亮带高度的下降过程，可能是由于空中冷暖空气的势力发生了翻转（不是冷空气持续增强）或出现了局部对流增强（破坏零度层亮带生成条件）。

（6）在固安处于雨和雨夹雪交替出现的时间段内，只观察到一次“零度层亮带”高度的上升，是否是由于在此期间，0℃层在某一区间反复波动，且上升和下降幅度较小，造成雨和雨夹雪的交替出现，而雷达图的时空分辨率较低，对局地短时精细现象不一定都能观察到。