冬奥会张家口赛区一次降水相态特征分析

马梁臣 马洪波 张曦丹 陈子健 李江波

(1.吉林省气象台,吉林 长春 130062； 2.东北冷涡研究开放重点实验室,辽宁 沈阳110166；3.张家口市气象局,河北 张家口 075000； 4 河北省气象台,河北 石家庄 050021)

引言

2022年北京冬季奥林匹克运动会(冬奥会)和冬季残疾人奥林匹克运动会(冬残奥会)共有3个赛区，分别是北京赛区、延庆赛区和张家口赛区，其中张家口赛区位于张家口市崇礼区。冬奥会和冬残奥会中雪上项目受气象条件影响较大，降水、气温、湿度、能见度、风等气象条件对赛事活动、日程安排、造雪和储雪以及运动员发挥都可能产生影响，一些极端天气可能导致赛事的延误或改期。降水相态对比赛也有较大影响，新雪蓬松，不利于滑雪运动员掌握平衡，暴雪会使能见度明显降低，雨夹雪会导致积雪出现冰晶层，降雨对雪道的积雪和人工造雪均有较大的破坏作用。

目前已有一些学者针对冬奥会赛区气象条件进行了研究[1-3]。研究主要集中在延庆的小海坨山，分别从复杂地形综合气象观测试验、在线耦合中—微尺度WRF-LES模式和地面风场统计特征进行研究。然而针对赛区雨雪相态的研究仍然较少。当近地面大气温度接近0 ℃左右时，降水有可能以冻雨、雪、雨夹雪或霰等固态降水的形式出现。这类降水事件常与寒冷、冰冻天气紧密相关，极易造成基础设施结冰和严重的低温雨雪冰冻灾害等[4]。国内外对降水相态变化及可能成因的研究开展较多[5-8]。由于降水的相态与温度的分布特征关系密切，很多学者从降水相态的温度判据方面进行了细致研究[9-12]，部分研究发现不同层次的厚度差和整个对流层低层的温度平流状况对降水相态有重要指示意义[13-14]。也有一些学者利用天气学诊断方法分析雨雪相态转换和降水强度的预报指标[15]。风廓线雷达等新资料也在雨雪相态转换天气过程中得到了应用[16-19]。

2020年11月17—19日冬奥会张家口赛区出现一次明显的雨转雪天气，本次过程持续时间长、雨雪范围广、赛场降雪强、降水相态复杂，对雪道、赛场的施工、气象观测设备、交通和日常生活造成了不利影响。目前针对复杂地形和高海拔下的降水相态的认识仍不够，尤其缺乏冬奥会张家口赛区的降水相态的预报经验指标。本文针对此次天气过程从环流形势、温湿度分布、微物理特征和雷达特征等方面对降水相态特征进行分析。

1 资料与方法

选用2020年11月17—19日ERA5 0.25°×0.25°高分辨率再分析资料、张家口常规探空资料和北京冬奥会张家口赛区气象观测站网(冬奥气象观测站网)资料。其中冬奥会气象观测站网资料包括云顶赛场的云顶2号站(B1627)和云顶山底站(B3019)、越野赛场的越野3号站(B1650)、冬季两项赛场的冬两4号站(B1646)。北京敏视达脉冲激光雷达WindSmarter-10H布置在太子城站(115.44°E、40.92°N，海拔高度为1589.9 m)，时间分辨率为2—4 s，观测高度在58—1528 m间分辨率为30 m。CFL-06L风廓线雷达布设在崇礼气象观测站内(115.27°E、40.95°N，海拔高度为1230 m)，连续提供150—6000 m探测高度范围内的大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等，扫描时间6 min，探测模式为低模、高模1和高模2模式。观测站位置见图1。采用天气学分析、对比分析等方法分析此次降水相态特征。

红色数字为海拔高度图1 张家口赛区观测资料位置及海拔高度信息Fig.1 Position and altitude information of observation stations in Zhangjiakou competition area

2 结果分析

2.1 天气实况

2020年11月17—19日冬奥会张家口赛区出现一次明显的雨转雪天气，其中云顶山底站累计降水量达27.1 mm、云顶2号站26.9 mm、越野3号站24.8 mm、冬两4号站24.4 mm、崇礼气象站28.6 mm。降水在18日00—01时(北京时，下同)开始，一直持续到19日23时前后。根据冬奥气象预报服务团队队员观测的相态大致转换时间，18日12时前赛场以雨为主，12—14时为雨夹雪或雪，14时之后转为纯雪。崇礼气象站在18时30分转为纯雪，较赛场晚4—5 h。其中云顶山底站纯雪10.5 mm以上，达到暴雪量级。云顶赛场降水量略大于越野和冬季两项赛场。从图2a张家口赛区代表站点降水量时间变化曲线可以看出，降水主要集中在18日02—17时，14时转雪后强度仍较大，18日16时最大雪强达2.8 mm·h-1。随着干冷空气的入侵(图2b)，18日17时前后温度和相对湿度开始明显下降，降水量也明显减小。干冷空气控制后，云顶赛场的降水量略大于越野和冬季两项赛场，之前两个赛场差异较小。受较明显天气系统影响期间，云顶赛场的温度低于越野和冬季两项赛场，湿度高于越野和冬季两项赛场。降水减小后温湿度出现日变化特征。

图2 张家口赛区代表站点逐时降水量(a)和温湿度(b)时间变化Fig.2 Time series of precipitation (a),temperature and relative humidity (b) at representative stations in Zhangjiakou competition area

2.2 环流特征和影响系统

2020年11月17日20时(图3a)500 hPa中高纬度为两槽一脊形势，内蒙古中南部有一浅槽，槽后有明显的冷平流，有利于槽的快速加强发展。崇礼(冬奥会张家口赛区所在区县)位于高空槽前，槽前为正涡度平流区，在地转偏向力的作用下产生高空辐散并有暖脊配合，处于明显的西南气流中。18日20时(图3b)高空浅槽东移加强发展，槽南部的等高线密集，槽后部仍有冷平流存在。

2020年11月18日08时(图4a)700 hPa在内蒙古中南部有一低空低涡，崇礼位于低涡前部，有明显的西南暖湿急流，在河北北部形成风速辐合线，此时河北大部均在暖区内，冬奥赛场温度在-1 ℃左右，降水相态为雨。14时(图4b)低涡东移南下，崇礼位于低涡中心附近偏南部，700 hPa槽线接近赛场，700 hPa温度低于-2 ℃，此时赛场降水相态开始由雨转为雪，崇礼县城仍以雨为主。20时(图4c)低涡进一步东移，崇礼位于低涡后部，有明显的干冷平流影响，700 hPa温度为-4 ℃，崇礼附近仍有横切变线存在，此时冷空气已经入侵，降水相态赛场及县城附近均以雪为主。从3个时次的(图4d、图4e和图4f)850 hPa温度场和3 h变温分布可以看出，降雨时(18日08时)崇礼附近850 hPa温度为3 ℃左右，3 h负变温在1 ℃以内；雨雪转换时刻(18日14时)850 hPa温度为2 ℃左右，3 h负变温达到2 ℃；降雪时(18日20时)850 hPa温度为0 ℃左右，3 h负变温在3 ℃以上。以上分析发现，低层前期的暖湿气流输送为降水提供了较好的能量和水汽条件，后期强的干冷平流为相态转换提供有利条件。赛区出现雨转雪时，700 hPa温度低于-2 ℃，同时850 hPa温度低于2 ℃。

实线为等高线，单位为dagpm；风羽单位为m·s-1；虚线为等温线，单位为℃图3 2020年11月17日(a)和18日(b)20时500 hPa位势高度、风场和等温线Fig.3 Distributions of geopotential height,wind field,and isotherm at 500 hPa at 20:00 on November 17 (a) and 18 (b),2020

虚线为等温线，单位为℃；风羽单位为 m·s-1；700 hPa填色为相对湿度，单位为%；850 hPa填色为3 h变温，单位为 ℃·3 h-1图4 2020年11月18日08时(a)、14时(b)和20时(c)700 hPa形势场和08时(d)、14时(e)和20时(f)850 hPa温度场和变温场Fig.4 Distributions of weather situation field at 700 hPa at 08:00 (a),14:00 (b) and 20:00 (c) and temperature and variable temperature fields at 850 hPa at 08:00 (d),14:00 (e) and 20:00 (f) on November 18,2020

2.3 温湿层结和微物理特征

温度的垂直分布是决定降水相态的重要因素之一。当高空的环境温度在-10～0 ℃之间，一般以过冷却水的形式存在，-10 ℃以下时有利于冰晶颗粒物的成长。图5给出了雨转雪过程距离崇礼最近的张家口探空站探空曲线演变。可以看出，11月18日08时(图5a)-10 ℃线位于540 hPa左右，0 ℃线位于730 hPa左右，800 hPa附近有逆温层，暖层(融化层)深厚，低层东南风风速小，风向随高度顺转，有明显的暖平流，此时地面降水相态以雨为主；11月18日20时(图5b)-10 ℃线位于560 hPa左右，0 ℃线下降到850 hPa左右，700—850 hPa存在弱的等温层，但温度在0 ℃以下，低层风速明显增大，转为西北或偏北风，风向随高度逆转，冷平流已经控制该区域，此时地面降水相态已经转变为雪。从0 ℃层高度的时间变化曲线(图略)可以看出，14时前后赛场的0 ℃层高度降至800 hPa约400 m，地面已经出现纯雪。而且其快速下降也是相态转换的标志。以上分析表明，在地面降水相态由雨转化雪的过程中，高空冰晶层的高度是逐渐下降的，但0 ℃层高度的下降是相态转换的重要温度判据。0 ℃层高度的明显下降，增加了高空固态或固液混合态降水物的存在厚度，在一定程度上减小了融化层的厚度，从而增大了到达地面的降水相态为雪的概率。同时由于赛场的海拔较高(1600—2100 m)，850 hPa(对应高度)已经接近于或到达地面，所以0 ℃线降到地面降水相态已经转变为纯雪，降至800 hPa约400 m地面出现纯雪。

虚线为温度，单位为℃；灰实线为露点温度，单位为 ℃；黑线为状态曲线，单位为℃图5 2020年11月18日08时(a)和20时(b)张家口探空曲线Fig.5 Sounding curves at 08:00 (a) and 20:00 (b) on November 18,2020,in Zhangjiakou area

为了进一步分析降水相态转换风场等特征，图6给出了2020年11月17—19日太子城激光雷达和崇礼风廓线雷达水平风、垂直风速、大气折射率结构常数时间—高度剖面图。激光测风雷达主要探测大气中气溶胶粒子进而得到风的数据，风廓线雷达根据大气中的湍流情况得到风场信息。从图6a太子城激光雷达水平风场中可以看出，风场数据的有无和探测高度与图2a的降水实况关系密切。18日00时前降水未开始，激光测风雷达的探测高度在500 m左右。开始出现降雨后探测高度明显增加，边界层内以西南风为主。08—10时，由于降雨减弱粗粒子减少，加之前期降水对气溶胶粒子的湿清除作用，风场数据明显减少并且高度下降。12—17时，出现相态转换时段探测高度增加，近地层400 m以下转为偏东风。通过以上分析发现，降水对激光测风雷达的探测高度有明显影响，降雪时雷达最大探测高度比降雨时有明显的降低，雨夹雪或雪探测高度在400 m左右，近地层为偏东风时相态比较复杂。

崇礼气象站在18日18时30分转为纯雪，较赛场晚4—5 h。从崇礼风廓线雷达水平风时间—高度剖面图(图6b)可以看出，18日00时前还未出现降雨，近地面为弱偏东风，500 m以上为西南气流，风随高度顺转，有暖平流输送。由于激光测风雷达和风廓线雷达布设位置不同，激光雷达高度要高400 m左右，所以与降水前激光雷达观测到的西南气流结果一致。随着近地面偏东风转为东北风，低层冷垫建立，东南风高度抬升，中高层偏南风和西南气流也开始抬高，降雨天气开始。低层偏东风冷垫随着降雨的持续而逐渐增厚。地面冷锋在18日14时前后过境崇礼，高空的锋区有后倾特征，18日14时之后风向随高度逆时针旋转，有明显的冷平流，低层开始转为偏北风，是赛区出现纯雪时段，此时低层冷垫厚度达1.5 km。崇礼气象站在18日18时偏北风高度达2 km后出现纯雪。降雪开始后最大探测高度较降雨时有一定的降低。综上所述，低层风场的变化和雨雪相态转换关系密切，当低层冷垫中偏北风不断增强，高度增加到1.5 km附近时，降水相态逐渐由雨转为雪。

风廓线雷达探测的垂直速度为相对于雷达垂直方向波束的多普勒径向速度，正的代表朝向雷达的运动，负的代表离开运动，降水发生时风廓线雷达探测的垂直速度主要是降水粒子下落速度。由崇礼风廓线雷达垂直风速时间—高度剖面图(图6c)可以看出，18日00时降水开始前垂直速度小于2 m·s-1，01—02时降水开始时垂直速度迅速升至 4 m·s-1以上，所以垂直速度迅速增大可以表示降水的开始。04时前后和13—15时雨强较强，对应1 km以下垂直速度为6 m·s-1以上，因此降雨强度的变化与垂直速度的变化相对应。崇礼气象站在18日18时30分转为纯雪，垂直速度迅速减小至1—2 m·s-1，产生的原因是降雪粒子的下落末速度比降雨粒子的速度小，相态转换时垂直速度出现迅速下降，所以风廓线雷达探测的垂直速度的变化也能反映雨雪相态的转换。

图6 2020年11月17—19日太子城激光雷达水平风(a)和崇礼风廓线雷达水平风(b)、崇礼垂直风速(c)、大气折射率结构常数(d)时间—高度剖面Fig.6 Time-height profiles of horizontal wind of Taizicheng laser lidar (a) and Chongli wind profile radar (b),vertical winds speed of Chongli (c),and atmospheric structure constant of refractive index (d) from November 17 to 19,2020

大气折射率结构常数(Cn2)用来描述大气湍流运动对电磁波的后向散射能力，它与风廓线雷达参数、温度、湿度、空气脉动等因素有关。由崇礼风廓线雷达大气折射率结构常数时间—高度剖面图(图6d)可以看出，在降水开始后大气折射率结构常数逐渐加大，与垂直速度有较好的对应关系。随着降水相态逐渐由雨转雪，近地面Cn2的值明显减小，而且迅速减小的时间较转为纯雪偏早5 h左右。

雨和雪在相态转换过程会经过复杂的微物理过程，不同的云层分布和温湿度廓线都可能影响粒子落地前的状态(相态和大小)。为了探讨本次过程中地面降水相态类型改变前后的固、液态降水物的垂直分布变化情况，选取崇礼附近的点(41°N，115.25°E)做云冰和云水以及雪水和雨水含量的时间—高度剖面图(图7)。云冰主要存在400 hPa附近，中心在0.2 g·kg-1左右；云液态水主要存在550 hPa以及近地面800 hPa附近，最大值接近0.4 g·kg-1。雪水主要存在700 hPa附近，中心在0.6 g·kg-1左右；雨水主要存在800 hPa以下的近地面，最大值接近0.1 g·kg-1。赛区12时前以雨为主，12—14时混合相态居多，14时后基本转为雪。对应云冰和云水以及雪水和雨水含量发现，高空云冰和雪水含量逐渐增加，在高空云冰和雪水含量出现最大值后，降水相态开始转换。低空的云水和雨水含量逐渐降低，存在高度逐渐下降，雪水存在的高度也在下降。高空开始出现冰晶和雪水后，其下落过程中与过冷却水碰并聚合增长，最后出现雨转雨夹雪。当低层冷空气入侵后，加快了雨水的凝结或凝华使其含量迅速减少，最后出现纯雪。

单位为g·kg-1图7 2020年11月17—19日崇礼附近(41°N,115.25°E)云冰和云水(a)以及雪水和雨水(b)含量的时间—高度剖面Fig.7 Time-height cross-section profiles of the content of cloud ice and cloud water (a) and snow water and rainwater (b) near Chongli (41°N,115.25°E) from November 17 to 18,2020

3 结论

(1)本次雨转雪天气过程在中高纬度为两槽一脊形势，低空低涡为主要影响系统，赛区出现雨转雪时，700 hPa温度低于-2 ℃，同时850 hPa温度低于2 ℃。

(2)低层风向的转向对赛场的雨雪相态转换有一定的指示意义，0 ℃层高度的快速下降是相态转换的重要温度判据，赛场0 ℃线降到距地面400 m左右降水相态已经转变为纯雪。

(3)在高空云冰和雪水含量出现最大值后雨雪相态开始转换，之后低空的云水和雨水含量逐渐降低，存在高度逐渐下降，雪水存在的高度也在下降。当低层冷空气入侵后出现纯雪。

(4)降雪时激光测风雷达最大探测高度比降雨时有明显的降低，雨夹雪或雪探测高度在400 m左右，近地层为偏东风时相态比较复杂。风廓线雷达低层风场的变化和雨雪相态关系密切，风廓线雷达垂直速度的变化也能反映雨雪相态的转换，降水开始后大气折射率结构常数逐渐加大。