基于动态聚类法的安顺降雪环流分型研究

韦 琦，吴哲红，王兴菊，曾 妮，蒙 军

(1.贵州省镇宁县气象局，贵州 镇宁 561200；2.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000)

0 引言

降雪是处于贵州省中西部的安顺市冬季常见的灾害性天气[1]，虽然不像北方地区那么频繁[2-8]，但常常与冻雨天气连接出现，持续时间较长，对工农业生产及人们的生活造成极大影响[9]。但另一方面由于降雪较少出现，在某种程度上成为一种景观，每一次明显的降雪、积雪过程都会引起公众、媒体的高度关注。因此如何准确预报降雪、降雨相态转换、降雪量等显得比较重要。学者对贵州的降雪天气做过很多研究[10-16]，尝试做过分型，但以往的研究主要从大的环流背景出发，分型都比较复杂。

聚类分析方法是运用数学方法对不同的样品进行数学分类的一种客观分型统计方法，K-means动态聚类法是其中用于分型研究的一种[17-20]。本文分析了近10 a安顺市的典型降雪个例，对其中的主要影响系统进行总结，找出关键影响因子，利用K-means动态聚类分析方法，对降雪形势进行分型，并对分型后的形势特征和物理量指标做统计分析，以期对提高冬季降雪相态预报有所帮助。

1 资料和方法

采用2009—2018年10 a间安顺市所辖6个国家气象站观测到的天气实况，将日数据中要素“天气现象”出现“70”字段即认定为1个降雪日，1次过程中全市有3站以上降雪的作为1次区域性降雪过程，所用资料还有MICAPS常规高空观测、地面观测资料、FNL 1°×1°再分析资料。对近10 a安顺的降雪过程开展天气学诊断分析和统计分析，重点分析降雪出现的前一时次天气形势。为便于总结预报模型，降雪主要出现在夜间的天气形势重点分析20时，主要出现在白天的重点分析08时，持续降雪则分析20时和08时；对降雪的时空分布，物理量场，地面海平面气压场、500 hPa、700 hPa、850 hPa高度场、风场、温度场分布等特征开展分析，找出关键指标和典型个例。

分类方法采用基于关键影响因子进行K-means动态聚类，进行迭代分类，采用最短距离法将所有个例分类。分类后应用个例检验和方差检验，如果分类与典型个例有明显差异，且分类后组内方差异常增加的需进行调整。

挑选了近10 a的典型区域性降雪天气过程共14次，利用常规观测资料，FNL 1°×1°再分析资料，对这些个例开展合成分析和个例分析。

多位学者结合个例的分析研究表明：高原南北侧的槽东移是引发我国中东部地区降雪的重要系统[21-22]，因此将500 hPa高度场作为关键因子，开展动态聚类分析。

设置80～120°E，20～35°N为关键区域，采用关键区内高空观测站的500 hPa高度序列作为关键因子，相似性度量采用距离系数中的欧氏距离(公式1)，计算采用DPS数据处理系统。

(1)

2 3类分组的合成分析

通过统计分析得到3种类型的分组：Ⅰ型4个，占29%；Ⅱ型仅有3个，占21%；Ⅲ型最多，7个，占50%。

个例分析中3类影响系统下降雪出现的强度、区域和持续时间等都有较为明显的不同。

Ⅰ型个例在高原东侧到贵州气流基本平直，仅有小波动东移(以下称为平直型，简称Ⅰ型)。这种形势下，有利于滇黔准静止锋维持少动，天气以冻雨为主，仅在有小波动东移时造成雨夹雪。分析表明这种形势下往往为长时间低温雨雪冰冻过程中出现的阶段性降雪过程，天气现象以冻雨伴雨夹雪为主，纯雪较少。

Ⅱ型从高原东侧到贵州有1个明显的南支槽，受南支槽东移影响，出现明显降雪，但区域有限，时间短(以下称为南支槽型，简称Ⅱ型)。受南支槽过境影响，纯雪特征较为明显，过程持续时间较短，由于近地层气温较高，不易形成积雪。

Ⅲ型在高原东侧到贵州有多个波动槽影响，在高原北侧沿河套地区和孟湾以东均有槽影响，形成阶梯槽。受到多个槽共同影响，安顺出现大范围较长时间的降雪，以纯雪为主(以下称为多波动型，简称Ⅲ型)。造成的降雪过程明显，持续时间较长，天气现象以纯雪为主，降雪量较大，近地层温度较低，易形成积雪。

2.1 天气形势合成分析

对各组中个例分别开展合成分析发现，3种形势在影响系统形态、关键指标量指标和物理量分布上均有所区别：

Ⅰ型(图1)滇黔准静止锋控制贵州大部到云南中东部，海平面气压梯度大，贵州海平面气压从西到东为1025～1035 hPa，气压差达10 hPa，静止锋较强，地面贵州西部气温低于0 ℃，中东部大部在0～4 ℃。500 hPa风场显示中高纬都以偏西气流为主，高原以东没有明显槽脊影响，仅有小波动东移，贵州处于-16～-10 ℃；700 hPa 0 ℃线压至贵州南部，贵州处于-10～0 ℃，贵州境内等温线较为密集，在贵州北部有东北风和西南风形成的切变，850 hPa贵州大部处于0 ℃以下，受东北气流影响，中低层贵州都处于冷舌控制。

图1 Ⅰ型合成分析：海平面气压(虚线，单位：hPa)和地面温度(实线，单位：℃)(a)；风场(风杆,单位:m·s-1)和气温(实线,单位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅱ型(图2)滇黔准静止锋控制云南中东部—贵州西部，贵州范围海平面气压值在1027.5～1032.5 hPa，2 m气温贵州大部在0～4 ℃；500 hPa在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期间东移影响贵州，贵州处于-14～-12 ℃之间；700 hPa在四川南部—贵州北部有东北风和西南风形成的切变，0 ℃线在贵州中部，中部以北在-6～0 ℃之间；850 hPa贵州处于-4～0 ℃。

图2 Ⅱ型合成分析：海平面气压(虚线，单位：hPa)和地面温度(实线，单位：℃)(a)；风场(风杆,单位:m·s-1)和气温(实线,单位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

Ⅲ型(图3) 滇黔准静止锋控制贵州大部，贵州海平面气压值在1020～1032.5 hPa，锋区较强，贵州2 m气温西北部低于0 ℃，其余地区在0 ℃附近。500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多个短波槽，形成阶梯槽，贵州气温-16～-12 ℃。700 hPa仍然在四川南部—贵州北部有切变，0 ℃线在贵州南部，贵州中北部温度在-6～0 ℃。850 hPa除西南部边缘外，贵州大部处于-4～0 ℃。结合个例分析，高原以东的短波槽不断东移，有时形成阶梯槽，高空槽使得上升运动加强，水汽输送加强，槽后有温度槽，冷平流和槽前涡度平流使得500 hPa槽东移加强，并使得低层系统增强，加强系统的抬升。

图3 Ⅲ型合成分析：海平面气压(虚线，单位：hPa)和地面温度(实线，单位：℃)(a)；风场(风杆,单位:m·s-1)和气温(实线,单位:℃)(b：500 hPa；c:700 hPa；d：850 hPa)

通过以上分析，3种形势具有一定的共同特征：地面受静止锋控制影响，850 hPa和700 hPa都处于冷舌控制中，850 hPa受东北气流影响，700 hPa在四川南部—贵州北部有东北风和西南风形成的切变，贵州受西南气流影响。500 hPa风场上有明显的区别：Ⅰ型中高纬主要为偏西平直气流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期间东移影响安顺；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多个短波槽，形成阶梯槽。此外，滇黔准静止锋强度和影响区域，500 hPa、700 hPa、850 hPa特征温度等物理量有所区别：Ⅲ型静止锋最强，整层温度最低；Ⅱ型静止锋稍弱，整层温度略高；Ⅰ型居中。

以下将进一步分析3种形势垂直方向的特征，沿25.5°N做东西方向剖面图。

合成分析表明3种形势的大气层结垂直分布也有一定的区别：根据3种形势个例合成的沿25.5 °N的垂直速度和湿层(图4)分析表明，Ⅰ型(图4a)相对湿度>80%的湿层伸展到650 hPa附近，最大上升速度为0.8 pa·s-1，上升区主要集中在近地层到550 hPa；Ⅱ型(图4b)上升区主要在近地层到600 hPa附近，最大上升速度1.4 pa·s-1,湿层较薄，范围较窄；Ⅲ型(图4c)湿层从近地层伸展到550 hPa，中低层有宽广的湿层，最大上升速度为1.2 pa·s-1，水汽和抬升条件配合较好，有利于出现大范围降雪。

图4 3种类型个例合成的沿25.5°N的垂直速度(单位：pa·s-1，虚线为负值上升区)、相对湿度(单位：%，阴影区为相对湿度>80%区域)垂直剖面图(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

温度层结是降雪的重要条件，不同的逆温层结是区分降水相态的重要指标。根据已有的研究，贵州及安顺冬季的冻雨天气期间，层结特征为中层有明显的逆温，逆温通常达到5～7 ℃以上[13～15，23-24]，逆温层顶在0 ℃以上。对3种降雪形势沿25.5°N一线东西方向100～110°E范围作温度层结剖面(图5)，分析结果表明3种形势逆温较弱或没有逆温，与冻雨的形势有明显的区别：Ⅰ型(平直气流型)有1 ℃左右逆温，逆温层顶在0 ℃以下；Ⅱ型(南支槽型)在贵州中部有3 ℃逆温，逆温层顶在0 ℃以上；Ⅲ型(多波动型)近地层在0 ℃附近，几乎没有逆温。

图5 3种类型个例合成的沿25.5°N的温度分布垂直剖面(阴影区为负值区)(单位：℃)(a：Ⅰ型，b：Ⅱ型，c：Ⅲ型)

2.2 特征物理量指标分析

根据实况个例分析结果，将降雪期间主要物理量特征总结如(表1)。地面海平面气压的变化范围可以代表冷空气的强度和静止锋强度，500 hPa、700 hPa、850 hPa温度代表冰晶层及冷空气厚度，近地层温度，逆温情况等，在降雪预报中可用于降雪类型、时间、降雪量及积雪等的参考。高空物理量参考贵州中部贵阳探空站1 d内08时和20时平均值，地面海平面气压参考1 d内观测资料最大变化范围。

表1 3类降雪个例总结的物理量指标

3 小结

本文采用K-means动态聚类分型方法，以500 hPa高度场作为关键影响因子，将近10 a安顺的降雪形势划分为平直气流型(Ⅰ)、南支槽型(Ⅱ)、多波动型(Ⅲ)3种主要形势。合成分析表明：Ⅰ型中高纬主要为偏西平直气流；Ⅱ型在30°N以南，95～105°E附近有南支槽，降雪期间东移影响贵州；Ⅲ型500 hPa在35°N以南，90～105°E附近有多个短波槽，形成阶梯槽。此外，3种类型在滇黔准静止锋强度和影响区域等特征500 hPa、700 hPa、850 hPa特征温度等物理量及垂直方向湿度配置、逆温等方面均有所区别：Ⅰ型湿层和上升区浅薄，有1 ℃左右逆温；Ⅱ型湿层较薄，在贵州中部有3 ℃逆温范围较窄；Ⅲ型中低层有宽广的湿层，水汽和抬升条件配合较好，几乎没有逆温。