长沙一次暴雪天气过程的多普勒雷达回波特征

2022-07-27尹亮彬唐明晖

气象与减灾研究 2022年1期

胡媚，尹亮彬，唐明晖

1. 湖南省气象台，湖南长沙 410118 2. 气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南长沙 4101183. 衡阳市气象局，湖南衡阳 421001

0 引言

冰雪灾害是常见的气象灾害之一，湖南省降雪天气相较北方而言，虽然出现的概率较低，但是影响仍然很大，被列为高影响天气之一(李丽等,2017)。降雪预报是精细化预报服务的重点和难点之一(阎访和孙婧怡等,2020),许多学者对大范围雨雪过程进行了大量的研究，并取得了显著成果。姚蓉等(2012)研究发现低空西南急流、中层切变线和锋面的配合，是暴雪天气持续的主要原因。冯丽莎等(2020)强调低层偏北急流对暴雪发展有增强的作用。漆梁波和张瑛(2012)、昌立伟等(2021)研究指出925 hPa高度层及其以下的低层大气温度是南方降雪的关键。以上对于暴雪天气过程的研究主要集中在大气环流形势和物理量分析等方面，涉及多普勒天气雷达资料的应用比较少。

近年来，多普勒天气雷达在强对流临近预报预警中广泛地应用(薛谌彬等,2015；陈娟等,2016)，但将多普勒天气雷达资料应用于降雪天气过程的研究还相对较少(王丽荣等,2006；王文波等,2020)。沈永生等(2010)和胡鹏宇等(2018)利用多普勒天气雷达探测产品诊断和判别天气系统的演变以及降雨、降雪天气的转变，揭示了降水过程的细节变化，强调多普勒天气雷达可以更好地应用于雨雪天气的预报。施红蓉等(2014)对一次雨转雪天气过程的分析发现，雷达反射率因子强度和径向速度产品能够很好地监测、诊断降雨到降雪相态变化的持续时间，垂直径向速度、信噪比可作为区分不同相态降水的有效依据。梁军等(2010)和杨淑华等(2021)研究发现，降雪的反射率因子强度小于降水，雷达反射率因子图上有时能看到雨雪的明显分界；回波顶高一般在6 km高度以下，高度相对低且平整连续；速度场上经常出现明显的“牛眼”特征。可见，高时空分辨率的雷达探测资料不仅可以提供雨雪回波强度的分布信息，还能得到多普勒径向速度的演变特征,为更详细地了解和研究雨雪天气系统的动力结构提供更多观测依据。虽然暴雪是湖南的高影响天气之一，但是本地应用多普勒天气雷达资料对降雪天气的预报预警研究还较少。2021年12月25—26日长沙出现了一次暴雪天气过程且导致了一定的灾情，文中主要利用长沙多普勒天气雷达资料,对此次暴雪天气过程进行分析,希望从中提取出暴雪预报预警的关键信息，为此后暴雪临近预报提供参考。

1 雨雪实况及天气背景

1.1 资料说明

文中所使用的双偏振雷达数据来自长沙S波段多普勒天气雷达(海拔高度622 m)，雷达扫描模式为VCP21。物理量分析等采用2021年12月25—27日逐日08时和20时(北京时，下同)国家地面观测站和探空站资料，降水资料为2021年12月24—27日长沙地面气象观测站(28.1°N，112.7°E)的逐小时数据，雨雪天气现象结合国家站人工观测。

1.2 雨雪实况

12月24日冷空气开始影响湖南，25日凌晨湖南东北部最先出现雨夹雪，接着向西向南扩展，转为纯雪，25日除湖南东南部外，全省大部分地区均出现降雪，暴雪主要集中在怀化中北部和益阳西部(图1a)；26日降雪范围增大、强度增强，除永州南部出现雨夹雪外，其他地区大部分为中到大雪，其中湖南中部及其以北(42站)为暴雪(图1b)；至27日08时，湖南省97站中有85站出现降雪或雨夹雪。降雪造成省内74站出现积雪，32站积雪超过10 cm，其中长沙站积雪深度为15 cm。本次过程降雪强度大、范围广，导致长沙、湘潭等10个市州39个县市区出现雪灾，受灾人口25.56万人，农作物受灾面积1.12×108hm2，直接经济损失达1.134亿元。

图1 2021年12月25日(a)和26日(b)湖南省降水实况(单位：mm)Fig. 1 Precipitation (unit：mm) in Hunan on 25 (a) and 26 (b) December 2021

此次天气过程长沙市出现暴雪，累计降水量达25.3 mm。图2给出了2021年12月24日20时—27日08时长沙逐3 h降水量和气温变化。分析可知，25日23：00以前，气温在0 ℃以上，降水形式为小雨，23：00左右出现短暂的雨夹雪；随着气温的进一步下降，26日02：00逐渐转为纯雪，08：00以前纯雪达2 mm。26日白天为降雪主要时段，降雪量为12.4 mm，且出现两个降雪峰值，分别为26日08：00—11：00和14：00—17：00，小时降雪量最大达到了2.8 mm(26日15：00—16：00)；26日晚上，降雪减弱为3.3 mm，27日02:00后降雪暂停，纯雪持续时间为24 h。长沙此次雨雪天气过程出现在初冬，与历史同期降水相比，此次降雪强度较大。

图2 2021年12月24日20：00—27日08：00长沙逐3 h降水量和气温变化Fig. 2 Precipitation and temperature per 3 hours in Changsha from 20:00 BT 24 to 08:00 BT on 27 December 2021

1.3 天气背景

分析2021年12月25日08时天气形势可知(图略)，200 hPa急流强盛，中心位于湖南北部至江苏一带，500 hPa冷空气势力强且不断堆积，东移南压，横槽位于东北至内蒙古北部一带，横槽前20°—45°N为一片明显的负变温区域，冷平流明显；25日20时(图略)，200 hPa急流南压向东传播，冷空气主体南下，冷锋位于广西中部至广东沿海；26日08时，地面冷高压主体位于蒙古西部地区，中心气压为1 065 hPa，冷空气持续补充南下，1 030 hPa特征线南压至华南沿海一带，0 ℃线已经南压到南岭山脉附近。26日为本次暴雪过程的最强时段，综合分析08时各层天气系统配置发现，500 hPa(图3a)中高纬为“两槽一脊”型，乌拉尔山以东的阻塞高压稳定维持，前部横槽缓慢南压，鄂霍茨克海为低涡中心，低纬南支槽缓慢移动，湖南位于南支槽前，强盛的西南急流(最大风速大于28 m/s)输送暖湿空气，湖南大部分地区温度低于-16 ℃；26日白天700 hPa高度(图3b)不断有短波槽过境且西南急流加强，急流出口位于湖南东部，增强了强降雪产生的动力条件，700 hPa高度层温度均小于0 ℃；500—850 hPa高度湖南大部分地区都为明显的湿区；850—925 hPa高度层(图3c)湖南均为较强的偏东北风；地面湖南位于高压底部，随着冷空气补充南下，为降雪提供了深厚的冷垫。

综合分析主要系统(图3d)可知，200 hPa急流加强，急流核穿过湖南中部。中高纬环流形势保持稳定，横槽南压带动冷空气南下，冷锋自北向南影响湖南；同时南支槽偏强，700 hPa强盛的西南暖湿气流沿冷垫爬升，急流出口增强的辐合上升运动，促进暖湿空气的抬升和凝结，这些因素的共同影响，导致长沙出现暴雪天气。

图3 2021年12月26日08时500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)形势场(等值线为高度场，单位：dagpm；风矢量为风速，单位：m/s)以及主要影响系统综合图(d)Fig. 3 500 hPa (a), 700 hPa (b) and 850 hPa (c) situation fields (the contour line represents the height field, unit: dagpm; wind vector represents wind speed, unit: m/s) and weather comprehensive analysis chart (d) at 08: 00 BT on 26 December 2021

对2021年12月25日20时长沙站探空图(图4a)分析可知，地面温度为0.8 ℃，1 000 hPa高度以上温度均低于0 ℃，湿层仅扩展到了3.9 km高度(-10 ℃附近)，中高层以偏西风为主，4—6 km为明显干层，非常不利于冰晶、雪花的形成。26日08时(图4b)，随着冷空气进一步南下，地面温度降至-2.5 ℃，整层温度均低于0 ℃；中层由25日20时的偏西风转为26日08时的西南风，湿层向上伸展到8.6 km高度，非常有利于冰晶、雪花的形成。同时，800 hPa高度以下均为偏北气流，为明显冷垫。25日20时、26日08时均有冷性逆温层，因此本次过程没有出现冻雨，降水相态以纯雪为主。

2 多普勒雷达特征分析

2.1 反射率因子

本次暴雪天气过程最强时段为26日白天，26日08:00以前(图略)，回波主体位于湖南西部，强度较弱，分布均匀，回波强度为20—25 dBz，呈毛松丝缕状，表现为层状云降水回波特征。在偏西风引导气流的作用下，向东缓慢移动，随着低层辐合的增强，反射率因子强度有所增强，最强为30—35 dBz(图5a)，从对应的垂直剖面(图略)可知，30—35 dBz回波位于4 km高度以下。分析对应的08时探空曲线(图4b)可知，整层温度均低于0 ℃，可见降水回波即为降雪回波。26日白天时段因持续不断有25—30 dBz回波经过长沙,且30—35 dBz回波维持了46个体扫(4.6 h)，导致长沙出现暴雪。20：00以后，反射率因子减弱为15—20 dBz(图5b)。对比分析本次暴雪天气过程的降雪回波反射率因子和湖南春、夏季连续性降水回波可知，降雪的回波强度偏弱，这是雪对微波的散射和衰减均较小所致，与沈永生等(2010)研究的结论比较吻合。

图4 2021年12月25日20时(a)和26日08时(b)长沙探空曲线Fig. 4 t-lnp of Changsha station at 20:00 BT (a) on 25 December and 08:00 BT (b) on 26 December 2021

图5 2021年12月26日长沙雷达08：04(a)、20：27(b)组合反射率因子(单位：dBz)Fig. 5 Radar composite reflectivity (unit:dBz) of Changsha at 08:04 BT (a),20:27 BT (b) on 26 December 2021

2.2 回波顶高和垂直液态水含量

对26日白天长沙小时降雪最强时段(15：00—16：00)进行分析，因垂直方向大气相对较稳定，明显不利于对流发展，反射率因子最强为30—35 dBz(图略)，由于降水粒子没有发展到高空，所以回波顶高比较低(图6a)，高度大部分在3—6 km，最高为6—8 km，但回波顶高为6—8 km的面积明显有限，符合降雪回波的特征(俞小鼎等，2020)。垂直液态水含量不足1 kg/m2，个别区域为1—5 kg/m2，明显低于春、夏季降水回波值，而垂直液态水含量为1—5 kg/m2的区域和回波顶高度在6—8 km的区域重合(图6b)。

图6 2021年12月26日长沙雷达15：22回波顶高(a，单位：km)和垂直液态水含量(b，单位：kg/m2)Fig. 6 Radar echo height (a，unit：km) and VIL(b，unit：kg/m2) of Changsha at 15:22 BT on 26 December 2021

2.3 径向速度

为分析本次降雪加强及出现暴雪的原因，选取降雪最强时段及前后的径向速度产品进行分析。26日07：00以前降雪量为0.4 mm，07：00—08：00为1.3 mm，降雪量明显增大。从08：00的2.4°仰角径向速度(图7a)可知，2.1 km高度距离圈内(蓝色圆圈)为东北风，速度值虽偏弱，但冷垫深厚；零速度线成直线，正负速度面积相当，但5—10 m/s的负速度范围比5—10 m/s的正速度范围略偏大，存在弱辐合，因此有利于降雪的继续加强；2.2—3.8 km高度，风速随高度明显顺转，具有一定暖平流特征；中层(4.5—6.5 km高度)有西南急流核存在(红色椭圆)。14：01径向速度(图7b)表明,以上风场特征几乎维持不变，但中层急流核(图7b红色椭圆)更加清楚；雷达西南侧负速度由此前的15—20 m/s增大到20—27 m/s(图7c红色椭圆)。16：02(图7c)，5—10 m/s负速度范围明显大于正速度面积，低层的辐合较前期有所加强，该阶段降雪更加明显。20：27(图7d)，中层急流核(红色椭圆)强度较20：00以前有所减弱，降雪较前期明显减弱至停止。可见，径向速度的风场辐合、急流核的增强预示着动力条件的增强，为降雪的维持和增强提供了一定的信息。

图7 2021年12月26日长沙雷达2.4°仰角08：04(a)、14：01(b)、16：02(c)、20：27(d) 径向速度(单位：m/s)Fig. 7 Radial velocity of Doppler radar at an elevation angle of 2.4° at 08:04 (a), 14:01 (b), 16:02 (c) and 20:27 (d) BT on 26 December 2021(unit:m/s)

2.4 垂直风廓线产品

风廓线产品是通过VAD技术和雷达体积扫描资料，对获得降水粒子平均径向速度分布进行处理，得出以测站为中心，半径为30 km水平区域中不同高度上的平均风向风速，对判断风向风速变化、垂直风切变等有重要作用(俞小鼎等，2020)。26日06:32以前(图8a)，2.1 km高度以下为偏东北风；2.1—3.0 km由东北风顺转为西南风，具有弱垂直风切变(俞小鼎等，2020)；3.4—4.9 km以西北风为主(红色方框)，因此西南风较浅薄，中层水汽条件明显不利，对应地面仅为零星小雪。07：07以后(图8b)，2.1 km以下东北风仍维持，3.4—4.9 km由此前的西北风转为偏西风，可见对应短波槽逐渐过境(红色方框)，地面由此前零星小雪转为持续小雪，08：00西风逐渐转为西南风。此后(图8c)西南风厚度增强，2.7—6.7 km均为西南风(红色方框)，有利于中层水汽的输送，且5.5—7.6 km为强盛的西南风，风速达20 m/s，为降雪提供了水汽和辐合的条件；2.1 km以下东北风仍然持续维持；强西南气流在深厚的冷垫上爬升，为典型降雪的风场结构配置。

图8 2021年12月26日05：35—06：32(a)、07：07—08：04(b)、11：03—12：00(c)、19：01—19：58(d)长沙雷达风廓线产品Fig. 8 Vertical wind profile VWP of Doppler radar for Changsha during 05:35-06:32 (a), 07:07-08:04(b), 11:03-12:00(c) and 19:01-19:58(d) BT of December 26, 2021

在如此有利的风场配置下，长沙白天出现了12.4 mm纯雪，导致城区大面积积雪。19：01开始(图8d)，2.7—5.2 km从西南风转为偏西风(红色方框)，水汽输送条件转差，降雪减弱至逐渐停止。