池州地区冬半年固态降水及其环流背景统计特征

孙 卉，吴照宪，刘玉林，田 慷

（池州市气象局，安徽 池州 247100）

固态降水一般指雨夹雪、雪或阵雪、雨凇或冻雨、冰粒等天气现象。池州市位于长江中下游，冬半年时有固态降水现象发生。大雪或冻雨等都会对工农业生产、道路交通等产生较大危害，故对此类灾害天气的研究具有现实意义。如2008年1月持续性雨雪冰冻过程给池州及整个南方地区带来了严重的影响[1-4]，引起了全社会的广泛关注。

不少学者对固态降水进行了深入研究。在冷空气路径方面，郑婧等[5]指出江西省发生大雪时地面冷空气多为中路；曾欣欣[6]发现东路冷空气路径有利于浙江出现大雪；苗爱梅等[7]对山西的研究发现，西北路冷空气极易产生固态降水。也有学者对固态降水大气环流进行了主观分型，陶云等[8]把云南省1981—2013年固态降水500 hPa环流划分为北脊南槽型和北横槽型；宋丹等[9]通过对贵州近44 a 20个个例研究，将高空环流划分为北脊南槽型、横槽南支型、平直多波动型和高空急流型等；马振升[10]建立了横槽型和两槽一脊型的河南暴雪天气学模型；王玉亮等[11]则将鲁南地区暴雪天气的影响系统划分为回流形势、江淮气旋、切变线和低槽冷锋等4类。此外，学者们对固态降水发生时的中低层环流配置也进行了不少研究。郑婧等[5]认为700 hPa西南气流强盛，当850 hPa同时存在切变线时，降雪天气更剧烈；胡顺起等[12]发现暴雪一般出现在高空最大辐散中心和低层最大辐合中心的下面，西南急流下风方的左侧。安徽气象工作者们也对安徽影响较大的几次降雪过程进行了一些研究[13-15]。

由于固态降水对环境场，尤其是对气温的要求高，各地固态降水产生的条件存在一些细微差别，而这些细微的差别将直接影响降水相态预报的准确率。目前，针对安徽的固态降水气候特征及环流分型等研究较少，另外固态降水的大气环流主观分型存在主观性强、统计难度大等问题。本文拟对2003—2018年冬半年大气环流进行客观分型，建立池州地区固态降水天气模型，并分析其冷空气路径、中低层配置等，试图找出池州地区固态降水的预报着眼点，供相关业务人员参考。

1 资料和方法

1.1 资料

采用的地面资料为2003—2018年池州站（117.5°E，30.65°N）观测资料，高空资料则选取欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代再分析资料ERA5（https：//cds.climate.copernicus.eu/），水 平 分 辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，垂直分辨率为37层。关于冬半年时段的取值，已有研究不尽相同[16-19]，考虑池州的气候特点，本文将冬半年定义为11月—次年3月。

1.2 降水相态分类

目前观测业务中规定了雨、雨夹雪、雪或阵雪、雨凇或冻雨、冰粒共5种地面降水相态。关于冰粒，漆梁波等[1]从温度层结方面考虑，认为其更接近冻雨。但也有专家认为冰粒、雨夹雪均为降水相态转换过程中的过渡形态[20]。余金龙等[21]也认为冻雨造成的危害远高于冰粒和雪。

综上所述，将冰粒相态归入雨夹雪类型，把固态降水划分为雨雪转换（天气现象中出现雨、雨夹雪、雪任意两种及以上相态转换）、纯雪和冻雨3类。统计获得2003—2018年固态降水日总样本数172个，其中雨雪转换样本95个，占比55.2%；纯雪样本71个，占比41.3%；冻雨样本最少，仅6个，占比3.5%。

1.3 环流分型方法

对天气形势进行分类的方法多种多样，包括主观方法、客观方法和混合方法。本文采用Huth提出的倾斜旋转T-mode主成分分析（TPCA）方法[22-23]，对大气环流场进行客观分型。T模态是按时间序列对网格点数据进行主成分分析，建立每个时间网格点的主成分类型，其中输入数据的列表示时间序列，行对应于网格点。TPCA方法在欧洲地区的天气分型中得到广泛应用和发展，该算法已经在“欧洲地区天气模型分类协调与应用”方案（简称：COST733）中被发展为软件系统“Cost733class-1.2”[24]。

TPCA分型数据采用2003—2018年11月—次年3月ERA5再分析资料02、08、14、20时（LST）共4个时次逐日平均500 hPa位势高度场，空间范围为20°～60°N，60°～140°E，分型数目设为4类，建立冬半年天气模型，并输出每日对应的天气模型，结合地面观测资料中固态降水样本的出现日期，分别统计不同天气模型下雨雪转换和纯雪天气过程的中低层要素特征。

2 固态降水气候特征

2003—2018年池州年平均固态降水日数为10.8 d，最多降水日数为22 d，出现在2007年冬半年（主要是2008年1月出现持续降雪过程）。2010年之前池州固态降水过程振荡较明显，2010年以后，除2012年外，基本偏少或正常（图1a）。

固态降水也存在明显的月际变化（图1b），1月固态降水日数最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月，占16.3%；11月和3月较少。从相态看，雨雪转换与纯雪日数月变化趋势与所有固态降水日数月变化基本一致；1月纯雪日数较雨雪转换略多，其他月份均偏少；冻雨较少，16 a共出现6 d，其中12月未出现。

图1 池州2003—2018年冬半年固态降水日数年变化（a）及月变化（b）

3 固态降水天气模型特征

对2003—2018年冬半年500 hPa的日平均位势高度场进行环流特征分型，将冬半年天气模型分为4类（图2），分别为一槽一脊型（Ⅰ型）、纬向波动型（Ⅱ型）、两槽一脊型（Ⅲ型）和北脊南槽型（Ⅳ型），其中，Ⅰ型占比最多，为45.2%；Ⅱ型次之，为28.8%；Ⅲ型占比为25.9%；Ⅳ型占比仅0.1%，本文不做讨论。

从固态降水的雨雪转换和纯雪角度看，发生概率最大均为Ⅰ型，占比分别为67.3%和76.1%；Ⅲ型次之，为22.4%和11.9%；Ⅱ型最少，分别为10.3%和11.9%。冻雨除1例为Ⅱ型外，其余均为Ⅰ型。

3.1 一槽一脊型（Ⅰ型）

该环流型下，青藏高原—新西伯利亚为一高压脊，东北地区—华东沿海为一深厚的高空槽。槽后脊前强冷空气从内蒙古沿中路（或西北路）南下，影响长江中下游地区，给池州地区固态降水提供了有利的温度条件，池州以南为较平直的纬向环流（图2a）。

3.2 纬向波动型（Ⅱ型）

Ⅱ型环流背景下，亚洲中高纬度地区上空维持一宽广的低压区，冷空气来自蒙古国—西伯利亚地区，中高纬西北气流引导冷空气从西路影响我国，为固态降水提供温度条件。中纬度上空以纬向环流为主，100°E以东的中低纬地区则为西南气流，青藏高原东侧短波槽把西南暖湿气流输送到长江中下游，为池州地区降雪提供了动量、热量和水汽条件（图2b）。

3.3 两槽一脊型（Ⅲ型）

Ⅲ型环流背景下，欧亚地区为“两槽一脊”，贝加尔湖附近为一高压脊，乌拉尔山及鄂霍次克海附近为一低槽，冷空气从我国东北地区沿东路南下，影响池州地区。中纬度地区环流平直，青藏高原西部有南支槽东移，引导孟加拉湾的水汽向北输送，为池州地区固态降水提供了水汽条件（图2c）。

图2 2003—2018年冬半年天气模型

大气环流客观分型结果，能较好地诠释传统的冷空气从中路（西北路）、东路和西路影响我国的环流特征，池州地区固态降水主要受中路冷空气影响，与毗邻的江西省固态降水一致[5]。

4 中低层系统

通过环流场分型可以发现，各类天气模型均存在雨雪转换、纯雪和冻雨等不同固态降水类型，这与中低层系统及其气象要素配置有关。为此，采用固态降水天气过程中925、850和700 hPa风、温度小时平均场（图3），讨论其特征（因冻雨个例较少，不予讨论）。

4.1 雨雪转换过程

Ⅰ型环流背景下，925 hPa（图3a）为一致的东北气流。850 hPa（图3d）温度低值区位于正北方，冷空气受偏北气流引导从中路南下；池州西南侧（江西的北部）有一闭合气旋性环流中心，环流中心东侧东南气流把暖湿气流向西北输送，与北方南下的冷空气正好交汇于池州地区。700 hPa（图3g）池州位于西南急流（≥12.0 m/s）北部边缘，较强的西南急流给池州地区输送水汽，其风速切变给暖湿气流抬升提供了动力。在925～700 hPa上，池州地区温度基本相同，均在-4.0～-5.0℃，冷空气势力较强。

Ⅱ型环流背景下，925 hPa（图3b）在池州南部有明显的锋区。850 hPa（图3e）北方温度低值中心较Ⅰ型偏西，锋区位于池州地区，较925 hPa偏北；在偏北气流引导下，冷空气从西路南下；同Ⅰ型一样，也存在一个气旋性环流，而池州地区位于环流中心，其南侧西南气流向池州地区输送暖湿气流。700 hPa（图3h）西南急流较Ⅰ型更强盛，西南急流北抬到江淮之间，池州地区平均最大风速达到20.0 m/s。旺盛的暖湿气流导致Ⅱ型925～700 hPa温度在-2.0～-3.0℃，较Ⅰ型偏高2.0℃左右。

Ⅲ型环流背景下，925 hPa（图3c）同样盛行东北风。850 hPa（图3f）气旋性环流中心较Ⅰ型位置略偏东，温度低值中心位于东北方向，在东北气流引导下，冷空气从偏东路径南下影响池州地区，该层温度与925 hPa差别不大，均在-4.0℃左右，较Ⅱ型低，但较Ⅰ型略高。700 hPa（图3i）西南急流位置偏南，池州地区最大风速10.0 m/s左右，在三型中最弱，无明显的风速辐合。

图3 雨雪转换风场和温度场

根据以上分析可知，Ⅰ型出现雨雪转换概率是其他型的3倍以上，Ⅱ型最低，这与温度条件关系密切。925 hPa盛行东北风，该层与850 hPa温度在-4.0～-5.0℃，700 hPa上有12.0 m/s左右急流，有利于雨雪转换，急流偏强或偏弱则反之。

4.2 纯雪过程

纯雪天气过程中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型冷空气与雨雪转换过程一样，也是分别从中路、西路和东路南下；池州站上空925 hPa温度分别为-6.5、-4.5和-5.5℃，均较850 hPa温度偏高1.0℃左右，较雨雪转换过程偏低；700 hPa温度场分别为-5.5、-7.0和-4.8℃，除Ⅲ型外，也较雨雪转换过程低。比较中低层温度可知，纯雪过程Ⅰ型和Ⅲ型在850～700 hPa均存在一定的逆温，较雨雪转换过程明显。

风场上，925 hPa盛行东北偏东风；850 hPaⅠ、Ⅱ、Ⅲ型均存在气旋性环流，位于池州地区西南方向（江西北部），气旋东部偏西南气流有利于水汽向北输送，池州站基本受偏东风影响。Ⅱ型700 hPa，安徽西北地区有气旋性环流，其西侧偏北气流引导冷空气从西路南下，对池州地区固态降水的影响弱于Ⅰ型。同时，池州站均位于700 hPa西南偏西急流（≥12.0m/s左右）轴线的北部边缘，结合雨雪转换天气过程，可认为，700 hPa 12.0 m/s左右急流有利于池州固态降水的产生。

5 物理量特征

站点出现固态降水与热力、水汽及动力等物理量高低层配置关系密切。以池州站（117.5°E，30.65°N）为研究对象，探讨高低层物理量之间的配置关系。

5.1 水汽条件

水汽输送方面（图4），固态降水的水汽一般自南向北由中高层（850～400 hPa）向北输送，中心位于700 hPa附近，低层相对较弱。固态降水天气过程中，Ⅱ型水汽输送最强，最大水汽通量＞9.0 g/（cm·hPa·s），Ⅰ型次之，Ⅲ型最弱；池州站上空700 hPa附近水汽通量最大，达到6.0 g/（cm·hPa·s）左右。

从水汽辐合角度看（图5），固态降水过程中，暖平流区水汽辐合强度明显强于冷平流区，水汽辐合区主要位于850～700 hPa；其中，Ⅱ型水汽辐合最强，Ⅲ型最弱，与水汽通量特征类似。除Ⅲ型外，雨雪转换过程中水汽辐合明显强于纯雪过程。池州位于较强水汽辐合区的北部边缘，水汽通量散度基本在-1.0×10-5g/（cm-2·hPa·s）左右。

5.2 热力条件

温度是产生固态降水的关键性要素。池州站固态降水雨雪转换天气过程中，1 000 hPa温度基本在0℃附近（图4a～4c），而纯雪天气过程中，1 000 hPa温度在0℃以下，Ⅰ型和Ⅲ型环流背景下，池州站温度在-2.0℃左右，Ⅱ型在0～-2.0℃（图4d～4f）。纯雪较雨雪转换天气过程近地面温度更低。

在固态降水过程中，池州站上空925～700 hPa，各环流类型基本均存在“等温”或弱逆温现象，1 000～925 hPa和700 hPa以上温度均随高度递减（图4）；其中，雨雪转换天气过程，Ⅱ型环流背景下温度在0～-2.0℃，逆温相对明显；Ⅰ型和Ⅲ型温度在-2.0～-4.0℃；纯雪天气过程，温度基本在-4.0～-6.0℃，Ⅰ型和Ⅲ型逆温较明显。由图5可知，池州固态降水过程受冷锋影响，锋前有暖平流，锋后有明显的冷平流，中高层冷暖平流一般较低层及近地面强。结合地形发现，皖南山区近地面为较强的冷平流，上空为暖平流，而其以北（即池州站以北）平坦地区近地面存在弱的暖平流，这可能与下垫面（如长江水体等）有一定的关系。从风速辐合和温度不连续角度看，700 hPa以下有相对明显的锋区，地面冷锋前沿位于安徽皖南山区以南，池州站位于冷锋后部，受冷平流影响。

图4 沿117.5°E的水汽通量（阴影区，单位：g/（cm·s·hPa））、水汽输送（箭头）、温度（红色虚线，单位：℃）、假相当位温（黑实线，单位：K）剖面

图5 沿117.5°E的水汽通量散度（阴影区，单位：10-5 g/（cm2·s·hPa））、温度平流（红色虚线，单位：10-5 K/s）剖面

5.3 动力条件

由图4可知，池州站固态水天气过程中，假相当位温随高度增加而增大，大气层结稳定，水汽辐合和大气抬升动力来自冷锋锋面抬升，切变线一般位于850～800 hPa，仅雨雪转换Ⅲ型环流背景下，切变线位于700 hPa附近。总体而言，池州固态降水属于大尺度降水天气过程。

6 结论

对2003—2018年池州地区固态降水进行统计，采用T-mode主成分客观分析法（TPCA）等对冬半年高空环流进行分型，建立池州固态降水天气模型，讨论其物理量高低层配置等，主要结论如下：

（1）2010年之前池州固态降水过程振荡较明显，2010年以后，除2012年，基本偏少或正常；池州固态降水存在明显的月际变化，1月最多，占44.8%；2月次之，占27.9%；12月占16.3%；11和3月最少。

（2）将池州冬半年天气模型划分为一槽一脊型（Ⅰ型）、纬向波动型（Ⅱ型）和两槽一脊型（Ⅲ型）。其中，Ⅰ型占比最多，为45.2%；Ⅱ型次之，为28.8%；Ⅲ型占比为25.9%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型北方冷空气分别从中路（西北路）、西路和东路南下，池州地区固态降水天气过程主要受中路冷空气影响。

（3）Ⅰ型气温最低，出现固态降水概率最高，是其他形势的3倍以上；Ⅱ型气温最高，出现固态降水概率最低。除Ⅲ型外，纯雪过程中低层温度均较雨雪转换过程低2.0℃左右，925 hPa温度在雨雪转换过程中与850 hPa相当，一般在-4.0～-5.0℃，纯雪过程则较850 hPa偏高1.0℃左右，为-4.5～-6.5℃；雨雪转换天气过程1 000 hPa温度基本在0℃附近，而纯雪过程则在0℃以下。一般情况下，925 hPa盛行东北风，850 hPa有气旋性环流，配合700 hPa上12.0 m/s左右急流更有利于池州固态降水的产生。

（4）池州固态降水过程水汽通量大值中心基本位于700 hPa附近；水汽辐合区主要位于850～700 hPa；Ⅱ型的水汽辐合最强，Ⅲ型最弱。雨雪转换的水汽辐合强于纯雪天气过程，池州一般位于水汽辐合区的北部边缘。

（5）池州固态降水一般属于冷锋大尺度降水，层结稳定，锋区位于700 hPa以下，低层有冷平流，切变线一般位于850～800 hPa。