一次江淮地区突发降雪的多源观测特征及其成因分析

李萌萌，王 云，朱 冰，杨祖祥

（1.安徽省人工影响天气办公室，安徽 合肥 230031；2.安徽省气象台，安徽 合肥 230031）

低温雨雪天气是我国冬季常见的灾害性天气，严重影响城市交通、工农业生产，常给社会发展和人民生命财产带来巨大损失，一直是政府和气象部门关注的重点。2022 年1 月26 日，安徽省江淮之间出现一次短时强降雪过程，虽然没有明显积雪，但临近春节，社会反响较大，给政府部门决策带来了较大误判。因此有必要通过分析多源观测资料，找出突发强降雪成因，为雨雪转换尤其是短临预报提供参考依据。

国内外众多学者从天气诊断、数值模拟和气候特征等方面对暴雪天气进行了研究[1-3]，由于我国南北差异明显，降雪成因呈现出多样化，气旋的发生发展、南北支槽合并、冷暖空气交汇等均能造成强降雪[4-5]，并且对于雨雪转换的判定标准，国内不同地区的降雪判据和指标也不尽相同[6-8]。低层温度层结是影响降水相态的关键，而引起温度层结的变化原因非常复杂，以前对降温机制多侧重于温度平流的作用[9-10]。近期越来越多的学者也开始涉及非绝热加热的研究，研究表明强降雪期间非绝热加热和大气层结的融化作用可以引起温度垂直结构变化和相态转换[11-12]。刘梅等[13]分析指出，冰晶和雪花下沉过程的融化潜热作用和穿越干区的蒸发吸热，对低层气温下降有一定正贡献。任何温度变化都可能导致降水相态发生变化，实际预报过程中对温度平流预报较好，但对非绝热加热引起的温度变化预报较差，因此需要对一些复杂的降水过程的温度变化进行探讨，为非典型性降雪提供预报思路。

近年来，随着监测资料的丰富，使用激光雨滴谱、双偏振雷达等多源观测资料对降水相态进行判断和分析成为可能。降水粒子的观测是云微物理观测的重要内容之一，研究不同降水的云微物理特征，尤其是不同相态的天气过程中降水的物理特征，可为研究成雨机制、实施人工增雨和改善数值模式等提供科学依据，并提高天气预报能力[14]。使用激光雨滴谱观测，可以有效弥补常规探空观测和雷达探测的缺陷，实时观测降水类别、降水量、降水强度和滴谱特征等参数，有利于分析强天气过程中对流层微小尺度的温湿变化和云中水汽相态变化[15-17]。双偏振雷达逐渐实现业务化，基于双偏振雷达反射率因子、差分反射率和相关系数对降雪以及0 ℃层的判断有了一定的可靠性[18-19]。在常规夜间观测业务取消后，使用仪器确定降水相态非常关键，其对短临预报监测和预警业务具有重要作用[20]。使用雨滴谱和双偏振雷达这类自动观测仪器能对实况进行实时观测，其观测范围广、时效性和连续性强，对雨雪相态临近识别和分析具有重要作用，对突发性或预报有误差的过程，可依靠实时监测资料及时修订临近预报，提高预报服务质量。

1 资料来源

本文所用实况观测资料包括安徽省2022 年1月26 日08 时—27 日08 时（北京时，下同）合肥站的Thies Clima 激光雨滴谱仪数据、地面加密观测数据和合肥双偏振雷达资料。诊断分析使用欧洲中心ERA5 再分析资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h。

2 降雪天气实况及环流特征

2022 年1 月26 日，受高空短波槽东移和低层冷空气共同影响，安徽省有一次明显的降水过程。其中江淮之间部分地区出现了短时降雪天气，10：20合肥出现雨夹雪，12：12 转为纯雪，15：00 以后又逐渐转为雨夹雪或雨，降雪持续时间不长（图1a）。26日降水大值中心位于沿江地区，部分站点3 h 降水量＞7 mm（图1b），合肥站3 h 降雪量达5.3 mm。由于降水效率高，降雪天气突然，此时已临近春节，降雪天气突然出现给民众生活和政府部门决策造成了一定的影响。

26 日08：00 贝加尔湖东部高空冷涡东移，其南部槽也随之东移，槽后冷空气南下影响华北和安徽北部地区（图2）。安徽南部上空500 hPa 主要受南支槽槽前西南气流影响，700 和850 hPa 高空华南上空有显著西南急流。700 hPa 中心最大风速＞26 m/s，安徽位于急流出口区左侧，伴有明显风向和风速的辐合。850 hPa 安徽南部上空有暖切变，中高层受偏南暖湿气流影响，为降水提供了较好的水汽和动力条件。地面冷高压主体仍位于蒙古，安徽位于冷高压底部，受冷空气渗透南下影响，安徽上空底层为冷垫，为降雪提供了条件。

图2 1 月26 日08 时500 hPa 高度场（a，单位：gpm）、700 hPa 风场（a，单位：m/s）和地面气压场（b，单位：gpm）、850 hPa 风场（b，单位：m/s）（虚线方框内为安徽省，实线箭头为低空急流）

针对安徽省2022 年1 月26 日不同时次的地面填图进行分析。10：00（图3a），降雪主要发生在河南中东部，降雪或雨夹雪站点的温度大多低于2 ℃；安徽境内地面温度大多在3～6 ℃，均为小雨天气，合肥站为5 ℃。13：00 江淮之间中部温度迅速下降，其中合肥站温度为1 ℃，3 h 降温达4 ℃，此时合肥及其周边共有7 个站点出现降雪或雨夹雪，其他地区仍为降雨；北方的降雪区仍集中在河南中部，雪线并未向东或者向南移动。15：00 合肥和六安站转为雨夹雪，其他站点均转为雨。

图3 安徽省2022 年1 月26 日地面填图（a 为10：00，蓝色圆点为合肥站）和安徽部分站点温度和露点变化（b，阴影图为合肥站温度露点差）

由合肥及其周边部分站点温度变化（图3b）可知，合肥站08：00—10：00 温度逐渐升高，露点略微降低，最高温度为4.5 ℃，此时温度露点差增大到3.3 ℃；之后温度迅速下降，温度为4.3 ℃时转为雨夹雪，2.5 ℃时转为纯雪，13：10 温度最低，为1 ℃。转为雨夹雪后，露点呈现先增后降的变化，温度露点差则迅速下降到0.6 ℃并维持少动。安徽大部分地区为东北风，选取合肥站上游的蚌埠、滁州以及下游铜陵站温度进行对比，12：00 前这3 个站点的温度处于上升趋势，12：00 以后温度逐渐下降。由图3b 可知，合肥地面降温开始时间比周边地区要早，并且降温幅度明显强于周边地区。合肥地区转雨夹雪和雪时，地面温度（4.3 和2.5 ℃）要高于其雨雪转换时的温度（3 和1.5 ℃）[7]。

1 月26 日，冷高压主体还没有南下，江淮之间中部出现明显降温，安徽地面温度南北分布异常，并且合肥地区雨雪相态转换提前于地面降温（图3b）。江淮之间为何会在中午出现快速降温是本文的关注重点，也是本次雨雪相态变化的关键。

3 多源观测资料监测分析

3.1 降雨（雪）滴谱特征分析

人工加密观测显示，合肥站10：20 出现雨夹雪，12：12 转为纯雪，15：00 以后逐渐转为雨夹雪或雨。10：00 以前合肥雨滴谱特征（图4a）显示，降水粒子的下落末速度和粒子直径呈指数变化关系，分布于降雨下落末速度曲线两侧。平均每秒有0.8 个粒子经过雨滴谱探测区域，雨滴下落末速度大多集中于0.6～3.4 m/s，92%的粒子直径集中于0.125～1.0 mm，为典型的弱降水分布特征。由10：00—12：00 合肥雨滴谱分布（图4b）可知，粒子数明显多于之前降雨的时段，平均每秒有4.5 个粒子经过雨滴谱探测区域，并且粒子直径增大，最大直径＞5 mm；降水粒子密度最大的区域分布在降雨下落末速度线两侧，粒子分布比之前降雨时刻分散，降雨下落末速度线右侧距离较远处也存在一些粒子，即粒子直径较大，下落末速度较低。下落末速度集中在0.4～5.0 m/s，粒子直径集中在0.125～2.0 mm，该区域集中了96.9%的粒子，此时降水相态转为雨夹雪。图4c 为12：00—15：00合肥雨滴谱分布图，降雪时段里粒子分布明显下压右伸。这一时段每秒有1.7 个粒子经过雨滴谱探测区域，粒子数多于10：00 之前，少于10：00—12：00。该时段雨滴谱分布特征接近降雪下落末速度曲线，粒子直径分布宽泛，0.125～7.5 mm 均有粒子出现，42%的粒子集中在1 mm 以上；但粒子速度较慢，主要集中在0.2～2.2 m/s，该区域集中了92.4%的粒子。

图4 合肥站雨滴谱分布特征（a 为10：00 以前，b 为10：00—12：00，c 为12：00 以后；阴影图为每分钟粒子个数，红线虚线为降雨下落末速度曲线，蓝色虚线为降雪下落末速度曲线，绿色实线为实况下落末速度拟合曲线）

3.2 降雨（雪）滴谱的时间演变特征

图5 为合肥站雨（雪）滴谱的时间演变特征。降雨阶段，粒子直径偏小，大多<1.4 mm（图5a）；降水粒子数较少，下落末速度比较分散（图5b）。雨夹雪阶段粒子直径谱宽变大，粒子数增加明显，11：01—12：09 直径在0.6～1.0 mm 的粒子数＞100 个/min，最大达到420 个/min。雨夹雪时降水粒子的下落末速度比较复杂，大部分集中在0.8～4.2 mm/s，呈双峰结构，峰值区分别位于1.4～2.2 mm/s和3.4～4.2 mm/s，即降水为雨夹雪时，不同粒子的下落末速度有一定的差距。纯雪阶段降水粒子的直径谱宽明显增大，粒子直径在0.2～8.0 mm，峰值中心位于0.5 mm 附近；下落末速度明显下降，集中在0.4～1.4 m/s，明显低于之前时间段。

通过实验我们发现，基于金属-有机配位聚合物的合成受金属离子和有机配体的影响非常大，金属离子的空轨道越多，配位模式增加，配位环境更加复杂；有机配体的种类、配位能力、配位模式也是千变万化，对配位聚合物结构的形成都产生至关重要的影响。另外，晶体对其生长的环境(温度、酸度、浓度等)要求比较苛刻，更由于其空间伸展性、可塑性较好，在新颖奇特的结构设计、合成及性质研究方面的探索潜力还很大，我们课题组将继续不懈努力，进一步深入挖掘，通过合理设计，争取在新型配位聚合物的定向合成方面有新的突破，对其各方面性质作更深层次的研究。

图5 合肥雨（雪）粒子直径（a）和下落速度（b）时间演变特征

3.3 降雪雷达回波观测分析

冬季从高仰角的雷达反射率因子图上常可观测到0 ℃层亮带，其位置和强度的变化可以反映融化层高度的变化。图6a 为11：11 合肥雷达2.4°仰角反射率因子平面图，距离雷达8～25 km 处，有明显的环状融化层亮带，反射率因子高出周围10～15 dBZ，距离地面约0.6～1.2 km。此时粒子分类产品（简称“HCL 产品”）显示融化层及其内部主要为湿雪和小雨滴。沿图6a 中AB 线作剖面，反射率因子剖面（图6c）显示距离地面1 km 左右有明显的高亮带，雷达南侧亮带中回波强度＞45 dBZ，为融化层亮带；相关系数剖面（图6d，下文简称“CC”）显示融化层附近为明显的低值带，中心值<0.7，此区域中有较多混合相态粒子；差分反射率因子剖面（图6e，下文简称“ZDR”）显示，在融化层附近有＞1 dB 的高值带，中心最大ZDR值＞3 dB，该区域中粒子扁平程度较大。HCL 产品剖面（图6f）显示，从地面到1.5 km 左右高空均为湿雪，与实况观测相符。

12：02 合肥上空降水相态逐渐转为纯雪。一般降雪对应的雷达反射率因子回波较弱，<30 dBZ，而此时合肥雷达中心位置回波强度非常强，强反射率因子核心＞50 dBZ，比较少见。合肥周边主要为湿雪，西南侧为冰雹，结合季节和当日环境场，此处冰雹应该为误判。穿过最强降雪回波主体的反射率因子作垂直剖面，显示此次降水回波顶高度较高，达到6.5 km 以上；30 dBZ 回波的伸展高度达到4 km，高于一般的降雪过程。雷达中心及其西北侧＞50 dBZ的强回波从1 km 的低空延伸到地面；CC产品在合肥附近上空值较大，ZDR高值带不明显，显示此时融化层已接近地面。

使用双偏振雷达进行观测分析，发现此次降雪过程与稳定性降雪过程有较大区别，甚至将降雪粒子误判为冰雹。由于垂直运动较强，大量较大的固态降水粒子下落时融化不完全，大粒子外围出现水膜，从而导致雷达探测到此处反射率因子异常偏大并对降水粒子误判。

4 降水相态变化成因分析

此次降水过程，先后经历了降雨、雨夹雪、雪又转雨的相态频繁变换。根据前文分析，北方冷空气仍在河南境内，距离江淮之间较远；合肥及其周边地区有局地降雪，并伴有温度迅速下降。下文将分析此次江淮之间地面局地温度变化的原因，为以后降雪预报和预警提供参考。

根据局地温度变化经典公式（1）[21]进行分析：

式中：-V·∇T，-w（γd-γ），分别表示温度平流项、垂直运动项和非绝热加热项对温度局地变化的影响。

4.1 温度平流的影响

使用ERA5 再分析资料分析12：00 不同层次风场和温度平流场（图7）。700 hPa 安徽上空为显著的西南气流，江淮之间南部和江南上空风速＞16 m/s，西南急流带来较强的水汽和能量；安徽上空为暖平流，大别山区和沿江地区暖平流大值中心＞3.4×10-5℃/s。925 hPa（图7b），安徽上空为偏东风，江淮之间中部到沿江地区仍然是暖平流，大值中心达到2.4×10-5℃/s。图7c 为沿117.25°E 的垂直剖面，合肥附近整层大气均为暖平流，合肥南部925 hPa 以上有明显的随高度向北倾斜的暖平流通道，对温度局地变化为增温效应。根据温度平流项公式-V·∇T，对08：00—15：00 合肥上空温度平流积分计算，其使整层大气增温约0.7 ℃，而对700 hPa 附近增温达1.3 ℃，对15：00 以后合肥降雪转雨夹雪有正贡献。

图7 1 月26 日12 时700 hPa（a）、925 hPa（b）的风场（风速，单位：m/s，虚线方框为安徽省）、温度平流场（填色，单位：10-5 ℃/s）以及沿117.25°E 垂直剖面（c）

4.2 垂直运动和非绝热加热的影响

合肥地区上空各层均为上升气流，此时w 为正；气块在初始抬升高度时不饱和，并且底层大气为稳定大气，即γd-γ＞0，此时空气块在上升过程中，垂直运动对温度的变化具有一定的降温作用。当气块上升到一定高度时，温度降低并趋于饱和，水汽凝结形成冰晶或雪花。冰晶和雪花在降落过程中，大气温度将会下降，同时经过融化层时发生融化，吸收大量潜热，从而使周边大气温度迅速降低。在降水发生过程中，强烈的上升气流、较大的降水率、固态降水下降过程的融化和蒸发均会导致温度的下降。此次降雪过程中，各层温度平流均为暖平流，地面和低层大气的降温主要来自上升运动和非绝热加热对温度的影响，融化层迅速下降并消失（图6），是一次自上而下的降温过程，从而导致地面温度变化落后于降水相态的变化。

合肥站在南京探空站西侧约150 km 处，纬度比较接近（合肥31.96°N，南京31.93°N），并且当日08：00 两站的地面温度接近，使用南京站探空分析，可以近似表示合肥站上空近地面大气的温湿状态。南京站探空（图8a）显示，低空900 hPa 以下有干层，900～970 hPa 温度露点差为4.9～7.7 ℃，相对湿度为52%～67%。当日合肥上空近地面层有干冷空气向南渗透，虽然有弱降水，但降水粒子数较少，合肥站地面温度露点差逐渐增大，10：00 温度露点差达到3.3 ℃，近地面湿度降低。10：00 以后，降水量增大，降水粒子增多，经过低空干空气层时，降水粒子蒸发或升华吸热，低层和近地面温度下降，伴随露点温度差降低，近地面湿度增大。

图8 2022 年1 月26 日08 时南京站探空曲线（a）和沿117.25°E 的垂直剖面（b）（图b 中红线为位温，单位：K；蓝线为地转绝对动量，单位：m/s；填色为垂直速度，单位：Pa/s）

使用经验公式和热力学第一定律的定量计算，可以验证垂直运动和非绝热加热对近地面温度的影响。刘梅等[13]利用公式（2）估算了降雪过程固态降水融化导致的低层温度变化：

式中：D 是地面累计降水（单位：cm），δP是潜热影响的气压层厚度（单位：hPa），δT是气柱的平均温度变化（单位：℃）。当日合肥地面气压约1 025 hPa，结合合肥雷达融化层高度和南京0 ℃层高度，10：20 合肥上空融化层高度约为900 hPa。此时地面观测降水相态为雨夹雪，即降水粒子并未完全融化，0 ℃层以下到地面均为融化层。12：12 合肥转为纯雪，即融化层已经消失。期间降水量约3.8 mm，地面温度下降了1.7 ℃，根据地面温度下降速率，假设融化层匀速下降，即融化层影响的平均气层厚度约62.5 hPa。若降水粒子下降过程中，冰晶和雪花完全融化，则气柱平均气温将下降1.2 ℃。实际降雪粒子并未完全融化，其对大气温度影响<1.2 ℃。当日地面未见有积雪，即落地的冰晶和雪花完全融化，则非绝热加热对地面温度影响＞1.2 ℃，从而导致地面温度迅速下降。

影响气温的局地变化的因子较多，特别是在有降水的条件下，降水强度、上升运动、相态变化或湿度变化等因素均会导致局地温度的变化。在有暖平流的情况下，江淮之间仍然发生了降温和降雪，其温度变化的主要影响因子是强烈的上升运动、非绝热加热以及干区内的蒸发和升华。当冰晶和雪花落地后融化，吸收大量潜热，导致地面温度迅速下降。

4.3 不稳定度分析

根据雷达资料分析，发现此次降雪回波顶较高，反射率因子较强，底层粒子误判为冰雹，可能是对流性降雪。南京站探空分析显示CAPE 值为0，各项对流指数均较差，表明大气是条件稳定的。有研究表明[22-23]，相当一部分高架雷暴是发生在条件稳定度和条件对称稳定度近似于中性的情况下，低层锋生强迫是高架雷暴的发生发展机制，其产生的最大上升气流可达几米/秒。分析此次过程的对称不稳定条件（图8b）发现，合肥上空925～800 hPa 为等θe密集的锋区。800～600 hPa 的相当位温θe的坡度与绝对地转动量Mg的坡度非常接近，对称不稳定度接近中性，并伴有较强的上升运动。即此次短时强降雪是发生在锋生过程强迫的强锋面垂直环流中，斜升气流强劲，大量水汽凝结释放潜热，使锋面环流上升支气流增强变窄，从而形成短暂的对流性强降雪。

5 结论与讨论

利用激光雨滴谱仪资料、地面观测资料、合肥双偏振雷达资料和欧洲中心ERA5 再分析资料，对发生在整层暖平流大气层结下的高架雷暴所引起的江淮之间短时强降雪天气过程进行分析，并探讨降水相态变化超前地面温度变化的原因，得到以下结论：

（1）10：20 合肥市出现雨夹雪，12：12 转为纯雪，15：00 以后转为雨夹雪或雨。合肥地区地面温度变化明显强于周边地区，并且降水相态变化时间提前于地面温度变化。

（2）强降雪是由高架雷暴造成，其发生在条件稳定度和对称稳定度接近中性，由锋生强迫过程形成的高架雷暴中。强烈的上升运动促进冰晶和雪花形成，并使整层大气温度降低；降雪粒子穿过融化层和干层，融化和蒸发效应吸收大量热量，使气柱温度降低，产生自上而下的降温过程，从而导致地面温度下降落后于雨雪相态的变化。

（3）降水过程先后出现降雨、雨夹雪、纯雪3 个阶段，激光雨滴谱仪监测到这三种降水相态对应着不同的滴谱特征，具体表现为：降雨阶段，下落末速度大、粒径小、雨滴谱较窄；雨夹雪阶段，粒子直径较大，而下落末速度比降雨阶段略低，粒子直径谱宽开始变大；纯雪阶段，粒子直径分布宽泛，但粒子下落末速度较慢。

（4）降雪回波顶高较高，达到6.5 km 以上，高于稳定性降雪过程。低空1 km 附近有强度＞50 dBZ 强反射率因子带，并延伸到地面。大量较大的固态降水粒子融化不完全，粒子外围出现水膜，导致雷达探测到此处反射率因子异常偏大，将降水粒子误判为冰雹。

本次江淮之间突发降雪，冷空气主体并未完全南下，底层有弱冷空气渗透，降雪前地面和低空基础温度较高。中午江淮之间降水突然增强，温度迅速降低，数值预报对这类范围较小、垂直运动较强以及非绝热加热引起的局地温度变化的预报存在不足，从而导致对降水相态误判，预报难度较大。本研究结论可为底层有弱冷空气渗透，低层为稳定大气，中层由锋生强迫形成的高架雷暴降雪提供参考。