2021年12月23—24日石家庄市降雪天气过程分析

2024-01-01李宁瑞曹越裴瑞颖

农业灾害研究 2024年4期

收稿日期：2023-12-10

作者简介：李宁瑞（1997—），女，河北任丘人，助理工程师，研究方向为地面气象观测。

摘要：利用自动站常规气象资料及双偏振雷达产品、风廓线雷达产品、ERAGRIB再分析资料，对2021年12月23—24日降雪天气过程的形成和发展机制进行分析，探讨此次强降雪过程成因。结果表明：（1）此次降雪过程是受500 hPa高空槽、700～850 hPa切变线、850 hPa东北风急流及低层回流冷锋共同影响；（2）偏东风的建立比实际降雪时间偏早约7 h，且在垂直方向上发展深厚，发展高度达2.5 km；（3）回流天气过程中，2.5 km以上偏西风向下延伸，2.5 km以下偏东风加强，高层气流与低层气流交汇，可作为降水开始的标志之一；（4）此次回流过程中层为偏西风、风速小、水汽输送差，与典型回流天气相比，此次过程边界层偏东风的动力及水汽条件贡献更突出。

关键词：降雪；回流；偏东风

中图分类号：P458.12 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

石家庄市地处河北省中南部，西部为太行山中段，东部为华北平原。由于其独特的地理位置和地形，使得石家庄地区冬季降雪多与回流有关。在回流降雪中，低层偏东风的性质和作用目前还缺乏明确统一的认识[1]。

有研究表明[2-3]，回流天气形势下华北地区的偏东气流经过渤海湾，一般会携带较为充沛的水汽，长时间的回流可增加低层湿度，从而有利于湿层增厚。

但张迎新等[4-6]对河北省回流降雪研究发现，即使低层偏东气流经过海面，但依旧是干冷的，并没有起到水汽输送作用，干冷的偏东气流在对流层下部形成“冷垫”，强迫暖湿空气抬升并形成降雪。田秀霞等[7]、阎访等[8]分别对华北南部和石家庄地区的降雪过程进行了分析研究，指出边界层东风不仅可以为本地输送水汽，同时，具有冷湿特征的偏东风与内陆暖湿结构的偏南风形成地面辐合线，加强了地面动力抬升作用，形成上升运动，有利于雨雪天气的加强和维持。

1 降雪实况

2021年12月23日夜间至24日白天，石家庄出现降雪天气，降雪自23日21：00开始，自西北向南推进，23日23：00—24日04：00降雪强度较大，大部分站点小时降雪量在0.4～0.8 mm；过程降雪量2.0～7.2 mm，

全市平均降雪量3.9 mm，其中西部（平山、井陉、赞皇）大雪，中东部小到中雪，井陉最大为7.2 mm，积雪深度1～7 cm，井陉最大8 cm。

2 大尺度环流背景

2021年12月23日08：00，500 hPa图上，中高纬地区呈两槽一脊型，40°N以北西风带低槽引导冷空气南下，河套及以西有一冷槽，槽前有大于20 m/s的偏南风急流，槽后等温线与等高线相交近乎45°，且温度槽落后于高度槽，低槽为一发展槽，槽后冷平流强盛；700 hPa层上，河套附近存在一切变线，切变线南侧为西南偏西急流（12 m/s），石家庄处于低空急流入口区左侧；850 hPa层上，河北省西部存在暖脊及弱切变；地面上的西伯利亚到蒙古冷高压势力强，冷高压中心强度达1 057.5 hPa，河北处于蒙古冷高压底部，以偏东风为主导，为一河北回流天气形势。

2021年12月23日20：00，高空槽东移北抬，存在大风速核（24 m/s），石家庄位于槽前西南气流中；700 hPa

层上，切变线位于石家庄西部，但切变线以南仍为偏西气流；850 hPa层上，存在东北风急流（12 m/s），石家庄北部存在风速辐合；地面上石家庄西部存在一弱倒槽，蒙古北部存在冷高压中心，中心强度达1 052.5 hPa，

冷高压东移南下，冷空气不断向东南扩散，从东北经华北平原南下，随着偏东风加强，降水开始。

2021年12月24日08：00，500 hPa高空槽东移减弱并且移出我省，700 hPa转为西北气流，但低层仍存在偏东风，且湿度较好，在石家庄西部辐合抬升，仍存在弱降雪；10：00，低层偏东风转为偏南风，降水结束。由环流形势的发展演变可以得出，此次降雪过程是受500 hPa高空槽、700～850 hPa切变线、850 hPa东北风急流及低层回流冷垫共同影响，该形式为此次降雪过程提供了有利的动力条件与水汽条件。

3 物理量分析

3.1 动力条件

此次过程在700 hPa以上高度为偏西北气流，且垂直速度＞0，为下沉运动；23日20：00，700 hPa以下低层偏东风增强，垂直上升运动增大，湿层厚度增加；水汽主要位于低层偏东伴随的较大湿度。结合当天涡度垂直剖面，当日垂直上升运动较大时间段，在800～

850 hPa有明显的负涡度平流、850～975 hPa有明显的正涡度平流，有利于垂直上升运动的维持，为降水提供动力的抬升作用。

3.2 水汽条件

此次降雪过程中，700 hPa和850 hPa水汽通量散度均为正值，850～600 hPa存在干层，这可能是此次回流降雪过程较弱的一个主要因素；而在降雪主要时段，925 hPa一直存在超低空急流，且途经渤海海面的潮湿空气，使得东风伴随有一定湿度条件，在山前的强地形辐合作用下强迫抬升。2021年12月23日20：00，

700 hPa以下随着偏东风增强，湿层厚度也在增加增加；偏东风为降雪提供了有利的水汽条件。因此此次过程主要动力条件为地形抬升及东风急流辐合作用，水汽条件主要来自低层东风急流输送，偏东风在这次降雪过程中是重要水汽源。

4 探空条件分析

2021年12月23日08：00，925 hPa以下为东北风且配合一定湿区，但中高层较干；850 hPa附近有逆温层，暖湿空气在冷垫爬升；850 hPa以上为西南气流，风随高度顺转，有暖平流；23日20：00，中高层西南气流加强，500 hPa风速达24 m/s，且400～600 hPa湿层显著增加，接近饱和，为降水提供了充足的水汽条件；低层东北风伸展到850 hPa以上，在山前辐合抬升，为降水提供动力条件；600～850 hPa存在干冷空气，使下沉气流和低层冷空气外流增强，强迫流入的暖湿气流更强烈抬升，造成降雪。

5 多源观测资料应用

5.1 地面自动站资料

从地面风场来看，2021年12月23日23：00—24日00：00，随着地面东北风增强，降水也逐渐增强，从而产生较大量级的降雪。

5.2 大气可降水量、气温

降水前期，大气可降水量增加，降水强度为2 mm/h；

气温不断降低，气温降低速率为1 ℃/h。

5.3 风廓线雷达

风廓线资料显示，2021年12月23日15：00左右，地面偏东风开始建立，但风速较小，为2 m/s左右，中层为偏西气流，500 hPa以上为西南气流，风速达20 m/s；

偏东风不断向上伸展；19：00左右，2.5 km以下转为一致的东北气流，2.5 km以上为偏西气流，反映了近地面冷垫和上层暖湿气流的反差，进而反映动力抬升作用的强度；21：00左右，中高层偏西气流向下延伸，中低层东北气流加强，达8 m/s，在2.5 km附近偏西气流与东北气流交汇，石家庄降水开始。12月24日10：00，800 hPa以下东风厚度减弱，风速减小，降雪渐止。

在上述高低空风场配置下，800 hPa以下偏东风在太行山东麓受地形阻挡，被强迫抬升。上升气流与中高层下沉支气流在750 hPa高度附近辐合，降雪大值区出现在山前上升气流密集区。

此次回流天气过程中，高层西南暖湿气流不明显。相较于典型回流天气，偏东风建立比实际降雪时间偏早约7 h，且在垂直方向上发展深厚，发展高度达

2.5 km，风速达8 m/s。此次过程中边界层偏东风的贡献更为突出。

6 双偏振雷达资料分析

选取2021年12月23日降雪过程对比分析，通过分

析双偏振雷达3个基本产品特征，即相关系数（CC）、差分反射率（ZDR）和差分相移率（KDP）产品，对该过程降水粒子的相态识别进行分析，以增强预报员在雨雪天气下对双偏振雷达产品的认识，提高预报员对雨雪天气预报预警能力。

CC通过描述雷达接收到水平和垂直脉冲变化的一致性，反映探测空间体内降水粒子相态相似度，主要用于降水粒子的相态识别；ZDR表示一个探测空间内的平均粒子形状，当大气中水凝物粒子的形状差距较大，如大雨滴、大冰雹、固液态混合物等，水平尺寸与垂直尺寸差距较大，ZDR的绝对值较大；KDP表示一个探测空间内的平均液态水含量，且雨滴数量越多、形状越大越扁平，KDP越大。

从0.5°仰角反射率因子看，2021年12月23日22：24

石家庄市主城区北部出较强降水回波，回波强度达到20～25 dBz；与之对应的差分反射率因子ZDR为-1～

0.5 dB，CC＞0.95，KDP为-0.1～0.1 deg/km，粒子分类（HCL）表现为干雪。

12月21日石家庄市主城区西部出降水回波，从1.5°仰角反射率因子看，08：42高度在1.4 km左右，反射率因子基本在15 dBz以下，此时观测到下落粒子状态为冰粒；与之对应的ZDR为-1.0～0.8 dB，CC＞0.95，KDP为-0.10～0.15 deg/km，粒子分类（HCL）表现为冰晶和干雪；从0.5°仰角反射率因子来看，21：42石家庄南部出现较强降水回波，反射率因子基本在20～

25 dBz；与之对应的ZDR为0.8～1.5 dB，CC＜0.97，KDP在-0.10～0.15 deg/km之间，粒子分类（HCL）表现为大雨滴、湿雪。

综上，此次降雪过程双偏振雷达回波产品特征为反射率因子为2 dBz左右时，差分反射率因子ZDR较大，在0.8～1.5 dB之间，相关系数CC＜0.97，差传播相移KDP值在-0.1～0.1 deg/km之间，此时粒子分类表现为湿雪、大雨滴；当反射率因子在15 dBz以下时，差分反射率因子ZDR较小，在-1.0～0.5 dB之间，CC＞0.95，差传播相移KDP值在-0.1～0.1 deg/km之间，此时粒子分类表现为干雪或冰晶。

针对2021年冬季石家庄两次明显降雪过程，使用双偏振雷达探测产品，探讨降水粒子属性（表1）。

通过对两次降雪过程双偏振雷达回波资料整理分析，均符合此结论，说明此结论具有很好的普适性。通过双偏振雷达产品对降水粒子的相态识别，可增强预报员在雨雪天气下对双偏振雷达产品的认识，提高预报员对雨雪天气预报预警能力。

7 结论

（1）此次降雪天气过程主要动力条件为地形抬升及东风急流辐合作用，水汽条件主要来自低层东风急流的输送，偏东风在这次降雪过程中是一重要水汽源。

（2）从大气可降水量看，降水前期，大气可降水量增加，2 mm/h；从气温看，降水前期，气温不断降低，1 ℃/h；地面风场上，地面东北风增强，降水也逐渐增强，从而产生较大量级降雪；从风廓线雷达看，2.5 km以上高空风向下延伸，2.5 km以下偏东风加强，偏西气流与东北气流交汇时，降水开始。

（3）当反射率因子较大时，其对应的ZDR也较大，但CC较小，此时降水粒子多表现为湿雪或干雪夹杂着大雨滴。

（4）冬季降雪或在弱降水条件下，KDP表现较差，其值较小，一般在-0.1～0.1 deg/km之间；

（5）若大气中水凝物粒子为冰粒、干雪时，CC值较小，通常＞0.95；反之，若大气中的水凝物粒子为大雨滴、湿雪或混合相态粒子时，CC值较小，大多＜0.95。

参考文献

[1] 赵思雄，孙建华，陈红，等.北京“12.7”降雪过程的分析研究[J].气候与环境研究，2002（1）：7-21.

[2] 孙建华，赵思雄.华北地区“12.7”降雪过程的数值模拟研究[J].气候与环境研究，2003（4）：387-401.

[3] 李青春，程丛兰，高华，等.北京一次冬季回流暴雪天气过程的数值分析[J].气象，2011，37（11）：1380-1388.