“Top-Down-Approach”降水相态分析法在双流机场一次降雪过程中的应用

褚芸欣 , 吴妮晏 , 赵清越

（民航西南地区空中交通管理局，成都 610000）

引言

四川四面环山，冬季强冷空气常难以直接南下至盆地内，因此四川地区年平均降雪日数和雨夹雪日数呈现“西多东少”分布特征，特殊的下垫面条件使得盆地地区降水相态预报和判断成为难点[1-2]。一次降水过程中可能同时包含几类降水相态之间的相互转换，而降水相态预报直接决定冬季降水预报正确与否。对于航空气象而言，冬季雨雪天气可能会造成地面及机体积冰、湿滑跑道甚至积雪，进而对飞机起降及机场运行带来不利影响。因此，关注冬季降水过程，提前预报降水相态，对保障机场正常、有序运行具有重要意义。

从20 世纪初开始，国内外学者对雨-雪过渡区内冻雨、冰粒、雨夹雪等降水相态进行了大量的地面、探空、卫星观测及理论分析，研究了一系列物理机制来描述不同降水相态形成的物理过程，普遍认为降水相态的形成机制包含大气垂直热力学和微物理过程两个方面[3-8]。本文选取“Top-Down-Approach”[9]降水相态分析法，利用欧洲中心ERA5 再分析资料（空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为1 h）和常规气象资料，对2023 年1 月16 日双流机场降雪过程进行应用分析，探究双流机场冬季降水相态预报着眼点，为提高双流机场降水相态预报水平提供科技支撑。

1 “Top-Down Approach”降水相态分析法

1.1 方法概述

“Top-Down-Approach”是指从探测环境顶部开始，追踪水汽凝结物由源头至地面的全过程，从而确定最终的降水类型。该方法是1999 年由美国国家气象局（NWS）Dan Baumgardt 在德国气象学家Alfred Wegener所提出的“The Bergeron-Findeisen Process”[10]降水预报方法基础上，结合当时云微物理研究结果，总结出的运用于业务实际的冬季降水相态预报方法。该方法起初被美国国家海洋和大气管理局（NOAA）作为教学材料使用，目前被美国大学大气研究联合会（UCAR）主持开发的MetEd 气象教学项目引入。

1.2 方法要点

在使用该方法时，所在环境应已经具备出现降水的一般环流形势条件，在此基础上分析温度低于-10 ℃的湿层，用以诊断云中是否存在大量冰晶，云的温度越低，冰云的可能性越大[11]。此外，-10 ℃也是能使成冰核在云中激活，并成冰晶的较好温度临界点，对于地处内陆的成都平原地区，腐烂叶子中的细叶菌是常见成冰核来源。对于存在融化机制的过程，需要考虑暖层的厚度和温度，若暖层最高温度≤1 ℃，将不足以融化从上方掉落的冰晶，不会导致凝结物相态变化；若暖层最高温度介于1～3 ℃，大多数水汽凝结物将在冷近地层重新冻结；若最高温度接近或大于3 ℃，暖层会导致冰晶在该层完全融化。

此外，还需关注近地面冷层的分析。若地面冷层温度远高于冰点，水汽凝结物将以雨的形态降落；地面冷层温度低于冰点时，水汽凝结物会以冻结或冻结降水的形式到达地面。而雨或雪临界点可能与850 hPa与0 ℃层高度差对应，该差值越大，水凝物越可能以雪形式降落地面。这与廖晓农等[12]研究指出“降雨过程0 ℃层在云内并高于抬升凝结高度，当0 ℃层降至云底降水由雨转雪，降雪过程中0 ℃层接近地面”的结论基本一致。根据《成都双流国际机场航空气候志（1991 年至2020 年）》记载，双流机场1 月最冷，月平均气温为6.4 ℃，历年极端最低气温为-3.8 ℃。可见，由于双流机场位于盆地西部成都平原地区，其冬季地面温度相对偏高，而该层对机场最终的降水形态有重要影响。因此，在预报中对于近地面冷层分析至关重要。

2 2023 年1 月16 日双流机场案例应用

2023 年1 月16 日13:00—18:00（北京时，BJT）成都市内出现一次降雪天气过程，双流机场于16 日06:30—08:30（世界时，UTC）相继出现雪、雨夹雪等天气。

2.1 环流场分析

2023 年1 月16 日08:00（BJT），500 hPa（图1a）东亚为一脊一槽型环流形势，长波脊位于巴尔喀什湖以西，长波槽位于东西伯利亚至我国东北地区。我国北方以“西高东低”的环流形势为主，南方地区环流较平直，有多个小短波槽东移，双流机场位于四川盆地小短波槽附近。700 hPa（图1b）我国北方受冷空气影响为西北气流控制，四川盆地受辐合切变影响，相对湿度较大，辐合后部偏北气流伴有冷平流侵入四川盆地。850 hPa（图1c）等温线密集带位于贵州云南交界处，冷空气已影响至贵州及云南东部地区，新疆地区有新的冷高压自西北向东南开始南下影响我国，四川盆地内有弱辐合，低层相对湿度较小。由此可见，高层短波槽配合中层辐合高湿是此次降雪过程发生的主要环流背景。

2.2 热动力垂直结构及微物理特征

Roebber 等[13]研究了最终影响降水相态的微物理过程，发现其主要包括云内降水粒子状态、云外融化和升华过程以及地面压缩和变形等过程，其中云内、云外的微物理过程又直接由大气温度、湿度分布决定。本节选取ERA5 再分析资料，从大气垂直热动力结构及地面温、湿条件出发，利用“Top-Down-Approach”对本次降雪过程进行分析。

在产冰层阶段，温度是控制冰晶基本形状的主要因子，-20～-10 ℃的温度范围对树枝状雪花的形成至关重要，尤以-15 ℃为树枝状雪花形成的峰值区[14]。故而，上述温度范围在判断产生冰晶有无及大小时，有着十分重要的指示意义。图2a 给出了2023 年1 月16 日双流机场（104.0°E、30.6°N）降雪过程产冰层温湿特征及垂直上升运动情况。从温度分布来看，500～850 hPa 介于-12～-16 ℃，900 hPa 为-4 ℃，深厚的-12～-16 ℃温度层为枝状雪花的形成提供了有利条件。从垂直运动分布来看，主要降雪时段没有显著的上升运动，导致降雪粒子无法较长时间维持在有利于形成枝状雪花的区域，不易形成较大降雪粒子，雪粒子在云中生成后受重力作用直接穿云进入近地面冷层。从相对湿度分布来看，降雪时段湿度高于85%的层面介于650～850 hPa，高湿区与温度区配合为冰核活化和雪花凝结提供了有利条件[15]。

图2 2023 年1 月16 日温湿特征、垂直上升运动（a.黑线表示垂直速度，单位：Pa·s-1；绿线表示相对湿度，单位：%；红线表示温度，单位: ℃）和云中区域平均冰相粒子和液相粒子（b.黑线表示温度，单位: ℃；蓝线表示云中液态水粒子含量，单位:10-2g·kg-1；红线表示云中冰相水粒子含量，单位：10-2g·kg-1）时间-高度剖面

除温度以外，云中液态水含量也会在一定程度上影响冰晶或雪花的形成，这主要是因为当云中含有充分的液态水时，冰晶粒子与过冷水滴之间的碰并会使得降雪粒子中液态水含量偏高，从而使得降雪的融化比减小。图2b 给出了2023 年1 月16 日双流机场（104.0°E、30.6°N）降雪过程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情况。由于0 ℃、-10 ℃及-40 ℃层在降水相态的转换中起到重要作用，故而在图中叠加了相应等温线。如图所示，当日03—10 时（UTC）降雪时段，700～800 hPa 为冰相粒子与水相粒子共存区，过冷水滴含量为0.08 g·kg-1，冰相粒子浓度为0.1～0.14 g·kg-1，含量均偏高。云层中冰相粒子遇到过冷水滴时，容易发生冰晶粒子和过冷水滴的聚并或凇附过程，过冷水滴的存在使得凇附过程增强，因而形成的降雪粒子具有低融化比[16]。本次降雪时段前期，冰相粒子与水相粒子浓度均偏高，高度偏低且范围几乎完全重叠，有利于形成低融化比的雪花，而不利于降雪在到达近地面层之前发生融化、升华等，降雪过程后期冰相粒子浓度逐渐趋弱，可能是随后降水相态由雪逐渐转至雨夹雪的原因之一[12]。

当降雪粒子穿过云底进入暖层及近地冷层，相应层次的厚度、温度变化将直接关系到降雪是否融化及能否有效累积，进而影响到最终的降水相态。由2023 年1 月16 日08:00（BJT）温江探空曲线（图3a）可知，此次降雪过程产冰层下亦可能存在暖层机制，靠近近地面存在浅薄逆温，逆温厚度100 m 处的最高温度为1.3 ℃。此外根据探空数据，850 hPa 温度为-4.4 ℃，925 hPa 温 度 为-0.5 ℃，地 面 温 度 为0.6 ℃，0 ℃层 高度位于937 hPa（754 m）。值得注意的是，由于近地面冷层不饱和，湿球温度0 ℃层高度相对于干球温度0 ℃层偏低，位于逆温层底，高度约为570 m。因此，降雪粒子将在穿过浅薄逆温层，并降至湿球温度0 ℃层高度才开始加速融化，而湿球温度0 ℃层高度已基本接近地面高度，可见即使地面温度偏高，降雪粒子也将保持雪花形态下落。此外，多项研究[11,17-18]表明微波辐射计等多源探测资料也可为判断降水起止时间及相态变化等提供参考。图3b 给出了2023 年1 月16日05:00—11:00（UTC）双流机场微波辐射计液态水廓线分布特征。如图所示，06:30—07:30 双流机场液态水含量在500～1500 m 高度显著增强至0.8 g/m3。结合降雪过程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情况（图2b）可知，降雪期间-10 ℃高度位于800 hPa 左右，与微波辐射计探测到的位置基本匹配，指示了冰云层的主要分布高度。此外，液态水含量在07:30后逐渐降低，也表明降雪过程将逐渐转至雨夹雪并趋于结束。

图3 2023 年1 月16 日 08:00（BJT）温江探空曲线（a）和05:00—11:00（UTC）双流机场微波辐射计液态水廓线分布特征（b）

3 结论与讨论

本文选取ERA5 再分析资料和常规气象资料等多源数据，运用“Top-Down-Approach”降水相态分析法，对2023 年1 月16 日双流机场降雪过程中降水相态的预报着眼点进行分析，得到以下主要结论：

（1）针对中高层次，需重点分析湿度高于85%的-12～-16 ℃温度层，该层适宜的温湿条件不仅有利于活化成冰核，也有利于枝状雪花的形成。此外，高浓度的云中冰相粒子与水相粒子重叠区，有利于形成低融化比的雪花，不利于后续融化、升华等作用。

（2）在近地冷层分析中，关键层温度可作为判别降水相态的参考指标。当850 hPa 温度低于-4 ℃、900 hPa 低于0 ℃且0 ℃层高度低于750 m 时，降水相态可能为降雪；在产冰层高度偏低，湿球0 ℃温度层与干球0 ℃温度层高度也相应偏低的情况下，降雪预报可适当降低对地面温度限制。

（3）结合温度廓线分析，微波辐射计液态水廓线产品可以指示冰云层主要分布高度，还能反映出液态水含量在降雪过程开始前显著增强且在降雪趋于结束时提前降低的变化特征，对降雪过程有一定的指示意义。

由于缺乏高时空分辨率资料，降水相态的预报始终是航空气象预报的难点。同时，受地理位置及气候特征差异影响，各地区降水相态预报在影响系统、温湿垂直变化等方面的预报指标不尽相同[19-20]。本文利用再分析资料及气象观测资料做了一些尝试，获得了一些初步结论，但对于影响相态变化的因素分析尚不全面。因此，如何借助数值预报产品及探测资料，进一步提高降水相态预报的精细化水平，有待今后深入研究。