劉 梅 俞劍蔚 蔣義芳 喜 度 李 聰

1 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008

2 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210009

3 南京市氣象局，南京 210019

提 要： 利用自動(dòng)氣象站、雙偏振雷達(dá)、微波輻射計(jì)和NCEP再分析資料，結(jié)合中尺度WRF模式模擬結(jié)果，分析了2020年3月28日江蘇的沿江和蘇南地區(qū)突發(fā)降雪前后多源監(jiān)測(cè)資料相關(guān)特征及溫度突降成因。研究表明：本次突發(fā)降雪的氣溫突降時(shí)間、區(qū)域變化與較強(qiáng)降水開始時(shí)間、移動(dòng)方向一致。微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品中0℃層高度下降和液態(tài)水含量的增加可作為地面氣溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近判據(jù)，地面氣溫的下降滯后于1.5～3.0 km高度氣溫的下降(約2～3 h)。雙偏振雷達(dá)反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品對(duì)雨雪轉(zhuǎn)換和雪區(qū)擴(kuò)展方向判斷具有顯著特征，0℃層亮帶區(qū)域、形態(tài)變化與低層降溫區(qū)域、移動(dòng)方向一致，相關(guān)系數(shù)中不同相態(tài)粒子的非對(duì)稱性特征和形態(tài)變化反映出融化層高度、厚度和移動(dòng)方向變化，混合相態(tài)層不對(duì)稱特征和分類產(chǎn)品濕雪監(jiān)測(cè)信號(hào)早于降雪1～2 h。診斷分析發(fā)現(xiàn)冰晶及雪花下沉過(guò)程的融化潛熱作用和穿過(guò)干區(qū)的蒸發(fā)吸熱對(duì)低層氣溫短時(shí)迅速下降具有一定正貢獻(xiàn)。溫度下降呈現(xiàn)自上而下、自西向東的時(shí)空變化特點(diǎn)，850～700 hPa高度最先出現(xiàn)下降，近地面氣溫下降約滯后2 h。研究表明，多源監(jiān)測(cè)資料可為雨雪轉(zhuǎn)換過(guò)程提供較好的決策支撐，尤其是在短時(shí)臨近時(shí)效內(nèi)。

引 言

降雪在華東地區(qū)每年都有發(fā)生，春季相對(duì)較少。春季雨雪轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是低層及地面氣溫變化的判斷，其經(jīng)常出現(xiàn)在氣溫處于雨雪轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)附近，而氣溫變化影響因子復(fù)雜，降水相態(tài)難以確定。2020年3月28日凌晨江蘇的沿江和蘇南地區(qū)在前期較暖的情況下受冷空氣和多要素共同影響發(fā)生的降雪，雖然降雪強(qiáng)度較弱，沒(méi)有明顯積雪，但社會(huì)反響較大，當(dāng)日媒體、微博均對(duì)本次弱降雪進(jìn)行了廣泛報(bào)道。而本次降雪相態(tài)轉(zhuǎn)換快、持續(xù)時(shí)間短，前期模式預(yù)報(bào)表現(xiàn)較差。為何出現(xiàn)小范圍氣溫突然下降？如何通過(guò)監(jiān)測(cè)資料和機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換的信息？因此，有必要針對(duì)本次過(guò)程開展降雪突發(fā)成因及多源監(jiān)測(cè)資料等相關(guān)分析，為雨雪轉(zhuǎn)換預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

關(guān)于雨雪相態(tài)判斷和降雪成因的研究可分為氣候統(tǒng)計(jì)判定標(biāo)準(zhǔn)和降溫機(jī)理兩個(gè)方面。在雨雪判定標(biāo)準(zhǔn)方面，許愛(ài)華等(2006)、梁紅等(2010)、李江波等(2009)均通過(guò)過(guò)程分析和統(tǒng)計(jì)給出了具有較好預(yù)報(bào)能力的地方降雪判斷依據(jù)和指標(biāo)。借鑒國(guó)外氣層位勢(shì)厚度表示大氣冷暖方法(Heppner,1992；Czys et al，1996)，漆梁波和張瑛(2012)、孫燕等(2013)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，建立了具有更加普適客觀的相態(tài)判別方法，給出低層厚度閾值。研究顯示低層溫度層結(jié)是影響降水相態(tài)的關(guān)鍵。而引起溫度層結(jié)變化的原因非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者從不同方面也開展積極探索，杜佳等(2019)、楊舒楠等(2017)均從冷空氣疊加和溫度平流方面討論了對(duì)降水相態(tài)的影響。郭良辰等(2019)分析了北京城市化對(duì)降雪分布影響及低層大氣溫度層結(jié)影響。廖曉農(nóng)等(2013)針對(duì)北京3月降雪過(guò)程提出了回流東風(fēng)和槽后冷空氣入侵對(duì)邊界層氣溫下降都有一定影響。劉建勇等(2013)認(rèn)為溫度水平平流和非絕熱加熱項(xiàng)起主要作用。徐輝和宗志平(2014)發(fā)現(xiàn)相關(guān)層次的融化作用可以引起溫度垂直結(jié)構(gòu)變化和相態(tài)轉(zhuǎn)換。彭霞云等(2020)通過(guò)對(duì)低層降溫機(jī)制分析，發(fā)現(xiàn)在平流降溫較弱的背景下，冰晶融化吸熱作用也可導(dǎo)致中低層溫度下降。在降溫機(jī)制的分析中多側(cè)重于溫度平流的作用，也逐漸涉及非絕熱加熱項(xiàng)的探討。國(guó)外在非絕熱項(xiàng)對(duì)溫度變化影響的認(rèn)識(shí)更為深入，Lackmann et al(2002)指出低層凍結(jié)和融化作用對(duì)降水相態(tài)的影響，Thériault et al(2010)研究發(fā)現(xiàn)降水率對(duì)降水相態(tài)有重要影響。研究表明，任何可能導(dǎo)致低層溫度變化的因素都可能影響到最終降水相態(tài)的改變。而在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中，既有平流作用又有非絕熱項(xiàng)引起的溫度層結(jié)變化，模式對(duì)平流作用引起的溫度變化預(yù)報(bào)效果較好，而非絕熱項(xiàng)對(duì)溫度影響的預(yù)報(bào)能力偏差較大，因此有必要對(duì)一些復(fù)雜降雪過(guò)程的溫度層結(jié)變化的機(jī)制做進(jìn)一步探討總結(jié)。

近年來(lái)，隨著監(jiān)測(cè)資料的豐富，應(yīng)用微波輻射計(jì)、雙偏振雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品進(jìn)行降水相態(tài)的判斷分析成為可能。吳楊等(2018)利用浙江雙偏振雷達(dá)資料分析，建立了基于水平反射率因子、差分反射率因子、差傳播相移率、零滯后相關(guān)系數(shù)的降雪判據(jù)。魏瑋等(2019)分析了雙偏振雷達(dá)在降雪預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)0℃層亮帶識(shí)別降雪相態(tài)和降雪累計(jì)時(shí)間的可靠性。楊祖祥等(2019)分析了安徽特大暴雨過(guò)程中雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品特征，再次驗(yàn)證了利用相關(guān)系數(shù)、反射率因子、差分反射率產(chǎn)品判斷融化層高度、降水粒子屬性的可行性。微波輻射計(jì)資料主要應(yīng)用于溫濕垂直空間的高精度分析(廖曉農(nóng)等，2013)，但目前研究相對(duì)較少。兩類資料具有觀測(cè)范圍大、時(shí)空分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)，且能在夜間持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)降雪影響因子的判斷又具有一定的可靠性和提前量，對(duì)降水相態(tài)的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)具有重要作用，因此突發(fā)過(guò)程或前期預(yù)報(bào)不好的過(guò)程可依靠監(jiān)測(cè)資料的分析進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)的修訂。這需要對(duì)降雪過(guò)程中雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品和微波輻射計(jì)產(chǎn)品開展細(xì)致分析，從不同時(shí)空角度發(fā)現(xiàn)具有預(yù)報(bào)意義的信息。

根據(jù)本次過(guò)程特點(diǎn)和需求，本文對(duì)2020年3月28日突發(fā)弱降雪過(guò)程進(jìn)行了溫度下降成因分析，試圖發(fā)現(xiàn)該背景下促使相態(tài)轉(zhuǎn)換的氣溫下降預(yù)報(bào)的關(guān)注點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合多源監(jiān)測(cè)資料從溫度、水汽、形態(tài)各角度分析相態(tài)轉(zhuǎn)換前后變化特征，發(fā)現(xiàn)溫度變化和降水粒子屬性的空間變化特點(diǎn)。從監(jiān)測(cè)資料和降溫成因兩方面挖掘利于雨雪轉(zhuǎn)換的信息，以期分析的結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)人員認(rèn)知降水相態(tài)的變化過(guò)程及影響機(jī)制有所幫助，在此基礎(chǔ)上提高雨雪相態(tài)的判斷能力。

1 資料與方法

實(shí)況分析中應(yīng)用了江蘇省自動(dòng)站降水、氣溫等分鐘級(jí)觀測(cè)資料；多源監(jiān)測(cè)資料分析主要應(yīng)用了雙偏振雷達(dá)(反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品)、微波輻射計(jì)(溫度和液態(tài)水含量)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；過(guò)程診斷分析采用了NCEP一日4次0.25°×0.25°再分析資料和中尺度模式WRF模擬資料相結(jié)合，其中再分析資料主要用來(lái)說(shuō)明實(shí)況形勢(shì)背景和非絕熱項(xiàng)中比濕變化對(duì)溫度的影響程度。因再分析資料時(shí)空分辨率較低，涉及到時(shí)空較細(xì)的分析采用了中尺度模擬資料。

所采用的中尺度WRF模式為15/3 km嵌套的系統(tǒng)，其中15 km分辨率系統(tǒng)的背景場(chǎng)采用NCEP水平分辨率為0.5°×0.5°的全球模式的分析場(chǎng)，主要同化了極軌和靜止衛(wèi)星資料和地面常規(guī)觀測(cè)和探空觀測(cè)資料，采用GSI同化系統(tǒng)，其邊界基本包括中國(guó)區(qū)域范圍；3 km分辨率的初始場(chǎng)和側(cè)邊界由15 km分辨率提供，其邊界大致涵蓋中國(guó)中東部區(qū)域，3 km分辨率的同化資料主要是加密觀測(cè)地面站、風(fēng)廓線雷達(dá)、S波段多普勒雷達(dá)，以及GPS/PWV等，采用WRFDA的同化模塊。物理參數(shù)化方案主要包括：微物理過(guò)程采用WSM6方案；長(zhǎng)波輻射采用RRTM方案；短波輻射采用Dudhia方案；近地面采用Monin-Obukhov方案；陸面過(guò)程采用Noah方案；邊界層采用YSU方案；積云參數(shù)化方案僅用于外層15 km模式，采用Kain-Fritsch方案。

選取2020年3月27日20時(shí)NCEP再分析資料模擬初始場(chǎng)，模擬初始場(chǎng)和實(shí)況對(duì)比(圖略)，兩者各層風(fēng)場(chǎng)基本吻合，沿江和蘇南地區(qū)700 hPa以上槽前西南暖濕氣流增強(qiáng)和850 hPa以下東北風(fēng)的冷墊背景兩者一致，各層溫度梯度和分布也基本反映出溫度實(shí)況分布情況。同時(shí)模擬的降水落區(qū)、氣溫下降的時(shí)間、區(qū)域和實(shí)況也較吻合，能夠較好地反映降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此，在診斷分析中應(yīng)用了相關(guān)模擬結(jié)果，探討南京、無(wú)錫降水相態(tài)轉(zhuǎn)換前后氣溫下降關(guān)鍵時(shí)段的溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、濕度、不同層次溫度的逐時(shí)變化特征。

2 天氣實(shí)況

2020年3月28日02—08時(shí)降雪出現(xiàn)在江蘇的沿江和蘇南地區(qū)，雨雪轉(zhuǎn)換區(qū)域自西北向東南方向逐漸推進(jìn)。圖1為本次雨轉(zhuǎn)雪的具體時(shí)間和雪區(qū)分布，雨轉(zhuǎn)雨夾雪最先出現(xiàn)在28日00—01時(shí)江淮之間西部局部站點(diǎn)(圖1a)，02時(shí)雨夾雪范圍擴(kuò)大至南京中北部、鎮(zhèn)江北部和揚(yáng)州南部，03時(shí)南京北部和揚(yáng)州一些區(qū)域出現(xiàn)純雪，隨著純雪范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，04時(shí)南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州南部、泰州南部均出現(xiàn)純雪，雪夾雪范圍東至南通一帶。05—07時(shí)雪和雨夾雪范圍繼續(xù)向東南方向擴(kuò)展，覆蓋南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫一帶(圖1b)。蘇州在08時(shí)出現(xiàn)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，此時(shí)，上游地區(qū)南京至常州已轉(zhuǎn)為降雨，09時(shí)以后降雪完全結(jié)束，沿江和蘇南地區(qū)均轉(zhuǎn)為降雨。02—08時(shí)沿江和蘇南地區(qū)雨雪量為10～18 mm，各站點(diǎn)維持雨夾雪和雪的時(shí)間一般在2～5 h，受地面溫度較高和大部分時(shí)段降雨為主的影響，積雪并不明顯，至28日08時(shí)部分站點(diǎn)出現(xiàn)積雪，南京、溧水、靖江積雪深度分別為2、1、2 cm。另外，從不同站點(diǎn)的降水相態(tài)、溫度等要素逐時(shí)變化發(fā)現(xiàn)，降雪站點(diǎn)經(jīng)歷了雨—雨夾雪—雪—雨夾雪—雨的復(fù)雜相態(tài)變化，轉(zhuǎn)換時(shí)間和相態(tài)變化存在一定的空間差異。圖2為南京、金壇、蘇州三站的逐時(shí)演變，南京站02時(shí)雨夾雪、04時(shí)轉(zhuǎn)雪、06時(shí)再轉(zhuǎn)雨夾雪、08時(shí)轉(zhuǎn)雨；金壇站相對(duì)較晚，05時(shí)開始直接發(fā)生雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)變化，06時(shí)又轉(zhuǎn)為雨夾雪，之后迅速轉(zhuǎn)為降雨；蘇州站08時(shí)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪相態(tài)變化，持續(xù)2 h后又轉(zhuǎn)為降雨。各站相態(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在氣溫快速下降階段，各地維持較低氣溫的時(shí)間較短，相態(tài)轉(zhuǎn)變是自西向東南方向依次發(fā)生，且固態(tài)降水持續(xù)時(shí)間也自西向東南方向逐漸減少。

圖1 2020年3月28日(a)00—04時(shí)，(b)05—08時(shí)降雪區(qū)域隨時(shí)間變化

圖2 2020年3月28日00—10時(shí)(a)南京、(b)金壇、(c)蘇州的溫度、露點(diǎn)溫度、天氣現(xiàn)象逐時(shí)演變

降雪發(fā)生前伴隨貝加爾湖東部高空槽南下，3月26日午后到夜間江蘇自北向南受到冷鋒影響，27日08時(shí)冷鋒到達(dá)浙江中部(圖略)，但冷空氣主體仍位于內(nèi)蒙古一帶，江蘇處于地面冷高壓底部。27日白天高空槽逐漸南壓，冷空氣繼續(xù)滲透南下，江蘇降水逐漸停止，受不斷擴(kuò)散冷空氣影響，26—27日江蘇的淮河以南地區(qū)24 h降溫幅度達(dá)8～10℃，為28日凌晨沿江蘇南地區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪提供了低溫基礎(chǔ)。但在27日20時(shí)全省氣溫仍在9～11℃，江蘇地區(qū)出現(xiàn)降水相態(tài)變化時(shí)氣溫一般在2℃以下。因此，受前期冷空氣影響雖造成溫度明顯下降，但在27日20時(shí)還沒(méi)有達(dá)到降雪的溫度條件。27日夜間至28日上午850 hPa高度層以下一直維持東北風(fēng)，弱冷空氣繼續(xù)導(dǎo)致氣溫下降，為沿江和蘇南地區(qū)降雪的形成提供一定的冷墊條件。該時(shí)段700 hPa高度以上伴隨高空槽東移有明顯的暖濕氣流增強(qiáng)，27日20時(shí)至28日08時(shí)500 hPa槽自112°E移至120°E，700 hPa上沿江和蘇南地區(qū)也存在明顯的西南氣流增強(qiáng)，為降水發(fā)生提供了較好的水汽條件，是一次典型的暖濕氣流在冷墊上爬升的降雪形勢(shì)(圖3)。但28日00時(shí)之后江蘇氣溫南北分布出現(xiàn)異常，沿江和蘇南地區(qū)氣溫明顯低于淮北地區(qū)，06時(shí)沿江和蘇南大部分站點(diǎn)氣溫在3℃以下，江淮之間和淮北地區(qū)氣溫為4～7℃。可見(jiàn)28日凌晨氣溫下降除了前期冷空氣影響和日變化外，沿江和蘇南地區(qū)降水過(guò)程對(duì)降溫也具有一定影響，該區(qū)域低層氣溫為何會(huì)出現(xiàn)快速下降正是本文關(guān)注的重點(diǎn)，也是本次雨雪相態(tài)變化的關(guān)鍵致因。

圖3 2020年3月27日20時(shí)(a)500 hPa高度場(chǎng)(單位：gpm)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢,單位：m·s-1)， (b)地面氣壓場(chǎng)(單位：hPa)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)

3 多源監(jiān)測(cè)資料在相態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的演變特征

隨著多源監(jiān)測(cè)資料的豐富，捕捉從小時(shí)到分鐘級(jí)可預(yù)測(cè)信號(hào)成為可能，應(yīng)用加密自動(dòng)站、微波輻射計(jì)和雙偏振雷達(dá)資料深入分析相態(tài)變換前后不同高度溫濕、回波演變等相關(guān)特征，為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近預(yù)報(bào)提供參考。

3.1 相態(tài)轉(zhuǎn)換前后溫度、雨強(qiáng)變化特點(diǎn)

28日02—06時(shí)江蘇的沿江和蘇南地區(qū)2 m氣溫出現(xiàn)明顯下降(圖略)，從4～6℃下降到2℃以下，很多站點(diǎn)逼近0℃。同時(shí)0℃層高度自27日20時(shí)到28日08時(shí)也呈現(xiàn)明顯變化(圖4)，南京站從3 269 m下降到436 m，而位于江蘇北部的徐州站0℃層高度卻變化不大，0℃層高度大幅下降的區(qū)域主要位于沿江和蘇南一帶。氣層厚度也發(fā)生明顯調(diào)整，沿江和蘇南地區(qū)的H700-850≤154 dagpm，說(shuō)明在27日夜間到28日凌晨沿江和蘇南一帶整層氣溫出現(xiàn)明顯的短時(shí)迅速下降，凍結(jié)層厚度明顯增厚，造成了本區(qū)域短時(shí)降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致28日凌晨突降春雪。

圖4 2020年3月(a)27日20時(shí)和(b)28日08時(shí)0℃層高度變化(數(shù)字，單位：m)

降雪的起始時(shí)間、降水量和2 m氣溫的分鐘級(jí)變化顯示(圖5)，南京浦口站氣溫下降較早，28日00—02時(shí)其迅速下降，1個(gè)半小時(shí)內(nèi)氣溫從7.5℃下降到1.7℃，02時(shí)前后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪相態(tài)轉(zhuǎn)變，相對(duì)較低氣溫維持約5 h，07時(shí)后逐漸開始上升，降水漸止。張家港站氣溫下降相對(duì)較晚，06—07時(shí)2 m氣溫才降至2℃以下，降溫速度較緩慢，低溫持續(xù)時(shí)間短。其降水開始時(shí)間也相對(duì)較早，但前期降水較弱時(shí)氣溫變化不明顯，04—06時(shí)降水開始逐漸增強(qiáng)，氣溫才逐漸下降。兩站均出現(xiàn)降水開始先于氣溫下降，且隨著雨強(qiáng)增大降溫幅度明顯增強(qiáng)，氣溫最低點(diǎn)出現(xiàn)在降水強(qiáng)度最大之后。可見(jiàn)，本次降雪出現(xiàn)之前氣溫下降受到降水和降水強(qiáng)度的直接影響，降水強(qiáng)度增強(qiáng)和氣溫迅速下降存在密切聯(lián)系，這點(diǎn)和Thériault et al(2010)的觀點(diǎn)一致。

圖5 2020年3月28日00—10時(shí)(a)浦口和(b)張家港站氣溫、降雪實(shí)況變化

3.2 微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)特征分析

圖6為南京江寧微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)反演資料和對(duì)應(yīng)的分鐘級(jí)降水資料,江寧站27日23:15開始降水，03時(shí)雨夾雪，04時(shí)轉(zhuǎn)為純雪。圖6a顯示降水初期中層開始有弱的液態(tài)水聚集，23—24時(shí)0℃層高度出現(xiàn)明顯下降，且在較短時(shí)間內(nèi)下降到1.5 km左右，溫度下降最早開始于低層1.5～3 km，之后01—04時(shí)在3～4 km高度液態(tài)水含量明顯增大，低層液態(tài)水較少，該時(shí)段正對(duì)應(yīng)降水增強(qiáng)時(shí)段(圖6b)。期間溫度出現(xiàn)兩次明顯下降，分別是03時(shí)低層溫度-2℃線迅速下降，出現(xiàn)雨夾雪，04時(shí)3 km以下整層氣溫陡然下降，出現(xiàn)降雪。近地面氣溫下降出現(xiàn)在02時(shí)之后。顯然，降水發(fā)生、增強(qiáng)以及空中水含量的增多與低層氣溫明顯下降有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降溫首先出現(xiàn)在低層，然后隨著降水增強(qiáng),整層降溫加強(qiáng)，地面降溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間要滯后于低層氣溫下降2～3 h。因此，在出現(xiàn)0℃層高度明顯下降，同時(shí)中層較強(qiáng)的液態(tài)水積聚降落促使低層及近地面溫度繼續(xù)下降時(shí)，為降水相態(tài)轉(zhuǎn)變提供了有利的溫度條件。0℃層高度明顯降低和空中液態(tài)水含量增加可作為臨近降水相態(tài)判斷的指標(biāo)。

圖6 2020年3月南京江寧站(a)27日20時(shí)至28日08時(shí)微波輻射計(jì)反演溫度(紅線)和液態(tài)水(填色)分布，(b)27日23時(shí)至28日08時(shí)逐5 min降水分布

3.3 雙偏振雷達(dá)資料分析

雷達(dá)反射率因子圖上0℃層亮環(huán)位置及強(qiáng)度的變化反映了融化層高度變化。圖7為本次過(guò)程發(fā)生期間南京雷達(dá)反射率因子分布，從圖中看出降水及相態(tài)轉(zhuǎn)換期間0℃層高度變化的特點(diǎn)明顯。27日21:34距離雷達(dá)50～75 km處，反射率因子高出周圍10～15 dBz的0℃層亮環(huán)逐漸形成，亮環(huán)寬度約25 km，對(duì)應(yīng)融化層高度為2.5～3.5 km。亮環(huán)南北側(cè)在結(jié)構(gòu)上呈非對(duì)稱性特征，北側(cè)亮環(huán)強(qiáng)度大于南側(cè)，在形態(tài)上由環(huán)形逐漸演變?yōu)椤癉”字型，這是由安徽滁州附近生成的較強(qiáng)回波不斷南壓造成。隨著較強(qiáng)回波的移近，南京以北地區(qū)低層氣溫明顯下降，01時(shí)前后南京北部上空0℃層高度明顯下降，從2.5 km 下降到0.5 km左右， 01:30南京六合、浦口地面溫度分別下降到2.1℃、3.6℃，而南京江寧氣溫為5.3℃。02—03時(shí)南京中北部和揚(yáng)州中西部地面氣溫普遍下降到0.6～1.5℃，上述地區(qū)普遍出現(xiàn)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變。南環(huán)在28日00時(shí)之前位置少動(dòng)，之后，強(qiáng)度開始增強(qiáng)，亮環(huán)距雷達(dá)站也越來(lái)越近。02時(shí)雷達(dá)南側(cè)65 km范圍內(nèi)回波強(qiáng)度增強(qiáng)到30～45 dBz，強(qiáng)回波自西北向東南方向移動(dòng)，強(qiáng)中心距離雷達(dá)25 km,對(duì)應(yīng)融化層高度為2 km，中心強(qiáng)度普遍為40～50 dBz，0℃層亮環(huán)內(nèi)回波的顯著增強(qiáng)、融化層內(nèi)大量冰晶粒子自高空降落，導(dǎo)致融化層高度下降，地面氣溫下降區(qū)域隨強(qiáng)回波移動(dòng)而向東南方向推移，降雪范圍進(jìn)一步擴(kuò)大?？梢?jiàn)，強(qiáng)回波造成的降水增強(qiáng)時(shí)間和氣溫明顯下降時(shí)段相吻合，大量降水粒子流下降及拖曳作用導(dǎo)致地面氣溫和0℃層高度的下降(解釋見(jiàn)診斷分析部分)。0℃層亮帶的形狀變化和移動(dòng)方向?qū)Φ孛鏆鉁叵陆?、未?lái)降溫區(qū)域和可能發(fā)生相態(tài)變化區(qū)具有一定指導(dǎo)作用。

圖7 2020年3月(a)27日21:34，(b)28日00:33，(c)28日01:34，(d)28日02:02南京站雙偏振雷達(dá)2.4°仰角反射率因子分布

描述粒子形態(tài)的雙偏振特征產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品在降水相態(tài)變化方面也呈現(xiàn)一定的識(shí)別特征。圖8為本次過(guò)程2.4°仰角的相關(guān)系數(shù)和不同區(qū)域剖面，21:29(圖8a)，距離雷達(dá)80～120 km范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)較小，其值為0.85～0.95，80 km以內(nèi)以及120 km以外的相關(guān)系數(shù)則相對(duì)較大，數(shù)值在0.96～1.0，不同高度粒子相態(tài)分布不同，2.6～4.0 km高度區(qū)間內(nèi)粒子形態(tài)非對(duì)稱性較強(qiáng)。此時(shí)南京站探空700 hPa、850 hPa溫度分別為1℃和2℃，4 km 高度附近氣溫為0℃左右，冰晶、雪片等固態(tài)粒子下落進(jìn)入4 km以下開始融化，形態(tài)發(fā)生改變，一般融化層厚度在0.4～1 km，但此時(shí)探測(cè)到的相關(guān)系數(shù)低值對(duì)應(yīng)厚度有1.4 km左右，這是由于850～700 hPa氣溫垂直變化較小，完全融化成水滴需要較長(zhǎng)時(shí)間，從而造成融化層厚度較大。隨著時(shí)間推移，雷達(dá)站不同方位相關(guān)系數(shù)分布出現(xiàn)不同變化。28日00—02時(shí)(圖8b,8c)，相關(guān)系數(shù)低值區(qū)范圍(融化層)逐漸變?yōu)榘雸A形、弧形直至消失，南京西北部最先消失，然后逐漸向東南方向擴(kuò)展，南京周圍0℃層高度下降最早出現(xiàn)在西北部地區(qū)，然后隨著較強(qiáng)降水回波向東南方向移動(dòng)。02時(shí)南京東南方向距離雷達(dá)50 km處相關(guān)系數(shù)迅速下降，該區(qū)域融化層高度降低，且融化層內(nèi)粒子非對(duì)稱性加強(qiáng)，低層氣溫明顯下降，有利于雪的形成。

沿南京西北部AB線和東南部CD線做相關(guān)系數(shù)的垂直剖面，從圖中可清晰看出降水粒子空間物理結(jié)構(gòu)(圖8d～8f)。23:59南京西北部30～60 km范圍內(nèi)近地面已出現(xiàn)混合態(tài)降水粒子(圖8d白色框區(qū)內(nèi))，30 km內(nèi)近地面無(wú)混合態(tài)降水粒子。01:56南京西北部混合態(tài)降水粒子逐漸向南京城區(qū)靠近，距離雷達(dá)20 km近地面處出現(xiàn)明顯混合態(tài)降水粒子(圖8e白色框區(qū))，同時(shí)其上方P點(diǎn)處有較強(qiáng)相關(guān)系數(shù)低值區(qū)，有較強(qiáng)的混合態(tài)粒子存在，此時(shí)該區(qū)域降水最強(qiáng)、降溫最快，空中較強(qiáng)混合態(tài)粒子下落對(duì)地面溫度下降起到很好反饋?zhàn)饔谩６藭r(shí)南京東南方向混合態(tài)降水粒子還沒(méi)有接地，且距離雷達(dá)中心越遠(yuǎn)，出現(xiàn)不同相態(tài)混合層高度越高。相關(guān)系數(shù)可以很好地反映出雷達(dá)周圍融化層高度、厚度變化，同時(shí)能探測(cè)到不同相態(tài)混合層高度的空間變化。和各地實(shí)際出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換時(shí)間(南京浦口02:30、無(wú)錫、蘇州04—06時(shí))相比，空間相態(tài)混合層特征出現(xiàn)要先于地面降雪時(shí)間，對(duì)地面氣溫下降和相態(tài)變化具有較好的指示作用。雙偏振分類產(chǎn)品也呈現(xiàn)類似的特征。

圖8 2020年3月(a)27日21:29,(b)27日23:50,(c)28日01:56南京站雙偏振雷達(dá)2.4°仰角相關(guān)系數(shù)以及(d)27日23:59沿圖8b中AB線，(e)28日01:56沿圖8b中AB線，(f)28日01:56沿圖8c中CD線的垂直剖面

4 降水相態(tài)轉(zhuǎn)化成因分析

基于雨雪轉(zhuǎn)化前后溫度及層結(jié)厚度關(guān)鍵因子變化，分析在降雪發(fā)生前期26—27日冷空氣影響氣溫已經(jīng)出現(xiàn)大幅下降背景下，27日夜間哪些因子再次引起沿江和蘇南地區(qū)突然降溫，達(dá)到雨雪轉(zhuǎn)換條件。

關(guān)于局地溫度變化可利用式(1)(朱乾根等，2007)開展研判：

(1)

4.1 溫度平流

實(shí)況表明：28日00—02時(shí)南京氣溫下降明顯，04—06時(shí)蘇州、無(wú)錫氣溫明顯下降。圖9是WRF模擬的沿119°E和南京-無(wú)錫剖面風(fēng)場(chǎng)和溫度平流結(jié)果。28日00時(shí)(圖9a)，南京北部上空700 hPa以上出現(xiàn)西南風(fēng)速明顯增大，925 hPa以下32°N以北區(qū)域出現(xiàn)負(fù)溫度平流；而至02時(shí)(圖9b)中高層西南風(fēng)速減小，925 hPa以下負(fù)溫度平流減弱或消失，00—02時(shí)南京北部上空近地面存在一定的負(fù)溫度平流；04時(shí) 925 hPa以下負(fù)溫度平流南移至32°N以南。沿降雪區(qū)域東西方向,南京-無(wú)錫剖面顯示(圖9d～9f)，00時(shí)近地面弱負(fù)溫度平流僅僅存在于南京附近上空，無(wú)錫近地面沒(méi)有明顯的溫度平流。同時(shí)南京上空上下層垂直風(fēng)切變較大，利于該區(qū)域?qū)α靼l(fā)展加強(qiáng)，為此時(shí)南京北部地區(qū)降水增強(qiáng)提供動(dòng)力條件。02時(shí)700 hPa以上偏南風(fēng)大風(fēng)速區(qū)東移，較高層次正溫度平流區(qū)也隨大風(fēng)速帶的移動(dòng)?xùn)|推至鎮(zhèn)江以東區(qū)域上空，此時(shí)沿江和蘇南一帶近地面無(wú)明顯負(fù)溫度平流。04時(shí)近地面弱的負(fù)溫度平流范圍向東擴(kuò)展，實(shí)況降溫發(fā)生時(shí)間自西向東開始，而低層風(fēng)向是東北風(fēng)，負(fù)溫度平流變化方向和低層風(fēng)向相反。可見(jiàn)，低層溫度平流變化和西風(fēng)帶系統(tǒng)中降水發(fā)展有一定關(guān)系。因此，在前期冷空氣影響溫度下降的基礎(chǔ)上，沿江和蘇南地區(qū)近地面1 km以下的弱負(fù)溫度平流對(duì)地面氣溫下降有一定影響。近地面負(fù)溫度平流最先出現(xiàn)在南京北部近地面層，然后隨著較強(qiáng)降水區(qū)域發(fā)展向東向南擴(kuò)展。在雨雪轉(zhuǎn)換溫度是否下降的判斷中，由降水造成的近地面局地弱的負(fù)溫度平流也是不可忽視的關(guān)注點(diǎn)之一。

圖9 WRF模擬的2020年3月28日(a,d)00時(shí)，(b，e)02時(shí)和(c，f)04時(shí)溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(a，b，c)沿119°E和(d，e，f)沿(32°N、118.8°E)—(31.7°N、120.2°E)的剖面

4.2 垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和非絕熱項(xiàng)

圖10為南京和無(wú)錫兩地風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、溫濕的逐小時(shí)演變。27日20時(shí)至28日02時(shí)，南京附近850 hPa高度以上上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，在2.5 km以上出現(xiàn)較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，而氣塊最初被抬升時(shí)處于不飽和狀態(tài)，γd>γ，有較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，w>0，w(γd-γ)>0，氣塊在上升過(guò)程中，垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)對(duì)局地溫度變化具有一定的降溫作用，當(dāng)上升到一定高度達(dá)到飽和凝結(jié)，形成冰晶或雪花，溫度較低的冰晶就會(huì)降落，冰晶或雪花維持較低的溫度下降，致使近地面環(huán)境溫度下降。00—02時(shí)近地面出現(xiàn)明顯的下沉運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)是南京降水最強(qiáng)時(shí)段，降溫也最為明顯。溫度下降的空間分布首先是27日21—22時(shí)850～700 hPa層次0℃層高度迅速下降，地面氣溫下降發(fā)生在28日00時(shí)之后，即中高層強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)、近地面強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)后。且在00—01時(shí)近地面氣溫下降劇烈。濕度場(chǎng)分布顯示強(qiáng)降溫出現(xiàn)之前到強(qiáng)降溫初期南京上空低層是明顯的干區(qū)，一旦有明顯的降水發(fā)生經(jīng)過(guò)干區(qū)時(shí)，將伴有較強(qiáng)的蒸發(fā)降溫。另外，從無(wú)錫時(shí)間變化(圖10b)上也呈現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，不同的是其低層850～700 hPa層次降溫出現(xiàn)時(shí)間晚，中高層垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)導(dǎo)致的降溫幅度緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這主要和系統(tǒng)的移動(dòng)、發(fā)展強(qiáng)度有關(guān)，地面強(qiáng)降溫也是發(fā)生在強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)?？梢?jiàn)，在降水發(fā)生前氣塊強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)、降水增強(qiáng)、冰晶下降融化和干層的蒸發(fā)對(duì)地面氣溫下降均具有一定的影響。本次溫度下降過(guò)程可以說(shuō)自上而下造成，較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致中高層溫度下降和降水發(fā)展，在此條件下發(fā)生較強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)并穿過(guò)低層干區(qū)導(dǎo)致地面氣溫的迅速下降。在沒(méi)有明顯冷平流背景下，地面氣溫較中低層氣溫下降有一定的滯后。

圖10 WRF模擬的2020年3月27—28日(a)南京，(b)無(wú)錫氣象要素的時(shí)間變化(填色：垂直速度，單位：Pa·s-1；藍(lán)線：相對(duì)濕度，單位：%；紅線：溫度，單位：℃;風(fēng)羽，單位：m·s-1)

垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱項(xiàng)對(duì)近地面溫度的影響程度可分別通過(guò)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式和熱力學(xué)第一定律的定量計(jì)算得以驗(yàn)證。 Lumb(1961)指出雪花從融化層下落高度取決于降水強(qiáng)度、環(huán)境濕度和溫度垂直變化率。Kain et al(2000)、徐輝和宗志平(2014)利用式(2)估算了降雪過(guò)程固態(tài)降水融化導(dǎo)致低層溫度變化：

(2)

式中：D是地面累計(jì)降水(單位：cm) ；δp是融化潛熱影響的氣壓層厚度(單位：hPa)；δT是引起的平均溫度變化(單位：℃)。南京站27日20時(shí)至28日08時(shí)總降水量為12.9 mm，28日00時(shí)后逐漸開始出現(xiàn)降水，此時(shí)微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)融化層厚度較大，00時(shí)約為174 hPa。 08時(shí)971 hPa以下到地面溫度大于0℃，融化潛熱影響的氣壓層厚度約為53 hPa，考慮0℃層快速下降，00—08時(shí)融化潛熱影響的氣壓厚度平均更接近于28日08時(shí)的厚度,按照08時(shí)與00時(shí)8∶2分配比例，00—08時(shí)平均融化潛熱影響的氣壓層厚度約為77 hPa。若下降過(guò)程中冰晶全部融化，則融化潛熱致使氣柱平均溫度下降約3.25℃。當(dāng)然該過(guò)程中冰晶或雨雪下降過(guò)程并未完全融化，因降雪量較小，固態(tài)粒子中可能有70%被融化，這樣可使氣柱降溫2.4℃，對(duì)降溫貢獻(xiàn)也較大。02—08時(shí)南京上空850 hPa以上上升運(yùn)動(dòng)減弱，但2 km以下的下沉運(yùn)動(dòng)一直維持，冰晶及雪花的下沉融化對(duì)不同層次氣溫及近地面氣溫下降具有一定作用，為降雪發(fā)生提供有利降溫條件。

環(huán)境濕度對(duì)溫度的影響可應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行定量探討：

cpdT-αdp=ΔQ

(3)

式中：cpdT、αdP、ΔQ分別表示內(nèi)能變化、外界做功、熱量變化?？紤]南京站27日20時(shí)抬升凝結(jié)高度較高，云底以下溫度均在0℃以上，僅考慮雨滴蒸發(fā)潛熱作用，舍去第二項(xiàng)，式(3)可簡(jiǎn)化為下式：

cp·dT≈Lv·dq

(4)

式中：dq為比濕變化，Lv為蒸發(fā)潛熱，cp為定壓比熱容，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃的水蒸發(fā)潛熱一般為2 500 J·g-1，cp取1 004 kg-1·K-1。

27日20時(shí)(圖11c)南京上空1.5 km以下有明顯的負(fù)濕度平流，且均處于較強(qiáng)偏北風(fēng)場(chǎng)控制下， 119°E經(jīng)度剖面低層有明顯干區(qū)，南京北部上空1～2 km處20時(shí)出現(xiàn)明顯的干中心(圖11a)。比濕大值區(qū)位于3 km，02時(shí)比濕大值區(qū)下降(圖11b)，20時(shí)至次日02時(shí)低層比濕增加了3 g·kg-1。降水初期20時(shí)至次02時(shí)當(dāng)冰晶下落穿過(guò)低層干區(qū)時(shí)，其表面較強(qiáng)蒸發(fā)或升華現(xiàn)象將吸收大量熱量，致使環(huán)境溫度下降。根據(jù)式(4)，當(dāng)dq增加3 g·kg-1時(shí)，即引起7.5℃降溫。當(dāng)然，低層比濕的增加并不一定全部是由蒸發(fā)造成，但從濕度平流和風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該時(shí)段濕度的外來(lái)輸送較小，而該時(shí)間段實(shí)際降溫5℃左右?？梢?jiàn)，該時(shí)段低層干區(qū)內(nèi)降水粒子的蒸發(fā)吸熱對(duì)溫度下降具有明顯正貢獻(xiàn)，相關(guān)推斷是建立在對(duì)非絕熱加熱大量簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上。

圖11 2020年3月(a)27日20時(shí)，(b)28日02時(shí)NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位:m·s-1)、比濕(等值線，單位：g·kg-1)和(c)27日20時(shí)濕度平流(填色，單位：g·kg-1·m·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)沿119°E剖面

氣溫的局地變化影響因子較為復(fù)雜，特別是在有降水情況下，其變化更是受到降水強(qiáng)度、潛熱釋放等多要素影響。本次沿江及蘇南地區(qū)降溫是既有弱平流降溫，又有垂直運(yùn)動(dòng)降溫和非絕熱因子降溫共同作用造成的，干區(qū)的蒸發(fā)影響以及降水增強(qiáng)下降過(guò)程中的融化作用對(duì)臨近突發(fā)降溫起到關(guān)鍵作用，造成低層氣溫明顯下降。27日20時(shí)到28日02時(shí)沿江和蘇南一帶0℃層高度從3 km左右下降到0.5 km 以下，整層溫度除了近地面在0～2℃外，其他均在0℃以下，達(dá)到雨轉(zhuǎn)雪的相態(tài)轉(zhuǎn)變條件。

5 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)2020年3月28日突發(fā)降雪的多源監(jiān)測(cè)資料特征分析和診斷，從短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的角度發(fā)現(xiàn)了雨雪轉(zhuǎn)換前后氣象要素、雷達(dá)監(jiān)測(cè)和微波輻射監(jiān)測(cè)信息的變化特點(diǎn)，探討了28日凌晨降雪的關(guān)鍵致因，為長(zhǎng)江中下游降雪及雨雪轉(zhuǎn)換預(yù)報(bào)提供的分析思路。所得結(jié)論如下：

(1)本次降雪過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，范圍較小。降雪雖然在前期較強(qiáng)冷空氣影響背景下發(fā)生，但是發(fā)生前2～5 h整層氣溫出現(xiàn)短時(shí)迅速下降，凍結(jié)層厚度明顯增厚。氣溫下降時(shí)間、區(qū)域變化和較強(qiáng)降水開始時(shí)間、移動(dòng)方向具有較好的一致性，降雪出現(xiàn)之前氣溫下降和降雨強(qiáng)度增強(qiáng)有一定關(guān)系。

(2)雙偏振雷達(dá)反射率、相關(guān)系數(shù)和分類產(chǎn)品在本次降雪過(guò)程中對(duì)雨雪轉(zhuǎn)換和雪區(qū)擴(kuò)展方向判斷具有一定的指導(dǎo)作用。反射率產(chǎn)品的0℃層亮帶區(qū)域和形態(tài)變化與低層降溫區(qū)域和移動(dòng)方向一致，亮帶高度的明顯下降預(yù)示著雨雪轉(zhuǎn)換的可能。相關(guān)系數(shù)產(chǎn)品中不同相態(tài)粒子的非對(duì)稱性特征區(qū)域和形態(tài)變化反映出融化層高度、厚度和移動(dòng)方向的變化，剖面圖上能清晰監(jiān)測(cè)出混合相態(tài)層高度的分布。這些特征的出現(xiàn)較實(shí)際降雪時(shí)間均具有一定的提前，混合層不對(duì)稱特征和空中濕雪的出現(xiàn)約早于實(shí)況降雪1～2 h，其移動(dòng)方向預(yù)示著降雪可能出現(xiàn)區(qū)域。

(3)微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)：有降水發(fā)生，地面氣溫下降滯后1～3 km溫度下降約2～3 h時(shí)，0℃層高度明顯降低和空中液態(tài)水含量增加可作為地面氣溫和降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨近信號(hào)。

(4)診斷分析發(fā)現(xiàn)，前期冷空氣是本次氣溫下降的基礎(chǔ)，近地面負(fù)溫度平流對(duì)氣溫下降具有一定的作用；負(fù)溫度平流最先出現(xiàn)在南京北部近地面層，然后隨著較強(qiáng)降水區(qū)域發(fā)展向東向南擴(kuò)展，負(fù)溫度平流變化方向和較強(qiáng)降水移動(dòng)發(fā)展方向一致。

(5)700 hPa高度以上上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)促使冰晶及雪花形成和整層溫度下降。氣溫下降自上而下發(fā)生，850～700 hPa層次溫度下降相對(duì)較早，近地面氣溫較低層和中層氣溫下降均有一定滯后。冰晶及雪花的下沉拖曳和穿過(guò)干區(qū)的蒸發(fā)作用增強(qiáng)了地面氣溫的快速下降，從而達(dá)到降雪閾值，造成沿江和蘇南地區(qū)28日凌晨突發(fā)降雪。

因此，本次過(guò)程氣溫下降是在前期冷空氣影響后，又在沿江和蘇南一帶出現(xiàn)溫度的突然再次下降，主要受到降水影響，數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)降水和相態(tài)變化導(dǎo)致的垂直方向氣溫預(yù)報(bào)存在不足，預(yù)報(bào)難度較大。本研究結(jié)論可為低層冷墊中層西南氣流形勢(shì)下判斷氣溫能否大幅下降提供思路，尤其在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)。