周 濤，李 娜，王清川，楊 帥，張玉婷

（1.廊坊市氣象局，河北 廊坊065000；2.衡水市氣象局，河北 衡水053000）

對于華北地區(qū)，冬末春初對降水相態(tài)的把握是降水預報中的重要要素，也是精細化預報服務進一步提高所遇到的瓶頸問題之一。目前，國內(nèi)很多學者運用多種方法對降水相態(tài)轉(zhuǎn)變做過研究[1-5]，如濕球溫度、微波輻射計等。河北省內(nèi)對降水相態(tài)的研究成果也頗豐，段宇輝等[6]發(fā)現(xiàn)700 hPa強冷平流的出現(xiàn)及其中心的迅速下降，對雨轉(zhuǎn)暴雪天氣過程的短時預報有明顯指示意義。楊曉亮等[7]得出，只有保證云中冰雪層有一定厚度，才能實現(xiàn)雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變。張南等[8]通過溫度的垂直結(jié)構(gòu)辨別相態(tài)。李江波等[9]在研究中得到河北地區(qū)雨雪相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時各層的溫度閾值，也是目前廊坊本地預報雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變的重要依據(jù)。李江波等[8-10]均發(fā)現(xiàn)零度層亮帶高度的迅速下降，與降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變有密切關(guān)系。上述研究成果對本地降水相態(tài)轉(zhuǎn)變預報有一定參考性，在實際應用過程中，受地理位置、環(huán)境因素及地形條件等影響，仍存在一定偏差，需要定量研究北京雷達出現(xiàn)零度層亮帶高度迅速下降與廊坊各地面觀測站發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時間對應的關(guān)系。且大多數(shù)研究成果側(cè)重對轉(zhuǎn)雪前的零度層亮帶變化特征進行分析，在雨轉(zhuǎn)雨夾雪前的相關(guān)特征研究較少，沒有得到確切的結(jié)論。

2020年2月14日在河北廊坊地區(qū)的一次大范圍強降雪天氣過程中，過程前期多次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，雨夾雪轉(zhuǎn)雪現(xiàn)象，降雪落區(qū)預報與實況較為接近，但由于未能準確預報雨雪轉(zhuǎn)換時間，加之模式水汽條件預報出現(xiàn)較大偏差，導致部分站點降雪量預報偏小一到兩個量級，使得精細化預報服務效果受到影響。在水汽條件分析預報方面，本地現(xiàn)有的實況資料和數(shù)值模式在水汽的監(jiān)測和預報中均無法直觀得到其來源、路徑以及貢獻，對強降雪預報準確率有一定影響，因此，需要探索研究不同的方法對本地水汽條件和雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變特征進行分析。本文通過引入HYSPLIT模式，對強降雪地區(qū)的氣塊進行追蹤模擬，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上增加水汽條件分析預報依據(jù)。熊秋芬等[11-13]運用HYSPLIT模式有效地對暴雪區(qū)的水汽來源及路徑進行追蹤，效果顯著。通過對雷達回波特征詳細分析，使本地雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時間定量化，在完善現(xiàn)有預報指標的基礎(chǔ)上，進一步提升本地大范圍強降雪的精細化預報服務水平。

1 資料和方法

選取2020年2月14日河北廊坊的一次大范圍強降雪過程，通過對北京多普勒雷達特征進行詳細分析，探索零度層亮帶高度迅速下降與廊坊本地雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變時間對應的關(guān)系。同時采用美國NOAA空氣資源實驗室開發(fā)的HYSPLIT模式[14-15]，即拉格朗日混合單粒子軌道模式，對強降雪地區(qū)氣塊進行模擬追蹤。數(shù)據(jù)來源于全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）6 h一次的分析資料，水平分辨率1°×1°，時間步長為1 h，逐小時輸出一次軌跡點的位置及相應位置上氣塊的物理屬性（氣壓、相對濕度、比濕等）。相比常規(guī)方法，該方法可以更直觀地得到降水區(qū)的水汽來源、路徑及貢獻。

2 天氣概況及簡要形勢分析

2020年2月14日03：00—20：00，受500 hPa槽、中、低空急流、低空切變線、地面倒槽和地面冷鋒（圖1）的共同影響，河北廊坊地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪、雨夾雪轉(zhuǎn)雨多次轉(zhuǎn)變（表1），再轉(zhuǎn)大雪到暴雪天氣，最大降水量為29.1 mm（固安），最大降雪量為12.8 mm（三河），除廊坊南部的文安是中雪，其余站為大雪到暴雪（圖2），積雪深度普遍在3～7 cm，最大為10 cm（三河），過程最大小時降水量出現(xiàn)在固安的04：00—05：00，為9.2 mm（雨）。根據(jù)觀測站記錄，14日05：30前降水相態(tài)均為雨，05：32—06：05固安、三河、香河和大廠先后首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其余各站首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪的時間均在08：20之后，轉(zhuǎn)雪時間早晚大致呈現(xiàn)自西向東，從北到南分布。

圖2 2020年2月14日廊坊市各地面氣象觀測站雨雪轉(zhuǎn)換時間及降雪量

表1 2020年2月14日廊坊各站出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪起止時間

圖1 2020年2月13日20時高低空系統(tǒng)

3 基于HYSPLIT模式的水汽條件分析

在對本次過程模擬起點選取時，綜合考慮廊坊各站的地理位置、降水量大值區(qū)及降水時間。選取14日08：00廊坊北部的大廠（116.98°E，39.88°N），垂直方向上選取800、1 500、3 000和5 500 m（分別代表925、850、700、500 hPa）4個高度作為模擬的起始高度，進行96 h后向軌跡模擬（圖3），并對其水汽路徑及貢獻進行分析。

500 hPa的水汽來自中亞地區(qū)，最終從新疆沿西北路徑抵達大廠（圖3）。比濕前期維持在2～3 g/kg，經(jīng)過新疆后緩慢下降，在降水開始前（13日20時）為1.6 g/kg。700 hPa的水汽來自青藏高原，在經(jīng)過四川盆地后比濕迅速增大，到降水開始前一直維持在6 g/kg左右。850 hPa的氣塊來自東海，初始攜帶較多水汽，在進入內(nèi)陸地區(qū)后比濕有所下降，但經(jīng)過長江流域水汽又得到補充，最后經(jīng)過渤海到達大廠。925 hPa的水汽來自蒙古西部，源地是干空氣，到達大興安嶺南側(cè)后折返，從河北東部進入大廠，比濕一直維持在3 g/kg以下（圖4）。因此，對大廠本地來說，此次過程中700、850 hPa分別帶來偏南和偏東的暖濕氣流，水汽貢獻較大。

圖3 2020年2月14日08時大廠（圖中★）4個高度層96 h氣塊后向軌跡

圖4 2020年2月14日08時大廠4個高度層96 h后向軌跡氣塊比濕

4 多普勒天氣雷達特征分析

4.1 基本反射率因子

分析北京雷達0.5°仰角反射率因子，14日02：36，從北京上空東移的回波開始陸續(xù)掃過廊坊的三河、大廠、香河，回波呈塊狀，最強反射率因子達到45 dBZ。03：18廊坊中南部大部分地區(qū)上空開始出現(xiàn)回波，03：48固安出現(xiàn)40 dBZ以上的強回波，強回波范圍不斷增大，持續(xù)時間近1 h，回波結(jié)構(gòu)密實，最強反射率因子＞50 dBZ，與地面最大小時雨強相對應。之后回波東移，強度有所減弱，廊坊上空的回波反射率因子＜35 dBZ，到09：00，隨著降雪的開始，回波強度進一步減弱，基本在10～20 dBZ。總體來看，在降雨時段回波呈塊狀，結(jié)構(gòu)密實，反射率因子強度大；在雨轉(zhuǎn)雨夾雪初期，反射率因子強度無明顯變化，到雨和雨夾雪交替時段，反射率因子整體較降雨時段有所減弱；到降雪時段，回波呈片狀，反射率因子強度明顯減弱。

4.2 徑向速度

從3.4°仰角徑向速度圖上看到，13日23：42低層開始出現(xiàn)弱的風速輻合，偏東風超低空急流短暫建立后轉(zhuǎn)為東南風超低空急流，高度位于800 m附近，超低空急流區(qū)最大徑向速度超過20 m/s，超低空急流持續(xù)近5 h后高度逐漸上升，轉(zhuǎn)為低空急流。14日02：30出現(xiàn)“牛眼”結(jié)構(gòu)，在25 km距離圈內(nèi)正、負速度區(qū)面積相當?shù)那闆r下，最大入流速度區(qū)面積明顯大于最大出流速度區(qū)面積，低層風速輻合加強，“牛眼”結(jié)構(gòu)持續(xù)近1.5 h，高度在0.6～1.4 km（圖5a），表明有較強的水汽輸送，在此期間，零速度線在低層與徑向線平行，為東南風，在距離雷達12～25 km，高度在0.8～1.6 km呈“S”型，表示在該高度上有暖平流，對應廊坊地面降水相態(tài)為雨。在04：18，零速度線形狀開始轉(zhuǎn)變，06：00在雷達附近出現(xiàn)較大折角（圖5b），此時雷達站北側(cè)貼地層轉(zhuǎn)為偏北風，東側(cè)為偏東風，結(jié)合地面形勢及風廓線資料，分析得出鋒面過境時間在06：00前后[16]，此后經(jīng)過雷達的零速度線沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為反“S”型（圖5c），表明此時低層出現(xiàn)冷平流，對應廊坊中北部開始出現(xiàn)雨夾雪。其中東南風低空急流從05：00一直持續(xù)到08：30，整個過程中風速輻合共持續(xù)9 h左右。其中在04：18—06：06，固安上空出現(xiàn)西南風低空急流，最大徑向速度達到20 m/s。10：30零速度線再次轉(zhuǎn)變，低層逐漸轉(zhuǎn)為東北風，此時上述7站地面降水相態(tài)均已轉(zhuǎn)為雪。長時間的速度輻合和低空急流、超低空急流的長時間維持，以及鋒面過境造成的高低空冷暖平流配置均為本次強降雪提供了很好的條件。

從零速度線特征分析，14日08：48開始0.5°仰角零速度線趨于閉合，到09：48，2.4°及以下仰角出現(xiàn)零速度線閉合，低層東北急流逐漸減弱消失，低空急流上部的西南風向低層逐步滲透，此過程中，在雷達西南象限5.5～7.0 km高度上出現(xiàn)速度模糊（圖5d），西南風風速加大，強盛的西南急流使云層中的云雨粒子主要呈液態(tài)，地面表現(xiàn)為降雨或雨夾雪，隨著西南急流強度有所減弱，低層東北風逐漸增強，結(jié)合風廓線資料，10：24在1 km以下出現(xiàn)東北急流，低層東北急流一直持續(xù)到15：36（圖6），在低層東北風加強的過程中，零速度線在高仰角也逐漸出現(xiàn)閉合，由于低層冷空氣侵入增強，云中云雨粒子相態(tài)逐步轉(zhuǎn)為固態(tài)，地面開始呈現(xiàn)降雪，與廊坊中北部各站轉(zhuǎn)雪時間（圖2）相對應。到12：18零速度線在0.5°～6°仰角全部閉合，低層為東北急流，中高層為西南急流。低仰角時閉合區(qū)域較大，隨著仰角的增高閉合區(qū)域逐漸減小。閉合零速度線反映了近地面層和中高層之間由強勢風和相反方向急流造成的風切變，閉合越完整，表明切變越強烈[17]。整層零速度線閉合時間一直持續(xù)到12：48（圖7），隨后零速度線在低仰角逐漸不再閉合，14：30之后在高仰角也逐漸不再閉合，14：48閉合零速度線徹底消失。在出現(xiàn)零速度線閉合時段內(nèi)，降雪強度較大，地面小時雪強普遍在1～3 mm/h，且閉合越完整，降雪強度越大，而在零速度線閉合特征消失后，降雪強度明顯減弱，小時雪強均在＜0.5 mm/h?？梢姰?shù)蛯訛闁|北急流，中高層為西南急流時，出現(xiàn)零速度線閉合特征，對強降雪有很好的指示意義，同時也驗證了胡玲等[17]對天津暴雪過程的多普勒雷達特征研究結(jié)果，若不滿足這一前提條件，“零速度線閉合特征”對降雪的指示意義還需進一步討論。

圖5 2020年2月14日3.4°仰角02：30（a）、06：00（b）、08：36（c）和08：54（d）徑向速度特征

圖6 2020年2月14日3.4°仰角12：30（a）、13：30（b）和14：42（c）徑向速度特征

圖7 2020年2月14日12：36零速度線閉合特征

4.3 零度層亮帶

“零度層亮帶”是天氣雷達判斷層狀云降水或?qū)訝睢e云混合降水的一個重要特征。零度層亮帶以上100～300 m處為0℃層高度，云雨粒子在0℃層上為固態(tài)，層下為液態(tài)，所以可以通過“零度層亮帶”高度估計地面降水粒子的相態(tài)。14日04：42，在4.3°仰角反射率因子圖上，距離雷達17～25 km出現(xiàn)不規(guī)則圓弧狀亮帶（圖8），反射率因子在30～40 dBZ，2個體掃后，圓弧狀亮帶變寬，呈現(xiàn)出較為完整的“零度層亮帶”，高度在1.6～2.3 km，其中沿雷達徑向方向經(jīng)過固安的圓弧亮帶高度在1.5～1.8 km，經(jīng)過三河的圓弧亮帶高度在1.5～2.0 km。05：00固安處的零度層亮帶高度迅速下降到1.1～1.5 km，三河處的亮帶合并變?yōu)槠瑺畈辉偾逦?，隨后零度層亮帶變得模糊不易識別。05：12再次出現(xiàn)圓環(huán)狀亮帶，高度在1.5～1.8 km，2個體掃后局部回波增強，最強反射率因子超過45 dBZ，“零度層亮帶”高度基本不變，一個體掃后亮帶又變得模糊無法識別。05：30之前，廊坊全市均為降雨，05：32固安首次出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其他站點仍為降雨。05：36再一次出現(xiàn)可識別的“零度層亮帶”，高度在1.9～2.4 km，較之前“零度層亮帶”的高度有所上升，最強反射率因子仍超過45 dBZ，此時固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)階段，其他站點仍為降雨，到05：48無法再識別“零度層亮帶”，至此，間歇性出現(xiàn)的“零度層亮帶”徹底消失，此時只有固安和三河兩個站出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，其他站點仍為降雨，在隨后的20 min，香河和大廠也先后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪。

圖8 2020年2月14日（4.3°仰角04：42—05：48（a～l））雷達反射率因子演變

不規(guī)則“零度層亮帶”持續(xù)近1 h，期間亮帶呈圓弧或圓環(huán)狀間歇性出現(xiàn)，“零度層亮帶”的強度變化不大，對于“零度層亮帶”高度的變化，本次過程中只觀察到一次下降和一次上升，且沒有觀察到持續(xù)下降過程，“零度層亮帶”出現(xiàn)下降后半小時，固安出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪，而在“零度層亮帶”高度出現(xiàn)上升時，固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)的狀態(tài)，在此階段內(nèi)，其他站點均為降雨。

07：24在4.3°仰角上第二次觀察到“零度層亮帶”，較第一次更加不完整，呈半圓弧狀，高度在2.2～2.6 km，之后零度層亮帶高度迅速下降，根據(jù)北京探空資料顯示，14日08：00，0℃層高度在180 m，08：30“零度層亮帶”接地，在零度層亮帶高度迅速下降半個小時左右后，距離雷達站較近（百公里以內(nèi)）的7個站陸續(xù)由雨或雨夾雪轉(zhuǎn)為雪。9個站轉(zhuǎn)雪先后順序（圖2）：香河（距離北京雷達45 km，下同）、永清（54 km）、固安（43.8 km）、霸州（79 km）、市區(qū)（37.9 km）、大廠（44.8 km）、三河（54.9 km）、文安（105 km）、大城（124.4 km）。通過對比各站轉(zhuǎn)雪時間，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)雪時間大致呈現(xiàn)自西向東、從北到南分布。在距離雷達40～80 km的各站，均在零度層亮帶高度迅速下降后30 min～1 h先后完成了雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變。文安站和大城站距離北京雷達已超過100 km，運用北京雷達分析誤差較大，此法不再適用。值得注意的是，利用“零度層亮帶”高度的變化來預報地面降水粒子相態(tài)，還需要考慮雷達特征（波長、靈敏度、探測距離等）、地表狀態(tài)（植被、地形等）和日變化等因素。

5 結(jié)論

通過對河北廊坊地區(qū)2020年2月14日強降雪過程中相態(tài)轉(zhuǎn)變特征進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）應用HYSPLIT模式對強降雪地區(qū)進行氣塊后向追蹤模擬，分別得到500、700、850、925 hPa高度層的水汽來源、路徑及貢獻，其中，700、850 hPa暖濕氣流對降水的水汽貢獻較大。

（2）此次強降雪過程中，有反射率因子強度大、持續(xù)時間長、較強徑向速度輻合以及中、低空急流、超低空急流長時間維持等雷達回波特征。

（3）零速度線閉合狀態(tài)反應了低空急流與中高空急流（氣流）發(fā)展對峙消亡等狀態(tài)，對地面降水相態(tài)變化的臨近預報有較好指示意義。在雨轉(zhuǎn)雨夾雪初期，反射率因子強度較降雨時無明顯變化，到雨和雨夾雪交替出現(xiàn)階段，反射率因子強度有所減弱，同時“零度層亮帶”間歇性出現(xiàn)，可能預示著降水相態(tài)的不穩(wěn)定；在雨轉(zhuǎn)雨夾雪過程中，零速度線轉(zhuǎn)為反“S”型。

（4）當“零度層亮帶”高度迅速下降后30 min～1 h，距離北京雷達40～80 km的廊坊7站先后發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變，對本地在雨雪相態(tài)預報中有一定指導意義。雨和雨夾雪發(fā)生多次相態(tài)轉(zhuǎn)變，期間“零度層亮帶”間歇性出現(xiàn)，持續(xù)時間較長，是否是導致第二次零度層亮帶（轉(zhuǎn)雪前）不明顯的一個原因，有待探討。

（5）第一次出現(xiàn)的“零度層亮帶”，并未觀察到持續(xù)的零度層亮帶高度的下降過程，可能是由于空中冷暖空氣的勢力發(fā)生了翻轉(zhuǎn)（不是冷空氣持續(xù)增強）或出現(xiàn)了局部對流增強（破壞零度層亮帶生成條件）。

（6）在固安處于雨和雨夾雪交替出現(xiàn)的時間段內(nèi)，只觀察到一次“零度層亮帶”高度的上升，是否是由于在此期間，0℃層在某一區(qū)間反復波動，且上升和下降幅度較小，造成雨和雨夾雪的交替出現(xiàn)，而雷達圖的時空分辨率較低，對局地短時精細現(xiàn)象不一定都能觀察到。