呂 靜，蔡 彤，余 呂，張 艷，柯莉萍

(貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局，貴州 威寧 553100)

0 引言

降雪常常伴隨著大風(fēng)、寒潮、冰凍和低溫等，是貴州冬季常見的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一。降雪，特別是強(qiáng)降雪,不僅對城市交通、農(nóng)牧業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害，同時也會對人民生命安全造成一定的威脅。貴州地勢溝壑縱橫，海拔高差大，在同一環(huán)流背景下，復(fù)雜的地形地貌造成降雪天氣的不均勻性、不連續(xù)性。與其他地區(qū)相比，貴州降雪天氣的預(yù)報對預(yù)報員提出了更高的技術(shù)要求。許多專家學(xué)者對貴州降雪開展了一些研究，宋丹等[1]對44 a的降雪天氣分析發(fā)現(xiàn)，造成貴州降雪的環(huán)流特征主要有北脊南槽型、橫槽南支型、平直多波動型和高空急流型；李習(xí)瑾等[2]研究表明孟加拉灣的暖濕氣流與北方冷空氣的強(qiáng)輻合是貴州暴雪的重要原因；甘文強(qiáng)等[3]指出“前暖濕后冷濕”的溫濕結(jié)構(gòu)使得貴州低溫雨雪天氣過程中的降雪相態(tài)多樣化；羅喜平等[4]對比分析貴州降雪和凍雨天氣時，發(fā)現(xiàn)降雪發(fā)生前有弱逆溫，而降雪開始后無逆溫。這些研究主要是從天氣學(xué)角度展開的大范圍環(huán)流形勢分析，對貴州降雪預(yù)報有重要的指導(dǎo)意義，但對于精細(xì)到縣一級的預(yù)報服務(wù)存在一定的局限性。

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化水平不斷提高，飛機(jī)、天氣雷達(dá)、GPS/MET水汽、L波段探空雷達(dá)觀測技術(shù)等發(fā)展，使得觀測手段變得更加多元化。特別是L波段雷達(dá)探空資料對研究降雪云物理機(jī)制的運(yùn)用，對預(yù)報技術(shù)的改進(jìn)提供了新的思路。馮麗莎等[5]運(yùn)用L波段雷達(dá)探空觀測資料成功診斷分析了2016年初河南1次典型的區(qū)域暴雪過程。朱彩霞等[6]研究發(fā)現(xiàn)L波段雷達(dá)探測資料可用于大氣邊界層特征分析，在氣候評價中起到重要作用。

威寧縣地處貴州西北部，年平均降雪日數(shù)20 d，降雪主要集中在每年的11月—次年3月。冬季頻繁的降雪，對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活造成較大影響。作為貴州僅有的2個探空站之一，威寧站L波段雷達(dá)探空資料的應(yīng)用研究對當(dāng)?shù)靥鞖庾兓?、氣象防?zāi)減災(zāi)有重要的意義。本文利用L波段雷達(dá)探空資料，對貴州威寧降雪天氣進(jìn)行分析，初步得出威寧降雪預(yù)報指標(biāo)，并建立預(yù)報模型，為今后精細(xì)化降雪預(yù)報研究奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料選用威寧站2008—2019年經(jīng)過臺站本級和國家氣象信息中心質(zhì)量控制的逐日地面觀測資料和L波段雷達(dá)每天08時、20時的探空資料。地面觀測資料是月報表中記錄的逐日地面降雪觀測資料；探空資料是根據(jù)《高空氣象探測規(guī)范》，由L波段(1型)數(shù)據(jù)處理軟件計算得到的各規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)等壓面溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速氣象要素值。由于威寧是高海拔山區(qū)，冬季近地面氣壓在770～780 hPa左右，850 hPa的物理量無預(yù)報指示意義。因此，探空資料選取的各規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)等壓面分別為近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa。

1.2 研究方法

根據(jù)地面觀測資料，一天當(dāng)中任何時候出現(xiàn)了降雪(包括雨夾雪、純雪、雨夾雪和純雪并存)，均記為有降雪發(fā)生，定義為1個降雪日。當(dāng)?shù)孛嬗^測資料中記錄有降雪發(fā)生時，選取離該降雪日降雪出現(xiàn)時間最近的探空資料，利用箱線圖統(tǒng)計分析當(dāng)日近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向氣象要素值變化特征，得出相應(yīng)的預(yù)報指標(biāo)，建立預(yù)報模型。

箱線圖可以描述1組數(shù)據(jù)的分布特征，是日常天氣分析常用的方法之一。假定不同大氣層結(jié)的探空物理量分布呈(準(zhǔn))正態(tài)分布，長方框箱體上下邊延伸線的端點表示最大值和最小值，箱體的上下底分別代表75%分位數(shù)和25%分位數(shù)，箱體中的粗線代表50%樣本的物理量值(中位數(shù))。

2 物理量的統(tǒng)計特征及預(yù)報指標(biāo)確定

2.1 探空濕度統(tǒng)計學(xué)特征及預(yù)報指標(biāo)確定

廣義的降水是指大氣中的水汽凝結(jié)后以液態(tài)水或固態(tài)水降落到地面的現(xiàn)象，這里的固態(tài)降水包含雪。一般來說，形成降水要滿足3個重要條件：充足的水汽、足夠多的凝結(jié)核、氣塊能夠抬升并冷卻凝結(jié)。根據(jù)以上條件，只有空氣達(dá)到一定的濕度，才能保證有充足的水分，使得降雪能夠發(fā)生。因此，預(yù)報模型的第1個預(yù)報指標(biāo)為濕度條件。

從探空濕度的箱線圖(圖略)可以看出，700 hPa、近地面濕層厚且分布集中，保證了降雪的水汽供應(yīng)。600 hPa的濕度區(qū)間廣，大多數(shù)個例的濕度較大，對于降雪的水汽供應(yīng)有一定的貢獻(xiàn)。500 hPa上的濕度在2%～91%之間，濕度普遍較低且分布離散度大，預(yù)報參考性低。由此可見，濕度預(yù)報指標(biāo)主要決定于600 hPa及其以下的濕度。

由圖1看出，近地面和700 hPa都存在1個濕度在80%以上的高濕區(qū)。與近地面的濕度相比，700 hPa上的濕度在90%以上的占比更高。近地面層濕度在90%≤H≤100%區(qū)間為最多，占65%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占23%；再次是70%≤H<80%區(qū)間，占9%；濕度在70%及其以下共占3%，可以忽略不計。700 hPa上的濕度在90%≤H≤100%區(qū)間為最高，占58%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占33%；濕度在80%以下占9%。600 hPa上的濕度在H<50%區(qū)間為最多，占31%；其次是80%≤H<90%區(qū)間，占28%；再次是90%≤H≤100%區(qū)間，占22%；然后是70%≤H<80%區(qū)間，占8%；再然后是60%≤H<70%區(qū)間，占6%；最后是50%≤H<60%區(qū)間，占5%。

綜上所述，近地面和700 hPa的高濕區(qū)滿足降雪發(fā)生的條件，可以確立預(yù)報指標(biāo)為：H近地面≥80%、H700≥80%。600 hPa在H<50%濕度區(qū)間的個例最多，但是該區(qū)間濕度較低，不利于降雪發(fā)生，不能作為預(yù)報指標(biāo)。進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)64%的個例在600 hPa上的濕度不小于60%，該閾值既能滿足降雪發(fā)生的條件，又屬于大多數(shù)個例的共性特征，可以確立為預(yù)報指標(biāo)：H600≥60%。

圖1 近地面、700 hPa及600 hPa等壓面的濕度在不同區(qū)間的比例Fig.1 Proportion of humidity near the ground, 700 hPa and 600 hPa isobaric surface in different intervals

2.2 探空溫度統(tǒng)計學(xué)特征及預(yù)報指標(biāo)確定

降水發(fā)生并不代表降雪發(fā)生，還有可能是降雨。一直以來，降水相態(tài)都是冬季天氣預(yù)報重點關(guān)注的內(nèi)容之一。對于相同量級的降水，固態(tài)降水和液態(tài)降水對人們生產(chǎn)生活造成的影響完全不同。同樣是24 h累積降水，液態(tài)降水只不過是中雨，屬于一般性降水，而固態(tài)降水則達(dá)到了暴雪，成為冬季常見的災(zāi)害性天氣。國外早期研究發(fā)現(xiàn)，決定降水類型的主要因素是溫度垂直廓線[7-8]。國內(nèi)許多專家學(xué)者也總結(jié)出了類似的結(jié)論，師鴻儒等[9]認(rèn)為近地面的氣溫能指示雨雪相態(tài)，龍柯吉等[10]提出地面和高空近地層的溫度對區(qū)分降水相態(tài)有較好的指示意義。因此，預(yù)報模型的第2個預(yù)報指標(biāo)為溫度條件。

圖2是威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次近地面—500 hPa不同高度層的溫度箱線圖。由圖2看出，除了少數(shù)異常值，近地面層、700 hPa、600 hPa、500 hPa的溫度分別為-9～6 ℃、-13～7 ℃、-13～0 ℃、-20～-1 ℃。不同高度的等壓面，溫度區(qū)間存在不同程度的重合，但大值區(qū)存在差異。從中位數(shù)來看，由近地面層到500 hPa層各等壓面的溫度分別是-1.5 ℃、-4.1 ℃、-6.5 ℃、-12 ℃。對于75%的個例，近地面層的溫度在0.5 ℃以下，700 hPa溫度<-1.2 ℃，600 hPa溫度<-4.8 ℃，500 hPa溫度<-8.2 ℃。為了保證降水的相態(tài)是固態(tài)(雪)，溫度在垂直分布上應(yīng)該趨于保持一致的冷層。75%分位數(shù)比中位數(shù)更好地體現(xiàn)了大多數(shù)個例的溫度分布特征，同時也滿足降雪的溫度垂直分布條件，可以作為溫度預(yù)報指標(biāo)。即溫度預(yù)報指標(biāo)為：T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃。

圖2 各探空等壓面對應(yīng)的溫度箱線圖Fig.2 Temperature box diagram corresponding to each sounding isobaric surface

2.3 探空風(fēng)的統(tǒng)計學(xué)特征及預(yù)報指標(biāo)確定

風(fēng)對降雪的貢獻(xiàn)，主要包含2個方面：風(fēng)向、風(fēng)速輻合為降雪發(fā)生提供動力；風(fēng)對水汽和能量的輸送作用。所以，預(yù)報模型的第3個指標(biāo)應(yīng)為風(fēng)向風(fēng)速條件。

圖3是威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次近地面—500 hPa不同高度層的風(fēng)速箱線圖。分析圖3發(fā)現(xiàn)，近地面的風(fēng)速小(最大值為7 m·s-1)，隨著高度的增加，風(fēng)速增大，風(fēng)速輻合特征明顯。從近地面—500 hPa，各等壓面的中位數(shù)分別為4、7、21、28 m·s-1，25%～75%分位分別為3～5 m·s-1、5～10 m·s-1、17～26 m·s-1、21～35 m·s-1。

圖3 各探空等壓面對應(yīng)的風(fēng)速箱線圖Fig.3 Wind speed box diagram corresponding to each sounding isobaric surface

分析威寧降雪天氣發(fā)生前最近時次探空資料在垂直方向的風(fēng)向變化雷達(dá)圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，近地面層—500 hPa層上的風(fēng)向具有明顯的南北風(fēng)切變。近地面和700 hPa上的風(fēng)向比較雜亂，不同方向的風(fēng)都有出現(xiàn)。近地面層72%的個例風(fēng)向偏北，冷空氣勢力強(qiáng)。700 hPa上77%的個例風(fēng)向偏南。除了極少數(shù)個例 ，600 hPa、500 hPa的風(fēng)向以西南風(fēng)到西風(fēng)為主，600 hPa西南風(fēng)比重更大，500 hPa西風(fēng)頻率更高。從最多風(fēng)向統(tǒng)計來看，近地面為北風(fēng)(74次)、700 hPa為西南風(fēng)(60次)、600 hPa為西南西風(fēng)(101次)、500 hPa為西風(fēng)(125次)。

圖4 各等壓面對應(yīng)的風(fēng)向變化雷達(dá)圖(單位：°)Fig.4 Radar chart of wind direction change corresponding to each isobaric surface (unit:°)

綜上分析，探空風(fēng)向風(fēng)速的分布特征為：近地面多為北風(fēng)且風(fēng)速小；600 hPa、500 hPa偏西、偏南風(fēng)強(qiáng)，風(fēng)向、風(fēng)速的輻合為降雪天氣提供動力條件，且強(qiáng)勁的偏西、偏南風(fēng)對水汽的輸送貢獻(xiàn)較大。結(jié)合濕度條件，降雪天氣要保證600 hPa及以下的濕度達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，即考慮600 hPa的大風(fēng)速區(qū)對水汽的輸送。因此，風(fēng)向風(fēng)速的預(yù)報指標(biāo)可以確定為：V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風(fēng)速增大，南北風(fēng)切變明顯。

由于天氣系統(tǒng)的抬升、地形的抬升等作用都可以替代風(fēng)的動力抬升作用，大氣層實際濕度條件充分時，可以忽略風(fēng)對水汽的輸送；在溫度和濕度預(yù)報指標(biāo)同時滿足的情況下，可以不考慮風(fēng)向、風(fēng)速的預(yù)報指標(biāo)。

3 預(yù)報模型的建立與檢驗

根據(jù)上述綜合分析，初步建立降雪預(yù)報模型：濕度條件為H近地面≥80%、H700≥80%、H600≥60%；溫度條件為T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃；風(fēng)向風(fēng)速條件為V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風(fēng)速增大，南北風(fēng)切變明顯。當(dāng)濕度、溫度條件同時滿足時，直接判斷為將有降雪發(fā)生，不再進(jìn)行風(fēng)向風(fēng)速條件的判別。

設(shè)NA為預(yù)報正確次數(shù)，NC為漏報次數(shù)，NB為空報次數(shù)，通過計算準(zhǔn)確率、漏報率、空報率，檢驗預(yù)報模型的預(yù)報效果，具體計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

利用公式(1)～(3)對2020年冬季(12月、1月、2月)17個降雪日的預(yù)報準(zhǔn)確率、漏報率、空報率進(jìn)行計算，得到2020年冬季降雪日的預(yù)報準(zhǔn)確率、漏報率、空報率分別為70%、18%、18%(表1)。說明對于絕大多數(shù)個例預(yù)報模型都有較好的指示意義，極少數(shù)個例模式預(yù)報存在漏報和空報的現(xiàn)象。對于不同的月份，12月的預(yù)報效果最差，準(zhǔn)確率、漏報率、空報率分別為50%、43%、20%；1月和2月的預(yù)報效果一致，準(zhǔn)確率、漏報率、空報率均分別為83%、0%、17%。

表1 2020年冬季(12月、1月、2月)預(yù)報模型效果檢驗Tab.1 Test of forecast model in 2020 winter (December, January, February)

4 結(jié)論與討論

通過對貴州威寧站2008—2019年降雪天氣的L波段雷達(dá)探空資料分析研究，得出以下結(jié)論：

①中低層較大的濕度是影響威寧降雪的重要因子，預(yù)報指標(biāo)為H近地面≥80%、H700≥80%、H600≥60%。

②溫度對于威寧降雪有重要的指示意義，在500 hPa及以下的大氣為相對統(tǒng)一的冷層環(huán)境下，最有利于降雪。預(yù)報指標(biāo)為T近地面≤0.5 ℃、T700≤-1.2 ℃、T600≤-4.8 ℃、T500≤-8.2 ℃。

③風(fēng)對威寧降雪的動力抬升和水汽供應(yīng)具有一定的作用，預(yù)報指標(biāo)為V近地面≤5 m·s-1、V600≥17 m·s-1，隨著高度的增加，風(fēng)速增大，南北風(fēng)切變明顯。在溫度、濕度指標(biāo)同時滿足降雪條件下，不必考慮風(fēng)向風(fēng)速的預(yù)報指標(biāo)。

根據(jù)降雪預(yù)報指標(biāo)，建立了貴州威寧降雪的預(yù)報模型。利用該模型對2020年冬季降雪進(jìn)行檢驗，其準(zhǔn)確率達(dá)70%，預(yù)報參考性較大，但12月降雪預(yù)報準(zhǔn)確率較低。究其原因，一是漏報。可能是在探空觀測時段以外天氣系統(tǒng)快速發(fā)展變化、有冷空氣補(bǔ)充或加強(qiáng)導(dǎo)致。二是空報?？赡苁怯捎谶B續(xù)降雪過程的最后1 d的夜晚或是第2 d，各物理量不會馬上發(fā)生變化，預(yù)報模型誤判降雪還將繼續(xù)發(fā)生。由于探空資料觀測時次的局限性以及天氣變化在時間上的不確定性，在今后的研究中，可適當(dāng)考慮環(huán)流背景、冷空氣活動以及其他觀測資料的補(bǔ)充等多方面對降雪預(yù)報模式進(jìn)行訂正、完善。在日常預(yù)報工作中，為了進(jìn)一步提高預(yù)報準(zhǔn)確率，還應(yīng)結(jié)合天氣形勢的變化、冷空氣的活動、其他觀測資料的使用等多方面對預(yù)報模式進(jìn)行訂正、完善。