楊成芳，朱曉清

(山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031)

引言

我國日常降雪預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，過去通常只預(yù)報(bào)降雪量，以小雪、中雪、大雪、暴雪等分等級(jí)或者以定量表示。隨著精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)需求的發(fā)展，積雪深度預(yù)報(bào)近年來也逐漸納入一些地區(qū)的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，以便人們根據(jù)地面上的積雪大小采取適度防御措施，更有針對(duì)性地對(duì)道路、棚架積雪進(jìn)行清除，如播撒多少融雪劑、出動(dòng)多少清雪車等。為了定量預(yù)報(bào)積雪深度，首先要考慮天氣系統(tǒng)能夠產(chǎn)生多少降雪量，然后再把降雪量轉(zhuǎn)化為積雪深度。由此引入了降雪含水比的概念[1-3](有文獻(xiàn)[4]稱為降雪比，snow ratio)，以建立二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。降雪含水比(snow-to-liquid ratio，SLR) 是指新增積雪深度與降雪融化后等量液體深度(降雪量)的比值，其單位有的文獻(xiàn)采用cm·mm-1，也有的文獻(xiàn)采用mm·mm-1(將積雪深度乘以10轉(zhuǎn)為mm，再計(jì)算降雪含水比，SLR因此不帶單位)。這樣，只要確定了降雪量和降雪含水比，就可以計(jì)算出積雪深度。

對(duì)于SLR的研究主要集中在三個(gè)方面：SLR的影響因子、氣候變化特征和預(yù)報(bào)技術(shù)[5]。更多的研究聚焦于SLR的微物理過程，研究SLR的影響因子。歸結(jié)起來，溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)、垂直運(yùn)動(dòng)、氣壓等氣象條件對(duì)SLR都有影響。ROEBBER et al.[4]認(rèn)為，云內(nèi)的冰晶結(jié)構(gòu)、云下的過程以及地面的壓實(shí)度都要考慮。初始冰晶狀態(tài)取決于溫度和過飽和度，與高空的冰及液態(tài)水有關(guān)[6]。溫度會(huì)導(dǎo)致不同的基本冰晶形態(tài)[7]，冰晶為樹枝狀的降雪SLR值最大。冰晶形成以后，周圍的環(huán)境條件將決定冰晶增長，濕度是云內(nèi)影響第二重要因素[4]。冰晶增長的過程很復(fù)雜，它在下落的過程可能會(huì)遭遇不同的環(huán)境溫度及飽和度，導(dǎo)致產(chǎn)生不同相態(tài)[7]，經(jīng)歷了沉積增長或淞化過程之后冰晶結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步改變，進(jìn)而影響到SLR。例如，淞化時(shí)會(huì)影響到截獲的冰晶內(nèi)的氣體數(shù)量，減小空隙，使得雪密度更大，SLR降低；雪降落到地面24 h內(nèi)冰晶會(huì)發(fā)生形變和結(jié)構(gòu)變化，使得冰晶密化，均會(huì)導(dǎo)致SLR減小。溫度、水汽、風(fēng)都會(huì)導(dǎo)致冰晶結(jié)構(gòu)變化，如果地面溫度高冰晶會(huì)融化，強(qiáng)風(fēng)可導(dǎo)致冰晶解體或移動(dòng)[4,8]，SLR隨著風(fēng)速增大而減小[3]。積雪深度是近地面多氣象要素共同作用的結(jié)果，降水相態(tài)、降雪量、降雪強(qiáng)度、氣溫、地溫和風(fēng)速均有影響，進(jìn)而會(huì)影響到降雪含水比[9]。

以上基于微物理的研究從機(jī)理上揭示氣象條件對(duì)SLR的影響，預(yù)報(bào)員熟悉了影響因子進(jìn)行綜合判斷有助于做出更為準(zhǔn)確的積雪深度預(yù)報(bào)。但是，在日常業(yè)務(wù)中，因?yàn)槿狈?xì)的高空觀測(cè)資料，分析云中和云下的微物理過程是比較困難的。因此，需要利用多年歷史資料開展某個(gè)地區(qū)的SLR氣候特征和基本變化規(guī)律研究，幫助預(yù)報(bào)員對(duì)SLR做初始估測(cè)。早在1875年，美國天氣局就提供SLR=10 mm·mm-1，給預(yù)報(bào)員作為參考。我國傳統(tǒng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，一些預(yù)報(bào)員也以此為參考值估測(cè)積雪深度。HENRY[1]指出10 mm·mm-1只是一個(gè)近似值，對(duì)于很多地區(qū)和天氣形勢(shì)下不夠精確。后來許多研究[2,10-12]表明SLR有相當(dāng)大的變化，它取決于降雪落區(qū)、不同的氣象環(huán)境參數(shù)。BAXTER et al.[2]利用美國1971—2000年7 760個(gè)站點(diǎn)的降雪資料統(tǒng)計(jì)表明，大部分地區(qū)的SLR年平均值為12～14 mm·mm-1，總體大于經(jīng)驗(yàn)值10 mm·mm-1；SLR存在空間差異，北部大南部小，北部為15～18 mm·mm-1，南部多在9～11 mm·mm-1；另外各月SLR也有不同。楊琨和薛建軍[13]利用我國2009—2011年冬季的降雪加密觀測(cè)資料并采用線性擬合方法，分析得出我國冬季積雪深度變化值和相應(yīng)降雪量的比值大體為0.75 cm·mm-1，該比值隨氣溫上升呈顯著減小趨勢(shì)，且有明顯的地區(qū)差異。崔錦等[14-15]首先分析了沈陽站32 a降雪含水比的變化特征，發(fā)現(xiàn)沈陽站降雪含水比的平均值為11.4 mm·mm-1，主要集中在6～12 mm·mm-1區(qū)間變化，進(jìn)而提出了遼寧省小時(shí)SLR的平均值為11 mm·mm-1。楊成芳和劉暢[9]利用加密觀測(cè)資料得到山東一次江淮氣旋暴雪過程的降雪含水比，全省平均值為0.5 cm·mm-1，但各地差異較大?？傮w而言，以上研究均表明降雪含水比具有明顯的空間和時(shí)間變化特征，積雪深度預(yù)報(bào)應(yīng)謹(jǐn)慎使用SLR=10 mm·mm-1的經(jīng)驗(yàn)值，各地應(yīng)深入研究降雪量和積雪深度的關(guān)系。本文利用山東各地建站以來的歷史資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出山東范圍內(nèi)的SLR氣候值，為預(yù)報(bào)員主觀預(yù)報(bào)及客觀預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 資料與方法

1.1 所用資料

本文使用了山東122個(gè)國家級(jí)地面氣象觀測(cè)站(以下簡稱“122站”)自建站以來至2018年12月的地面觀測(cè)及1999—2018年的MICAPS高空、地面圖資料。其中，地面觀測(cè)資料包括08—20時(shí)、20時(shí)—次日08時(shí)的12 h降水量、日積雪深度、降水性質(zhì)、日最高氣溫。資料來源于山東省氣象信息中心。

1.2 資料處理和計(jì)算方法

降雪含水比的計(jì)算公式：

(1)

其中，SLR為降雪含水比，單位為cm·mm-1；SD為08時(shí)—次日08時(shí)的新增積雪深度(即次日08時(shí)積雪深度與當(dāng)日08時(shí)積雪深度之差)，單位為cm；SL為08時(shí)—次日08時(shí)24 h降雪量，單位為mm，與新增積雪深度同一時(shí)段。

考慮到山東降雪的復(fù)雜性和觀測(cè)資料的特點(diǎn)，做出以下限定。

1)山東降雪相態(tài)復(fù)雜[16-17]，研究表明，300個(gè)降雪日中山東降雪時(shí)地面氣溫不會(huì)超過3 ℃(取整數(shù))，94%的降雪日降雪時(shí)的地面氣溫t<2 ℃；其中40個(gè)有雨雪轉(zhuǎn)換的降雪日中，降雨時(shí)有74%的個(gè)例地面氣溫t≥2 ℃，而常規(guī)觀測(cè)資料只能判別出一日當(dāng)中有無降雪出現(xiàn)(有為1，無為0)，12 h和24 h降水量觀測(cè)資料中均無法區(qū)分詳細(xì)的雨雪相態(tài)。因此，挑選純降雪日時(shí)，規(guī)定滿足兩個(gè)條件：降水日的降水性質(zhì)為1；降水日的最高氣溫tmax<2 ℃，從而可基本剔除含有降雨的降雪日。

2)按照我國的地面氣象觀測(cè)規(guī)范，積雪深度的單位為cm，測(cè)量時(shí)雪深不足0.5 cm記為0，超過時(shí)讀取雪深的厘米整數(shù)，小數(shù)四舍五入。在此觀測(cè)規(guī)范下，降雪量越小，則降雪含水比誤差可能越大。例如，假設(shè)某日降雪量為0.6 mm，積雪深度的觀測(cè)記錄為1 cm，根據(jù)觀測(cè)規(guī)范實(shí)際的積雪深度可能為0.5～1.4 cm之間的任意數(shù)，由此計(jì)算出的降雪含水比分別是1.6 cm·mm-1、0.8～2.3 cm·mm-1，差異較大。為了減小可能的誤差，并保留盡可能多的降雪樣本，本文在計(jì)算降雪含水比時(shí)剔除了小雪等級(jí)(日降雪量不大于2.4 mm)的降雪日。

3)山東有兩類降雪：一類是各種天氣系統(tǒng)均可產(chǎn)生的降雪(預(yù)報(bào)員常稱為系統(tǒng)性降雪)，與西南暖濕氣流有關(guān)，分布于全省各地；另一類是冷流降雪(又稱海效應(yīng)降雪)，發(fā)生在冬季強(qiáng)冷空氣影響下，我國渤海中東部、黃海、東海海面及其沿海地區(qū)均可產(chǎn)生冷流降雪，以山東半島北部沿海地區(qū)的煙臺(tái)和威海地區(qū)最為顯著，冷流降雪日數(shù)可達(dá)該地區(qū)總降雪日數(shù)的70%以上[18]。本文在分析全省降雪含水比建站以來的氣候特征時(shí)，考慮到兩類降雪產(chǎn)生機(jī)制完全不同，發(fā)生頻率、影響區(qū)域、降雪量和積雪深度等均有很大差異，為避免全省所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均會(huì)產(chǎn)生混淆，將全省122個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站分為A類和B類。其中，A類站點(diǎn)有115個(gè)，分布在山東內(nèi)陸地區(qū)和B類站點(diǎn)之外的沿海地區(qū)；B類站點(diǎn)包括山東半島北部沿海地區(qū)的煙臺(tái)、福山、牟平、威海、文登、榮成和成山頭7個(gè)站，為強(qiáng)冷流降雪易發(fā)區(qū)，易產(chǎn)生日降水量5 mm以上的強(qiáng)降雪。故A類站點(diǎn)代表山東的大部分地區(qū)，表征各類天氣系統(tǒng)均可產(chǎn)生的降雪；B類站點(diǎn)代表山東半島北部沿海地區(qū)，包含了冷流降雪和系統(tǒng)性降雪。在分析各類天氣系統(tǒng)暴雪過程的降雪含水比特征時(shí)，采用資料齊全的1999—2018年MICAPS高空、地面圖普查各暴雪過程的天氣系統(tǒng)，有江淮氣旋、回流形勢(shì)、黃河氣旋、低槽冷鋒、暖切變線暴雪和冷流暴雪，其中冷流暴雪過程僅發(fā)生在山東半島北部沿海地區(qū)(B類站點(diǎn))，其他天氣系統(tǒng)的暴雪在全省范圍內(nèi)均可發(fā)生。

1.3 降雪樣本

滿足上述限定條件的測(cè)站出現(xiàn)一個(gè)降雪日稱為一個(gè)站次，作為一個(gè)樣本。從全省122站自建站至2018年12月的降雪日中共篩選出7 428個(gè)有效樣本，其中，A類站點(diǎn)樣本數(shù)為6 704個(gè)，B類站點(diǎn)樣本數(shù)為724個(gè)。A類樣本主要集中在1—2月，B類樣本則以12月和1月居多(表1)。由全省降雪樣本數(shù)分布(圖1)可以看出，樣本數(shù)最多的是山東半島北部沿海地區(qū)，超過了100個(gè)，文登最多，為129個(gè)；樣本數(shù)最少的是嶗山站，為19個(gè)，其次是河口和嶧城，均為23個(gè)。樣本數(shù)的多少與建站早晚有關(guān)，也與降雪頻次有關(guān)；山東半島北部沿海地區(qū)的樣本數(shù)多，與冷流降雪頻次高有關(guān)，河口樣本數(shù)少則是由于建站晚(1992年建站)造成的。

表1 全省122站自建站至2018年降雪樣本數(shù)

Table 1 The number of snow samples from 122 meteorological stations in Shandong from their establishment to 2018個(gè)

站點(diǎn)類型降雪樣本數(shù)11月12月1月2月3月4月全年A類3961 5832 1861 94858476 704B類65290227105370724

圖1 山東122站降雪樣本數(shù)分布(單位：個(gè))Fig.1 Distribution of the number of snow samples from 122 meteorological stations in Shandong

2 降雪量與積雪深度的關(guān)系

對(duì)山東122站的7 428個(gè)降雪樣本的降雪量和新增積雪深度進(jìn)行相關(guān)性分析。二者的相關(guān)系數(shù)為0.74，達(dá)到0.01顯著性水平。利用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行線性擬合(圖2)，得到的擬合關(guān)系式為：

y=0.80x+1.0

(2)

式中，y為08時(shí)—次日08時(shí)新增積雪深度(單位：cm)，x為08時(shí)—次日08時(shí)降雪量(單位：mm)。

以上結(jié)果表明，總體而言，山東的新增積雪深度與降雪量存在顯著的正相關(guān)，二者的比值為0.80 cm·mm-1。

圖2 山東24 h降雪量和新增積雪深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between 24-h snowfall amount and depth of newly fallen snow in Shandong

3 全省降雪含水比的總體變化特征

3.1 空間分布特征

圖3給出了全省122站自建站至2018年的平均降雪含水比，從中可以看出山東降雪含水比總體上呈現(xiàn)北高南低的分布規(guī)律。山東半島的北部沿海地區(qū)平均降雪含水比最大，在1.1～1.5 cm·mm-1之間，文登站和榮成站以1.5 cm·mm-1居全省之首；其次是德州、濱州、濟(jì)南北部至淄博北部地區(qū)，平均降雪含水比在1.0～1.1 cm·mm-1之間；東營、棗莊、臨沂南部、日照的沿海地區(qū)降雪含水比最小，多低于0.8 cm·mm-1，河口和東營均為0.7 cm·mm-1，是全省最低值；其他地區(qū)的降雪含水比一般在0.8～0.9 cm·mm-1之間。由多年平均來看，全省大部地區(qū)的年平均降雪含水比為0.9 cm·mm-1，半島北部沿海地區(qū)的年平均降雪含水比為1.3 cm·mm-1，可見以強(qiáng)冷流降雪為主的降雪含水比明顯大于系統(tǒng)性降雪。

圖3 山東122站建站至2018年平均降雪含水比(單位：cm·mm-1)Fig.3 Average SLR from 122 meteorological stations in Shandong from their establishment to 2018 (units: cm·mm-1)

3.2 降雪含水比分等級(jí)特征

為了分析山東降雪含水比的變化范圍及集中程度，對(duì)A類站點(diǎn)和B類站點(diǎn)所有樣本的降雪含水比按照0.1 cm·mm-1間隔進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)等級(jí)出現(xiàn)的站次數(shù)，然后再計(jì)算每個(gè)等級(jí)站次占其所在類總站次的百分比，所得結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，無論A類站點(diǎn)還是B類站點(diǎn)，降雪含水比都在0.1～3.0 cm·mm-1之間變化。對(duì)于A類站點(diǎn)，降雪含水比主要集中在0.3～1.1 cm·mm-1之間，每個(gè)等級(jí)占比超過6%，占比合計(jì)達(dá)到64%，其中以0.8～1.0 cm·mm-1的占比最高，每個(gè)等級(jí)各為8%～9%；降雪含水比大于2.0 cm·mm-1的占比合計(jì)為5%。由此可見，對(duì)于A類站點(diǎn)，出現(xiàn)高降雪含水比的概率較小。相比之下，B類站點(diǎn)的降雪含水比相對(duì)較高，多集中在0.9～2.0 cm·mm-1之間，合計(jì)占比為63%；小于0.2 cm·mm-1和大于2.5 cm·mm-1的占比均在2%以下，合計(jì)占比為6%。這表明B類站點(diǎn)出現(xiàn)極小和極大降雪含水比的概率很低。

圖4 山東122站建站至2018年降雪含水比各等級(jí)占比Fig.4 Percentage of each grade of SLR (interval: 0.1 cm·mm-1) from 122 meteorological stations in Shandong from their establishment to 2018

3.3 月變化特征

圖5給出了兩類降雪各月降雪含水比的箱須圖，以此分析各地降雪含水比的月變化特征。

A類站點(diǎn)降雪的降雪含水比特征(圖5a)總體表現(xiàn)為：1月最大，12月、2月、3月、11月、4月依次減小。在冬季(12月—次年2月)，1月和12月的降雪含水比基本接近，25%～75%分位的降雪含水比都在0.6～1.3 cm·mm-1之間，中位數(shù)(50%分位，下同)1月最大，為1.0 cm·mm-1，12月為0.9 cm·mm-1；2月的降雪含水總體比1月和12月稍低一些，25%～75%分位的降雪含水比為0.5～1.2 cm·mm-1之間，中位數(shù)為0.9 cm·mm-1。11月和3月是冬季的過渡月份，二者的降雪含水比特征也基本類似，中位數(shù)均為0.7 cm·mm-1，25%～75%分位的降雪含水比分別為0.4～1.0 cm·mm-1和0.4～1.1 cm·mm-1。4月的降雪含水比最小，只有0.1～0.2 cm·mm-1。因4月的氣溫高，降雪日少，符合計(jì)算條件的樣本只有7個(gè)，且均發(fā)生在1964年4月6日，故獲得的計(jì)算結(jié)果雖然可以說明4月降雪含水比低，但樣本太少不具備代表性。

圖5 山東122站建站至2018年各月降雪含水比(a. A類站點(diǎn)，b. B類站點(diǎn))Fig.5 Monthly SLR from 122 meteorological stations in Shandong from their establishment to 2018 (a. A type stations, b. B type stations)

B類站點(diǎn)各月的降雪含水比特征(圖5b)總體表現(xiàn)為：12月最大，11月、1月、2月、3月依次減小。12月25%～75%分位的降雪含水比在1.1～1.9 cm·mm-1之間，中位數(shù)最大為1.5 cm·mm-1；11月和1月均較12月略低，中位數(shù)分別為1.4 cm·mm-1和1.3 cm·mm-1，25%～75%分位分別在1.0～1.9 cm·mm-1和0.9～1.8 cm·mm-1之間。2月和3月的中位數(shù)分別為0.8 cm·mm-1和1.0 cm·mm-1。

綜上分析，山東各地的降雪含水比具有明顯的月變化特征。山東大部地區(qū)降雪的月變化與遼寧類似[15]，相同點(diǎn)是1月降雪含水比最大，12月次之，不同點(diǎn)在于其他月份。山東半島北部沿海地區(qū)的降雪含水比則是12月最大，11月次之，與內(nèi)陸地區(qū)的降雪差異較大。

3.4 不同降雪量等級(jí)的降雪含水比特征

以上分析表明了各月降雪含水比的總體變化特征。為進(jìn)一步分析不同降雪量等級(jí)的降雪含水比特征，分別計(jì)算了中雪(24 h降雪量為2.5～4.9 mm)、大雪(24 h降雪量為5.0～9.9 mm)和暴雪(24 h降雪量大于或等于10.0 mm)的各月降雪含水比。

A類站點(diǎn)各等級(jí)降雪的降雪含水比如圖6a所示。對(duì)于中雪，1月的降雪含水比最大，中位數(shù)為1.1 cm·mm-1，25%～75%分位在0.7～1.4 cm·mm-1之間；12月和2月的中位數(shù)和75%分位相同，分別為0.9 cm·mm-1和1.3 cm·mm-1；11月和3月的降雪含水比最低，中位數(shù)和75%分位分別為0.8 cm·mm-1和1.1 cm·mm-1。大雪冬季各月的降雪含水比基本相當(dāng)，中位數(shù)均為0.8 cm·mm-1，25%分位均為0.5 cm·mm-1，75%分位在1.1～1.2 cm·mm-1之間；3月的降雪含水比略低于冬季，其中位數(shù)和75%分位分別為0.7 cm·mm-1和1.0 cm·mm-1；11月最低，中位數(shù)和75%分位分別為0.6 cm·mm-1和0.9 cm·mm-1。暴雪的降雪含水比在三個(gè)降雪量等級(jí)中最小，12月和1月的降雪含水比中位數(shù)在0.7～0.8 cm·mm-1之間，75%分位為1.0 cm·mm-1；11月和3月的中位數(shù)在0.5～0.6 cm·mm-1之間；2月的中位數(shù)最小，為0.3 cm·mm-1。由此可見，對(duì)于A類站點(diǎn)降雪，從中雪至暴雪隨著降雪量等級(jí)的增大降雪含水比依次減??；各降雪量等級(jí)的降雪含水比最大值均出現(xiàn)在1月(中雪)或12月(大雪、暴雪)，最小值出現(xiàn)在11月(中雪、大雪)或2月(暴雪)；相比較而言，大雪的各月含水比基本相當(dāng)，月中位數(shù)最大差為0.2 cm·mm-1，而暴雪各月差異較大，最大月與最小月的降雪含水比中位數(shù)相差0.5 cm·mm-1。

B類站點(diǎn)各等級(jí)各月的降雪含水比如圖6b所示，表現(xiàn)出與A類站點(diǎn)降雪明顯不同的規(guī)律。B類站點(diǎn)的中雪11月和12月的降雪含水比最大，中位數(shù)在1.5～1.6 cm·mm-1之間，25%～75%分位在1.0～2.0 cm·mm-1之間；1月和3月的中位數(shù)均為1.2 cm·mm-1，2月中位數(shù)最小，為1.0 cm·mm-1。對(duì)于大雪，12月的降雪含水比最大，中位數(shù)達(dá)1.6 cm·mm-1，11月次之，中位數(shù)為1.4 cm·mm-1；1月和3月的中位數(shù)均為1.1 cm·mm-1，2月中位數(shù)最小，為0.7 cm·mm-1。暴雪的降雪含水比最大仍然是1月，中位數(shù)為1.5 cm·mm-1，11月和1月緊隨其后，在1.3～1.4 cm·mm-1之間；2月最小，為0.6 cm·mm-1。由此可見，對(duì)于B類站點(diǎn)，在降雪分等級(jí)、分月后表現(xiàn)出復(fù)雜的特征。11月、12月和1月B類站點(diǎn)以冷流降雪為主，中雪、大雪和暴雪的降雪含水比基本相當(dāng)，各月差異也不大；2月和3月的降雪含水比表現(xiàn)出了與A類站點(diǎn)類似的月變化特征，即隨著降雪量等級(jí)的增大，降雪含水比減小，這是因?yàn)樵摃r(shí)期冷流降雪的發(fā)生頻率和降雪量明顯減小，產(chǎn)生的降雪性質(zhì)與A類站點(diǎn)基本相同。

圖6 各降雪量等級(jí)的降雪含水比月變化(a. A類站點(diǎn)，b. B類站點(diǎn)；后綴-a、-b、-c分別代表中雪、大雪、暴雪)Fig.6 Monthly variation of SLR of different grade of snow (a. A type stations, b. B type stations; suffixes "a", "b", and "c" denote moderate snow, heavy snow, and snowstorm, respectively)

4 各類天氣系統(tǒng)暴雪過程的降雪含水比特征

1999—2018年山東共出現(xiàn)了67次暴雪天氣過程。其中，江淮氣旋暴雪15次、回流形勢(shì)暴雪12次、黃河氣旋暴雪5次、低槽冷鋒暴雪4次、暖切變線暴雪3次、冷流暴雪28次。為了使得各類天氣系統(tǒng)的降雪含水比氣候值具有代表性，僅選取各站點(diǎn)符合計(jì)算條件的樣本數(shù)均在3個(gè)以上的天氣過程，由此確定江淮氣旋、回流形勢(shì)和冷流暴雪參與分類天氣系統(tǒng)的氣候特征分析。山東江淮氣旋和回流形勢(shì)暴雪一般都存在“先雨后雪”降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，在計(jì)算降雪含水比時(shí)按照給定規(guī)則剔除暴雪過程中的雨雪轉(zhuǎn)換日，只保留純雪日。

4.1 江淮氣旋暴雪

江淮氣旋暴雪發(fā)生次數(shù)多、范圍廣、強(qiáng)度大，是山東暴雪的主要天氣系統(tǒng)之一，山東降雪量最大的暴雪過程均發(fā)生在江淮氣旋影響下。江淮氣旋暴雪過程存在復(fù)雜的降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，通?！跋扔旰笱嫌瓯毖?，一般魯東南和半島南部地區(qū)始終為降雨或以降雨為主，其他地區(qū)“先雨后雪”，暴雪多發(fā)生在魯西北、魯西南、魯中和半島北部等氣溫較低的地區(qū)。

圖7 江淮氣旋暴雪過程各站平均降雪含水比分布(單位：cm·mm-1)Fig.7 Distribution of average SLR of snowstorm produced by Changjiang-Huaihe cyclone at each station (units: cm·mm-1)

15次江淮氣旋暴雪過程的全省平均降雪含水比為0.69 cm·mm-1。全省各站平均值的空間分布(圖7)顯示，江淮氣旋暴雪過程的降雪含水比總體上呈現(xiàn)出“北大南小，山區(qū)大沿海小”的特征。具體表現(xiàn)為：山東半島的低山丘陵地區(qū)降雪含水比最高，中心位于棲霞至招遠(yuǎn)一帶，最大值為1.2 cm·mm-1；魯西北和魯中山區(qū)的降雪含水比大部分在0.8 cm·mm-1左右；魯南的南部、半島的東南沿海和濰坊的東南部地區(qū)降雪含水比均低于0.5 cm·mm-1。江淮氣旋暴雪過程的降雪含水比分布規(guī)律與其天氣系統(tǒng)特點(diǎn)有關(guān)。江淮氣旋系統(tǒng)影響山東時(shí)，山東的東南部地區(qū)對(duì)流層低層一般為東南風(fēng)，中層為強(qiáng)盛的西南風(fēng)，中低層溫度高，雪降落到地面后易融化，積雪深度小，從而導(dǎo)致降雪含水比小，而山東其他地區(qū)對(duì)流層低層為東北冷平流，溫度低，降雪含水比大。

一次暴雪天氣過程中，全省各地的降雪量常會(huì)有明顯差異，從小雪至暴雪各量級(jí)均可產(chǎn)生。從上文分析中得到，山東大部分地區(qū)的降雪含水比隨著降雪量等級(jí)的增大而減小。那么，對(duì)于江淮氣旋暴雪過程，不同等級(jí)降雪的降雪含水比有什么特點(diǎn)？

15次江淮氣旋暴雪過程中，全省中雪、大雪和暴雪的總站次數(shù)分別為133個(gè)、223個(gè)和121個(gè)。圖8給出了江淮氣旋暴雪過程中雪、大雪和暴雪的降雪含水比箱須圖。從圖中可以看出，江淮氣旋暴雪過程的降雪含水比同樣具有隨著降雪量等級(jí)增大而減小的特點(diǎn)。其中，中雪的降雪含水比中位數(shù)為0.8 cm·mm-1，25%～75%分位在0.6～1.1 cm·mm-1之間；大雪的降雪含水比略低于中雪，中位數(shù)為0.7 cm·mm-1，25%～75%分位在0.4～0.9 cm·mm-1之間；暴雪的降雪含水比最小，中位數(shù)為0.5 cm·mm-1，25%～75%分位在0.3～0.8 cm·mm-1之間。

圖8 江淮氣旋暴雪過程各降雪量等級(jí)的降雪含水比(a、b、c分別表示中雪、大雪、暴雪)Fig.8 SLR of different grade of snowstorm produced by Changjiang-Huaihe cyclone (a, b, and c denote moderate snow, heavy snow, and snowstorm, respectively)

4.2 回流形勢(shì)暴雪

回流形勢(shì)降雪是山東冬半年最常見的一類降雪?；亓餍蝿?shì)暴雪主要發(fā)生在11月—次年1月，以11月最多。大范圍和區(qū)域性回流暴雪過程通常雨雪共存，局地回流暴雪多為單純降雪。有雨雪轉(zhuǎn)換的過程中，魯西北、魯西南、魯中北部和半島北部地區(qū)為回流降雪易發(fā)區(qū)，而同時(shí)魯東南和半島南部地區(qū)多為降雨[19]。

12次回流形勢(shì)暴雪過程的全省平均降雪含水比為0.67 cm·mm-1，與江淮氣旋暴雪過程的全省平均值相當(dāng)。由空間分布(圖9)來看，在回流降雪易發(fā)區(qū)內(nèi)降雪含水比相對(duì)較高，魯西南、魯西北、魯中北部和半島低山丘陵地區(qū)的平均降雪含水比大部分在0.7～0.9 cm·mm-1之間，中心值最大為1.0 cm·mm-1，出現(xiàn)在煙臺(tái)地區(qū)的棲霞至萊陽一帶及德州的臨邑；魯東南地區(qū)的降雪含水比多在0.4 cm·mm-1以下，日照最低，僅為0.3 cm·mm-1。

圖9 回流形勢(shì)暴雪過程各站平均降雪含水比分布(單位：cm·mm-1)Fig.9 Distribution of average SLR of backflow snowstorm at each station (units: cm·mm-1)

分析各降雪量等級(jí)的降雪含水比(圖10)，回流形勢(shì)暴雪過程中雪的降雪含水比中位數(shù)為0.8 cm·mm-1，25%～75%分位在0.5～1.0 cm·mm-1之間；大雪和暴雪的降雪含水比差異不大，中位數(shù)均為0.6 cm·mm-1，25%分位為0.4 cm·mm-1，75%分位為0.8～0.9 cm·mm-1。

4.3 冷流暴雪

冷流暴雪僅在山東半島北部沿海地區(qū)發(fā)生。1999—2018年共出現(xiàn)了28次冷流暴雪過程。分析表明，所有站點(diǎn)的降雪含水比在0.2～2.8 cm·mm-1之間變化，中位數(shù)為1.4 cm·mm-1，25%分位和75%分位分別為1.1 cm·mm-1和1.7 cm·mm-1。可見，與江淮氣旋暴雪和回流形勢(shì)暴雪相比，山東半島北部沿海地區(qū)冷流暴雪的降雪含水比明顯增大。

進(jìn)一步分析28次暴雪過程中三個(gè)降雪量等級(jí)的降雪含水比(圖11)，中雪、大雪、暴雪的降雪含水比中位數(shù)分別為1.4 cm·mm-1、1.6 cm·mm-1和1.3 cm·mm-1；75%分位分別為1.7 cm·mm-1、1.8 cm·mm-1和1.6 cm·mm-1；25%分位分別為1.1 cm·mm-1、1.1 cm·mm-1和1.2 cm·mm-1。這表明在冷流暴雪過程中，大雪等級(jí)的降雪含水比最大，暴雪最小。

圖10 回流形勢(shì)暴雪過程各降雪量等級(jí)的降雪含水比(a、b、c分別表示中雪、大雪、暴雪)Fig.10 SLR of different grade of backflow snowstorm (a, b, and c denote moderate snow, heavy snow, and snowstorm, respectively)

圖11 冷流暴雪過程各降雪量等級(jí)的降雪含水比(a、b、c分別表示中雪、大雪、暴雪)Fig.11 SLR of different grade of ocean-effect snowstorm (a, b, and c denote moderate snow, heavy snow, and snowstorm, respectively)

5 結(jié)論與討論

利用山東122個(gè)國家級(jí)地面氣象觀測(cè)站自建站以來至2018年12月的地面觀測(cè)資料及1999—2018年的MICAPS高空、地面圖資料，統(tǒng)計(jì)分析了山東各地的降雪含水比氣候特征，取得以下主要結(jié)論。

1)山東降雪含水比的變化范圍為0.1～3.0 cm·mm-1。各地分布存在空間和等級(jí)差異，全省大部地區(qū)多年平均降雪含水比為0.9 cm·mm-1，主要集中在0.3～1.1 cm·mm-1之間，出現(xiàn)2.0 cm·mm-1以上的概率低于5%；山東半島北部沿海地區(qū)的多年平均降雪含水比為1.3 cm·mm-1，主要集中在0.9～2.0 cm·mm-1之間，出現(xiàn)0.2 cm·mm-1以下和2.5 cm·mm-1以上的概率很小。

2)山東降雪含水比的大小與降雪量等級(jí)有關(guān)，且存在明顯月變化。全省大部地區(qū)從中雪至暴雪隨著降雪量等級(jí)的增大，降雪含水比依次減小，各等級(jí)的降雪含水比月最大值均出現(xiàn)在1月(中雪)或12月(大雪、暴雪)，最小值出現(xiàn)在11月(中雪、大雪)或2月(暴雪)。山東半島北部沿海地區(qū)的降雪含水比表現(xiàn)出更為復(fù)雜的特征：11月—次年1月以冷流降雪為主，中雪、大雪和暴雪的降雪含水比基本相當(dāng)，各月差異較??；2月和3月的降雪含水比表現(xiàn)出了與其他地區(qū)降雪類似的月變化特征。

3)各天氣系統(tǒng)暴雪的降雪含水比具有不同特征。江淮氣旋暴雪過程平均降雪含水比為0.69 cm·mm-1，總體上呈現(xiàn)“北大南小，山區(qū)大沿海小”分布，中雪、大雪和暴雪的降雪含水比中位數(shù)分別為0.8、0.7和0.5 cm·mm-1?；亓餍蝿?shì)暴雪過程的全省平均降雪含水比為0.67 cm·mm-1，中雪的降雪含水比中位數(shù)為0.8 cm·mm-1，大雪和暴雪均為0.6 cm·mm-1。冷流暴雪的降雪含水比明顯大于其他兩類暴雪，中位數(shù)在1.1～1.6 cm·mm-1之間變化，中雪、大雪和暴雪的降雪含水比中位數(shù)分別為1.4、1.6和1.3 cm·mm-1。

本文的研究結(jié)果給出了山東各地降雪含水比的統(tǒng)計(jì)值，分析了氣候特征，為預(yù)報(bào)員制作積雪深度預(yù)報(bào)提供了參考依據(jù)。研究中發(fā)現(xiàn)，即使是同一類天氣系統(tǒng)，不同降雪過程的降雪含水比也可能會(huì)存在較大差異。這是因?yàn)殡m然降雪含水比為積雪深度與降雪量之比，實(shí)際上二者并非總是簡單的線性關(guān)系，積雪深度不僅受到降雪量、氣溫、地溫、風(fēng)向風(fēng)速、濕度等氣象因素的影響，還有太陽輻射、地形地貌等的影響，從而導(dǎo)致降雪含水比不可能是固定數(shù)值。因此，在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用降雪含水比的統(tǒng)計(jì)值時(shí)要注意不同降雪量等級(jí)、不同月份及各類天氣系統(tǒng)降雪過程降雪含水比的差異，同時(shí)還要綜合考慮其他因素的影響。另外，對(duì)于一些持續(xù)時(shí)間短或者冷平流弱的降雪過程，至次日08時(shí)部分積雪可能融化或產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致降雪含水比較實(shí)況小，文獻(xiàn)[9]基于加密觀測(cè)資料的研究結(jié)論也證實(shí)了這一點(diǎn)，并非所有站點(diǎn)的積雪深度在08時(shí)達(dá)到最大值。由于積雪深度歷史資料的局限性，本文采用08時(shí)—次日08時(shí)24 h資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可能不一定有完全的代表性。今后，有待通過人工加密觀測(cè)資料及逐漸普及的積雪深度自動(dòng)觀測(cè)資料進(jìn)行深入研究，獲取精細(xì)的降雪含水比。