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      秦皇島一次降雪天氣過(guò)程分析及雙極化雷達(dá)應(yīng)用

      2020-12-21 01:55:32張晨宇毛智政燕成玉劉冰玉趙彥琴
      農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2020年9期
      關(guān)鍵詞:降雪

      張晨宇 毛智政 燕成玉 劉冰玉 趙彥琴

      關(guān)鍵詞降雪;動(dòng)力條件;水汽條件;雙偏振雷達(dá)

      降雪是華北地區(qū)冬季常見(jiàn)的天氣之一,冬季大范圍強(qiáng)降雪極易對(duì)交通、電力及人們生活造成影響。因此,降雪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率對(duì)北方地區(qū)冬季防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義,冬季降雪相態(tài)的預(yù)報(bào)也一直是短期預(yù)報(bào)的重點(diǎn)難點(diǎn)。田秀霞等對(duì)華北南部一次暴雪過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力診斷分析,得出高空槽和地面回流是該過(guò)程的影響系統(tǒng),東北干冷氣流、東南暖濕氣流和西南暖濕氣流是此次過(guò)程的水汽來(lái)源。顧佳佳等分析了2014年河南一次暴雪過(guò)程的三維空間結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)低層?xùn)|北干冷空氣楔入暖濕氣流內(nèi),一方面在近地層形成冷墊,另一方面促使暖濕空氣抬升,為暴雪提供有力動(dòng)力條件。李江波等通過(guò)分析一次強(qiáng)冷空氣過(guò)程,指出地面溫度在0cc左右和1003hPa溫度在2℃以下,925 hPa溫度低于-2℃為華北地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換判據(jù)。也有部分學(xué)者利用雙極化雷達(dá)進(jìn)行冬季降水相態(tài)判別研究。

      2020年2月14日秦皇島出現(xiàn)了一次大范圍降雪過(guò)程,但因?yàn)榍捌趯?duì)主要降雪時(shí)段和相態(tài)判斷有誤,與實(shí)況出現(xiàn)了較大誤差,降雪當(dāng)天對(duì)全市交通、電力各方面造成較大影響。根據(jù)2020年2月14-15日歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECHwF)細(xì)網(wǎng)格資料、常規(guī)地面及探空資料、秦皇島市區(qū)域站、國(guó)家氣象站觀測(cè)資料,從環(huán)流形勢(shì)、水汽條件、動(dòng)力條件等方面對(duì)本次降雪過(guò)程誤差原因進(jìn)行分析,并結(jié)合雙極化雷達(dá)資料對(duì)降雪實(shí)況相態(tài)進(jìn)行判別研究。

      1災(zāi)害天氣實(shí)況分析

      受西北路冷空氣影響,2020年2月13日開(kāi)始,河北省自西向東出現(xiàn)降雪天氣。秦皇島降雪從14日13:00開(kāi)始,青龍中雪,其他地區(qū)大雪,最大降雪量出現(xiàn)在盧龍,為8.5mm,最大小時(shí)降雪量出現(xiàn)在14日16:00,盧龍為1.9mm/h;各縣區(qū)積雪青龍2cm,其他縣區(qū)5~8cm(圖1)。

      本次降雪過(guò)程,秦皇島市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)為13日-14日雨夾雪轉(zhuǎn)小到中雪過(guò)程,實(shí)況中13日未出現(xiàn)降水,且14日全市普降中到大雪,預(yù)報(bào)與實(shí)況相比出現(xiàn)較大誤差。

      2環(huán)流形勢(shì)分析

      2020年2月14日08:00,500 hPa(圖2a)東亞中高緯呈一槽一脊形勢(shì),在蒙古地區(qū)有一切斷低渦,冷中心可達(dá)360c,冷空氣南下影響華北地區(qū),下游有一定阻擋形勢(shì),系統(tǒng)影響時(shí)間較長(zhǎng)。700hPa(圖2b)在河套北部有低渦存在,渦前正渦度平流使渦前移,系統(tǒng)加強(qiáng),14日08:00 700 hPa發(fā)展出閉合環(huán)流。13日850 hPa和925 hPa上存在切變線(圖2c),14日發(fā)展為閉合環(huán)流,西南急流提供水汽與高空槽相配合影響產(chǎn)生此次降水。地面形勢(shì)上(圖2d),上游蒙古地區(qū)有強(qiáng)冷高壓,中心數(shù)值可達(dá)1070hPa,河北受高壓前部地面倒槽影響。14日秦皇島地區(qū)為東北風(fēng),起到冷墊和水汽輸送的作用,且有地面輻合線存在??傮w來(lái)說(shuō),高空槽配合中低層切變線、閉合環(huán)流以及地面倒槽,動(dòng)力條件有利于降雪天出現(xiàn)。同時(shí),河北省存在濕區(qū),850 hPa、925 hPa西南急流和地面偏東風(fēng)的水汽輸送,為降雪提供了有利的水汽條件。

      3物理量場(chǎng)分析

      3.1水汽條件

      從水汽通量散度剖面圖上(圖3a)可以看到,13日08:00水汽通量散度由正轉(zhuǎn)負(fù),說(shuō)明水汽通道開(kāi)始逐步打開(kāi),由低層西南風(fēng)輸送南方的水汽,底層?xùn)|北風(fēng)將渤海海面的水汽輸送至秦皇島。至20:00達(dá)到負(fù)值最大,說(shuō)明13日夜間到14日白天水汽條件均有利于降雪發(fā)生。沿經(jīng)度做水汽通量散度剖面(圖3b),可以看到從北部到東部沿海水汽通量散度呈現(xiàn)負(fù)值并逐漸加大,水汽輸送加強(qiáng),說(shuō)明沿海地區(qū)水汽條件要比北部好,因此,北部青龍縣降雪量偏小。

      3.2動(dòng)力條件

      秦皇島市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)主要降雪時(shí)段為13日夜間到14日,而實(shí)況從14日中午開(kāi)始全市才陸續(xù)出現(xiàn)降雪,出現(xiàn)較嚴(yán)重的誤差。

      分析渦度剖面圖(圖4a)可知,13日中高層為負(fù)渦度,中心位于400 hPa,低層為正渦度但數(shù)值很小;到14日負(fù)渦度中心上升300 hPa,同時(shí),低層正渦度顯著加強(qiáng),中心高度升高至850 hPa。說(shuō)明14日比13日系統(tǒng)厚度增加,發(fā)展更為旺盛。散度剖面圖(圖4b)中,13-14日低層負(fù)散度為輻合,高層正散度為輻散,但14日700~500 hPa的輻散更強(qiáng),同樣說(shuō)明系統(tǒng)垂直發(fā)展旺盛。同時(shí),實(shí)況中700 hPa系統(tǒng)移動(dòng)較慢,14日白天700 hPa切變線才東移至我省,與高低層系統(tǒng)形成配合,動(dòng)力條件最佳。

      查看13-14日秦皇島區(qū)域站10 m風(fēng)觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)13日全市地面風(fēng)力較弱,為1~2m/s(圖5a),而14日地面風(fēng)力最大可達(dá)12~14m/s(圖5b),在沿海的秦皇島、撫寧、昌黎一帶形成較強(qiáng)輻合。低層強(qiáng)輻合產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),配合整層更有利的動(dòng)力條件,進(jìn)而觸發(fā)降水,因此,實(shí)況降水出現(xiàn)在14日。

      3.3熱力條件

      EC數(shù)值預(yù)報(bào)和14日實(shí)況資料顯示,14日白天秦皇島850 hPa氣溫均在_40c以上。根據(jù)河北省預(yù)報(bào)員手冊(cè),河北省雨雪轉(zhuǎn)化指標(biāo)為850 hPa達(dá)到_40c,925 hPa達(dá)-2℃。根據(jù)指標(biāo)預(yù)報(bào)雨夾雪天氣,但實(shí)際相態(tài)為雪,出現(xiàn)誤差。

      分析秦皇島站溫度剖面圖(圖6)發(fā)現(xiàn),14日白天低層存在逆溫,850~925hPa溫度在-4℃甚至0℃以上,不符合河北省降雪指標(biāo),但近地層偏東風(fēng)起到冷墊作用,使925 hPa以下溫度迅速下降至-6℃,降幅較大,滿足雨一雪轉(zhuǎn)換的條件。且由圖可知,14日850 hPa暖平流偏弱,不足以使降雪粒子完全融化為雨。

      4雙極化雷達(dá)圖像分析

      從雷達(dá)基本速度產(chǎn)品看出,降雪初期我市低層和高層分別有急流出現(xiàn),14:00~15:00 1.5°仰角(圖7a、7b)可觀察到牛眼結(jié)構(gòu),18:00低層急流減弱(7c)。低層為東北急流,起到水汽輸送和冷墊作用:中高層西南急流也提供較強(qiáng)的水汽輸送;同時(shí),垂直方向風(fēng)切變使系統(tǒng)移動(dòng)緩慢,降水得以維持較長(zhǎng)時(shí)間,達(dá)到中到大雪量級(jí)。

      選取降雪最強(qiáng)的15:00~17:003.3deg雷達(dá)資料,協(xié)相關(guān)系數(shù)(圖8a、8b、8c)可看到距雷達(dá)75 km左右處部分區(qū)域CC值偏低,為0.97~0.85。根據(jù)雙極化雷達(dá)原理,水凝物相態(tài)多樣性和形狀的多樣性會(huì)引起相關(guān)系數(shù)減小,所以CC偏低區(qū)域說(shuō)明有不同相態(tài)的粒子共存。但CC低值區(qū)呈塊狀分布而非明顯的環(huán)狀低值帶,判斷此為低層逆溫導(dǎo)致部分降雪粒子相態(tài)出現(xiàn)變化,相態(tài)混合致使CC圖像上出現(xiàn)成片低值區(qū),并非指示融化層高度。而3.3仰角產(chǎn)品在距離75 km處對(duì)應(yīng)高度為4~5 km,與850~925hPa高度接近,與溫度剖面中逆溫層高度相一致。

      差分反射率因子ZDR值基本在0-0.5 dB(圖8d、8e、8f),符合降雪粒子ZDR特征,但50-75km處也有部分偏大區(qū)域,在1dB左右。分析為低層逆溫導(dǎo)致粒子相態(tài)產(chǎn)生變化,使ZDR值上升。

      粒子分類(HCL)產(chǎn)品同時(shí)次降水粒子在3.3deg(圖8g)相態(tài)的判斷主要為干雪和冰晶,0.5deg(圖8h)中靠近雷達(dá)的位置,即低層相態(tài)識(shí)別出少量濕雪,高層為干雪,與實(shí)況和偏振產(chǎn)品分析結(jié)果相符。

      5總結(jié)

      (1)此次過(guò)程是由高空冷渦、中低層切變線配合地面倒槽產(chǎn)生的一次降雪過(guò)程,降雪量以中到大雪為主。

      (2)13日700hPa系統(tǒng)移速較慢,動(dòng)力條件較差,因此,在水汽條件相當(dāng)?shù)那闆r下13日未出現(xiàn)降水,造成空?qǐng)?bào)。沿海地區(qū)偏東風(fēng)輻合拾升作用和對(duì)水汽輸送的影響,形成地域差異,使青龍地區(qū)降水量小于沿海地區(qū)。

      (3)本次過(guò)程中低層有逆溫層存在,850 hPa氣溫高于-4℃,但925 hPa氣溫迅速下降,最終相態(tài)為雪,不同于以往對(duì)雨雪轉(zhuǎn)換的認(rèn)知。在以后相態(tài)預(yù)報(bào)中要考慮到低層逆溫強(qiáng)度和近地層降溫的影響。

      (4)降雪初期雷達(dá)速度產(chǎn)品出現(xiàn)了明顯的急流特征,對(duì)應(yīng)降雪最強(qiáng)時(shí)段,急流帶來(lái)的強(qiáng)水汽輸送和強(qiáng)垂直風(fēng)切變是降水量增大的主要原因。

      (5)雙偏振雷達(dá)協(xié)相關(guān)系數(shù)(CC)產(chǎn)品指示低層存在粒子相態(tài)混合,對(duì)低層逆溫層的識(shí)別起到了較好的輔助作用,ZDR和HCL產(chǎn)品在降水相態(tài)觀測(cè)中也取得了較好的效果。

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