北京一次冬季極端降水過程中相態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)報的誤差分析*

胡 寧 符嬌蘭 孫 軍 張 峰 胡 藝 張亞妮 李曉蘭 陶亦為

1.國家氣象中心，北京，100081

2.中國氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

1 引 言

冬半年，強(qiáng)雨雪天氣時有發(fā)生，對交通出行、設(shè)施農(nóng)業(yè)等造成不利影響，甚至?xí)斐蓺庀鬄?zāi)害，屬于高影響天氣（翟盤茂等，2017）。冬季降水常伴隨雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)化過程，準(zhǔn)確的相態(tài)預(yù)報是降雪量和積雪深度預(yù)報的基礎(chǔ)。目前模式預(yù)報的地面降水相態(tài)主要由其預(yù)報的云內(nèi)水成物含量的垂直分布結(jié)合其預(yù)報的環(huán)境溫度垂直廓線診斷得到（Hersbach，et al，2016），主觀相態(tài)預(yù)報也主要基于關(guān)鍵層次的溫度閾值進(jìn)行判斷（張琳娜等，2013），然而實(shí)際的降水相態(tài)與復(fù)雜的云微物理過程有關(guān)，基于溫度廓線模型或閾值描述的相態(tài)分布與實(shí)際云內(nèi)的相態(tài)特征還存在較大的偏差，因此相態(tài)預(yù)報一直是冬季降水預(yù)報的難點(diǎn)（Stewart，et al，2015），值得深入研究。

近年來，中外學(xué)者通過觀測診斷、模式模擬等手段研究各種天氣背景下的復(fù)雜降水相態(tài)轉(zhuǎn)化問題。Ganetis等（2018）通過上百個個例統(tǒng)計(jì)了北美冬季強(qiáng)雨雪過程中的雷達(dá)回波條狀亮帶特征，并探討了與之相伴隨的熱、動力場的環(huán)境特征。Wang等（2013）分析了2012年11月3—4日華北一次兼有暴雨和暴雪的強(qiáng)降水過程的多尺度特征以及各種尺度的天氣系統(tǒng)間的相互作用，指出條件對稱不穩(wěn)定對冬季極端降水形成的促進(jìn)作用；楊曉亮等（2014）則分析了此次過程降水類型的空間分布特征，并詳細(xì)探討了幾個代表站的降水類型變化特征與其溫度層結(jié)演變的關(guān)系；同樣是針對這次過程，徐輝等（2014）進(jìn)一步指出，溫度垂直結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別可以決定降水類型，同時還發(fā)現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換時，大氣低層存在上下一致的均溫層。楊舒楠等（2017）分析了此次過程降水類型空間分布變化與氣旋發(fā)展的關(guān)系，指出雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于整個對流層低層的溫度平流狀況。劉暢等（2016）分析了2014年12月16—17日江淮氣旋雨雪過程中山東地區(qū)較罕見的“東雪西雨現(xiàn)象”，強(qiáng)調(diào)了地形動力抬升和輻射降溫對邊界層溫度的影響。王曉芳等（2019）采用濕球溫度討論了2016年1月下旬廣東罕見大范圍雨雪冰凍天氣過程中降水類型的空間分布以及隨時間演變特征，指出降水相態(tài)的變化與暖層強(qiáng)度和用濕球溫度定義的冷凍層強(qiáng)度密切相關(guān)。

隨著探測技術(shù)的發(fā)展，各種新的非常規(guī)氣象資料開始應(yīng)用到復(fù)雜雨雪轉(zhuǎn)換過程的研究中。趙宇等（2018）分析了2016年2月的一次江淮氣旋極端雨雪過程成因，強(qiáng)調(diào)東北風(fēng)冷墊在雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換中的作用，并指出加強(qiáng)風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雨滴譜儀等非常規(guī)資料的應(yīng)用，有益于改進(jìn)降水相態(tài)短時臨近預(yù)報。Schuur等（2012）利用RUC模式產(chǎn)品計(jì)算的濕球溫度判定降水相態(tài)，并結(jié)合雙線偏振雷達(dá)觀測的0℃層亮帶確定融化層高度，進(jìn)一步校準(zhǔn)相態(tài)判定結(jié)果，取得較好效果。Van Den Broeke等（2016）以及Kumjian等（2015）利用雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品研究了北美造成強(qiáng)雨雪甚至伴有閃電的冬季風(fēng)暴。在中國，劉黎平等（1996）較早將雙線偏振雷達(dá)應(yīng)用于云內(nèi)降水相態(tài)研究。魏瑋等（2019）分析了2015年12月杭州一次降雪天氣過程，在研究中利用雙線偏振雷達(dá)識別0℃層亮帶及降水相態(tài)。盧晶晶等（2019）研究了一次強(qiáng)寒潮引發(fā)的浙北地區(qū)的雨雪過程，指出風(fēng)廓線雷達(dá)垂直徑向速度的變化可以為降水相態(tài)和量級預(yù)報提供參考。

以上研究多側(cè)重分析觀測的降水相態(tài)空間分布和時間演變，鮮有對模式預(yù)報誤差方面的分析。2020年2月13—16日一股強(qiáng)冷空氣影響中國，受其影響，2月13日夜間至14日白天（2月14日00—17時，北京時，下同）北京出現(xiàn)了明顯的雨雪過程。此次過程，降水量具有極端性，突破了2月日降水量極值；雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的時間演變和空間分布復(fù)雜，模式預(yù)報誤差較明顯，導(dǎo)致預(yù)報的相態(tài)轉(zhuǎn)換時間較觀測早，加大了降雪量和積雪深度預(yù)報難度。因此，有必要利用各種常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測資料深入分析此次極端雨雪過程及降水相態(tài)轉(zhuǎn)化成因，深入探討模式相態(tài)預(yù)報偏差的原因。文中所用資料包括國家氣象站、自動氣象站、L波段探空等常規(guī)氣象觀測資料，北京X波段雙偏振雷達(dá)組網(wǎng)、北京地區(qū)云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)等非常規(guī)觀測資料，歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，以下簡稱EC）的確定性和集合預(yù)報產(chǎn)品，以及逐時空間分辨率為 0.25°的 ERA5（Hersbach，et al，2016）和時間分辨率為6 h、空間分辨率為0.25°的CRA40（廖捷等，2018）以及 FNL（NCEP，1999）等再分析資料，其中CRA40由中國自主開發(fā)的全球大氣再分析系統(tǒng)生成。

2 降水及相態(tài)轉(zhuǎn)換過程概況

2月14日00 —17時，受高空冷渦和低層低渦切變線系統(tǒng)影響（圖1），北京出現(xiàn)一次極端雨雪過程。全市20個國家級氣象觀測站累計(jì)降水量基本都在10 mm以上，其中東部和南部等地超過20 mm，最大出現(xiàn)在大興（34.2 mm），除西部山區(qū)的延慶、齋堂、霞云嶺3站外，其余17個站日降水量均突破了建站以來2月日降水量極值（圖2a）。從降水相態(tài)來看，14日02時，低層低渦位于河北南部，東路冷空氣前沿位于河北北部至遼寧西部一帶，北京低空受低渦東北側(cè)的東南暖濕氣流控制（圖1a），以降雨為主，6 h累計(jì)降水量達(dá)到中到大雨量級，這在2月十分罕見。14日08時，低渦切變線東移，引導(dǎo)東路冷空氣從河北東北部進(jìn)入北京地區(qū)（圖1b），北京平原地區(qū)陸續(xù)開始轉(zhuǎn)雪，其中北部密云、東部通州、朝陽等站點(diǎn)轉(zhuǎn)雪時間在06—08時，西部的海淀、門頭溝等站的轉(zhuǎn)雪時間在08—11時，西南部山區(qū)部分站點(diǎn)為雨轉(zhuǎn)雨夾雪，并未出現(xiàn)純雪，昌平站始終為降雨，可見轉(zhuǎn)雪時間表現(xiàn)出明顯的地域差異，東部和北部轉(zhuǎn)雪早、西部轉(zhuǎn)雪晚（圖2c—e）。相態(tài)轉(zhuǎn)換早晚決定了過程降雪量和積雪深度，由圖2b可見，轉(zhuǎn)雪較晚的中西部降雪量為中到大雪，無積雪，轉(zhuǎn)雪時間較早的東部為暴雪量級，積雪深度 1—7 cm。

EC模式預(yù)報的過程降水量與觀測基本一致，但其預(yù)報05時前后全市開始出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換（圖11），同時預(yù)報全市將有大到暴雪，其中北京西部、北部和東部有暴雪，積雪4—10 cm，較觀測轉(zhuǎn)雪時間明顯偏早，導(dǎo)致其預(yù)報的降雪量和積雪深度偏大，尤其在城區(qū)和西部偏大更為明顯。主流模式指導(dǎo)預(yù)報在轉(zhuǎn)雪時間上的誤差不利于預(yù)報員準(zhǔn)確預(yù)報降雪量和積雪深度，進(jìn)而影響預(yù)報服務(wù)效果。

可見，此次過程累計(jì)降水量大，具有較強(qiáng)的極端性，同時相態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)域特征明顯，且轉(zhuǎn)雪時間存在明顯的預(yù)報偏差，從而導(dǎo)致降雪量和積雪深度預(yù)報存在一定偏差。為了提高對此次極端降水復(fù)雜相態(tài)轉(zhuǎn)換過程的科學(xué)認(rèn)識，總結(jié)預(yù)報經(jīng)驗(yàn)，需要深入探討以下3個問題：（1）造成此次極端降水的主要原因是什么？（2）北京地區(qū)轉(zhuǎn)雪為何會出現(xiàn)東早西晚的特征？（3）更為重要的是模式預(yù)報的轉(zhuǎn)雪時間為何比觀測明顯早，是否有訂正的辦法？

圖1 2 月 14 日 02 （a） 和 08 （b） 時 500 hPa 高度場 （等值線，dagpm）、850 hPa 風(fēng)場以及整層可降水量 （色階，mm）Fig.1 500 hPa geopotential height （contours，dagpm），850 hPa wind barbs，and precipitable water （shadings，mm）at 02:00 BT （a） and 08:00 BT （b） 14 Feb

圖2 北京地區(qū) （a） 過程累計(jì)降水量 （數(shù)值，mm，累計(jì)時段：14日00—17時，藍(lán)色代表突破建站以來2月極值的站點(diǎn)），（b） 過程降雪量 （色階，mm，累計(jì)時段：14 日 08—17 時） 和積雪深度 （數(shù)值，cm，觀測時刻：14 日20 時），以及 14 日05 （c）、08 （d）、11 （e） 時降水相態(tài)演變 （實(shí)心圓、帶叉號的圓圈、星號分別表示降雨、雨夾雪以及降雪，下同）Fig.2 （a） Total event precipitation in Beijing （values，mm，accumulated during 00:00—17:00 BT 14 Feb；blue color indicates stations with record breaking daily rainfall in February），（b） event snowfall depth （shadings，mm，accumulated during 08:00—17:00 BT 14 Feb）and snow depth （values，cm，observed at 20:00 BT 14 Feb），and precipitation type at 05:00 （c），08:00 （d） and 11:00 （e） BT 14 Feb （The solid circle，and circles with cross and asterisk indicate rain，sleet and snow respectively；the same hereafter）

3 極端降水成因分析

從北京平原西部（海淀）和東部（觀象臺）兩個代表站的小時降水量演變（圖3a、b）可見，北京平原地區(qū)降水持續(xù)時間較長，超過12 h。此次過程，高空低渦系統(tǒng)深厚，且移動緩慢，13日20時至15日08時高空低渦基本維持在內(nèi)蒙古中西部，其中13日08時至14日14時前，與之配合的850 hPa低渦切變線始終位于內(nèi)蒙古中部至河北北部一帶，北京位于切變線東側(cè)西南風(fēng)或東南風(fēng)氣流內(nèi)，導(dǎo)致北京地區(qū)降水持續(xù)時間較長。此外，14日02—08時，兩站有連續(xù)多個時次的降水率在4—6 mm/h，并伴有40 dBz以上的雷達(dá)組合反射率，表明凌晨時段存在對流性降水，08時后各站的降水率基本在2 mm/h 以下，雷達(dá)組合反射率在 35 dBz以下，以穩(wěn)定性的層狀云降水為主（仲凌志等，2007）。另外，由14日04時的雷達(dá)組合反射率（圖4d）可見，北京西部山前為層積混合降水回波，且有3條以上東北西南走向的40 dBz以上對流回波，按照西北東南方向排列，與東南暖濕氣流方向一致，與Ganetis等（2018）總結(jié)的北美冬季強(qiáng)雨雪過程中與對稱不穩(wěn)定相伴出現(xiàn)的條帶狀回波的特征一致。從凌晨的云雷達(dá)觀測資料（圖略）也可以看出，西部山前的海淀等地云頂高超過6 km，反演的垂直速度最高達(dá)8 m/s。結(jié)合較強(qiáng)的降水率以及較大的雷達(dá)組合反射率，可見北京凌晨降水具有明顯的對流性。

北京2月出現(xiàn)對流性降水十分罕見。該日降水量能超過2月歷史極值，與凌晨降水的對流性密切相關(guān)。高層低渦動力強(qiáng)迫在北京地區(qū)大氣低層誘導(dǎo)出強(qiáng)的偏東南風(fēng)急流，東南風(fēng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s（圖4a），低層925 hPa偏東風(fēng)分量超過氣候平均值3—4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，表明東南風(fēng)異常偏強(qiáng)。暖濕東南氣流攜帶水汽在北京山前堆積，霞云嶺微波輻射計(jì)觀測的大氣邊界層比濕從中午前后開始明顯增大，13日20時超過6 g/kg（圖略），14日凌晨整層可降水量超過 10 mm（圖1）。由圖4b可見，03時，強(qiáng)的暖濕氣流輸送使得北京山前形成假相當(dāng)位溫密集帶，并伴有明顯的鋒生（圖4c），同時 850 hPa以下強(qiáng)的偏東南風(fēng)和中層偏南風(fēng)之間形成了強(qiáng)的風(fēng)垂直切變，導(dǎo)致其在850—700 hPa附近形成了濕位渦的負(fù)值區(qū)，表明在中低空確有明顯的鋒生和對稱不穩(wěn)定存在（楊曉亮等，2014）。鋒生過程以及對稱不穩(wěn)定的建立有利于東南風(fēng)暖濕氣流在北京山前低空加速斜升（Wang，et al，2013），造成冬季罕見的對流性降水，進(jìn)而造成較大的雨強(qiáng)，結(jié)合系統(tǒng)移速較慢所導(dǎo)致的較長降水時間，最終形成極端降水。

4 降水相態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域性特征及成因分析

由海淀、觀象臺、霞云嶺3站降水相態(tài)以及與之相伴的地面2 m氣溫、風(fēng)速等的演變（圖3）可見，上述測站在02時的地面2 m氣溫都在6℃上下。北京東南部的觀象臺，06時前后率先轉(zhuǎn)東北風(fēng)，氣溫迅速下降，07—08時接近0℃，降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)為雪。海淀站則遲至09時前后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，且氣溫下降較慢，08時氣溫仍在2℃左右。霞云嶺雖然在山區(qū)，但是08時后仍以雨和雨夾雪為主，降水期間氣溫較高，基本維持在1—2℃，以弱西北風(fēng)為主。

降水相態(tài)取決于整層溫度結(jié)構(gòu)，尤其是冰晶層及0℃層高度的變化。降水發(fā)生時云內(nèi)最低溫度低于?30℃（圖略），有利于固態(tài)降水的形成，因此此次降水過程相態(tài)轉(zhuǎn)化主要取決于0℃層高度的變化。從L波段雷達(dá)探空（圖5）可以看出，13日20時到14日 08時，0℃層高度從 1500—2000 m下降到550 m左右，0℃層以下最高溫度從6℃降至2℃。降水較強(qiáng)時段以及雨雪轉(zhuǎn)換關(guān)鍵時刻沒有探空資料，因而嘗試?yán)酶鞣N非常規(guī)資料獲得兩次探空之間的0℃層高度的演變情況。從霞云嶺和懷柔的微波輻射計(jì)觀測（圖6）可見，02時降水開始前，0℃層高度仍然在2000 m左右，東北部懷柔上空0℃層高度略低于西部霞云嶺，約1600 m左右。

04時前后，北京西部地區(qū)降水較強(qiáng)，此時微波輻射計(jì)已經(jīng)不適用于觀測大氣溫度廓線。從北京雙線偏振雷達(dá)組網(wǎng)觀測的偏振波協(xié)相關(guān)系數(shù)沿116.25°E（北京西部所在經(jīng)度）的垂直剖面（圖7）上可以看到一個相關(guān)系數(shù)小于0.94的亮帶，該亮帶與0℃層融化有關(guān)（魏瑋等，2019），亮帶的上下邊界大約相距1 km，這可能和冰相粒子下落過程中融化造成的等溫層有關(guān)（徐輝等，2014）。亮帶下邊界以下對應(yīng)純雨相態(tài)，在1 km左右高度（靠近雷達(dá)處為雜波，可以忽略），事實(shí)上，此時北京西部地面2 m氣溫在6℃左右，按照濕絕熱遞減率估算，也可以得出此時北京西部上空0℃層高度在1 km左右。

圖4 （a） 14 日 02 時 925 hPa風(fēng)場 （風(fēng)羽） 及 u 分量風(fēng)速的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差 （色階），（b） 14 日 03 時沿 40°N 的假相當(dāng)位溫 （等值線，K） 和 MPV2 （色階，PVU） 剖面，（c） 14 日 03 時 925 hPa 鋒生函數(shù) （色階，K/（6 h·100 km））、假相當(dāng)位溫 （等值線，K） 和風(fēng)場，（d） 14 日 04時雷達(dá)組合反射率因子 （色階，dBz）Fig.4 （a） 925 hPa wind barbs and normalized standard deviation （shadings） at 02:00 BT 14 Feb，（b） pseudo equivalent potential temperature （contours，K） and MPV2 （shadings，PVU） profile along 40°N at 03:00 BT 14 Feb，（c） front genesis function （shadings，K/（6 h·100 km）） and pseudo equivalent potential temperature （contours，K） with 925 hPa wind barbs at 03:00 BT 14 Feb，（d） composite reflectivity （shadings，dBz） at 04:00 BT 14 Feb

綜上所述，02時 0℃層高度在 1.5—2 km，04時在 1 km左右，08時仍在 550 m左右，說明觀測0℃層下降較為緩慢，這也是北京直到08時前后才開始逐步轉(zhuǎn)雪的重要原因之一。

為何在轉(zhuǎn)雪時間上出現(xiàn)東早西晚的特征呢？從ERA5和CRA40再分析資料可以看出，08時北京西部處在1000 hPa東、西兩股冷空氣間的暖舌中，冷空氣從東路進(jìn)入北京東部。CRA40暖舌相對ERA5更明顯，這可能是因?yàn)镃RA40同化了更多的觀測資料，更能反映真實(shí)情況（圖8a、b）。從08時北京上空溫度剖面（圖8c）上看，CRA40的0℃層在 950 hPa附近，與探空確定的 550 m左右的0℃層高度更接近，而ERA5的0℃層（圖略）顯著較探空偏低；另外，還可以注意到，CRA40溫度剖面顯示北京西部0℃層高度明顯高于東部，且在北京西部山前有明顯的暖平流，底層偏北風(fēng)將北京西部東北西南向延伸的暖舌中較為溫暖的空氣輸送至平原地區(qū)，導(dǎo)致西部地區(qū)溫度較東部偏高，0℃層偏厚。

圖5 北京觀象臺 L 波段雷達(dá)探空溫度 （℃） 廓線 （a.13 日 20 時，b.14 日 08 時）Fig.5 Temperature （℃） profiles from L-band radar soundings at 20:00 BT 13 （a） and 08:00 BT （b） 14 Feb

圖6 霞云嶺 （a） 和懷柔 （b） 微波輻射計(jì)反演的 0℃ 層高度時間演變Fig.6 Evolution of 0℃ level height derived from Microwave Radiometer at Xiayunling （a） and Huairou （b）

圖7 14日04時北京X波段雙線偏振雷達(dá)組網(wǎng)觀測的偏振波協(xié)相關(guān)系數(shù)沿116.25°E的垂直剖面Fig.7 Correlation coefficient observed by the X-band dual-polarization weather radar network alone 116.25°E at 04:00 BT in Beijing

從自動氣象站觀測資料也可以看出，06—07時，受偏東風(fēng)影響，北京偏東地區(qū)逐小時負(fù)變溫更明顯。說明東路冷空氣率先影響東部地區(qū)，而北京西部地區(qū)處于暖舌中，未受東路冷空氣影響，直到09時后，隨著冷空氣向西南方向推進(jìn)，西部才開始降溫（圖9）。從風(fēng)廓線雷達(dá)資料（圖10）可以清楚地看到，位于北京西部的海淀07時30分大氣底層才轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，且風(fēng)速較弱，位于北京東部的觀象臺，06時30分后就已經(jīng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)，較海淀提早約1 h。另外,海淀站在06時30分至07時受弱西北風(fēng)控制，前已述及，北京西北部山區(qū)為暖舌控制，因此，不利于北京平原西部地區(qū)溫度的下降。

圖9 14 日 06 （a）、07 （b）時國家站和區(qū)域自動站觀測的地面氣溫 （等值線，℃），1 h 變溫 （色階，K） 和地面風(fēng)場Fig.9 2 m temperature （contours，℃），hourly temperature change （shadings，K），10 m wind barbs deduced from national level weather stations and regional auto weather stations at 06:00 BT （a） and 07:00 BT （b） 14 Feb

綜上所述，北京西部的暖舌和暖平流，有利于北京西部0℃層厚度和強(qiáng)度的維持，導(dǎo)致北京西部轉(zhuǎn)雪偏晚，而東路冷空氣使得東部降溫早于西部，首先轉(zhuǎn)雪，是形成14日08時前后北京“東雪西雨”現(xiàn)象的重要原因。

5 模式降水相態(tài)預(yù)報偏差及原因分析

如圖11a，05時，大部分EC集合成員預(yù)報北京的降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)雪。EC高分辨率確定性預(yù)報也在這一時刻預(yù)報轉(zhuǎn)雪，且預(yù)報08時的3 h累計(jì)降水以降雪為主（圖11b），北京平原地區(qū)將出現(xiàn)2—4 cm的積雪。然而，觀測北京各地轉(zhuǎn)雪時間在08時前后，比模式預(yù)報偏晚至少3 h，平原地區(qū)除東南部外大部地區(qū)無明顯積雪。

圖10 海淀 （a） 和北京觀象臺 （b） 風(fēng)廓線雷達(dá)觀測的風(fēng)場時間高度剖面Fig.10 Time-height profiles of wind barbs deduced from wind profiler at Haidian （a） and Guanxiangtai （b）

圖11 13 日 08 時起報的 （a） EC 集合預(yù)報降水類型概率 （%） 和 （b） EC 高分辨率確定性預(yù)報的 3 h 雨雪量 （mm）Fig.11 Probability （%） of various precipitation type of EC ensemble forecast （a），total precipitation and snowfall of EC high-resolution model forecast （b） initialized at 08:00 BT 13 Feb

結(jié)合觀測，可以對照檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綖槭裁搭A(yù)報轉(zhuǎn)雪偏早。首先，如圖12所示，02時，觀測上，北京中南部還是偏東南風(fēng)，而模式預(yù)報已經(jīng)是明顯的東北風(fēng)?？梢?，模式預(yù)報的東路冷空氣入侵時間較觀測明顯偏早。在溫度方面，也可以看出，05時北京觀象臺溫度4℃，EC確定性模式預(yù)報只有1℃，明顯低于觀測，表明模式預(yù)報的冷空氣較觀測偏強(qiáng)（圖13）。另外，13日08時起報的集合預(yù)報成員雖然大部分預(yù)報05時北京轉(zhuǎn)雪，但仍有一些成員報出了05時北京觀象臺是降雨而非降雪。通過合成分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)報降雨成員預(yù)報的05時地面氣溫為3℃，預(yù)報降雪成員預(yù)報的地面溫度為1℃（圖13）?？梢?，模式對冷空氣移速和強(qiáng)弱的預(yù)報偏差導(dǎo)致了相態(tài)預(yù)報的誤差。

同時，冷空氣影響偏早導(dǎo)致模式中降水比觀測提前觸發(fā)，對比圖11b和圖3a可見，模式預(yù)報北京13日23時前已有明顯的3 h累計(jì)降水，而觀測北京14日凌晨才陸續(xù)開始出現(xiàn)降水。模式預(yù)報的降水率在1 mm/h左右，表現(xiàn)為穩(wěn)定性的層狀云降水，這與觀測出現(xiàn)的對流性降水性質(zhì)迥異。過早出現(xiàn)的小雨形成的冷水滴下曳蒸發(fā)冷卻也可以導(dǎo)致近地面降溫，進(jìn)一步導(dǎo)致模式溫度預(yù)報較觀測偏低。

如前所述，在對稱不穩(wěn)定的背景下，北京凌晨對流發(fā)展旺盛，垂直速度達(dá)到8 m/s，云高可達(dá)6 km，對流降水的降水率達(dá)6 mm/h，在大氣低層會產(chǎn)生潛熱加熱。而模式預(yù)報的層云降水對應(yīng)的低層垂直速度中心只有0.1 m/s的量級（圖14），如果以相對濕度大值區(qū)估計(jì)云高也只有3 km左右，降水率也顯著低于觀測，基本以層狀云降水為主，相應(yīng)大氣低層的潛熱加熱率也偏低，不利于0℃層高度的維持，這也可能是導(dǎo)致模式預(yù)報的0℃層高度較觀測顯著偏小的原因之一。

圖12 2 月 14 日 02 時風(fēng)場觀測 （a） 和 EC 確定性模式 13 日 20 時起報的相應(yīng)的風(fēng)場 （b，色階，m/s）Fig.12 Observed （a） and EC model forecasted wind barbs （shadings，m/s） at 02:00 BT 14 initialized at 20:00 BT 13 Feb

圖13 EC 確定性模式、預(yù)報 05 時北京降雪的集合成員合成以及預(yù)報降雨的集合成員合成預(yù)報的溫度和觀測對比Fig.13 Comparison of temperature evolutions between observations，EC high-resolution forecast，and composite forecast of ensemble members predicting snow/rain at 05:00 BT

圖14 13 日 08 時起報的 EC 確定性模式預(yù)報的溫度 （藍(lán)色等值線，℃）、相對濕度 （色階，%）、垂直速度 （紅色斷線，Pa/s）、風(fēng)場Fig.14 Time-height profile of EC forecasted temperature（blue contours，℃），relative humidity （shadings，%），vertical velocity （red dashed contours，Pa/s），and wind barbs initialized at 08:00 BT 13 Feb

進(jìn)一步對比模式預(yù)報的0℃層高度和觀測（圖14可見），23時前模式預(yù)報的0℃線在800 hPa高度附近（約2000 m），與探空觀測的2 km接近。主要降水時段開始后，其預(yù)報的04時前后0℃層在 950 hPa以下（約 600 m），明顯低于雙線偏振雷達(dá)估計(jì)的1 km高度，預(yù)報的08時0℃層已經(jīng)在1000 hPa以下，顯著低于觀測的500 m。這就提示預(yù)報人員，在臨近時效，應(yīng)該多利用高時空分辨率的地面觀測以及非常規(guī)資料對模式預(yù)報性能進(jìn)行評估。如在本次過程中，在14日凌晨可以根據(jù)微波輻射計(jì)、雙線偏振雷達(dá)等估測的0℃層高度及時檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報的0℃層高度的預(yù)報偏差，根據(jù)逐時觀測的地面2 m氣溫實(shí)時評估模式地面2 m氣溫預(yù)報誤差，基于模式溫度預(yù)報偏差可將模式預(yù)報的轉(zhuǎn)雪時間向后訂正，并相應(yīng)調(diào)整降雪量和積雪深度預(yù)報。

另外，對比14日08時探空和模式預(yù)報的相對濕度發(fā)現(xiàn)，模式能夠較好地反映08時前后實(shí)況中相對濕度高值區(qū)向高空500 hPa左右高度的迅速延展。相對濕度高值區(qū)增厚到了?15℃等溫線附近，且最大垂直抬升速度也由對流層中低層升高至對流層高層。Cobb等（2005）指出，?12—?18℃ 高度是最有利于雪花產(chǎn)生的區(qū)域，當(dāng)云內(nèi)最大垂直抬升速度位于區(qū)域內(nèi)，云內(nèi)降雪效率將達(dá)到最大化。實(shí)況中，北京平原站點(diǎn)整體在08時前后轉(zhuǎn)雪，與相對濕度高值區(qū)及最大抬升速度擴(kuò)展到有利于雪花產(chǎn)生的區(qū)域有關(guān)。EC模式雖然對0℃層高度的演變預(yù)報誤差較大，但對于高相對濕度區(qū)的演變趨勢把握較好，以后應(yīng)當(dāng)在預(yù)報實(shí)踐中加強(qiáng)關(guān)注。

6 總結(jié)與討論

針對2020年2月13日夜間至14日白天北京出現(xiàn)的一次伴有復(fù)雜降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的極端降水過程，利用多種常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測資料分析了北京地區(qū)極端降水及雨雪轉(zhuǎn)換的時空特征及其成因，探討了模式降水相態(tài)預(yù)報誤差及成因，結(jié)論如下：

（1）本次降水過程，高空有切斷低壓形成，低空有明顯的低渦切變線，系統(tǒng)深厚，移速慢，影響時間長，導(dǎo)致北京降水持續(xù)長達(dá)12 h。14日凌晨，北京上空大氣低層強(qiáng)盛的東南風(fēng)急流向西部山前輸送水汽，并在低空形成強(qiáng)切變及對稱不穩(wěn)定區(qū)。東南風(fēng)暖濕氣流的斜升使得對流發(fā)展旺盛，產(chǎn)生了冬季夜間罕見的高降水率的對流性降水。較長的降水時間以及凌晨時段的高降水率共同造就了此次極端日降水。

（2）凌晨北京上空0℃層高度下降緩慢，地面溫度一直維持在較高水平，直到08時前后北京平原地區(qū)大部方才逐步轉(zhuǎn)雪，比模式預(yù)報的轉(zhuǎn)雪時間偏晚至少3 h。北京平原地區(qū)各地轉(zhuǎn)雪時間差異明顯，呈現(xiàn)東早西晚的特征。冷空氣從東路入侵造成北京東部降溫時間較西部早，且降溫幅度較大。北京西部低空仍受暖舌控制，受冷空氣影響偏晚，甚至伴有暖平流，0℃層高度呈西高東低形勢，故轉(zhuǎn)雪時間在08時以后，較東部偏晚。

（3）模式預(yù)報的東路冷空氣較觀測偏強(qiáng)、偏早，降水觸發(fā)也較觀測偏早，且以穩(wěn)定的層狀云降水為主。上述偏差共同導(dǎo)致其預(yù)報的凌晨地面氣溫較觀測偏低3℃左右，0℃層高度下降過快，從而過早預(yù)報轉(zhuǎn)雪時間，高估了降雪量和積雪深度。通過對比檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報的溫度與常規(guī)和非常規(guī)溫度觀測資料，可以將模式相態(tài)轉(zhuǎn)化預(yù)報偏差進(jìn)行一定程度的訂正。

文中通過多種觀測資料和業(yè)務(wù)模式預(yù)報產(chǎn)品對北京地區(qū)相態(tài)轉(zhuǎn)換成因及模式預(yù)報誤差進(jìn)行了分析，結(jié)論是否具有普適性還有待更多個例的驗(yàn)證。降水相態(tài)預(yù)報涉及復(fù)雜的云微物理過程，為了進(jìn)一步探討降水相態(tài)的物理過程，應(yīng)結(jié)合地面自動觀測站、微波輻射計(jì)、雙線偏振雷達(dá)、衛(wèi)星等高時空分辨率觀測資料進(jìn)行機(jī)理研究。此外，準(zhǔn)確的溫度預(yù)報是相態(tài)預(yù)報的基礎(chǔ)，然而，業(yè)務(wù)模式對邊界層內(nèi)溫度預(yù)報還存在一定偏差，這也導(dǎo)致精準(zhǔn)地預(yù)報降水相態(tài)及其轉(zhuǎn)化難度非常大，因此有必要加強(qiáng)基于觀測資料的模式溫度和降水相態(tài)等預(yù)報早期誤差檢驗(yàn)與訂正，這是訂正模式相態(tài)預(yù)報偏差的可能手段之一。