2018年常州地區(qū)四次降雪過(guò)程的滴譜特征分析

溫靜?雷正翠?吳建秋?黃文彥?錢半噸

摘 要：本文利用NCEP再分析資料和雨滴譜儀揭示常州地區(qū)2018年四次降雪過(guò)程的微物理特征及規(guī)律。結(jié)果表明，四次降雪過(guò)程的天氣形勢(shì)均為中高層西到西南風(fēng)、低層?xùn)|到東北風(fēng)的配置。低層為降雪過(guò)程提供了重要的冷墊條件，而700 hPa西南急流暖濕氣流在此冷墊上沿著鋒面爬升，為降雪提供了有利的水汽條件和能量條件。

關(guān)鍵詞：降雪;雨滴譜儀器;粒子譜

中圖分類號(hào)：P458.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）05-0147-03

Abstract： In this paper， the Microphysical Characteristics and rules of four snowfall processes in Changzhou region in 2018 were revealed by NCEP reanalysis data and raindrop spectrometer. The results show that the weather situation of the four snowfall processes is the middle and high-rise wind from west to southwest， and the low east to northeast wind. The lower layer provides important cold pad conditions for the snowfall process， while the warm and wet flow of southwest jet flows of 700? hPa climbs along the front of the cold pad， which provides favorable water vapor and energy conditions for snow falling.

Keywords： heavy snow process;disdrometer;particle spectrum

低溫雨雪天氣特別是暴雪天氣，一直是氣象部門關(guān)注的主要災(zāi)害性天氣之一，也是政府和公眾冬季尤為關(guān)心的問(wèn)題。一旦冬季發(fā)生暴雪天氣，經(jīng)常會(huì)對(duì)人們生命安全和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，提高對(duì)強(qiáng)降雪的預(yù)報(bào)能力對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有著重要作用。過(guò)去國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降雪的動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，大部分是基于天氣學(xué)診斷、數(shù)值模擬、氣候統(tǒng)計(jì)等方面，取得了大量的研究成果[1-4]。然而，微物理結(jié)構(gòu)作為影響降雪結(jié)構(gòu)和演變的重要因素，相應(yīng)的研究仍然較為有限，目前對(duì)其微物理研究更多的是利用數(shù)值模式進(jìn)行模擬，缺乏相應(yīng)的精細(xì)微物理觀測(cè)。若能利用雨滴譜儀觀測(cè)資料充分認(rèn)識(shí)降雪的粒子相態(tài)和大小分布等微物理特征，將有利于彌補(bǔ)因常規(guī)觀測(cè)資料、雷達(dá)衛(wèi)星的局限性等原因而無(wú)法獲取信息的不足。

1 四次降雪介紹及天氣背景

2018年常州地區(qū)（包括常州、溧陽(yáng)、金壇三個(gè)站點(diǎn)）共經(jīng)歷了四次降雪過(guò)程。

個(gè)例1：2018年1月3日，常州、金壇普降大暴雪，溧陽(yáng)大雪，三地純雪量分別為39.8、30.5、8.4 mm，過(guò)程最大日雨雪量分別為32.5、28.4、36.2 mm（均出現(xiàn)在1月4日）。

個(gè)例2：1月24日14：00起常州市自西向東出現(xiàn)降雪天氣，至26日凌晨03：00前后第一輪強(qiáng)降雪結(jié)束，常州、金壇、溧陽(yáng)三地累計(jì)雪量分別為15.4、15.9、23 mm，均達(dá)暴雪量級(jí)以上，最大積雪深度分別為12、14、11 cm。

個(gè)例3：隨著27日凌晨暖濕氣流再次北抬，又迎來(lái)新一輪的強(qiáng)降雪天氣，常州、金壇、溧陽(yáng)三地累計(jì)雪量分別為17.9、16.4、25.2 mm，最大積雪深度分別為16、22、23 cm。

個(gè)例4：12月7日14：00起溧陽(yáng)市開始出現(xiàn)降雪，至21：00結(jié)束，累積降雪量為1.3 mm，最大積雪深度為1 cm。

從四次最強(qiáng)降雪階段的雷達(dá)組合反射率來(lái)看，個(gè)例1降雪所在位置的組合反射率較強(qiáng)，約40 dBZ，其余3次降雪的組合反射率較小，為25～30 dBZ，均為層狀云降雪。

2 降雪微物理特征分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明降雪微物理特征與氣象要素變化之間的響應(yīng)程度，從個(gè)例1的雪花譜、降雪粒子數(shù)濃度、小時(shí)雪強(qiáng)以及氣象要素（氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速）的時(shí)序變化情況進(jìn)行分析（見圖1）。個(gè)例1在1月3日夜里開始出現(xiàn)雨夾雪，至23：00轉(zhuǎn)為純雪。從小時(shí)雪強(qiáng)來(lái)看，此次降雪有兩個(gè)較強(qiáng)降雪階段，分別為3日23：00—4日07：00和4日15：00—21：00，其中最強(qiáng)小時(shí)雪強(qiáng)達(dá)到8 mm/h，4日9：00—10：00降雪有所間歇，雪強(qiáng)約1 mm/h。從雪花譜的時(shí)序分布來(lái)看，在兩個(gè)較強(qiáng)階段，對(duì)應(yīng)的小的雪粒子（<1 mm）的濃度較大，同時(shí)，也有部分大粒子存在;而在中間間歇階段，對(duì)應(yīng)的粒子濃度明顯減小，且粒子直徑較小。這說(shuō)明隨著雪強(qiáng)的增大，小的雪粒子濃度明顯增加，且出現(xiàn)了較大的粒子（>3 mm）。從氣象要素的時(shí)序分布看，個(gè)例1的地面氣溫基本維持在0 ℃以上，相對(duì)濕度達(dá)到98%，風(fēng)速在2～3 m/s。這種高溫、高濕、風(fēng)速較小的氣象環(huán)境非常有利于在降雪過(guò)程中形成大雪花。在兩個(gè)較強(qiáng)降雪階段，雪強(qiáng)增大時(shí)，對(duì)應(yīng)地面氣溫降低，在降雪間歇階段，氣溫緩慢回升;在第一個(gè)較強(qiáng)降雪階段，風(fēng)速有增大的趨勢(shì)，在第二個(gè)較強(qiáng)降雪階段，風(fēng)速有所減小。

個(gè)例2在1月24日夜里開始出現(xiàn)降雪，至26日凌晨停止。從小時(shí)雪強(qiáng)來(lái)看，此次降雪24日21：00—25日09：00雪強(qiáng)較小（1～2 mm/h），25日白天雪強(qiáng)達(dá)到最強(qiáng)階段（09：00—18：00），最大達(dá)8 mm/h，共持續(xù)了8 h，而后25日夜里降雪開始慢慢減小，雪強(qiáng)約為1 mm/h。對(duì)應(yīng)雪花譜的時(shí)序分布來(lái)看，在降雪的初始階段，小的雪粒子的濃度基本維持在2～2.5;在較強(qiáng)階段，對(duì)應(yīng)的小的雪粒子（<1 mm）濃度較大，最大濃度達(dá)3.5，同時(shí)，也有部分大粒子存在，最大粒徑達(dá)到3.5 mm。這說(shuō)明隨著雪強(qiáng)增大，小的雪粒子濃度明顯增加，且出現(xiàn)了較大的粒子（>3 mm）。從氣象要素的時(shí)序圖（圖略）來(lái)看，隨著降雪強(qiáng)度逐漸增大，地面氣溫開始下降，相對(duì)濕度急增，達(dá)98%，風(fēng)速也在緩慢增強(qiáng)，降雪出現(xiàn)以后，氣溫降至0 ℃以下，達(dá)-2 ℃，至25日10：00—13：00即降雪最強(qiáng)階段，氣溫稍有回升，但仍低于0 ℃，隨后氣溫下降，降雪停止后，氣溫仍然下降至-3 ℃。

個(gè)例3在1月27日凌晨開始出現(xiàn)降雪，至28日傍晚停止。從小時(shí)雪強(qiáng)來(lái)看，此次降雪雪強(qiáng)的較大值集中在27日09：16—22：00，而后27日夜間降雪間歇，28日上午又開始降雪，雪強(qiáng)較?。?1 mm/h）。對(duì)應(yīng)雪花譜的時(shí)序分布來(lái)看，27日白天降雪較強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的小粒子（<1 mm）的濃度較大，同時(shí)，也有部分大粒子存在;而在28日雪強(qiáng)較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的粒子濃度明顯減小，且最大的粒子直徑也明顯減小。從氣象要素的時(shí)序圖（圖略）來(lái)看，個(gè)例3的地面氣溫基本維持在0 ℃以下，降雪開始之前，氣溫低于-2 ℃，降雪增強(qiáng)以后，氣溫回升，至28日14：00降雪漸止，氣溫又開始慢慢降低。相對(duì)濕度的變化與氣溫變化相似，降雪開始前，相對(duì)濕度約80%左右;降雪開始后，相對(duì)濕度急增，達(dá)98%，降雪結(jié)束后，濕度減小。風(fēng)速在降雪開始后明顯減小，從5 m/s降至2～3 m/s，在降雪最強(qiáng)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速最小。

個(gè)例4整體的降雪量較小，持續(xù)時(shí)間短。降雪集中在下午時(shí)段，最大降雪深度出現(xiàn)的時(shí)間是17：00。對(duì)應(yīng)雪花譜的時(shí)序分布來(lái)看，雪花的粒徑和濃度都較小。從氣象要素的時(shí)序圖（圖略）來(lái)看，個(gè)例4的地面氣溫基本維持在0 ℃以上，相對(duì)濕度達(dá)98%，風(fēng)速在2～3 m/s，與個(gè)例1類似，存在于高溫、高濕、風(fēng)速較小的氣象環(huán)境中。開始降雪以后，氣溫有所降低，濕度升高。

4次個(gè)例的雪花譜分布有所不同，雖然譜型分布均呈多峰分布，但是譜寬、峰值直徑及其對(duì)應(yīng)的濃度有所差別，這也與對(duì)應(yīng)環(huán)境氣象要素的差別有很大關(guān)系。個(gè)例1的降雪過(guò)程中雪花譜最寬（11 mm），其次是個(gè)例2（9 mm）和個(gè)例3（7 mm），個(gè)例4最窄（5 mm）。峰值直徑也與雪花譜相似，個(gè)例1最大，其次是個(gè)例2和個(gè)例3，個(gè)例4最小，但是峰值直徑對(duì)應(yīng)的雪粒子數(shù)濃度的排序順序是個(gè)例2、個(gè)例1、個(gè)例3、個(gè)例4。4次個(gè)例的譜型分布均呈多峰分布。

四次個(gè)例的降雪過(guò)程的最大直徑和雪粒子數(shù)濃度隨雪強(qiáng)的變化圖（圖略）給出了降雪強(qiáng)度與最大直徑和雪粒子數(shù)濃度之間的關(guān)系。與前面的微物理過(guò)程分析相一致的是，不同個(gè)例的最大直徑和雪粒子數(shù)濃度增長(zhǎng)方式有所不同。明顯看出個(gè)例1的增長(zhǎng)方式與個(gè)例2、3不同。個(gè)例1中，隨著降雪強(qiáng)度的增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的最大直徑也呈線性增大，小雪花明顯減少，而雪粒子數(shù)濃度卻沒(méi)有增長(zhǎng)或減小，沒(méi)有明顯的線性關(guān)系;個(gè)例2與個(gè)例3發(fā)生的時(shí)間較為接近，也可以說(shuō)發(fā)生在同一天氣背景下，最大直徑和雪粒子數(shù)濃度增長(zhǎng)較為相似，隨著降雪強(qiáng)度的增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的最大直徑和雪粒子數(shù)濃度均呈線性增大，即雪強(qiáng)越大，大雪花越多;個(gè)例4由于降雪量較小，取樣量也較少，最大直徑和濃度與雪強(qiáng)的關(guān)系表現(xiàn)得不是特別明顯。前3個(gè)個(gè)例表明不同個(gè)例雪強(qiáng)增大對(duì)應(yīng)的微物理機(jī)制不同，這與雪花增大的機(jī)制不同有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用滴譜儀的觀測(cè)資料，從觀測(cè)角度分析2018年四次降雪過(guò)程，揭示常州地區(qū)降雪的微物理特征及規(guī)律，從而提升對(duì)降雪微物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)研究得出的結(jié)論如下。

①四次降雪過(guò)程的天氣形勢(shì)背景場(chǎng)均為高層500 hPa偏西風(fēng)、700 hPa偏西風(fēng)或西南風(fēng)以及低層850 hPa和925 hPa為東北風(fēng)的整層配置。低層為降雪過(guò)程提供了重要的冷墊條件，而700 hPa西南急流暖濕氣流在此冷墊上沿著鋒面爬升，為降雪提供了有利的水汽條件和能量條件。

②4次個(gè)例的雪花譜的分布有所不同，雖然譜型分布均呈多峰分布，但是譜寬、峰值直徑及其對(duì)應(yīng)的濃度有所差別，這也與對(duì)應(yīng)環(huán)境氣象要素的差別有很大關(guān)系。個(gè)例1和個(gè)例4環(huán)境溫度高于0 ℃，雪花增大的方式主要是由于融化碰并的作用，在雪強(qiáng)增大的時(shí)候，雪花直徑相應(yīng)增大，而雪粒子數(shù)濃度沒(méi)有明顯躍增;個(gè)例2和個(gè)例3環(huán)境溫度低于0 ℃，雪花增大的方式主要是由于準(zhǔn)液態(tài)膜理論的作用，隨著雪強(qiáng)增大，最大直徑和雪粒子數(shù)濃度均線性增大。同時(shí)，融化碰并機(jī)制比準(zhǔn)液態(tài)膜理論更易形成大雪花。

但是，由于研究的僅僅是四次個(gè)例，并不能完全代表常州地區(qū)所有的降雪個(gè)例，因此未來(lái)將會(huì)對(duì)更多的個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出更加普適的結(jié)論。

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