哈爾濱市冬半年降水相態(tài)預(yù)報技術(shù)研究

歐娜音，于凱旋，高 月

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150028；2.雙城區(qū)氣象局，黑龍江 哈爾濱 150100）

1 引言

冬季降水由于相態(tài)復(fù)雜，一直以來受到氣象工作者的廣泛關(guān)注。無論是雨、雨夾雪、雪，還是凍雨、冰粒，都會給人們的生產(chǎn)、生活帶來巨大的影響[1]。冬季降水與夏季降水不同，引發(fā)氣象災(zāi)害的程度不但取決于降水量級大小，還取決于降水相態(tài)。哈爾濱作為黑龍江省的省會城市，隨著近年來城市化進(jìn)程的不斷加快，氣象災(zāi)害的影響也越來越大。城市在面臨極端氣象災(zāi)害的脆弱性日益凸顯，冬季降雪、凍雨，甚至雨夾雪天氣會給城市交通、電力通訊、人民生產(chǎn)生活帶來不利影響。2008年冬季的冰凍雨雪過程給我國南方地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、百姓生活帶來嚴(yán)重危害。2016年3月4-6日哈爾濱地區(qū)也經(jīng)歷了雪轉(zhuǎn)雨夾雪，再轉(zhuǎn)雪相態(tài)復(fù)雜的降水過程，給人們的生活帶來了不利影響。這種相態(tài)復(fù)雜的天氣，降水相態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)報對政府部門以及各行各業(yè)的決策有著十分重要的意義。

近年來，有關(guān)冬季降水的研究更多集中在降水相態(tài)方面。很多學(xué)者從不同角度對不同個例，進(jìn)行了討論與分析,如:孫晶等人[2]對1999年11月23-24日的遼寧雨轉(zhuǎn)雪過程進(jìn)行了研究；李江波等[3]分別通過高空及地面氣溫等數(shù)據(jù)找出一些降水相態(tài)預(yù)報指標(biāo)，并在日常業(yè)務(wù)中應(yīng)用。漆梁波等［4］指出降水相態(tài)的判別應(yīng)該綜合考慮溫度與位勢厚度，并通過對中國東部冬季降水相態(tài)的研究，認(rèn)為溫度平均廓線對雨和雪的區(qū)分較好，雪和雨夾雪在低層的大氣冷暖狀態(tài)較相似。

在國外,關(guān)于雨雪的判別,除了傳統(tǒng)的氣溫閾值外,比較多地使用氣層位勢厚度來表征大氣的冷暖情況。Heppner等人[5]分別對北美洲的降水相態(tài)判斷進(jìn)行了研究和總結(jié),得出一種利用厚度值來區(qū)分雨、雪、凍雨及冰粒的方法。此方法目前在美國和加拿大的氣象部門被廣泛使用。

哈爾濱地區(qū)隆冬季節(jié)的降水幾乎全部是雪，而到秋末冬初和冬末春初常有雨雪交替的情況出現(xiàn)，而降水相態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)報也是過渡季節(jié)的難點(diǎn)。因此，確定降水相態(tài)至關(guān)重要。目前關(guān)于哈爾濱市的降水相態(tài)的研究相對較少，預(yù)報員較多依賴于主觀經(jīng)驗(yàn)。同時黑龍江地區(qū)研究雨雪相態(tài)的指標(biāo)多通過溫度閾值進(jìn)行判定，而通過厚度判斷雨雪相態(tài)的研究較少。本研究在對歷史觀測資料研究的基礎(chǔ)上，不僅找出氣溫閾值來判定降水相態(tài)的指標(biāo)，同時通過各層厚度提煉預(yù)報指標(biāo)，并建立哈爾濱市冬半年降水相態(tài)變化的預(yù)報方法。

2 資料與方法

本研究主要選取了2009-2018年冬半年（10月-次年4月）哈爾濱地區(qū)（13個國家級氣象站）高空及地面觀測資料。為了保證所選個例都為雨雪轉(zhuǎn)換臨界值的個例，選取標(biāo)準(zhǔn)：（1）10 a中所有的雨夾雪日；在本文中定義當(dāng)日20-08時出現(xiàn)雨夾雪天氣現(xiàn)象即記為一個雨夾雪日，08-20時出現(xiàn)雨夾雪現(xiàn)象記為一個雨夾雪日。（2）選取≥3個站出現(xiàn)雨夾雪天氣過程進(jìn)行各層溫度（T850,T925,Tsuf）和對流層低層厚度（H700-850,H850-1000）統(tǒng)計，通過對臨界值的特征及其范圍的確定，統(tǒng)計出不同相態(tài)出現(xiàn)時各物理量的范圍及其閾值和出現(xiàn)頻次，從而得到相態(tài)轉(zhuǎn)變的預(yù)報指標(biāo)。

3 結(jié)果分析

3.1 雨夾雪的氣候特征

根據(jù)本文標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計資料，2008-2019年哈爾濱地區(qū)共出現(xiàn)717個雨夾雪日。按年際變化看（圖略），前期周期性震蕩，2013年出現(xiàn)高值，為119個。從2014年開始逐年增加?？傮w來看，10 a中雨夾雪日后期（2014-2018年）相對前期（2009-2013年）有所減少。從月際變化上看，3-4月、10-11月為哈爾濱地區(qū)雨夾雪的主要月份。而3-4月相對于10-11月出現(xiàn)概率更高，3-4月出現(xiàn)348個，10-11月303個。

由于各地區(qū)雨雪相態(tài)各有差異，按照區(qū)域出現(xiàn)的雨夾雪日也進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖1。從圖中明顯看出，西北部地區(qū)（哈爾濱、呼蘭、阿城、賓縣、木蘭）雨夾雪日相對較少，在20-40個之間，中部地區(qū)在41-70個之間，東南部縣（市）出現(xiàn)概率相對較多，其中，尚志地區(qū)最多，出現(xiàn)了107個。

圖1 哈爾濱地區(qū)近10 a出現(xiàn)雨夾雪日數(shù)特征

3.2 雨夾雪日各氣層氣溫的特征

從717個雨夾雪日中挑出20個大范圍出現(xiàn)雨夾雪天氣過程重新建立數(shù)據(jù)庫。再對20個雨夾雪天氣過程每隔3 h進(jìn)行統(tǒng)計雨夾雪，出現(xiàn)一次雨夾雪則記為一次雨夾雪個例，出現(xiàn)一次雨或雪分別記錄為雨或雪一次。第二次建立的數(shù)據(jù)庫資料共有348個個例。其中181個雨夾雪個例（冷平流103個，暖平流98個），40個降雨個例，127降雪個例。對高空各層溫度實(shí)況進(jìn)行插值再分析，對應(yīng)不同相態(tài)進(jìn)行記錄。

3.2.1 不同降水相態(tài)在850 hPa溫度特征

表1中列出了850 hPa的溫度(T850)，分析表明，冷平流背景下，相態(tài)為雨夾雪時850 hPa平均溫度都在1℃左右，大部分集中在-2℃＜T850＜1℃之間，-2℃＜T850＜1℃范圍內(nèi)的個例占58%；1℃＜T850＜2℃范圍內(nèi)的個例占25%；-3℃＜T850＜-2℃范圍內(nèi)的個例僅占17%，因此，在溫度平流為冷平流時，大部分的雨夾雪在-2℃＜T850＜2℃。同樣分析在暖平流情況下，大部分的雨夾雪個例都在-6℃＜T850＜-4℃范圍內(nèi)，占比為46%；-4℃＜T850＜-2℃范圍內(nèi)的個例為41個，占比為42%,-7℃＜T850＜-6℃范圍內(nèi)的個例占比相對較少，對比較大溫度區(qū)域?yàn)?6℃＜T850＜-2℃。綜合考慮，冷平流時，雨夾雪概率較大溫度區(qū)域?yàn)?2℃＜T850＜2℃之間，暖平流時，雨夾雪概率較大溫度區(qū)域?yàn)?6℃＜T850＜-2℃。

表1 雨夾雪在850 hPa溫度特征表

同樣方法統(tǒng)計雨、雪相態(tài)的溫度區(qū)域，雨、雪的溫度特征相對較明顯，降雨個例冷平流全部在T850≥2℃，暖平流均T850≥-2℃；冷平流時，雪的個例中55%T850≤-2℃，32%的雪T850≤-6℃。（如表2）

表2 雨、雪在850 hPa溫度特征表

綜合考慮，得出三種相態(tài)的溫度閾值（如表3）。

表3 不同降水相態(tài)在850 hPa的溫度閾值

3.2.2 不同降水相態(tài)在925 hPa溫度特征

當(dāng)在-4℃＜T925＜1℃范圍內(nèi)時，出現(xiàn)雨夾雪概率大，T925＜-3℃時出現(xiàn)雪的概率大，雨夾雪和雪大多都在0℃以下，不好判斷是雪或雨夾雪。當(dāng)T925＞0℃時，出現(xiàn)雨的概率較大，可作為降雨溫度下限的分界（表4）。但用該層溫度判斷雨夾雪或雪的難度較大，變化范圍小。

表4 不同降水相態(tài)在925 hPa溫度特征表

3.2.3 不同降水相態(tài)在地面溫度特征

地面溫度的歸納還是比較明顯。如表5，當(dāng)Tsuf＞2℃時主要為雨，當(dāng)Tsuf＜-1℃時，主要為雪；-1℃＜Tsuf≤2℃時為雨夾雪。

表5 不同降水相態(tài)地面氣溫特征

3.2.4 雨夾雪時風(fēng)向的變化

通過對出現(xiàn)雨夾雪時的風(fēng)向統(tǒng)計，55%的風(fēng)向?yàn)槠匣蛭髂巷L(fēng)，20%為東南風(fēng)，其它風(fēng)向占25%。說明雨夾雪天氣前必將有較好的暖濕氣流輸送。

3.3 各氣層厚度的統(tǒng)計特征

通過以上統(tǒng)計分析得出的與降水相態(tài)有關(guān)的溫度分布特征，可以在很大程度上指導(dǎo)預(yù)報員的主觀預(yù)報。如果能再從厚度物理量得出客觀預(yù)報指標(biāo)，將會給預(yù)報員提供更加便捷的預(yù)報依據(jù)。厚度資料的分析是將位勢高度進(jìn)行格點(diǎn)插值再分析。依然為181個雨夾雪，40個降雨，127個降雪個例。

下面通過H700-850、H850-1000進(jìn)行討論（表6）。

對流層中下層H700-850的厚度:雨夾雪時大部分在1500-1530 gpm之間，相態(tài)為雨時，厚度為1540-1590 gpm，相態(tài)為雪時，厚度為1480-1550 gpm，三者之間重疊比較少。低層H850-1000厚度雨夾雪時為1288 gpm，相態(tài)為雪的＜1293 gpm，相態(tài)為雨的厚度為＞1299 gpm；這表明使用該兩層間的厚度作為指標(biāo)判斷降雨還是較具有特征性的，發(fā)生降雨時的厚度與其他兩類相態(tài)間幾乎沒有交叉，低層雨夾雪和雪有重疊，相態(tài)區(qū)別上效果不明顯，所以H850-1000＞1299 gpm可作為降雨的判據(jù)；而雨夾雪和雪的區(qū)分難度則比較大。因此低層厚度雨夾雪和雪的結(jié)果不易參考。但對流層低層的厚度對于哈爾濱地區(qū)來說，辨別相態(tài)方面有很好的指示意義。

表6 不同降水相態(tài)厚度識別判據(jù)

在實(shí)際的探空中，得到的溫度只是某點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)層和特性層的溫度，有時逆溫的存在導(dǎo)致特征層溫度的變化，在相態(tài)判斷中出現(xiàn)失誤。在本文的研究中，使用厚度作為降水相態(tài)識別判據(jù)，通過比較這些厚度可得出降水類型的閾值以提供有價值的不同相態(tài)降水的信息，從而彌補(bǔ)發(fā)生逆溫時使用特征層溫度而發(fā)生的誤差。

4 結(jié)論

本文通過利用2009-2018年冬半年（10月至次年4月）的降水、高空和地面觀測資料，統(tǒng)計分析了哈爾濱地區(qū)冬半年出現(xiàn)雨夾雪天氣的時空特征，得出哈爾濱地區(qū)雨雪轉(zhuǎn)換頻發(fā)的季節(jié)主要集中在3月和4月。通過出現(xiàn)雨夾雪及雨雪轉(zhuǎn)換天氣時各層溫度、風(fēng)向以及中低層厚度對比，得出以下結(jié)論，海拔高度在200 m以下的平原地區(qū)降水相態(tài)指標(biāo)（1）冷平流時-2℃＜T850＜2℃，暖平流時-6℃＜T850＜-2℃，出現(xiàn)雨夾雪；近地面雨夾雪溫度范圍為-1℃＜Tsuf≤2℃；T925判斷雨夾雪或雪的難度較大，溫度變化范圍小。（2）雨夾雪時地面風(fēng)向以西南風(fēng)和偏南風(fēng)為主。（3）對于中低層厚度雨夾雪的范圍是1500 gpm≤H700-850≤1530 gpm；H850-1000＞1299 gpm可作為降雨的判據(jù),而雨夾雪和雪的區(qū)分難度則比較大。