2016年浙江省一次区域性暴雪天气诊断和预报误差分析*

张子涵 孙长 彭霞云 罗玲 李文娟

(浙江省气象台，浙江 杭州 310017)

2016年浙江省一次区域性暴雪天气诊断和预报误差分析*

张子涵 孙长 彭霞云 罗玲 李文娟

(浙江省气象台，浙江 杭州 310017)

利用NCEP再分析资料、Micaps资料以及自动站加密观测资料对2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次区域性暴雪过程进行了天气诊断和预报误差分析，结果表明，本次降雪过程主要由强冷空气、南支槽和低层切变共同影响造成的。700 hPa西南急流为强降雪的产生提供有利的水汽和能量条件。950 hPa的水汽通量散度场对强降雪区有一定的对应关系，湿层越厚，降雪越明显，深厚的湿层为此次暴雪的产生提供了有利的水汽条件。低层辐合、高层辐散的配置为降雪的产生提供有利的动力条件，强降雪区主要位于200 hPa负涡度中心区和750 hPa正涡度大值重叠区。中低层存在逆温、近地层不存在高于0 ℃的融化层，是降雪产生的有利条件。此次降雪过程从量级和降水的起止预报上是比较准确的，但降雪的落区尤其是积雪深度的预报与实况相差较大，主要原因是对于温度条件的预测失误和对各地降雪量转化为积雪深度的积雪率掌握不足。

暴雪；冷空气；预报误差；积雪率

0 引 言

暴雪天气是我国冬季严重的主要灾害性天气之一，它的出现给交通、电力、通信、农业、畜牧和人民生活带来严重灾害。对暴雪天气的研究，全国气象工作者较为重视，已有不少研究成果。赵桂香等[1]对华北大到暴雪过程切变线的动力诊断进行了分析，认为暴雪过程与中尺度切变线的发展和东移直接有关。朱坤等[2]对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨天气过程进行了数值模拟和分析，结果表明中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供较好的温度层结条件。张小玲等[3]对高原的暴雪过程进行了水汽和动力诊断分析,认为水汽、条件不稳定在高原暴雪中起重要作用。朱红等[4]通过对浙江湖州历史上20 a降雪个例的分析,提出了有利于该地区降雪的大气温度层结条件。徐双柱等[5]对于湖北省区域大雪进行了机理分析,认为由于锋面抬升和西南低空急流的作用,在对称不稳定条件下产生倾斜上升和下沉运动,形成中尺度倾斜环流,在充沛环境水汽条件下,产生大雪天气。还有一些学者[6-8]从湿位涡特征、螺旋度、地面倒槽等方面对暴雪天气进行了分析和比较，都得出了一些有意义的结论。

浙江省地处中国东南沿海长江三角洲南翼，强降雪天气虽然比强降雨发生的概率低很多，但由于发生次数少，更容易引起社会各部门和老百姓的关注。对强降雪天气预报是冬季天气预报服务中的一个重点，也是一个难点。本文利用NCEP再分析资料、Micaps资料以及自动站加密观测资料对2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次区域性暴雪过程进行了天气诊断和预报误差分析，以期能从中得到一些降雪预报的启示，为今后降雪的精细化预报提供参考依据。

1 降雪过程概况

2016年1月20日傍晚起，降雪首先在浙江西北部山区开始，之后雪区逐渐向东南发展；21日浙中北大部地区出现降雪天气；22日降雪范围进一步扩大，降雪强度也明显加强，除沿海和浙南南部外，各地相继出现中到大雪，部分暴雪天气；23日全省雨雪止转阴天，此次过程结束。此次过程浙江省积雪面积约7.79万km2，占省陆域面积约76%，其中积雪5 cm以上约3.86万km2，10 cm以上约1.75万km2。县城积雪深度较大的有德清25 cm、临安24 cm、安吉20 cm、龙游和浦江11 cm，部分山区积雪达30 cm以上(图1a)。从代表站逐小时雨雪量演变(图1b)可以发现，强降雪时间主要集中在22日08时(北京时，下同)—22日14时。本次降雪过程导致浙江省出现严重冰冻灾害,因灾造成直接经济损失21.96亿元。浙江省气象台对于该过程，在降雪的起止时间和降雪量级预报上把握比较准确，于20日上午便发布了大雪警报，但从降雪的落区尤其是积雪深度的预报检验来看，还存在一定的偏差。所以有必要对该过程进行分析，总结预报误差原因，提高对降雪天气的认识。

图1 (a)2016年1月21—23日全省最大积雪分布(单位：cm)与(b)各代表站逐小时雨雪量演变(单位：mm)

2 环流形势及影响系统

从500 hPa的环流形势来看，本次降雪过程属于较典型的“横槽型”[9]。在1月20日08时500 hPa高度场(图2a)上，高纬度贝加尔湖东侧存在完整的低涡，有-48 ℃冷中心配合，在低涡后部到新疆北部一带有偏北风与西北偏西风的东西向横槽；乌拉尔山附近有一高压脊，脊后暖平流促使高压脊不断发展，脊前不断加强的偏北气流不断引导冷空气在贝加尔湖附近的横槽内堆积。中纬度地区有横槽分裂的短波槽东移。低纬度我国西南地区有南支槽发展东移。700 hPa(图略)高度场上，在23°N～30°N,105°E～120°E区域内有明显的西南急流存在,急流核位于广西北部到湖南一带，中心风速达26 m/s。850 hPa(图略)高度场上，在江西—湖南—贵州一带有偏南风和东南风的切变存在。地面气压场上(图略)冷高主体位于贝加尔湖西部，高压中心达1065 hPa,主锋位于我国内蒙古地区，浙江省处在主锋前部的弱高压环流底部东北气流控制中，大部地区以多云天气为主。20日傍晚起，伴随高空短波槽、南支槽和850 hPa切变东移，浙江西北部山区开始降雪，之后降雪区伴随冷空气的扩散南下逐渐向东南方向扩展。22日08时(图2b)，500 hPa高空冷涡东移南压至我国东北地区，横槽下摆，地面强冷空气主体南下。同时700 hPa西南急流核东移至江西湖南一带，中心风速增强至28 m/s，强西南急流给浙江省带来充足的水汽和能量。850 hPa切变在东移过程由于冷空气及西南气流的加强，在江西省内形成明显低涡。浙江省位于700 hPa西南急流出口处左侧，850 hPa低涡的东北侧，具有较好的辐合抬升条件，降水明显增强。杭州、湖州南部地区6 h累积降雪量超8 mm，达到暴雪量级。此外伴随强冷空气南下，850 hPa 0 ℃线南压至福建北部地区，浙江南部的丽水地区也逐渐雨转雪。23日白天(图略)，500 hPa西风槽东移过境，浙江省中低层转为一致的西北气流控制，降雪天气趋于结束。

由以上分析可见，此次降雪过程主要由强冷空气、南支槽和低层切变共同影响造成，700 hPa西南急流为强降雪的产生提供了有利的水汽和能量条件。

(实线：500 hPa高度场，虚线：500 hPa温度场，粗实线：槽线)图2 实况500 hPa环流形势 (a)1月20日08时 (b)1月22日08时

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件

充足的水汽供应是大雪和暴雪发生的重要物理条件，水汽通量散度在一定程度上反映了大气中水汽的含量和聚集程度。分析各时次沿强降雪中心120°E的水汽通量散度垂直剖面图,可见此次降雪区水汽幅合高度比较高，大部时段可达到600 hPa，低层辐合中心主要位于950 hPa。22日08时(图3a)，29.5°N～30.8°N上空(图中矩形区)水汽通量辐合区高度更是达到了500 hPa，950 hPa辐合中心增强至-2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，此后6 h内该区域产生了明显的强降雪天气，湖州南部、杭州大部县站6 h累积降雪量超8 mm，达暴雪量级。22日14时(图略)，该区域的水汽辐合高度降至700 hPa，低层950 hPa辐合中心也减弱至-1.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，此后6 h内该区域降雪强度有所减弱，县站最大6 h累积降雪量只有5.2 mm。23日02时(图略)以后，该区域逐渐转水汽通量辐散区控制，降雪趋于结束。

图3 2016年1月22日08时水汽通量散度 (a)沿120°E的垂直剖面图；(b)850 hPa；(c)950 hPa(单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)

对降雪过程中各层水汽通量散度场和每6 h的降雪区(图略)进行对比分析，可以发现850 hPa的水汽通量散度场与强降雪区的对应关系并不显著(图3b)，而分析950 hPa的水汽通量散度幅合场(图3c),可以发现该强降雪区基本处于-1×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽幅合区内。950 hPa的水汽通量散度场与强降雪区有较好的对应关系。

此外经暴雪区沿120°E的相对湿度垂直剖面图(图略)上，也可以发现强降雪时相对湿度达到90%的大湿区从地面一直伸展到300 hPa，整层大气都处在一个比较饱和的状态。湿层越厚，降雪越明显，与水汽通量散度剖面图分析结果一致，深厚的湿层为此次暴雪提供了有利的水汽条件。

3.2 动力条件

分析各时次各层涡度场发现，同样850 hPa正涡度区与暴雪区的对应关系不明显。从各时次沿强降雪区120°E涡度场的垂直剖面图上可见，涡柱随高度向北倾斜，正涡度中心不是简单地分布在一个层次上而是有多个，且中心随高度北倾。如22日08时(图4a)，浙江省上空从低层到300 hPa都是明显的正涡度区，正涡度中心主要有3个，分别位于750 hPa、550 hPa和400 hPa附近，中心值分别为8×10-5s-1、10×10-5s-1和8×10-5s-1。300 hPa以上基本为负涡度区，负涡度中心主要位于200 hPa附近，中心值达-6×10-5s-1。此后较明显的降水区位于28°N～31°N之间，由于温度条件的差异，强降雪区则主要出现在29.5°N～30.5°N之间。强降雪区并非完全与某层涡度中心相对应，而是基本处于200 hPa负涡度中心区和750 hPa正涡度大值重叠区，而低层850 hPa及以下为较小正涡度区甚至有弱的负涡度区；其它时次也有类似现象存在。这与冷空气低层侵入后，正涡度柱随高度北倾有关。

散度场上，在强降雪区的中低层500 hPa以下主要都处于辐合上升区，辐合中心也有多个，与涡度场相似，随高度北倾；500 hPa以上为辐散区。这种低层辐合、高层辐散的配置在降雪过程中一直维持，有利于形成深厚的上升运动，22日08时(图4b)，高低层散度差更是达到10×10-5s-1，抽吸作用明显，为强降雪的发生提供了有利的动力条件。

图4 2016年1月22日08时沿120°E的垂直剖面图 (a)涡度场(单位：10-5 s-1)；(b)散度场(单位：10-5 s-1)

3.3 热力条件

充足的水汽、深厚的上升运动是产生强降雪的必要条件，但要形成固态降雪还必须有合适的温度条件。南方降雪有利的温度条件在垂直方向上一般需要满足以下几点：地面温度≤4 ℃，850 hPa温度≤-3 ℃，700 hPa温度≤0 ℃，500 hPa温度≤-12 ℃，并且中层要有逆温层[10]。曾欣欣[9]曾对浙江省历年92次大雪过程进行统计分析，总结了大雪预报概念模型，并针对温度条件进行了深入探讨，当存在逆温现象，且700 hPa温度比850 hPa温度要至少高出1 ℃时比较有利于降雪的产生。

对杭州站各层温度层结分析发现，杭州站20日20时500、700、850 hPa和地面气温分别为-17、-2、-7、3.4 ℃，满足南方降雪有利的降雪条件[5]，但由于1000 hPa附近存在2 ℃的融化层，对应为降雨过程，21日08时(图5a)500、700、850 hPa和地面气温分别为-16、-2、-5、0.5 ℃,1000 hPa的气温降至-1 ℃，700 hPa至850 hPa逆温差达3 ℃，对应此时降水相态为降雪，结合地面逐小时观测资料，降雪主要持续了16 h，累计降雪量11.2 mm，达暴雪量级。22日01时由于近低层偏东风的增强，海上暖湿气流的影响使杭州1000 hPa到地面又出现了0 ℃以上的融化层，降水性质逐渐转为降雨。22日08时(图5b)，伴随强冷空气的南下，地面气温下降，又开始转明显的降雪，且由于水汽条件、动力条件进一步转好，虽然700 hPa至850 hPa逆温差只有0 ℃，此后6 h内累积降雪量8.4 mm，12 h内累积降雪量12.1 mm，亦达暴雪量级。

图5 杭州站T-logp图 (a)21日08时；(b)22日08时

由以上分析可见，要产生较明显的降雪，温度不仅仅需要满足南方降雪有利的条件，还需关注近地层必须不存在高于0 ℃的融化层。中低层存在逆温有利于暴雪的产生，但强逆温并不是必要条件，在水汽和动力条件较好的同时，弱的逆温条件同样可以产生较强的降雪。

4 预报得失分析

通过分析天气环流形势和物理量场、对比各种数值预报产品，浙江省气象台1月20日上午针对这次过程发布了大雪警报。将预报与天气实况相对比发现,这次过程从降水量级和起止时间的预报上还是比较准确的，但对降雪的落区尤其是积雪深度的预报与实况相差较大。主要差异有两方面：1)降雪落区上，预报上基本是考虑全省性降雪过程，但实际上东南沿海一带从始至终降水相态均为降雨。2)积雪深度上，无论是模式还是主观预报均考虑除沿海地区，大部地区可达10～20 cm，山区可超过30 cm以上(图6a)。实际积雪深度10 cm以上的区域主要出现在浙江的西北部地区和一些高山站(图1a)，而衢州、丽水以及杭州主城区虽然降雪量都达到了暴雪量级，但积雪深度并没有达到预计的10 cm以上。对外服务效果略差。分析原因如下。

1)东南沿海地区降水相态预报出现偏差的主要原因是对地面温度的下降预计过于乐观。预报22日白天强冷空气主体南下后，该地区温度会明显下降，但实际上该地区前期阴雨天为主，低云量多，风力大，降温不明显，气温仍在4 ℃左右；不利于降水相态的转变，23日08时起，其气温才开始有明显的下降，但此时中低层开始转一致的西北气流，雨雪过程趋于结束。

图6 (a)2016年1月21—23日全省最大积雪深度主观预报(单位：cm)；(b)2016年1月22日08时温度沿120°E的垂直剖面图(单位：℃，黑三角代表德清站)

2)积雪深度预报上出现较大误差原因在于对浙江各地降雪量转化为积雪深度的积雪率认识不足。经验上的积雪率为0.8 cm/mm左右，即1 mm的降雪量可产生0.8 cm左右的积雪深度，但实际上各地差异非常大。影响积雪率的因素有很多，但最重要的还是近地面的温度层结和地表气温是否有利于积雪产生。一般地表温度和近地面的温度层结都在0 ℃以下，积雪率比较高，如德清站22日白天，地表气温基本维持-0.1 ℃，地面气温0 ℃左右，近地面温度层结0 ℃以下(图6b),其大部时次积雪率都可达到1 cm/m以上；但随着时间累积，由于重力压雪，其积雪率有所下降。杭州站虽然上空温度层结也较有利于积雪形成，但其地面气温略高，为0.4～1.2 ℃，有利于雪花在近地面融化，不利于产生很大的积雪深度，其大部时段积雪率都不足0.8 cm/mm，平均积雪率只有0.4 cm/mm。这是杭州虽然出现了12.1 mm的降雪量但积雪深度最大只有4 cm的关键原因。衢州、丽水站在此次过程中分别出现了17.2 mm、16.8 mm的降雪量，但由于其近地面1000 hPa附近存在高于0 ℃的暖层，地表和地面气温均偏高，积雪率较小，尤其是丽水站降雪时段中地表温度维持在0.3～2.6 ℃之间，地面温度为0.6～2.4 ℃，有利于雪花在近地面融化，故其最大积雪率只有0.27 cm/mm，最小积雪率为0.06 cm/mm。这是衢州、丽水最终积雪深度比原先预计明显偏小的重要原因。

在日常预报中，准确预报冬季第一场大范围强降雪的社会效益不亚于梅汛期的首场暴雨。降雪预报难度很大，有时可能比暴雨还难，最主要原因就在于对温度条件的预测不准，或是对温度条件的分析不足以及对积雪率的掌握不足。因此在做降雪预报时，除了考虑水汽和动力条件外，应格外重视对各层温度条件的分析，尤其在做积雪深度预报时，要关注近地面的温度层结和地表气温是否有利于积雪产生。不同的区域、不同温度条件下可有不同的积雪率，同样的降雪量产生的积雪深度可能差异很大。

5 结 语

本文利用NCEP再分析资料、micaps资料以及自动站加密观测资料对2016年1月20日傍晚起至23日浙江省一次区域性暴雪过程进行了天气诊断和预报误差分析，结果表明：

1)本次降雪过程主要由强冷空气、南支槽和低层切变共同影响造成的，700 hPa西南急流为强降雪的产生提供有利的水汽和能量条件。

2)950 hPa的水汽通量散度场对强降雪区有较好的对应关系，湿层越厚，降雪越明显，深厚的湿层为此次暴雪的产生提供了有利的水汽条件。低层辐合、高层辐散的配置为降雪的产生提供有利的动力条件，强降雪区位于200 hPa负涡度中心区和750 hPa正涡度大值重叠区，而不是单纯地与850 hPa正涡度区相对应。

3)热力条件分析表明，要产生强降雪，温度不仅仅需要满足南方降雪有利的条件[10]，还需关注近地层是否存在高于0 ℃的融化层，中低层存在逆温、近地层不存在高于0 ℃的融化层有利于降雪的产生。

4)这次降雪过程从量级和降水的起止的预报上还是比较准确的，但降雪的落区尤其是积雪深度的预报与实况相差较大，主要原因是对于温度条件的预测失误和对各地降雪量转化为积雪深度的积雪率掌握不足。因此在做降雪预报时，除了要考虑充足的水汽和有利的动力条件外，应重视对各层温度条件的分析，关注近地面的温度层结和地表气温是否有利于积雪产生，进而做出较好的积雪深度预报。

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2016-08-01

*资助项目：浙江省气象局重点科技项目(2015ZD02)