乌鲁木齐城区季节转换降水相态的识别判据研究

蒋慧敏 刘春云 冯静洁 赵德龙

（乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830001）

乌鲁木齐市地处新疆的中天山地区，受地形、海波高度的影响，形成独特的气候特点[1]，降水预报具有一定的复杂性，特别是在秋冬和冬春季节转换时，雨或雨夹雪转雪的降水相态是摆在预报员面前的一道难题[2-3]，如果能提供较准确的降水相态变化的预报，这样对城市交通、电力通讯及人民生产、生活做好应对措施，是十分有利。

因此国内外的学者纷纷开展对降水相态的转化研究，廖晓农[4]针对北京一次个例进行分析，得到3个降水相态温度分布差异较大的层次。孙燕[5]对江苏省冬季降水相态进行了研究发现850～1000hPa厚度阈值1292 gpm作为区分雨、雪的临界指标。许美玲[6]利用昆明气象站近23a冬季降水资料，最终找出地面日最低温度等3个指标可以较好的区分雨雪天气。

从上述研究可以看出，降水相态的研究主要集中在东部地区，而西北地区开展很少，乌鲁木齐作为西北的主要城市，也是中国降雪事件最为频繁的区域之一，无论从纬度还是海拔高度均和内地有很大差别，因此针对乌鲁木齐城区开展降水相态变化是十分必要的。

1 资料与方法

选取乌鲁木齐观测站2000—2014年3—4月和10—11月降水日的地面和探空资料，找出每日08:00和20:00 2个时次之间的雨、雨夹雪、雪天气现象数据以及与其对应时次的探空气象要素数据。其中降水出现不连续性，而且考虑到短时预报是以12h为间隔的，则分别计算当天的2次探空资料作为2次过程进行统计。

通过对乌鲁木齐观测站的地面资料分为2次/d进行统计过程，14a来共出现148次降雨样本，137次降雪样本，而在进行相态转换个例选取中，雨或雨夹雪转雪对社会影响较大，因此选取该类过程作为研究对象，此类样本共49个。

2 乌鲁木齐地区识别判据与降水相态的相关性分析

2.1 高空各层气温与相态变化的相关性分析

2.1.1 850hpa温度

图1 850hpa温度分布

由图1可以看出，雨雪的中位线分别在5℃和-6℃，而且就20%～80%分位的范围而言,雨集中在2～10℃，雪集中在-10～-4℃，它们没有交叉区间。当温度＞2℃时，雨发生的概率可达78%，当温度＜-4℃时，雪发生的概率可达83%，此状态占有降雪的80%，可以较好地预测有雨或雪现象，可作为区分雨、雪是否出现的阈值，而发生降水相态改变的温度在统计上介于降雨和降雪之间,60%相态改变的天气现象出现在-3～3℃。

2.1.2 贴地层温度

图2 贴地层温度分布

由图2可以看出，雨雪的中位线分别在10℃和-3℃，而且就20%～80%分位的范围而言,雨集中在6～15℃，雪集中在-7～1℃，它们没有交叉区间。当温度＞5℃时，雨发生的概率可达85%，当温度＜1℃时，雪发生的概率可达90%，此状态占有降雪的93%，可以较好地预测有雨或雪现象，可作为区分雨、雪是否出现的阈值，而发生降水相态改变的温度在统计上介于降雨和降雪之间,而在1℃和5℃之间降水相态变化的天气现象概率达到了43%。从贴地层温度可以较好的判别雨、雪2种天气现象，但从该层的温度上较好判别相态是否发生变化还是有一定难度。

2.2 特征层-5℃高度与降水相态的相关性分析

图3 -5℃高度分布图

张琳娜[7]在对北京地区进行雨雪判别时发现，－5℃高度对无法判别雨夹雪、雪和雨3种降水相态，因为剔除了-5℃高度作为降水相态的判别指标，而在本文中，大约有82%的雨-5℃高度集中在2700位势米以上，而雪76%集中在1800位势米以下，而且当-5℃高度≤1800位势米时，出现降雪的概率高达96%，而当-5℃高度≥2700位势米时，出现降雨的概率达70%，-5℃高度对雨雪降水相态的指示意义大，其次雪和雨转雪的20%～80%分位的交叉范围极小，可以对雪和雨转雪较好的区分，但雨转雪和雨在20%～80%的重合比例仍占了雨整体的37%，区分效果并不理想。

3 乌鲁木齐市降水相态预报方法研究

从上述分析中可以看出, 850hpa温度，贴地层温度， -5℃高度，均对降水相态预报有一定的指示作用，因此将3个参数综合建立方程计算降水相态的概率指数，通过对每个物理量中对应的降水相态的统计特征分布研究，依照其分布特征，将每个物理量在相应的阈值分布范围内每种相态的得分设定如下：当物理量在不同的阈值区间内，3种相态获得不同的分数（表1）。

表1 3个物理量在不同相态和阈值区间的系数分布

当指标属于哪个区间范围内，那个区间的x值取1，否则为0，而权重系数如上图所示，从而得到单个指标的相应得分，以850hpa温度为例，此时温度为-3℃，介于[-4,2]之间，此时，这个值为1，雨的得分为Y=0×0+0×0+0.2×1+0.6×0+1×0=0.2，而雪的得分为：Y=0×0+0.4×0+0.6×1+0.4×0+0×0=0.6，而雨转雪的得分则为0.2，从而从850hpa单一指标上分析此时降水相态为雪，而为了得到3个指标的综合判断则Y=Y850+Y贴地+Y-5。从而得到Y雨，Y雨转雪,Y雪，三者谁的得分较高，则判断降水相态的归属。

表2 3个物理量及综合指标对3种相态的判别检验结果

从上述分析可以看出，3个单一指标参数对雨、雪区分度都能达到接近80%以上的正确率，但是对雨转雪来说，只有850hpa温度能有较好的指示作用，而将这3个因子综合一起考察时，预报的准确率均有较好的表现。特别对雨转雪来说，对比单一指标分析，均有所提升这在以后的预报都将有较好的应用。

4 结论

对近14a乌鲁木齐地区雨雪转换过度季节的降水过程和临界值的降水分析，得到与雨雪转换关系密切的 3种物理量：T850、T贴地、-5℃高度。

通过研究这3个物理量与3种相态的关系，得到该3个物理量在3种相态中的特征：对于 T850，雨和雪转换的分界点是0℃ ，转雪的范围是[-4℃，2℃]；对于T贴地，雨和雪转换的分界点是3℃ ，转雪的范围是[1℃，5℃]；-5℃高度，雨和雪转换的分界点是2250位势米，转雪的范围是[1800位势米，2700 m位势米]。

通过定量细化上述3个物理量在3种相态中的特征，3个单一指标参数对雨、雪区分度都能达到接近80%以上的正确率，但是对雨转雪来说，只有850hpa温度能有较好的指示作用，将上述3个指标进行综合判定后，发现综合判据对于乌鲁木齐地区3种降水相态的预报准确率达到了73%，说明这3组的判据设定，基本可以满足乌鲁木齐地区降水相态的判断。