新疆北部降水相态的识别判据研究

祝小梅，白 婷，齐元元

（伊犁州气象局，新疆 伊宁835000）

降水相态转换是秋冬、冬春季转换季节常出现的影响农牧业生产的关键转折天气，特别是春季的寒潮天气，强降温造成的雨转雪的天气对新疆造成很重的灾害，而且什么时候雨转雪也给预报员带来一定的难度，例如，2014年4月22—23日北疆地区出现了雨转雪天气，对伊犁地区造成经济损失达354.48万元，乌鲁木齐农业直接经济损失共计1055万元。2013年3月31日夜间至4月2日白天，伊犁地区霍尔果斯县出现雨转雪天气过程，过程降水量为16.0 mm，最低气温已降至-0.5℃，地面积雪4 cm。此次强冷空气天气过程，造成霍尔果斯县农业、林果业很大损失，特别是正在开花期的约7000 hm2树上干杏损失严重。随着社会发展，工农业生产需求不断增加，对降水相态变化在关键时节对生产生活影响也越来越关注。近年来，针对降水相态变换的天气许多学者也开展了一些研究，如：李江波等[1]对河北地区降水相态转变的研究发现，当0℃层高度低于950 hPa、地面气温在0℃上下、1000 hPa温度低于2℃、925 hPa温度低于-2℃时，降水性质将从雨向雨夹雪或雪转变。孙燕等[2]对江苏冬季降水相态研究指出厚度分析能被用来识别降水相态（雨、雪），1000～500 hPa厚度阈值1292 gpm可以作为江苏冬季区分雨、雪的一个重要参考指标。同时结合地面温度和850 hPa温度可以较准确地判定降水的相态，即1000～850 hPa厚度≤1292 gpm，且T850≤-3℃，T≤2℃时，判定为雪；反之，则为雨。尤凤春等[3]使用与降水个例对应时次的地面及高空常规观测数据，统计分析各层常用气象要素在各降水相态判别中的作用，并找出主要影响因子及降水相态判别指标，应用多元回归方法，建立了北京降水相态统计预报方程。段云霞等[4]将影响沈阳地区的天气形势分为冷高前部、蒙古气旋、华北—河套气旋和倒槽—江淮气旋型，基于不同高度上的温度和气压层间的位势厚度，建立沈阳不同天气形势降水相态预报的指标。郑丽娜等[5]利用2000—2013年冬季回流形势36次降水个例的高空、地面观测资料及济南、青岛的降水资料，研究了山东回流形势的环流特征，并按中间暖层和低层冷层的厚度进行了分型。在分型的基础上，探讨了不同形势下温度、厚度的垂直变化特征，获得了不同降水相态下的温度和厚度预报指标。还有许多气象工作者[6]-[16]对降水相态进行研究，并建立不同区域的降水相态的判别依据。而目前在新疆只有对初雪天气的一些研究，如白惠星等[17]对2000年北疆地区初雪天气进行分析，指出高空横槽转竖过程中，所携带的强烈冷平流造成了雨转雪天气的发生。降水时温度的迅速下降并维持较低是产生雨转雪天气的基本条件。而对降水相态转变此类天气新疆地区还没有人系统地研究过。通过本课题的研究，期望为北疆地区此类天气预报提供一定的预报依据，并为当地的防灾、减灾、为农服务提供一定的指导和依据。

1 资料选取

选取新疆北部4个站，伊宁市、乌鲁木齐、阿勒泰、塔城（对应的海拔高度分别为663.4、935.9、737.7、536.6 m）2005—2014年 3—4月和 10—11 月日每日2次探空资料和地面观测资料，为了保证所选个例都为雨雪转换临界值的个例，选取标准：（1）每年3—4月和10—11月出现的雨、雪过程（排除雨夹雪的天气现象）；（2）每年3—4月和10—11月出现的纯降雪及纯降雨过程，通过对临界值的特征及其范围的确定，统计出不同相态出现时各物理量的范围，从而得到相态转变的判据。

通过统计，伊宁降雨日277 d、降雪日为174 d；乌鲁木齐降雨日126 d、降雪日为266 d；塔城降雨日243 d、降雪日为247 d；阿勒泰降雨日为157 d、降雪日为248 d。

2 识别判据的统计特征

在静力学原理中，两层等压面之间的厚度与此两层之间的平均温度成正比。即某层的厚度是与这层的平均温度成一定比例，两层之间厚度越大，该两层间的平均温度就高，即厚度能够体现对流层中层的平均温度状况。在实际的探空中，得到的温度只是某点标准层和特性层的温度，而且往往有逆温的存在，逆温的存在直接导致了特征层温度的变化，在相态判断中出现失误。使用厚度作为降水相态识别判据，通过比较这些厚度可得出降水类型的阈值以提供有价值的不同相态降水的信息，从而弥补发生逆温时使用特征层温度而发生的误差。

本文利用厚度值H500-850（500 hPa与850 hPa之间的高度差，下同）、H700-850、H850-925、H700-925及不同等压面的温度 T500、T700、T850、T925（高空观测一天 2 次），建立北疆4个站点（伊宁、乌鲁木齐、塔城、阿勒泰）雨、雪天气过程的判别依据。由于925 hPa的高度一般在750 m左右，而乌鲁木齐及阿勒泰的海拔高度分别为935.9、737.7 m，所以乌鲁木齐及阿勒泰厚度指标用的是H700-850、H500-850，温度指标用的是T850、T700、T500。

2.1 伊宁高空各层气温与相态的统计特征

图1是伊宁两种降水相态对应的T925、T850和T700的箱线图，粗柱分别代表25%分位和75%分位。从图1可以看出，925 hPa雨和雪的中位数（50%分位）分别为4℃和1℃，雨和雪的25%～75%分位有交叉，既当T925＜1℃以降雪为主，在1～4℃之间有可能是降雨、也有可能是降雪，但当T925＜2.5℃时，降雪的概率比较大。因此925 hPa温度为2.5℃可作为降雨和降雪的分界。850 hPa雨和雪温度的中位数分别为2℃和-2.5℃。雨和雪的25%～75%分位几乎没有交叉，所以，850 hPa温度为-2.5℃可作为降雨和降雪的分界。700 hPa两种相态的温度箱线图交叉非常大，首先，两种相态的分布交叉范围极大；其次，两种相态的25%～75%分位的范围也明显大于其他层次的分布范围。鉴于此700 hPa温度对两种降水相态的指示意义不大，可剔除700 hPa温度作为降水相态判别的指标。

图1 伊宁两种降水相态对应的温度箱线

2.2 伊宁厚度与降水相态的统计特征分布

从两种降水相态对应的厚度箱线图（图2a）中可看出，雨、雪两种相态的H700-925中分位分别在2230 m和2220 m。降雨的25%分位在2 217.5 m以上，而降雪的75%在2220 m以下，雨和雪的25%～75%分位没有交叉。所以，使用2220 m作为雨雪的简单分界是可行的。从图2b中可看出，雨雪两种相态的H850-925中分位分别在687.5 m和675 m。降雨的25%分位在680 m以上，而降雪的75%在680 m以下，雨和雪的25%～75%分位也没有交叉。故使用680 m作为雨雪的简单分界也是可行的。

图2 伊宁两种降水相态对应的厚度箱线

2.3 塔城高空各层气温与相态的统计特征

图3是塔城两种降水相态对应的T925、T850和T700的箱线图，粗柱分别代表25%分位和75%分位。从图3中可以看出，925 hPa雨和雪的中位数（50%分位）分别为3.5℃和0℃，雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既当T925＜0℃以降雪为主，在0℃～3.5℃之间有可能是降雨、也有可能是降雪，只有当T925＜1.8℃时，降雪的概率比较大。因此，925 hPa温度为1.8℃可作为降雨和降雪的分界。850 hPa雨和雪的中位数分别为0.5℃和-3.5℃。雨和雪的25%～75%分位也有部分交叉，既当T850＜-3.5℃以降雪为主，在-3.5～0℃有可能是降雨、也有可能是降雪。只有当T850＜-1.5℃时，降雪的概率比较大，所以850 hPa的温度为-1.5℃可作为降雨和降雪的分界。700 hPa两种相态的温度箱线图交叉非常大，首先，两种相态的分布交叉范围极大；其次，两种相态的25%～75%分位的范围也明显大于其他层次的分布范围。鉴于此700 hPa温度对两种降水相态的指示意义不大，可剔除700 hPa温度作为降水相态判别的指标。

图3 塔城伊宁两种降水相态对应的温度箱线

2.4 塔城厚度与降水相态的统计特征分布

从两种降水相态对应的厚度箱线图（图4a）中可看出，雨、雪两种相态的中分位分别在2220 m和2195 m。雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既当H700-925＜2195 m时以降雪为主，在2195～2220 m之间有可能是降雨、也有可能是降雪。只有当H700-925＞2 207.5 m时，出现降雨天气；而降雪时，H700-925＜2 207.5 m。所以，使用2 207.5 m作为雨雪的简单分界是可行的。从图4b中可看出，雨雪两种相态的中分位分别在680 m和670 m。同样雨和雪的25%～75%分位也有部分交叉，只有当H850-925＞675 m时，降雨概率较大；而H850-925＜675 m时，降雪概率较大。

图4 塔城两种降水相态对应的厚度箱线

2.5 阿勒泰高空各层气温与相态的统计特征

图5是阿勒泰两种降水相态对应的T850、T700和T500的箱线图，粗柱分别代表25%分位和75%分位。从图5中可以看出，850 hPa雨和雪的中位数（50%分位）分别为2.5℃和-2℃，雨和雪的25%～75%分位几乎没有交叉，所以-2℃可作为降雨和降雪的分界指标，所以，当T850＞-2℃ 时，出现降雨的概率比较大，反之，降雪的概率比较大。700 hPa雨和雪的中位数分别为-6℃和-11℃，雨和雪的25%～75%分位也几乎没有交叉，当T700＞-8.5℃时，出现降雨的概率比较大，可以作为降雨的下限分界值；只有当T700＜-8.5℃时，降雪的概率比较大。因此，700 hPa的温度为-8.5℃可作为雨雪分界指标。500 hPa雨和雪的中位数分别为-23.5℃和-27℃，雨和雪的25%～75%分位有部分交叉，既当T925＜-27℃以降雪为主，在-27～-23.5℃有可能是降雨、也有可能是降雪。只有当T500＜-25.3℃时，降雪的概率比较大，因此500 hPa的温度为-25.3℃可作为雨雪分界指标。

2.6 阿勒泰厚度与降水相态的统计特征分布

从两种降水相态对应的厚度箱线图（图6a）中可看出，雨、雪两种相态的H500-850中分位分别在4085 m和4020 m。降雨的25%分位在4064 m以上，而降雪的75%在4 052.5 m以下，雨和雪的25%～75%分位没有交叉。所以，使用4052.5 m作为雨雪的简单分界是可行的。从图6b中可看出，雨雪两种相态的H700-850中分位分别在1540 m和1520 m。降雨的25%分位在1530 m以上，而降雪的75%在1522 m以下，雨和雪的25%～75%分位没有交叉。因此可将1522 m作为雨雪分界的指标。

图5 阿勒泰两种降水相态对应的温度箱线

图6 阿勒泰两种降水相态对应的厚度箱线

2.7 乌鲁木齐高空各层气温与相态的统计特征

图7是乌鲁木齐两种降水相态对应的T850、T700和T500的箱线图，粗柱分别代表25%分位和75%分位。从图7中可以看出，850 hPa雨和雪的中位数（50%分位）分别为0℃和-3.5℃，850 hPa温度为-1.75℃时可作为降雨和降雪的分界指标。所以，当T850＞-1.75℃ 时，出现降雨的概率比较大，反之，降雪的概率比较大。700 hPa雨和雪的中位数分别为-6.5℃和-12℃。当T700＞-9.3℃时，出现降雨的概率比较大，反之，降雪的概率比较大。因此，700 hPa的温度为-9.3℃时可作为雨雪分界指标。500 hPa雨和雪的温度中位数分别为-20℃和-23℃。两种相态的分布交叉范围太大。鉴于此，500 hPa温度对两降水相态的指示意义不大，可剔除500 hPa温度作为降水相态判别的指标。

2.8 乌鲁木齐厚度与降水相态的统计特征分布

从两种降水相态对应的厚度箱线（图8a）中可看出，雨、雪两种相态的H500-850中分位分别在4100 m和4035 m。降雨的25%分位在4080 m以上，而降雪的75%在4 067.5 m以下，雨和雪的25%～75%分位没有交叉。H500-850＞4 067.5 m，降雨的概率大些；而降雪时，H500-850则大多＜4 067.5 m。所以，使用4 067.5 m作为雨雪的简单分界是可行的。从图8b中可看出，雨雪两种相态的H700-850中分位分别在1530 m和1510 m。降雨的25%分位在1 521.5 m以上，而降雪的75%在1520 m以下，雨和雪的25%～75%分位几乎没有交叉。当H700-850＞1520 m时，降雨概率较大；而H700-850＜1520 m时，降雪概率较大。所以，可以使用1520 m作为雨雪的简单分界是可行的。

图7 乌鲁木齐两种降水相态对应的温度箱线

图8 乌鲁木齐两种降水相态对应的厚度箱线

3 检验

用上述判别指标对伊宁站、乌鲁木齐站2015年3—4月、10—11月的10次降雨、降雪天气进行检验，由表1可知，T925判别指标对10次天气过程检验时，只有2015年11月14日其925 hPa温度为1.8℃，低于了2.5℃这个临界判别值，但出现了降雨天气，而2015年11月20日H850-925为680 m时出现了降雨天气。10次天气过程准确判别出8次天气过程的降水相态，准确率达到80%，从表2可知，乌鲁木齐的判别指标对于6次降水过程的降水相态判别都正确，因此所得出的判别指标对今后提高降水相态预报准确率均有一定的参考价值。

4 结论

（1）通过统计新疆北部2005—2014年3—4月、10—11月年发生雨夹雪天气的气候资料，得到北疆降雨、降雪日，伊宁降雨日277 d、降雪日为174 d；乌鲁木齐降雨日126 d、降雪日为266 d；塔城降雨日243 d、降雪日为247 d；阿勒泰降雨日为157 d、降雪日为248 d。

表1 2015年3—4月、10—11月伊宁站降水过程及检验结果

表2 2015年3—4月、10—11月乌鲁木齐站降水过程及检验结果

（2） 通过研究 T925、T850、T700、T500、H700-925、H850-925、H700-850、H500-850，建立北疆 4个站点（伊宁、乌鲁木齐、塔城、阿勒泰）雨转雪的预报指标，由于925 hPa的高度一般在750 m左右，而乌鲁木齐及阿勒泰的海拔高度分别在935.9 m、737.7 m，所以乌鲁木齐及阿勒泰厚度指标用的是H700-850、H500-850，温度指标用的是 T850、T700、T500。

（3）研究表明伊宁 T925、T850分别为2.5 ℃、-2.5 ℃时，可作为降雨和降雪的分界；塔城站点T925为1.8℃时可作为降雨和降雪的分界，T850为-1.5℃时可作为雨雪分界指标；伊宁、塔城两站700 hPa温度对降水相态的指示意义不大；阿勒泰T850、T700、T500分别为-2、-8.5、-25.3℃时，可作为雨雪分界指标；乌鲁木齐 T850、T700分别为-1.75、-9.3 ℃时，可作为雨雪分界，500 hPa温度对降水相态的指示意义不大。

（4）厚度研究表明，伊宁 H700-925、H850-925分别为2220、680 m时，可作为雨雪的简单分界；塔城H700-925、H850-925分别为 2 207.5、675 m 时，可作为雨雪的简单分界；阿勒泰 H700-850、H500-850分别为 1522、4 052.5 m时，可作为雨雪的简单分界；乌鲁木齐H700-850、H500-850分别为 1520、4 067.5 m 时，可作为雨雪的简单分界。

（5）通过对2015年3—4月、10—11月伊宁站、乌鲁木齐站的降水过程的降水相态检验可知，所得出的判别指标对于新疆北部的降水相态的预报有一定的参考价值。