秦皇岛一次降雪天气过程分析及双极化雷达应用

张晨宇 毛智政 燕成玉 刘冰玉 赵彦琴

关键词降雪;动力条件;水汽条件;双偏振雷达

降雪是华北地区冬季常见的天气之一，冬季大范围强降雪极易对交通、电力及人们生活造成影响。因此，降雪预报准确率对北方地区冬季防灾减灾具有重要意义，冬季降雪相态的预报也一直是短期预报的重点难点。田秀霞等对华北南部一次暴雪过程进行动力诊断分析，得出高空槽和地面回流是该过程的影响系统，东北干冷气流、东南暖湿气流和西南暖湿气流是此次过程的水汽来源。顾佳佳等分析了2014年河南一次暴雪过程的三维空间结构特征，发现低层东北干冷空气楔入暖湿气流内，一方面在近地层形成冷垫，另一方面促使暖湿空气抬升，为暴雪提供有力动力条件。李江波等通过分析一次强冷空气过程，指出地面温度在0cc左右和1003hPa温度在2℃以下，925 hPa温度低于-2℃为华北地区雨雪转换判据。也有部分学者利用双极化雷达进行冬季降水相态判别研究。

2020年2月14日秦皇岛出现了一次大范围降雪过程，但因为前期对主要降雪时段和相态判断有误，与实况出现了较大误差，降雪当天对全市交通、电力各方面造成较大影响。根据2020年2月14-15日欧洲数值预报中心（ECHwF）细网格资料、常规地面及探空资料、秦皇岛市区域站、国家气象站观测资料，从环流形势、水汽条件、动力条件等方面对本次降雪过程误差原因进行分析，并结合双极化雷达资料对降雪实况相态进行判别研究。

1灾害天气实况分析

受西北路冷空气影响，2020年2月13日开始，河北省自西向东出现降雪天气。秦皇岛降雪从14日13：00开始，青龙中雪，其他地区大雪，最大降雪量出现在卢龙，为8.5mm，最大小时降雪量出现在14日16：00，卢龙为1.9mm/h;各县区积雪青龙2cm，其他县区5～8cm（图1）。

本次降雪过程，秦皇岛市气象台预报为13日-14日雨夹雪转小到中雪过程，实况中13日未出现降水，且14日全市普降中到大雪，预报与实况相比出现较大误差。

2环流形势分析

2020年2月14日08：00，500 hPa（图2a）东亚中高纬呈一槽一脊形势，在蒙古地区有一切断低涡，冷中心可达360c，冷空气南下影响华北地区，下游有一定阻挡形势，系统影响时间较长。700hPa（图2b）在河套北部有低涡存在，涡前正涡度平流使涡前移，系统加强，14日08：00 700 hPa发展出闭合环流。13日850 hPa和925 hPa上存在切变线（图2c），14日发展为闭合环流，西南急流提供水汽与高空槽相配合影响产生此次降水。地面形势上（图2d），上游蒙古地区有强冷高压，中心数值可达1070hPa，河北受高压前部地面倒槽影响。14日秦皇岛地区为东北风，起到冷垫和水汽输送的作用，且有地面辐合线存在。总体来说，高空槽配合中低层切变线、闭合环流以及地面倒槽，动力条件有利于降雪天出现。同时，河北省存在湿区，850 hPa、925 hPa西南急流和地面偏东风的水汽输送，为降雪提供了有利的水汽条件。

3物理量场分析

3.1水汽条件

从水汽通量散度剖面图上（图3a）可以看到，13日08：00水汽通量散度由正转负，说明水汽通道开始逐步打开，由低层西南风输送南方的水汽，底层东北风将渤海海面的水汽输送至秦皇岛。至20：00达到负值最大，说明13日夜间到14日白天水汽条件均有利于降雪发生。沿经度做水汽通量散度剖面（图3b），可以看到从北部到东部沿海水汽通量散度呈现负值并逐渐加大，水汽输送加强，说明沿海地区水汽条件要比北部好，因此，北部青龙县降雪量偏小。

3.2动力条件

秦皇岛市气象台预报主要降雪时段为13日夜间到14日，而实况从14日中午开始全市才陆续出现降雪，出现较严重的误差。

分析涡度剖面图（图4a）可知，13日中高层为负涡度，中心位于400 hPa，低层为正涡度但数值很小;到14日负涡度中心上升300 hPa，同时，低层正涡度显著加强，中心高度升高至850 hPa。說明14日比13日系统厚度增加，发展更为旺盛。散度剖面图（图4b）中，13-14日低层负散度为辐合，高层正散度为辐散，但14日700～500 hPa的辐散更强，同样说明系统垂直发展旺盛。同时，实况中700 hPa系统移动较慢，14日白天700 hPa切变线才东移至我省，与高低层系统形成配合，动力条件最佳。

查看13-14日秦皇岛区域站10 m风观测资料，发现13日全市地面风力较弱，为1～2m/s（图5a），而14日地面风力最大可达12～14m/s（图5b），在沿海的秦皇岛、抚宁、昌黎一带形成较强辐合。低层强辐合产生上升运动，配合整层更有利的动力条件，进而触发降水，因此，实况降水出现在14日。

3.3热力条件

EC数值预报和14日实况资料显示，14日白天秦皇岛850 hPa气温均在_40c以上。根据河北省预报员手册，河北省雨雪转化指标为850 hPa达到_40c，925 hPa达-2℃。根据指标预报雨夹雪天气，但实际相态为雪，出现误差。

分析秦皇岛站温度剖面图（图6）发现，14日白天低层存在逆温，850～925hPa温度在-4℃甚至0℃以上，不符合河北省降雪指标，但近地层偏东风起到冷垫作用，使925 hPa以下温度迅速下降至-6℃，降幅较大，满足雨一雪转换的条件。且由图可知，14日850 hPa暖平流偏弱，不足以使降雪粒子完全融化为雨。

4双极化雷达图像分析

从雷达基本速度产品看出，降雪初期我市低层和高层分别有急流出现，14：00～15：00 1.5°仰角（图7a、7b）可观察到牛眼结构，18：00低层急流减弱（7c）。低层为东北急流，起到水汽输送和冷垫作用：中高层西南急流也提供较强的水汽输送;同时，垂直方向风切变使系统移动缓慢，降水得以维持较长时间，达到中到大雪量级。

选取降雪最强的15：00～17：003.3deg雷达资料，协相关系数（图8a、8b、8c）可看到距雷达75 km左右处部分区域CC值偏低，为0.97～0.85。根据双极化雷达原理，水凝物相态多样性和形状的多样性会引起相关系数减小，所以CC偏低区域说明有不同相态的粒子共存。但CC低值区呈块状分布而非明显的环状低值带，判断此为低层逆温导致部分降雪粒子相态出现变化，相态混合致使CC图像上出现成片低值区，并非指示融化层高度。而3.3仰角产品在距离75 km处对应高度为4～5 km，与850～925hPa高度接近，与温度剖面中逆温层高度相一致。

差分反射率因子ZDR值基本在0-0.5 dB（图8d、8e、8f），符合降雪粒子ZDR特征，但50-75km处也有部分偏大区域，在1dB左右。分析为低层逆温导致粒子相态产生变化，使ZDR值上升。

粒子分类（HCL）产品同时次降水粒子在3.3deg（图8g）相态的判断主要为干雪和冰晶，0.5deg（图8h）中靠近雷达的位置，即低层相态识别出少量湿雪，高层为干雪，与实况和偏振产品分析结果相符。

5总结

（1）此次过程是由高空冷涡、中低层切变线配合地面倒槽产生的一次降雪过程，降雪量以中到大雪为主。

（2）13日700hPa系统移速较慢，动力条件较差，因此，在水汽条件相当的情况下13日未出现降水，造成空报。沿海地区偏东风辐合拾升作用和对水汽输送的影响，形成地域差异，使青龙地区降水量小于沿海地区。

（3）本次过程中低层有逆温层存在，850 hPa气温高于-4℃，但925 hPa气温迅速下降，最终相态为雪，不同于以往对雨雪转换的认知。在以后相态预报中要考虑到低层逆温强度和近地层降温的影响。

（4）降雪初期雷达速度产品出现了明显的急流特征，对应降雪最强时段，急流带来的强水汽输送和强垂直风切变是降水量增大的主要原因。

（5）双偏振雷达协相关系数（CC）产品指示低层存在粒子相态混合，对低层逆温层的识别起到了较好的辅助作用，ZDR和HCL产品在降水相态观测中也取得了较好的效果。