粤北隆冬冷空气诱发的暴雨和雨雪相态转变过程分析

陈梓浩，邓福兴，叶树春，孔树剑

（1.云浮市气象局，广东云浮 527300；2.连山壮族瑶族自治县气象局，广东连山 513200）

寒潮是一种强的冷空气，往往能带来大风、降温、低温、霜冻、冰冻等灾害性天气，也会导致暴雨或雨雪相态的转变［1］。广东寒潮中发生暴雨和雨雪相态转变的天气比较罕见，预报难度非常大，对此许多气象工作人员总结了广东冬季暴雨的特征。邓文剑等［2］指出500 hPa呈现“北脊南槽”的和高原南侧深厚的南支槽的环流形势，北方冷空气和热带暖湿空气在广东上空持续交汇和局地经向环流异常，有利于降雨的发生。位势不稳定不是冬季暴雨发生的必要条件，锋生及次级环流是冬季暴雨发生发展的触发机制［3］。冬季副高偏强、地面有弱冷锋、高空低槽的形势有利于冬季暴雨的发生，另外“逆风区”和整层的西南风不断加大有利于暴雨的维持。也有很多工作者从气候学或者统计学上找到依据［4－6］。在寒潮过程中，降雨发生的时候往往伴有雨雪相态的转变。吴乃庚等［7］、张录青等［8］均对2008年初广东罕见低温雨雪冰冻天气进行了研究，发现此过程是在“拉尼娜”事件背景下发生的，与欧亚地区持续大气环流异常密切相关。也有研究人员从温度因子来研究雨雪相态转变的指标［9－12］。

2018年1月8日，在冷空气背景下粤北地区发生了暴雨和降水相态的转变，本研究利用常规大气探测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和清远市连州市双偏振雷达资料对2018年1月8日粤北暴雨和雨转雨夹雪天气过程进行综合分析，希望为粤北冬季暴雨和降水相态转变的预报、预警提供一些有效指标，为雨雪冰冻灾害提供科学的防御依据。

1 过程概况

2018年1月8日，粤北北部（韶关、清远北部）出现了暴雨到大暴雨、雨转雨夹雪和强降温。7日下午，雨开始出现，7日夜间雨势加大。最大小时雨强在7～16 mm，出现在8日03：00—05：00（北京时，下同）。随着冷空气不断入侵影响，地面气温下降，8日凌晨05：00，粤北偏北地区由雨转为雨夹雪或雪，北部地面气温降至0℃以下。根据统计，7日20：00到8日20：00清远和韶关北部市县出现暴雨到大暴雨的降水，且连州、连南、连山、阳山、乐昌、乳源、仁化的高寒山区出现了雨夹雪、雪和道路结冰，局部地区还出现了冻雨。

2 形势分析

对该次过程的环流形势分析发现，在500 hPa上，1月4—6日，欧亚中高纬地区两个低压稳定维持，横槽在新疆地区稳定少动；6日20：00—7日08：00，欧洲西部低压西退，高压脊转南北向并且加深发展；7日20：00，200 hPa上粤北处于西北偏西和西南偏西风形成的风向辐散区，风速达到急流（30 m／s以上），有利于抽吸和上升运动的维持；500 hPa，新疆地区的横槽转竖，槽后冷平流引导冷空气加速南下，副热带高压（简称副高）强而稳定，副高脊线在15°N附近，南支槽东移，槽前西南气流增大，华南上空西南风风速在28～40 m／s。700 hPa有西南急流，急流核风速达28 m／s以上，急流核在广东、广西和湖南3省交界处，粤北处于急流轴右侧。850 hPa切变线位于江南和华南交界处，粤北西南气流达到16～18 m／s，风速较7日08：00有一个增大过程。925 hPa切变线维持在粤北地区，粤北北部山区维持东北气流。850～500 hPa的西南急流与925 hPa的东北气流叠加在一起，加强了上升运动和垂直风切变。这种偏南暖湿气流在925 hPa以下冷垫上相对爬升导致的降水属稳定性降水，雨强明显小于从地面抬升的对流性降水，但持续时间长，累加量达到了暴雨级别（50 mm以上），同时也为降雪的发生与维持提供了有利条件。地面在蒙古西北部维持冷高压中心，且不断加强，华南地区等压线密集，气压在1 020～1 022.5 hPa。随着冷空气不断南下，8日02：00冷锋已经在粤西北一带，锋面过境后，地面降温，造成粤北雨雪相态转变。

3 物理量诊断分析

3.1 动力条件

利用NCEP 1°×1°再分析资料作25.0°N，111.0°E—116.0°E的散度和涡度剖面图（图1），粤北地区处于112.0°E—114.5°E之间。暴雨和雨雪相态转变期间，低层均为负散度的辐合区，随着时间的推移，负散度辐合区在中低层形成一个辐合中心，8日08：00发展到顶峰。7日20：00，整个粤北地区在550 hPa以下均为负散度区，但没有形成辐合中心；8日02：00，在112.0°E附近（即连州附近）形成了850～700 hPa之间的辐合中心，近地层为正散度中心，这是由于冷高压稳定区域，400～300 hPa为正散度区，加强高层辐散；8日08：00，分析图1可知，600 hPa以下为强的辐合区，850～700 hPa之间辐合中心显著加强，达－8×10－5s－1，600 hPa以上为正散度区，在500 hPa附近形成一个强的正散度中心，最强达10×10－5s－1；随后辐合强度减弱，降水也减弱。

涡度趋势和散度趋势基本一致，8日08：00，低层正涡度、中高层负涡度、低层正涡度中心比负散度中心略偏西。8日02：00—08：00，中高层辐散、低层辐合；低层正涡度，中高层负涡度的结构存在，加强Eman抽吸作用，引起强烈的上升运动，为暴雨的形成和维持提供了动力条件。另外，辐散中心的高度比较低，没有到对流层顶，也使得小时雨强不大。

图1 2018年1月8日08：00沿25°N的散度（实线）和涡度（虚线）剖面图（单位：10－5 s－1）

3.2 大气垂直温湿度

大气垂直温度变化直接影响降水相态类型。由于郴州站距离粤北山区较清远站近，故选用郴州站大气层结探测资料来分析该次过程雨雪相态转变的原因，从7日20：00到8日08：00，郴州有降雪发生。该次过程郴州站露点温度差都比较小，湿层深厚，说明水汽含量充足，有利于降水的发生和维持。从7日20：00的郴州t－log p图（图2）可以看出，925 hPa为东北风，925 hPa以上均为偏南到西南急流，说明整层的垂直风切变大，水汽输送旺盛。近地面为冷垫，地面温度约1℃，925 hPa气温＜－2℃，925～850 hPa附近有明显的锋面逆温层。871～622 hPa温度＞0℃，上层的冰粒子或雪进入此层后逐渐融化为雨滴，近地面到871 hPa的温度＜0℃，使得上层的雨进入该层后有一个凝结的过程，但是由于近地面温度＜0℃层厚度薄，部分雨滴没有凝结成雪，下落到地面形成雨夹雪，地面温度为0.8℃，这也使一部分雪可能融化为雨、湿雪或者冻雨。到8日08：00 850 hPa以下转为偏北风，低层冷垫温度更低更厚，粤北山区地面温度－2℃；700 hPa附近干层范围有所减小，整层空气变的越来越湿，锋面逆温层更加明显深厚，地面温度为0℃，从逆温层以下气温均为＜0℃，在粤北部分山区地面温度已经低于0℃，所以这些山区此时下雪，而往南一些的地区，气温在0～3℃，由于近地面到地面这个融化层距离很短，大多数冰粒子未来得及融化成雨，所以这些地区就形成雨夹雪。该次过程从清远探空站分析发现，0℃层较高，地面到600 hPa气温均＞0℃，所以在粤北山区往南的地区只能形成雨。

图2 2018年1月7日20：00郴州t－log p图

4 双偏振天气雷达分析

4.1 雷达回波强度和径向速度特征

分析连州雷达站的组合反射率（图略）可知，7日中午起就有降雨云团移入影响，但7日的降雨云系发展强度不强，8日02：00—03：00又有云团移入粤北并加强发展，范围广。分析基本反射率（图略）发现，粤北西北部新生的对流单体回波强度在03：00达到50 dBz以上。02：00在1.5°和2.4°仰角的径向速度图均出现环形的零径向速度线，雷达站西面和南面出现辐合区，另外低层以上均为西南风，并且在中层出现了速度模糊，说明西南风风速大，中层以上达到了急流，有利于降雨的发生发展；超低空出现小“牛眼”（径向速度对），超低空偏北急流形成，风速均达到了－15 m／s。暴雨发生前，西南暖湿气流强盛，超低空偏北急流和西南急流的叠加作用，大大增强了垂直风切变，从而强化了水汽输送和动力条件。

8日03：00—05：00，在切变线的作用下，强回波不断在粤北聚集，回波强度一直维持在45～55 dBz。03：00，在1.5°和2.4°仰角的零径向速度线（图略）均有低层呈反“S”型、中层略呈“S”型的现象，表明低层有冷平流侵入，中层略有暖平流，高层没有平流或者平流很弱，低层以上均有强盛的西南风，近地层和地面均为较强的偏北风；另外2.4°仰角的径向速度图上有“牛眼”，中层出现速度中心，最大风速已经超过－27 m／s，有西南急流的存在。1.5°和2.4°仰角的零径向速度线在雷达站东南方有明显折角，表明切变线已南压至雷达站东南方20 km左右。03：30（图3a），雷达站西北方向32 km处2 km上空径向速度开始增大，并且雷达站东北方向上径向速度没有明显增加，证明了粤北北部山区有明显的辐合，并且西南风开始加大，有利于强降水的发展和维持。04：24（图3b），超低空和低层出现了“牛眼”，低层的“牛眼”大概在2 km附近，并且出现了速度模糊，风速较之前大大增加，西南低空急流加强。

图3 2018年1月8日03：30（a）和04：24（b）2.4°仰角径向速度（单位：m／s）

4.2 双偏振多普勒天气雷达参量识别

协相关系数ρHV（CC）值能对融化层亮带进行很好的识别。在整个过程发生时（图略），ρHV的融化层亮带均在PPI上面有显示，较其他产品更灵敏和更容易识别融化层。在暴雨和雨雪相态转换期间，雷达站周围均有低ρHV值环—融化层亮带，与郴州探空资料的0℃层位置对应较好，低ρHV值环和0℃层处于3 km左右。从融化层亮带位置可以看出，04：30（图4）2.4°仰角的融化层亮带更靠近雷达站，表明受冷平流影响，低层气温下降。低ρHV值环位置上，高仰角的ZDR也呈现出由高值区组成的环形带，表明在环形带所处位置有较多的相态混合粒子。雷达站周边也出现了较为明显的低ρHV值区，此处的低ρHV值处于2 km左右高度的上空，与郴州探空的凝结层对应，说明此处也有粒子相态的转变，造成了雨雪相态有一个转变的过程。

图4 2018年1月8日04：30 2.4°仰角ρHV图

分析粒子相态分类产品（HCL）可知，04：30（图5）近地面为小雨和湿雪共存，这与实况有较好的对应关系。从不同仰角观察04：30 HCL图，可以看出，由近地面随着高度的增大，依次出现湿雪、小雨、湿雪、冰晶、干雪，这与当时的环境条件相符，表明高层降水形态为雪，在降落过程中经过融化层融化，落入近地面后又重新冻结形成雨夹雪或者雪。HCL不能识别雨夹雪，雷达站周边HCL为小雨，但此时雷达站已经下起雨夹雪。

图5 2018年1月8日04：30 2.4°仰角HCL图

5 结论

1）横槽转竖，引导冷空气南下，中低层有明显的逆温层，近地面层温度＜0℃，地面温度＜1℃，粤北部分地区地面气温降至0℃以下，这是雨雪相态复杂转变的主要原因。

2）超低空偏北急流和西南急流的叠加作用，增强了垂直风切变，从而强化了水汽输送和动力条件；西南低空急流有一个加强过程，是导致该次暴雨的主要因素。偏南暖湿气流在冷的下垫面上爬升决定了该次暴雨过程小时雨强不强。

3）中高层辐射、低层辐合；低层正涡度，中高层负涡度的结构存在，加强Ekman抽吸作用，引起强烈的上升运动，为暴雨的形成和维持提供了动力条件。

4）ρHV协相关系数可识别融化层，能抓住融化层的快速变化。粒子相态的转变时，ρHV值降低。粒子相态分类产品（HCL）能快速呈现降水粒子的相态变化，但对于雨夹雪不能很好的识别。