天津地区冬季降水相态识别判据研究

陈 宏，余文韬，徐 威，杨晓君，孙建元，陈凯华

(1.天津市气象台，天津 300074；2.天津市气象信息中心，天津 300074)

引 言

近几年，随着城市化进程的加快，在秋冬、冬春季节转换时，城市运行对气象预报服务需求不断提升，准确预报降水相态是否转换及相态转换的时间非常关键，降水相态预报对政府应急决策工作和缓解城市交通压力发挥着至关重要的作用。由于同样的降水量对应不同降水相态时造成的影响不同，降水相态预报一直是各地天气预报业务中的重点和难点，因此备受关注。

自20世纪70年代以来，针对降水相态的转换机制和降水相态判据两个方面开展了相关研究。降水相态转换机制的研究是预报的基础，雨、雨夹雪或者雪能否产生，首先取决于云中是否有足够的冰晶或雪花粒子[1]，其次是下落过程中云粒子是否发生变化。如果云中的冰晶和雪花粒子发生融化，并下降至地面为液态则为降雨；如果雪花粒子下降过程中保持固态降至地面，则形成降雪；如果冰晶和雪花粒子发生融化但随后又重新冻结，就会出现雨夹雪，这是因为一层高于冰点的稀薄空气被夹在两层低于冰点的空气之间[2]。因此降水过程中是否发生相态转换与温度层结密切相关，而冷空气入侵造成的对流层中下层、边界层温度和0 ℃层高度降低是导致降水相态发生变化的根本原因[3-9]。 另外，日常预报业务需要客观的技术和指标。国外主要基于1000～850 hPa位势厚度(H1000-850)和850～700 hPa位势厚度(H850-700)来判别降水相态，因为H1000-850与H850-700可以分别代表低层和中层大气的冷暖[10-13]，且此类判别指标被广泛用于模式后处理，进而得到模式的降水相态产品。国内则通过统计特征代表层的温度得到一些降水相态的判别指标[14-16]，如李江波等[15]基于7次雨雪转换过程，总结出河北省雨雪转换的天气学指标，认为当925 hPa温度T925≤-2 ℃且1000 hPa温度T1000≤2 ℃时降水相态为雪的概率较大；许爱华等[16]研究发现925 hPa及其以下低层大气温度是南方降水相态的关键，T1000≤0 ℃和T925≤-2 ℃可作为固态降雪的判据。也有研究结合温度垂直结构统计分析得到降水相态判据[7，17-18]，如董全等[17]通过统计我国125个站不同降水相态与多层温度的对应关系，发现我国北方降水相态对地面2 m和近地层温度敏感度高。在以上研究基础上综合考虑不同层次温度、厚度及其他指标进行的降水相态判别，均取得了较好的应用效果[19-24]，另外结合降水相态的判据，利用多种方法建立的降水相态预报模型在多地实现了业务应用[25-28]。

天津位于华北地区东部，冬季降水相态为雨、雨夹雪和雪，其中在秋冬和冬春季节转换时，有时会发生伴有雨夹雪的降水相态转换，因此这个时段的降水相态预报是业务中的难点和关键点。目前有关天津地区降水相态的研究较少[29]，本地业务中降水相态预报主要依靠预报员经验，难以满足智能网格预报和决策服务的实际需求，因此本文综合考虑湿度、不同等压面厚度等因子，从而得到降水相态转变的判据，以期为天津降水相态预报提供技术支持。

1 资料与方法

利用天津市气象信息中心提供的2000—2015年10月至次年4月国家站逐日天气现象资料，并选取发生雨转雨夹雪、雨夹雪转雪相态转换的个例。基于ERA-Interim再分析资料(0.125°×0.125°)和地面常规气象观测资料，统计不同相态出现时不同高度层的温度、两等压面厚度、湿度和特殊层高度范围及其阈值，从而得到相态转变的判据，并利用3次天气个例(其中2020年采用的是ERA5再分析资料)对判别指标进行验证，最终综合指标建立本地的降水相态判别方程。文中涉及地图的附图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2889的标准地图制作，底图无修改。

2 气候特征

利用2000—2015年10月至次年4月逐日天气现象观测资料，筛选发生雨转雨夹雪再转雪的天气个例进行统计分析，发现共有221站次发生雨转雨夹雪再转雪天气，图1为2000—2015年10月至次年4月天津地区雨转雨夹雪再转雪次数空间分布和发生站次月际变化。可以看出，位于沿海的塘沽站雨转雨夹雪再转雪的次数最多，共有30次，其次为天津中部东丽站、北部山区的蓟州站，均出现22次。天津地区的降水相态二次转换的天气主要发生在11月至次年3月，这是由于在冷暖季节的过渡时期，冷暖空气活动较多，进而影响降水过程的环境条件，导致降水相态发生变化。

图1 2000—2015年10月至次年4月天津地区雨转雨夹雪再转雪天气发生次数(单位：次)空间分布(a)和发生站次月际变化(b)

3 识别判据及效果检验

冬季降水相态的判据主要是将各层大气温度和不同等压面厚度作为本地降水相态的综合判据。本研究在统计含有雨夹雪相态转换时的雨、雨夹雪、雪对应各层的温度和湿度、不同等压面厚度和特殊层高度的基础上，得到天津地区冬季降水相态判别的阈值。

3.1 温度、湿度与降水相态

图2为雨、雨夹雪和雪3种降水相态下不同高度温度箱线图。可以看出，雨、雨夹雪和雪700 hPa温度(T700)主箱体(10%～90%分位数)重合部分较多，当T700为-13～-3 ℃时，难以区分3种降水相态，因此T700对降水相态的判别作用不大。雨、雨夹雪和雪的850 hPa温度(T850)中位数分别为-0.3、-5.1和-6.5 ℃，主箱体范围分别为-1.3～4.7 ℃、-6.5～-0.2 ℃和-11.8～-4.7 ℃，雨和雪T850主箱体没有重合，而雨和雨夹雪，雨夹雪与雪T850主箱体重合范围小于2 ℃，因此，当T850<-1.3 ℃时，雨转雨夹雪的概率较大，T850≤-6.5 ℃时雨夹雪转雪的可能性较大。雨、雨夹雪和雪925 hPa温度(T925)中位数分别为2、-0.3和-5 ℃，主箱体范围分别为-0.3～6.7 ℃、-4.9～-0.2 ℃和-9.8～-0.6 ℃， 雨和雨夹雪T925主箱体几乎没有重合部分，-0.3 ℃可以作为雨转雨夹雪的判据，但雨夹雪和雪的T925主箱体部分重合明显，只有当T925≤-4.9 ℃时，降水相态为雪的概率较大。雨和雪1000 hPa温度(T1000)主箱体部分无重合，因此雨和雪可以有效地区分，可以用1000 hPa的0 ℃作为雨、雪相态的分界线，但是T1000在0～2 ℃和-3～0 ℃时雨夹雪都有可能发生，无法将其与降雨和降雪区分开。除此之外，降水粒子到达地面时的相态与地面温度Ts密不可分，Ts>2 ℃时降水相态以雨为主，Ts<0 ℃时降水相态为雪的概率较大，其他情况降水相态以雨夹雪为主。综上可知，当T850>-1.3 ℃、T925>-0.3 ℃、T1000>0 ℃和Ts>2 ℃时降水相态可判定为雨；T850≤-6.5 ℃、T925≤-4.9 ℃、T1000≤0 ℃和Ts≤0 ℃时可以判定为降雪。

图2 雨、雨夹雪和雪3种降水相态下不同高度温度箱线图

低层相对湿度对降水粒子下降过程中降水相态影响至关重要，因此表1 列出不同高度、不同相对湿度时3种降水相态发生站次。可以看出，当对流层低层和地面的相对湿度RH≥90%时(趋于饱和)，3种降水相态均有可能发生；当低层和地面相对湿度RH<60%时，出现雪的频次较多，而雨和雨夹雪出现频次很少；当1000 hPa和925 hPa RH<70%时，以雪和雨夹雪为主。

表1 不同高度、不同相对湿度3种降水相态发生站次

3.2 厚度与降水相态

根据流体力学静力平衡原理，两等压面之间的厚度与其之间的平均温度呈正比，因此两等压面之间的厚度代表两层大气之间的平均温度状况。由于降水相态的最终状态与低层温度密切相关，因此需重点关注对流层低层不同等压面厚度。图3为不同降水相态H1000-850(1000～850 hPa位势厚度)和H850-700(850～700 hPa位势厚度)箱线图。可以看出，H1000-850可以很好地区分雨和雪，其中降雨时H1000-85010%分位数和降雪时H1000-85090%分位数均为129 dagpm，因此H1000-850>129 dagpm可以判定为降雨，反之判定为降雪，由于雨夹雪和雪的H1000-850主箱体重合较多，利用H1000-850难以区分。雨、雨夹雪和雪的H850-700中位数分别为157、155和151 dagpm，雨和雪的H850-700主箱体范围分别为154～158 dagpm和149～154 dagpm，二者主箱体完全没有重合，H850-700可以有效区分雨和雪，但雨夹雪的H850-700主箱体(152～158 dagpm)与雨的H850-700主箱体分布相似且重合多。综合考虑，H850-700≤154 dagpm可以作为降雪的判断依据，而H1000-850>129 dagpm可以作为降雨的判断依据。

图3 3种降水相态H1000-850(a)和H850-700(b)箱线图

3.3 特殊层高度的统计特征

当利用地面温度和1000 hPa温度判别雨雪相态空间分布时，采用的分界线为0 ℃，即小于0 ℃的区域降水相态判别为雪，大于0 ℃的区域则判定为雨。但是由于0 ℃层高度与固态降水粒子下降至地面过程融合后的状态密切相关。为了进一步研究云冰粒子的融化对降水最终相态的影响，绘制3种降水相态对应的0 ℃层和-4 ℃层位于不同高度的发生站次统计直方图(图4)。可以看出，降雨时，0 ℃层高度主要位于925 hPa以上，只有48站次位于925 hPa以下；雨夹雪时0 ℃层高度主要位于1000 hPa以上，仅有28站次位于1000 hPa以下；而降雪时82.8%的站次0 ℃层高度位于1000 hPa以下。因此，当0 ℃层高度为925 hPa以上时，可以判定为降雨；当0 ℃层高度降至925 hPa以下和1000 hPa以上时，可以判断为雨转雨夹雪；当0 ℃层高度为1000 hPa以下，可以判定为降雪。目前天津冬季降水相态预报日常业务中常用-4 ℃层高度判断是否发生降雪，雨、雨夹雪和雪对应的-4 ℃层高度主要位于700、850和925 hPa。当-4 ℃层高度高于700 hPa时可判断为降雨，若-4 ℃层高度低于925 hPa可判别为降雪，但是当-4 ℃层高度位于850 hPa时3种降水相态发生的样本数相差不明显，因此-4 ℃层高度不利于雨夹雪的判断。

图4 0 ℃层(a)和-4 ℃层(b)位于不同高度时3种降水相态发生站次统计直方图

3.4 判别指标的应用与检验

将上述天津地区降水相态判别的定量指标，与河北[5，14-15]、北京[18]的研究结果(表2)进行比较，可以看出，天津Ts、T1000和H1000-850指标分别与河北和北京一致，而T925、T850和0 ℃层高度指标略低于北京和河北。

表2 京津冀地区冬季降水相态的判别指标

为进一步验证各项物理量指标的可信度，综合应用T850、T925、T1000、Ts、H850-700、H1000-850、0 ℃层高度、-4 ℃层高度和925 hPa以下相对湿度作为降水相态的判据，对2016年11月20—21日(简称“过程1”)、2018年4月4—5日(简称“过程2”)和2020年2月14日(简称“过程3”)3次降水相态发生转换的天气过程进行检验。

过程1受中高纬横槽转竖的大尺度环流影响，天津地区出现中到大雪，2016年11月20日20:00(北京时，下同)降雨开始，21日02:00—08:00全市由北向南转为降雪，21日14:00降雪结束。过程2受黄河气旋、高空槽和冷锋携带冷空气的影响，天津全区发生寒潮或强寒潮天气，随后出现中到大雪过程，降水从2018年4月4日下午开始，其中4日16:00—20:00天津北部蓟州为降雪，东部滨海新区为冰粒，西南部静海为降雨，其余地区为雨； 20:00—23:00天津地区只有静海为降雨，其他地区转为雨夹雪天气；4日23:00至5日05:00除静海以外，全部转为降雪。过程3受华北锢囚锋影响天津地区出现大到暴雪，2020年2月14日07:00—13:00出现降雨，13:00—16:00为雨夹雪，16:00—21:00雨夹雪转雪。

图5为3次天气过程温度和相对湿度的时间-高度剖面。可以看出，过程1降雨期间T1000、T925和T850分别为1、0和-0.7 ℃，低层相对湿度大于90%；降雪期间T1000、T925和T850降至-1.5、-3.2和-4 ℃，低层相对湿度有所增加，甚至达到100%。过程2降雨期间，T1000、T925和T850分别为4、-2和-6.2 ℃；雨夹雪期间，T1000、T925和T850降至0、-4和-6.5 ℃，虽然后期降水相态转为雪，但是各层温度变化不大，只是低层相对湿度增加明显。过程3降雨期间，低层湿度达100%，850 hPa以下各层温度大约为2 ℃；雨夹雪和雪期间湿度略有降低，此时850 hPa以下出现明显逆温，其中雨夹雪期间T1000、T925和T850分别为-4、-4和-1 ℃，降雪期间T1000、T925和T850分别为-6、-6和-3 ℃。3次过程中过程1和过程2的各项温度指标符合上述判据，过程3由于雨转雨夹雪后逆温层的存在，低层温度符合判据，T850略高于判据指标。

图5 3次天气过程温度(黑色等值线，单位：℃)和相对湿度(阴影，单位：%)的时间-高度剖面(红色、蓝色和黑色线段分别表示降雨、雨夹雪和降雪阶段)

进一步研究3次天气过程不同等压面厚度是否满足判据指标，过程1雨转雪期间，H850-700和H1000-850分别降至151.5和129.0 dagpm，符合相态判别的厚度指标；过程2的降雨期间，H850-700为153.5 dagpm，H1000-850为129.7 dagpm，降雨转为雨夹雪时H850-700变化不大，而H1000-850降至129.2 dagpm，雨夹雪进一步转雪后，H1000-850降至128.8 dagpm；在过程3的降雨期间，H850-700为154.5 dagpm，H1000-850为130 dagpm，转为雨夹雪时H850-700降至153.4 dagpm，H1000-850降至128.8 dagpm，转雪后，H850-700和H1000-850分别降至151.5和128.5 dagpm。由此可见H850-700<154 dagpm可以作为降雪的判断依据，而H1000-850>129 dagpm可以作为降雨的判断依据。

表3列出3次天气过程不同降水相态0 ℃层和-4 ℃层高度。可以看出，在过程1的降雨和降雪时段，0 ℃层高度分别位于925 hPa和地面，而当-4 ℃层高度从750 hPa降至850 hPa时降雨转为降雪；在过程2的降雨时段，0 ℃和-4 ℃层高度分别位于925和900 hPa，在雨夹雪和降雪时段两个特殊层的高度无变化，0 ℃和-4 ℃层高度分别位于1000和925 hPa，可见特殊层高度无法准确区分雨夹雪和雪；在过程3的降雨时段，0 ℃层和-4 ℃层高度均在850 hPa以上，雨夹雪和雪的-4 ℃层高度分别位于1000和900 hPa。综上所述，特殊层高度作为判据可以有效识别出降雨，但是难以有效区分雨夹雪和雪。

表3 3次天气过程不同降水相态0 ℃层和-4 ℃层高度统计

3.5 降水相态判别方程的建立与效果评估

通过统计3种降水相态不同高度层温度、湿度和不同等压面厚度和特殊层高度的特征，选取T850、T925、T1000、Ts、H850-700、H1000-850、0 ℃层高度、-4 ℃层高度和925 hPa相对湿度共9个因子建立降水相态判别方程，假设预报量和预报因子之间存在线性关系，建立基于线性权重方法的判别方程[27-28]，形成降水相态预报方程：

(1)

表4 3种降水相态判别因子权重

利用判别方程对2000—2015年的历史个例进行回代检验，将得分最高的yi对应的降水相态判定为最终相态。例如：当Ts符合降雨阈值时，与y1对应的x1为1，此时Ts不符合雨夹雪和雪的阈值，则与y2和y3对应的x1为0，依此类推给出对应的其余8个因子的xk，将其代入方程得到y1、y2和y3的数值并进行比较，当y1最大则判定为雨，y2最大判定为雨夹雪，y3最大则判定为雪。通过检验发现对于实况为雨或者雪时，判别准确率均达到80%以上；实况为雨夹雪时，判别准确率为64%，可见雨夹雪的判别容易与其他相态混淆。进一步分析，如实况为雨判别为雪或者实况为雪判别为雨的概率均低于5%，判别方程能够有效区分雨和雪两种相态，雨夹雪的判别还需要进一步研究。

4 结论与讨论

(1)2000—2015年天津地区冬半年含有雨夹雪的降水相态转换过程主要出现在11月至次年3月，主要是由于在冷暖季节过渡期，冷暖空气活动较多，降水相态易发生变化。

(2)850 hPa以下各层的温度和925 hPa以下湿度可以作为相态判定依据；通过统计不同等压面厚度和特殊层高度，发现H850-700、H1000-850、0 ℃层高度和-4 ℃层高度可作为降水相态转换的判别指标；天津相态部分判别指标略低于北京和河北，这可能与天津的地理位置有关。

(3)利用3次天气个例进一步验证各项判别指标的适用性，结果表明综合运用9个指标可以有效判断降水相态，基本可以满足天津地区降水相态的判别，在此基础上建立的相态多元线性判别方程能够有效判断雨和雪。