河北沧州雨雪转换过程特征指标研究

杨天禧，沈瑞珊

河北省沧州市气象局，河北沧州 061001

雨雪转换过程是冬春季转换时经常出现的一种天气，是指在降水过程中存在降水相态的转变。对雨雪转换的研究能提升雨雪预报工作的准确性。对于一次降水过程来说，降水相态预报是降水预报中较难的部分，降水量相同，不同的降水相态产生的影响是截然不同的。李江波等[1]对春季的一次强寒潮降水相态变化进行研究，表明当零度层高度低于950 hPa、地面温度约为0 ℃、1 000 hPa温度低于2 ℃、925 hPa温度低于-2 ℃时，降水性质将出现改变，从雨向雨夹雪或者向雪进行转变。选出河北沧州7次雨雪转换过程，得出了沧州市雨雪转换指标。同时，对2020年2月13—14日一次过程进行详细研究，对大环流背景、物理量场、降水相态转变特征以及成因进行了分析总结[2-6]。

1 资料介绍和相态转换

使用的气象资料包括1990—2020年地面以及高空资料、自动站资料、沧州多普勒雷达资料、探空资料、ERA5再分析资料(分辨率0.25°×0.25°)，其中，地面资料为沧州14个县市的地面气象观测资料，选取每日天气现象记录中含有雨夹雪、雨转雪的过程进行统计[7-10]。

2 沧州雨雪转换指标分析

根据地面观测站每日天气现象记录，选取了近30年来7次雨雪转换过程，分析沧州本站温度场随时间、高度变化的剖面图。以2016年2月16日、11月21日为例进行说明，通过降水实况与雨雪转化时间发现，雨夹雪及降雪阶段，中层为暖层，低层为冷层，冷空气侵入的高度约为925 hPa。因此，将925 hPa≤-2 ℃作为雨雪转换的指标更为准确(图1)。

图1 2016年2月16日、11月21日沧州站温度场的高度—时间剖面图

根据地面观测资料对这7次雨雪转换过程的冷暖空气侵入的高度和温度进行分析，得出结论：对于沧州地区，判断雨雪转换时间时，应该先看位于低温区空气侵入的高度，如果冷空气从850 hPa附近侵入，将850 hPa≤-4 ℃作为雨雪转换的指标更为准确(表1)。

表1 近30年雨雪转换时冷空气侵入高度与温度(850 hPa、925 hPa、1 000 hPa)

针对上述研究，总结得出沧州本地化雨雪转换指标：(1)850 hPa温度≤-4 ℃，925 hPa温度≤-2 ℃，地面温度在0 ℃左右时，降水相态发生转变。(2)通过此次分析需要关注降水过程中冷空气入侵的高度，判断哪个层次指标更为可靠[11]。

3 个例分析与验证

2020年2月13—14日河北地区出现了大范围的雨雪降温天气，降水过程经历了雨→雨夹雪→雪相态的转变。此次过程降水量分布不均，其中，沧州地区平均降水量为11.6 mm，雨雪转换时间出现在14:00左右(图2)。

图2 2020年2月13—14日沧州降水图、逐时降水量

3.1 高空环流形势演变

本次雨转雪过程500 hPa环流形势场为高纬呈两槽一脊型，河北省位于高空槽前，动力条件较好。受500 hPa冷涡、低层切变线、地面低压倒槽影响，产生降雨过程，12:00冷空气入侵，低层暖切东移入海、地面被冷高压控制，气温下降，降水相态发生转变(图3)。

图3 2020年2月13—14日沧州降水图

3.2 水汽场分析

大气中水汽含量越高，越有利于降水。从图4可看出08:00后低层水汽通量逐渐变小，同时12:00以后中低层水汽条件变好，说明低层被冷空气占据逐渐变干，抬升暖气团使中低层湿度变大。前期降水主要受低层水汽影响，水汽通量为0.006 g/(s·hPa·cm)，降水强度较大，雨雪阶段主要受中低层水汽影响。

图4 水汽通量风场时间剖面图

3.3 动力场分析

分析09:00 500 hPa涡度平流场、散度垂直速度剖面场发现，河北中南部和东北部500 hPa涡度平流为正，气旋性涡度增加，在地转偏向力作用下产生辐散，地面减压，同时在负变压区产生辐合。高层辐散、低层辐合，动力抬升条件较好。

前期降水垂直速度大值区位于900 hPa附近。降雨和雨夹雪时段对应的中高层基本为正涡度平流控制区，低层辐合。降雪时段低层为下沉运动。降雨阶段上升速度大值区位于低层；当上升速度中心位于中低层，低层为负涡度平流控制区对降水相态发生转变(图5)。

图5 散度和垂直速度剖面图(a)、涡度平流时间剖面图(b)

08:00锋区内θse非常密集，降水区(37°～38°N)温度梯度较大，等温线折角清晰，且锋区内等温线呈垂直走向，表示冷暖空气交汇较强，产生降雨；当锋区内等温线呈平行时，高空急流减弱，冷空气占据主体，降水相态改变，由雨向雪转变(图6)。

图6 沿116°E温度(实线)、假相当位温(虚线)、高空纬向风急流的经向垂直剖面

3.4 雷达场分析

2020年2月14日一次雨雪转换过程中4.3°仰角下12:24出现清楚的半圆弧亮带，14:54之后迅速下降并消失。雨夹雪阶段零度层亮带高度为0.48 km，降雪阶段为0.24 km。这与雨雪转换标准的雷达特征是一致的(图7)。因此，在实际观测中可以通过雷达特征判断降水相态转变。

图7 4.3°仰角下雷达基本反射率图

4 结论

(1)判断雨雪转换时间时，对于沧州来说，850 hPa温度≤-4 ℃，925 hPa温度≤-2 ℃，地面温度在0 ℃左右时，降水相态发生转变。而且多普勒天气雷达上零度层亮带高度的迅速下降，也可作为判别雨雪转换的标准。

(2)此次雨雪转换过程高空冷涡、低空切变线、西南急流、地面冷锋以及倒槽配合较好。

(3)锋区逆温的大小可以反映出冷、暖气团交汇以及对峙的强度；在低层辐合上升与高层辐散下沉的整体配置、伸展至对流层的垂直速度负值场以及正涡度平流的输送的共同作用下，进一步维持与加强上升运动。