一次江淮气旋暴雪的积雪特征及气象影响因子分析

利用自动站、人工加密观测及常规观测资料,通过对2017年2月21—22日一次江淮气旋暴雪过程积雪特征的分析,揭示了近地面气象要素对积雪深度的复杂影响。结果表明:(1)江淮气旋系统特有的空间结构导致山东南、北地区的降雪量和积雪深度不均衡分布。(2)积雪深度具有时效性,在降雪结束时达到峰值,因温度的变化导致峰值不一定维持到次日08时。(3)积雪深度是近地面多气象要素共同作用的结果,降水相态、降雪量、降雪强度、气温、地温和风速均有影响。主要表现为:雨夹雪在转为纯雪之前可产生不超过1 cm的积雪,如果不转雪则不会产生有量积雪;各地降雪含水比差异较大,全省平均为0. 5 cm·mm~(-1),低于全国平均值;在降雪不融化的情况下,降雪量、降雪强度越大则积雪越深,降雪强度大是气温和地温都高于0℃时产生积雪的必要条件;地温和气温越低对积雪形成越有利,积雪开始产生时的地温最高阈值多在0℃左右,地温先突降后缓升是积雪产生前后的共性特征,积雪产生后1～2 h内地温略有上升并逐渐趋于稳定;积雪产生时气温一般低于0℃,气温高于0℃时大部分降雪融化;有利于产生积雪的平均风力多不超过2级,极大风则在3～4级以下。     

一次江淮气旋复杂降水相态特征及成因分析

本文应用常规探空资料、地面观测资料、欧洲中心细网格(0.25°×0.25°)数值预报初始场资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料分析了山东一次江淮气旋降雪过程的复杂相态特征,并初步分析了成因。结论如下:(1)山东省2014年2月16—17日的雨雪天气过程,降水相态多样性和相态转化复杂性是主要特点,表现为同一时刻雨、雪和雨夹雪三种相态共存,郯城站降水相态逆转(由雨夹雪转雨再转雪),鲁东南地区降雪同时鲁西南地区降雨的"东雪西雨"现象。(2)在系统发展不强的江淮气旋降雪过程中,鲁中山区相对高海拔地区夜间强烈的辐射降温和山脉迎风坡的动力抬升作用均会造成边界层温度的降低,后期对流层低层为东北风控制时,除鲁中山区外,其迎风坡东麓或东北麓(潍坊地区)出现固态降水可能性也较大,一般情况下,地面2 m温度为1~2℃,1 000 hPa温度为0℃左右,925 hPa温度为-3℃左右,可出现固液共存降水现象。(3)相态逆转现象的发生与江淮气旋发展阶段和气温日变化两个因素紧密相关。0℃层在925 hPa上下的状态是一种临界状态,可产生雨夹雪或雨,但0℃层高度下降不是由雨转雪的充分条件,还需考察冷平流发展情况。(4)当江淮气旋生成地偏东(位于长江口附近),且发展不强烈时,山东若受其影响产生降水,后期上游如有新系统发展,可能与气旋共同影响山东,造成复杂相态的江淮气旋降雪过程。     

山东降雪含水比统计特征分析

降雪含水比（snow-to-liquid ratio,SLR）是指积雪深度与降雪融化后等量液体深度（降雪量）的比值,可用来计算积雪深度。山东有两种产生机制不同的降雪,冷流降雪主要分布在山东半岛北部沿海地区,其他类降雪在全省范围均可发生,二者的降雪含水比有明显差异。利用山东122个国家级气象观测站自建站以来至2018年12月的逐12 h降水量、日积雪深度、降水性质、日最高气温及1999—2018年的MICAPS高空、地面图资料,通过限定条件进行质量控制,统计分析了山东不同地区的降雪含水比气候特征,为积雪深度预报提供参考。结果表明：1）山东降雪含水比的变化范围为0.1～3.0 cm·mm-1,全省大部地区多年平均降雪含水比为0.9 cm·mm-1,主要集中在0.3～1.1 cm·mm-1之间;山东半岛北部沿海地区（强冷流降雪区域）的多年平均降雪含水比为1.3 cm·mm-1,主要集中在0.9～2.0 cm·mm-1之间。2）降雪含水比的大小与降雪量等级有关,且存在明显月变化。全省大部地区从中雪至暴雪随着降雪量等级的增大,降雪含水比依次减小;各等级的降雪含水比月最大值均出现在1月或12月,最小值出现在11月或2月;山东半岛北部沿海地区的降雪含水比表现出更为复杂的特征,在以冷流降雪为主的11月—次年1月,中雪、大雪和暴雪的降雪含水比基本相当;2月和3月冷流降雪不明显,降雪含水比表现出与其他地区降雪类似的特征。3）不同天气系统暴雪的降雪含水比有差异。江淮气旋暴雪过程平均降雪含水比为0.69 cm·mm-1,总体上呈现“北大南小,山区大沿海小”分布,中雪、大雪和暴雪的降雪含水比中位数分别为0.8、0.7和0.5 cm·mm-1;回流形势暴雪过程的全省平均降雪含水比为0.67 cm·mm-1,中雪的降雪含水比中位数为0.8 cm·mm-1,大雪和暴雪均为0.6 cm·mm-1;冷流暴雪的降雪含水比明显大于其他两类暴雪,中位数在1.1～1.6 cm·mm-1之间变化,中雪、大雪和暴雪的降雪含水比中位数分别为1.4、1.6和1.3 cm·mm-1。     

山东省极端降雪天气事件特征分析

应用常规地面和高空观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料以及山东省122个国家自动站日降水量和小时降水量资料,从日积雪深度和过程总降水量两个角度分别定义第一和第二类极端降雪事件,并进一步对其基本特征进行分析总结。结论如下:(1)山东省极端降雪事件发生在江淮气旋和回流天气形势下,出现在11月(初冬)和2月(早春)的可能性最大,江淮气旋类多出现在2月,回流类多出现在11月。(2)极端降雪事件中鲁东南、鲁西北西部和鲁中北部地区降雪量大且出现极端降雪次数多。江淮气旋类极端降雪过程降水量大值中心出现在鲁东南、鲁中北部和半岛地区,而回流类过程降水量呈现出"南多北少"的分布特征。(3)相比较于江淮气旋类降雪过程,回流类极端降雪过程出现的单站最大降水量更大,且大雨以上量级降水范围更广。通常极端降雪过程中,降水量最大为50.0~59.9 mm,多数站点过程降水量为10.0~29.9 mm。(4)不同天气系统影响下的两类极端降雪过程地面气旋初生时中心气压值、冷高压中心强度和位置、低空急流的厚度和强度等特征有所不同。(5)回流类极端降雪过程,水汽辐合层次深厚,700 h Pa与850 h Pa均有明显的水汽辐合,江淮气旋类极端降雪过程中水汽辐合层次较低,主要位于850 h Pa附近。对于过程降水量超过50.0 mm的极端降雪事件,700 h Pa和850 h Pa比湿均达到并超过5 g·kg~(-1)。(6)回流类极端降雪过程伴有不同范围寒潮。     

贵州冬季两次降雪过程的对比分析

利用常规观测资料和NCEP1°×1°再分析资料,对贵州2014年2月18日(过程1)和2015年1月9日(过程2)两次降雪过程进行对比分析,结果表明:1过程1水汽主要依靠700 h Pa西南急流输送,过程2水汽依靠500 h Pa南支槽前西南急流输送,但大气中高层水汽含量较少,故过程2输送至贵州的水汽通量远小于过程1;2过程2南支槽强度强于过程1,700 h Pa切变线影响贵州的时间也长于过程1,导致过程2虽然水汽通量较小,但动力条件较好,使得24 h降水量与过程1相当;3过程1降雪时冷平流强于过程2,贵州700 h Pa以下温度低于0℃,地面气温低值区域(-4~2℃)位于贵州中部一线,而过程2中仅贵州中西部700 h Pa以下温度低于0℃及地面气温低于3℃,故过程1贵州出现大范围的降雪,积雪大值区位于贵州中部一线,而过程2的降雪和积雪主要出现在贵州中西部。     

山东冬半年降水相态的温度特征统计分析

采用济南和青岛1999-2011年的降水、高空和地面观测资料,研究了山东冬半年降水相态与影响系统的关系及温度垂直变化特征,获得不同降水相态的温度预报指标.结果表明:(1)降水相态变化与影响系统有关,江淮气旋和回流形势产生的大雪以上强降雪存在雨雪转换,低槽冷锋、黄河气旋和切变线(低涡)多产生中雪以下直接降雪.(2)无相态变化的降雪过程一般发生在温度较低、垂直变化单一的条件下,850 hPa以下各层均有明显温度阈值.(3)有相态转换的降雪过程中,850和925 hPa的温度对于雨、雪、雨夹雪的识别没有明显指示性,1000 hPa以下的温度最为关键,将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别相态,较使用单一特性层温度更为可靠;冰粒区别于其他降水类型,在温度场上的显著特征为700 hPa的温度较高.(4)0℃层高度可用于雨雪转换指标:降雨时0℃层高于925 hPa或在925 hPa上下,当0℃层的高度降至1000 hPa上下时转为降雪.(5)雨夹雪和冰粒发生在有雨雪相态转换的降水过程中,为过渡形态,不会单独出现.     

乌鲁木齐冬季清雪预报服务研究

以乌鲁木齐冬季清雪工作需求为牵引,利用乌鲁木齐2006—2016年冬季(当年11月—翌年3月)逐日降雪量、积雪深度、气温和173 d降雪日的逐时降雪量资料,分析了近11年冬季各量级降雪的分布特征、降雪持续时间和降雪的日变化特征;对积雪深度和对应降雪量做线性拟合,得出二者比值大体为0.968 cm/mm。得出清雪预报服务的重点是:小雪的有无、降雪起止时间和累积降雪量、积雪深度的预报,难点是中雪、大雪特别是暴雪和对应的积雪深度的精细化预报。     

一次春季强寒潮的降水相态变化分析

应用NCEP 1°×1°资料、常规观测资料、自动站资料、多普勒天气雷达资料,对2007年3月河北省一次早春强寒潮天气背景下的降水多相态转换的成因与雨雪转换的预报进行了分析.结果表明:850hPa及以下蒙古高压和江淮气旋共同作用产生的偏东风导致低层大气温度持续下降,降水性质从雨转为雪.随着江淮气旋入海,高低空风向发生突变,从东北风转为西北风,加上太行山地形作用,使太行山东麓部分地区低层大气出现小幅升温,0℃层高度抬升,致使从雪转为雨.多普勒天气雷达回波图上,0℃层亮带高度的迅速下降,可作为从液态降水向固态降水转换的判据之一.天气学分析表明,当0℃层高度低于950hPa、地面气温在0℃上下、1000hPa温度低于2℃、925hPa温度低于-2℃时,降水性质将从雨向雨夹雪或雪转变.     

鄂西北两次强降雪的滴谱特征和积雪深度预估方法

利用丹江口站Thies Clima激光雨滴谱仪(TCLPM)和地面人工加密观测资料对2010年12月14—15日和2012年1月20—22日两次强降雪天气滴谱演变特征及预估积雪深度方法进行了分析探讨,结果表明:(1)激光雨滴谱仪能自动识别降水相态,结合地面人工加密观测结果,气温高于0.7℃,降水相态为雨,低于0.7℃为雨夹雪,低于-0.5℃为纯雪,同时发现地面温度低于0.5℃,地面开始有积雪,且这两次过程地面风速比较低有利于地面积雪;(2)激光雨滴谱仪还可以很好地监测强降雪天气滴谱特征演变规律,回波强度(Z)、平均直径(D_m)、降雪粒子水含量(W)、数浓度(N)随降雪强度增强而增大,且两次过程中D_m、Z、N、W均与地面积雪速率(VSD)均有不同程度的正相关性,W与VSD相关性更好,分别达到了0.844和0.926;(3)选取降雪粒子水含量W与地面积雪速率进行一阶拟合,得出地面积雪速率预估方程,通过纯雪阶段地面积雪速率预估值(VSDF)和地面积雪深度预估值(SDF)与利用雨滴谱仪实测资料反演的VSD、SD两者进行比较,发现它们两者非常接近,说明通过这种方法可以较好地预估地面积雪速率和积雪深度,其结果可以再现地面积雪跃增的主要时段。     

“2009.2”沈阳暴雪天气诊断与预报误差分析

针对2009年2月12—13日沈阳暴雪过程,运用Micaps资料和自动站资料,分析了大尺度天气形势及相关物理量场。结果表明：500 hPa南北两支槽在辽宁的叠加和地面蒙古气旋及江淮气旋的合并是此次暴雪过程的主要成因。强降雪出现在850 hPa涡度和200 hPa散度大值区内,对流层中低层辐合、高层辐散为强降雪提供了有利的动力条件;低空急流为暴雪区水汽来源,亦为对流不稳定能量释放的触发源,暴雪区还具备上干冷下暖湿的热力不稳定条件;降水性质的转换与850 hPa的温度、温度平流和地面气温有直接联系;暴雪过程无论从量级,还是降水起止、雨转雪时间均预报得较为准确,但对降雪量和积雪深度估计不足。     

降水相态转换机制及积雪深度预报技术研究

利用2014—2017年山西省地面和高空气象观测资料、NCEP/NCAR FNL再分析资料、山西及周边地区多普勒天气雷达资料,对山西冬半年雨转雪过程进行归类与分析,探讨地面气温在降水相态转换中的作用,提取降水相态转换的前兆信息。针对降雪过程,统计分析降雪量和积雪深度增量的关系,总结提炼积雪深度预报指标。最后,选取气候特征相似的两次雨转雪过程进行对比分析,揭示降水相态转换的物理机制。结果表明:(1)山西省11月发生雨转雪的站次最多,其次为2月。地面气温作为降水相态变化的重要指标,其与气候和天气(如冷空气强度和路径)特征、地理位置等有关。(2)山西冬半年积雪深度增量与降雪量比值约0.68 cm·mm~(-1),且比值随着气温降低而增大,因此存在明显的时空差异。(3)在雨转雪的不同时段,随着对流层低层降温,冰雪层厚度在总云层的比例有所增加,且云中固态凝结物下落路径缩短,使得固态凝结物在下落过程中融化概率减小,造成相态变化。     

中国冬季积雪变异及其与北极涛动的联系

本文利用1979～2010年NCEP/NCAR再分析资料、中国台站观测雪深、气温和降雪资料, 分析了中国冬季积雪时空分布特征, 结果表明:雪深经验正交分解第一模态有显著的南、北反位相特征, 当新疆北部、东北地区积雪偏多(少)时, 对应黄河以南和青藏高原地区积雪偏少(多)。近30年来中国冬季积雪变异与北极涛动(AO)有非常紧密的联系, 雪深的南、北反位相分布型与北极涛动有明显的反相关关系。AO负位相时, 500 hPa等压面上40°N以北存在着中心在贝加尔湖附近的气旋环流, 而在其南存在着中心在中国西南的反气旋性环流, 中国北方和南方地区分别受气旋和反气旋的控制。在我国北方地区, 与AO相联系的气旋环流异常导致降雪增多、地表温度偏低, 使得积雪增加;而在南方地区, 与AO相联系的反气旋性环流异常导致的降雪减少和气温偏高, 导致了积雪减少。本文的研究说明了北极涛动通过影响中国降雪和气温, 进而对中国冬季积雪产生可能的影响。     

降雪含水比研究进展

降雪深度预报与定量降水预报(QPF)一样是冬季天气预报最重要的业务之一,而降雪含水比是降雪深度预报中所必须的重要参数,国外一般多将其称为snow-to-liquid ratio(SLR)。本文回顾了过去几十年来国内外在SLR的变化特征、影响因素等方面的主要研究进展,并对其预报技术和方法进行了总结和比较。研究表明:SLR具有明显的时间变化,并且存在季节和空间分布差异;大气温度和相对湿度是影响SLR的两个最重要气象因子,气压、垂直运动等气象因素,以及地表风、积雪自重、太阳辐射和积雪融化也会不同程度地影响SLR;随着预报技术的发展,SLR的预报方法可概括为气候学的、统计学的和基于物理基础的三类预报方法,气候学方法过于简单化,统计学方法的应用提高了SLR的预报能力,但仍无法摆脱统计方法自身的缺陷,比较而言,基于数值模式的瞬时预报更符合未来雪深预报业务的精细化发展趋势;目前,国内降雪深度观测资料较少、观测频率较低,有效开展地面降雪和探空加密观测,解决观测资料不足是今后SLR研究中亟待解决的问题;基于数值天气预报业务模式,探索气象因子对SLR的影响机理,建立适合我国冬季天气预报业务需求的降雪预报系统是未来的发展方向。     

一次江淮气旋极端雨雪过程的云系特征和成因分析

2016年2月12日夜间至13日白天,受冷空气和江淮气旋影响,山东出现了一次极端雨雪天气过程,全省48个国家级气象站日降水突破同期历史记录。采用多种观测和NCEP/NCAR的1°×1°再分析资料分析了降水云系的演变特征、风场的中尺度特征和降水成因。结果表明:(1)雨雪过程不断有β中尺度云团从苏皖移入山东,降水主要由4个β中尺度云团造成;江淮气旋逗点头云系由4条带状回波发展形成,暖锋云系以层状云为主,其间有零散的对流云,逗点云尾部的冷锋云系形成初期多为对流性,入海后对流性减弱;气旋形成后雷达回波发生气旋式旋转、拉长,形成多条中尺度强雨带。(2)水汽条件极为有利,来自西南和东南两个方向的低空急流持续输送充沛的水汽,降雨阶段还有来自东南方向超低空急流的水汽输送,降雪阶段边界层水汽输送微弱。(3)降雨阶段,低层为浅薄的东北风冷垫;降雪阶段,东北风冷垫较降雨阶段深厚得多。东北风冷垫上东南风层变薄直至减弱消失是雨雪相态转换的标志,强雨雪都发生在偏南低空急流最强盛时段。(4)低层低涡前部东北风和东南风的切变辐合、暖平流、暖锋锋生以及条件性不稳定能量释放强迫上升运动造成强雨雪。风廓线雷达和激光雨滴谱仪的观测是降水相态短时临近预报的有益判别资料。     

使用加密降雪资料分析降雪量和积雪深度关系

降雪量和积雪深度的关系是降雪预报及相关科研工作中的重要参数,加密降雪资料的出现为分析这种关系提供了新的支持。利用2009—2011年冬季加密降雪资料并采用线性拟合方法,分析得出我国冬季积雪深度变化值和相应降雪量的比值大体为0.75 cm·mm-1,该比值随气温上升呈明显减小趋势,且有明显的地区差异,但未体现出显著的时间变化特征。降雪量和积雪深度的关系仍需深入分析,并需要更高质量降雪资料的支持,以便能应用到实际业务和科研工作中。     

山东相态逆转降雪天气的特征与预报

采用高空和地面观测资料,对山东1999—2013年24次有相态逆转降雪过程的影响系统、出现时间、逆转前后的温度变化及各类系统逆转的天气形势特征进行了统计分析。结果表明：1）低槽冷锋、江淮气旋、黄河气旋和暖切变线可在山东产生降水相态逆转,而回流形势降雪不会产生逆转。2）山东降水相态逆转发生在11月—次年4月,以12月和1月居多,12月频率最高;有明显的日变化,14时前后最容易发生逆转,而23时—次日05时最少。3）雪转雨时最显著的特征为地面2 m气温升高,升温幅度多在1～2 ℃;850 hPa以下至地面的温度至少有1～2个层次升温。4）地面2 m气温对逆转的指示性最好,降雪时在0 ℃左右,略高于通常降雪阈值,最低为-1 ℃;其次为1 000 hPa,降雪时接近于0 ℃。5）对流层低层暖平流升温或温度日变化升温导致雪转雨,温度平流弱时温度日变化起主要作用。各类天气系统的逆转范围、时段等有明显差异。因此,对于降雪阈值附近的相态预报,需综合考虑低层温度平流和日变化两个因素,重点关注地面2 m气温能否升温,午后为关键时段。     

基于湿位涡和积雪效率的降雪预报技术探讨

本文对南京地区2015年的一次强降雪过程进行了湿位涡诊断分析,根据2008—2015年的57次强降雪个例归纳出了积雪效率与地面2 m气温的关系。结果表明:湿位涡正压项对降雪强度变化有较好的指示意义;结合湿位涡斜压项和地面气温可以较好地判断降雪落区,且强降雪落区和湿位涡斜压项的大值中心对应较好;积雪效率和地面2 m气温是分段函数关系,利用该统计关系及气温、降雪量的预报,可以作出积雪深度的预报。     

北疆积雪参数特征分析

采用2009年和2010年2月中旬雪深、分层积雪密度、含水率和温度野外调查数据,分析了北疆地区积雪参数属性特征,雪深-温度和密度-含水率关系。①雪深达10cm,雪土界面温度比积雪表面高3℃左右,超过10cm,偏高6～10℃;雪土界面温度与积雪深度高度线性相关,积雪越深,保温作用越显著;②2010年1月以来,北疆地区多降雪天气,2月积雪深度比2009年同期雪深明显增加;③2010年2月,北疆地区积雪密度均值总体范围0.15～0.272 g/cm3比2009年同期积雪密度0.087～0.225 g/cm3偏大;④在一定体积含水率间隔范围,积雪密度和体积含水率间线性相关。     

江淮气旋影响下的山东降雪过程相态特征

利用常规的地面观测资料、高空探测资料、自动气象站1 h间隔观测资料、NCEP/NCAR再分析资料（1°×1°,6 h）和ERA5再分析资料（0.25°×0.25°,1 h）,针对1999—2013年山东省12例江淮气旋降雪过程,总结了降水形态类型及时空分布、相态转换等特征并讨论了降水相态“逆转”现象的物理机制。结果表明：1）江淮气旋降雪过程的降水形态种类多样,可出现雨、雪、雨夹雪、冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇,降水相态转换过程中,除了雨夹雪,冰粒也是一种过渡形态;2）冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇5种特殊降水形态最易出现在2月和3月,“雷打雪”现象亦多发于2月和3月;3）鲁东南和半岛南部地区以降雨为主,鲁西北地区多出现降雪,雷暴集中出现在鲁中的中西部和鲁南地区,尤其是鲁东南地区;4）江淮气旋降雪过程相态转换的基本形式为雨转雪,以有无明显雨雪分界线为依据,可分为“典型雨转雪”和“无明显雨雪转换”两类,二者的影响系统特点显著不同;5）范围较大的相态逆转现象易发区域在地面雨雪分界线附近,位于地面倒槽后部,走向与地面倒槽槽线走向一致。气旋生成前低层暖温度平流增强引起低层增温以及气温日变化导致的中午前后近地层浅薄增温均可引起相态逆转,上述两个因素均与地面倒槽的发展态势关系密切。     

积雪对玛曲局地微气象特征影响的观测研究

利用2011年12月至2012年3月中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站提供的玛曲站的观测资料,通过对比分析三次积雪过程及其前期无雪时的近地层气象要素特征,研究了积雪对大气温度层结特征的影响。观测结果表明:降雪前降温较快,由冷空气过境引发的降雪过程可使2.35 m高处日最高、最低气温24 h降低10℃,雪后气温回升较慢,平均速率为2.5℃·d~(-1)。温度梯度值白天为负值、夜晚为正值,7.17 m以下温度梯度绝对值较大,平均为0.4℃·m~(-1),7.17~18.15 m温度梯度绝对值较小,其值不足0.2℃·m~(-1),到18.15 m绝对值减小到0.05℃·m~(-1);当地表有积雪覆盖时,早上温度随高度减小的变化趋势出现时间比无雪覆盖时落后1 h,傍晚温度随高度增大的变化趋势较之提前1 h出现。积雪可减小白天气温分布范围,第二次积雪过程由于风速较大减小较明显。除晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m,积雪存在将减小各层温度梯度绝对值;晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m温度梯度绝对值比2.35~4.2 m偏大,当有积雪覆盖时偏大幅度明显增大,出现这种异常主要是受4.2 m偏暖的影响,这种偏暖现象可能是由观测场内外下垫面植被覆盖不同而引起的温度平流所致,当风速较大时,将破坏这种平流作用,不同高度温度趋于一致。