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保定强降雪预报模型及物理量统计特征

发表时间：2020/11/5 来源：《基层建设》2020年第21期作者：马鸿青1 王亚婷1 王欢2 董疆南1 徐义国1

[导读] 摘要：本文采用2006年1月至2015年12月保定各县（市）的逐日降水资料，常规观测资料，卫星云图产品、ncep 逐6小时再分析资料，应用天气学分析和天气学诊断方法对保定的强降雪过程进行了分型研究和物理量诊断。

        1.保定市气象局保定 071000；2.徐水气象局徐水 072550
        摘要：本文采用2006年1月至2015年12月保定各县（市）的逐日降水资料，常规观测资料，卫星云图产品、ncep 逐6小时再分析资料，应用天气学分析和天气学诊断方法对保定的强降雪过程进行了分型研究和物理量诊断。根据地面形势将强降雪预报概念模型分成两种，即（气旋）倒槽型和高压底部型。降雪过程中500hPa以冷平流为主，700hPa先暖平流后冷平流，850hPa为暖平流或弱冷平流，950hPa以冷平流为主。降雪过程中最强辐合上升运动出现在对流层中上层。降雪前Tbb有个突降过程，降雪后期回升。顺滚流、超低温、低层暖层云和中层冷层云的出现预示着降雪的出现。
        关键词：强降雪；概念模型；物理量诊断
        引言
        降雪往往对人民群众的生活产生很大影响，降雪带来的道路结冰、积雪等致使机动车制动距离难以控制，极易发生交通事故。强降雪对农业及农业设施也有一定的影响，因积雪覆盖，温室或大棚不堪重负而被压塌损坏。积雪会对配电设施造成外力破坏，对电网供电造成巨大影响。所以有必要对强降雪进行细致的研究，寻找本地的降雪天气特征指标，为降雪的准确预报提供参考依据，从而减少因强降雪带来的社会影响。
        1 资料说明
        本文采用保定各县（市）2006年1月至2015年12月的逐日降水资料，结合常规地面填图，首先筛选出纯雪个例，然后分别挑选出弱降雪（小雪或零星小雪）和强降雪（中雪及以上）个例。筛选规定：24小时有6成及以上县（市）气象站出现降雪。文中分析对象为强降雪（中雪及以上）过程。
        2 强降雪天气预报分型及主要影响系统
        应用天气学方法对所选历史个例的环流形势进行分析，确定每个过程的主要影响系统，最终依据地面气压场分为两型。
        2.1（气旋）倒槽型
        根据气旋的有无和位置，（气旋）倒槽型又分为三型：河套气旋倒槽型（I型，图1a）、黄河气旋倒槽型（II型，图1b）和纯倒槽型（III型，图1c）。地面冷高压的主体位于蒙古到我国东北地区，高压东部自北向南伸展，形成一个“高压鼻”，保定处在（气旋）倒槽前部、“高压鼻”后部，整体形势呈东高西低型，此类型占比83.33%。
        2.2 高压底部型
        冷高压主体位于蒙古中东部到内蒙（图1d），保定受冷高压的底部影响，整体形势呈北高南低型，此类型占比16.67%。
        2.3 主要影响系统
        500hPa主要影响系统：河套高空槽，蒙古东部至河套西侧的横槽，短波槽（纬向环流中短波槽或横槽前短波槽）。
        700hPa主要影响系统：河套高空槽。
        850hPa主要影响系统：切变线。
        急流：500hPa 有20m•s-1的大风速轴从降雪区右侧穿过。700hPa具备南到西南低空急流，少数无急流。850hPa和925hPa为东南或东北急流，少数无急流。
        冷空气路径：西路或西北路占58.33%，北路或东北路占41.67%。
        850hPa锋区：锋区位置36～48°N，锋区以东西走向为主。
        850hPa 0℃位置：30～35°N占比91.67%，26～28°N占比8.33%。
        降雪前实况特征：91.67%的个例降雪前一到两天地面开始出现东北风，风速2m•s-1左右，具备回流特征； 75%的个例降雪前有轻雾。

                                     (a)                                                                                               (b)

                                     (c)                                                                                                    (d)
        图1 强降雪预报模型 (a)（气旋）倒槽I型（b）（气旋）倒槽II型
        （c）（气旋）倒槽III型（d）高压底部型
        3 强降雪物理量统计特征
        对强降雪过程的各物理量进行空间、时间平均，确定各物理量的阈值。
        3.1 热力条件
        强降雪发生时500hPa和700hPa都对应有暖舌和高空锋区（见表1），而850hPa一般为冷舌存在。91.67 %的强降雪过程中有干冷垫出现（保定上空37～39°N范围内，900hPa及以下θse ≦280K），800～700hPa θse线右倾明显，对流层低层暖湿气流沿边界层干冷垫爬升， 700hPa以上θse线陡立或略左倾，低层暖湿，高层干冷，对流层中上层不稳定度加大，降雪出现。降雪过程中500hPa以冷平流为主，700hPa先暖平流后冷平流，整个过程以暖平流为主，850hPa暖平流或弱冷平流，950hPa以冷平流为主，对流层中下层转冷平流预示降雪结束。降雪期间850hPa和925hPa温度变化范围在-4～-11℃之间，1000hPa在 -6～2℃范围内，83.3%的个例降雪前几小时在700hPa上下有锋面逆温，16.7%无明显逆温。
        3.2 动力条件
        强降雪过程中最大辐合出现在500～700hPa，辐合最大值-2～-6×10-5s-1。最大上升速度位于400～700hPa ，其变化范围在 -0.5～-1.1 Pa•s-1之间。研究说明降雪过程中最强辐合上升运动发生在对流层中上层。
        3.3 水汽条件
        降雪前0—24小时（见表2），对流层中层500hPa 的水汽通量和水汽辐合都高于700hPa和850hPa，降雪过程中，500hPa最大水汽通量在2.48～2.7 g•cm-1•hPa-1•s-1 范围内，最大水汽辐合-0.60～-0.64×10-4 g• cm-2• hPa-1•s-1，700hPa和850hPa的最大水汽通量分别为0.99～1.33 g•cm-1•hPa-1•s-1和0.65～0.7 g•cm-1•hPa-1•s-1，最大水汽辐合分别为-0.19～-0.21×10-4 g• cm-2• hPa-1•s-1和-0.07～-0.08×10-4 g• cm-2• hPa-1•s-1。三层水汽来向略有不同，500hPa水汽沿西南偏西方向输送，700hPa为西南偏南方向，850hPa水汽输送方向则为东南偏东。降雪过程中700hPa和850hPa最大比湿比较接近1.7～1.8 g/kg，500hPa略低1.45～1.46 g/kg。
                                                                         表1 强降雪热力条件

表2 强降雪水汽条件（降雪前0—24小时及过程最大值）

        4 降雪期间Tbb变化及阈值
        降雪前Tbb有个突降过程，降雪后期回升。Tbb最小值-44.5～-64.5℃，后期-19.15～ -3.15℃。
        5 强降雪过程的V-3θ特征
        降雪前特征：
        ① 降雪前12—24小时低层由北风转为偏南风或偏东风，整层转为顺滚流。
        ② 降雪前24—48小时250～300hPa出现超低温，超低温一般持续到降雪结束。
        ③ 降雪前900hPa以下三条位温线与横轴T的夹角由小于45°转为 90°，预示着低层冷垫的形成。
        ④ 降雪前0—12小时850hPa偏南风加强，暖层云形成，同时低层水汽增加；600～700hPa有冷层云，对流层中上层不稳定度加大。
        降雪结束特征：
        ① 400～600hPa 出现暖层云。
        ② 对流层高层由西风转偏南风，并且偏南风风速加大，而后低层转为偏北风。
        ③ 整层转为西北风。
        ④ 对流层低层转为偏北风，而后高层转为偏南风。
        6 结论
        （1）本文根据地面气压场形势将强降雪的预报概念模型分成两型，即（气旋）倒槽型和高压底部型，然后根据气旋的有无和位置，（气旋）倒槽型又分为三型：河套气旋倒槽型、黄河气旋倒槽型和纯倒槽型。
        （2）产生强降雪的主要影响系统为500hPa、700hPa 河套地区的高空槽和850hPa低空切变线。91.67%的个例降雪前一到两天地面开始出现东北风，风速2m•s-1左右，回流天气形势建立之后，低层暖湿气流沿冷垫爬升，在500hPa急流的动力抽吸作用下，上升运动增强，降雪出现。
        （3）干冷垫存在于大部分强降雪过程中。降雪过程中500hPa以冷平流为主，700hPa先暖平流后冷平流，且以暖平流为主，850hPa暖平流或弱冷平流，950hPa以冷平流为主，对流层中下层转冷平流预示降雪结束。降雪前几小时在700hPa上下出现锋面逆温，少数无明显逆温。降雪过程中最强辐合上升运动出现在对流层中上层。对流层中层的水汽通量和水汽辐合都高于低层，比湿则相反。
        （4）降雪前Tbb有个突降过程，降雪后期回升。顺滚流、超低温、低层暖层云和中层冷层云的出现预示着降雪的出现。高层转为西南风或低层转为偏北风、高层出现暖层云，降雪结束。
        参考文献：
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        作者简介
        马鸿青（1976年12月）女，硕士，保定市气象局高级工程师。研究方向：天气预报，市科技局资助项目，项目名称：保定冬季降雪机理研究（项目编号18ZG012）。