馬梁臣 馬洪波 張曦丹 陳子健 李江波

(1.吉林省氣象臺,吉林 長春 130062； 2.東北冷渦研究開放重點(diǎn)實驗室,遼寧 沈陽110166；3.張家口市氣象局,河北 張家口 075000； 4 河北省氣象臺,河北 石家莊 050021)

引言

2022年北京冬季奧林匹克運(yùn)動會(冬奧會)和冬季殘疾人奧林匹克運(yùn)動會(冬殘奧會)共有3個賽區(qū)，分別是北京賽區(qū)、延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)，其中張家口賽區(qū)位于張家口市崇禮區(qū)。冬奧會和冬殘奧會中雪上項目受氣象條件影響較大，降水、氣溫、濕度、能見度、風(fēng)等氣象條件對賽事活動、日程安排、造雪和儲雪以及運(yùn)動員發(fā)揮都可能產(chǎn)生影響，一些極端天氣可能導(dǎo)致賽事的延誤或改期。降水相態(tài)對比賽也有較大影響，新雪蓬松，不利于滑雪運(yùn)動員掌握平衡，暴雪會使能見度明顯降低，雨夾雪會導(dǎo)致積雪出現(xiàn)冰晶層，降雨對雪道的積雪和人工造雪均有較大的破壞作用。

目前已有一些學(xué)者針對冬奧會賽區(qū)氣象條件進(jìn)行了研究[1-3]。研究主要集中在延慶的小海坨山，分別從復(fù)雜地形綜合氣象觀測試驗、在線耦合中—微尺度WRF-LES模式和地面風(fēng)場統(tǒng)計特征進(jìn)行研究。然而針對賽區(qū)雨雪相態(tài)的研究仍然較少。當(dāng)近地面大氣溫度接近0 ℃左右時，降水有可能以凍雨、雪、雨夾雪或霰等固態(tài)降水的形式出現(xiàn)。這類降水事件常與寒冷、冰凍天氣緊密相關(guān)，極易造成基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)冰和嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害等[4]。國內(nèi)外對降水相態(tài)變化及可能成因的研究開展較多[5-8]。由于降水的相態(tài)與溫度的分布特征關(guān)系密切，很多學(xué)者從降水相態(tài)的溫度判據(jù)方面進(jìn)行了細(xì)致研究[9-12]，部分研究發(fā)現(xiàn)不同層次的厚度差和整個對流層低層的溫度平流狀況對降水相態(tài)有重要指示意義[13-14]。也有一些學(xué)者利用天氣學(xué)診斷方法分析雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換和降水強(qiáng)度的預(yù)報指標(biāo)[15]。風(fēng)廓線雷達(dá)等新資料也在雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換天氣過程中得到了應(yīng)用[16-19]。

2020年11月17—19日冬奧會張家口賽區(qū)出現(xiàn)一次明顯的雨轉(zhuǎn)雪天氣，本次過程持續(xù)時間長、雨雪范圍廣、賽場降雪強(qiáng)、降水相態(tài)復(fù)雜，對雪道、賽場的施工、氣象觀測設(shè)備、交通和日常生活造成了不利影響。目前針對復(fù)雜地形和高海拔下的降水相態(tài)的認(rèn)識仍不夠，尤其缺乏冬奧會張家口賽區(qū)的降水相態(tài)的預(yù)報經(jīng)驗指標(biāo)。本文針對此次天氣過程從環(huán)流形勢、溫濕度分布、微物理特征和雷達(dá)特征等方面對降水相態(tài)特征進(jìn)行分析。

1 資料與方法

選用2020年11月17—19日ERA5 0.25°×0.25°高分辨率再分析資料、張家口常規(guī)探空資料和北京冬奧會張家口賽區(qū)氣象觀測站網(wǎng)(冬奧氣象觀測站網(wǎng))資料。其中冬奧會氣象觀測站網(wǎng)資料包括云頂賽場的云頂2號站(B1627)和云頂山底站(B3019)、越野賽場的越野3號站(B1650)、冬季兩項賽場的冬兩4號站(B1646)。北京敏視達(dá)脈沖激光雷達(dá)WindSmarter-10H布置在太子城站(115.44°E、40.92°N，海拔高度為1589.9 m)，時間分辨率為2—4 s，觀測高度在58—1528 m間分辨率為30 m。CFL-06L風(fēng)廓線雷達(dá)布設(shè)在崇禮氣象觀測站內(nèi)(115.27°E、40.95°N，海拔高度為1230 m)，連續(xù)提供150—6000 m探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風(fēng)場、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等，掃描時間6 min，探測模式為低模、高模1和高模2模式。觀測站位置見圖1。采用天氣學(xué)分析、對比分析等方法分析此次降水相態(tài)特征。

紅色數(shù)字為海拔高度圖1 張家口賽區(qū)觀測資料位置及海拔高度信息Fig.1 Position and altitude information of observation stations in Zhangjiakou competition area

2 結(jié)果分析

2.1 天氣實況

2020年11月17—19日冬奧會張家口賽區(qū)出現(xiàn)一次明顯的雨轉(zhuǎn)雪天氣，其中云頂山底站累計降水量達(dá)27.1 mm、云頂2號站26.9 mm、越野3號站24.8 mm、冬兩4號站24.4 mm、崇禮氣象站28.6 mm。降水在18日00—01時(北京時，下同)開始，一直持續(xù)到19日23時前后。根據(jù)冬奧氣象預(yù)報服務(wù)團(tuán)隊隊員觀測的相態(tài)大致轉(zhuǎn)換時間，18日12時前賽場以雨為主，12—14時為雨夾雪或雪，14時之后轉(zhuǎn)為純雪。崇禮氣象站在18時30分轉(zhuǎn)為純雪，較賽場晚4—5 h。其中云頂山底站純雪10.5 mm以上，達(dá)到暴雪量級。云頂賽場降水量略大于越野和冬季兩項賽場。從圖2a張家口賽區(qū)代表站點(diǎn)降水量時間變化曲線可以看出，降水主要集中在18日02—17時，14時轉(zhuǎn)雪后強(qiáng)度仍較大，18日16時最大雪強(qiáng)達(dá)2.8 mm·h-1。隨著干冷空氣的入侵(圖2b)，18日17時前后溫度和相對濕度開始明顯下降，降水量也明顯減小。干冷空氣控制后，云頂賽場的降水量略大于越野和冬季兩項賽場，之前兩個賽場差異較小。受較明顯天氣系統(tǒng)影響期間，云頂賽場的溫度低于越野和冬季兩項賽場，濕度高于越野和冬季兩項賽場。降水減小后溫濕度出現(xiàn)日變化特征。

圖2 張家口賽區(qū)代表站點(diǎn)逐時降水量(a)和溫濕度(b)時間變化Fig.2 Time series of precipitation (a),temperature and relative humidity (b) at representative stations in Zhangjiakou competition area

2.2 環(huán)流特征和影響系統(tǒng)

2020年11月17日20時(圖3a)500 hPa中高緯度為兩槽一脊形勢，內(nèi)蒙古中南部有一淺槽，槽后有明顯的冷平流，有利于槽的快速加強(qiáng)發(fā)展。崇禮(冬奧會張家口賽區(qū)所在區(qū)縣)位于高空槽前，槽前為正渦度平流區(qū)，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下產(chǎn)生高空輻散并有暖脊配合，處于明顯的西南氣流中。18日20時(圖3b)高空淺槽東移加強(qiáng)發(fā)展，槽南部的等高線密集，槽后部仍有冷平流存在。

2020年11月18日08時(圖4a)700 hPa在內(nèi)蒙古中南部有一低空低渦，崇禮位于低渦前部，有明顯的西南暖濕急流，在河北北部形成風(fēng)速輻合線，此時河北大部均在暖區(qū)內(nèi)，冬奧賽場溫度在-1 ℃左右，降水相態(tài)為雨。14時(圖4b)低渦東移南下，崇禮位于低渦中心附近偏南部，700 hPa槽線接近賽場，700 hPa溫度低于-2 ℃，此時賽場降水相態(tài)開始由雨轉(zhuǎn)為雪，崇禮縣城仍以雨為主。20時(圖4c)低渦進(jìn)一步東移，崇禮位于低渦后部，有明顯的干冷平流影響，700 hPa溫度為-4 ℃，崇禮附近仍有橫切變線存在，此時冷空氣已經(jīng)入侵，降水相態(tài)賽場及縣城附近均以雪為主。從3個時次的(圖4d、圖4e和圖4f)850 hPa溫度場和3 h變溫分布可以看出，降雨時(18日08時)崇禮附近850 hPa溫度為3 ℃左右，3 h負(fù)變溫在1 ℃以內(nèi)；雨雪轉(zhuǎn)換時刻(18日14時)850 hPa溫度為2 ℃左右，3 h負(fù)變溫達(dá)到2 ℃；降雪時(18日20時)850 hPa溫度為0 ℃左右，3 h負(fù)變溫在3 ℃以上。以上分析發(fā)現(xiàn)，低層前期的暖濕氣流輸送為降水提供了較好的能量和水汽條件，后期強(qiáng)的干冷平流為相態(tài)轉(zhuǎn)換提供有利條件。賽區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪時，700 hPa溫度低于-2 ℃，同時850 hPa溫度低于2 ℃。

實線為等高線，單位為dagpm；風(fēng)羽單位為m·s-1；虛線為等溫線，單位為℃圖3 2020年11月17日(a)和18日(b)20時500 hPa位勢高度、風(fēng)場和等溫線Fig.3 Distributions of geopotential height,wind field,and isotherm at 500 hPa at 20:00 on November 17 (a) and 18 (b),2020

虛線為等溫線，單位為℃；風(fēng)羽單位為 m·s-1；700 hPa填色為相對濕度，單位為%；850 hPa填色為3 h變溫，單位為 ℃·3 h-1圖4 2020年11月18日08時(a)、14時(b)和20時(c)700 hPa形勢場和08時(d)、14時(e)和20時(f)850 hPa溫度場和變溫場Fig.4 Distributions of weather situation field at 700 hPa at 08:00 (a),14:00 (b) and 20:00 (c) and temperature and variable temperature fields at 850 hPa at 08:00 (d),14:00 (e) and 20:00 (f) on November 18,2020

2.3 溫濕層結(jié)和微物理特征

溫度的垂直分布是決定降水相態(tài)的重要因素之一。當(dāng)高空的環(huán)境溫度在-10～0 ℃之間，一般以過冷卻水的形式存在，-10 ℃以下時有利于冰晶顆粒物的成長。圖5給出了雨轉(zhuǎn)雪過程距離崇禮最近的張家口探空站探空曲線演變?？梢钥闯?，11月18日08時(圖5a)-10 ℃線位于540 hPa左右，0 ℃線位于730 hPa左右，800 hPa附近有逆溫層，暖層(融化層)深厚，低層?xùn)|南風(fēng)風(fēng)速小，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有明顯的暖平流，此時地面降水相態(tài)以雨為主；11月18日20時(圖5b)-10 ℃線位于560 hPa左右，0 ℃線下降到850 hPa左右，700—850 hPa存在弱的等溫層，但溫度在0 ℃以下，低層風(fēng)速明顯增大，轉(zhuǎn)為西北或偏北風(fēng)，風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，冷平流已經(jīng)控制該區(qū)域，此時地面降水相態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠?。? ℃層高度的時間變化曲線(圖略)可以看出，14時前后賽場的0 ℃層高度降至800 hPa約400 m，地面已經(jīng)出現(xiàn)純雪。而且其快速下降也是相態(tài)轉(zhuǎn)換的標(biāo)志。以上分析表明，在地面降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)化雪的過程中，高空冰晶層的高度是逐漸下降的，但0 ℃層高度的下降是相態(tài)轉(zhuǎn)換的重要溫度判據(jù)。0 ℃層高度的明顯下降，增加了高空固態(tài)或固液混合態(tài)降水物的存在厚度，在一定程度上減小了融化層的厚度，從而增大了到達(dá)地面的降水相態(tài)為雪的概率。同時由于賽場的海拔較高(1600—2100 m)，850 hPa(對應(yīng)高度)已經(jīng)接近于或到達(dá)地面，所以0 ℃線降到地面降水相態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧冄?，降?00 hPa約400 m地面出現(xiàn)純雪。

虛線為溫度，單位為℃；灰實線為露點(diǎn)溫度，單位為 ℃；黑線為狀態(tài)曲線，單位為℃圖5 2020年11月18日08時(a)和20時(b)張家口探空曲線Fig.5 Sounding curves at 08:00 (a) and 20:00 (b) on November 18,2020,in Zhangjiakou area

為了進(jìn)一步分析降水相態(tài)轉(zhuǎn)換風(fēng)場等特征，圖6給出了2020年11月17—19日太子城激光雷達(dá)和崇禮風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)、垂直風(fēng)速、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)時間—高度剖面圖。激光測風(fēng)雷達(dá)主要探測大氣中氣溶膠粒子進(jìn)而得到風(fēng)的數(shù)據(jù)，風(fēng)廓線雷達(dá)根據(jù)大氣中的湍流情況得到風(fēng)場信息。從圖6a太子城激光雷達(dá)水平風(fēng)場中可以看出，風(fēng)場數(shù)據(jù)的有無和探測高度與圖2a的降水實況關(guān)系密切。18日00時前降水未開始，激光測風(fēng)雷達(dá)的探測高度在500 m左右。開始出現(xiàn)降雨后探測高度明顯增加，邊界層內(nèi)以西南風(fēng)為主。08—10時，由于降雨減弱粗粒子減少，加之前期降水對氣溶膠粒子的濕清除作用，風(fēng)場數(shù)據(jù)明顯減少并且高度下降。12—17時，出現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換時段探測高度增加，近地層400 m以下轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，降水對激光測風(fēng)雷達(dá)的探測高度有明顯影響，降雪時雷達(dá)最大探測高度比降雨時有明顯的降低，雨夾雪或雪探測高度在400 m左右，近地層為偏東風(fēng)時相態(tài)比較復(fù)雜。

崇禮氣象站在18日18時30分轉(zhuǎn)為純雪，較賽場晚4—5 h。從崇禮風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)時間—高度剖面圖(圖6b)可以看出，18日00時前還未出現(xiàn)降雨，近地面為弱偏東風(fēng)，500 m以上為西南氣流，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流輸送。由于激光測風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)布設(shè)位置不同，激光雷達(dá)高度要高400 m左右，所以與降水前激光雷達(dá)觀測到的西南氣流結(jié)果一致。隨著近地面偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，低層冷墊建立，東南風(fēng)高度抬升，中高層偏南風(fēng)和西南氣流也開始抬高，降雨天氣開始。低層偏東風(fēng)冷墊隨著降雨的持續(xù)而逐漸增厚。地面冷鋒在18日14時前后過境崇禮，高空的鋒區(qū)有后傾特征，18日14時之后風(fēng)向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)，有明顯的冷平流，低層開始轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，是賽區(qū)出現(xiàn)純雪時段，此時低層冷墊厚度達(dá)1.5 km。崇禮氣象站在18日18時偏北風(fēng)高度達(dá)2 km后出現(xiàn)純雪。降雪開始后最大探測高度較降雨時有一定的降低。綜上所述，低層風(fēng)場的變化和雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系密切，當(dāng)?shù)蛯永鋲|中偏北風(fēng)不斷增強(qiáng)，高度增加到1.5 km附近時，降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)為雪。

風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度為相對于雷達(dá)垂直方向波束的多普勒徑向速度，正的代表朝向雷達(dá)的運(yùn)動，負(fù)的代表離開運(yùn)動，降水發(fā)生時風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度主要是降水粒子下落速度。由崇禮風(fēng)廓線雷達(dá)垂直風(fēng)速時間—高度剖面圖(圖6c)可以看出，18日00時降水開始前垂直速度小于2 m·s-1，01—02時降水開始時垂直速度迅速升至 4 m·s-1以上，所以垂直速度迅速增大可以表示降水的開始。04時前后和13—15時雨強(qiáng)較強(qiáng)，對應(yīng)1 km以下垂直速度為6 m·s-1以上，因此降雨強(qiáng)度的變化與垂直速度的變化相對應(yīng)。崇禮氣象站在18日18時30分轉(zhuǎn)為純雪，垂直速度迅速減小至1—2 m·s-1，產(chǎn)生的原因是降雪粒子的下落末速度比降雨粒子的速度小，相態(tài)轉(zhuǎn)換時垂直速度出現(xiàn)迅速下降，所以風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直速度的變化也能反映雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖6 2020年11月17—19日太子城激光雷達(dá)水平風(fēng)(a)和崇禮風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)(b)、崇禮垂直風(fēng)速(c)、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(d)時間—高度剖面Fig.6 Time-height profiles of horizontal wind of Taizicheng laser lidar (a) and Chongli wind profile radar (b),vertical winds speed of Chongli (c),and atmospheric structure constant of refractive index (d) from November 17 to 19,2020

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(Cn2)用來描述大氣湍流運(yùn)動對電磁波的后向散射能力，它與風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)、溫度、濕度、空氣脈動等因素有關(guān)。由崇禮風(fēng)廓線雷達(dá)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)時間—高度剖面圖(圖6d)可以看出，在降水開始后大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)逐漸加大，與垂直速度有較好的對應(yīng)關(guān)系。隨著降水相態(tài)逐漸由雨轉(zhuǎn)雪，近地面Cn2的值明顯減小，而且迅速減小的時間較轉(zhuǎn)為純雪偏早5 h左右。

雨和雪在相態(tài)轉(zhuǎn)換過程會經(jīng)過復(fù)雜的微物理過程，不同的云層分布和溫濕度廓線都可能影響粒子落地前的狀態(tài)(相態(tài)和大小)。為了探討本次過程中地面降水相態(tài)類型改變前后的固、液態(tài)降水物的垂直分布變化情況，選取崇禮附近的點(diǎn)(41°N，115.25°E)做云冰和云水以及雪水和雨水含量的時間—高度剖面圖(圖7)。云冰主要存在400 hPa附近，中心在0.2 g·kg-1左右；云液態(tài)水主要存在550 hPa以及近地面800 hPa附近，最大值接近0.4 g·kg-1。雪水主要存在700 hPa附近，中心在0.6 g·kg-1左右；雨水主要存在800 hPa以下的近地面，最大值接近0.1 g·kg-1。賽區(qū)12時前以雨為主，12—14時混合相態(tài)居多，14時后基本轉(zhuǎn)為雪。對應(yīng)云冰和云水以及雪水和雨水含量發(fā)現(xiàn)，高空云冰和雪水含量逐漸增加，在高空云冰和雪水含量出現(xiàn)最大值后，降水相態(tài)開始轉(zhuǎn)換。低空的云水和雨水含量逐漸降低，存在高度逐漸下降，雪水存在的高度也在下降。高空開始出現(xiàn)冰晶和雪水后，其下落過程中與過冷卻水碰并聚合增長，最后出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪。當(dāng)?shù)蛯永淇諝馊肭趾?，加快了雨水的凝結(jié)或凝華使其含量迅速減少，最后出現(xiàn)純雪。

單位為g·kg-1圖7 2020年11月17—19日崇禮附近(41°N,115.25°E)云冰和云水(a)以及雪水和雨水(b)含量的時間—高度剖面Fig.7 Time-height cross-section profiles of the content of cloud ice and cloud water (a) and snow water and rainwater (b) near Chongli (41°N,115.25°E) from November 17 to 18,2020

3 結(jié)論

(1)本次雨轉(zhuǎn)雪天氣過程在中高緯度為兩槽一脊形勢，低空低渦為主要影響系統(tǒng)，賽區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪時，700 hPa溫度低于-2 ℃，同時850 hPa溫度低于2 ℃。

(2)低層風(fēng)向的轉(zhuǎn)向?qū)悎龅挠暄┫鄳B(tài)轉(zhuǎn)換有一定的指示意義，0 ℃層高度的快速下降是相態(tài)轉(zhuǎn)換的重要溫度判據(jù)，賽場0 ℃線降到距地面400 m左右降水相態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧冄?/p>

(3)在高空云冰和雪水含量出現(xiàn)最大值后雨雪相態(tài)開始轉(zhuǎn)換，之后低空的云水和雨水含量逐漸降低，存在高度逐漸下降，雪水存在的高度也在下降。當(dāng)?shù)蛯永淇諝馊肭趾蟪霈F(xiàn)純雪。

(4)降雪時激光測風(fēng)雷達(dá)最大探測高度比降雨時有明顯的降低，雨夾雪或雪探測高度在400 m左右，近地層為偏東風(fēng)時相態(tài)比較復(fù)雜。風(fēng)廓線雷達(dá)低層風(fēng)場的變化和雨雪相態(tài)關(guān)系密切，風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度的變化也能反映雨雪相態(tài)的轉(zhuǎn)換，降水開始后大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)逐漸加大。