趙恩榕 , 潘筱龍 , 姚 蓉* , 陳 龍 , 姚 倩 , 蘇 濤

（1.湖南省氣象臺(tái)，長(zhǎng)沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；3.湖南省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，長(zhǎng)沙 410021）

引 言

暴雪是我國(guó)中東部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的一類(lèi)災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，常常造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者先后對(duì)暴雪過(guò)程中氣候背景、天氣形勢(shì)、熱力動(dòng)力特征和影響暴雪的水汽條件、垂直速度、渦度等物理量進(jìn)行了大量的深入研究。尹東屏等[1]研究指出低溫雨雪等災(zāi)害天氣具有明顯的年際、年代際變化特征。高輝等[2]分析了2007—2008 年初的拉尼娜事件，發(fā)現(xiàn)其是造成2008 年南方極端雪災(zāi)的氣候背景。姚蓉等[3]研究發(fā)現(xiàn)冬季南支槽分裂的低槽對(duì)湖南地區(qū)降雪強(qiáng)弱和維持有較大的影響。莊曉翠等[4]、李津等[5]、馮麗莎等[6]均分析了中層西南暖濕氣流、低層偏北氣流的配置，發(fā)現(xiàn)其對(duì)暴雪產(chǎn)生有增幅作用。對(duì)中國(guó)南方地區(qū)而言，雨雪轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因素為700 hPa 濕度和整層大氣溫度層結(jié)[7-9]，深厚的濕層、高低層急流耦合、中層低槽和地面冷空氣等均可為暴雪加強(qiáng)提供有利的水汽條件和動(dòng)力抬升條件[10-14]，而700 hPa 正渦度平流中心對(duì)暴雪發(fā)生有一定的指示意義[15]。

近年來(lái)，多普勒雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于雨雪過(guò)程監(jiān)測(cè)。已有研究[16-19]表明，對(duì)于大氣中降水屬性的判斷與識(shí)別、觀測(cè)和分類(lèi)，雙極化多普勒天氣雷達(dá)有較好的指示意義。目前，雙極化多普勒天氣雷達(dá)資料大多被用于研究夏季強(qiáng)對(duì)流天氣，尤其是冰雹、雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣[20-22]；冬季降水由于雷達(dá)回波較弱且受融化層干擾，導(dǎo)致對(duì)降水粒子相態(tài)判斷不足[23-25]，故而針對(duì)冬季低溫雨雪過(guò)程的研究成果相對(duì)偏少。特別是在取消夜間人工常規(guī)觀測(cè)業(yè)務(wù)后，對(duì)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的監(jiān)測(cè)能力下降，使得雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)預(yù)警難度進(jìn)一步加大。

2022 年2 月22—23 日湖南中部地區(qū)發(fā)生了一次降雪強(qiáng)度大、維持時(shí)間短、雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換快、積雪范圍廣以及積雪深度大的低溫雨雪過(guò)程，多地積雪深度突破歷史極值，并伴有輕度雨凇和凍雨，致使省內(nèi)交通、農(nóng)業(yè)乃至城鄉(xiāng)居民日常生活均受到了嚴(yán)重影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到23 日07 時(shí)，共有受災(zāi)人口20.76 萬(wàn)人，受災(zāi)農(nóng)作物面積8740.44 hm2，倒塌房屋25 戶(hù)171 間，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.18 億元。針對(duì)此次極端暴雪過(guò)程，本文基于站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料、再分析資料和紅外衛(wèi)星資料，首先分析了極端暴雪過(guò)程概況、環(huán)流背景以及冷云團(tuán)變化特征，再進(jìn)一步應(yīng)用雙極化多普勒天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品研判融化層高度、降水粒子相態(tài)屬性，最后使用風(fēng)廓線（Vertical Wind Profile，VWP）產(chǎn)品揭示高空風(fēng)場(chǎng)以及冷暖平流隨時(shí)間的演變，旨在為加強(qiáng)雙極化多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品在降水相態(tài)識(shí)別及極端降雪監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。本研究是首次將2021 年才投入湖南省業(yè)務(wù)應(yīng)用的雙極化多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品用于冬季極端降雪監(jiān)測(cè)，同時(shí)運(yùn)用雙極化多普勒天氣雷達(dá)模糊邏輯判斷法[26-27]分析此次天氣過(guò)程，其對(duì)極端降雪短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警業(yè)務(wù)具有重要參考價(jià)值。

1 極端暴雪過(guò)程概況和環(huán)流形勢(shì)演變

1.1 暴雪過(guò)程實(shí)況

2022 年2 月17—23 日湖南省出現(xiàn)一次低溫雨雪天氣過(guò)程，主要分為17 日晚間至19 日白天、19 日晚間至21 日以及22 日至23 日凌晨共三個(gè)階段，其中降雪影響范圍最廣且強(qiáng)度最大的第三階段是本文的分析重點(diǎn)。如圖1 所示，此次天氣過(guò)程中，湖南省12 個(gè)市州65 個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)降雪，尤以湘中地區(qū)最為嚴(yán)重，有18 個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)暴雪，11 個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)大暴雪，12 個(gè)縣市區(qū)出現(xiàn)特大暴雪；邵陽(yáng)市區(qū)、邵陽(yáng)縣最大積雪深度達(dá)30 cm，位居1961 年以來(lái)288 次過(guò)程第6 位，為2011 年以來(lái)最強(qiáng)；邵陽(yáng)市區(qū)、邵陽(yáng)縣、隆回、洞口、洪江積雪深度均突破當(dāng)?shù)貧v史極值，武岡與當(dāng)?shù)貧v史極值持平（表1）。

表1 積雪深度突破或平歷史記錄臺(tái)站信息

圖1 2022 年2 月22 日08 時(shí)—23 日02 時(shí)湖南省積雪深度（a，單位：cm）和累計(jì)雨量（b，單位：mm）空間分布

1.2 環(huán)流背景與影響系統(tǒng)演變

圖2 給出了此次低溫雨雪天氣過(guò)程的環(huán)流背景。22 日20 時(shí)500 hPa 上，歐亞大陸為兩槽一脊的倒Ω流型，貝加爾湖上空為阻塞高壓脊（阻高17 日建立并穩(wěn)定向東移動(dòng)），鄂霍茨克海上空龐大的低渦系統(tǒng)緩慢東移，致使阻高東移緩慢；脊前冷空氣不斷在華北地區(qū)堆積，使得該地上空有一冷性橫槽，槽后強(qiáng)盛的偏北風(fēng)帶動(dòng)冷空氣南侵并在蒙古國(guó)—河套—內(nèi)蒙一帶堆積，地面上有兩個(gè)龐大的冷高壓中心，分別位于蒙古國(guó)西部和內(nèi)蒙東部，中心氣壓分別為1045 hPa和1042.5 hPa，地面1032.5 hPa 線壓至南嶺山脈地區(qū)，湘中地區(qū)地面氣溫在0 ℃以下；低緯度地區(qū)南支系統(tǒng)發(fā)展東移，將孟加拉灣的暖濕水汽源源不斷地向湘中輸送。從風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，700 hPa 自云南、湘中往江南一帶有明顯的強(qiáng)風(fēng)速帶，22 日08—23 時(shí)發(fā)展最為旺盛，最大風(fēng)速達(dá)20 m/s，使得湖南地區(qū)上空濕層增厚，急流左側(cè)有切變生成并東移；同時(shí)，高原東部有短波槽東移與南支槽同位相合并加強(qiáng)，低槽與切變線系統(tǒng)的移入使得湘中上空動(dòng)力擾動(dòng)作用增強(qiáng)，將水汽強(qiáng)烈輻合抬升；850 hPa 東北急流建立，風(fēng)速達(dá)16 m/s，深厚冷墊的強(qiáng)迫斜升作用加強(qiáng)了水汽的輻合上升。從高低空鋒區(qū)強(qiáng)度（圖略）來(lái)看，650～850 hPa 均有強(qiáng)鋒區(qū)發(fā)展，說(shuō)明該時(shí)段鋒區(qū)的強(qiáng)烈發(fā)展導(dǎo)致大氣層結(jié)對(duì)流不穩(wěn)定，為降水的發(fā)生發(fā)展提供了較好的能量條件，再配合溫度快速下降至0 ℃以下的溫度層結(jié)，使得雨快速轉(zhuǎn)為雨夾雪或純雪。23 日02 時(shí)，隨著200 hPa 高壓脊以西轉(zhuǎn)為暖平流，500 hPa 以西轉(zhuǎn)為冷平流，不利于阻高發(fā)展，最終阻高崩潰減弱，南支波動(dòng)和700 hPa 急流軸的移出共同導(dǎo)致動(dòng)力抬升、水汽及能量條件的減弱，同時(shí)位于冷高壓后部的地面受偏南氣流控制，逐步增溫，過(guò)程趨于結(jié)束。綜上可知，此次過(guò)程中湖南地區(qū)最強(qiáng)降雪階段與700 hPa 急流最強(qiáng)時(shí)段對(duì)應(yīng)。

圖2 2022 年2 月22 日20 時(shí)（a）500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（黑色等值線，單位：dagpm）和溫度場(chǎng)（紅色等值線，單位：℃），（b）700 hPa、（c）850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿，單位： m/s）和溫度場(chǎng)（紅色等值線，單位：℃）以及（d）地面氣壓場(chǎng)（填色，單位：hPa）空間分布（紅色箭頭為急流軸，紅色雙實(shí)線為切變線，）

2 冷云團(tuán)演變特征

高層冷平流、低層暖平流形成的不穩(wěn)定層結(jié)有利于對(duì)流發(fā)生。當(dāng)對(duì)流發(fā)展到一定階段，云體伸入0 ℃層高度以上，云中會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷水滴、霰粒和冰晶等，這種由不同相態(tài)的水汽凝結(jié)物形成的溫度低于 0℃的云即冷云。根據(jù)此次極端暴雪過(guò)程中主要降雪時(shí)段的云頂亮溫（TBB）時(shí)間演變，可將整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段，即22 日04—09 時(shí)為醞釀發(fā)展階段，22 日10—23 時(shí)為成熟階段，23 日00—03 時(shí)為減弱階段。

22 日04 時(shí)和05 時(shí)（圖略），分別在四川以南、貴州以南存在塊狀云團(tuán)，其TBB 最低值約為-25 ℃，共同形成了湘中降雪的源地；較低的云則向孟加拉灣延伸，同樣說(shuō)明水汽自孟加拉灣不斷向湘中輸送；在高原東側(cè)川西地區(qū)低槽加深，引導(dǎo)低層低值系統(tǒng)發(fā)展，對(duì)應(yīng)有擾動(dòng)云系生成東移，隨后與南支槽云系疊加并互相影響；隨著700 hPa 急流增強(qiáng)，該急流軸左側(cè)的另一云帶呈西南—東北向移動(dòng)發(fā)展，最后與南支槽云系疊加互相影響，是此次極端暴雪過(guò)程中云帶發(fā)展與維持的重要原因。

如圖3a 所示，22 日07 時(shí)湘西地區(qū)面積較大的塊狀云中不斷有TBB＜-20 ℃的小塊狀云新生，并自西南向東北移動(dòng)發(fā)展，其中TBB 最低值為-25 ℃，此時(shí)湘西州、懷化部分地區(qū)受其影響開(kāi)始降雪。10 時(shí)（圖3b），隨著云系在東移過(guò)程中持續(xù)發(fā)展，TBB＜-25 ℃塊狀云的面積逐步擴(kuò)大，影響邵陽(yáng)地區(qū)，致使當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)降雪。16 時(shí)（圖略），在南下冷空氣與顯著增強(qiáng)的西南急流引導(dǎo)下，東移的冷云帶與急流左側(cè)的西南—東北向移動(dòng)云帶合并疊加，湖南地區(qū)最小TBB 值約為-35 ℃，呈西南—東北走向帶狀發(fā)展并增強(qiáng)；此時(shí)湘中處于兩云系相交區(qū)域，冷暖空氣匯合較明顯，不穩(wěn)定層結(jié)增強(qiáng)，高空鋒區(qū)明顯，同時(shí)冷空氣的強(qiáng)迫抬升作用有利于冷云團(tuán)的生成并發(fā)展。17 時(shí)（圖3c），上述云系逐漸連成片，范圍繼續(xù)擴(kuò)大，形成一條西起貴州經(jīng)湘、鄂東至安徽的寬廣云帶，寬約700 km，長(zhǎng)約1700 km，云帶中存在數(shù)個(gè)TBB＜-30 ℃塊狀β 中尺度云團(tuán)，呈現(xiàn)出上升的楔形分布特征，說(shuō)明中層暖濕氣流沿低層冷墊爬升。由于干冷空氣持續(xù)侵入，使得云帶北側(cè)TBB梯度逐漸增強(qiáng)，北側(cè)邊界越發(fā)清晰，結(jié)構(gòu)較南側(cè)更為緊密，因此云帶能長(zhǎng)時(shí)間維持?？梢?jiàn)，22 日10—23時(shí)不斷有云系生成，且云帶整體自西南向東北移動(dòng)，反復(fù)影響湘中地區(qū)，形成“列車(chē)效應(yīng)”，使降雪時(shí)間維持較長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，該時(shí)段湘中一帶出現(xiàn)暴雪或特大暴雪，18 個(gè)縣市積雪深度超過(guò)10 cm，其中邵陽(yáng)縣、邵陽(yáng)、洪江、隆回、漣源積雪深度均超過(guò)20 cm，邵陽(yáng)縣更是深達(dá)30 cm。

圖3 2022 年2 月22 日07 時(shí)（a）、10 時(shí)（b）、17 時(shí)（c）和23 日00 時(shí)（d）TBB 空間分布（填色，單位：℃）

23 日00 時(shí)（圖3d），隨著700 hPa 西南急流減弱，水汽、不穩(wěn)定能量以及動(dòng)力抬升作用減弱，冷云不再發(fā)展，TBB＜-25 ℃的云團(tuán)逐步東移出湖南地區(qū)，西部冷云團(tuán)雖已消失，但由于低層云仍存在，因而湘中部分地區(qū)仍有一些小雪或雨夾雪。直至02 時(shí)（圖略），湖南地區(qū)云帶完全移出，降雪趨于停止。

綜上可知：成熟階段隨著云帶自西南向東北移動(dòng)，而嵌入其中的β 尺度云團(tuán)不斷新生，反復(fù)影響湘中地區(qū)，形成類(lèi)似列車(chē)效應(yīng)的傳播是此次極端暴雪的主要原因；TBB＜-30 ℃冷云團(tuán)邊緣最大梯度位置與暴雪落區(qū)對(duì)應(yīng)較好，對(duì)湖南暴雪落區(qū)預(yù)報(bào)具有一定指示意義。

3 降雪的雙極化多普勒天氣雷達(dá)特征

雙極化多普勒天氣雷達(dá)比非偏振多普勒天氣雷達(dá)多3 個(gè)基本產(chǎn)品，即相關(guān)系數(shù)（CC）、差分反射率（ZDR）、差分相移率（KDP），對(duì)冬季降水相態(tài)的識(shí)別效果較好。由于氣象粒子性質(zhì)均一且規(guī)則對(duì)應(yīng)較高CC 值，而粒子性質(zhì)不一且形狀不規(guī)則對(duì)應(yīng)較低CC值且噪聲大，因此可根據(jù)CC 值識(shí)別融化層。ZDR 值隨氣象粒子水平尺寸與垂直尺寸的差值增大而顯著增大，其中一般雨滴呈扁平的旋轉(zhuǎn)橢球形（ZDR＞0），大雨滴呈更扁平的橢球形（ZDR 可達(dá)3～5 dB），冰雹接近于球形（ZDR 值近似為0），但融化的小冰雹可呈現(xiàn)出大雨滴的特征。KDP 可以用來(lái)識(shí)別強(qiáng)降水區(qū)域，數(shù)值越大通常反映出正常大氣中雨滴數(shù)量較多且粒子形狀較大較扁平，而且固態(tài)粒子對(duì)KDP 貢獻(xiàn)很小，使其對(duì)暖云降水的指示作用強(qiáng)于冷云降水。

3.1 雙極化多普勒天氣雷達(dá)對(duì)融化層的判斷

日常業(yè)務(wù)中，冬季低溫雨雪過(guò)程中對(duì)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)以及監(jiān)測(cè)能力都較為薄弱，若融化層能被判斷出來(lái)，再通過(guò)分析得到粒子相態(tài)，則能提前預(yù)報(bào)預(yù)警雨雪過(guò)程的轉(zhuǎn)換。由于湖南地區(qū)目前僅有4 部雙極化多普勒雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用，偏西部地區(qū)的僅邵陽(yáng)站，故本節(jié)以邵陽(yáng)地區(qū)為例，對(duì)該次雨雪過(guò)程融化層高度進(jìn)行分析判斷。

分析22 日08 時(shí)邵陽(yáng)雙極化多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子空間分布（圖4a）可知，此時(shí)邵陽(yáng)地區(qū)降水量級(jí)為小雨，距邵陽(yáng)西北方向50～100 km的地區(qū)回波強(qiáng)度較弱，且未顯示出明顯的0 ℃層亮帶特征，難以獲得有關(guān)融化層的信息。因此，進(jìn)一步對(duì)邵陽(yáng)雙極化多普勒天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品沿圖4a 中AB線位置所作的垂直剖面（圖4c～f）進(jìn)行分析。從圖4c可以看出，回波頂高度在5 km 附近，1.7～3.2 km 高度上存在30 dBZ 以上的顯著大值區(qū)（最大值小于45 dBZ），分布較為平直（圖中雙紅線），與0 ℃層亮帶特性一致。結(jié)合CC 產(chǎn)品（圖4d）可知，其0.8～0.9 之間的低值帶同樣位于1.7～3.2 km 高度（圖中白線）。分析ZDR產(chǎn)品（圖4e）發(fā)現(xiàn)，在1.7～3.2 km 高度上的粒子水平尺寸較垂直尺寸偏大。綜上可知，依據(jù)雙極化多普勒天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品表現(xiàn)出的特征并結(jié)合模糊邏輯法，可判斷此處為融化層高度。由于此次降雪是自西向東發(fā)展，上文所選剖面接近懷化探空站，因此圖4b 給出了懷化站探空分析。如圖所示，700 hPa 附近存在一個(gè)溫度在0 ℃的淺薄暖層，較為符合雙極化多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)融化層高度的主觀判斷，說(shuō)明綜合分析雙極化多普勒天氣雷達(dá)各項(xiàng)產(chǎn)品來(lái)判斷融化層高度是基本準(zhǔn)確的。由于所選剖面位于雪峰山，其海拔高度約1500 m，因此還是考慮以固液混合相態(tài)為主。隨著冷空氣的快速南壓，大氣環(huán)境溫度迅速降低，融化層高度因此降低，09 時(shí)dBZ 大值區(qū)開(kāi)始接地（圖4f），同時(shí)從CC 圖（圖略）可以看出越往西邊CC 值越高（接近0.99），反映出純雪特征，表明此時(shí)邵陽(yáng)西部開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)為純雪，而邵陽(yáng)本站從10 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)純雪（圖4g）。

圖4 2022 年2 月22 日08 時(shí)邵陽(yáng)雙極化多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角反射率因子空間分布（a，單位：dBZ），懷化T-lnP（b），沿圖a中AB 的雷達(dá)反射率因子（c，單位：dBZ）、相關(guān)系數(shù)（d）、差分反射率（e，單位：dB）垂直剖面；22 日09 時(shí)沿圖a 中AB 的雷達(dá)反射率因子垂直剖面（f，單位：dBZ）；21 日20 時(shí)—23 日02 時(shí)邵陽(yáng)逐時(shí)降水量及降水相態(tài)變化（g，單位：mm）

3.2 降雪開(kāi)始階段

如圖5a 所示，21 日23 時(shí)26 分在長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)的西南偏西方向50～150 km 區(qū)域（漣源站附近），已出現(xiàn)連續(xù)的片狀回波，回波強(qiáng)度30～35 dBZ。如圖5b 所示，50 km 圈層內(nèi)是一致的東北風(fēng)，表明低層冷空氣不斷南下，形成冷墊；50 km 圈層外是一致的西南風(fēng)，其高度約為700 hPa，表明700 hPa 有較強(qiáng)的西南水汽輸送，同時(shí)伴隨著風(fēng)速的輻合。對(duì)應(yīng)在圖5c 中，雷達(dá)西南方向相關(guān)系數(shù)CC 呈較均勻的“紅酒”色，數(shù)值均大于0.98，表明700 hPa 高度粒子相態(tài)均一。實(shí)際上，此時(shí)在漣源已經(jīng)出現(xiàn)小雪，結(jié)合地面溫度接近0 ℃且850 hPa 溫度在-2 ℃以下的條件，可以判斷出西南方向700 hPa 高度的粒子相態(tài)為純雪。同時(shí)在圖5d 中，西南方向大片區(qū)域ZDR 值在0.5 以下，KDP 值也較?。▓D5e），符合干雪相態(tài)特征。根據(jù)圖5f 可把該區(qū)域判定為干雪，說(shuō)明客觀分類(lèi)產(chǎn)品有一定參考意義。

圖5 2022 年2 月21 日23 時(shí)26 分長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角反射率因子（a，單位：dBZ）、1.5°仰角平均速度（b，單位：m/s）、相關(guān)系數(shù)（c）、差分反射率（d，單位：dB）、差分相移率（e，單位：°/km）、粒子分類(lèi)（f）空間分布

如圖5c 所示，在距離雷達(dá)中心西偏南方向100～150 km 的紅圈區(qū)域（雙峰站附近），CC 值在0.8～0.9 之間，表現(xiàn)出較為雜亂且偏小的特征，說(shuō)明此區(qū)域粒子性質(zhì)差異大。這是由于雷達(dá)接收到一個(gè)取樣體積內(nèi)的水平極化波和垂直極化波脈沖的相似度較小，反映了至少存在兩種以上相態(tài)的粒子，導(dǎo)致CC 值偏小。結(jié)合雙峰站垂直溫度層結(jié)（圖略）分析，發(fā)現(xiàn)700 hPa存在明顯的暖性逆溫層，可推斷出雙峰附近存在不同相態(tài)粒子的混合，從而導(dǎo)致CC 值較小，因此初步判斷該區(qū)域?yàn)槿诨瘜?。從圖5d 中紅圈區(qū)域來(lái)看，ZDR值呈現(xiàn)不均一狀態(tài)，且ZDR 值略高于其它地區(qū)，最大值超過(guò)2.5 dB。雖然冬季700 hPa 溫度相對(duì)較低，但南支槽前西南急流提供了動(dòng)力以及水汽條件，同時(shí)該區(qū)域有明顯的風(fēng)速輻合，也利于粒子碰并形成大雨滴或者大的雨雪混合物，這是其ZDR 值較其余純雪區(qū)域偏大的原因，也表明該區(qū)域是融化層的可能性非常大。從實(shí)況來(lái)看，此時(shí)紅圈區(qū)域（雙牌站附近）出現(xiàn)了雨夾雪。需要指出的是，圖5e、f 中紅圈區(qū)域均呈現(xiàn)出黑色，這是由于CC 值低于0.9 時(shí)，雙極化多普勒天氣雷達(dá)RPG 軟件不對(duì)KDP 和粒子相態(tài)分類(lèi)（HCL）產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)致的，也說(shuō)明KDP 對(duì)粒子相態(tài)轉(zhuǎn)換判定的指示意義不顯著。

3.3 降雪最強(qiáng)時(shí)段

22 日12 時(shí)，一條西南—東北向的較強(qiáng)回波帶出現(xiàn)在長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)站南側(cè)，并從14 時(shí)開(kāi)始逐步加強(qiáng)，長(zhǎng)度在16 時(shí)達(dá)到275 km 左右（圖6a），中心回波強(qiáng)度在30～35 dBZ 之間，12—20 時(shí)該較強(qiáng)回波帶不斷自西南向東北傳播，反復(fù)影響湘中地區(qū)，同樣形成類(lèi)似“列車(chē)效應(yīng)”，導(dǎo)致此次降雪過(guò)程持續(xù)約13 h（圖6g），甚至造成湘中地區(qū)暴雪；由平均速度分布（圖6b）可知，接近雷達(dá)的低層有一個(gè)小的“牛眼狀”速度對(duì)，達(dá)到15 m/s，說(shuō)明低層?xùn)|北向冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，而高層依舊是一致的西南風(fēng)，表明高層西南氣流在低層冷墊上爬升；由相關(guān)系數(shù)分布（圖6c）可知，較強(qiáng)回波帶所對(duì)應(yīng)區(qū)域的CC 值呈較均勻的酒紅色，均大于0.99，表明粒子相態(tài)均一；由差分反射率分布（圖6d）可知，較強(qiáng)回波帶所對(duì)應(yīng)區(qū)域的ZDR 值也呈均勻態(tài)，且ZDR 值接近0 dB；從差分相移率分布（圖6e）來(lái)看，強(qiáng)回波帶所對(duì)應(yīng)區(qū)域的KDP 值也較??；從粒子分類(lèi)情況（圖6f）來(lái)看，較強(qiáng)回波帶所對(duì)應(yīng)區(qū)域也表現(xiàn)為純雪特征。綜上可知，此時(shí)區(qū)域降水相態(tài)為純雪且尺寸較大，與最強(qiáng)時(shí)段實(shí)況基本一致。此外，圖6b 中有一條非常清晰的零速線與風(fēng)向輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)，源源不斷的西南水汽輸送與強(qiáng)冷空氣在此交匯，致使湘中地區(qū)降雪強(qiáng)度在這一時(shí)段達(dá)到峰值?？偟膩?lái)說(shuō)，客觀產(chǎn)品對(duì)降水粒子的判斷和主觀判斷結(jié)果基本一致，高CC值（＞0.99）和低ZDR 值（0 dB）一般可作為純雪判據(jù)。

圖6 2022 年2 月22 日16 時(shí)05 分長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角反射率因子（a，單位：dBZ）、1.5°仰角平均速度（b，單位：m/s）、相關(guān)系數(shù)（c）、差分反射率（d，單位：dB）、差分相移率（e，單位：°/km）、粒子分類(lèi)（f）空間分布以及21 日20 時(shí)—23 日02 時(shí)長(zhǎng)沙逐時(shí)降水量及降水相態(tài)變化（g，單位：mm）

3.4 降雪結(jié)束階段

22 日20 時(shí)后，長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)站南側(cè)西南—東北向較強(qiáng)回波帶快速南壓并逐漸減弱。23 日02 時(shí)，該回波帶強(qiáng)度和范圍均逐漸縮小，長(zhǎng)沙北側(cè)50～100 km 反射率因子為20 dBZ（圖7a），東北風(fēng)逐漸減弱（圖7b），ZDR 在0～0.6 dB（圖7d），在長(zhǎng)沙西北部仍存在若干小于0.97 的CC 低值區(qū)（圖7c）。可見(jiàn)，降雪過(guò)程趨于結(jié)束，此時(shí)應(yīng)考慮為固液相態(tài)混合粒子。

圖7 2022 年2 月23 日02 時(shí)19 分長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角反射率因子（a，單位：dBZ）、1.5°仰角平均速度（b，單位：m/s）、相關(guān)系數(shù)（c）、差分反射率（d，單位：dB）空間分布

3.5 風(fēng)廓線特征

風(fēng)廓線產(chǎn)品由速度方位顯示（Velocity Azimuth Display，VAD）算法在每層計(jì)算得到，代表了雷達(dá)上空60 km 范圍內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化。若計(jì)算結(jié)果顯示為ND，則可能有以下幾種情況：一是VAD 算法取樣少于25 個(gè)資料點(diǎn)；二是均方根誤差大于4.8 m/s，即得到的值不可靠；三是對(duì)稱(chēng)性大于7.3 m/s，即表示風(fēng)速不均勻；四是無(wú)云的情況下，也可能顯示為ND，即為相對(duì)干區(qū)[28]。

圖8 給出了此次暴雪過(guò)程中長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)VWP 特征以及各層溫度隨時(shí)間的演變。分析可知，降雪前（21 日19—22 時(shí)），由低到高均有厚度較大的ND 層出現(xiàn)，且厚度隨時(shí)間增加，最高達(dá)7 km（圖8a），說(shuō)明干冷空氣南下影響長(zhǎng)沙，有利于降雪前地面冷墊形成，尤其是21 日20 時(shí)前后氣溫降幅約4 ℃（圖8e）?？梢?jiàn)，降雪前期陰天無(wú)雨，低層濕度小，融化距離長(zhǎng)，融化速度慢，是此次雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)較快的原因，同時(shí)有利于地面積雪[29-30]。21 日后半夜開(kāi)始（圖略），700 hPa 西南氣流逐步建立發(fā)展，西南氣流輻合帶主要位于在湘中以北地區(qū)，低層偏東氣流也隨時(shí)間逐步加強(qiáng)，有利于地面冷墊的維持，22 時(shí)在2.4 km附近出現(xiàn)弱的垂直風(fēng)切變。

圖8 2022 年2 月21 日21 時(shí)（a）、22 日02 時(shí)（b）、22 日15 時(shí)（c）、23 日03 時(shí)（d）長(zhǎng)沙雙極化多普勒天氣雷達(dá)VWP 特征（單位：m/s）以及長(zhǎng)沙各層溫度隨時(shí)間的演變（e，單位：℃）

22 日00 時(shí)（圖略），0.9 km 高度上偏東氣流增大至8 m/s 并向上傳遞，暖平流逐漸占據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)上空。02 時(shí)（圖8b），低層偏東氣流從0.9 km 處隨高度順轉(zhuǎn)至3 km 處，表明存在暖平流；在2.4～2.7 km 高度上風(fēng)向發(fā)生了接近180°的轉(zhuǎn)變，垂直風(fēng)切變加強(qiáng)，表明中層暖濕氣流沿冷墊爬升；高層為ND 層，構(gòu)成“冷—暖—冷”的層結(jié)特征，有利于固液混合相態(tài)粒子的形成，與實(shí)況中02 時(shí)長(zhǎng)沙出現(xiàn)雨夾雪相對(duì)應(yīng)。03 時(shí)（圖略），隨著溫度進(jìn)一步降低，長(zhǎng)沙快速轉(zhuǎn)為純雪。07—09 時(shí)（圖略），由于中高層中ND 層增厚，導(dǎo)致3 km 水汽輸送有所減弱，降雪相應(yīng)減小。

22 日10 時(shí)之后，長(zhǎng)沙上空0.9 km 處偏東急流增大至12 m/s 且隨高度順轉(zhuǎn)至5.5 km，暖平流厚度增加，2.4 km 高度垂直風(fēng)切變?cè)龃?，西南急流也有所增?qiáng)，降雪強(qiáng)度開(kāi)始增加；15 時(shí)（圖8c），1.2 km 高度風(fēng)速加大至18 m/s，且風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)至6.1 km，暖平流、西南急流增強(qiáng)，2.4 km 高度垂直風(fēng)切變加大，說(shuō)明低層冷墊穩(wěn)定增強(qiáng)，中層暖濕氣流的持續(xù)使得不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展，中低層的垂直風(fēng)切變有利于不穩(wěn)定層結(jié)長(zhǎng)時(shí)間維持，使得中層暖氣流受低層冷墊強(qiáng)迫斜升，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。從實(shí)況來(lái)看，14—19 時(shí)為此次暴雪過(guò)程最強(qiáng)階段?？梢?jiàn)，1.2 km 附近東北急流、3 km 附近西南急流和2.4 km 附近垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)均對(duì)降雪預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

23 日03 時(shí)（圖8d），0.6 km 高度東北氣流減弱，轉(zhuǎn)為偏東氣流且隨高度逆轉(zhuǎn)至4 km 附近，3 km 高度西南氣流減弱并轉(zhuǎn)為偏北氣流，整層為冷平流控制，垂直風(fēng)切變消失，降雪過(guò)程趨于結(jié)束。

4 結(jié)論

本文結(jié)合區(qū)域自動(dòng)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、NCEP 再分析數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星云頂亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用雙極化多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品，對(duì)2022 年2 月22—23 日湖南發(fā)生的極端暴雪過(guò)程進(jìn)行診斷分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）本次極端暴雪過(guò)程發(fā)生在中高緯貝加爾湖阻高及其前部橫槽帶動(dòng)高層冷空氣南壓，地面不斷有冷空氣補(bǔ)充南下背景下，中緯度低槽與南支槽疊加強(qiáng)了動(dòng)力抬升作用，中層強(qiáng)盛的西南急流以及低層?xùn)|北急流使水汽強(qiáng)烈輻合抬升，高空鋒區(qū)加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，配合整個(gè)0 ℃層以下的溫度層結(jié)，降雪產(chǎn)生。

（2）成熟階段隨著云帶自西南向東北移動(dòng)，而嵌入其中的β 尺度云團(tuán)不斷新生，反復(fù)影響湘中地區(qū)，其形成類(lèi)似列車(chē)效應(yīng)的傳播是本次極端暴雪的主要原因，暴雪落區(qū)多位于TBB＜-30 ℃冷云團(tuán)邊緣梯度最大處。

（3）雙極化多普勒天氣雷達(dá)CC 值為0.8～0.97，其高度基本匹配融化層高度，可用于分析大氣降水粒子的屬性。高CC 值（＞0.99）和低ZDR 值（0 dB）一般可以判斷其為純雪，HCL 等相態(tài)轉(zhuǎn)變預(yù)報(bào)對(duì)降水粒子的識(shí)別均具有一定的指示意義。

（4）VWP 產(chǎn)品在降雪發(fā)生前就能探測(cè)到2.4 km高度左右形成穩(wěn)定的垂直風(fēng)切變，也能捕捉到降雪加強(qiáng)時(shí)1.2 km 高度東北急流、3 km 高度西南急流以及2.4 km 高度垂直風(fēng)切變均相應(yīng)增強(qiáng)的變化特征。2.4 km垂直風(fēng)切變穩(wěn)定持續(xù)十幾個(gè)小時(shí)為此次極端暴雪過(guò)程提供了有力的動(dòng)力條件，同時(shí)有利于不穩(wěn)定層結(jié)建立與維持。近地面干冷下墊面的維持，是此次過(guò)程雨雪轉(zhuǎn)換快、積雪深度深的主要原因。