褚蕓欣 , 吳妮晏 , 趙清越

（民航西南地區(qū)空中交通管理局，成都 610000）

引言

四川四面環(huán)山，冬季強(qiáng)冷空氣常難以直接南下至盆地內(nèi)，因此四川地區(qū)年平均降雪日數(shù)和雨夾雪日數(shù)呈現(xiàn)“西多東少”分布特征，特殊的下墊面條件使得盆地地區(qū)降水相態(tài)預(yù)報(bào)和判斷成為難點(diǎn)[1-2]。一次降水過(guò)程中可能同時(shí)包含幾類(lèi)降水相態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換，而降水相態(tài)預(yù)報(bào)直接決定冬季降水預(yù)報(bào)正確與否。對(duì)于航空氣象而言，冬季雨雪天氣可能會(huì)造成地面及機(jī)體積冰、濕滑跑道甚至積雪，進(jìn)而對(duì)飛機(jī)起降及機(jī)場(chǎng)運(yùn)行帶來(lái)不利影響。因此，關(guān)注冬季降水過(guò)程，提前預(yù)報(bào)降水相態(tài)，對(duì)保障機(jī)場(chǎng)正常、有序運(yùn)行具有重要意義。

從20 世紀(jì)初開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雨-雪過(guò)渡區(qū)內(nèi)凍雨、冰粒、雨夾雪等降水相態(tài)進(jìn)行了大量的地面、探空、衛(wèi)星觀測(cè)及理論分析，研究了一系列物理機(jī)制來(lái)描述不同降水相態(tài)形成的物理過(guò)程，普遍認(rèn)為降水相態(tài)的形成機(jī)制包含大氣垂直熱力學(xué)和微物理過(guò)程兩個(gè)方面[3-8]。本文選取“Top-Down-Approach”[9]降水相態(tài)分析法，利用歐洲中心ERA5 再分析資料（空間分辨率為0.25°×0.25°、時(shí)間分辨率為1 h）和常規(guī)氣象資料，對(duì)2023 年1 月16 日雙流機(jī)場(chǎng)降雪過(guò)程進(jìn)行應(yīng)用分析，探究雙流機(jī)場(chǎng)冬季降水相態(tài)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為提高雙流機(jī)場(chǎng)降水相態(tài)預(yù)報(bào)水平提供科技支撐。

1 “Top-Down Approach”降水相態(tài)分析法

1.1 方法概述

“Top-Down-Approach”是指從探測(cè)環(huán)境頂部開(kāi)始，追蹤水汽凝結(jié)物由源頭至地面的全過(guò)程，從而確定最終的降水類(lèi)型。該方法是1999 年由美國(guó)國(guó)家氣象局（NWS）Dan Baumgardt 在德國(guó)氣象學(xué)家Alfred Wegener所提出的“The Bergeron-Findeisen Process”[10]降水預(yù)報(bào)方法基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)時(shí)云微物理研究結(jié)果，總結(jié)出的運(yùn)用于業(yè)務(wù)實(shí)際的冬季降水相態(tài)預(yù)報(bào)方法。該方法起初被美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）作為教學(xué)材料使用，目前被美國(guó)大學(xué)大氣研究聯(lián)合會(huì)（UCAR）主持開(kāi)發(fā)的MetEd 氣象教學(xué)項(xiàng)目引入。

1.2 方法要點(diǎn)

在使用該方法時(shí)，所在環(huán)境應(yīng)已經(jīng)具備出現(xiàn)降水的一般環(huán)流形勢(shì)條件，在此基礎(chǔ)上分析溫度低于-10 ℃的濕層，用以診斷云中是否存在大量冰晶，云的溫度越低，冰云的可能性越大[11]。此外，-10 ℃也是能使成冰核在云中激活，并成冰晶的較好溫度臨界點(diǎn)，對(duì)于地處內(nèi)陸的成都平原地區(qū)，腐爛葉子中的細(xì)葉菌是常見(jiàn)成冰核來(lái)源。對(duì)于存在融化機(jī)制的過(guò)程，需要考慮暖層的厚度和溫度，若暖層最高溫度≤1 ℃，將不足以融化從上方掉落的冰晶，不會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)物相態(tài)變化；若暖層最高溫度介于1～3 ℃，大多數(shù)水汽凝結(jié)物將在冷近地層重新凍結(jié)；若最高溫度接近或大于3 ℃，暖層會(huì)導(dǎo)致冰晶在該層完全融化。

此外，還需關(guān)注近地面冷層的分析。若地面冷層溫度遠(yuǎn)高于冰點(diǎn)，水汽凝結(jié)物將以雨的形態(tài)降落；地面冷層溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水汽凝結(jié)物會(huì)以?xún)鼋Y(jié)或凍結(jié)降水的形式到達(dá)地面。而雨或雪臨界點(diǎn)可能與850 hPa與0 ℃層高度差對(duì)應(yīng)，該差值越大，水凝物越可能以雪形式降落地面。這與廖曉農(nóng)等[12]研究指出“降雨過(guò)程0 ℃層在云內(nèi)并高于抬升凝結(jié)高度，當(dāng)0 ℃層降至云底降水由雨轉(zhuǎn)雪，降雪過(guò)程中0 ℃層接近地面”的結(jié)論基本一致。根據(jù)《成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)航空氣候志（1991 年至2020 年）》記載，雙流機(jī)場(chǎng)1 月最冷，月平均氣溫為6.4 ℃，歷年極端最低氣溫為-3.8 ℃?？梢?jiàn)，由于雙流機(jī)場(chǎng)位于盆地西部成都平原地區(qū)，其冬季地面溫度相對(duì)偏高，而該層對(duì)機(jī)場(chǎng)最終的降水形態(tài)有重要影響。因此，在預(yù)報(bào)中對(duì)于近地面冷層分析至關(guān)重要。

2 2023 年1 月16 日雙流機(jī)場(chǎng)案例應(yīng)用

2023 年1 月16 日13:00—18:00（北京時(shí)，BJT）成都市內(nèi)出現(xiàn)一次降雪天氣過(guò)程，雙流機(jī)場(chǎng)于16 日06:30—08:30（世界時(shí)，UTC）相繼出現(xiàn)雪、雨夾雪等天氣。

2.1 環(huán)流場(chǎng)分析

2023 年1 月16 日08:00（BJT），500 hPa（圖1a）東亞為一脊一槽型環(huán)流形勢(shì)，長(zhǎng)波脊位于巴爾喀什湖以西，長(zhǎng)波槽位于東西伯利亞至我國(guó)東北地區(qū)。我國(guó)北方以“西高東低”的環(huán)流形勢(shì)為主，南方地區(qū)環(huán)流較平直，有多個(gè)小短波槽東移，雙流機(jī)場(chǎng)位于四川盆地小短波槽附近。700 hPa（圖1b）我國(guó)北方受冷空氣影響為西北氣流控制，四川盆地受輻合切變影響，相對(duì)濕度較大，輻合后部偏北氣流伴有冷平流侵入四川盆地。850 hPa（圖1c）等溫線(xiàn)密集帶位于貴州云南交界處，冷空氣已影響至貴州及云南東部地區(qū)，新疆地區(qū)有新的冷高壓自西北向東南開(kāi)始南下影響我國(guó)，四川盆地內(nèi)有弱輻合，低層相對(duì)濕度較小。由此可見(jiàn)，高層短波槽配合中層輻合高濕是此次降雪過(guò)程發(fā)生的主要環(huán)流背景。

2.2 熱動(dòng)力垂直結(jié)構(gòu)及微物理特征

Roebber 等[13]研究了最終影響降水相態(tài)的微物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其主要包括云內(nèi)降水粒子狀態(tài)、云外融化和升華過(guò)程以及地面壓縮和變形等過(guò)程，其中云內(nèi)、云外的微物理過(guò)程又直接由大氣溫度、濕度分布決定。本節(jié)選取ERA5 再分析資料，從大氣垂直熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)及地面溫、濕條件出發(fā)，利用“Top-Down-Approach”對(duì)本次降雪過(guò)程進(jìn)行分析。

在產(chǎn)冰層階段，溫度是控制冰晶基本形狀的主要因子，-20～-10 ℃的溫度范圍對(duì)樹(shù)枝狀雪花的形成至關(guān)重要，尤以-15 ℃為樹(shù)枝狀雪花形成的峰值區(qū)[14]。故而，上述溫度范圍在判斷產(chǎn)生冰晶有無(wú)及大小時(shí)，有著十分重要的指示意義。圖2a 給出了2023 年1 月16 日雙流機(jī)場(chǎng)（104.0°E、30.6°N）降雪過(guò)程產(chǎn)冰層溫濕特征及垂直上升運(yùn)動(dòng)情況。從溫度分布來(lái)看，500～850 hPa 介于-12～-16 ℃，900 hPa 為-4 ℃，深厚的-12～-16 ℃溫度層為枝狀雪花的形成提供了有利條件。從垂直運(yùn)動(dòng)分布來(lái)看，主要降雪時(shí)段沒(méi)有顯著的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致降雪粒子無(wú)法較長(zhǎng)時(shí)間維持在有利于形成枝狀雪花的區(qū)域，不易形成較大降雪粒子，雪粒子在云中生成后受重力作用直接穿云進(jìn)入近地面冷層。從相對(duì)濕度分布來(lái)看，降雪時(shí)段濕度高于85%的層面介于650～850 hPa，高濕區(qū)與溫度區(qū)配合為冰核活化和雪花凝結(jié)提供了有利條件[15]。

圖2 2023 年1 月16 日溫濕特征、垂直上升運(yùn)動(dòng)（a.黑線(xiàn)表示垂直速度，單位：Pa·s-1；綠線(xiàn)表示相對(duì)濕度，單位：%；紅線(xiàn)表示溫度，單位: ℃）和云中區(qū)域平均冰相粒子和液相粒子（b.黑線(xiàn)表示溫度，單位: ℃；藍(lán)線(xiàn)表示云中液態(tài)水粒子含量，單位:10-2g·kg-1；紅線(xiàn)表示云中冰相水粒子含量，單位：10-2g·kg-1）時(shí)間-高度剖面

除溫度以外，云中液態(tài)水含量也會(huì)在一定程度上影響冰晶或雪花的形成，這主要是因?yàn)楫?dāng)云中含有充分的液態(tài)水時(shí)，冰晶粒子與過(guò)冷水滴之間的碰并會(huì)使得降雪粒子中液態(tài)水含量偏高，從而使得降雪的融化比減小。圖2b 給出了2023 年1 月16 日雙流機(jī)場(chǎng)（104.0°E、30.6°N）降雪過(guò)程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情況。由于0 ℃、-10 ℃及-40 ℃層在降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換中起到重要作用，故而在圖中疊加了相應(yīng)等溫線(xiàn)。如圖所示，當(dāng)日03—10 時(shí)（UTC）降雪時(shí)段，700～800 hPa 為冰相粒子與水相粒子共存區(qū)，過(guò)冷水滴含量為0.08 g·kg-1，冰相粒子濃度為0.1～0.14 g·kg-1，含量均偏高。云層中冰相粒子遇到過(guò)冷水滴時(shí)，容易發(fā)生冰晶粒子和過(guò)冷水滴的聚并或凇附過(guò)程，過(guò)冷水滴的存在使得凇附過(guò)程增強(qiáng)，因而形成的降雪粒子具有低融化比[16]。本次降雪時(shí)段前期，冰相粒子與水相粒子濃度均偏高，高度偏低且范圍幾乎完全重疊，有利于形成低融化比的雪花，而不利于降雪在到達(dá)近地面層之前發(fā)生融化、升華等，降雪過(guò)程后期冰相粒子濃度逐漸趨弱，可能是隨后降水相態(tài)由雪逐漸轉(zhuǎn)至雨夾雪的原因之一[12]。

當(dāng)降雪粒子穿過(guò)云底進(jìn)入暖層及近地冷層，相應(yīng)層次的厚度、溫度變化將直接關(guān)系到降雪是否融化及能否有效累積，進(jìn)而影響到最終的降水相態(tài)。由2023 年1 月16 日08:00（BJT）溫江探空曲線(xiàn)（圖3a）可知，此次降雪過(guò)程產(chǎn)冰層下亦可能存在暖層機(jī)制，靠近近地面存在淺薄逆溫，逆溫厚度100 m 處的最高溫度為1.3 ℃。此外根據(jù)探空數(shù)據(jù)，850 hPa 溫度為-4.4 ℃，925 hPa 溫 度 為-0.5 ℃，地 面 溫 度 為0.6 ℃，0 ℃層 高度位于937 hPa（754 m）。值得注意的是，由于近地面冷層不飽和，濕球溫度0 ℃層高度相對(duì)于干球溫度0 ℃層偏低，位于逆溫層底，高度約為570 m。因此，降雪粒子將在穿過(guò)淺薄逆溫層，并降至濕球溫度0 ℃層高度才開(kāi)始加速融化，而濕球溫度0 ℃層高度已基本接近地面高度，可見(jiàn)即使地面溫度偏高，降雪粒子也將保持雪花形態(tài)下落。此外，多項(xiàng)研究[11,17-18]表明微波輻射計(jì)等多源探測(cè)資料也可為判斷降水起止時(shí)間及相態(tài)變化等提供參考。圖3b 給出了2023 年1 月16日05:00—11:00（UTC）雙流機(jī)場(chǎng)微波輻射計(jì)液態(tài)水廓線(xiàn)分布特征。如圖所示，06:30—07:30 雙流機(jī)場(chǎng)液態(tài)水含量在500～1500 m 高度顯著增強(qiáng)至0.8 g/m3。結(jié)合降雪過(guò)程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情況（圖2b）可知，降雪期間-10 ℃高度位于800 hPa 左右，與微波輻射計(jì)探測(cè)到的位置基本匹配，指示了冰云層的主要分布高度。此外，液態(tài)水含量在07:30后逐漸降低，也表明降雪過(guò)程將逐漸轉(zhuǎn)至雨夾雪并趨于結(jié)束。

圖3 2023 年1 月16 日 08:00（BJT）溫江探空曲線(xiàn)（a）和05:00—11:00（UTC）雙流機(jī)場(chǎng)微波輻射計(jì)液態(tài)水廓線(xiàn)分布特征（b）

3 結(jié)論與討論

本文選取ERA5 再分析資料和常規(guī)氣象資料等多源數(shù)據(jù)，運(yùn)用“Top-Down-Approach”降水相態(tài)分析法，對(duì)2023 年1 月16 日雙流機(jī)場(chǎng)降雪過(guò)程中降水相態(tài)的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）針對(duì)中高層次，需重點(diǎn)分析濕度高于85%的-12～-16 ℃溫度層，該層適宜的溫濕條件不僅有利于活化成冰核，也有利于枝狀雪花的形成。此外，高濃度的云中冰相粒子與水相粒子重疊區(qū)，有利于形成低融化比的雪花，不利于后續(xù)融化、升華等作用。

（2）在近地冷層分析中，關(guān)鍵層溫度可作為判別降水相態(tài)的參考指標(biāo)。當(dāng)850 hPa 溫度低于-4 ℃、900 hPa 低于0 ℃且0 ℃層高度低于750 m 時(shí)，降水相態(tài)可能為降雪；在產(chǎn)冰層高度偏低，濕球0 ℃溫度層與干球0 ℃溫度層高度也相應(yīng)偏低的情況下，降雪預(yù)報(bào)可適當(dāng)降低對(duì)地面溫度限制。

（3）結(jié)合溫度廓線(xiàn)分析，微波輻射計(jì)液態(tài)水廓線(xiàn)產(chǎn)品可以指示冰云層主要分布高度，還能反映出液態(tài)水含量在降雪過(guò)程開(kāi)始前顯著增強(qiáng)且在降雪趨于結(jié)束時(shí)提前降低的變化特征，對(duì)降雪過(guò)程有一定的指示意義。

由于缺乏高時(shí)空分辨率資料，降水相態(tài)的預(yù)報(bào)始終是航空氣象預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。同時(shí)，受地理位置及氣候特征差異影響，各地區(qū)降水相態(tài)預(yù)報(bào)在影響系統(tǒng)、溫濕垂直變化等方面的預(yù)報(bào)指標(biāo)不盡相同[19-20]。本文利用再分析資料及氣象觀測(cè)資料做了一些嘗試，獲得了一些初步結(jié)論，但對(duì)于影響相態(tài)變化的因素分析尚不全面。因此，如何借助數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品及探測(cè)資料，進(jìn)一步提高降水相態(tài)預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平，有待今后深入研究。