烏魯木齊城區季節轉換降水相態的識別判據研究

蔣慧敏 劉春云 馮靜潔 趙德龍

（烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830001）

烏魯木齊市地處新疆的中天山地區，受地形、海波高度的影響，形成獨特的氣候特點[1]，降水預報具有一定的復雜性，特別是在秋冬和冬春季節轉換時，雨或雨夾雪轉雪的降水相態是擺在預報員面前的一道難題[2-3]，如果能提供較準確的降水相態變化的預報，這樣對城市交通、電力通訊及人民生產、生活做好應對措施，是十分有利。

因此國內外的學者紛紛開展對降水相態的轉化研究，廖曉農[4]針對北京一次個例進行分析，得到3個降水相態溫度分布差異較大的層次。孫燕[5]對江蘇省冬季降水相態進行了研究發現850～1000hPa厚度閾值1292 gpm作為區分雨、雪的臨界指標。許美玲[6]利用昆明氣象站近23a冬季降水資料，最終找出地面日最低溫度等3個指標可以較好的區分雨雪天氣。

從上述研究可以看出，降水相態的研究主要集中在東部地區，而西北地區開展很少，烏魯木齊作為西北的主要城市，也是中國降雪事件最為頻繁的區域之一，無論從緯度還是海拔高度均和內地有很大差別，因此針對烏魯木齊城區開展降水相態變化是十分必要的。

1 資料與方法

選取烏魯木齊觀測站2000—2014年3—4月和10—11月降水日的地面和探空資料，找出每日08:00和20:00 2個時次之間的雨、雨夾雪、雪天氣現象數據以及與其對應時次的探空氣象要素數據。其中降水出現不連續性，而且考慮到短時預報是以12h為間隔的，則分別計算當天的2次探空資料作為2次過程進行統計。

通過對烏魯木齊觀測站的地面資料分為2次/d進行統計過程，14a來共出現148次降雨樣本，137次降雪樣本，而在進行相態轉換個例選取中，雨或雨夾雪轉雪對社會影響較大，因此選取該類過程作為研究對象，此類樣本共49個。

2 烏魯木齊地區識別判據與降水相態的相關性分析

2.1 高空各層氣溫與相態變化的相關性分析

2.1.1 850hpa溫度

圖1 850hpa溫度分布

由圖1可以看出，雨雪的中位線分別在5℃和-6℃，而且就20%～80%分位的范圍而言,雨集中在2～10℃，雪集中在-10～-4℃，它們沒有交叉區間。當溫度＞2℃時，雨發生的概率可達78%，當溫度＜-4℃時，雪發生的概率可達83%，此狀態占有降雪的80%，可以較好地預測有雨或雪現象，可作為區分雨、雪是否出現的閾值，而發生降水相態改變的溫度在統計上介于降雨和降雪之間,60%相態改變的天氣現象出現在-3～3℃。

2.1.2 貼地層溫度

圖2 貼地層溫度分布

由圖2可以看出，雨雪的中位線分別在10℃和-3℃，而且就20%～80%分位的范圍而言,雨集中在6～15℃，雪集中在-7～1℃，它們沒有交叉區間。當溫度＞5℃時，雨發生的概率可達85%，當溫度＜1℃時，雪發生的概率可達90%，此狀態占有降雪的93%，可以較好地預測有雨或雪現象，可作為區分雨、雪是否出現的閾值，而發生降水相態改變的溫度在統計上介于降雨和降雪之間,而在1℃和5℃之間降水相態變化的天氣現象概率達到了43%。從貼地層溫度可以較好的判別雨、雪2種天氣現象，但從該層的溫度上較好判別相態是否發生變化還是有一定難度。

2.2 特征層-5℃高度與降水相態的相關性分析

圖3 -5℃高度分布圖

張琳娜[7]在對北京地區進行雨雪判別時發現，－5℃高度對無法判別雨夾雪、雪和雨3種降水相態，因為剔除了-5℃高度作為降水相態的判別指標，而在本文中，大約有82%的雨-5℃高度集中在2700位勢米以上，而雪76%集中在1800位勢米以下，而且當-5℃高度≤1800位勢米時，出現降雪的概率高達96%，而當-5℃高度≥2700位勢米時，出現降雨的概率達70%，-5℃高度對雨雪降水相態的指示意義大，其次雪和雨轉雪的20%～80%分位的交叉范圍極小，可以對雪和雨轉雪較好的區分，但雨轉雪和雨在20%～80%的重合比例仍占了雨整體的37%，區分效果并不理想。

3 烏魯木齊市降水相態預報方法研究

從上述分析中可以看出, 850hpa溫度，貼地層溫度， -5℃高度，均對降水相態預報有一定的指示作用，因此將3個參數綜合建立方程計算降水相態的概率指數，通過對每個物理量中對應的降水相態的統計特征分布研究，依照其分布特征，將每個物理量在相應的閾值分布范圍內每種相態的得分設定如下：當物理量在不同的閾值區間內，3種相態獲得不同的分數（表1）。

表1 3個物理量在不同相態和閾值區間的系數分布

當指標屬于哪個區間范圍內，那個區間的x值取1，否則為0，而權重系數如上圖所示，從而得到單個指標的相應得分，以850hpa溫度為例，此時溫度為-3℃，介于[-4,2]之間，此時，這個值為1，雨的得分為Y=0×0+0×0+0.2×1+0.6×0+1×0=0.2，而雪的得分為：Y=0×0+0.4×0+0.6×1+0.4×0+0×0=0.6，而雨轉雪的得分則為0.2，從而從850hpa單一指標上分析此時降水相態為雪，而為了得到3個指標的綜合判斷則Y=Y850+Y貼地+Y-5。從而得到Y雨，Y雨轉雪,Y雪，三者誰的得分較高，則判斷降水相態的歸屬。

表2 3個物理量及綜合指標對3種相態的判別檢驗結果

從上述分析可以看出，3個單一指標參數對雨、雪區分度都能達到接近80%以上的正確率，但是對雨轉雪來說，只有850hpa溫度能有較好的指示作用，而將這3個因子綜合一起考察時，預報的準確率均有較好的表現。特別對雨轉雪來說，對比單一指標分析，均有所提升這在以后的預報都將有較好的應用。

4 結論

對近14a烏魯木齊地區雨雪轉換過度季節的降水過程和臨界值的降水分析，得到與雨雪轉換關系密切的 3種物理量：T850、T貼地、-5℃高度。

通過研究這3個物理量與3種相態的關系，得到該3個物理量在3種相態中的特征：對于 T850，雨和雪轉換的分界點是0℃ ，轉雪的范圍是[-4℃，2℃]；對于T貼地，雨和雪轉換的分界點是3℃ ，轉雪的范圍是[1℃，5℃]；-5℃高度，雨和雪轉換的分界點是2250位勢米，轉雪的范圍是[1800位勢米，2700 m位勢米]。

通過定量細化上述3個物理量在3種相態中的特征，3個單一指標參數對雨、雪區分度都能達到接近80%以上的正確率，但是對雨轉雪來說，只有850hpa溫度能有較好的指示作用，將上述3個指標進行綜合判定后，發現綜合判據對于烏魯木齊地區3種降水相態的預報準確率達到了73%，說明這3組的判據設定，基本可以滿足烏魯木齊地區降水相態的判斷。