濟源市暴雪天氣過程多普勒雷達產品特征分析

胡玉梅 張艷玲 于麗潔 張鵬飛

摘要：利用常規資料、衛星云圖和新一代雷達產品對2009年11月10[CD1]11日發生在濟源地區的暴雪天氣過程進行綜合分析得知：中低層急流的形成和維持為這次強降雪提供了充沛的水汽，切變和強風速輻合的存在造成本地強烈的上升運動，是降雪增大的關鍵;強降雪的新一代雷達組合反射率因子回波強度維持在20dBZ以上、回波頂高在3km以上;速度場上，降雪前期環境風場為暖平流特征，后為冷平流特征，風切變、風速輻合以及低層急流的存在和維持，是造成暴雪持續的關鍵;VWP風廓線場上，前期中低層有明顯的南風急流和風垂直切變，冷空氣影響時，東南風逆轉為東北風，有利的水汽輻合，促使了上升運動的再次發展。

關鍵詞：暴雪;基本反射率因子;相對經向速度;VWP風廓線;特征分析

中圖分類號：P4

文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190215062

引言

暴雪是濟源市冬季常出現的災害性天氣之一，是預報員冬季預報關注的焦點，由暴雪引起的積雪和道路結冰常給農業、交通、電力等部門造成嚴重影響，也給人們的生產和生活帶來許多不便，對國民經濟的多個領域造成不同程度的影響，因此做好大到暴雪的預報具有非常重要的意義。從20世紀70年代開始，有不少關于暴雪天氣的氣候特征分析和總結，王新敏[1]等普查了1951[CD1]1998年冬季河南省降雪資料，分析了河南暴雪時空分布特征及其天氣形勢特征，并提出了華北東路冷空氣冷墊是暴雪發生的先決條件、暴雪的落區位于700hPa槽前西南氣流最大風速軸左側、水汽輻合中心和能量鋒區附等預報著眼點;許愛華[2]等研究了低層大氣溫度結構，分析了南方雨轉雪的氣溫條件，指出925hPa氣溫≤2℃可作為固態降水（雪）的預報判據;邵宇翔[3]等對2008年 1月18[CD1]22日河南區域暴雪進行診斷分析表明高空低槽、低空切變與地面經華北擴散南下的冷空氣相互配合是暴雪的主要成因，中低層“天南地北”的流場配置加大垂直切變，致使降雪強度加大; 陸海席[4]等利用雷達產品資料對2007年3月3—4日發生在赤峰地區的區域性大到暴雪天氣過程進行綜合分析，揭示出大到暴雪的大氣環流特征和多普勒雷達產品的一些典型特征。這些研究為我們做好降雪預報提供了依據。本文利用常規資料、衛星云圖和新一代雷達產品對2009年11月10[CD1]11日發生在濟源地區的暴雪天氣過程進行綜合分析，揭示出本次大到暴雪的大氣環流特征和多普勒雷達產品的一些典型特征，為今后類似天氣的監測和臨近預報提供參考。

1天氣概況

2009年11月10日17：00[CD1]12日05：00濟源市普降暴雪，過程降雪量30.2mm，降水性質由雨夾雪到暴雪，整個過程歷時35h，過程積雪深度為27cm，是繼1975年、1990年、1988年以來第4個極大值。此次降雪，由于時間早、強度大，強降雪集中，影響范圍大，致使濟源全市交通、電力嚴重受阻，樹木折斷、蔬菜大棚倒塌，直接經濟損失達5000余萬元，給交通運輸和人民生活帶來很大影響。

2天氣形勢與影響系統分析

此次大暴雪過程發生在大氣環流調整時期。7日前，烏拉爾山形成阻塞高壓，40°N以北歐亞中高緯為東西向低壓帶，低壓中心位于貝加爾湖北側，河南、山西省處在此鋒區下的低層暖區內，為強降水（雪）積累了熱力不穩定能量。7日后，原在貝加爾湖北側的低渦發展東移到鄂藿次克海附近，有-44℃冷中心配合，在低渦后部貝湖到巴湖一帶有橫槽維持少動，來自西伯利亞的冷空氣在此橫槽區堆積。9日，烏山阻高崩潰，其脊頂向東拐到貝湖附近，形成高壓脊，在高脊南側的橫槽區切斷出一個中心為5360gpm的冷低渦，在巴湖與切斷冷低渦形成南北向低渦大槽。巴湖大槽不斷分裂小槽由西向東擾動，低層河套到山西為暖脊控制，形成了上冷下暖的不穩定層結。2009年11月10[CD1]11日巴湖槽后有≥32m/s的偏北氣流向槽區不斷輸送冷空氣，槽前有從極地分裂的短波槽攜帶冷空氣由東向西移進豫西、北及山西、河北，同時，貝湖高脊發展，使極地冷空氣沿脊前西北氣流南下到我國東北地區。700hPa除了具有上述特征外，分別有一西南風和東/東北風切變，豫西北有高空冷溫度槽疊加低層溫度脊的對流不穩定層結配置，濟源處于濕舌區內，水汽條件充沛，低層850hPa輻合線位于陜西經河南西部和北部到山東南部一帶，為此次降雪提供了動力條件。

對應地面圖上，9日08：00時開始，維持在蒙古的中心強度為1050hPa冷高壓在東移過程中受高空引導氣流不斷向東南方向移動;9日14：00河套倒槽形成，冷高壓壩不斷向西南方向伸展，冷空氣從渤海一帶流向華北，形成回流形勢，豫西、北處在回流高壓底前部，見圖2為10日20：00地面中分析，降雪區位于陜西、山西到河南省沿黃及以北地區，陜北到山西有中尺度輻合線，濟源處于該輻合線前側，此形勢維持到11日14：00時，為大范圍持續性強降雪的形成提供了極為有利的條件。11日20：00時，隨著西路冷空氣東移，東西兩路冷空氣在河套合并，12日08：00時轉為南北向冷鋒向東移去，濟源市降雪結束。

3雷達產品資料分析

3.1強度場和回波頂高綜合分析

不同仰角基本反射率因子綜合分析可知，濟源市整個強降雪過程降水回波始終在0.5°～1.5°仰角之間變化，2.4°仰角只有濟源的西部有零散的降水回波，中心強度在20dBZ以下，由此說明，暴雪的回波高度遠低于暴雨的回波高度。

綜合分析整個暴雪過程0.5°～1.5°仰角的組合反射率資料（見圖3），對暴雪起主要作用的是層狀云降水回波中嵌套的弱對流單體回波，弱對流單體的降水效率較高，一次弱對流單體生成和移動對應著一次地面強降雪時段，當回波頂高升到3km以上時地面降雪強度隨之增大。同時也可以明顯看到，暴雪回波的強度和回波頂高度明顯低于暴雨的回波頂高。

3.2徑向速度場分析

分析此次過程的相對徑向速度場有特征：0.5°～3.4°仰角，雷達站150km范圍內“零”速度線呈“S”形，低層為偏東風，高層為西南風到西北風，這種暖平流特征為此次暴雪提供了有利的環境條件，這種特征一直持續到11日晚上。

第1降雪階段的徑向速度特征：10日19：16，0.5°～1.5°仰角，正速度區面積大于負速度區面積，濟源處于正速度區內;21：00，測站50km范圍內0.5°～3.4°仰角均有一極大風速+15m/s的正負速度對，同時0.5°仰角在濟源中西部出現了小塊負速度逆風區，對應地面濟源降雪強度增大，說明逆風區的存在也預示暴雪的發生;11日01：00，0.5°～3.4°仰角整個雷達測站所測范圍正負速度區結構松散并逐漸消失，濟源第1輪降雪強度減弱。

第2降雪階段的徑向速度特征：11日11：40，0.5°仰角的雷達速度圖上，雷達測站出現“負正負”的速度對區，零線呈橫“S”形，1.5°、2.4°、3.4°仰角徑向速度圖上，自雷達測站中心零線彎向負速度區順轉程度明顯大于彎向正速度區順轉程度，使正區的面積大于負區的面積，0.5°和1.5°仰角位于測站30km處再次出現+15·m s-1的極大速度對，低層為東-東北風，高層西北風;14：22開始（如圖4），1.5°～3.4°仰角距離測站南部50km左右處3km高度負速度增大至-15m/s，正速度+5m/s，正負速度不對稱，風速度輻合明顯，同時3.4°仰角距離測站25km左右處2.1km高度清晰可見零速度線環繞距離圈平行分布并一直持續，說明存風切變。17：46分雷達所測范圍的正負速度結構松散，覆蓋濟源的正速度區移出，第2輪降雪強度逐漸減弱。

第3降雪階段的徑向速度特征：11日晚21：07分，雷達測站西南部大片負速度增大至-20m/s，正速度+5m/s零散分布，西南風輻合加強，零線呈現水紋波浪，即雙反“S”形，低層為東南風，高層西南風，23：07（圖5）正速度區進入濟源，濟源降雪強度再次加強開始，12日02：14低層開始轉為西北風，高層為西南風，2.4°和3.4°仰角正速度（+27m/s）明顯大于負速度（-20m/s），正速度區大于負速度區，形成強輻散流場，濟源第3輪強降雪強度開始減弱。

由上分析可知：濟源市整個強降雪過程徑向速度場暴雪前期零線呈S型，環境風場為典型的暖平流特征，后期零線呈反S型，環境風場為冷平流特征;零速度線環繞距離圈平行分布并一直持續說明存著風切變，隨著時間推移西南風輻合在不斷加強，同時，為暴雪提供了有利的動力機制和水汽條件;環境風場轉為強輻散流場后，強降雪強度開始減弱。

3.3VIL液態含水量和VAD風廓線場分析

3.3.1VIL液態含水量

與大型降水的VIL液態含水量相比，濟源此次降雪的VIL值自始至終表現均很弱，其值始終為1kg/m**2，即便是強降雪時段，其VIL也只是零散分布，說明雪對電磁波的反射比雨弱的多。

3.3.2VAD風廓線場分析

一般規定雷達探測低空急流的分析指標為：急流高度≤3km，水平風速≥10ms-1，高空急流的分析指標為急流高度≥4km，水平風速≥12ms-1。

10日20：48[CD1]21：48風廓線圖分析看到，0.9～1.5km高度處為東南風，風速16～20ms-1， 1.8～2.7 km高度一直維持20ms-1的南風強風速軸，中低空南風急流的形成和加強，為降雪提供了充分的水汽條件。3.0～3.7km高度風速由18ms-1迅速減小到8ms-1，說明此層存在非常強的風垂直切變;從底層至6.1km高度風速隨高度先增大后減小，風向由東風順轉為西西北風，說明中低層有暖平流;6.7km高度以上風隨高度由西北風逆轉為西南風，說明高層有冷平流。隨著時間的推移，23：00位于1.8～2.7km高度的強風軸減弱消失，11日0：00時1.2～3.4km高度的風速再次加強，強風速達18ms-1并一直持續至3：06，3：12[CD1]3：48在2.7～4.4km高度存在明顯的東南風與西北風的風向切變，說明有水汽的輻合。分析11日白天的強降雪時段的風廓線產品（圖7a）與10日夜的不同，其低層0.9～1.8km高度始終為偏東風，2.1km高度層以上，風向由東南風轉為西南風，風速維持在16～20ms-1，風速隨高度增加而增大。隨著時間，自下而上風速逐漸減小，1.8～2.1km高度風向由東南風逆轉為東北風，2.1～2.4km高度風向又由東北風轉為西南風，風向變化明顯。。

由此得出：暴雪天氣前期風向隨高度順轉為典型的暖平流特征，11日隨著冷空氣侵入風隨高度增加而逆轉，為冷平流特征;中低空南風急流的形成和加強，為降雪提供了充分的水汽條件;風向切變、風速輻合和風的垂直強切變的存在，對暴雪的發生發展起關鍵性作用。

4小結

此次大到暴雪是在有利的大環流背景下，即兩槽一脊的高空形勢，引導冷空氣不斷南侵，與河套槽前西南暖濕低空急流的匯合以及地面河套暖倒槽共同作用下產生的。中低層急流的形成和維持為這次強降雪提供了充沛的水汽，切變和強風速輻合的存在造成本地強烈的上升運動，是降雪增大的關鍵。

分析整個暴雪過程0.5°～1.5°仰角的基本反射率和組合反射率資料，對暴雪起主要作用的是層狀云降水回波中嵌套的弱對流單體回波，弱對流單體的降水效率較高，一次弱對流單體生成和移動對應著一次地面強降雪時段，當回波頂高升到3km以上時地面降雪強度隨之增大。

暴雪前期零速度線呈S型，環境風場為典型的暖平流特征，后期零速度線呈反S型，環境風場轉為冷平流特征;零速度線環繞距離圈平行分布并一直持續說明存著風切變，隨著時間西南風輻合不斷加強，低層東、南風急流的存在的維持，為暴雪提供了有利的動力機制和水汽條件;環境風場轉為強輻散流場后，暴雪強度開始減弱。

多普勒雷達VAD風廓線場，暴雪天氣前期風向隨高度順轉為典型的暖平流特征，11日隨著冷空氣侵入風隨高度增加而逆轉，為冷平流特征;中低空南風急流的形成和加強，為降雪提供了充分的水汽條件;風向切變、風速輻合和風的垂直強切變的存在，對暴雪的發生發展起關鍵性作用。

與大型降水的VIL液態含水量相比，濟源此次降雪的VIL值自始至終表現均很弱，其值始終為1kg/m**2，即便是強降雪時段，其VIL也只是零散分布，說明雪對電磁波的反射比雨弱的多。

參考文獻

[1]俞小鼎， 姚秀萍， 熊廷南， 等.新一代天氣雷達原理與應用講義[M].北京： 中國氣象局培訓中心，2004.

[2] 朱乾根， 林錦瑞， 壽紹文.天氣學原理和方法[M].北京： 氣象出版社，1992.

[3] 張培昌， 杜秉玉， 戴鐵丕.雷達氣象學[M].北京： 氣象出版社， 2001.