陜西降水相態(tài)識別判據(jù)研究及檢驗

黃少妮，杜莉麗，劉嘉慧敏，梁 綿

(1.陜西省氣象臺，西安 710014;2.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

近年來我國城市化進程不斷加快，城市現(xiàn)代化公共設施建設不能完全滿足大城市發(fā)展的需求，面對極端氣象災害的脆弱性也日益凸顯。冬季降雪天氣常常會給人們的生活帶來不便[1-3]，特別是道路結(jié)冰和積雪常常造成城市上下班高峰期交通擁堵。降水相態(tài)的預報一直是天氣預報中的難點。一方面，降水相態(tài)受大氣溫度層結(jié)的影響[4]；另一方面，降水粒子在發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，又會影響和改變溫度層結(jié)[5]。因此降水相態(tài)的預報常常是天氣預報人員關注的重點，許多學者通過研究雨雪天氣個例，總結(jié)出我國不同地方不同降水相態(tài)的特性層溫度特征[6-11]。

不同地區(qū)冬季降水相態(tài)的識別指標有不同的判據(jù)，其閾值設定也有很大不同。陜西南北長達800多公里，氣候從陜北的溫帶干旱半干旱氣候到陜南的暖溫帶濕潤氣候，境內(nèi)的秦嶺是我國氣候的南北分界線，因此陜西冬季降水雨雪相態(tài)的預報更為復雜。目前有關陜西降水相態(tài)預報的相關研究多以雨雪天氣過程成因分析為主，因此有必要對本地降水相態(tài)進行深入研究，提出定量的預報指標，為業(yè)務預報提供參考依據(jù)。在實際預報業(yè)務中，對降水相態(tài)的判別常常依賴于特性層(850、925 hPa以及地面)的溫度，我國北方氣象工作者利用高空探測資料及地面實況數(shù)據(jù)，針對不同降水相態(tài)相應的溫度及厚度進行統(tǒng)計分析，開展了許多相關研究[12-18]，揭示了常規(guī)氣象要素在冬季降水相態(tài)判別中的作用[13]，指出地面溫度和露點溫度指標預報意義較大[16]。本文較系統(tǒng)地分析了陜西陜北、關中和陜南的代表站降水相態(tài)預報中主要影響因子及判別指標，并在此基礎上進一步建立降水相態(tài)統(tǒng)計預報方程。對2017年1月至2018年1月降水過程中降水相態(tài)的檢驗表明，該判據(jù)在延安、西安、漢中、安康等站的降水相態(tài)預報具有一定的參考價值，可為業(yè)務預報提供依據(jù)。

1 資料與方法

選取陜北地區(qū)的榆林、延安，關中地區(qū)的西安、周至、藍田，陜南地區(qū)的漢中和安康7個氣象站2003—2016年10月至次年4月逐日地面觀測資料，分析得到各站雨夾雪天氣的季節(jié)特征。天氣現(xiàn)象觀測記錄中，當日出現(xiàn)雨夾雪天氣現(xiàn)象即記為一個雨夾雪日。

為了保證所選個例均為降水相態(tài)轉(zhuǎn)換的天氣過程，確定的選取標準為：(1)2003—2016年出現(xiàn)的全部雨夾雪過程；(2)2003—2016年秋冬過度季(10—11月)和冬春過度季(3—4月)出現(xiàn)的降雪過程；(3)2003—2016年冬季(12月—2月)出現(xiàn)的降雨過程。根據(jù)陜西氣候特點，安康和漢中選擇標準略有調(diào)整：12月16日—2月15日出現(xiàn)的降雨過程；10月—12月15日和2月16日—4月的降雪過程。通過對每個站點雨雪轉(zhuǎn)換臨界值的范圍及其特征的研究，統(tǒng)計出三種降水相態(tài)出現(xiàn)時各特性層氣溫的范圍和閾值，從而給出降水相態(tài)識別的判據(jù)。采用統(tǒng)計方法分析各特性層氣溫與降水相態(tài)的關系；使用多元線性回歸方法建立降水相態(tài)統(tǒng)計預報方程，并對2017年1月—2018年1月出現(xiàn)的雨雪天氣過程進行檢驗分析。

2 雨夾雪的季節(jié)變化

圖1為2003—2016年陜西7個代表站雨夾雪日數(shù)的季節(jié)變化特征。14 a中，地處黃土高原的榆林和延安分別出現(xiàn)25 d和36 d雨夾雪日(圖1a)，雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月和3月。關中地區(qū)的西安站共出現(xiàn)18 d雨夾雪日，地處秦嶺北麓的周至共出現(xiàn)20 d雨夾雪日，藍田出現(xiàn)10 d雨夾雪日；雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在1月，其次為11、12月和2月(圖1b)。秦嶺以南的漢中和安康分別出現(xiàn)26 d和21 d雨夾雪日(圖1c)，雨夾雪頻次高的月份在12、1月和2月。以上分析說明，榆林和延安降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的時期集中在11月和3月，西安地區(qū)雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月到次年2月，漢中和安康雨夾雪天氣主要發(fā)生在12月到次年2月，即西安、漢中和安康雨夾雪天氣在冬季都有發(fā)生，因此冬季降水相態(tài)的預報更為復雜。

圖1 2003—2016年陜西10月至次年4月雨夾雪日數(shù)分布

3 識別判據(jù)的統(tǒng)計特征及指標確定

3.1 不同層次氣溫與相態(tài)的統(tǒng)計特征

由西安三種降水相態(tài)地面溫度和露點溫度點聚圖(圖2a)可見：在降雨和降雪時，地面溫度和露點溫度集中在不同區(qū)域中；而雨夾雪時，分布區(qū)域與兩者都有重疊，但整體上更接近雪的區(qū)域。這種分布特征在區(qū)分降水相態(tài)時具有較好的參考價值[13]。圖2b是西安三種降水相態(tài)地面溫度箱線圖。可以看出，雨和雪的溫度分布特征有顯著差異，兩者的10%～90%分位的范圍幾乎沒有交叉。降雨10%分位在2 ℃以上，而降雪90%分位則在2 ℃以下，所以2 ℃可以作為西安雨雪相態(tài)的分界值。雨夾雪和雨、雪兩種相態(tài)的溫度分布都有交叉，且雨夾雪溫度的分布更接近降雪的溫度分布。總的來說，就單一指標而言地面溫度對雨、雪的區(qū)分效果較好。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖2 西安三種降水相態(tài)點聚圖(a)和對應的溫度箱線(b、c、d)

由圖2c可以看出，西安925 hPa溫度在雨和雪10%～90%分位范圍幾乎沒有交叉。降雨的10%分位為-1 ℃，即當925 hPa溫度高于-1 ℃時，出現(xiàn)降雨的概率比較大；而降雪的90%分位為-1 ℃，即當925 hPa溫度低于-1 ℃時，出現(xiàn)降雪的概率比較大。因此-1 ℃可作為降雨和降雪的分界。雨夾雪和其他兩種相態(tài)均有交叉。由不同降水相態(tài)850 hPa溫度箱線(圖2d)可以看出，850 hPa出現(xiàn)雨夾雪的溫度范圍幾乎都包括在出現(xiàn)降雨的溫度范圍中。當850 hPa溫度低于-5 ℃時，出現(xiàn)降雪的概率比較大。700 hPa三種降水相態(tài)溫度分布的交叉范圍非常多(圖略)，明顯大于850 hPa的交叉范圍，對于三種降水相態(tài)的指示意義不大，所以不選擇700 hPa溫度作為降水相態(tài)判別指標。以上分析可見，隨著高度的增加，高層溫度區(qū)分降水相態(tài)的能力越來越弱，低層溫度和地面溫度優(yōu)于高層溫度。

從延安三種降水相態(tài)地面溫度和露點溫度箱線(圖3a、3b)可以看出，雨和雪的分布特征有顯著差異，兩者的地面溫度和露點溫度10%～90%分位幾乎沒有交叉，地面溫度2 ℃和露點溫度0 ℃可作為延安雨、雪的臨界值。當?shù)孛鏈囟雀哂? ℃、露點溫度高于0 ℃時，出現(xiàn)降雨的概率較高；當?shù)孛鏈囟鹊陀? ℃、露點溫度低于0 ℃時，出現(xiàn)降雪的概率較高。雨夾雪的地面溫度和露點溫度與其他兩種相態(tài)均有交叉。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖3 延安三種降水相態(tài)箱線

由于延安位于黃土高原，平均海拔高度在1 000 m左右，因此選取850 hPa溫度進行分析(圖3c)。雨、雨夾雪和雪850 hPa溫度的中位數(shù)分別為 0、-2、-3 ℃，差異較小，三種相態(tài)交叉范圍比地面溫度大。但雨和雪10%～90%分位還是有明顯區(qū)別，當850 hPa溫度高于-2 ℃時，出現(xiàn)降雨的概率比較高，可以作為降雨的下限分界值；當850 hPa溫度低于-2 ℃時，降雪的概率比較高。以上分析可見，雨夾雪地面和特性層的溫度分布在統(tǒng)計上與其他兩種相態(tài)均有交叉，這可能是由于雨夾雪多出現(xiàn)在秋冬季和冬春季過渡季節(jié)，常常出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雨夾雪轉(zhuǎn)雪的情況，因此難以區(qū)分，將建立回歸方程來加以判別。

位于秦嶺以南的安康和漢中，三種降水相態(tài)在不同特性層溫度的臨界值和秦嶺以北的延安和西安有較大差別。安康站的雨、雨夾雪和雪地面溫度的中位數(shù)分別為 5、2、0.5 ℃，說明在安康地區(qū)地面溫度高于0 ℃的狀況下，雨、雨夾雪和雪都有可能發(fā)生。當?shù)孛鏈囟雀哂? ℃時，出現(xiàn)降雨的概率比較大；當?shù)孛鏈囟鹊陀? ℃時，出現(xiàn)降雪概率比較大；雨夾雪的地面溫度和其他兩個相態(tài)都有交叉(圖4a)。當?shù)孛媛饵c溫度低于 0 ℃時，出現(xiàn)雪和雨夾雪的概率較高(圖4b)。安康雨和雪925 hPa溫度的10%～90%分位基本沒有交叉，-1 ℃可以作為降雨和降雪的分界。但雨夾雪和其他兩種相態(tài)均有交叉，當溫度在-4～-2 ℃時，主要出現(xiàn)雨夾雪和雪，而當溫度在-2～0 ℃時，主要出現(xiàn)雨和雨夾雪。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖4 安康三種降水相態(tài)對應的溫度箱線

與安康一樣，漢中三種降水相態(tài)地面溫度幾乎都在0 ℃以上，即地面溫度高于0 ℃的狀況下，雨、雨夾雪和雪都有可能發(fā)生(圖5a)。其中，絕大多數(shù)降雨個例中地面溫度幾乎都在3 ℃以上，而雨夾雪和雪的90%分位基本都在3 ℃以下，因此3 ℃可作為降雨下限的分界值。雨夾雪和雪的地面溫度和露點溫度在10%～90%分位的交叉范圍較大(圖5a、圖5b)，難以區(qū)分雨夾雪和雪。從925 hPa溫度箱線圖(圖5c)上也可看到相同的分布特征，雨夾雪和雪的交叉范圍較大，難以區(qū)分。降雨的10%分位在0 ℃以上，而降雪的90%分位基本在0 ℃以下，因此0 ℃可作為降雨和降雪的分界。

灰色粗柱代表10%～90%分位。圖5 漢中三種降水相態(tài)對應的溫度箱線

3.2 降水相態(tài)的判別指標

西安、延安、安康和漢中4站不同特性層溫度與不同相態(tài)的統(tǒng)計分析說明，隨著高度的增加，高層溫度區(qū)分降水相態(tài)的能力越來越弱，低層溫度和地面溫度的區(qū)分能力優(yōu)于高層溫度的。因此，在進行降水相態(tài)預報時，首選地面溫度和地面露點溫度，其次是925 hPa(850 hPa)溫度。參考以上4站的統(tǒng)計分析特征，給出地面判別指標(表1)。

表1 陜西代表站降水相態(tài)判別指標

4 統(tǒng)計預報方程建立及檢驗

4.1 方程的建立

以上統(tǒng)計分析得出的陜西地區(qū)降水相態(tài)地面和特性層判別指標，可以在很大程度上指導業(yè)務一線人員的主觀預報。由表1可以看到，雨夾雪的地面判別指標與雨和雪有較大的重復，單獨使用地面溫度和地面露點在某些情況下有局限性，存在難以判別的情況。在實際天氣預報過程中，預報員常常需要綜合考慮地面和各特性層溫度的參考權(quán)重。因此采用多元線性回歸方法，選取地面溫度和露點溫度，以及925 hPa或850 hPa溫度作為因子，對延安、西安、漢中、安康各站分別建立預報方程。表2給出了4站降水相態(tài)預報方程和判別標準。延安選取地面溫度、露點溫度和850 hPa溫度建立預報方程，復相關系數(shù)為0.63，根據(jù)48個樣本給出判別標準。西安、安康和漢中均選取地面溫度、露點溫度和925 hPa溫度建立降水相態(tài)預報方程，復相關系數(shù)分別為0.41、0.61和0.54，分別根據(jù)39、50和60個樣本給出判別標準。

表2 陜西代表站降水預報方程及判別指標

4.2 檢驗

應用延安、西安、漢中和安康4站降水相態(tài)判別指標和降水相態(tài)統(tǒng)計預報方程，對2017年1月至2018年1月出現(xiàn)雨、雨夾雪和雪的天氣個例進行檢驗。由于實際業(yè)務中只有08時和20時有探空資料，能獲取925 hPa和850 hPa溫度，可以對判別指標和預報方程都進行檢驗，其他時次僅對判別指標進行檢驗。2017年1月至2018年1月，延安和西安有三次雨雪天氣過程。延安三次過程(共13個時次)的指標檢驗結(jié)果與實況均一致，其中4個時次的預報方程檢驗結(jié)果也與實況相符。西安三次過程使用判別指標(14個時次)和預報方程(5個時次)的檢驗結(jié)果均與實況完全一致。

同時,對漢中和安康站2017年1月至2018年1月出現(xiàn)雨、雨夾雪和雪的天氣過程進行檢驗,漢中共有12個時次使用判別指標檢驗，4個時次采用預報方程進行檢驗。其中2018年1月3日14時指標檢驗將雨夾雪判別為雨，出現(xiàn)降水相態(tài)誤判，其余時次均與實況相符。安康共有11個時次用于判別指標檢驗且結(jié)果與實況一致；3個時次采用預報方程進行檢驗，其中2018年1月3日20時預報方程將雨判別為雨夾雪，其余檢驗結(jié)果均與實況相符。

從延安、西安、漢中和安康4站的檢驗結(jié)果可以看出，延安和西安地面降水判別指標和統(tǒng)計方程檢驗結(jié)果較好，而漢中和安康在雨夾雪和雨的判別上分別出現(xiàn)一次相態(tài)誤判。總的來說，降水相態(tài)判別指標和預報方程對預報業(yè)務中降水相態(tài)預報準確率有一定的參考價值和使用價值。

5 結(jié)論

(1)通過對陜西2003—2016年雨夾雪天氣的氣候資料分析得到，榆林和延安降水相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的過度季節(jié)集中在3月和11月，西安地區(qū)雨夾雪天氣主要出現(xiàn)在11月至次年2月，漢中和安康雨夾雪天氣主要發(fā)生在12月至次年2月。

(2)對近14年延安、西安、安康和漢中4站雨雪轉(zhuǎn)換過度季節(jié)降水過程和臨界值的分析發(fā)現(xiàn)，雨和雪的溫度、露點在地面有明顯差異，低層溫度也有明顯差異，但隨著高度增加差異逐漸減小。在降水相態(tài)預報中應盡量考慮地面溫度、露點及低層溫度要素。其中，925 hPa溫度可作為判別西安、漢中和安康雨雪相態(tài)的參考，而850 hPa溫度可用來區(qū)分延安雨和雪相態(tài)的參考。

(3)利用判別指標和降水相態(tài)預報方程對陜西4站在2017年1月至2018年1月期間出現(xiàn)的雨雪天氣過程進行檢驗，判別效果較好，有一定的參考價值。但是，由于檢驗時間僅有1年，雨雪天氣個例較少，因此判別指標和降水相態(tài)預報方程的適用性有待進一步檢驗。