廊坊地區雨雪轉換天氣成因分析

黃浩杰，沈 芳，劉艷杰

（廊坊市氣象局 河北，廊坊 065000）

廊坊地區平均海拔在13m左右，全市地貌比較平緩單調，以平原為主，由于洪積、沖積作用和河流多次決口改道淤積，沉積物交錯分布，加上風力及人為活動的影響，境內地貌差異性較大，緩崗、洼地、沙丘、小型沖積堆等遍布，全市地貌呈現大小不平狀態。縱觀全市地勢，從北、西、南三面逐漸向天津海河下游低傾。目前，廊坊市建成農業科技園區共計37家，其中包括國家級3家，省級11家，市級23家，核心區面積達4.6萬畝，總共覆蓋11個縣區，形成了“綠色果蔬、園林花木、高效糧食、農產品加工、農業旅游觀光”五大主導產業。

降雪過程對于農作物的生長產生了巨大的影響，以冬小麥為例，降雪過程給冬小麥的生長利大于弊，處于越冬的冬小麥有積雪的覆蓋可以減輕凍害的發生，同時，氣溫降低可以減緩小麥旺長的勢頭，有利于改善群體結構，低溫過程凍死一部分晚弱苗，群體結構更趨合理，并且低溫可以降低越冬的蟲害的密度，抑制病害蔓延，對減輕來年病蟲害有利，不利方面在雨雪量偏大的地區，可能會對小麥產生凍害。可見雨雪天氣對于農作物的生長是至關重要的。

近幾年國內的氣象工作者對于雨雪天氣的環流背景和成因等多方面進行了深入分析，黃若男等對張家口壩上地區兩次降水相態轉換過程進行分析，總結出了壩上的雨雪轉換的指標，完善了張家口地區降水相態轉換的預報體系。隋景躍等對朝陽地區2009年2月12～13日一次雨轉暴雪天氣過程的天氣形勢、衛星以及物理量場進行詳細分析研究。金少華等運用Micaps資料和NCEP再分析資料對云南一次雨轉雪過程進行分析，結果表明在雨轉雪變化時，低層有明顯的鋒生，李進等利用NECP再分析資料與觀測資料，對杭州地區10次雨轉雪過程進行分析，總結出了典型的雨轉雪天氣的預報模型，于亞薇等利用常規觀測、數值預報、衛星云圖等資料分析發現，雨轉雪過程前期受暖濕空氣主導，后期受干冷空氣控制。

本文利用HYSPLIT模型后向軌跡資料、常規觀測資料和雷達資料，對廊坊市2021年2月28日的一次雨轉雪過程進行分析總結，目的是為了今后更準確的預報廊坊地區的雨轉雪天氣積累經驗，更好的為冬小麥等農作物提供氣象服務。

1 資料與方法

主要采用常規觀測資料、雷達、HYSPLIT模型后向軌跡資料對廊坊市2021年2月28日的降水相態轉換過程進行分析，進一步探索雨雪轉換時間以及雨雪轉換前各類氣象要素的特征。

HYSPLIT模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。HYSPLIT普遍應用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡。它能夠用于計算氣團的軌跡，以及模擬復雜的擴散和沉降，包括沙塵、對流層臭氧、EC、二氧化硫、苯、火山噴發、森林火災、汞、PM2.5的擴散模擬。后向軌跡分析是氣流從何處而來，意味著溯源；前向軌跡分析是去了哪里意味著追蹤，其可用軌跡預報。

2 天氣實況及環流形勢分析

2.1 天氣實況

受冷暖空氣共同影響，2021年2月28日至3月1日，廊坊自北向南陸續出現雨轉雨夾雪轉雪天氣，如圖1所示，雨轉雨夾雪或雪的時間為28日21時至23時之間，廊坊總降水量（包括降雨和降雪的總量，下同）普遍為13.0～20.0mm，平均17.7mm，大城最大為19.9mm。積雪深度普遍為1～4cm。1日08時轉槽后西北氣流控制，天氣逐漸轉晴。此次雨雪天氣過程增加了土壤墑情，有利于冬小麥等農作物越冬，對凈化空氣有一定作用，但對交通出行較為不利。

圖1 2021年2月28日廊坊市總降水量及雨雪轉換時間

如圖2所示，從小時降水量的分布來看，28日05：00開始各市縣逐漸開始降水，28日15：00降水強度逐漸增大，至22：00大部分縣市達到最大小時降水量，最大小時降水量為2.4mm，于28日22：00出現在霸州市，隨后雨強逐漸減弱，至1日10時降水趨于結束。

圖2 2021年2月28日05時～3月1日10時廊坊市國家地面氣象站小時降水量統計

2.2 環流形勢分析

2020年2月28日500 hPa環流整體呈兩脊一槽形勢，脊線分別位于新疆北部和朝鮮半島，槽線位于蒙古國附近。受前部高壓脊阻擋，27日20：00之后位于河套附近的西風槽移動緩慢并轉橫，隨著朝鮮半島的高壓脊逐漸平直，28日08：00之后西風槽重新轉豎東移南下，廊坊位于槽前西南氣流中（圖3a）；700hPa位于河北省西部的切變線27日20：00逐漸東移，28日20時加強形成低渦，其前部有30m/s的西南風急流，河北省中南部地區位于急流出口區的右側（圖3b）；850hPa河北在28日20：00位于西南地區低渦的頂部，在西北地區東部和日本分別有兩個高壓系統，河北位于兩個高壓系統中部，河北中南部出現東南風急流，風速達14m/s（圖3c）。28日夜間受高低空系統共同影響，加之較好的水汽輸送帶配合，造成了本次強雨雪天氣過程。1日08：00隨著系統東移離開河北地區，降水逐漸結束。

圖3 2月27日20至01日20時500hPa形勢演變圖（a）、700hPa形勢演變圖(b)、850hPa形勢演變圖(c)

由圖4可知，27日20：00（圖4a）地面位于蒙古北部的高壓向東分離出一部分逐漸東移南下，其前部有明顯冷鋒系統，在28日02：00（圖4b），受西南地區低壓的影響，冷鋒西段受到阻擋逐漸拱起形成倒槽，河北地面逐漸轉為東北風，形成典型的河北冷空氣回流形勢，之后在28日20：00（圖4c）冷鋒東移南下，自西北向東南入侵河北省，01日08時（圖4d）冷鋒逐漸離開河北省，河北逐漸轉為冷高壓控制。

圖4 地面形勢圖（a.27日20時,b.28日02時,c.28日20時,d.01日02時）

由圖5可知，河北省在28日20：00整層呈后傾的形勢，在200hPa位于高空200hPa急流的右側，正的渦度平流有利于天氣尺度上升運動的產生，500hPa高空槽位于河套東部，河北處于槽前的西南氣流控制中，同時700hPa風場上分別在河北西南部存在切變線，低層700hPa、850 hPa河北地區處于濕區范圍內，高低空的濕度都比較大，700hPa出現約30m/s的西南風急流，850hPa上有14m/s的東南風急流向河北地區輸送水汽，河北位于急流出口區的左側，地面上在廊坊附近有東北-西南走向的冷鋒，以上條件構成了有利于本次降水有利的動力條件。

圖5 28日20時高低空配置圖

3 相態轉換成因分析

分析2月28日廊坊不同降水相態對應的地面氣溫箱線圖（圖6）可見，出現降雨的站溫度均高于0℃；出現降雪的站中有部分站的溫度也在0℃以上，最高溫度為1.4℃，但大部分站基本都在0℃以下；當降水相態為雨夾雪時，溫度分布比較復雜，但大部分為2℃左右，最大為2.6℃。以上分析表明相態轉為雪時地面溫度仍有一段時間高于0℃，因此僅通過地面氣溫區分降水相態比較困難。

圖6 廊坊市降水過程不同相態對應地面氣溫分布

表1 所示雨雪轉換過程中0℃層高度和各層溫度，本次過程雨轉雪的時間在28日22：00左右，而各個高度層的溫度和0℃層高度在28日20時之后逐漸接近河北省總結的指標，說明夜間降水相態將逐漸轉為雪，在此次降水過程中，雨雪相態時的各指數完全符合河北省對于雨雪轉換時的各項指標。

表1 雨轉雪過程中0℃層高度和各層溫度

由圖7地面三線圖可以看出，氣壓從28日05：00至12：00逐漸上升，隨后由28日12：00至01日09：00先降后升，降水強度隨著氣壓的升高而增大。從溫度演變來看，氣溫自28日12：00的4.3℃逐漸下降，當氣溫降至2℃以下時，降水相態轉為降雪。21：00至1日02：00：冷鋒移近及過境時段，氣壓上升、氣溫下降、水汽壓上升、雨雪轉換。

圖7 廊坊站2805至0109三線圖

4 雷達資料分析

4.1 基本反射率因子

圖8 為28日18：00至23：00雷達1.5°仰角基本反射率因子。28日16：30開始在1.5°仰角反射率因子圖上出現圓弧狀的零度層亮溫帶，19：30零度層亮溫帶顯示的很清楚，高度在0.4km，隨后持續5個體掃，高度維持在0.3km。隨后零度層亮溫帶圓弧變短，變粗，逐漸模糊，到21：00在1.5°仰角無法分辨出零度層亮溫帶。與降水實況對比發現，0℃層亮帶高度的迅速下降的時段，北京上空的降水相態開始由降雨轉為降雪。雷達基本反射率圖上0℃層亮帶高度的迅速下降，可以作為雨雪相態轉換的判據之一。當北京站多普勒天氣雷達上零度層亮帶高度迅速下降后1～2小時，廊坊降水相態將由降雨轉為降雪。

圖8 雷達1.5°仰角基本反射率因子（28日18時-22時）

4.2 徑向速度圖

閉合零速度線反映了近地面層和中高層之間由強勢風和相反方向急流造成的風切變，閉合越完整，表明切變越強烈。

從3.4°仰角零速度線特征分析（圖9），28日15：00開始零速度線趨于閉合，16：00至21：30零速度線完全閉合，低層風向由東北風轉為偏東風，風速略有增大，同時降水強度逐漸增大，21：30之后零速度線閉合區域減小，降水強度增大幅度減小，23：00閉合區域消失，降水強度明顯減弱。由此可見，當雷達徑向速度圖出現零速度線閉合區域時，降水強度逐漸增大；當零速度線閉合區域逐漸消失時，降水強度減弱。

圖9 雷達3.4°仰角徑向速度圖（28日15時-22時）

5 HYSPLIT模型分析

對2020年2月28日雨轉雪過程水汽來源利用基于拉格朗日方法的軌跡模式(HYSPLIT模型)，通過對軌跡模式后向追蹤輸出結果進行分析。分析得到引起雨轉雪過程氣團主要分為3條路徑(圖10）：其中500hPa和750hPa的路徑是來自我國北方的偏西風水汽供應，而850hPa的路徑是由于低層東南風的加強，將來自渤海灣與東海的水汽輸送至河北地區，這也是輸送水汽貢獻最大的路徑，與圖5所示850hPa的東南風急流的水汽通道高度一致。在有利的動力條件下，充沛的水汽供應使得本次降水強度較大。

圖10 2021年2月28日20時氣團后向軌跡

6 總結

本文對廊坊市2021年2月28日的雨雪轉換過程進行分析，并對其雨雪轉換時間以及水汽來源進行深入研究，得出以下結論：

（1）本次強雨雪天氣的主要影響系統為高空槽，配合著高低空急流耦合和低空切變線，地面存在冷鋒和華北回流，造成此次強雨雪天氣；

（2）降水過程中存在降水相態轉換較為復雜，為雨轉雨夾雪轉雪。轉雪時地面溫度仍有一段時間高于0℃，僅通過地面氣溫區分降水相態比較困難。對河北雨轉雪的指標進行檢驗，發現各個高度層的溫度和0℃層高度均能很好反應降水相態變化的時間，對今后降水相態轉換的預報具有很好的指示意義。

（3）本次過程的零度層亮帶形狀比較完整，北京多普勒天氣雷達上零度層亮帶高度的迅速下降后1～2小時后，廊坊降水相態將由降雨轉為降雪。零速度線閉合狀態反應了低空急流與中高空急流（氣流）發展對峙消亡等狀態，對地面降水相態變化的臨近預報有較好指示意義。

（4）通過對軌跡模式后向追蹤輸出結果進行分析，發現氣團主要分為3條路徑，此次過程中的水汽主要來源于850hPa氣團攜帶東海和渤海灣的水汽輸送至河北地區，與東南風急流的水汽通道高度一致。

2月正是冬小麥返青至抽穗的季節，本次雨轉雪過程對越冬作物的生長十分有利，在今后日常的業務預報中，應該多總結相關雨轉雪的典型個例，準確預報雨雪轉換的具體時間，為更好的做農業氣象服務奠定基礎。