2020年初山东一次雨转暴雪天气过程分析

宿秋兰，郑丽娜

(东营市气象局，山东东营 257091)

冬季的降水相态类型的转化问题，是最具挑战的预报问题之一。一般来说，冬季的降水相态类型主要包括雨、雪、冻雨、雨夹雪及冰粒等。如果在此期间还夹杂着天气现象雾的生消，那对气象部门的天气预报是一个较大的考验。针对降雪，各地专家关注的比较多[1-3]，因为降雪往往伴随着强降温、积雪与道路结冰等。如2008年全国经历的低温雨雪天气过程，长江以南出现了雨转雪的相态转换，部分省份还出现了冻雨，而长江以北多以雪为主，这次过程造成全国23个省区公路交通中断，全国43%的省级电网受影响，多地设施农业和经济林果受害，受灾人口达1亿多人[4-5]。此次过程中相态转换的预报结果直接影响到应急和决策工作的开展，因此降水相态转换的机制研究成为关注点之一。

目前针对降水相态的研究较多，包括雨雪转换的指标研究及检验[6-7]、降水相态变化的过程研究[8]及降水相态变化过程的数值模拟[9]等。漆梁波等[10]对我国东部不同降水相态对应的不同温度和不同厚度进行了统计分析，得出了一组中国东部地区冬季降水相态的识别判据。杨成芳等[11]研究了山东冬半年的降水相态，发现降水相态与影响系统有关，江淮气旋与回流形势产生的大雪以上的强降雪存在着雨雪转换。郑丽娜等[12]利用2000—2013年冬季回流形势36次降水个例，探讨了不同形势下温度、气层厚度的垂直变化特征，获得了不同降水相态下的温度和冷层与暖层的厚度预报指标。以上这些研究成果，为准确预报降水相态的转换提供了参考,但在全球变暖背景下极端天气与气候事件频发，决策部门和民众对灾害预警的种类及精度的关注度和要求越来越高。因此，本文以2020年初山东的一次雨转暴雪的天气过程为例，分析此类过程形成的机制，以期更好地为冬季复杂天气的预报预警提供参考。

1 资料

所用数据包括2020年1月常规天气图资料、地面降水资料、加密自动站气象资料和欧洲中心细网格资料(分辨率0.25°×0.25°)，要素包括：高度、温度、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度和散度等数据。

2 天气概况

2020年1月5日08时，山东境内开始出现降雨。20时，黄河以西的部分站点降水相态由雨转雪。6日08时，除鲁中以东仍有降雨外，其余地区降水停止。6日11时，降水再次从鲁南开始，雨区逐渐北推。7日02时，鲁西北地区首先出现降雪，之后，降雪区逐渐向东扩展。7日14时，除鲁南的个别站点降水相态为雨外，其余地区均为雪。8日14时全省降水过程结束。从此次过程的降水量(图1)可以看出，1月5日08时—8日08时，鲁中以南的大部地区累积降水量达30 mm。据统计，山东省有37站7日当天的降水量突破1月历史极值，达暴雪量级。

3 大尺度影响系统

3.1 前期降雨阶段

2020年1月5—6日，山东的降水相态以雨为主。从图2a可以看出，6日08时， 500 hPa图上有南北两支高空槽，南支槽位于青藏高原东部，槽前的西南气流发展旺盛。北支槽位于华北北部，此槽东移携带弱冷空气南下，为山东降水的产生提供了弱冷空气条件。低层700 hPa形势与500 hPa相似，在南支槽槽前形成一支强劲的西南气流。850 hPa图上，自四川伸向山东中部有一切变线，切变线东侧有来自南海输送至山东的低空急流。地面图上，5日受倒槽影响，山东出现降水，6日08时(图2b)，倒槽在东移的过程中发展成黄海气旋，山东持续受气旋外围气流影响，产生降水天气。

图1 2020-01-05T08—08T08山东省降水量(单位：mm)

实线为500 hPa等高线或地面等压线；虚线为850 hPa低涡环流线；箭矢为700 hPa或850 hPa急流；弧形线为槽线；双线为850 hPa切变线；填色区为降水区。图2 2020-01-06T08高空天气系统配置图(a)与地面图(b)

3.2 后期降雪阶段

2020年1月7—8日，山东省的降水相态以雪为主。1月7日开始，山东自西向东先后出现雨转雪。7日08时500 hPa图上(图3a)，原来为山东降雨提供弱冷空气条件的华北北部的高空槽已经东移，而对山东降雪产生影响的的天气系统是从青藏高原东移的高空槽。我国东部海上的高压脊非常强大，影响高空槽东移减慢，经向度加大，西南气流发展旺盛。700 hPa槽前强盛的西南气流向山东输送水汽，低层850 hPa低涡位于安徽境内，山东处于低涡北侧偏东气流中。地面图上(图3b)，蒙古冷高压前沿的冷空气已到达华北，地面盛行东北风。这样山东内陆地区上空构成了近地面层为冷垫、700～500 hPa暖湿空气沿冷垫爬升的环流形势。此时，新的黄海气旋已经生成，山东半岛受气旋外围影响，水汽来源于气旋外围的偏东气流。随着近地层温度的下降，降水相态由雨转雪。7日20时，对流层中低层的低涡东移至海上，山东逐渐被低涡后部的偏北气流控制。地面图上，黄海气旋向东北方向移动，其东西半径接近750 km，在其影响的范围内山东仍然有降雪。随着蒙古冷高压的逐渐南下，山东逐渐被冷空气控制，对流层低层东北风代替西北风，降水过程结束(图略)。

实线为500 hPa等高线或地面等压线；虚线为850 hPa低涡环流线；箭矢为700 hPa或850 hPa急流；弧形线为槽线；双线为850 hPa切变线；填色区为雨区；填色中的短横线区为雪区。图3 2020-01-07T08高空天气系统配置图(a)和地面图(b)

可以看出，这次5—8日的降水过程主要分为两段，分别受不同的天气系统影响。在前期的降雨阶段，主要影响系统是中纬度高空槽、低层切变线、地面倒槽与黄海气旋；后期的降雪过程是南支槽发展东移的高空槽、低涡与新生的黄海气旋。同时，在这次降水过程中，山东内陆与半岛降雨转为降雪的时间存在明显差异，后期的降雪过程降水量明显偏大，这些问题是关注的重点。

4 降水相态分析

4.1 地面观测资料

这次过程鲁南开始出现降雨，雨雪转换则是先从鲁西北开始，山东内陆与山东半岛的雨雪转换时间明显不同。为了弄清楚山东内陆与山东半岛气象要素的演变差异，选用济南站与青岛站作为山东内陆与半岛的代表站进行分析。从地面三线图(图4，见第19页)可以看出，两站的气压从5日08时至8日14时均是先降后升。济南站的最低气压出现在7日08时，其值为1 002.1 hPa，青岛站出现在7日14时，其值为1 001.4 hPa，显然青岛站的气压值略低，这可能是青岛站离气旋中心较近的缘故。从温度演变来看，济南站的气温自5日08时的4 ℃逐渐下降，当气温降至1 ℃以下时，降水相态转为降雪。而青岛站5日08时至7日08时，气温不降反而略有上升，一直维持在4 ℃以上，降水相态为雨；7日14时，该站气温陡降至1 ℃以下，降水相态由降雨转为降雪。从露点的演变来看，降水期间，相较青岛站而言，济南站的露点与温度趋于重合。从6 h降水量(柱状)图来看，济南站的降雨量小于降雪量，而青岛站反之。这些地面要素场的诸多差异，主要缘于两站所受的影响系统及所处的地理位置不同。

4.2 温度指标

在这次长达3 d的降水过程中，山东内陆与半岛均存在着降水相态的转变。从表1可以看出，1月5日20时，济南站与青岛站850 hPa的温度仅差0.2 ℃，但是越靠近地面，两站的温度差异越大。1 000 hPa的温度，青岛站较济南站高4.2 ℃，且该站0 ℃层的高度偏高，使高空降落的雪花在到达地面的过程中融化形成降雨；而济南站由于0 ℃层高度偏低，加之1 000 hPa至地面的温度在2 ℃以下，不足以使雪花融化，所以观测到的是降雪。6日08—20时，是近地层温度的升高阶段，两站的降水相态均为雨。不过，济南站5日20时与6日20时近地层的温度相差不大，只是6日20时0 ℃层高度略高。7日08时，济南站由于气温骤降，降水相态为雪；而青岛站，尽管温度也在下降，但是其0 ℃层高度在850 hPa，近地层温度偏高，降水相态仍为雨。7日20时，两站的近地层温度均降至0 ℃以下，降水相态均为雪。可见，近地层温度与0 ℃层高度是判定降水相态的有效指标。

表1 2020年1月5—7日济南站与青岛站近地层温度与0 ℃层等压面高度

4.3 厚度指标

近地面的冷层厚度往往决定着该层温度的变化。当近地层为偏东风或西北风时，形成冷层，导致地面温度迅速下降。从这次降水过程来看，1月5日20时，济南站925 hPa至地面多为偏东风，形成冷层，厚度约为1 km。此时青岛站，近地层多为自海面吹来的东南风，不利于降温。6日20时，济南站的近地面冷层加厚至2 km。青岛站的冷层厚度约为1.2 km。7日08时，济南站的冷层进一步加厚，其高度到达800 hPa,厚度约2.1 km。青岛站近地层的东北风也自地面扩展到830 hPa，厚度接近2 km。冷层的逐渐增厚引起近地层温度骤降。7日20时，济南站400 hPa至地面均变为冷层，降水趋于结束。而青岛站，700 hPa至地面为冷层，厚度约为3 km，但其上各层为偏西或西南风。说明，该站上空还未完全被冷空气控制，降水会持续一段时间。

5 物理量诊断

5.1 雨雪转换的水汽条件

在冬季，产生10 mm以上的降雨和降雪，需要有充沛的水汽供应。从700 hPa水汽通量与850 hPa水汽通量散度来看，6日08时(图5a，见第19页)，高空槽前的西南气流形成了东北—西南向的水汽通道。水汽的来源有两处，一是来自高空槽前，二是来自副热带高压的外围(图2a)，山东省处于水汽的辐合区内。7日08时，高空槽前的西南气流发展的更加旺盛，水汽通道的经向度加大，并在山东半岛形成明显的水汽辐合 (图5b，见第19页)。

5.2 雨雪转变的动力条件

要产生降水，仅有水汽条件是不够的，还需要有适宜的动力条件。图6(见第19页)给出了整个降水过程期间济南站与青岛站上空的垂直速度与散度。从图6可以看到，在5—6日的降水过程中，济南上空气流辐合高度在800 hPa以下，最强的上升速度中心在700 hPa；而青岛站上空气流的辐合高度更低，仅为925 hPa，上升速度较济南上空的略强。7日，当济南站转为降雪阶段时，850～1 000 hPa是辐散层，对应着气流层中的冷空气，850 hPa以上的上升速度明显加强，并在700 hPa与400 hPa各形成一个上升速度中心。青岛站发生降雪时的形势与济南站不同，7日14时，青岛站上空的上升运动扩展到300 hPa以上，上升运动中心约在600 hPa附近，不稳定层抬升至600 hPa。7日20时之后，随着强冷空气入侵，上升气流迅速被下沉气流代替，降水过程结束。

图4 2020-01-05—08济南站和青岛站地面三线图及6 h降水量(文见第17页)

图5 700 hPa水汽通量(阴影区，单位为g/(s·cm·hPa))与850 hPa水汽通量散度(等值线，单位为10-7g/(s·cm2·hPa))(a 2020-01-06T08，b 2020-01-07T08)(文见第18页)

图6 2020-01-05—08济南站(a)与青岛站(b)垂直速度(等值线，单位为10-2 hPa/s)及散度(填色区，单位为10-5 s-1)时间垂直剖面图

6 结论

(1)此次过程分为两段，5—6日主要是降雨过程，影响系统是华北北部的高空槽、切变线与地面倒槽、黄海气旋；7—8日为降雪过程，影响系统是自青藏高原东部东移的高空槽、低涡与新生的黄海气旋。

(2)降雨阶段，山东处于高空槽前，水汽来源于高空槽前的西南气流，水汽的辐合与上升速度偏弱，不稳定层出现在对流层低层；降雪阶段，山东内陆地区近地面层形成冷垫，700～500 hPa槽前暖湿空气沿冷垫爬升，不稳定层较降雨时明显抬升，上升运动加强。山东半岛在降雪阶段受黄海气旋外围影响，水汽来源主要是气旋外围的偏东气流。

(3)地面冷层厚度能引起该层温度的变化：当冷层厚度在2 km以下时，降水相态为雨；超过2 km时，降水相态为雪；当冷层厚度达到5 km以上时，降水过程结束。

(4)近地面温度与0 ℃层高度相结合对雨雪相态转换有很好的指示作用。