济源市暴雪天气过程多普勒雷达产品特征分析

胡玉梅 张艳玲 于丽洁 张鹏飞

摘要：利用常规资料、卫星云图和新一代雷达产品对2009年11月10[CD1]11日发生在济源地区的暴雪天气过程进行综合分析得知：中低层急流的形成和维持为这次强降雪提供了充沛的水汽，切变和强风速辐合的存在造成本地强烈的上升运动，是降雪增大的关键;强降雪的新一代雷达组合反射率因子回波强度维持在20dBZ以上、回波顶高在3km以上;速度场上，降雪前期环境风场为暖平流特征，后为冷平流特征，风切变、风速辐合以及低层急流的存在和维持，是造成暴雪持续的关键;VWP风廓线场上，前期中低层有明显的南风急流和风垂直切变，冷空气影响时，东南风逆转为东北风，有利的水汽辐合，促使了上升运动的再次发展。

关键词：暴雪;基本反射率因子;相对经向速度;VWP风廓线;特征分析

中图分类号：P4

文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20190215062

引言

暴雪是济源市冬季常出现的灾害性天气之一，是预报员冬季预报关注的焦点，由暴雪引起的积雪和道路结冰常给农业、交通、电力等部门造成严重影响，也给人们的生产和生活带来许多不便，对国民经济的多个领域造成不同程度的影响，因此做好大到暴雪的预报具有非常重要的意义。从20世纪70年代开始，有不少关于暴雪天气的气候特征分析和总结，王新敏[1]等普查了1951[CD1]1998年冬季河南省降雪资料，分析了河南暴雪时空分布特征及其天气形势特征，并提出了华北东路冷空气冷垫是暴雪发生的先决条件、暴雪的落区位于700hPa槽前西南气流最大风速轴左侧、水汽辐合中心和能量锋区附等预报着眼点;许爱华[2]等研究了低层大气温度结构，分析了南方雨转雪的气温条件，指出925hPa气温≤2℃可作为固态降水（雪）的预报判据;邵宇翔[3]等对2008年 1月18[CD1]22日河南区域暴雪进行诊断分析表明高空低槽、低空切变与地面经华北扩散南下的冷空气相互配合是暴雪的主要成因，中低層“天南地北”的流场配置加大垂直切变，致使降雪强度加大; 陆海席[4]等利用雷达产品资料对2007年3月3—4日发生在赤峰地区的区域性大到暴雪天气过程进行综合分析，揭示出大到暴雪的大气环流特征和多普勒雷达产品的一些典型特征。这些研究为我们做好降雪预报提供了依据。本文利用常规资料、卫星云图和新一代雷达产品对2009年11月10[CD1]11日发生在济源地区的暴雪天气过程进行综合分析，揭示出本次大到暴雪的大气环流特征和多普勒雷达产品的一些典型特征，为今后类似天气的监测和临近预报提供参考。

1天气概况

2009年11月10日17：00[CD1]12日05：00济源市普降暴雪，过程降雪量30.2mm，降水性质由雨夹雪到暴雪，整个过程历时35h，过程积雪深度为27cm，是继1975年、1990年、1988年以来第4个极大值。此次降雪，由于时间早、强度大，强降雪集中，影响范围大，致使济源全市交通、电力严重受阻，树木折断、蔬菜大棚倒塌，直接经济损失达5000余万元，给交通运输和人民生活带来很大影响。

2天气形势与影响系统分析

此次大暴雪过程发生在大气环流调整时期。7日前，乌拉尔山形成阻塞高压，40°N以北欧亚中高纬为东西向低压带，低压中心位于贝加尔湖北侧，河南、山西省处在此锋区下的低层暖区内，为强降水（雪）积累了热力不稳定能量。7日后，原在贝加尔湖北侧的低涡发展东移到鄂藿次克海附近，有-44℃冷中心配合，在低涡后部贝湖到巴湖一带有横槽维持少动，来自西伯利亚的冷空气在此横槽区堆积。9日，乌山阻高崩溃，其脊顶向东拐到贝湖附近，形成高压脊，在高脊南侧的横槽区切断出一个中心为5360gpm的冷低涡，在巴湖与切断冷低涡形成南北向低涡大槽。巴湖大槽不断分裂小槽由西向东扰动，低层河套到山西为暖脊控制，形成了上冷下暖的不稳定层结。2009年11月10[CD1]11日巴湖槽后有≥32m/s的偏北气流向槽区不断输送冷空气，槽前有从极地分裂的短波槽携带冷空气由东向西移进豫西、北及山西、河北，同时，贝湖高脊发展，使极地冷空气沿脊前西北气流南下到我国东北地区。700hPa除了具有上述特征外，分别有一西南风和东/东北风切变，豫西北有高空冷温度槽叠加低层温度脊的对流不稳定层结配置，济源处于湿舌区内，水汽条件充沛，低层850hPa辐合线位于陕西经河南西部和北部到山东南部一带，为此次降雪提供了动力条件。

对应地面图上，9日08：00时开始，维持在蒙古的中心强度为1050hPa冷高压在东移过程中受高空引导气流不断向东南方向移动;9日14：00河套倒槽形成，冷高压坝不断向西南方向伸展，冷空气从渤海一带流向华北，形成回流形势，豫西、北处在回流高压底前部，见图2为10日20：00地面中分析，降雪区位于陕西、山西到河南省沿黄及以北地区，陕北到山西有中尺度辐合线，济源处于该辐合线前侧，此形势维持到11日14：00时，为大范围持续性强降雪的形成提供了极为有利的条件。11日20：00时，随着西路冷空气东移，东西两路冷空气在河套合并，12日08：00时转为南北向冷锋向东移去，济源市降雪结束。

3雷达产品资料分析

3.1强度场和回波顶高综合分析

不同仰角基本反射率因子综合分析可知，济源市整个强降雪过程降水回波始终在0.5°～1.5°仰角之间变化，2.4°仰角只有济源的西部有零散的降水回波，中心强度在20dBZ以下，由此说明，暴雪的回波高度远低于暴雨的回波高度。

综合分析整个暴雪过程0.5°～1.5°仰角的组合反射率资料（见图3），对暴雪起主要作用的是层状云降水回波中嵌套的弱对流单体回波，弱对流单体的降水效率较高，一次弱对流单体生成和移动对应着一次地面强降雪时段，当回波顶高升到3km以上时地面降雪强度随之增大。同时也可以明显看到，暴雪回波的强度和回波顶高度明显低于暴雨的回波顶高。

3.2径向速度场分析

分析此次过程的相对径向速度场有特征：0.5°～3.4°仰角，雷达站150km范围内“零”速度线呈“S”形，低层为偏东风，高层为西南风到西北风，这种暖平流特征为此次暴雪提供了有利的环境条件，这种特征一直持续到11日晚上。

第1降雪阶段的径向速度特征：10日19：16，0.5°～1.5°仰角，正速度区面积大于负速度区面积，济源处于正速度区内;21：00，测站50km范围内0.5°～3.4°仰角均有一极大风速+15m/s的正负速度对，同时0.5°仰角在济源中西部出现了小块负速度逆风区，对应地面济源降雪强度增大，说明逆风区的存在也预示暴雪的发生;11日01：00，0.5°～3.4°仰角整个雷达测站所测范围正负速度区结构松散并逐渐消失，济源第1轮降雪强度减弱。

第2降雪阶段的径向速度特征：11日11：40，0.5°仰角的雷达速度图上，雷达测站出现“负正负”的速度对区，零线呈横“S”形，1.5°、2.4°、3.4°仰角径向速度图上，自雷达测站中心零线弯向负速度区顺转程度明显大于弯向正速度区顺转程度，使正区的面积大于负区的面积，0.5°和1.5°仰角位于测站30km处再次出现+15·m s-1的极大速度对，低层为东-东北风，高层西北风;14：22开始（如图4），1.5°～3.4°仰角距离测站南部50km左右处3km高度负速度增大至-15m/s，正速度+5m/s，正负速度不对称，风速度辐合明显，同时3.4°仰角距离测站25km左右处2.1km高度清晰可见零速度线环绕距离圈平行分布并一直持续，说明存风切变。17：46分雷达所测范围的正负速度结构松散，覆盖济源的正速度区移出，第2轮降雪强度逐渐减弱。

第3降雪阶段的径向速度特征：11日晚21：07分，雷达测站西南部大片负速度增大至-20m/s，正速度+5m/s零散分布，西南风辐合加强，零线呈现水纹波浪，即双反“S”形，低层为东南风，高层西南风，23：07（图5）正速度区进入济源，济源降雪强度再次加强开始，12日02：14低层开始转为西北风，高层为西南风，2.4°和3.4°仰角正速度（+27m/s）明显大于负速度（-20m/s），正速度区大于负速度区，形成强辐散流场，济源第3轮强降雪强度开始减弱。

由上分析可知：济源市整个强降雪過程径向速度场暴雪前期零线呈S型，环境风场为典型的暖平流特征，后期零线呈反S型，环境风场为冷平流特征;零速度线环绕距离圈平行分布并一直持续说明存着风切变，随着时间推移西南风辐合在不断加强，同时，为暴雪提供了有利的动力机制和水汽条件;环境风场转为强辐散流场后，强降雪强度开始减弱。

3.3VIL液态含水量和VAD风廓线场分析

3.3.1VIL液态含水量

与大型降水的VIL液态含水量相比，济源此次降雪的VIL值自始至终表现均很弱，其值始终为1kg/m**2，即便是强降雪时段，其VIL也只是零散分布，说明雪对电磁波的反射比雨弱的多。

3.3.2VAD风廓线场分析

一般规定雷达探测低空急流的分析指标为：急流高度≤3km，水平风速≥10ms-1，高空急流的分析指标为急流高度≥4km，水平风速≥12ms-1。

10日20：48[CD1]21：48风廓线图分析看到，0.9～1.5km高度处为东南风，风速16～20ms-1， 1.8～2.7 km高度一直维持20ms-1的南风强风速轴，中低空南风急流的形成和加强，为降雪提供了充分的水汽条件。3.0～3.7km高度风速由18ms-1迅速减小到8ms-1，说明此层存在非常强的风垂直切变;从底层至6.1km高度风速随高度先增大后减小，风向由东风顺转为西西北风，说明中低层有暖平流;6.7km高度以上风随高度由西北风逆转为西南风，说明高层有冷平流。随着时间的推移，23：00位于1.8～2.7km高度的强风轴减弱消失，11日0：00时1.2～3.4km高度的风速再次加强，强风速达18ms-1并一直持续至3：06，3：12[CD1]3：48在2.7～4.4km高度存在明显的东南风与西北风的风向切变，说明有水汽的辐合。分析11日白天的强降雪时段的风廓线产品（图7a）与10日夜的不同，其低层0.9～1.8km高度始终为偏东风，2.1km高度层以上，风向由东南风转为西南风，风速维持在16～20ms-1，风速随高度增加而增大。随着时间，自下而上风速逐渐减小，1.8～2.1km高度风向由东南风逆转为东北风，2.1～2.4km高度风向又由东北风转为西南风，风向变化明显。。

由此得出：暴雪天气前期风向随高度顺转为典型的暖平流特征，11日随着冷空气侵入风随高度增加而逆转，为冷平流特征;中低空南风急流的形成和加强，为降雪提供了充分的水汽条件;风向切变、风速辐合和风的垂直强切变的存在，对暴雪的发生发展起关键性作用。

4小结

此次大到暴雪是在有利的大环流背景下，即两槽一脊的高空形势，引导冷空气不断南侵，与河套槽前西南暖湿低空急流的汇合以及地面河套暖倒槽共同作用下产生的。中低层急流的形成和维持为这次强降雪提供了充沛的水汽，切变和强风速辐合的存在造成本地强烈的上升运动，是降雪增大的关键。

分析整个暴雪过程0.5°～1.5°仰角的基本反射率和组合反射率资料，对暴雪起主要作用的是层状云降水回波中嵌套的弱对流单体回波，弱对流单体的降水效率较高，一次弱对流单体生成和移动对应着一次地面强降雪时段，当回波顶高升到3km以上时地面降雪强度随之增大。

暴雪前期零速度线呈S型，环境风场为典型的暖平流特征，后期零速度线呈反S型，环境风场转为冷平流特征;零速度线环绕距离圈平行分布并一直持续说明存着风切变，随着时间西南风辐合不断加强，低层东、南风急流的存在的维持，为暴雪提供了有利的动力机制和水汽条件;环境风场转为强辐散流场后，暴雪强度开始减弱。

多普勒雷达VAD风廓线场，暴雪天气前期风向随高度顺转为典型的暖平流特征，11日随着冷空气侵入风随高度增加而逆转，为冷平流特征;中低空南风急流的形成和加强，为降雪提供了充分的水汽条件;风向切变、风速辐合和风的垂直强切变的存在，对暴雪的发生发展起关键性作用。

与大型降水的VIL液态含水量相比，济源此次降雪的VIL值自始至终表现均很弱，其值始终为1kg/m**2，即便是强降雪时段，其VIL也只是零散分布，说明雪对电磁波的反射比雨弱的多。

参考文献

[1]俞小鼎， 姚秀萍， 熊廷南， 等.新一代天气雷达原理与应用讲义[M].北京： 中国气象局培训中心，2004.

[2] 朱乾根， 林锦瑞， 寿绍文.天气学原理和方法[M].北京： 气象出版社，1992.

[3] 张培昌， 杜秉玉， 戴铁丕.雷达气象学[M].北京： 气象出版社， 2001.