哈尔滨市冬半年降水相态预报技术研究

欧娜音，于凯旋，高 月

（1.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150028；2.双城区气象局，黑龙江 哈尔滨 150100）

1 引言

冬季降水由于相态复杂，一直以来受到气象工作者的广泛关注。无论是雨、雨夹雪、雪，还是冻雨、冰粒，都会给人们的生产、生活带来巨大的影响[1]。冬季降水与夏季降水不同，引发气象灾害的程度不但取决于降水量级大小，还取决于降水相态。哈尔滨作为黑龙江省的省会城市，随着近年来城市化进程的不断加快，气象灾害的影响也越来越大。城市在面临极端气象灾害的脆弱性日益凸显，冬季降雪、冻雨，甚至雨夹雪天气会给城市交通、电力通讯、人民生产生活带来不利影响。2008年冬季的冰冻雨雪过程给我国南方地区的经济发展、百姓生活带来严重危害。2016年3月4-6日哈尔滨地区也经历了雪转雨夹雪，再转雪相态复杂的降水过程，给人们的生活带来了不利影响。这种相态复杂的天气，降水相态的准确预报对政府部门以及各行各业的决策有着十分重要的意义。

近年来，有关冬季降水的研究更多集中在降水相态方面。很多学者从不同角度对不同个例，进行了讨论与分析,如:孙晶等人[2]对1999年11月23-24日的辽宁雨转雪过程进行了研究；李江波等[3]分别通过高空及地面气温等数据找出一些降水相态预报指标，并在日常业务中应用。漆梁波等［4］指出降水相态的判别应该综合考虑温度与位势厚度，并通过对中国东部冬季降水相态的研究，认为温度平均廓线对雨和雪的区分较好，雪和雨夹雪在低层的大气冷暖状态较相似。

在国外,关于雨雪的判别,除了传统的气温阈值外,比较多地使用气层位势厚度来表征大气的冷暖情况。Heppner等人[5]分别对北美洲的降水相态判断进行了研究和总结,得出一种利用厚度值来区分雨、雪、冻雨及冰粒的方法。此方法目前在美国和加拿大的气象部门被广泛使用。

哈尔滨地区隆冬季节的降水几乎全部是雪，而到秋末冬初和冬末春初常有雨雪交替的情况出现，而降水相态的准确预报也是过渡季节的难点。因此，确定降水相态至关重要。目前关于哈尔滨市的降水相态的研究相对较少，预报员较多依赖于主观经验。同时黑龙江地区研究雨雪相态的指标多通过温度阈值进行判定，而通过厚度判断雨雪相态的研究较少。本研究在对历史观测资料研究的基础上，不仅找出气温阈值来判定降水相态的指标，同时通过各层厚度提炼预报指标，并建立哈尔滨市冬半年降水相态变化的预报方法。

2 资料与方法

本研究主要选取了2009-2018年冬半年（10月-次年4月）哈尔滨地区（13个国家级气象站）高空及地面观测资料。为了保证所选个例都为雨雪转换临界值的个例，选取标准：（1）10 a中所有的雨夹雪日；在本文中定义当日20-08时出现雨夹雪天气现象即记为一个雨夹雪日，08-20时出现雨夹雪现象记为一个雨夹雪日。（2）选取≥3个站出现雨夹雪天气过程进行各层温度（T850,T925,Tsuf）和对流层低层厚度（H700-850,H850-1000）统计，通过对临界值的特征及其范围的确定，统计出不同相态出现时各物理量的范围及其阈值和出现频次，从而得到相态转变的预报指标。

3 结果分析

3.1 雨夹雪的气候特征

根据本文标准统计资料，2008-2019年哈尔滨地区共出现717个雨夹雪日。按年际变化看（图略），前期周期性震荡，2013年出现高值，为119个。从2014年开始逐年增加。总体来看，10 a中雨夹雪日后期（2014-2018年）相对前期（2009-2013年）有所减少。从月际变化上看，3-4月、10-11月为哈尔滨地区雨夹雪的主要月份。而3-4月相对于10-11月出现概率更高，3-4月出现348个，10-11月303个。

由于各地区雨雪相态各有差异，按照区域出现的雨夹雪日也进行了统计，如图1。从图中明显看出，西北部地区（哈尔滨、呼兰、阿城、宾县、木兰）雨夹雪日相对较少，在20-40个之间，中部地区在41-70个之间，东南部县（市）出现概率相对较多，其中，尚志地区最多，出现了107个。

图1 哈尔滨地区近10 a出现雨夹雪日数特征

3.2 雨夹雪日各气层气温的特征

从717个雨夹雪日中挑出20个大范围出现雨夹雪天气过程重新建立数据库。再对20个雨夹雪天气过程每隔3 h进行统计雨夹雪，出现一次雨夹雪则记为一次雨夹雪个例，出现一次雨或雪分别记录为雨或雪一次。第二次建立的数据库资料共有348个个例。其中181个雨夹雪个例（冷平流103个，暖平流98个），40个降雨个例，127降雪个例。对高空各层温度实况进行插值再分析，对应不同相态进行记录。

3.2.1 不同降水相态在850 hPa温度特征

表1中列出了850 hPa的温度(T850)，分析表明，冷平流背景下，相态为雨夹雪时850 hPa平均温度都在1℃左右，大部分集中在-2℃＜T850＜1℃之间，-2℃＜T850＜1℃范围内的个例占58%；1℃＜T850＜2℃范围内的个例占25%；-3℃＜T850＜-2℃范围内的个例仅占17%，因此，在温度平流为冷平流时，大部分的雨夹雪在-2℃＜T850＜2℃。同样分析在暖平流情况下，大部分的雨夹雪个例都在-6℃＜T850＜-4℃范围内，占比为46%；-4℃＜T850＜-2℃范围内的个例为41个，占比为42%,-7℃＜T850＜-6℃范围内的个例占比相对较少，对比较大温度区域为-6℃＜T850＜-2℃。综合考虑，冷平流时，雨夹雪概率较大温度区域为-2℃＜T850＜2℃之间，暖平流时，雨夹雪概率较大温度区域为-6℃＜T850＜-2℃。

表1 雨夹雪在850 hPa温度特征表

同样方法统计雨、雪相态的温度区域，雨、雪的温度特征相对较明显，降雨个例冷平流全部在T850≥2℃，暖平流均T850≥-2℃；冷平流时，雪的个例中55%T850≤-2℃，32%的雪T850≤-6℃。（如表2）

表2 雨、雪在850 hPa温度特征表

综合考虑，得出三种相态的温度阈值（如表3）。

表3 不同降水相态在850 hPa的温度阈值

3.2.2 不同降水相态在925 hPa温度特征

当在-4℃＜T925＜1℃范围内时，出现雨夹雪概率大，T925＜-3℃时出现雪的概率大，雨夹雪和雪大多都在0℃以下，不好判断是雪或雨夹雪。当T925＞0℃时，出现雨的概率较大，可作为降雨温度下限的分界（表4）。但用该层温度判断雨夹雪或雪的难度较大，变化范围小。

表4 不同降水相态在925 hPa温度特征表

3.2.3 不同降水相态在地面温度特征

地面温度的归纳还是比较明显。如表5，当Tsuf＞2℃时主要为雨，当Tsuf＜-1℃时，主要为雪；-1℃＜Tsuf≤2℃时为雨夹雪。

表5 不同降水相态地面气温特征

3.2.4 雨夹雪时风向的变化

通过对出现雨夹雪时的风向统计，55%的风向为偏南或西南风，20%为东南风，其它风向占25%。说明雨夹雪天气前必将有较好的暖湿气流输送。

3.3 各气层厚度的统计特征

通过以上统计分析得出的与降水相态有关的温度分布特征，可以在很大程度上指导预报员的主观预报。如果能再从厚度物理量得出客观预报指标，将会给预报员提供更加便捷的预报依据。厚度资料的分析是将位势高度进行格点插值再分析。依然为181个雨夹雪，40个降雨，127个降雪个例。

下面通过H700-850、H850-1000进行讨论（表6）。

对流层中下层H700-850的厚度:雨夹雪时大部分在1500-1530 gpm之间，相态为雨时，厚度为1540-1590 gpm，相态为雪时，厚度为1480-1550 gpm，三者之间重叠比较少。低层H850-1000厚度雨夹雪时为1288 gpm，相态为雪的＜1293 gpm，相态为雨的厚度为＞1299 gpm；这表明使用该两层间的厚度作为指标判断降雨还是较具有特征性的，发生降雨时的厚度与其他两类相态间几乎没有交叉，低层雨夹雪和雪有重叠，相态区别上效果不明显，所以H850-1000＞1299 gpm可作为降雨的判据；而雨夹雪和雪的区分难度则比较大。因此低层厚度雨夹雪和雪的结果不易参考。但对流层低层的厚度对于哈尔滨地区来说，辨别相态方面有很好的指示意义。

表6 不同降水相态厚度识别判据

在实际的探空中，得到的温度只是某点标准层和特性层的温度，有时逆温的存在导致特征层温度的变化，在相态判断中出现失误。在本文的研究中，使用厚度作为降水相态识别判据，通过比较这些厚度可得出降水类型的阈值以提供有价值的不同相态降水的信息，从而弥补发生逆温时使用特征层温度而发生的误差。

4 结论

本文通过利用2009-2018年冬半年（10月至次年4月）的降水、高空和地面观测资料，统计分析了哈尔滨地区冬半年出现雨夹雪天气的时空特征，得出哈尔滨地区雨雪转换频发的季节主要集中在3月和4月。通过出现雨夹雪及雨雪转换天气时各层温度、风向以及中低层厚度对比，得出以下结论，海拔高度在200 m以下的平原地区降水相态指标（1）冷平流时-2℃＜T850＜2℃，暖平流时-6℃＜T850＜-2℃，出现雨夹雪；近地面雨夹雪温度范围为-1℃＜Tsuf≤2℃；T925判断雨夹雪或雪的难度较大，温度变化范围小。（2）雨夹雪时地面风向以西南风和偏南风为主。（3）对于中低层厚度雨夹雪的范围是1500 gpm≤H700-850≤1530 gpm；H850-1000＞1299 gpm可作为降雨的判据,而雨夹雪和雪的区分难度则比较大。