引言

2005年2月17~18日, 青岛市市区、崂山、即墨分别出现了大雪, 积雪深度达到6cm左右, 是青岛市近十几年来较大的一次降雪过程。其中17日23时至18日02时, 青岛本站3小时降雪量达到2.7mm, 这种强度在青岛地区非常少见。

雷达资料在分析暴雨、冰雹等强对流天气的机理方面发挥了重要作用, 而应用于探索降雪机理的方面还做得较少。近年来, 郑丽娜等对渤海特殊地形对降雪的贡献作了研究^[1]。安新宇等^[2]曾对内蒙古赤峰南部地区的一次暴雪过程的PPI速度图像进行了分析, 张晰莹等对哈尔滨的一次降雪过程的雷达回波强度的不均匀性、速度场回波的低空急流和高度显示的二层云结构等特征进行了分析^[3]。本文在对降雪过程的环流背景进行分析的基础上, 对雷达资料进行了分析, 以期探索本次降雪过程中在天气尺度系统的背景上, 中小尺度系统的特点, 以及对降雪的影响。

1 天气形势分析 1.1 降水概况

2005年2月17日22时至18日08时, 青岛各站降雪及积雪数据如表 1所示。

1.2 高空环流形势

17日08时(北京时, 下同)500hPa天气图上, 中纬度西风带系统分南北两支, 北支在西西伯利亚为高压脊; 蒙古境内有一低涡, 低涡前部向南延伸的北支小槽, 南端伸至甘肃境内。与主体冷空气配合, 低涡后部有一横槽。鄂霍茨克海也维持一低涡, 在高原东部有一个南支槽。北支小槽与南支槽前为西南气流区, 风速达18~24m·s^-1。青岛此时离槽区较远, 风向为西风略偏南。至20时(图 1a), 系统东移, 北支槽到达河套东部, 南支槽到达河南—湖北—湖南境内, 槽前的西南气流区到达山东半岛以东, 其中青岛西南风达22m·s^-1, 济南西南风24m·s^-1, 槽前的温度露点差小于2℃。18日08时, 两支槽移至海上。

17日08时700hPa除与500hPa北支小槽对应的北支小槽外, 四川盆地为西南涡, 32°N为一江淮暖切变, 青岛处于切变前部的东南流场中。此时南支槽不明显。至20时(图 1b), 北支小槽与南支槽基本合并, 在京津—山东河北交界处—宜昌武汉一带, 江淮暖切变北抬东移至日照—济州岛一带。山东半岛处于槽前与切变前部辐合区中, 青岛东南风10m·s^-1, 暖平流明显, 但温度露点差高达8℃。20时850hPa的江淮暖切变, 受黄海北部暖脊影响, 北段西翘, 发展成为青岛与济南之间的倒槽。

1.3 地面环流形势

17日08时, 蒙古境内为冷高压, 西南倒槽向北伸至二连浩特一带。半岛东部海上, 在124°E以东为倒槽, 华东地区处于倒槽后部的高压坝中。其后, 西南倒槽减弱, 海上倒槽发展并向西移动, 18日02时, 青岛处于倒槽槽区中。

1.4 物理量分析

17日20时的物理量场, 青岛700、850、925hPa的比湿均小于等于2g·kg^-1, 三层的上升速度均很小。500、700、850、925hPa的涡度也接近零值, 略偏向正涡度值。从T-lnP图上分析, 17日20时, 青岛上空大气的不稳定能量还没有正值区。

从17日20时的风向-高度图(图 2)上看, 500hPa以下, 风向一致顺转达235°, 表明低空有明显一致的暖平流存在, 在低空有来自黄海的水汽输送, 中层有南方暖湿气流的输送。500hPa以上, 250hPa至200hPa之间, 风向随高度有轻微的逆转, 表明对流层顶有冷平流。风速-高度图上, 青岛300hPa以上的大气处于西北风急流区中。

1.5 环流形势小结

从以上分析可以看到, 17日20时之前, 青岛上空大气还处于稳定状态, 但低空有深厚的暖平流, 高空有弱的冷平流, 有较强的垂直风切变和高空西风急流, 表明启动对流发展的机制已经存在^[2], 低层来自黄海的水汽输送和中空西南气流提供了降水所需的水汽。17日20时青岛地面气温-0.2℃并继续下降。从天气学的角度分析, 17日20时以后, 大气状况具有了降雪的可能。

2 多普勒雷达资料分析

青岛的雷达是敏视达生产的SA型, 本次降雪过程使用的是21模式。这是一次稳定性降雪过程^[3], 比较好的反应过程特征的资料是不同仰角的PPI资料、风廓线和回波顶高度资料。这些资料很好的补充了常规资料, 揭示了这次降雪过程中小尺度系统的特点。

2.1 PPI强度资料分析

对于降雪过程, 自记数据无法反映过程的强度变化, 人工站也只给出观测时段上3小时或6小时总的降雪量, 和降雪的起止时间。分析回波强度资料, 可以推断降雪的强度变化, 以及区域分布情况。高仰角的PPI的变化, 还反映出湿度条件的一些垂直分布特征^[4]。

在本次过程中, 0.5°仰角的PPI显示, 青岛沿海及海上回波较强, 内陆仅有20dBz以下的回波。沿海的市区及崂山在00时24分以后出现了30~35dBz的强中心, 该中心23时34分出现在南部海上, 其后向东北方向移动而来。18日01时19分以后, 沿海回波强度降到30dBz以下, 回波的强度、形状、范围都开始发生转折性变化, 强度减弱, 回波边缘在西部呈东北西南向线状, 并向东南移动, 逐渐逼近本站。30dBz以上的强中心仅在胶南沿海加强, 在海上向东北方向移动, 并在海上减弱消失。

分析4.3°仰角的PPI。17日20时, 雷达站上空3.0~5.5km的高度上, 有弱的回波, 3.0km以下没有回波, 表明此时中低层还很干燥。其后, 回波区向上下扩展加强, 近地面层也开始出现回波。22时33分的回波图上, 出现两个25~30dBz的回波较强的层次, 一个在3.5~5.5km高度, 另一个在1.2km以下, 而中空为弱回波带, 0.8 ~3.2km高度上有三个强度低于5dBz的弱回波中心。此时降雪已经开始。随着上下层大气的交换, 以及偏南气流的输送, 中层湿度改善, 18日00时24分, 出现了两个30 ~35dBz的强回波中心, 分别位于青岛沿海与海上。

从以上分析看, 降雪强度较强的时段是18日00时24分至18日01时19分。降雪强度较强的区域是海区及青岛沿海。地面观测也表明, 青岛本站17日23时至18日02时, 3小时降雪量达到2.7mm。低空从黄渤海海面的水汽输送是这次降水过程的重要水汽源。

2.2 PPI风场资料分析

由于时处冬季, 空气中水汽含量较低, 直到17日20时30分以后, 才得到有参考价值的风场资料。最先呈现空间风场较连贯的, 是2.4°仰角的资料, 其次是1.5°仰角。

首先分析一下2.4°仰角的资料。图 3a为17日22时08分的风场PPI。从中可以看到, 16km以内(高度约0.8km以下), 风向基本为西北风, 零线基本上呈西北东南向, 略有波动, 但不明显, 这种波动与雷达站东部崂山(海拔1133m)和西南方向的小珠山(海拔725m)的地形影响有关。16km以外, 零线明显呈气旋性弯曲, 风向也随高度明显顺时针旋转, 一直到能够探测的高度, 风向转为西南风, 风速随高度增加, 反映出对流层中部以下深厚的暖平流, 以及对流层中下层偏南气流对暖湿气流的输送。

仰角2.4°PPI的这种形势, 维持到17日23时09分, 23时16分以后的形势发生了变化。在雷达站西部, 方位约282°, 斜距约45km, 高度约2.2km处, 正速度区开始断裂, 到34分(图 3b), 完全断裂, 底层风逐渐转为北风, 继而转为东北风。00时24分以后, 正速度区在方位约85°, 斜距约40km, 高度约2.0km处逐渐合并。其间2.0~2.7km的高度上维持着以雷达站为中心的风场辐合带。对照1.5°和3.4°仰角资料, 1.5°仰角上, 17日22时51分, 方位约293°, 斜距约65km, 高度约2.2km处, 正速度区即开始断裂, 18日01时12分, 正速度区在方位约80°, 斜距约60km, 高度约2.0km处开始合并。3.4°仰角上, 分裂发生于23时40分, 方位约274°, 斜距约34km, 高度约2.3km处, 合并开始于00时11分, 方位约95°, 斜距约31km, 高度约2.1km处。在谱宽资料上, 合并与断裂处的谱宽都很大, 在13m·s^-1以上。

结合高空资料判断, 以上高度上的风场辐合, 应是该层面上在倒槽上发展起来的以青岛为中心的中尺度气旋性风场, 由于分辨率的原因, 探空资料漏测。强度资料分析也显示, 青岛降雪较强的时段是18日00时24分至18日01时19分。随着该气旋性风场出现, 降雪也达到最强; 结合天气形势的分析, 该气旋性风场的出现是青岛成为这次降水过程中区域降水中心的主要原因。该气旋性风场破坏后, 降水仍持续数小时, 主要是受高空槽前暖湿气流的影响。根据常规资料分析, 高空槽过境后, 降雪逐渐停止。由于湿度条件太差, 雷达资料没有观测到高空槽过境的风场资料。但气旋性风场消失后, 风向仍随高度顺时针旋转, 表明青岛仍处于槽前的暖平流区中。高仰角强度资料的回波边缘的变化, 反映出高空槽的移动的一些信息。随着高空槽的接近, 高空变得干燥, 18日02时45分以后, 1.5°仰角上, 西北部的回波边缘呈西北东南向, 向东南方向推移, 07时20分左右接近本站。

不同仰角探测到中尺度气旋性风场的时间和距离不同, 与不同仰角探测同一高度时, 取样体积不同有关。可以推断, 高仰角的资料更接近实际情况, 上面观测到的中尺度气旋性风场的维持时间, 应该在半小时左右。

2.3 VWP产品分析

VWP产品显示, 17日23时前, 4.0km以下以偏东风为主, 其中1.2km以下以北到东北风为主, 1.5~4.0km以东南风为主。4.3km以上为西南风。17日23时以后, 风场有所变化。与地面环流形势一致, 0.9km以下以北到西北风为主。

2.4 回波高度

回波顶高度产品显示, 本次降雪过程的回波顶高度分布比较均匀, 降水性质应推断为稳定性降水, 回波顶高度最高时达6km左右。但由于算法没有进行外推, 而且从降雪初期中层存在弱回波区推断, 该产品可能不能说明回波在垂直方向上的真实分布情况。

3 小结

从以上分析可以看到, 17日20时之前, 青岛上空大气还处于稳定状态, 启动对流发展的机制是低空暖平流、垂直风切变和高空西风急流, 中空西南气流和近地层从黄渤海海面的水汽输送提供了降水所需的水汽。从天气学的角度, 降雪条件已经具备。

雷达资料对常规资料的补充主要表现在以下方面:

(1) 降雪初期, 中层存在弱回波区。

(2) 2.0~2.7km高度上在倒槽上发展起来的以青岛为中心的中尺度气旋性风场的出现, 预示着降水强度的迅速增强, 和降水量级的改变, 该风场的破坏, 则预示着降雪强度的迅速减弱。

(3) 本次降雪过程为高空槽前暖区降水, 高空槽过境, 标志着降雪过程结束。

(4) 回波首先出现在3.0~5.5km的高度上, 然后向上下扩展。

(5) 与降水不同, 0.5°仰角上, 回波强度在20dBz以下即可出现降雪; 回波强度在30~35dBz时, 降雪强度就可以达到很强。