引言

随着社会的发展, 降雪造成的损失却日渐突出，与降雪有关的“城市次生灾害”事件逐渐显露(孙继松等，2003)。北京初雪的预报是北京降雪预报的重要一环。北京的初雪往往出现在11月，通常伴有雨雪相态转变(张琳娜等，2013)，以往的相态预报多以某一层大气的温度作为参考指标，但当所参考温度非常接近临界阈值时，相态预报的准确率将下降，预报错误概率升高。目前对于此类天气相态预报的能力还没有达到足够准确的水平，预报难度大，预报员面临很大挑战。

张琳娜等(2013)的研究给出与北京地区雨雪转换关系密切的6种物理量以及对应的3种降水相态的不同阈值范围，但综合判据这些阈值后，发现对于北京地区三种降水相态的预报准确率为77%。由此可见，雨转雪的时间节点预报，单纯依靠某一个或几个预报指标来判断，往往会出现偏差。那么如何才能更加准确地预报北京地区带有雨雪转换天气过程的降雪量和相态转换时间呢？依靠某层大气温度是否达到临界阈值来判断相态转换时间的方法是否合理？是否需要换个角度思考雨雪相态转换？本文将结合上述疑问对2016年11月20日的降雪天气过程进行分析。

1 资料与方法

本文使用欧洲中心EC-Interim资料(水平分辨率为0.75°×0.75°，垂直方向共29层)，MICAPS各层高空综合图、地面天气图、加密自动站和探空等常规观测资料，海淀站边界层风廓线雷达、天气雷达、微波辐射计及中国科学院大气物理研究所铁塔数据等高时空分辨率资料。数值模式主要参考北京区域模式RUC以及EC细网格、NCEP等模式相关预报产品。

文章对所用海淀边界层风廓线雷达数据做了处理。利用位势高度与气压的转换关系式(1)以及高度与位势高度的关系式(2)将探测高度单位(m)转换为气压单位(hPa)来显示(章国材等，2007)。

$ Z=44331\left[ 1-{{\left( \frac{p}{1013.255} \right)}^{0.1903}} \right] $

(1)

$ \begin{align} Z= &\frac{9.80616\left( 1-0.00259cos2\varphi \right){{\left( 1+\frac{h}{{{R}_{0}}} \right)}^{2}}~}{9.80665}\times \\ & \left( \frac{{{R}_{0}}h}{{{R}_{0}}+h} \right) \\ \end{align} $

(2)

式中，R₀为地球半径，φ为纬度。

温度平流计算是在热成风的假定下，根据标准大气的特性，通过温度平流的计算公式(章国材等，2007)，假设等压面p₁和p₂上(p₁>p₂)，风速、风向分别为(V₁, θ₁)和(V₂，θ₂), 则式(2)可转换为：

$ -V\cdot \nabla T\approx \frac{\bar{p}f}{{{R}_{\rm{d}}}\Delta p}{{V}_{1}}{{V}_{2}}\rm{sin}\left( {{\theta }_{1}}-{{\theta }_{2}} \right)~ $

(3)

式中，Δp=p₁-p₂, p=(p₁+p₂)/2, f为科氏参数，R_d为空气气体常数。

2 天气实况与预报情况

受冷空气和偏南暖湿气流的共同影响，19日22时至21日11时北京出现雨雪天气，全市平均降水量为7.3 mm，城区平均降水量7.5 mm(图略)。降雪时段主要在20日23时至21日11时，全市平均累计降雪量2.9 mm，城区平均3.2 mm，其中最大降雪在平谷玻璃台8.5 mm，大兴采育7.5 mm，朝阳豆各庄7.2 mm(图 1a)。根据21日11时气象站监测积雪深度：通州1.7 cm，平原其余地区不足1.1 cm；山区1~3.8 cm，山区最大降雪出现在佛爷顶3.8 cm (图 1b)。

针对此次天气过程，北京市气象台11月16日预报表明“北京地区将在11月20—21日有一次明显雨雪天气”，与此同时，开始滚动发布多期《天气情况》、《重要天气报告》等预报服务材料。11月18日预报结论为：“北京大部分地区过程累计降水量8~15 mm，其中降雪量可达大雪(5~8 mm)，北部、西部地区局地有暴雪(10 mm以上)；平原地区积雪深度可达2~5 cm，山区可达5~10 cm”。19日经与中央气象台、华北区域各省的综合天气会商后继续维持原有预报结论：北京将有一次大雪天气过程，西部、北部地区局地有暴雪。

3 预报过程回顾

这次过程预报偏差出现的主要天气时段为11月20日夜间，因此，本文重点回顾20日预报结论的确定过程。

3.1 影响系统

针对这次过程，20日16时北京市气象台组织召开了华北区域重要天气会商。实况显示：500 hPa高空以平直偏西气流为主；700 hPa高空槽位于河套东部，呈东北—西南走向；850 hPa切变线位于河北西北部至山西一带，且切变东侧偏南暖湿气流强盛，达到12 m·s^-1；925 hPa以偏南气流为主，锋区位于河北以北地区；风廓线及加密自动站风场显示边界层已有弱回流东风形成。

与实况天气形势对比后，预报员确定EC细网格环流形势预报相对准确，因此参考其预报产品：20日夜间700 hPa高空槽在东移过境北京后，850 hPa切变线东移北抬，低层配合东风回流形势，此类环流形势基本符合华北地区冬季大到暴雪天气概念模型中的低涡低槽配合回流型(张琳娜，2014)。

3.2 水汽条件及相态转换时间

根据20日08时高空观测资料分析，除700 hPa相对较干外，大气整层相对湿度较大，尤其在850 hPa以下水汽充沛，这一特征在微波辐射计和探空曲线中也得到佐证。根据EC细网格预报，850 hPa切变及与之配合的水汽辐合区域将在20日夜间北抬，影响北京平原地区，在动力和水汽两个方面为这次雨雪天气过程的发生提供有利条件。

20日08时54511站点850 hPa温度为-3℃，0℃层高度约1 km左右。此时起报的EC细网格预报在20日23时850 hPa温度-4℃线及地面温度0℃线南压至北京南部，RUC探空曲线预报产品显示22时0℃层高度下降至2 m，因此相态转换时间预计在22—23时。

关于降雪量，EC模式预报过程降水量基本稳定在8~15 mm，21日02—08时降雪量3~6 mm；北京区域模式RMAPS(RUC升级版)预报全市大部分地区平均降水量3~5 mm，而在北京城区一带有超过10 mm的降雪，这可能与低层切变线及水汽辐合区域有关。

综上所述，这次雨雪天气过程主要影响系统为700 hPa高空槽、850 hPa切变线及低空急流；500 hPa高空平直偏西气流有利于回流冷垫形势建立，降水动力抬升条件较好。水汽条件方面，北京本地整层的水汽条件相对充沛，随着850 hPa切变线及低空急流的北抬，水汽辐合区域位于北京平原地区。数值模式对于降雪量的预报基本维持在3~6 mm，局地超过10 mm。因此最终确定北京地区的预报为：“20日夜间平原地区小雨转中到大雪、局地暴雪；山区有雨夹雪转大雪，降雪量3~7 mm；城区及南部地区，半夜前后雨或雨夹雪转雪，降雪量3~7 mm”。

4 天气演变及偏差分析

本文重点围绕三方面的预报偏差进行诊断分析：(1)全市平均降水量7.3 mm，较预报的过程降水量8~15 mm略偏少。(2)全市平均降雪量2.9 mm，城区3.2 mm，较预报的降雪量3~7 mm以上偏少。(3)城区雨雪相态转换时间较预报偏晚。

4.1 降水条件偏差分析

2016年11月20日20时500 hPa以平直西风气流为主，700 hPa槽线位于河北西部，但850 hPa风场并未形成低涡环流，取而代之的是河北中南部的暖切变(图 2)，另外，切变线位于河北中部，相对北京位置略偏西偏南，对北京提供的动力抬升作用略有不足。由2 m温度的分布情况可见，京津冀地区等温线东西向差异不大，反映出北京地区不存在“回流降温”的现象(图 2)。地面低压倒槽顶端位于河套东部，京津冀地区处于地面高压底部，弱的东南气流控制(图略)。

综上所述，700 hPa西风槽和850 hPa切变线是这次雨雪天气形成的天气尺度系统，从系统的配置来看，尚无法达到华北区域性大雪天气的要求。数值模式对于地面倒槽以及850 hPa切变强度及位置预报存在偏差，“冷垫”的缺失和850 hPa切变系统主体位置偏南是过程降水量偏低的两个原因。

本地的水汽条件以及水汽辐合情况对于降水的量级有直接影响。“11·20”初雪天气过程中，21日02时北京整层的可降水量9~13 mm，呈现南高北低的分布特点(图 3a)。这次降水过程以层状云降水为主，全市平均整层可降水量不足12 mm。如果参考历史上华北地区两次层状云降水过程的平均降水效率(石立新等，2005)，降水量不足7 mm，而这个数值与实际情况相吻合。整层大气的可降水量和降水效率决定了过程降水量的大小。而数值模式(EC细，下同)对于相同时次的整层可降水量预报偏高，尤其北京南部地区的整层可降水量超过15 g·m^-3 (图略)。

整层的水汽含量较预报偏低是过程总降水量不足的一个原因，另外，水汽的辐合程度不足也会对降水造成不利影响。如图 3b，水汽通量辐合区位于北京、天津及河北东北部一带，该地区的水汽通量散度很小，仅为-0.8 10^-3 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1这较模式预报的-3 10^-3 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1的水汽辐合程度明显偏弱(图略)。

4.2 降雪量偏少原因分析

由于雪花的形成主要是在冰晶和过冷水滴并存的冰水混合层，当有充足的冰晶和过冷水滴时，雪花才会迅速长大。美国流体气象预报中心的研究表明，在-14~-9℃温度层，超过50%的云层中的水都处于过度冷却状态；在-18~-14℃温度层，大约75%的云层中都包含有冰结构(Junker，2000)；而产生什么样大小形状的雪花以及产生雪花的密度则取决于云层和大气的温度以及其中水的饱和度(唐勇等，2009；Jiusto and Weickmann, 1973)。由此可见，-18~-9℃层的饱和程度对于降雪是有明显影响的。此次降雪过程的主要时段20日23时至21日11时，-14~-9℃(对应在4~5 km)层相对湿度缓慢增加，但是在-18~-14℃层(对应高度约5~6 km)的相对湿度却并未显著增加(图 4)。尽管在-18~-9℃层相对湿度有所增加一直未完全达到饱和状态，导致雪花的密度和大小受到影响。即：-18~-9℃层饱和程度的不足影响了雪花的大小以及密度，进而对降雪的量级产生不利影响。

这次天气过程中，城区的降雪开始在20日23时之后，由于冷空气不断南压，西来槽系统不断东移，降雪的天气系统的垂直结构也在发生着变化。20日23时后，850 hPa层上下的风由南风转为偏北风，代表着影响北京的切变辐合系统正在进一步南压。同时，700 hPa层上下的风由西南风逐渐地转为西北风，700 hPa的西来槽逐渐移出北京(图 5)。由此可见，北京平原地区转雪后，其影响系统也逐渐移出北京，加之垂直动力抬升条件转差，造成了降雪强度的进一步下降。

4.3 相态预报偏差分析

整体而言，此次过程平原地区的降雪量较预报偏少。造成平原地区，尤其是北京城区降雪量不足的重要原因之一是平原地区雨转雪的时间为21日00时前后，较预报20日21时后城区转雪的时间晚了3 h。由此可见，相态的转换节点预报也是北京冬季降雪预报的关键。北京冬季初雪的预报往往涉及到雨雪相态转换，而关于雨雪相态转换的预报指标已经有很多研究(张琳娜等，2013；廖晓农等，2013；许爱华等，2006；李江波等，2009)，如850 hPa的-4℃、925 hPa的-2℃作为阈值等。但当预报降雪天气涉及雨雪相态转换时，却没有哪一个转换指标能够作为准确的阈值使用，即便利用多个指标综合判据，北京地区三种降水相态的预报准确率也仅能达到77%(张琳娜等，2013)。北京地区雨雪相态预报的难度是非常大。下面就来分析相态转换时间推迟的原因。

这次过程的回流形势没有建立，这对边界层的降温非常不利。这次天气过程中，700 hPa槽前为较强的暖平流，20日20:00 700 hPa的温度由08时的-10℃上升至-3℃，而这一实况特征与数值模式预报的由-8℃至-6℃的变化幅度存在差异(图略)。850 hPa由-3℃下降至-4℃，温度变化幅度很小，由图 6可见，海淀区的边界层有一层很薄的冷平流，高度不超过950 hPa，而大部分层次表现为暖平流，随着冷空气的不断南压，冷平流层次缓慢升高，冷平流的高度在22:30前后出现一个跃升，风力超过12 m·s^-1，此时的降水相态由雨转为雨夹雪，随后很快在23:35转为纯雪。由此可见，暖平流是造成边界层的温度下降缓慢的主要原因，而温度下降的缓慢也就造成了0℃层高度较长时间地维持在较高的水平。对降水云的观测显示(马新成等，2012)，0℃层是冰相向液相转换区域，即融化层；冬季降雪云云底都低于0℃，雪花从云底降落后，在经过0℃层后会很快融化成雨滴(这次过程近地面湿度高，降水粒子的蒸发过程相对较弱)，所以如果0℃层距离地面较高，会推迟地面观测员观测到雨向雪转换的时间，进而会导致开始统计降雪量的时间延后。

20日23:30前后，随着0℃层高度的缓慢下降(降至60 m上下)，海淀观测到降雪，结合北京观象台多普勒雷达(图略)，发现此时已经处于降雪云发展的后期。在降雪云后期降雪效率会明显减弱，这也是导致平原地区降雪量减小的原因之一。

雨雪相态的转换时间预报不能单纯地考虑某一层，或一两层的温度，尤其是在实际预报中不能仅关注850和925 hPa的温度是否达到雨雪相态转换的临界阈值，而是要同时考虑到0℃层的高度，甚至降雪云厚度、降雪云发展阶段以及降雪的微物理特征等因素。

4.4 相似天气个例对比

这次过程预报偏差的核心在于雨雪相态转换预报的偏差，而对于这种850 hPa层温度以及925 hPa层温度都已经满足相态转换阈值却迟迟不降雪的天气过程，在北京是否常见呢？是否有其他预报指标可以关注呢？

2015年11月21日白天发生了类似的天气过程：北京西部、北部地区出现中雪，局地大雪；城区及南部地区基本以雨为主，部分地区有雨夹雪或小雪。2015年11月21日20时的天气背景同样具有850 hPa温度为-5℃、925 hPa温度为-4℃、600 hPa为干层、850 hPa有暖平流、925 hPa冷平流弱等特征，这些特征与2016年11月20日的天气过程基本一致(表 1)。

那么当多个特性层温度阈值达到降雪标准，是否意味着就会雨转雪呢？答案是否定的，因为当高空600 hPa层上下的饱和程度不足时，雪花的形成将受到影响，其密度和尺寸都会偏小，而这就需要更低的0℃层高度才能确保雪花不被融化。

将两次雨雪天气过程的0℃层高度进行对比(图 7)发现：2015年城区的0℃层高度始终维持在150 m以上，城区在整个降水过程中基本以雨为主，仅有非常短暂的时间观测到了雨夹雪的天气。而2016年11月20日的雨雪转换的时间是在0℃层高度下降至60 m左右时才观测到降雪。因此，当遇到高空饱和程度不足的降雪天气过程时，在多个层次的相态转换阈值已经达到的情况下，仍需要关注0℃层的高度，当0℃层高度下降至100 m以下时，才可能出现雨转雨夹雪或雪的天气。

5 预报失误原因总结和讨论

经过上述诊断分析发现，北京“11·20”初雪天气过程预报中出现偏差的原因是多方面的。

过程总降水量略偏低的原因：

(1) 回流“冷垫”的缺失和850 hPa切变线主体偏南, 是造成这次雨雪天气过程降水总量偏低的两个主要原因。

(2) 整层可降水量不足以及层状云的降水效率低是过程总降水量不足的两个原因。

(3) 北京平原地区的水汽通量辐合程度相对较弱，在一定程度上造成过程总降水量不足。

城区降雪量偏低的原因：

(1) 城区雨转雪的时间较预报晚了3 h左右，造成北京城区降雪量不足。

(2) -18~-9℃层饱和程度的不足，影响了雪花的大小以及密度，对降雪量不利。

(3) 北京平原地区转雪后，高空槽东移以及切变线南压，垂直动力抬升条件转差，造成降雪强度下降，影响降雪量级。

城区雨转雪时间偏晚的原因：

(1) “回流”冷垫没有形成以及低层的暖平流作用，造成边界层的温度下降缓慢。

(2) 由于雪花的大小以及密度偏小，雪花下落进入0℃层以上大气时迅速被融化，造成雨转雪时间推迟。

综上所述，冬季相态预报中目前在业务中主要仍依赖数值模式对于大气各层温度的预报，通过对比本地雨雪相态转换阈值，最终做出相态转换与否及转换时间做出粗略的判断。但是在当遇到需要进一步精确预报雨雪相态转换时间时，则需要关注降水过程中雪花形成的关键层-18~-9℃间冰晶含量及0℃层高度情况。对于北京地区而言，当关键层冰晶含量低(高)时，雨转雪时要求0℃层高度也就更低(高)，通常需要下降到100 m以下。