“Top-Down-Approach”降水相態分析法在雙流機場一次降雪過程中的應用

褚蕓欣 , 吳妮晏 , 趙清越

（民航西南地區空中交通管理局，成都 610000）

引言

四川四面環山，冬季強冷空氣常難以直接南下至盆地內，因此四川地區年平均降雪日數和雨夾雪日數呈現“西多東少”分布特征，特殊的下墊面條件使得盆地地區降水相態預報和判斷成為難點[1-2]。一次降水過程中可能同時包含幾類降水相態之間的相互轉換，而降水相態預報直接決定冬季降水預報正確與否。對于航空氣象而言，冬季雨雪天氣可能會造成地面及機體積冰、濕滑跑道甚至積雪，進而對飛機起降及機場運行帶來不利影響。因此，關注冬季降水過程，提前預報降水相態，對保障機場正常、有序運行具有重要意義。

從20 世紀初開始，國內外學者對雨-雪過渡區內凍雨、冰粒、雨夾雪等降水相態進行了大量的地面、探空、衛星觀測及理論分析，研究了一系列物理機制來描述不同降水相態形成的物理過程，普遍認為降水相態的形成機制包含大氣垂直熱力學和微物理過程兩個方面[3-8]。本文選取“Top-Down-Approach”[9]降水相態分析法，利用歐洲中心ERA5 再分析資料（空間分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h）和常規氣象資料，對2023 年1 月16 日雙流機場降雪過程進行應用分析，探究雙流機場冬季降水相態預報著眼點，為提高雙流機場降水相態預報水平提供科技支撐。

1 “Top-Down Approach”降水相態分析法

1.1 方法概述

“Top-Down-Approach”是指從探測環境頂部開始，追蹤水汽凝結物由源頭至地面的全過程，從而確定最終的降水類型。該方法是1999 年由美國國家氣象局（NWS）Dan Baumgardt 在德國氣象學家Alfred Wegener所提出的“The Bergeron-Findeisen Process”[10]降水預報方法基礎上，結合當時云微物理研究結果，總結出的運用于業務實際的冬季降水相態預報方法。該方法起初被美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）作為教學材料使用，目前被美國大學大氣研究聯合會（UCAR）主持開發的MetEd 氣象教學項目引入。

1.2 方法要點

在使用該方法時，所在環境應已經具備出現降水的一般環流形勢條件，在此基礎上分析溫度低于-10 ℃的濕層，用以診斷云中是否存在大量冰晶，云的溫度越低，冰云的可能性越大[11]。此外，-10 ℃也是能使成冰核在云中激活，并成冰晶的較好溫度臨界點，對于地處內陸的成都平原地區，腐爛葉子中的細葉菌是常見成冰核來源。對于存在融化機制的過程，需要考慮暖層的厚度和溫度，若暖層最高溫度≤1 ℃，將不足以融化從上方掉落的冰晶，不會導致凝結物相態變化；若暖層最高溫度介于1～3 ℃，大多數水汽凝結物將在冷近地層重新凍結；若最高溫度接近或大于3 ℃，暖層會導致冰晶在該層完全融化。

此外，還需關注近地面冷層的分析。若地面冷層溫度遠高于冰點，水汽凝結物將以雨的形態降落；地面冷層溫度低于冰點時，水汽凝結物會以凍結或凍結降水的形式到達地面。而雨或雪臨界點可能與850 hPa與0 ℃層高度差對應，該差值越大，水凝物越可能以雪形式降落地面。這與廖曉農等[12]研究指出“降雨過程0 ℃層在云內并高于抬升凝結高度，當0 ℃層降至云底降水由雨轉雪，降雪過程中0 ℃層接近地面”的結論基本一致。根據《成都雙流國際機場航空氣候志（1991 年至2020 年）》記載，雙流機場1 月最冷，月平均氣溫為6.4 ℃，歷年極端最低氣溫為-3.8 ℃?？梢?，由于雙流機場位于盆地西部成都平原地區，其冬季地面溫度相對偏高，而該層對機場最終的降水形態有重要影響。因此，在預報中對于近地面冷層分析至關重要。

2 2023 年1 月16 日雙流機場案例應用

2023 年1 月16 日13:00—18:00（北京時，BJT）成都市內出現一次降雪天氣過程，雙流機場于16 日06:30—08:30（世界時，UTC）相繼出現雪、雨夾雪等天氣。

2.1 環流場分析

2023 年1 月16 日08:00（BJT），500 hPa（圖1a）東亞為一脊一槽型環流形勢，長波脊位于巴爾喀什湖以西，長波槽位于東西伯利亞至我國東北地區。我國北方以“西高東低”的環流形勢為主，南方地區環流較平直，有多個小短波槽東移，雙流機場位于四川盆地小短波槽附近。700 hPa（圖1b）我國北方受冷空氣影響為西北氣流控制，四川盆地受輻合切變影響，相對濕度較大，輻合后部偏北氣流伴有冷平流侵入四川盆地。850 hPa（圖1c）等溫線密集帶位于貴州云南交界處，冷空氣已影響至貴州及云南東部地區，新疆地區有新的冷高壓自西北向東南開始南下影響我國，四川盆地內有弱輻合，低層相對濕度較小。由此可見，高層短波槽配合中層輻合高濕是此次降雪過程發生的主要環流背景。

2.2 熱動力垂直結構及微物理特征

Roebber 等[13]研究了最終影響降水相態的微物理過程，發現其主要包括云內降水粒子狀態、云外融化和升華過程以及地面壓縮和變形等過程，其中云內、云外的微物理過程又直接由大氣溫度、濕度分布決定。本節選取ERA5 再分析資料，從大氣垂直熱動力結構及地面溫、濕條件出發，利用“Top-Down-Approach”對本次降雪過程進行分析。

在產冰層階段，溫度是控制冰晶基本形狀的主要因子，-20～-10 ℃的溫度范圍對樹枝狀雪花的形成至關重要，尤以-15 ℃為樹枝狀雪花形成的峰值區[14]。故而，上述溫度范圍在判斷產生冰晶有無及大小時，有著十分重要的指示意義。圖2a 給出了2023 年1 月16 日雙流機場（104.0°E、30.6°N）降雪過程產冰層溫濕特征及垂直上升運動情況。從溫度分布來看，500～850 hPa 介于-12～-16 ℃，900 hPa 為-4 ℃，深厚的-12～-16 ℃溫度層為枝狀雪花的形成提供了有利條件。從垂直運動分布來看，主要降雪時段沒有顯著的上升運動，導致降雪粒子無法較長時間維持在有利于形成枝狀雪花的區域，不易形成較大降雪粒子，雪粒子在云中生成后受重力作用直接穿云進入近地面冷層。從相對濕度分布來看，降雪時段濕度高于85%的層面介于650～850 hPa，高濕區與溫度區配合為冰核活化和雪花凝結提供了有利條件[15]。

圖2 2023 年1 月16 日溫濕特征、垂直上升運動（a.黑線表示垂直速度，單位：Pa·s-1；綠線表示相對濕度，單位：%；紅線表示溫度，單位: ℃）和云中區域平均冰相粒子和液相粒子（b.黑線表示溫度，單位: ℃；藍線表示云中液態水粒子含量，單位:10-2g·kg-1；紅線表示云中冰相水粒子含量，單位：10-2g·kg-1）時間-高度剖面

除溫度以外，云中液態水含量也會在一定程度上影響冰晶或雪花的形成，這主要是因為當云中含有充分的液態水時，冰晶粒子與過冷水滴之間的碰并會使得降雪粒子中液態水含量偏高，從而使得降雪的融化比減小。圖2b 給出了2023 年1 月16 日雙流機場（104.0°E、30.6°N）降雪過程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情況。由于0 ℃、-10 ℃及-40 ℃層在降水相態的轉換中起到重要作用，故而在圖中疊加了相應等溫線。如圖所示，當日03—10 時（UTC）降雪時段，700～800 hPa 為冰相粒子與水相粒子共存區，過冷水滴含量為0.08 g·kg-1，冰相粒子濃度為0.1～0.14 g·kg-1，含量均偏高。云層中冰相粒子遇到過冷水滴時，容易發生冰晶粒子和過冷水滴的聚并或凇附過程，過冷水滴的存在使得凇附過程增強，因而形成的降雪粒子具有低融化比[16]。本次降雪時段前期，冰相粒子與水相粒子濃度均偏高，高度偏低且范圍幾乎完全重疊，有利于形成低融化比的雪花，而不利于降雪在到達近地面層之前發生融化、升華等，降雪過程后期冰相粒子濃度逐漸趨弱，可能是隨后降水相態由雪逐漸轉至雨夾雪的原因之一[12]。

當降雪粒子穿過云底進入暖層及近地冷層，相應層次的厚度、溫度變化將直接關系到降雪是否融化及能否有效累積，進而影響到最終的降水相態。由2023 年1 月16 日08:00（BJT）溫江探空曲線（圖3a）可知，此次降雪過程產冰層下亦可能存在暖層機制，靠近近地面存在淺薄逆溫，逆溫厚度100 m 處的最高溫度為1.3 ℃。此外根據探空數據，850 hPa 溫度為-4.4 ℃，925 hPa 溫 度 為-0.5 ℃，地 面 溫 度 為0.6 ℃，0 ℃層 高度位于937 hPa（754 m）。值得注意的是，由于近地面冷層不飽和，濕球溫度0 ℃層高度相對于干球溫度0 ℃層偏低，位于逆溫層底，高度約為570 m。因此，降雪粒子將在穿過淺薄逆溫層，并降至濕球溫度0 ℃層高度才開始加速融化，而濕球溫度0 ℃層高度已基本接近地面高度，可見即使地面溫度偏高，降雪粒子也將保持雪花形態下落。此外，多項研究[11,17-18]表明微波輻射計等多源探測資料也可為判斷降水起止時間及相態變化等提供參考。圖3b 給出了2023 年1 月16日05:00—11:00（UTC）雙流機場微波輻射計液態水廓線分布特征。如圖所示，06:30—07:30 雙流機場液態水含量在500～1500 m 高度顯著增強至0.8 g/m3。結合降雪過程云中冰相粒子和液相粒子的垂直分布情況（圖2b）可知，降雪期間-10 ℃高度位于800 hPa 左右，與微波輻射計探測到的位置基本匹配，指示了冰云層的主要分布高度。此外，液態水含量在07:30后逐漸降低，也表明降雪過程將逐漸轉至雨夾雪并趨于結束。

圖3 2023 年1 月16 日 08:00（BJT）溫江探空曲線（a）和05:00—11:00（UTC）雙流機場微波輻射計液態水廓線分布特征（b）

3 結論與討論

本文選取ERA5 再分析資料和常規氣象資料等多源數據，運用“Top-Down-Approach”降水相態分析法，對2023 年1 月16 日雙流機場降雪過程中降水相態的預報著眼點進行分析，得到以下主要結論：

（1）針對中高層次，需重點分析濕度高于85%的-12～-16 ℃溫度層，該層適宜的溫濕條件不僅有利于活化成冰核，也有利于枝狀雪花的形成。此外，高濃度的云中冰相粒子與水相粒子重疊區，有利于形成低融化比的雪花，不利于后續融化、升華等作用。

（2）在近地冷層分析中，關鍵層溫度可作為判別降水相態的參考指標。當850 hPa 溫度低于-4 ℃、900 hPa 低于0 ℃且0 ℃層高度低于750 m 時，降水相態可能為降雪；在產冰層高度偏低，濕球0 ℃溫度層與干球0 ℃溫度層高度也相應偏低的情況下，降雪預報可適當降低對地面溫度限制。

（3）結合溫度廓線分析，微波輻射計液態水廓線產品可以指示冰云層主要分布高度，還能反映出液態水含量在降雪過程開始前顯著增強且在降雪趨于結束時提前降低的變化特征，對降雪過程有一定的指示意義。

由于缺乏高時空分辨率資料，降水相態的預報始終是航空氣象預報的難點。同時，受地理位置及氣候特征差異影響，各地區降水相態預報在影響系統、溫濕垂直變化等方面的預報指標不盡相同[19-20]。本文利用再分析資料及氣象觀測資料做了一些嘗試，獲得了一些初步結論，但對于影響相態變化的因素分析尚不全面。因此，如何借助數值預報產品及探測資料，進一步提高降水相態預報的精細化水平，有待今后深入研究。