引言

降水相态预报一直是天气预报业务中的难点，也是社会公众普遍关注的热点。有关雨雪相态的研究由来已久，其研究大多是基于典型个例分析，归纳适合本地的温度指标体系，进而在实际预报业务中加以应用。如:李江波等^[1]通过7次典型个例的天气学分析，得出降雨向雨夹雪或雪转变时950 hPa到地面各层的温度阈值。漆梁波等^[2]的研究提出了综合考虑温度因子和厚度因子识别中国东部地区冬季降水相态的判据。杨成芳等^[3]统计山东半岛降水相态温度特征认为，将925 hPa以下各层与地面的温度结合起来判别相态较使用单一特性层温度更可靠。杨舒楠等^[4]分析一次气旋造成的华北雨雪天气过程表明，雨雪相态转变取决于整个对流层低层的温度平流状况。王晓玲等^[5]分析了湖北省春季强降雪的主要温度条件。随着新型气象探测设备增多，风廓线雷达、微波辐射计等探测资料在雨雪相态分析研究中得到了广泛应用。廖晓农等^[6]综合利用微波辐射计、风廓线雷达、多普勒天气雷达和中尺度模式反演产品，讨论了北京一次雨雪过程中降水相态的转变机制。李峰等^[7]分析了北京一次雾霾雨雪天气的风廓线雷达产品特征。施红蓉等^[8]研究给出应用风廓线雷达反射率因子、径向速度对降水相态进行判断的相应阈值。王令等^[9]通过对比降雨和降雪过程风廓线雷达探测的径向速度，相对准确地判断出了降水粒子的相态。孔照林等^[10]通过统计浙江风廓线雷达的下落速度资料，建立了本地化降水相态预报方法。敖雪等^[11]等统计了降水前微波辐射计反演的水汽和云水特征。上述成果显示，各地在降水相态研究方面个例分析较多，总结的温度指标虽存在地域性，但都在预报业务中发挥了重要作用。但天气预报实践表明，仍有部分个例沿用上述指标时难以奏效，其原因何在？高分辨率探测资料在降水相态预报方面究竟能发挥怎样的作用？本文将针对此问题进行分析讨论。

2016年11月20—21日(北京时、下同)，河北大部分地区出现一次明显雨雪天气过程(以下简称“11.20”雨雪过程)，由于冷空气较强，降温幅度大，石家庄市气象部门预报出了当年的初雪。观测资料表明，石家庄降水以雨开始、雨夹雪结束，未出现纯雪。该过程石家庄雨雪相态预报出现偏差的原因何在？借助高时空分辨率的新型探测资料能否在临近时段作出相态演变订正？就上述问题，本文应用常规气象观测、风廓线雷达和地基微波辐射计资料，以“11.20”雨雪过程为例并结合同年12月25—26日石家庄雨转雪过程(以下简称“12.26”雨雪过程)进行专题探讨，希望能为今后做好雨雪相态天气预报提供有益参考。

1 雨雪实况

2016年11月20—21日，河北省大部分地区出现明显雨雪天气过程，降水量其北部大、南部小，北部出现大到暴雪，其中24 h最大降水量达16.1 mm，出现在承德县，而承德市区积雪最深达22 cm，河北中南部地区以雨和雨夹雪为主。石家庄降水从21日凌晨开始，到傍晚18时结束，过程降水量为4.5 mm，小时雨量最大为0.8 mm。降水以雨开始，11时开始转为雨夹雪，且一直维持到过程结束(图 1a)。而当年12月25日夜间到26日上午，河北再次出现小雨/雪天气过程，其南部地区较北部地区降水明显，其中24 h最大降水量(6.3 mm)出现在沧州，积雪深度普遍不足2 cm，中南部地区以雨开始、以雪结束。石家庄降水从26日清晨开始，07时转为雨夹雪，09时转为降雪，11时降水基本结束，过程降水量1.3 mm，虽然该过程降水时间不长、降水量不大，但存在由雨转纯雪(图 1b)的变化。因此，两次过程都出现了降水相态转换，“11.20”过程为雨转雨夹雪，“11.26”过程为雨转雪。

2 环流形势

2016年11月21日08时天气形势显示(图 2a、b)，500 hPa欧亚中高纬度环流经向度较大，贝加尔湖以东地区存在强大低涡，随着涡后强冷空气从贝加尔湖沿偏北路径南下，河北北部形成强的锋区，在锋区的强斜压性作用下，出现强西风急流，最大风速49 m·s^-1。700 hPa (图略)存在浅槽，河北处于槽前西南偏西气流中，850 hPa等温线密集(图略)，锋区压在河北中部。地面图上，位于中西伯利亚的冷高压中心20日最强可达到1 070 hPa以上，地面冷空气沿西北路径南下，并于20日14时以后开始影响河北北部。在850 hPa暖平流的作用下，20日20时河套地区形成地面低压，低压倒槽与冷锋形成对峙，使冷锋中段南下速度减慢，冷锋东段先行南下影响河北，河北大部分地区地面出现了一致的北到东北风。21日08时，地面冷锋移到河北南部，河北处于等压线梯度大值区中，其大部分地区已出现降水。

12月25日20时(图 2c、d)，500 hPa欧亚中高纬度维持两槽一脊天气形势，我国新疆北部到华北为宽广槽区，河北上空为宽广槽前西南偏西气流控制。700 hPa弱槽位于华北西部(图略)，河北处于槽前，850 hPa (图略)在河北西北部到内蒙一带等温线密集，锋区压在河北西北部地区，河北上空风场上存在弱的切变线，风速大都在4 m·s^-1以下，表明低层辐合较弱，降水过程不强。地面图上，冷高压主体位于贝加尔湖西南侧，25日高压中心最强达1 060 hPa以上，地面冷空气沿西北路径南下，25日20时冷锋移到河北北部到河套一线，之后冷空气快速东南下，26日14时后地面冷锋移出河北，河北降水基本结束。

经对比可知，“11.20”雨雪过程地面冷空气明显强于“12.26”雨雪过程，地面降水范围和强度也是前者强于后者，但在“11.20”雨雪过程中河北南部降水以雨或雨夹雪为主，“12.26”雨雪过程则出现了雨雪相态转换。可见，冷空气强度的差别并非地面降水相态不同的原因。

3 降水相态演变分析

下文利用风廓线雷达和微波辐射计产品，结合常规探空资料，分析降水相态的演变过程。

3.1 高分辨率探测资料的演变特征 3.1.1 水平风场

石家庄风廓线雷达可提供不同时刻高精度的风向、风速随高度变化的风廓线图，可以用其分析风向和风速在时间和垂直方向上变化的不连续性，从而为了解天气系统的活动及大气垂直结构提供可能。对比两次过程石家庄风廓线雷达反演的风场与邢台探空风场发现，两者具有较好的一致性，因此可认为石家庄风廓线雷达反演的风场资料具有较高的可信度。

风廓线水平风场能直观反映降水过程前后高低空水平风场演变。11月21日，石家庄上空5 km以上始终维持偏西气流(图 3a)，波动主要在3 km上下，槽线于21日06时后经过石家庄上空，槽前西南偏西气流最大可达到12 m·s^-1。槽线过境后，1.5 km以下先后出现东南风、偏东风，20时后转为一致的偏北风，且风速逐渐加大，说明地面锋面在20时后逐渐过境。因此，石家庄凌晨的降雨是由地面锋面和3 km上下槽前西南气流共同产生的，之所以雨量不大，主要原因是槽前西南气流中偏南风分量较弱。之后的降水直接由高空槽过境产生。此后低层东北风向上伸展，逐渐扩展到2.5 km上空，风速加大，12时后1 km以下出现偏东风，风速不大，因此中午后出现的降水主要是近地面偏东风与之上偏北风辐合造成。随着3 km以下偏西风转为一致的偏北风，降水过程结束。

12月25—26日雨转雪过程中(图 3b)，石家庄上空5 km以上仍维持偏西气流，25日18时—26日03时，3 km以下有切变线经过石家庄上空，由于槽前气流以偏西风为主，且风速普遍在2~4 m·s^-1左右，辐合较弱，因此石家庄降水强度较弱、过程雨量不大。05—11时，1.5 km以下出现东北风，东北风与太行山地形相结合产生动力抬升是降水维持的原因之一，之后东北风减弱，冷空气带来的西北风逐渐向低空伸展，待3 km以下转为一致的偏北风控制，预示着单一的极地大陆气团完全控制了本地上空，降水过程结束，天气转晴。

以上分析表明，风廓线雷达反演的风场资料可以精细地反映不同降水阶段的成因及系统的结构特征；而其相态转换时风场无明显的变化，还需要其他资料辅助分析。

3.1.2 垂直径向速度

风廓线雷达除能提供高精度水平风廓线图外，还可探测到气流的径向速度。与传统多普勒天气雷达相比，风廓线雷达能获得垂直分辨率更高的大气运动状态、云体结构及降水粒子的演变特征，具备在识别降水粒子相态方面的应用前景^[7-9]。在晴空状态时，垂直径向速度反映的是大气的垂直运动速度；有降水的情况下，测量得到的径向速度则是降水粒子下落末速度与空气垂直速度的合成^[12]。由于降水粒子对电磁波的散射能力远大于晴空大气对电磁波的散射能力，因此降水时风廓线雷达探测的垂直径向速度主要反映的是降水粒子下落末速度。理论上，粒子下落末速度与粒子的直径、相态等有关^[10]。雨滴下落速度快，雪晶下落速度慢，通过分析风廓线雷达测量的粒子下落速度来判断降水相态是容易的。

11月20日20时后(图 4a)，石家庄上空1.5 km以下首先出现弱的向下径向速度，量值不足1 m·s^-1，此时降水尚未开始，径向速度反映的是大气垂直运动。对比图 3a发现，此处1.5 km以下恰好有冷空气过境，因此图 4a中出现的弱下沉运动可能与冷空气带来的东北风有关。21日00时后，降水开始出现，3 km以下为一致向下的径向速度，其最大值超过1.5 m·s^-1，出现在1 km以下的近地面层，较降水前明显加大，此时更多反映的是雨滴的下落。03—08时为该过程的降水中断期，向下的垂直速度值减小、层次降低(主要集中在1.5 km以下)。08时后降水再次出现，向下的径向速度逐渐向上扩展，最高到5 km，随着其高度升高，径向速度值减小，1.5 km以下始终存在着大于1.5 m·s^-1的径向速度，最大超1.8 m·s^-1。11时，向下的径向速度有所减小，最大值维持在1.5 m·s^-1左右。可见，本次过程降水时径向速度特征为: 3 km高度以下出现一致向下的径向速度，其量值随高度分布上小、下大，1.5 km以下普遍出现超过1.5 m·s^-1的向下径向速度。值得注意的是，15时冷空气经过之后，径向速度值与之前相当，这反映出降水相态维持雨夹雪。

分析“12.26”雨雪降水过程发现(图 4b)，该过程在25日18时前后，3 km附近首先出现弱的向下径向速度(0.6 m·s^-1左右)，此时距地面出现降水尚有10多小时，垂直径向速度主要反映的是大气的垂直运动。对比图 3b发现，25日18时—26日03时3 km以下有切变线经过，切变线后部为较强的偏北风，因此图 3b中25日18时前后3 km附近出现的弱向下径向速度与切变线过后的偏北风对应。地面出现降水前，向下的径向速度逐渐向下伸展，但始终未到达地面，速度值不足1 m·s^-1。03时后地面开始出现降水，向下的径向速度到达地面，此时探测的垂直径向速度反映的是降水粒子的末速度。06—08时2 km以下有超过1 m·s^-1的径向速度，其中心值在1.5 m·s^-1以上。09时后，向下的径向速度仍接地，但速度值降至1 m·s^-1以下，此时地面转为降雪。可见，降水时风廓线雷达探测到向下的径向速度值突然减小到1 m·s^-1以下且高度下降到1 km以下，可能预示着降水相态从雨转为雪。

3.1.3 微波辐射计

影响降水相态的因素涉及到云物理、环境大气温度等^[6]。但要保证雪晶降落到地面，一是云中要有适宜冰雪形成和增长的条件，二是雪晶在降落过程中没有被融化成雨滴，以上两条缺一不可^[13]。河北预报员在判断降雪的阈值时充分考虑了第二条，但无法对第一条做出准确判断，这也是在该过程预报中阈值出现误差的主要原因。

Pruppacher等^[14]认为，云中温度低于-10 ℃的部分为冰雪区，-10~-4 ℃之间为冰雪和过冷却水的混合区，-4~0 ℃之间为过冷却水区，而0 ℃以上为暖云区。魏东等^[15]通过对比分析认为，微波辐射计和风廓线资料构建探空的风场和温度具有较高的定量使用价值，湿度误差相对较大，但750 hPa以下偏差相对较小。对比文中两次过程石家庄微波辐射计反演的温湿廓线与邢台探空曲线发现，两者在3 km以下差别不大，因此认为石家庄微波辐射计反演的温度和湿度廓线具有较高的可信度。考虑到微波辐射计反演的相对湿度仍会有误差，以相对湿度大于85%作为饱和区并代表云体，从微波辐射计反演的相对湿度和温度分布图上可见(图 5a)，在11月21日降水开始时云顶在2.5 km以下，云体中以暖云区为主，云体中主要成分为雨滴，此时降水相态一定为雨；09时后，随着冷空气南下，-4 ℃线下降至1.5 km以下，近地面温度降至1 ℃以下，基本满足降雪不被融化的条件，但此时云体中温度普遍高于-10 ℃，云体中上半部为混合区，云体中主要成分为冰雪和过冷却水，因此地面出现雨夹雪；15时后，各层温度继续下降，-4 ℃线降至0.5 km附近，地面温度降至0 ℃以下，但由于云的高度低，-10 ℃线基本位于云顶附近，云体3/4以上为混合区，其相态仍以雨夹雪为主。

12月25日(图 5b)，当石家庄降水开始时云顶在1.5 km以下，云体中以过冷却水为主，此时降水相态为雨；随着冷空气南下，各高度层温度均有所下降，到26日06时后，-4 ℃线下降至1 km以下，云中混合层快速增厚并占云体的一半以上，因此07时地面出现了雨夹雪。07时后，云层向上伸展到-10 ℃层以上，说明云体上部存在适宜雪晶生长的冰雪层，同时近地面温度降至0 ℃以下，满足降雪不被融化的条件，因此地面有雪晶飘落；10时后，云顶高度下降，云体中冰雪层消失，地面降水逐渐结束。

综上可知，利用微波辐射计构建的温湿廓线可以通过分析云体的温度状况判断雪晶形成和增长的条件，通过云底到地面的温度层结判断雪晶降落过程中是否被融化的条件，进而对雨雪相态作出直观、准确的判断。由于微波辐射计资料的时空分辨率高，可用于短临预报中对降雪相态出现的误差进行订正。

3.2 降水相态预报失误的原因分析

河北省天气预报员在长期的预报实践中总结发现^[1]:当0 ℃层高度下降到950 hPa以下、地面气温在0 ℃附近、1 000 hPa温度不大于2 ℃、925 hPa温度低于-2 ℃且850 hPa温度低于-4 ℃时，降水相态一般为雪。尽管上述指标在以往河北大部分雨雪相态转变的个例中是准确的，但从2016年11—12月的两次雨雪过程看(表 1)，11月21日08时河北南部的邢台探空站1 000 hPa温度为2 ℃，925 hPa温度为-3 ℃，850 hPa温度为1.0 ℃，地面温度为1.7 ℃，值得注意的是920— 820 hPa之间存在明显的逆温结构，850 hPa位于逆温层中，此时地面以降雨为主。随着冷空气南下，21日20时邢台上空各高度层气温均出现明显下降，850、925、1 000 hPa与地面温度均低于降雪阈值，该站20时前后出现短暂降雪。石家庄站较邢台站偏北1个纬度左右，从微波辐射计反演的温度廓线可以看出(图 5a)，石家庄上空1 500 m以下温度在14时前后明显下降，冷空气显然早于邢台影响到了石家庄地区，15时前后石家庄2 m高度温度已经下降到0 ℃以下，但石家庄降水始终以雨夹雪为主。可见，满足降雪的温度阈值并不能保证地面出现降雪。12月25日20时，邢台上空1 000、925、850 hPa和地面温度分别为1.0 ℃、-2.0 ℃、-2.0 ℃和1.1 ℃，850 hPa温度高于降雪阈值，但对比地面图(图略)发现，邢台降水以降雪形式开始。因此，降雪预报出现偏差主要是由于降雪的温度阈值出现了偏差。降雪阈值存在偏差可能与归纳阈值所用的探空资料的时空分辨率不高有关，同时也表明在存在逆温层时，不适宜用温度阈值作降水相态预报。可见，仅用850、925、1 000 hPa和地面温度判断雨雪相态很容易造成预报误差。

4 结论

本文以河北“11.20”雨雪过程和石家庄“12.26”雨转雪过程为例，应用常规气象观测资料以及风廓线雷达和地基微波辐射计资料，分析了降水相态的演变特征。主要结论如下：

(1) 2016年11月21日雨雪天气是在强冷空气带来的强锋区作用下形成的，初雪预报出现的偏差主要源自本地(石家庄)降雪阈值的偏差。

(2) 本地降雪阈值指标之所以出现偏差，除与提取阈值采用的探空资料时空分辨率低有关外，主要是阈值仅考虑了雪晶不被融化的条件，不能判断云中雪晶的形成条件。因此，单纯利用850 hPa和925 hPa两个特性层以及地面温度判断雨雪相态很容易带来预报误差。

(3) 风廓线雷达反演的水平风场可以更加清晰地反演降水过程中水平风场的演变特征。当出现降雨时3 km高度以下出现一致向下的径向速度，径向速度值垂直分布上小下大，1.5 km以下普遍出现超过1.5 m·s^-1向下的径向速度。对比12月26日雨转雪个例发现，向下的径向速度突然减小到1 m·s^-1以下且高度下降到1 km以下，可能预示降水相态由雨转雪。

(4) 利用微波辐射计构建的温湿廓线，可同时对降雪出现的两个条件进行直观、准确的判断，进而对降雪相态出现的误差进行短临订正。

本文重点分析了不同降水相态时风廓线雷达和地基微波辐射计的特征，与施红蓉等^[8]、王令等^[9]和孔照林等^[10]统计的雨雪过程中径向速度值相比，本文两次过程中的径向速度值明显偏小，这可能与降水较弱有关，也可能与仪器的精度差异有关。值得一提的是，本文有关雨雪转变过程风廓线雷达径向速度特征的结论仅由个例研究得到，其普适性还有待于今后收集到更多典型个例并开展深入研究来验证。