摘要: 基于常规观测资料、ECMWF再分析资料和双偏振雷达探测资料，对温州地区2021年首场降雪过程进行了分析，研究表明：(1) 此次降雪过程的环流形势表现为西高东低，引发降雪的主要天气系统是亚洲东岸大低涡及其向西伸出的横槽、700 hPa的西南风急流。(2) 在云底高度较高、云层厚度较浅薄的情况下，云顶温度较低、零度层高度较低、中层以下平均温度较低、无明显的中层暖层和中低层明显的逆温结构有利于降雪的形成。(3) 水平反射率因子较小，低于25 dBz，差分反射率因子较小，在1 dB以下，差分相移率较小，绝对值小于0.15 deg/km，这些双偏振雷达回波指标和HCL产品对温州地区的弱降雪判断有一定的参考价值。
Abstract:
Based on the conventional observation data, ECMWF reanalysis data and dual polarization radar data, the first snowfall process of 2021 in Wenzhou area is analyzed. The research shows that: (1) The circulation pattern of this snowfall process was shown as high in the West and low in the East, and the main synoptic systems caused the snowfall were the large vortex in the East coast of Asia, the horizontal through extended westward from the large vortex, and the 700 hPa southwest jet. (2) In the case of high cloud base height as well as shallow cloud thickness, the low cloud top temperature, the low zero-temperature height, the low mean temperature below the middle level, no obvi-ous warm layer in the middle level, but obvious inversion structure in the lower and middle troposphere were conducive to the formation of snowfall. (3) The dual polarization radar echo indexes such as the horizontal reflectivity factor smaller than 25 dBz, the differential reflectivity factor smaller than 1 dB, and the small differential phase shift rate when its absolute value less than 0.15 deg/km, and the HCL products can be certainly served as a reference for judging of weak snowfall in Wenzhou area.
1. 引言
温州地区地处我国东南沿海，气候温和，素有“温润之州”美誉，境内多山地丘陵地貌，地形地貌复杂。降雪是温州西部山区冬季常见的天气现象，但在温州东部的沿海平原地区就少有发生降雪。虽然降雪在温州东部沿海平原地区少见，但一旦发生，易给农业生产、交通运输、电力输送和人民群众生活等带来不利影响。我国气象工作者在降雪机制和成因等方面开展了一系列研究。钱卓蕾等 [1] 通过环流形势、水汽、动力、热力特征对2010年、2011年冬季浙江两次强降雪过程进行了对比分析，指出两次降雪过程都具有逆温结构。沈玉伟等 [2] 对浙江2010年冬季两次强降雪过程的环流形势和物理量场进行了分析，认为两次过程的成因都是北方冷空气与西南暖湿气流交汇所致。周鹏等 [3] 利用常规观测资料和多普勒雷达资料对南京地区两次弱降雪过程进行了成因分析。张萍萍等 [4] 从水汽、不稳定、动力及温湿层结方面对2013年湖北省两次降雪过程进行了对比分析，给出了干、湿雪形成的三维物理模型。
目前，业务上对降雪的监测手段较少。虽然多普勒天气雷达对降雪有一定的监测能力，但存在明显不足 [5] [6] [7]，其主要原因是冬季降水回波普遍较弱，有时降雪回波还会受到融化层的影响。随着双偏振雷达技术的日趋成熟，近年来，我国气象部门通过新建或者改造升级使双偏振气象雷达在气象业务中得到了广泛应用。相比于普通单偏振多普勒天气雷达，双偏振多普勒天气雷达可提供更多的探测参量，这些参量与降水粒子的大小、密度、形状、空间取向、介电常数等特征有密切相关。利用这些参量，双偏振雷达可反演出大气中降水粒子的相态 [8]，国内外已取得不少此方面的研究成果 [9] - [14]。国内外对双偏振雷达的应用研究多集中于粒子相态识别和降水量估测这两个方面 [15] [16] [17] [18]，而且过去国内的研究多使用X波段、C波段偏振雷达探测资料研究夏季中高纬度地区超级单体的云微物理过程 [19] [20]。开展温州地区冬季降雪过程的S波段双偏振雷达观测研究较少，有关S波段双偏振雷达对温州地区降水粒子相态的识别效果、特征情况等认识极为匮乏。
本文利用常规观测资料、ECMWF再分析资料和温州双偏振雷达探测资料，对2021年1月初温州地区的这次降雪过程进行分析，研究此次降雪过程的大气环流条件、双偏振雷达产品特征，有助于加深对温州降雪天气的认识，并为今后温州地区使用S波段双偏振雷达进行降雪监测预警提供参考依据。
2. 资料与方法介绍
本文使用的资料包括：2021年1月7日浙江省地面常规观测资料；欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的第五代ERA5 (空间分辨率0.25˚ × 0.25˚)再分析资料；温州双偏振多普勒天气雷达体扫资料，雷达资料时间分辨率约为6 min。
本文所使用的雷达数据来源于温州市CINRAD/SA双偏振多普勒天气雷达，雷达布设在温州市区东部大罗山顶，经纬度为120˚44'44E、27˚53'44N，海拔高度746 m，周围无遮挡，净空环境较好。该雷达由温州市气象局委托北京敏视达雷达有限公司对温州市原单偏振多普勒天气雷达进行升级改造而成，于2018年底完成升级改造，并通过验收投入业务运行。
干冰晶、湿冰晶、雨夹雪、液态云滴和冰雹等不同相态、形状的降水粒子在双偏振参量特征上各有差异，因此利用双偏振参量特征可分析判断降水过程中降水粒子的相态。
3. 降雪天气实况
2021年1月7日温州地区出现2021年的首场降雪。从1月7日11时温州地区及周边各站天气现象分布可见(图1(a))，不仅在温州西部高山地区，且靠海的温州市区，甚至在洞头区海岛也出现了降雪，实属少见，因为在2016年1月受世纪大寒潮的影响时，在广州都出现降雪的情况下，温州市区也没出现降雪。7日9时(北京时，下同)左右温州市区开始出现降雪，一直持续到傍晚。从7日20时温州地区及周边积雪深度分布图上可见(图1(b))，此次降雪过程较弱，仅温州最西部的高山地区有少量积雪外，温州其余大部分地区均无积雪覆盖。虽然温州市区积雪不明显，降雪也对交通、农业、电力、通讯等行业造成了一定影响和损失。
(a)
(b)
Figure 1. Distribution of (a) weather phenomenon at 11:00 BT and (b) snow depth (unit: cm) at 20:00 BT on 7 January 2021 at different stations in Wenzhou and its surrounding areas
图1. 温州地区及周边各站2021年1月7日11时天气现象(a)和20时积雪深度(b) (单位：cm)分布
4. 大尺度环流特征
2021年1月7日8时，在500 hPa环流形势主要表现为西高东低，长波脊位于巴尔喀什湖附近，脊线在85˚E，亚洲东岸大低涡向西伸出一个东西向横槽，槽前后是东北风和西北风的切变，槽线在50˚N，槽前有强冷空气(图2(a))。横槽转竖，有利于强冷空气向南爆发，与南方暖湿气流交汇，形成降雪。
2021年1月7日8时，浙江中南部在700 hPa风场上存在明显的西南气流，气流风速较大，整个温州地区受西南急流控制，西南气流与北部的西北气流在30˚N附近汇合(图2(b))。850 hPa风场上，干冷的西北气流从浙江北部进入并往南转为偏北气流，温州地区受偏北气流控制(图2(c))。
5. 热力场特征
图3是2021年1月7日8时温州站的温度–对数压力图(T-lnP)。由图可见，温度和露点温度差T − Td ≤ 2℃，饱和层从825 hPa开始延伸到500 hPa，说明此次过程的云底高度较高，云层厚度较浅薄，但云顶
(a) 
(b) 
(c)
Figure 2. Distribution of (a) 500 hPa geopotential height (unit: dagpm), (b) 700 hPa wind (unit: m/s) and (c) 850 hPa wind (unit: m/s) at 8:00 BT on 7 January 2021
图2. 2021年1月7日8时500 hPa位势高度(a，单位：dagpm)、700 hPa风场(b，单位：m/s)和850 hPa风场(c，单位：m/s)分布
Figure 3. T-lnP chart at Wenzhou station at 08:00 BT on 7 January 2021
图3. 2021年1月7日8时温州站T-lnP图
高度500 hPa温度达到−12.8℃，加上整个云层温度都在−4℃以下，有利于冰晶和雪花的形成。另外，950 hPa以上高度的温度均低于0℃，不利于雪花的融化，零度层高度又很低，位势高度只有446 gpm，雪花来不及融化就已经降落到地面，这些条件都有利于降雪的形成。从图中还可以看到，875 hPa温度−5.5℃，750 hPa温度−4.4℃，对流层中低层存在明显的逆温结构。
6. 降雪的偏振特征
相比于普通多普勒雷达，双偏振雷达的优势是能够发射和接收水平偏振和垂直偏振的两种电磁波，不仅可以获得单偏振雷达的参量，还可获得更多的双偏振参量，如零滞后相关系数CC、差分反射率ZDR和差分相移率KDP产品，通过反演分析，可以获得大气中粒子的形状、尺寸、粒子浓度及相态分布等详细信息。CC反映水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关系数，其大小与粒子的轴比、倾斜角、形状不规则性以及相态有关。当大气中的水凝物粒子为水平和垂直尺寸差距较小的小雨滴、干雪等粒子时，CC一般大于0.95，例如冬季的降雪过程。ZDR表示水平极化和垂直极化回波的反射率因子之比的对数，与粒子总数在不同尺寸上的分布有关，是识别不同相态降水粒子的重要参数。一般来说，降雪粒子的水平和垂直尺寸差距较小，ZDR值较小。KDP是指在特定距离内水平偏振回波和垂直偏振回波相位之间的差值，表征不同偏振在传播路径上，因传播系数不同引起的相位变化。一般在冬季降雪条件下，KDP值较小。
图4为1月7日13:01温州双偏振雷达产品0.5˚仰角的PPI图。从图4(a)的水平反射率因子ZH上可以看到有一条东北–西南走向的带状弱回波带，位于温州市区西部和文成县西部，范围在50~100 km，回波强度普遍低于25 dBz，降雪表现为弱降水回波。从图4(b)的差分反射率因子ZDR上可以看出，位于温州市区西部和文成县西部的降雪回波的ZDR较小，普遍在1 dB以下。从图4(c)的差分相移率KDP上
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 4. PPI charts of (a) ZH, (b) ZDR, (c) KDP and (d) HCL at 0.5˚ elevation angle from Wenzhou dual polarization radar at 13:01 BT on 7 January 2021
图4. 2021年1月7日13:01温州双偏振雷达0.5˚仰角ZH (a)、ZDR (b)、KDP (c)和HCL (d)产品PPI图
可以看出，降雪回波的KDP值较小，绝对值小于0.15 deg/km。从图4(d)的粒子相态分类产品(HCL)可以看出，距离温州雷达站50 km附近的温州市区西部区域粒子属性为大雨滴、干雪和湿雪，虽然对小范围的大雨滴和湿雪有误判，但大部分区域判断出了干雪，结果基本正确，距离温州雷达站100 km的文成县西部区域粒子属性为干雪，判断结果较好。
综上，此次温州市区冬季弱降雪过程的双偏振雷达回波产品降雪特征为水平反射率因子ZH低于25 dBz，差分反射率ZDR较小，在1 dB以下，差分相移率KDP值较小，绝对值小于0.15 deg/km，HCL产品对降雪的判断有较好的参考价值。
7. 结论和讨论
本文通过对2021年1月7日温州地区降雪过程的分析，得到了这次降雪天气的成因，同时使用温州双偏振雷达探测产品，分析了降雪的双偏振特征。结果表明：
(1) 此次降雪过程的环流形势表现为西高东低，引发降雪的主要天气系统是亚洲东岸大低涡及其向西伸出的横槽、700 hPa的西南风急流。
(2) 在云底高度较高、云层厚度较浅薄的情况下，云顶温度较低、零度层高度较低、中层以下平均温度较低、无明显的中层暖层和中低层明显的逆温结构有利于降雪的形成。
(3) 降雪的双偏振雷达回波产品的特征是：水平反射率因子较小，低于25 dBz；差分反射率因子较小，在1 dB以下；差分相移率较小，绝对值小于0.15 deg/km。HCL产品对降雪的判断有较好的参考价值。
需要指出的是，文中得到的温州地区降雪的S波段双偏振雷达观测特征仅基于一次冬季降雪过程的个例分析。浙江南部沿海山区降雪的普遍S波段双偏振雷达观测特征，特别是区别于浙江北部平原地区的一些观测特点和原因，有待于更多的降雪个例研究，同时文中以定性分析为主，各个S波段双偏振参量之间的定量关系也需要进一步研究。
基金项目
温州市气象局项目(2018ZD01)资助。