呼伦贝尔市降雪含水比变化特征研究.pdf

2023 年第 1 期9内 蒙 古 气 象文章编号 1005-8656（2023）01-0009-05呼伦贝尔市降雪含水比变化特征研究王洪丽1，刘伟1，杨雪峰1，苗春艳2，王颖1（1.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 海拉尔 021008；2.阿荣旗气象局，内蒙古 阿荣旗 162791）摘要 利用 19912020 年 11 月至次年 4 月呼伦贝尔市 16 个国家气象站 24 h(0808 时）累积降水量、24 h 新增积雪深度、日平均地面温度、日平均地面风速等资料，通过对筛选出来的降雪事件分析全市降雪含水比的变化特征，并分析地面温度和地面风速对降雪含水比的影响，研究结果表明：（1）呼伦贝尔市 24 h 降雪含水比平均值为 10.01，中位数为 9.30，众数为 11.50；变化范围跨度较大，主要集中在 2.0022.00，降雪含水比大于 22.00 的极端值出现频率较低。（2）呼伦贝尔市各地平均降雪含水比空间分布存在差异，不同台站的平均降雪含水比变化范围在 8.6911.72；11 月至次年 3 月平均降雪含水比稳定在 10.00 附近，12 月最大，4 月最小，存在显著月变化特征。（3）不同量级降雪的平均降雪含水比不同，中雪约为 10.00、大雪约为 9.00、暴雪及以上为 8.60，呈现出降雪量级越大其值越小的特征。（4）地面温度为-18.0-3.0，平均降雪含水比稳定在10.0011.00；当地面温度低于-18.0 或高于-3.0 时，平均降雪含水比不稳定，呈跳跃性，忽高忽低。地面风速 4.5 ms-1时对平均降雪含水比影响较大。关键词 降雪含水比；变化特征；地面温度；风速中图分类号：P426.633 文献标志码 A doi：10.14174/ki.nmqx.2023.01.002 资助项目：内蒙古自治区气象局引导性创新基金项目(nmqxydcx202204 )；中国气象局气候变化专项（CCSF202025）；内蒙古自治区气象 局科技创新项目（nmqxkjcx202304）。0 引言 我国北方冬季雪灾频发，对畜牧业、交通运输和百姓生产生活造成不同程度的不利影响1-4。众所周知，降雪结束后形成的积雪一方面会增加淡水资源，另一方面短时间大量积雪也会造成交通事故增多，给民众出行带来不利影响。在雪灾形成过程中，积雪是重要的致灾因子5-6。那么如何在准确预报出降雪量级的基础上进而准确预报出积雪深度呢？这就需要了解本地降雪含水比的分布特征。降雪含水比（Snow-to-liquid ratio，SLR）是将定 量 降 水 预 报（Quantitative precipitation forecast，QPF）转化为雪深预报所必须的重要参数。SLR 是新降雪深度与融化后等量液体深度（降水量）的比值，等价于液态水密度与平均雪密度之比，是预测雪深所需的一个重要参数。即使天气预报员能对降雪量级作出准确预报，但 SLR 预报误差会给雪深预测造成明显的失误，影响预报服务的效果。比如对于降雪量同样是5 mm的降雪预报，如果SLR预报值为8.00，那么雪深预测值大概是 4 cm，但如果 SLR 预报值为20.00，那么雪深预测值大概为 10 cm，差异之大给预报服务带来截然不同的效果。崔锦等7-9对辽宁省降雪含水比进行了系统研究，并得出辽宁省 SLR 存在明显的时空变化特征。陈铁等10研究得出南通地区不同相态的 24 h 平均 SLR 存在明显不同，并指出可通过 850 hPa、2 m 气温及地表温度对降水相态转换和 SLR 做出预判。呼伦贝尔市降雪时间较长，其 SLR 的变化特征如何呢？为满足气象服务精细化目标要求，能够根据降雪量预报同时估测出积雪深度，不断满足用户及社会的需求，开展呼伦贝尔市降雪含水比变化特征研究十分必要。1 资料及其处理方法1.1 选取资料选用呼伦贝尔市 16 个国家级气象站 19912020 年 11 月至次年 4 月逐日数据（0808 时），包括 24 h 累积降水量、24 h 新增积雪深度、日平均地面温度、日平均地面风速。上述资料均来源于CIMISS 数据接口。1.2 资料筛选方法新增积雪深度观测误差主要来源于大风、非降雪类的混合性降水等因素。为了减少观测误差对研究的影响，首先需对观测数据进行一定条件的筛选。筛选方法参考 ROEBBER 等11对 24 h 降雪观测数据部分标准，并结合本地实际情况，制定如下筛选2023 年第 1 期10内 蒙 古 气 象标准：(1)为减小可能的误差，并保留可能多的降雪样本，剔除小雪量级的降雪日（日降雪量 2.4 mm）；(2)为确保没有雨雪相态的影响，选取地面温度低于0 的降雪过程；(3)地面风速 9.0 ms-1（0808 时24 h 平均风速）。经过上述标准筛选后，统计得出呼伦贝尔市 19912020 年符合条件的降雪事件共973 次。2 结果分析2.1 24 h 降雪量和新增积雪深度关系利用 19912020 年筛选出来的 0808 时 24 h降雪量和次日08 时积雪深度做相关性分析（见图1），可以看出，新增积雪深度与降雪量整体呈现正相关关系，二者相关系数为 0.64，通过相关性检验，利用最小二乘法对其进行线性拟合，得到如下关系式：y=0.77x+0.87 (1)式中：y 为新增积雪深度（单位：cm）；x 为 24 h累积降雪量（单位：mm），拟合系数为 0.77，表明呼伦贝尔市日新增积雪深度和日降水量的比值为0.77，与杨琨等12利用 20092011 年全国加密降雪观测资料（3 h 或 6 h）和常规降雪资料得到我国冬季积雪深度和降水量的线性拟合系数为 0.75 相当接近。y=0.7721x+0.8688R2=0.41260102030400612182430新增积雪深度/cm降雪量/mm新增积雪深度线性(新增积雪深度)图 1 呼伦贝尔市 24 h 累计降雪量和新增积雪深度关系2.2 SLR 的变化特征2.2.1 总体特征SLR 有多种估算方法，预报员常用的是 10:1 这个标准经验法则，此时的 SLR 值为 10.0016。利用新增积雪深度和降雪量数据计算分析呼伦贝尔市 16 个国家气象站 973 次降雪事件 SLR 得知：SLR 的变化为 0.68 44.44，变化范围跨度较大，以宽度为 2 的组距对 SLR 进行分组，图 2 为分组后全部降雪事件的 SLR 统计数目直方图，从图中可看出：SLR 主要集中在 2.0022.00，占总数的 96.40%；大于 22.00 的极值出现频率相对偏低，仅为 2.9%。为了检验整体数据的偏斜程度，通过计算以中位数为中心 50%数据的偏斜度，减少异常极值的影响，使用对称性统计量 Yule-Kendall(Y-K)指数，该指数在偏斜度测量上更具有抗干扰能力，计算公式如下：0.250.50.750.750.252YKqqqqq+=(2)式中：为 Y-K 指数，q0.25、q0.5和 q0.75分别为第一、第二和第三四分位数。通过上式计算全部降雪事件的Y-K 指数为 0.03，数据呈正偏态分布17；若该指数为0，则为正态分布；即：指数0为正偏态、指数0为负偏态分布。正偏态分布的单峰峰值偏离区间中心，出现在以10.00为中心、组距为4的区间内，即614，该区间的降雪事件占总数的 66%，第一和第三四分位数正好位于该区间，分别为 6.67 和 12.12。全部降雪事件的 SLR 平均值为 10.01，中位数为 9.30，众数为 11.5，平均值与经验值一致度最高，中位数和众数相较 10.00 也未出现较大偏差。经统计，SLR 恰好为 10.00 的降雪事件共发生了 17 次，占总降雪事件的 1.75%。由此可见，标准经验法则中通过10:1 估算积雪深度适用于降雪过程中对于积雪深度的初步估算。图 2 呼伦贝尔市 SLR 频数分布2.2.2 空间变化特征由图 3 可知，呼伦贝尔市各地平均 SLR 空间分布存在差异，不同台站的平均 SLR 变化范围为8.6911.72。具体分布特征是：额尔古纳市北部、满洲里市、根河市大部、扎兰屯市南部的平均值为相对高值区；新巴尔虎左旗南部、新巴尔虎右旗南部、阿荣旗北部、牙克石市东南部、鄂温克族自治旗局部的平均值为相对低值区。表 1 为呼伦贝尔市 16 个国家气象站 SLR 统计。可以看出，各站的 Y-K 指数均不为 0，属于偏态分布，但从第二和第三四分位数可以看出，位于北部的额尔统计数目2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 SLRYK200150100500-平均值 左侧为中位数，右侧为众数 左侧为 25%右侧为 75%2023 年第 1 期11内 蒙 古 气 象古纳市、根河市等站 SLR 均值区间偏高；除此之外，第三四分位数较高的莫力达瓦达斡尔族自治旗标准差也较高，说明该区域的数据离散程度较高。图 3 呼伦贝尔市平均 SLR 空间分布表 1 呼伦贝尔市 16 个国家气象站 SLR 描述性统计 站名个数平均值中位数标准差25 百分位数75 百分位数Y-K指数额尔古纳54 11.33 10.76 5.62 7.17 13.86-0.07 根河79 11.28 10.34 5.22 7.48 14.04 0.13 图里河77 9.30 8.70 4.49 6.25 12.00 0.15 鄂伦春自治旗92 9.82 9.68 4.54 6.81 12.00-0.11 满洲里21 11.27 10.71 5.04 8.96 12.90 0.11 陈巴尔虎旗57 9.72 9.38 5.01 7.50 11.11-0.04 鄂温克族 自治旗52 9.84 9.68 3.93 6.68 12.05-0.12 牙克石80 9.17 8.91 4.07 6.61 11.46 0.05 海拉尔70 10.22 9.31 4.91 6.90 12.18 0.09 小二沟70 9.10 8.99 4.15 6.11 11.81-0.01 新巴尔虎右旗30 9.35 8.49 4.10 6.14 11.98 0.19 新巴尔虎左旗47 9.32 7.89 4.57 6.43 11.77 0.45 博克图63 10.21 9.38 5.75 6.67 11.98-0.02 扎兰屯56 10.79 10.62 4.68 7.69 13.10-0.08 莫力达瓦达斡尔族自治旗68 11.72 9.80 8.31 6.50 13.82 0.10 阿荣旗57 8.69 7.69 5.66 5.56 10.00 0.04 2.2.3 时间变化特征从图 4a 看出：11 月至次年 4 月均有满足筛选条件的降雪事件。11 月为峰值，30 年间共有 295 次降雪过程；次多值出现在 3 月，为 228 次降雪过程；最少为 4 月份。图 4b 是指各月 SLR 值箱线图。由图可见，11 月和 12 月的 SLR 最大，均值为 9.80，非常接近10，其中 11 月为 25%75%，分位在 6.90 13.00，12 月为 25%75%，分位为 7.10 13.00；1、2、3 月SLR 略低于 11 月和 12 月，均值分别为 8.60、9.40、9.10，其中 1 月为 25%75%，分位为 6.70 12.00，2 月 为 25%75%，分 位 为 6.90 12.00，3 月 为25%75%，分位为 6.30 12.00；4 月 SLR 均值最小，为 6.70，25%75%分位在 3.60 10.00。平均值的变化与气温有关。11 月至次年 2 月气温低，雪干且密度小，积雪更加蓬松，因此 SLR 相对更大13，同等降雪量导致的积雪深度增量更大；而4月降雪多为湿雪，密度大，因此SLR值相对更小9。2.2.4 不同量级降雪 SLR 变化特征经过筛选的973 次降雪事件中包含中雪733 次、大雪 211 次、暴雪及以上 29 次，中雪事件最多，占总降雪事件的 75.3%（见图 5）。对各量级降雪的 SLR 值进行统计计算得出中雪 SLR 均值为 9.68，25%75%分位为6.90 12.50；大雪SLR均值为8.93，25%75%分位为 6.00 11.30；暴雪及以上 SLR 均值为 8.60，25%75%分位为 6.67 10.30。呈现出降雪量级越大，SLR 值越小的特征，这与杨成芳等14研究结论相一致。此外，统计分析得出：暴雪事件主要出现在11 月和次年 4 月，该时段内暴雪事件有 23 次，占比79.4%；12 月至次年 2 月基本未出现暴雪及以上量级的降雪事件。因此，不同量级降雪的 SLR 结论值在业务应用时需同时考虑 SLR 的月分布特征。图 4 呼伦贝尔市各月降雪事件（a）及 SLR 箱线图（b）降雪次数 11 12 1 2 3 4 月份b 11 12 1 2 3 4 月份53 N52 N51 N50 N49 N48 N纬度 116 E 118 E 120 E 122 E 124 E 126 E 经度 11.8011.5011.2010.9010.6010.3010.009.709.409.00400300200100050403020100SLRa最大75%50%25%最小2023 年第 1 期12内 蒙 古 气 象2.3 地面温度和地面风速对 SLR 的影响杨成芳等15对一次江淮气旋暴雪的积雪深度进行了诊断分析，认为积雪深度是近地面多气象要素共同作用的结果，降水相态、降雪量、降雪强度、气温、地面温度和风速均有影响，进而影响到 SLR 值。下面从地面温度和地面风速来分析对 SLR 的影响。2.3.1 地面温度对 SLR 的影响通过对不同地面温度条件下平均 SLR 的变化统计，得到不同地面温度区间平均 SLR 变化曲线，如图6 所示。从图上可见，当地面温度低于-36.0 时，平均 SLR 最小，为 6.00；随着地面温度的升高，在-33.0-30.0 平均 SLR 达到最大值，为 13.9，此时降雪向积雪的转化效率最高，每 1 mm 的降雪可以转化为 13.9 mm 的积雪。而后随着地面温度升高平均 SLR 值逐渐下降，在-24.0-21.0 平均SLR 值降至次低值，为 8.00；随后 SLR 值又开始回升，在-18.0-15.0 时平均 SLR 约为 10.5，该值平稳持续至地面温度在-6.0-3.0；之后随着地面温度升高，SLR 值又开始下降至 8.00 左右。总体来看地面温度在-18.0-3.0，平均 SLR 值稳定在 10.0011.00，符合该条件的降雪事件占总事件的73.18%；当地面温度低于-18.0 或高于-3.0 时，平均 SLR 值不稳定，呈跳跃性，忽高忽低，该类事件出现的频率为 26.82%。2.3.2 地面风速对 SLR 的影响图 7 为地面风速区间与 SLR 的关系。当地面风速小于 4.5 ms-1时，平均 SLR 值稳定在 10.00 附近，少波动；当地面风速在 4.56.5 ms-1波动时平均 SLR值减小，在 6.5 ms-1时平均 SLR 值最小，为 8.00；而后随着风速增大平均SLR值随之增大，7.08.0 ms-1风速区间 SLR 值最大，为 13.90。由此可见在地面风速小于 4.5 ms-1时对平均 SLR 值没有影响；当地面风速大于 4.5 ms-1时对平均 SLR 值影响较大。4812160,1)1,2)2,3)3,4)4,5)5,6)6,7)7,8)SLR日平均2 m风速区间/（ms-1)图 7 地面风速区间与 SLR 值的关系3 结论(1)24 h 降雪量和次日 08 时积雪深度呈现正相关关系，二者相关系数为 0.64，得出日新增积雪深度和日降水量的比值为 0.77。(2)呼伦贝尔市 24 h SLR 平均值为 10.01，中位数为 9.30，众数为 11.50；主要集中在 2.0022.00，其中在 6.0013.00 出现频数占总数的 66.6%，而大于22.00 的极端值出现频率较低。(3)呼伦贝尔市各地平均 SLR 空间分布存在差异，不同台站的平均 SLR 变化范围在 8.6911.72；11月至次年3月平均SLR值稳定在10.00，12月最大，4 月 SLR 值最小，存在显著月变化特征。(4)不同量级降雪的平均 SLR 不同，中雪约为10.00、大雪约为 9.00、暴雪及以上为 8.60，呈现出降雪量级越大其值越小的特征。图 5 呼伦贝尔市各量级降雪事件（a）及 SLR 箱线图（b）b降雪次数 中雪 大雪 暴雪及以上 等级1000800600400200050403020100SLR 中雪 大雪 暴雪及以上 等级a温度区间/-36.00,-33.00)-30.00,-27.00)-33.00,-30.00)-9.00,-6.00)-12.00,-9.00)-15.00,-12.00)-18.00,-15.00)-21.00,-18.00)-24.00,-21.00)-27.00,-24.00)-3.00,-0.00)-6.00,-3.00)0.0,1.0)1.0,2.0)2.0,3.0)3.0,4.0)4.0,5.0)5.0,6.0)6.0,7.0)7.0,8.0)地面风速区间/(ms-1)图 6 不同地面温度区间平均 SLR 值分布481216SLR最大75%50%25%最小2023 年第 1 期13内 蒙 古 气 象(5)地面温度在-18.0-3.0 时，平均 SLR 值稳定在 10.00 11.00；当地面温度低于-18.0 或高于-3.0 时，平均SLR值不稳定，呈跳跃性，忽高忽低。地面风速大于 4.5 ms-1时对平均 SLR 值影响较大。参考文献1 黄晓璐，李林惠，马学峰.内蒙古东南部地区一次致灾特大暴雪过程诊断分析 J.内蒙古气象,2022(2)：3-8,14.2 徐建国,赵立清,贾宁.等.通辽市区域性大到暴雪时空分布特征分析 J.内蒙古气象,2020(2)：18-20.3 王洪丽,付亚男,孟雪峰,等.呼伦贝尔市 2016 年 3 月 31 日4 月 2 日 暴 雪 过 程 天 气 学 特 征 研 究 J.冰 川 冻 土,2018,40(3)：501-510.4 王宁,秦玉琳,姚帅.不同触发条件下吉林省一次极端暴雪大风天气过程诊断分析 J.气象与环境学报,2017,33(3)：1-9.5 徐士琦,傅帅,张小泉.19612016 年吉林省积雪增量与积雪日数时空变化特征 J.气象与环境学报,2018,34(2)：44-51.6 王洪丽,曲学斌,张平安，等.19602012 年呼伦贝尔市积雪时空分布特征 J.内蒙古气象,2016(4)：16-21.7 崔锦,张爱忠,阎琦,等.20092017 年辽宁省降雪含水比变化特征研究 J.冰川冻土,2019,41(4)：828-835.8 崔锦,周晓珊,阎琦,等.沈阳降雪含水比变化特征及其大气影响因子 J.冰川冻土,2015,37(6)：1508-1514.9 崔锦,周晓珊,阎琦,等.降雪含水比研究进展 J.气象,2017,43(6)：763-772.10 陈铁,陈爱玉,张树民,等.南通地区强降雪和积雪深度预报研究 J.中国农学通报,2019,35(14)：109-114.11 ROEBBER P J,BRUENING S L,Schultz D M，et al.Improving snow fall forecasting by diagnosing snow densityJ.Weather and Forecasting,2003,18(4)：264-287.12杨琨,薛建军.使用加密降雪资料分析降雪量和积雪深度关系J.应用气象学报,2013,24(3)：349-355.13 王一颉,赵桂香,马严枝降水相态转换机制及积雪深度预报技术研究 J.干旱气象，2019,37(6)：964-971.14 杨成芳,朱晓清.山东降雪含水比统计特征分析 J.海洋气象学报,2020,40(1)：47-56.15 杨成芳,刘畅.一次江淮气旋暴雪的积雪特征及气象影响因子分析 J.气象,2019,45(2)：191-202.16 POTTER J G,1965.Water content of freshly fallen snowG.CIR-4232TEC-69,Meteorology Branch,Dept of Transport,Toronto,0N,Canada12.17 WILKS D S.Statistical methods in the atmospheric sciencesM.Academlc Press,1995.Study on Variation Characteristics of Snow-to-Liquid Ratio in HulunbuirWang Hongli1,Liu Wei1,Yang Xuefeng1,Miao Chunyan2,Wang Ying1(1.Hulunbuir Meteorological Bureau,Inner Mongolia Hailar 021008;2.Arongqi Meteorological Bureau,Inner Mongolia Arongqi 162791)Abstract In snow depth forecasting,snow-to-liquid ratio(SLR)is an important parameter to transform quantitative precipitation forecast(QPF)into snow depth forecast.Based on the 24 h(0808)accumulated precipitation,24h new-snow depth,daily average surface temperature,daily average surface wind speed and other data of 16 National meteorological stations of Hulunbuir in the winter half year of 19912020.The variation characteristics of the Snow-to-Liquid Ratio in Hulunbuir were analyzed through the selected snowfall events,and the effects of surface temperature and surface wind speed on the snowfall water-cut ratio were analyzed.The results showed that:(1)The average of 24-hour SLR Hulunbuir was 10.01,the median was 9.30 and the mode was 11.5;although the range of variation was large,it was mainly concentrated in 2.0022.00,and the extreme value of SLR greater than 22 rarely appeared.(2)There were differences in the spatial distribution of the average SLR,the average SLR of each station in Hulunbuir varied from 8.69 to 11.72.From November to March of next year,the average SLR was stable around 10,the highest in December and the lowest in April,with significant monthly variation characteristics.(3)The average SLR of snowfall of different magnitude was different,the average SLR of moderate snow was about 10.00,heavy snow was about 9.00,and heavy snow and above was 8.6,showing that the larger the snowfall magnitude was,the smaller the value was.(4)When the ground temperature was-18.0-3.0 ,the average SLR value is stable between 10.00 to 11.00;when the ground temperature was lower than-18.0 or higher than-3.0,the average SLR value was unstable.When the surface wind speed was greater than 4.5 ms-1,the average SLR was greatly affected.Keywords SLR;Variation;Surface temperature;Wind speed