渤海海效应暴雪云特征的观测分析

郑 怡高山红＊吴增茂

1）（中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，青岛266100）

2）（中国海洋大学山东省海洋－大气相互作用与气候重点实验室，青岛266100）

渤海海效应暴雪云特征的观测分析

郑 怡1）2）高山红1）2）＊吴增茂1）2）

1）（中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，青岛266100）

2）（中国海洋大学山东省海洋－大气相互作用与气候重点实验室，青岛266100）

利用静止卫星（GMS－5，GOES－9，MTSAT）红外数据与CloudSat卫星云剖面雷达数据、NCEP FNL分析资料与常规观测资料，对2001—2010年发生的12次渤海海效应暴雪过程中云的演变特征、渤海热力作用与暴雪云团垂直结构及相态组成进行了观测分析。发现不同生成源地的暴雪云通常在渤海上快速发展，云中多存在水平范围可达100～300km的密实条状或块状云团，其下对应主要降雪区域；暴雪云生成源地可分为渤海湾及莱州湾附近、渤海中部、辽东湾附近3种，暴雪云在海上移动主要受850hPa风场影响；渤海暖海面与其上冷空气间的热量、水汽交换形成的不稳定层结条件，导致暴雪云进一步发展；暴雪云发展旺盛时期高度可达4km，其冰水含量最大值达600mg·m－3且主要集中在2km高度附近，平均值可达303mg·m－3，冰粒子有效半径最大值约为120μm，平均值约为91μm。

海效应暴雪；渤海；暴雪云特征；观测分析

引 言

当冬季冷空气爆发经过大范围暖水面时，由于水－气温度差异，暖水体与低层冷空气之间通过蒸发作用与湍流过程进行热量和水汽交换，造成低层大气不稳定，在适当触发机制作用下形成对流并进一步发展导致成云致雪，这种降雪被称为海／湖效应降雪。美国的五大湖湖区［1－2］与日本西海岸［3］经常发生此类降雪。而在我国，位于渤海南岸的山东半岛北部是海效应降雪的频发地区。冬季冷空气经过相对较暖的渤海，在山东半岛中部丘陵地形的抬升作用下产生局地降雪，国内预报员通常将其简单称作冷流降雪［4－5］。当冷空气强盛时，降雪会达到暴雪等级，给当地的工农业生产和交通运输等带来巨大的经济损失和安全隐患，因此渤海海效应暴雪与海雾、海上大风一起被列为山东半岛蓝色经济圈的主要灾害性天气，受到广泛关注。

近25年来，在渤海海效应暴雪的大尺度环流特征、中尺度组织机制及地形作用等方面，已有一些研究工作。如曹钢锋等［4］较早地总结了渤海海效应降雪的时空分布特征，根据冷空气移动路径将降雪天气形势进行了分类。众多研究者还利用数理统计和数值模拟等方法对海岸锋［6－7］、重力波等组织、维持海效应暴雪的中尺度机制［8－9］进行探讨。此外，从实际业务预报需求出发，预报员利用统计方法总结了适用于渤海海效应降雪预报的海气温差［10］、500hPa槽过境时间［10］、风向风速［11］等前兆天气信号和经验性指标，明显改善了海效应降雪的预报与预警。但仅依靠这些信号与指标，具体降雪落区、强度及持续时间等方面准确预报的问题难以克服。

云的形态及移动规律对研究降水过程具有重要指示作用［12－14］。随着观测手段与数值模拟水平的进步，除了利用数值模拟手段研究海效应暴雪的动力机制，人们还将目光投射到暴雪过程中云的形态结构、发展机制和微物理特征（为方便与区分起见，本文下面将海／湖效应降雪过程中的云统称为降雪云，如果降雪达到暴雪等级，则称为暴雪云，而暴雪云的主体称为暴雪云团）。因为降雪的产生是降雪云发展的直接结果，对暴雪过程中云演变过程的研究将有助于更好地了解雪带的生成、发展和移动规律，有助于数值模式中云过程模块的改进。周淑玲等［15］利用卫星可见光云图和多普勒天气雷达等资料，对2005年12月4日的一次渤海海效应暴雪过程的分析发现，发生暴雪时渤海大部到山东半岛被西北—东南向云街覆盖，且山东半岛暴雪区存在西南—东北向的横向云带。2005年多次暴雪过程的多普勒天气雷达观测显示大部分过程中其云顶高度在3km 以下，且雷达回波多呈带状［5，16－17］。然而，目前对这些暴雪云特征的详细了解与形成机制的研究还鲜见报道。

Peace等［18］指出降雪云的产生位置和移动方向主要取决于云所处高度的风，而非地面条件。对美国五大湖区湖效应降雪云团研究发现，降雪云系多沿对流混合层低层风风向发展，可分为单云带型、多云带型、混合型及比较特殊的中尺度涡型［19－20］；其中，单云带型多带来强的窄带降雪，而多云带型则一般对应大范围的较弱降雪；平行于大湖长轴方向的单云带和双云带主要由陆风环流组织形成［21］。日本西海岸的海效应降雪云分为经向型、横向型、广泛分布型、中尺度涡旋型、山体斜坡型及局地锋面型6种［22］。暴雪云中的微物理过程对于降雪的形态和强度也有重要影响，如Masataka等［23］发现，在对流云胞中，雪粒的碰并增长是降水形成的主要机制。受大尺度降水云系的影响，较高层次的云有冰晶或雪晶落入低层云中时，会使低层云中的冰晶再次增长，这种播种－反馈机制会增强降雪的强度［24－25］。

对比国内外研究可以看出，目前国内对渤海海效应暴雪过程中暴雪云的研究工作较少。已有工作主要针对降雪时段内影响山东半岛北部暴雪云的特点进行分析，对其生成、发展的前期过程研究较少。本文的初步研究表明，影响山东半岛北部的暴雪云往往只是渤海海效应暴雪云的南部边缘部分，其发展演变与位于渤海上空的主体部分的发展密切相关。因此，全面考察渤海海效应降雪云特征显得非常必要。

作为数值模拟详细研究渤海海效应暴雪机制的前期工作，本文首先聚焦于渤海海效应暴雪云生成及其演变特征的观测分析。针对2001－2010年内强烈影响山东半岛所有渤海海效应暴雪过程（共12次），首先借助卫星红外云图对暴雪云进行了特征分析，并依据暴雪云生成源地分类，结合NCEP FNL分析资料与环渤海地面观测分析渤海的非绝热加热效应对暴雪云团发展的影响，最后以2008年12月5日海效应暴雪过程为例，利用卫星星载雷达数据详细分析了此次暴雪云团的垂直特征。

1 资 料

渤海海效应暴雪过程中暴雪云特征的统计分析基于静止卫星红外数据［26］。其中2001—2003年个例采用 GMS－5（Geostationary Meteorological Satellite 5）卫星红外通道1（IR1）数据，分辨率为5km；2004 年个例采用 GOES－9（Geostationary Operational Environmental Satellite 9）卫星IR1数据，分辨率为4km；2005年之后个例利用 MTSAT（Multi－functional Transport Satellite）静 止 卫 星IR1数据，分辨率为4km。利用红外数据确定红外云图。

渤海海效应暴雪过程中暴雪云形成的环境条件分析基于来自美国国家环境预报中心NCEP FNL分析资料［27］（Final Analyses data of Global Forecast System）与常规观测资料［28］。其中，NCEP FNL分析资料垂直方向分为26层，6h1次，水平分辨率为1°×1°；常规观测资料为3h1次，包括温度、水平能见度、相对湿度、露点温度、气压和风向风速等。

渤海海效应暴雪过程中暴雪云的垂直结构及相态组成分析依据 CloudSat卫星观测数据［29］。CloudSat卫星属于美国宇航局“地球观测系统科学探路者（ESSP）”计划，其星载的云剖面雷达（cloud profiling radar，简称CPR）能够“切开”云层，获得云层结构的详细信息，并结合搭载的激光雷达探测信号，对混合相态的云和降水云中的冰粒子和降水粒子有很好的探测能力［30－31］。

山东半岛及周边地形分布见图1。

图1 山东半岛及周边地形分布（▲为太行山脉；虚线为渤海各分区分界线；等值线为海拔高度，单位：m）Fig.1 The terrain distribution of Shandong Peninsula and surroundings（▲represents the Taihang Mountains；the dash line represents the boundaries of the Bohai Sea subregions；the contour represent elevation，unit：m）

2 渤海海效应暴雪云的观测特征

2.1 总体特征

早期利用 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）卫星红外云图对渤海海效应降雪云的特征分析表明，降雪云呈排列有序的开口细胞状云胞组成的狭长积云线，排列稀疏，积云线之间可辨别出晴空区，有时十分浓密，几乎连成一片，体现出较为典型的云街状结构［32－33］。徐中华等［34］指出，海效应降雪云为云底高度一般在600～800m之间的积云性层积云。

进一步借助 GMS－5，GOES－9与 MTSAT等静止卫星高分辨率红外观测数据，对表1（时间为北京时，下同）中所给出的12次渤海海效应暴雪过程中暴雪云的生成、移动与发展经过进行观察、分析与总结。结果显示：尽管暴雪云的生成源地不尽相同，但移动方向与对流层低层盛行风近于平行，而且最终均移至渤海海峡上空；大多数暴雪云在海上移动过程中会快速发展，云中通常存在发展高度较高、分布比较密实的块状或条状的暴雪云团，尺度约为100～300km，周围伴随沿盛行风方向高度较低的云街；暴雪云移经渤海海峡时，暴雪云团呈西北—东南向或近东—西向带状分布，且暴雪云团南部边缘与山东半岛中部100～400m山脉地形走势一致。

表1 2001—2010年山东半岛典型海效应暴雪过程Tabel 1 Typical sea－effect snowstorm processes over Shandong Peninsula from 2001to 2010

图2 2005年12月3—5日海效应暴雪过程中云团的演变（填色代表云顶亮温；AB为下文垂直剖面所在位置）（a）3日21：00，（b）4日02：00，（c）4日04：00，（d）4日10：00，（e）4日14：00，（f）5日10：00Fig.2 Evolution of clouds of the sea－effect snow storm during 3—5Dec 2005（color shaded represents cloud top brightness temperature；ABindicates the location of later vertical section）（a）2100BT 3Dec，（b）0200BT 4Dec，（c）0400BT 4Dec，（d）1000BT 4Dec，（e）1400BT 4Dec，（f）1000BT 5Dec

图3 同图2，但为2008年12月3—5日海效应暴雪过程（CD，EF，GH为下文垂直剖面所在位置）（a）3日12：00，（b）4日08：00，（c）4日10：00，（d）4日20：00，（e）5日02：00，（f）5日13：00Fig.3 The same as in Fig.2，but for the storm case during 3—5Dec 2008（CD，EF，GHindicate the locations of later vertical section） （a）1200BT 3Dec，（b）0800BT 4Dec，（c）1000BT 4Dec，（d）2000BT 4Dec，（e）0200BT 5Dec，（f）1300BT 5Dec

图2与图3分别给出了两次暴雪过程中暴雪云的演变过程。从图2b～2e与图3d，3e可以看到清晰的暴雪云团与云街分布结构，暴雪云团多呈西北—东南向或近东—西向块状或带状分布。对陆地降雪观测与暴雪云的对应关系的分析表明（图略），局地强降雪对应着发展旺盛的暴雪云团而非云街。暴雪云团南部边缘与地形的一致性在图2e与图3e中得以体现，这显示海效应暴雪与山东半岛地形之间存在联系。

2.2 生成源地分类

目前，国外已对其局地海／湖效应降雪云的形态特征进行了细致的分类。国内杨成芳［35］基于雷达回波形态将山东半岛近岸降雪云带分为L型、单线型、双线型和宽广型4种，这种分类主要针对影响陆地降雪主要时段半岛北部的云带形态特征，根据前面对暴雪云的生成、移动与发展的分析结果，这些暴雪云发展后期总体特征逐渐趋同，但前期生成源地和移动方向存在差异。因此，本文的分类工作主要针对暴雪云的生成源地。基于1h1次的静止卫星红外数据，逐一分析了表1中12次暴雪过程中云团初始阶段的形态位置及移动方向，结合NECP FNL分析资料给出的850hPa天气形势与不稳定条件对其成因进行诊断分析（图略），将暴雪云生成源地分为渤海湾和莱州湾附近、渤海中部、辽东湾附近3种情况（表1）。

2.2.1 渤海湾和莱州湾附近

属于此种情况的个例为表1中的第1次、第11次过程。第1次过程中，云团生成于莱州湾附近，部分位于渤海中部，云团呈块状；第11次过程中云团初始时刻位于渤海湾和莱州湾附近，云团呈带状。通过分析红外卫星云图和风场的时间变化可以看出（图略），初始时刻生成的云团在低层西北偏西风或西北风的作用下向东南方向移动至渤海海峡。

2.2.2 渤海中部

共有8次过程的暴雪云生成于渤海中部海域上空（表1中的第3次～第10次过程），占总次数的3／4。8次过程中云团的具体位置和形态有所区别，其中有4次过程（表1中第3次、第4次、第9次、第10次过程）中云团生成于以渤海海峡为参照的西北向上游海域，初始时刻云团面积较小或较零散，与山东半岛北部无交接，在低层盛行风（表1）的作用下向东南方向移动至渤海海峡附近，并在海上迅速发展；其余4次过程中，初始时刻云团的南部即与半岛北部相接，其850hPa盛行风多为西北风或西北偏西风（表1），云团移动方向为自西向东或东南偏东向。

2.2.3 辽东湾附近

表1中的第2次、第12次过程属于此类，这种类型的云团生成于辽东湾附近，云团初始时刻为带状或块状，850hPa盛行西北偏北向风（表1），在偏北风的作用下，云团逐渐向南移动至渤海海峡附近，影响半岛北部降雪。

在以上源地与云团移动方向的统计分析中可以发现，初始时刻云团多面积较小或比较零散，呈小的块状或带状，云团的长轴方向与850hPa等高线走向相近，但也存在某些初始时刻云团圆面积较大的情况（如表1中第2次、第3次过程），这些过程中暴雪云生成于西风槽前的环境云下部，根据已有研究，属于中云的环境云会从上层播撒冰晶到属于低云的暴雪云中，这种播撒－反馈机制会使低层暴雪云发展且降雪增强［36］，所以这些过程中云团在所能分辨的初始阶段已发展较旺盛。

在移动过程中云团的形态多变，具体移动路径与850hPa风场密切相关；云团移动趋势以渤海海峡为参照大致可分为自西向东、自西北向东南、自北向南3种情况，不同源地生成的云团最终到达山东半岛北部，造成当地降雪。在其移动、发展过程中，时有从西北或北部陆地上生成的云团融入，这种云团可能与渤海上游太行山背风侧所形成的背风低压有关［37］，且这种地形云与海效应云之间可能也会通过播撒－反馈作用促进暴雪云发展，进而增加降雪强度。

3 渤海海效应暴雪云团的形成环境

3.1 冷空气与降雪

渤海海效应降雪之所以被称为冷流降雪，是因为其形成与冷空气强度密切相关。根据曹钢锋等［4］所总结的造成海效应降雪的3种冷空气路径：西北路径、偏北路径和偏西路径，对12次过程进行统计可发现，12次暴雪过程中冷空气多属于西北路径，亚欧大陆呈两槽一脊形势，从脊前到东亚大槽后部深厚的西北气流引导冷空气南下，为降雪的形成提供强冷空气条件。参考杨成芳的研究成果［38］，表1中给出了这些暴雪过程的500hPa天气系统；12次过程中共有9次存在冷涡，仅3次过程为西风槽影响。深厚的冷涡系统移动缓慢，其逆时针旋转使后部甩下一股股冷空气进行补充，为降雪的持续和发展提供冷空气条件。从对流层低层（图略）来看，冷锋移过渤海后，冷锋后部西北向气流受渤海周围地形的影响易呈气旋式弯曲，对应低层不稳定区域，云团多在此产生。且低层西北向冷空气在渤海上经过的路径较长，更有利于对流层低层空气与渤海间进行水汽和热量交换，为云团发展提供不稳定条件。

3.2 降雪与暴雪云团

以表1中的第5次暴雪过程（2005年12月4日）为例，利用红外云图和常规地面观测，分析暴雪云团的移动与陆地观测到的降雪变化之间的关系。选取山东半岛北岸的龙口、长岛、福山、威海、成山头5个站（站点位置见图1）。根据图2提供的暴雪云演变过程，暴雪云于2005年12月3日21：00生成于高云后部，随后发展为暴雪云团，并逐渐向东移动，其云团主体南部自西向东依次经过龙口、长岛、福山、威海、成山头等站，对应各站最大6h降水量出现时刻也随站点位置呈现自西向东时间滞后的特点（图4），且最大降水量出现时刻与云团位置移动有良好对应关系。这表明，暴雪云团的移动与地面降雪变化之间存在很好的一致性。

图4 2005年12月4日海效应暴雪过程山东半岛沿岸站点最大降水量出现时刻Fig.4 Occurence time of observed maximal precipitation at several stations along Shandong Peninsula of the snowstorm on 4Dec 2005

3.3 暴雪云团与层结不稳定

决定海（湖）效应降雪是否产生的最重要因素是对流层低层的热力不稳定［5］。暴雪云产生位置与海上不稳定区域有良好的对应关系，层结不稳定导致的垂直运动将增强海面与低层大气间的热量与水汽交换，为云团的产生与发展提供了有利的环境，因此暴雪云多在不稳定区附近产生。

3.4 层结不稳定与渤海非绝热加热效应

2005年12月3日08：00，渤海上空低层开始盛行西北风，秦皇岛站位于西北风的上游，长岛、成山头两站位于西北风下游（站点位置见图1）。由图5可知，受冷空气爆发影响，秦皇岛站于4日05：00温度降至－8℃以下（图5a）。冷空气流经渤海到达半岛北部后，导致长岛站与成山头站温度于4日11：00分别降至－4℃和－2℃，成山头站温度较长岛站高2℃，可能是因为到达该站的冷气团途经渤海暖海面的路径较长。可以看出，冷空气流经渤海暖海面后强度减弱，冷空气下游站点较上游站点的最低温度均升高，增幅达到4～6℃左右。

作为对比，对同样呈西北—东南向分布的北京、济南、潍坊3个站（站点位置见图1）的温度变化进行了分析。北京站与济南站、潍坊站之间的距离与上面西北气流流经渤海的距离相近。结果显示，北京站在2005年12月4日05：00左右最低温度同样达到－8℃ 以下（图5b），说明其与秦皇岛等站受同股冷空气影响。在冷空气影响下，潍坊、济南两站迅速降温，均于4日05：00达到最低温度约－6℃，与过海冷空气所到达的站点相比温度降低2～4℃。这说明，渤海的作用主要体现为对其上流经冷空气的非绝热加热效应，使低层冷空气升温幅度可达4℃左右。

3.5 渤海非绝热加热效应与大气稳定度变化

通过考察沿图2中AB的垂直剖面，进一步揭示暖海面产生的层结不稳定及其对暴雪云团发展的作用。2005年12月3日14：00红外云图显示渤海上空仍被槽前大尺度系统高云所覆盖（图略），渤海区域大气低层层结稳定较弱（见图6a中的假相当位温梯度分布），700hPa附近存在一上升运动中心（见图6a中的垂直风速负值中心）。3日20：00（图6b），伴随高云移动的海效应暴雪云团已逐渐发展至旺盛，在云团所对应的位置（38.6°N，121°E）附近，不稳定层达到800hPa左右，且上升运动明显（图中垂直速度负值中心）；上升运动区存在水汽辐合（图中水汽水平辐合负值区），对应700hPa存在辐散；近海面气温在6h内增高1℃，增温垂直范围达到900hPa，而上层750hPa附近却存在－6℃左右的降温，850hPa附近变温垂直梯度较大，说明渤海非绝热加热效应的直接影响可以达到850hPa左右。

图5 2005年12月3日11：00—4日20：00不同站点温度变化（单位：℃）（a）秦皇岛站、长岛站、成山头站，（b）北京站、济南站、潍坊站Fig.5 Time series of site temperatures from 1100BT 03Dec to 2000BT 04Dec in 2005（unit：℃）（a）Qinhuangdao Station，Changdao Station，Chengshantou Station，（b）Beijing Station，Jinan Station，Weifang Station

图6 沿图2a中AB2005年12月3—5日500～1000hPa假相当位温梯度（填充色，Δθse／Δp，其中Δp代表NCEP FNL数据中气压垂直分层间隔）、垂直风速（黑线，单位：Pa·s－1）、6h变温（红线，单位：℃）与水汽水平辐合（绿线，单位：10－5g·kg－1·s－1）的垂直分布 （a）3日14：00，（b）3日20：00，（c）4日02：00，（d）4日08：00Fig.6 The vertical section from 500to 1000hPa alongABin Fig.2aof pseudo－equivalent potential temperatures gradient（shaded，Δθse／Δp，Δprepresents the vertical pressure interval of NCEP FNL data），pressure vertical velocity（black contours，unit：Pa·s－1），6－h temperature tendency（red contours，unit：℃）and horizontal convergence of vapor（green contours，unit：10－5g·kg－1·s－1）in 2005（a）1400BT 3Dec，（b）2000BT 3Dec，（c）0200BT 4Dec，（d）0800BT 4Dec

12月3日20：00—4日02：00暴雪云团在海上移动与进一步发展，并逐渐东移至渤海海峡附近（图2b）；相应地，上升运动加强，区域东移至122°E附近，上升域内6h温度变化约为0℃左右，且垂向较均匀。4日08：00，云团海上部分已经开始减弱，受山东半岛北部地形影响，仅威海、成山头一带云团发展较强（图2c），图6d中显示不稳定层高度降低，垂直运动减弱。通过以上分析，渤海的非绝热加热效应通过加热其上流经的冷空气，造成低层大气不稳定，引发上升运动，而上升运动有利于对流的发展、水汽的垂直输送，从而为暴雪云团的生成、发展提供有利的环境条件。

4 渤海海效应暴雪云的三维结构特征

在静止卫星红外观测数据的基础上，结合Cloud－Sat卫星观测数据，以2008年12月5日暴雪过程为例，对暴雪云的三维结构特征及相态组成等进行研究。此次海效应暴雪发生于大范围冷锋降雪之后，图3给出了其暴雪云的演变经过。2008年12月4日08：00冷锋云系已移至渤海以东，暴雪云出现在渤海湾东部及莱州湾处（图3b）。随着时间推移，暴雪云移向渤海中部，逐渐发展加强为暴雪云团（图3c，3d）；至4日20：00山东半岛北岸受暴雪云团南部控制，开始观测到降雪，并在渤海上空出现西北—东南向的云街结构（图3d）；之后，暴雪云团经渤海海峡不断向黄海海域扩展，5日凌晨，云团呈西北—东南向，在其西侧的渤海海域，云街结构广泛分布（图3e，3f）。

CloudSat卫星恰于此次暴雪过程中的冷锋过境、海效应暴雪主要降雪与降雪减弱这3个阶段，先后经过渤海上空，3次轨道（分别见图3a，3e，3f中CD，EF，GH）对应时间分别约为12月3日12：00，5日02：00与5日13：00。CloudSat卫星观测包含反射率因子与冰水含量数据，可以用来刻画暴雪云的垂直结构与相态组成［30］。

经过渤海的3次轨道的反射率因子垂直剖面如图7所示。图7中反射率因子大值区代表对流上升运动较强区域［39］。由图7a可以看到，渤海上空冷锋云系（118.4°～119.2°E）对流旺盛，发展高度为8km左右；3km以下存在对流柱状结构，柱间存在微小间隙，其上云毡范围较大，云顶较平。与冷锋对流云相比，海效应暴雪云团对流发展高度明显较低，主要降雪时段可达4km左右（图7b），其他时段在2.5～3km之间（图7c）。云团的水平发展演变过程中，在云团主体两侧对应的明显云街结构（图3e，3f），此时在垂直剖面图上表现为反射率因子强弱相间的竖条状结构，高度低于云团主体且随云团的发展而变化，在云团旺盛和减弱阶段分别为3km和2km左右。

图7 沿图3中CD，EF，GH2008年12月3—5日CloudSat反射率因子垂直剖面 （a）3日12：00（沿CD），（b）5日02：00（沿EF），（c）5日13：00（沿GH）Fig.7 The vertical section of reflectivity factor observed by CloudSat alongCDat 1200BT 3Dec 2008（a），EFat 0200BT 5Dec 2008（b），GHat 1300BT 5Dec 2008（c）in Fig.3

图8给出了此次过程中CloudSat卫星经过渤海的3次轨道所观测到的冰水含量和冰粒子有效半径的垂直剖面。可以发现，虽然冷锋云系的对流发展高度（图8a）几乎是海效应暴雪主要时段云团高度（图8c）的2倍，但海效应暴雪云团中的冰水混合物含量（图8c）也达到了冷锋云系的最大值（图8a），约为600mg·m－3；冷锋云系中极值主要位于低层高度约3km的对流柱内（图8a），对应冰粒子有效半径最大达到140μm（图8b），而暴雪云团中冰水含量则主要集中在2km左右（图8c），冰粒子有效半径略小于冷锋云系，最大值约120μm（图8d），然而，对两种云中发展较旺盛区域（图8a～8d中黑框内区域）进行空间平均计算后发现，暴雪云中的冰水含量平均值（303mg·m－3）远大于冷锋云系中平均值（185mg·m－3），且暴雪云团中冰粒子有效半径平均值（91μm）也略大于冷锋云系（86μm）。而在海效应暴雪云团发展减弱阶段，云中冰水混合物含量和冰粒子有效半径较其旺盛阶段均有所降低（图8e，8f）。

图8 2008年12月3—5日海效应暴雪过程中CloudSat卫星沿图3中CD，EF，GH给出的冰水混合物含量及冰粒子有效半径分布（a）3日12：00沿CD冰水混合物含量，（b）3日12：00沿CD冰粒子有效半径，（c）5日02：00沿EF冰水混合物含量，（d）5日02：00沿EF冰粒子有效半径，（e）5日13：00沿GH冰水混合物含量，（f）5日13：00沿GH冰粒子有效半径Fig.8 Vertical section of the CloudSat observations for the process during 3—5Dec 2008alongCE，EF，GHin Fig.3（a）ice－water mixture content alongCDat 1200BT 3Dec，（b）ice effective radius alongCDat 1200BT 3Dec，（c）ice－water mixture content alongEFat 0200BT 5Dec，（d）ice effective radius alongEFat 0200BT 5Dec，（e）ice－water mixture content alongGHat 1300BT 5Dec，（f）ice effective radius alongGHat 1300BT 5Dec

综合图7与图8展示的CloudSat卫星观测信息可以看到，海效应暴雪云为浅对流云，但旺盛期云顶高度可达4km左右，高于之前研究者普遍认为的3km 以下［13－14］，云底高度约600～800m；暴雪云中冰水含量及冰粒子有效半径最大值与冷锋云系内部相当，但暴雪云中冰水含量和冰粒子有效半径的平均强度均超过冷锋云系，反映了渤海海效应作用为暴雪云团发展提供大量水汽，导致其降下暴雪。

相比CloudSat星载云剖面雷达，岸基多普勒天气雷达对海效应暴雪云团三维结构特征的揭示有其自身优缺点。其扫描间隔较短，能够连续地对云的发展过程进行追踪分析，有助于细致了解近岸及陆面降雪过程及云团内部结构，但受到仰角范围影响，对雷达上方或距雷达较远区域探测能力较弱。借助烟台站多普勒天气雷达数据对海上云团的垂直特征进行分析，取海上云团发展较旺盛时期12月4日20：00雷达组合反射率因子图（图9a），对海上云团沿纵向做剖面（图9b）。由于受最低仰角高度限制，离雷达较远处低层云区无法探测，海上云团发展高度最高处约为4km，存在3个反射率因子大值中心（图9b中箭头所指位置），说明云团内部存在多个对流单体，反射率因子大值区对应的粒子半径较大区域位于1～2km高度处（图9b），与CloudSat卫星12月5日02：00经过海上云团的剖面特征（图7b）基本相符，这进一步证实了CloudSat卫星数据的可用性。

5 小 结

渤海海效应暴雪是山东半岛的一种地方性灾害天气，降雪通常由暴雪云直接引起。本文选取了2001—2010年发生的12次渤海海效应暴雪过程开展研究。首先基于静止卫星红外数据统计了暴雪云的演变特征，结合NCEP FNL分析资料进行了云团生成源地分类和移动特征研究；并利用常规观测数据，分析降雪与暴雪云团的对应关系，探讨了渤海的非绝热加热效应对暴雪云团演变的作用；最后，借助CloudSat卫星观测，刻画了暴雪云的垂直特征。主要结论如下：

1）尽管生成源地不同，但暴雪云通常在渤海上快速发展，旺盛阶段出现水平范围可达100～300km的暴雪云团，导致了地面的强降雪。

2）暴雪云生成源地可分为渤海湾及莱州湾附近、渤海中部、辽东湾附近3种情况，暴雪云在海上移动方向主要受850hPa风场影响，主要移动方向以渤海海峡为参照大致可分为自西向东、自西北向东南、自北向南3种。

3）渤海海效应主要体现在向其上冷空气输送热量与水汽，形成不稳定层结条件并促进浅对流逐渐发展至旺盛，从而形成暴雪云团。

4）暴雪云团在其旺盛时期高度可达4km，其冰水含量最大值达600mg·m－3且主要集中在2km高度附近，平均值可达303mg·m－3，冰粒子有效半径最大值约为120μm，平均值约为91μm。

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Observational Analysis of Cloud Characteristics of the Bohai Sea－effect Snowstorms

Zheng Yi1）2）Gao Shanhong1）2）Wu Zengmao1）2）

1）（Key Laboratory of Physical Oceanography Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao266100）
2）（Key Laberatory of Ocean－atmosphere Interction and Climate in Universities of Shandong，Ocean University of China，Qingdao266100）

Sea－effect snowstorm is a kind of typical local disastrous weather phenomena in winter of Shandong Province.The pioneering researches on snowstorm clouds usually focus on the period of snowfalls，but studies on their formation and development stages are rare.The clouds over the northern Shandong Peninsula usually are the southern edge of the sea－effect snowstorm clouds，and its evolution is closely relative to the main clouds over the Bohai Sea.12sea－effect snowstorm events during 2001—2010over the Bohai Sea are investigated.

First，stationary satellites（GMS－5，GOES－9，MTSAT）infrared data is used to investigate the evolution characteristics of snowstorm clouds，and combined with NECP FNL data，forming locations and moving features of different processes are classified.In addition，routine observation is used to analyze the corresponding relationship between snow and snowstorm clouds and the influence of the diabatic heating effect over the Bohai Sea.Finally，cloud profiling radar data of CloudSat are used to analyze the vertical structure and compositions of snowstorm clouds.

The snowstorm clouds with different origins usually grow rapidly over the Bohai Sea，and among the clouds there are dense clouds with horizontal scale of 100—300km in form of strips or a bulk，which is closely relative to the snowfall areas.

The snowstorm clouds during their initial stages can be classified into three main categories according to their forming locations，near the Bohai Bay and the Laizhou Bay，the central part of the Bohai Sea，and near the Liaodong Bay.The movements of snowstorm clouds depend on winds at 850hPa，and its dominant directions of movements can be classified into three types，by reference to the Bohai Strait move from west to east，from northwest to southeast，and from north to south，and finally the clouds reach the upper air of the northern Shandong Peninsula，which leads to its snowfalls.

As cold winds move across long expanses of warmer water，the heat and moisture transport from the Bohai Sea warm surface upwards to its above cold air，defined as the Bohai sea－effect，results in the unstable conditions over the Bohai Sea.And meanwhile，the unstable conditions improve the shallow convection to intense，which results in the snowstorm clouds.

The height of mature sea－effect snowstorm clouds can reach 4km or so，and its ice－water mixture content has an average value of about 303mg·m－3，its maximum is about 600mg·m－3and mainly distributes at 2km height，and additionally the maximum and average values of ice effective radius is about 120μm and 91μm，respectively.

sea－effect snowstorms；the Bohai Sea；cloud characteristics；observational analysis

郑怡，高山红，吴增茂.渤海海效应暴雪云特征的观测分析.应用气象学报，2014，25（1）：71－82.

2013－01－04收到，2013－10－30收到再改稿。

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201106006），国家自然科学基金项目（41276009，41175044）

＊通信作者，email：gaosh＠ouc.edu.cn