一次极端暴雪事件中罕见冻雨成因分析

使用常规观测资料、自动气象站资料、雷达回波资料及ERA5 0.25°×0.25°再分析资料,对2021年11月8—9日发生在黑龙江省极端暴雪事件中罕见冻雨过程进行分析。结果表明：冻雨发生在降水强度较大时段,地面气温普遍低于0℃。垂直气温存在典型的“冷—暖—冷”层结特征,近地层存在强逆温层,在探空图上＞0 ℃的面积比＜0 ℃的大。近地层冷垫的形成是冷高压南侵所致,受到江淮气旋和地形阻挡,在海拔较低的松花江干流地区堆积形成。融化层在850 hPa低涡前部,西南或偏南暖湿低空急流携带暖湿空气像楔子一样插在冷空气中,持续的暖平流特征明显。地面冷垫与中层暖层之间有明显的锋区特征,存在强逆温层。电线积冰直径与融化层持续长短有很大的相关性。冻雨的形成符合“冰相融化”机制。雷达观测在冻雨区具有回波强度增大的特征。     

1960—2013年北京地区冻雨天气过程特征分析

利用地面气象站的观测资料、观象台的探空资料和NCEP/NCAR再分析资料对1960—2013年北京地区20个地面气象观测站冻雨天气过程的特征及其发生条件进行了分析。结果表明:1960—2013年北京地区11月至翌年4月均可能出现冻雨天气,北京东南部的大兴区和通州区、西北部的昌平区为冻雨发生相对较频繁的地区。低层丰富的水汽和抬升条件有利于冻雨天气的出现,大气层结的垂直结构可分为无融化层(整层<0℃)和有融化层(冷—暖—冷)两类,两种类型冻雨出现的概率相当(各占50%)。通过对北京地区冻雨天气过程典型个例的对比研究发现:850—700hPa暖平流对逆温强度的变化有重要影响;无融化层时,云顶高度较高,700hPa以下气层温度为-10~0℃,降水以过冷却水的形式降落至地面发生冻结形成冻雨;有融化层时,湿层较浅薄(位于850hPa以下),暖湿空气在近地层的"冷垫"上滑行,是此类冻雨发生的有利因素之一。     

2021年11月8日雨雪冰冻灾害天气过程分析

2021年11月7日夜间-9日白天黑龙江省出现大范围雨雪、大风、降温天气。此次天气过程中南部地区雨雪相态转换频繁,出现了罕见的冻雨天气。本文通过对高低空环流演变以及大气温度垂直变化的分析,认为主要是极地冷空气向南爆发的过程中,与低层暖湿空气北上强迫产生斜压不稳定,在地面低压北侧暖锋抬升作用下出现的大范围雨雪天气。分析探空资料可以看出大气边界层起到了冷垫作用,后期地面暖锋沿低层冷垫抬升,大气温度垂直分布出现“上暖下冷”的逆温结构。此外,边界层暖湿平流的输送增加了暖层的厚度,地形影响使“冷垫”作用加强。     

2020年内蒙古东南部一次特大暴雪伴冻雨灾害天气特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP逐6 h和逐日再分析资料、FY 2G卫星云图资料，从环流形势、水汽条件、动力条件及层结特征方面对2020年11月18—19日内蒙古自治区东南部罕见的特大暴雪伴冻雨过程进行分析。结果表明：①大气环流异常是造成此次灾害性天气的主要环流背景，500 hPa西风槽和南支槽、700 hPa西南低空急流及切变线、850 hPa以下东北急流、地面气旋是此次过程的主要影响系统，具有回流暴雪的天气特征；②低空偏南和偏东急流两支水汽输送路径及水汽强烈辐合为极端暴雪提供了充足的水汽，850 hPa和700 hPa比湿最大分别为5 g〖DK〗·kg-1 和4 g〖DK〗·kg-1；③低空偏南急流代表的暖空气与北方的冷空气剧烈交汇，暖湿空气在低层“冷垫”上爬升，加剧上升运动的发展，导致该区域降雪迅速加强；④非绝热加热项〖WTBX〗F〖WTBZ〗3对锋面生消作用最小，水平运动项〖WTBX〗F〖WTBZ〗1是锋生函数变化的主要贡献项，锋生函数〖WTBX〗F〖WTBZ〗变化与降水强度变化一致，在〖WTBX〗F〖WTBZ〗＞10的较强锋生区都出现暴雪，因此锋面的强迫抬升对暴雪的增幅作用不容忽视；⑤锋区的维持使得低层维持低温天气，锋上逆温，暖湿空气沿锋面抬升，900 hPa 以下“冷垫”与之上的“暖盖”长时间存在，导致暴雪发生并持续；⑥锋上逆温且逆温区存在融化层，这种垂直结构变化有利于降水相态转化，高层和低层为低于0 ℃的冷层，中间形成温度高于0 ℃的暖层，符合融化类冻雨的层结特征。     

基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析

利用探空资料和地面观测资料,对1959—2008年发生在江西的典型冻雨天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明:冻雨的形成与大气饱和层、冰晶层、暖层、逆温层、冷层及特征物理量等因素的关系密切。对流层中下层的大气呈饱和或准饱和的逆温状态,饱和层顶位于暖层之上是冻雨发生的主要层结特征。冰晶层底部的平均高度为675hPa,平均厚度为2309m;暖层底部的平均高度为834hPa,平均温度为4.1℃,平均厚度为1765m;逆温层的平均温差为7.5℃;冷层的平均厚度为1668m,平均最低温度为-3.9℃;平均地面最低温度为-1.2℃;冻雨发生时大气整层比湿积分指数须增大为1000以上,干暖盖强度指数须降到-5℃以下。     

基于云微物理过程的北方冻雨的模拟与形成机制研究

本文通过耦合AFWA(Air Force Weather Agency)冻雨参数化方案的WRF模式,对2020年冬季因暖锋引发的中国北方严重冻雨灾害个例进行了模拟,结果显示模式能够很好地模拟此次冻雨过程中降水相态的空间分布。通过分析暖锋的演变、水成物云微物理特征以及降水相态的变化,得到：在辽宁中北部—吉林中东部地区,暖锋导致中低空形成“冷—暖—冷”的温度层结,该区冻雨形成机制以“冰相机制”为主,即高空的雪花落入大于0℃暖层内融化、再降落到次冻结层后形成冻雨。同时,发现存在高空无固态水成物、逆温层内暖雨下落到次冻结层在地面形成冻雨的现象,这种新机制被定义为“暖雨机制”,更多水成物垂直剖面与同期地面观测降水相态的比对,验证了新机制的存在,并解释了该机制形成的可能原因。为更深入理解冻雨形成机理以及北方冻雨的预报、预警提供科学支撑。     

冷垫背景下冻雨和极端大暴雪成因机制分析

利用常规气象资料、通辽市和赤峰市多普勒雷达资料、气候极端降雪以及NCEP的FNL(1°×1°)逐6 h再分析资料,对2020年11月17-19日内蒙古中东部极端回流大暴雪天气进行分析。研究表明：500 hPa东移高空槽前暖湿气流、 700 hPa西南急流以及暖式切变线为降雪提供了丰富的水汽和动力辐合抬升机制,地面至850 hPa均为偏东风冷垫,中高空西南暖湿空气沿低层冷垫爬升产生锋生,是造成此次大暴雪的主要原因。降雪最强时段,从低层到高层均为上升运动,中低层水汽几乎接近饱和状态,深厚湿层有利于产生高效率的强降雪;通辽探空图有冰相层、逆温层、融化层、中性层等多种特殊层结,并有明显表征冻雨的“象鼻”层结曲线;低层东北风急流与中高层西南急流形成强的垂直风切变和温度差,动力锋生在降雪期间一直维持,动力锋生最强阶段和降雪最强时刻相对应。雷达反射率有0℃层亮带,50～55 dBz带状强回波;基本径向速度低层长时间维持东北急流构成的冷垫,并有一对正负速度中心的风速核,形成“牛眼”结构,“牛眼”结构代表边界层出现急流核;雷达基本径向速度图低层东北风,中高层西南急流,很好地反映了西南暖湿急流在冷垫上爬升...     

南方不同类型冰冻天气的大气层结和云物理特征研究

利用观测资料和CAMS中尺度云分辨模式,对南方3次不同类型冻雨天气过程进行模拟,重点研究了冰冻天气中冻雨区云系宏、微观结构及大气层结特征,初步分析了冻雨形成的云物理机制.结果表明:(1)逆温层的存在是冻雨发生的必要条件,低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关.3次冻雨过程的冻雨区都存在逆温层,其中第一、二次过程属于锋面逆温,而第三次过程属于平流逆温.可见,逆温层结有利于冻雨的发生,但逆温层的存在仅是形成冻雨的条件之一.冻雨的发生还与水汽(湿度)、风向风速、地面特征有关.低层有水汽输入到冻雨区、地面温度等于或低于0℃,有利于冻雨形成和过冷雨水的冻结.(2)冻雨的形成需要满足3个主要条件:在对流层中高层存在冻结层,冻结层下要有暖层和逆温层,近地层有一个温度＜0℃的冷却层,并且低层的冷却层相对湿度较高.中高层冻结层主要产生冰相降水粒子,中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子(雪或霰)融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水.这样,雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴,当过冷却雨滴接触到＜0℃的地面或者其他物体表面时,迅速冻结形成冻雨.(3)不同冻雨区上空存在2种不同类型的云,对应云中有2种明显不同的温度层结:混合相云中的“冷-暖-冷”层结和水云中的“暖-冷”层结.具有2种不同层结特征的不同冻雨区云系,对应2种不同的微物理结构,具有2种不同的冻雨形成的云物理机制.(4)同一类型天气系统中的冻雨区,可以存在不同的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的机制;不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区,即冻雨形成的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的物理机制都相同.     

江西省冻雨垂直温度层结分析及预报

利用1960-2013年江西省89个气象观测站常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对江西106次冻雨过程垂直温度层结进行分析,并建立冻雨预报思路。结果表明：江西省冻雨发生通常伴随1000-850 hPa剧烈降温和700 hPa增温,925-700 hPa存在明显逆温。融化层是冻雨发生的必要条件,87.7 %样本融化层位于700 hPa,9.4 %样本融化层位于850 hPa;一般以1000 hPa温度<1.0 ℃、925 hPa和850 hPa温度<-2.0 ℃和700 hPa温度≥0.0 ℃作为江西冻雨预报的温度阈值标准,同时也应注意融化层位于850 hPa的情况。地面气温越低,越有利于冻雨形成,冻雨发生时最低气温为0.0 ℃以下,平均气温为1.0 ℃以下。冷暖空气持续在27°-28 °N交汇,且鄱阳湖以南至抚河流域平均气温＜1.0 ℃和最低气温＜0.0 ℃出现比其他地区多,造成该区域冻雨发生频次比其他地区明显偏多。另外,通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系,建立基于模式资料和常规观测资料的自动诊断方法。     

天津机场地区冻雨天气分析

利用气象常规资料，对天津机场地区1979～2002年出现的3次冻雨天气进行对比分析，找出了冻雨发生的天气形势特点和大气垂直结构特征：地面受低压控制，高空处在槽前，有明显的增温现象，槽前西南暖湿气流强盛，存在低空急流；850hPa到地面存在逆温层；700～500hPa之间有冰晶层，冰晶层内的温度为-10～-14℃：850hPa附近为暖层，暖层底部的高度在1．0～2．0km左右，暖层的厚度大约为1．0～2．0km，暖层内的温度大约为0～2℃；从地面到1．0～2．0km的高度存在冷层，冷层内温度大约为0～-2℃。以2002年12月13～14日的冻雨天气为代表个例，利用客观分析产品进行诊断分析，总结出冻雨天气预报的着眼点，为冻雨天气预报提供参考。     

内蒙古一次极端暴雪事件中冻雨成因分析

利用常规观测资料、地面自动站资料、NCEP 1°× 1°再分析资料及雷达资料等多源资料对 2020 年 11 月 18~19日发生在内蒙古东南部罕见历史极值特大暴雪事件的背景下通辽市冻雨灾害天气成因进行了分析。结果表明：冻雨发生时段,各站地面气温稳定波动较小,基本维持在-1℃~-2℃,降水量和降水强度较小,占总量的25%,强度在2mm/h以下。550 hPa至450 hPa之间存在干冷空气侵入,湿层深厚达550hPa,存在双逆温层结,近地层930 hPa(-4℃)至860hPa(3℃)存在强逆温层,其暖层最高气温为2℃至4℃,冷层最低气温为-2℃至-4℃,气温零上和零下两个层结在探空T-lnP图中面积相当,存在典型的“冷-暖-冷”层结特征。近地层冷垫是强冷高压南侵,受到江淮气旋和地形阻挡,在平原地区堆积形成,有持续的近地层冷平流补充条件重要,冷平流强度在-10×10^-5℃.s ^-1至-20×10^-5℃.s ^-1。中层暖区融化层是700、850hPa低涡前部,西南暖湿低空急流顶端到达冷垫上空并沿冷垫爬升叠置形成,持续的暖平流特征明显,暖平流强度在10×10^-5℃.s ^-1至20×10^-5℃.s ^-1。两层之间具有明显的锋区特征,雷达观测在冻雨区具有明显的回波强度增大的特征。最后讨论了冻雨复杂的成因和多种气象条件影响及预报着眼点。     

安徽省南部两次冻雨天气过程对比分析

基于逐时气象观测资料和一日4次ERA-Interim再分析资料对2018年1月4一7日(第一次过程)和24—27日(第二次过程)安徽省南部(简称皖南)两次冻雨过程中冻雨分布、时间演变及环流特征进行分析,结果表明:通过自动气象观测仪器的风速突然降为0 m·s~(-1)、风向固定不动,可大致推测出冻雨出现时间,比人工观测到冻雨出现时间早。两次冻雨天气均是在准静止锋天气下出现的,但导致冻雨形成的机制不同。第一次过程为典型的"冰相融化"机制,第二次过程为典型的"过冷暖雨"机制。东亚大陆近地面冷高压使两次冻雨天气中皖南处在东北气流之下,其带来的冷温度平流形成近地面到地面的冷垫,而750 hPa高度附近南支槽槽前暖湿气流带来暖温度平流是融化层或逆温层维持和发展的主要原因。当高空温度层结满足冻雨出现条件时,地面0℃线的位置会直接影响冻雨出现的范围。     

“14·02”湖南三次雨雪过程对比分析

本文利用常规探空和地面观测资料、NCEP 1.0×1.0再分析资料及多普勒雷达资料,对2014年2月上中旬发生在湖南的三次雨雪过程(简称"14·02")进行了对比分析。结果表明:(1)第一次过程湘南出现冻雨,温度层结表现为850~700 hPa有明显逆温层,700 hPa温度高于0℃,850和925 hPa温度低于-4℃,地面温度低于0℃。从主要影响系统配置来看,700 hPa强盛的西南急流为水汽的输送和湘南融化层的形成和维持起到了重要作用,低层冷空气受南岭山脉阻挡而形成的地面静止锋和深厚的冷垫是导致湘南冻雨较长时间维持的原因。(2)第二、三次过程以降雪为主,温度层结显示地面温度0℃左右,地面以上层次温度低于0℃。(3)第三次雨雪强度最强,暖湿空气沿锋面强迫抬升,在低层冷空气共同作用下,导致较强雨雪天气的发生。雷达回波显示强降雪过程具有积层混合性降水回波及低质心高效降水回波特征。     

2018年初江西中北部冻雨暴雪天气过程特征及成因

2018年1月下旬,江西省中北部出现严重雨雪冰冻灾害天气,覆冰和积雪持续时间长达7 d,其间多次出现罕见的雨雪相态转换,先后经历了雨、冻雨、雪、冻雨、雪5个复杂过程。文中对此次天气过程的相态转换特征及成因进行了分析。结果表明： 1） 在有利的环流背景下,西风带小槽发展东移并携带冷空气南下,破坏850 hPa高度层附近的暖性逆温层,是冻雨转雪的重要因素,而700 hPa高度层上西南急流的脉动、偏南风增强为雪转冻雨提供了动力和热力条件。2） 冻雨发生时最强风切变出现在925—850 hPa高度层,降雪发生时出现在850—700 hPa高度层。两次冻雨转降雪过程中,上升运动均增强,降雪时低层辐合、高层辐散强度较冻雨时强。3） 近地面气温接近05 ℃时,850 hPa高度层冷暖平流对中低层大气的降温和升温作用至关重要,冷平流的降温作用剧烈,而暖平流的升温作用需要持续输送。暖层消失,冻雨即可转降雪;雪转冻雨时850 hPa和700 hPa高度层温度升至1 ℃,暖层内最高温度达2 ℃,相态的转变落后于暖性逆温层的形成。4） 此次过程中,九江地区发生雨转冻雨以及冻雨转雪过程,地面气温下降明显。雨转冻雨时,气温≤-05 ℃;冻雨转降雪时,气温≤-1 ℃。雪转冻雨时,地面温度略有上升,仍在-1 ℃以下。高山站气温的持续上升,对雪转冻雨天气有指示意义。     

2016年12月克拉玛依一次罕见冻雨天气过程分析

本文对2016年12月4-5日新疆克拉玛依市出现历史罕见的冻雨天气过程,通过实况观测资料的综合分析,并利用WRF区域模式进行数值模拟,分析冻雨形成的环流形势、风场、大气层结以及冻雨区云系。结果表明,大尺度环流形势为西风带上弱波动东移,配合中低层西南急流,以及冷暖气团交汇,为冻雨的形成提供了必要的天气尺度条件。本次冻雨的形成机制为融化机制,水汽输送层主要位于冰晶层,水汽受冰晶效应充分凝结后再在暖层融化,落入冷层迅速冷却为冰粒或过冷却雨滴。逆温层是冻雨发生的主要条件,并且随着逆温层减弱,降水物的相态也从冰粒转为过冷却水。本次冻雨过程与南方冻雨不同的是,克拉玛依上空在降水前期就存在强逆温,并且在冻雨发生前逆温层出现减弱再加强的变化。     

湖南省历史罕见的一次低温雨雪冰冻灾害天气分析

在欧亚大陆中高纬度稳定维持阻塞形势的环流背景下,2008年1月10日-2月2 日中同南方地区连续经历了4次历史罕见的大范围低温雨雪冰冻天气过程.应用多种常规、非常规观测资料及NCEP再分析资料,在对该过程的大尺度环流及水汽输送特征进行诊断分析的基础上,细致分析了受灾最为严重的湖南省冰冻分布地域特征、多种气象因子及特殊地形对冰冻强度的影响,并对造成降水性质差异及强冰冻的成因进行了探讨.结果表明:中高纬阻塞高压、西太平洋副高及南支槽是造成此次持续性雨雪天气的主要影响系统,持续而强盛的水汽输送对雨雪冰冻的强度和范围起重要作用;冰冻形成与增长是多种气象因子综合影响的结果.地面日平均温度、700 hPa风向风速、逆温强度及冷垫厚度对冰冻强度预报有很好的指示意义.当冰冻形成条件具备后,融化层及冷垫越深厚、地面日平均气温越低则冰冻发展越显著.若700 hPa维持强盛的西南急流、850 hPa持续偏东北风时,最有助于逆温加强,冷垫增厚.强冰冻的预报着眼点应关注700 hPa附近的剧烈增温、增湿及850 hPa以下的强降温;近地面层丰富的过冷水滴和叠置于深厚冷气层之上的暖性"逆温层"的建立和维持是大范围强冰冻天气产生的一个重要原因;此外,湖南特殊的地理位置及复杂的地形地貌特征对冰冻的持续和发展有较大影响.     

2012年初春华南“高架雷暴”天气过程成因分析

利用华南地区多普勒天气雷达资料、气象站监测资料以及NCEP客观分析资料,分析了2012年2月27日华南地区发生的一次罕见高架对流天气过程特点.结果表明,在低层强大冷气团控制下,地面冷锋后华南地区出现的伴有短时强降水、雷电和冰雹的强对流天气过程是一次较典型的冷区“高架雷暴”,近地面大气层结较稳定,低空存在逆温,强对流天气落区与850 hPa切变线位置有较好对应.中高层的西风槽东南移和高空急流南压,配合低层850 hPa南岭山脉南侧偏南急流显著加强,为高架对流发生发展提供了有利的大气环流背景.边界层冷空气补充南下迫使低层暖湿空气抬升,中高层槽前辐散气流产生高空“抽吸”作用,配合华南上空有利的大气动力和热力不稳定条件,形成了此次罕见的高架强对流.与一般地面发展雷暴不同,此次“高架雷暴”暖湿空气是从逆温以上的850 hPa附近开始对流抬升,而不是从边界层开始.     

我国冬季冻雨和冰粒天气的形成机制及预报着眼点

利用探空和地面观测资料,通过对2001年冬季至2010年冬季我国不同区域（分为4个区域：北方、江南、华南、西南）的冻雨和冰粒天气形成的物理过程进行分析发现：（1）除北方区域外,我国其他区域的冻雨主要以暖雨机制为主。北方区域的融化类冻雨比例也仅为39％,但纬度越高,出现融化类冻雨的几率高于上述比例。暖层出现是冻雨天气的重要特征,但暖层作用主要是输送水汽和维持锋面系统,以保证降水的发生和持续,低层及地面气温普遍低于0℃可能是最重要的原因。（2）我国冰粒天气的形成机制主要以融化机制为主。冰粒天气的云顶高度普遍高于冻雨天气。冰粒天气的暖层厚度和强度均小于冻雨天气,这主要是由于弱暖层只是部分融化冰晶和雪花,使其重新冻结成为可能。冰粒天气的700hPa风速值普遍小于冻雨天气,这一方面说明冰粒天气对水汽输送条件要低一些,另一方面也反映了冰粒天气暖层较弱的特点。（3）云顶高度、暖层强度和厚度、低层冷层温度露点差、700hPa风速以及地面气温是甄别冻雨和冰粒天气的特征量,但不同区域,这些特征量的有效性不一样。西南区域冻雨和冰粒天气的主要差别在地面气温,其他特征量或差别不明显,或代表性不足,只可以作为辅助判断的因子。     

2020年初山东一次雨转暴雪天气过程分析

利用2020年1月常规天气图、地面降水、加密自动站和欧洲中心细网格等资料,分析了2020年初山东一次雨转暴雪的天气过程。研究发现,这次过程前期主要是降雨阶段,后期是降雪阶段：降雨阶段,山东处于高空槽前,水汽主要来源于高空槽前的西南气流,上升运动弱,气流的不稳定层位于800 hPa以下;降雪阶段,山东内陆地区近地面层形成冷垫,700～500 hPa槽前暖湿空气沿冷垫爬升,不稳定层较降雨时明显抬升,上升运动加强。山东半岛在降雪阶段受黄海气旋外围影响,水汽来源主要是气旋外围的偏东气流。近地面冷层厚度能引起该层温度的变化：当冷层厚度在2 km以下时,降水相态为雨;超过2 km时,降水相态为雪;当冷层厚度达到5 km以上时,降水过程结束。这次过程中山东多地存在雨雪相态转换,近地层温度与0 ℃层高度是判定降水相态的有效要素指标。     

2020年吉林省一例罕见雨雪冰冻天气综合分析

利用ERA5逐小时资料和常规观测资料对2020年11月17—20日吉林省出现的历史罕见雨雪冰冻天气过程进行综合分析.研究表明:本次降水过程相态复杂,降水持续时间特长,多站降水突破历史同期值,罕见的暴雪、暴雨、冻雨同日出现.500hPa贝加尔湖地区低槽强度呈负距平,较历年同期异常偏强;槽呈疏散形势,有利于低槽在东移过程中发展加强,环流经向度加深;同时日本海上副热带高压脊异常偏强,低槽东移过程中受阻,有利于降水系统长时间的维持.地面江淮气旋和贝加尔湖以东冷高压异常偏强,气旋携带大量暖湿空气与冷高压前部干冷空气交汇,锋生作用加强,是产生雨雪冰冻天气的有利大尺度环流背景.前期大气异常偏暖,随着低层西南风急流建立和加强,将黄、渤海暖湿气流源源不断向降水区输送,与槽后干冷空气交汇,为降水提供了有利能量、动力、水汽和凝结条件.长春站融化层高度、过冷却层高度和厚度非常有利于冻雨形成,深厚而稳定的逆温层和低层湿度较大的冷层是大范围冻雨出现的直接原因.