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。     

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬, 我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25~29日的一次典型冻雨天气过程, 在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上, 利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式对1月28日~29日的冻雨天气过程进行了数值模拟, 研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征, 初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明, 深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中, 湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同, 不同冻雨区上空为两种不同类型的云, 对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚, 云顶温度较低, 属于混合相云, 云中高层存在丰富的冰相粒子 (雪的比含水量最大)。湖南冻雨在 "冷—暖—冷" 层结下, 通过 "冰相融化过程" 形成, 即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪, 从高空落入暖层, 雪融化形成雨, 再下落到冷层后, 形成过冷雨滴, 最后接触到温度低于 0℃的物体或降落到地面上, 迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄, 云顶温度较高, 属于暖云, 中高层基本无冰相粒子, 低层为云水和雨水 (云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在 "暖—冷" 层结下通过 "过冷暖雨过程" 形成的。即水汽沿锋面抬升, 在对流层中低层的水汽辐合中心内, 经过冷却凝结成云滴, 通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层, 形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。     

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。     

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.     

中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析

2020年11月17～20日（过程1）和2021年11月7～11日（过程2）在中国东北地区发生了两场历史罕见的冻雨事件，给吉林和黑龙江两省造成了异常严重的灾害。本文利用NCEP/NCAR和EC-ERA5再分析资料、地面气象要素实况和探空资料，对这两次冻雨过程进行了诊断分析。结果表明，地面关键影响系统均为北上发展加强的江淮气旋，冻雨区均位于地面暖锋北部冷空气一侧的等压线密集带中。冻雨形成过程存在差异，过程1主要表现为先有地面降温形成“冷垫”，之后气旋携带的暖空气在“冷垫”上爬升并配合850 hPa暖锋维持；过程2则表现为大量暖湿空气向北输送，地面气温回升，850 hPa暖舌发展，被抬升的暖湿空气降落在前期较冷的下垫面上形成冻雨。冻雨发生时，水汽条件丰沛，并伴有上升速度和锋区的明显加强。温度层结呈现“冷—暖—冷”三明治型垂直分布特征，即低空有逆温层且有融化层和近地面有冻结层同时存在。两次过程均符合多数北方冻雨的“冰相融化”机制。过程1逆温层顶高度、逆温强度及最大融化层厚度均强于过程2，且逆温持续时间长，导致电线积冰厚度差异明显。地形对冻雨有一定的影响。最后提炼出一个东北冻雨天气的三维结构模...     

2012年冬季北京三种高影响天气的关联与成因分析

2012年冬季,北京地区经历了12月持续低温寒冷、2013年1月持续雾霾和1月31日突发冻雨三种高影响天气。这三种高影响天气给北京这座特大型城市带来了许多不利影响,一度成为全社会关注的焦点。文章利用常规气象观测资料和大气成分观测资料,分析了这三种高影响天气的成因以及它们之间的内在联系,结果表明：(1)冷空气活动频繁并且强度偏强是持续低温的主要原因,并且此次持续低温寒冷是导致后期雾霾频发和冻雨的重要原因。(2)从大气稳定度角度对雾霾的发生所作的气象学分析,发现：水平稳定度上,冷暖平流表现出的水平稳定度对应了污染物浓度的高低,暖平流对应了污染物浓度增加,并在暖平流转为冷平流时堆积到最大值,而冷平流对应了污染物浓度的降低,冷平流转为暖平流时浓度最低;垂直稳定度上,前期低温寒冷导致的边界层气温偏冷和空中干暖平流共同造成的边界层顶强逆温极强地抑制了污染物垂直方向的扩散,对于雾霾堆积起了很大作用。(3)从大气温湿层结角度对冻雨的发生做了分析,发现：低空偏冷和空中回暖造成了1月31日08时空中逆温的层结结构,而温湿层结正好使饱和层的温度在-10~0℃之间,并且有足够厚的-4~0℃的饱和层使得过冷水含量很高,是冻雨发生的充分条件。上述三种天气虽然是极端天气,但关注前期低温寒冷导致的低空偏冷和空中快速回暖都能使雾霾和冻雨具有一定的预报性。而一个极端天气的出现,其可能引发的其他极端天气事件也要引起关注。     

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。     

江西冻雨气候特征分析及频发地带成因探讨

利用江西省89个气象观测站1960-2008年49 a常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对该时段江西共计103次冻雨过程的时空演变进行分析,揭示了鄱阳湖以南沿抚河流域至赣中一带冻雨频发的分布特征;另外,从冷暖气团、温度垂直分布特性以及地形影响等方面,对频发地带的成因进行了探讨.结果表明:在冻雨频发地带,暖湿气团...     

长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

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。     

近几十年来冻雨时空分布特征分析

利用EC再分析资料和中国台站资料,本文分析了1978-2002年53次低温雨雪冰冻事件中的冻雨过程,确定了冻雨易发区域,并讨论了其强度变化特征.结果表明近几十年来冻雨强度呈现明显下降的趋势,且1990年是其强度变化的突变点.其次,比较了衡量冻雨强度变化的两种常用指标:冻雨发生的站次数及冻雨事件的持续时间,分析显示它们之间存在显著的相关,即两种方法衡量在冻雨强度方面是等效的.最后,通过对53次事件中的温度层结及环流形势进行合成分析和经验正交分解(EOF),揭示了逆温层不但是冻雨发生的必要条件,而且也是冻雨强度发展的调节器.     

湖北省冻雨天气特征及其判定方法研究

利用常规地面气象站多时次气象要素和天气现象观测资料,以及武汉、宜昌和恩施的探空资料,对1998—2014年湖北地区冻雨天气的主要环流背景进行了分析,归纳了冻雨发生发展过程的气象要素和大气层结特征,给出了基于正负能量面积的冻雨发生定量化判断方法。结果表明:乌山阻高型和贝湖阻高型是导致湖北省出现冻雨天气的两种主要天气形势;2005年和2月是冻雨主要发生的年份和月份;共存在3种典型的气温层结演变特征,其中"暖雨-冻雨-固态"的气温层结演变最易导致持续时间长、影响范围大的冻雨天气;基于正负能量面积的冻雨判定方法为:3层层结时,正能量面积(A_(SP))小于80℃·hPa,负能量面积(A_(SN))小于400℃·hPa,且正负能量关系为(5.71A_(SP)-257.14)≤A_(SN)≤(6.25A_(SP)+200);2层层结时,ASP为350~650℃·hPa,A_(SN)为200~400℃·hPa,且正负能量关系为(A_(SP)-350)≤A_(SN)≤(ASP-100)。     

贵州省两次超强凝冻过程的天气成因对比分析

利用贵州省84个台站常规观测资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料以及NOAA逐月海表温度资料，对2008年和2011年贵州省出现的两次超强凝冻过程的降温幅度、影响站次、海温背景、环流场、温度场等进行了对比分析。结果表明：中等强度的东部型拉尼娜事件是两次过程的有利气候背景，东亚地区500 hPa 西高东低的距平分布、850 hPa切变线的稳定维持、700 hPa西南急流、温度场上逆温区以及温度垂直剖面图的800～600 hPa之间的融化层均是两次过程的有利的形势条件。而2008年过程对应850 hPa切变线位置更为靠北，且其西南急流范围/强度、逆温区面积/强度、冷平流强度、融化层厚度/持续时间/中心温度均较2011年的明显偏强，这是导致2008年冬季凝冻过程影响更为明显的原因。     

贵州省不同强度区域性凝冻过程环流形势对比分析

利用贵州省84个气象站逐日观测资料以及再分析资料,对4种不同强度区域性凝冻过程进行对比分析。结果表明：500 hPa位势高度场上中高纬度的亚洲东部区域距平场呈现“+-”的分布或有切断低压分布,贝加尔湖至中国华北地区以经向环流为主;850 hPa风场上云南南部以南受偏南风和西南风控制,并且在江南至华南存在西南或西风急流,是4种不同强度凝冻过程中形势场共性特征。500 hPa高度场上中高纬度地区呈两槽一脊或一槽一脊分布;风场上850 hPa东北风回流和700 hPa西南急流形成上暖下冷的形势场,同时850 hPa形成稳定低层切变线;温度场上存在冷-暖-冷的夹心结构,近地面层0 ℃线维持在900 hPa以下,均是较强等级以上的区域性凝冻过程中形势场共性特征。而对于一般性区域性凝冻过程,500 hPa位势高度场上呈多槽脊分布,风场上是否存在东北风回流和低层切变线,温度场上是否存在冷-暖-冷的夹心结构以及近地面层0 ℃线位置等特征均不统一。温度剖面图上,当近地面层0 ℃线位置最低时或出现冷-暖-冷的夹心结构时段与凝冻过程影响范围最广、灾情最重的时间段对应。     

中国冻雨潜在发生指数在数值产品中的推广应用

根据冻雨发生时特定的地面温度、地面湿度及高空温度三个基本特征,定义了中国冻雨潜在发生指数(FRGPI)并进行了初步验证。在此基础上利用欧洲中心ERA-Interim再分析及模式预报产品,结合2013/2014年冬季冻雨发生情况,对中国冻雨潜在发生指数进行了推广应用。结论如下:2014年2月上旬,高空槽、中低层切变线、低空急流及暖湿气流的共同作用,造成了中国南方产生冻雨的适宜的地面温度t、温度露点差D及高空温度层结Er,因此出现大范围冻雨灾害。2月中旬贵州受西南低涡及暖湿气流影响,也产生了适宜的t、D及Er条件,遭受了持续性冻雨灾害。2013/2014年冬季期间,适宜冻雨的温度t集中在冬季寒潮过程中0℃等温线所在地区,温度露点差D集中在西南暖湿气流影响区域,高空温度层结Er集中在中高纬与低纬天气系统交界地带;三部分交叉区域则为冻雨高发地带,且地面温度露点差可能是制约冻雨分布的主要因素。将FRGPI指数与欧洲中心数值预报产品相结合发现,可以提前10 d有效地对冻雨灾害进行预报,对防灾减灾有一定的实用性。     

2008年初冻雨强度变化以及与逆温层特征之间的关系

利用NCEP/NCAR 2008年1月10日至2月2日的再分析资料和常规地面观测资料分析了造成我国南方低温雨雪冰冻灾害的4次主要冻雨过程的强度变化特征以及在此期间逆温层的时空分布特征,并讨论了两者之间的联系.结果表明,四次冻雨过程第三次最强、第二次过程次之,第一次最弱.同时,无论从区域平均还是从水平分布上看,逆温层强度...     

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。     

一种浙江省冻雨落区的推算方法

2008年初浙江省出现全省性的大范围强冻雨天气,在输电线路上形成很厚的覆冰,致使浙江电网遭受巨大的损失。然而,浙江省却仅有三分之一的气象站观测到冻雨,持续时间也很短。本文利用全球再分析资料ERA-Interim结合浙江电网覆冰灾情资料,分析了2008和2013年的两次强冻雨过程。研究表明浙江省强冻雨发生时具备冷暖冷的层结结构,且中间暖层气温0℃,但相比湖南省,浙江省的暖层中心气温稍低,下层冷层厚度略厚,暖层中的液态水进人到下层冷层后易被冻结,落到低海拔地面为冰粒,或者低海拔地面层气温高于0℃,冻雨落到地面为降雨,所以冻雨期间浙江省绝大多数气象站(海拔在200 m以下)观测不到雨凇,观测到的多是冰粒或降雨;而在海拔较高的山区,冷层厚度变薄,液态水被冻结的概率大大降低,而且山区地面气温多低于0℃,有利于冻雨落在山区地面形成雨凇,因此浙江省冻雨多出现在浙中海拔400 m以上和浙南海拔600 m以上的山区。根据浙江省冻雨的特点,采用全球再分析资料进行冻雨落区推算,结果与浙江电网实际的覆冰灾情吻合得较好。本研究利用输电线路覆冰厚度确定冻雨强弱和分布,采用再分析资料推算冻雨落区,为地形起伏度较大的省份开展冻雨研究,进行冻雨监测和预报提供一条新的思路。     

贵州一次严重冰冻雨雪过程环境场分析

2008年1月10日至2月2日,我国南方发生了大范围的持续冰雪灾害,贵州是受灾最严重的省份之一。通过对高度场、温度、降水量、流场、涡度等要素场的分析,重点探讨此次极端气象事件对贵州影响最明显的第3次过程,以及形成严重冰冻雨雪天气和温度异常偏低的主要环流特征。结果表明,在强拉尼娜的背景下,稳定在乌拉尔山以东的阻塞高压持续存在、极涡异常偏强偏东、西太平洋副高偏西偏强、南支槽较常年活跃等,是造成这次过程的主要原因。主要特征是850 hPa以下出现温度低于0℃的冷空气层,在700 hPa附近是相对较暖的气层,其上层是较冷的冰晶层,西南低空急流及槽前正的相对涡度平流明显,急流带来的暖湿平流提供了充足的水汽,并保证了融化层中源源不断的热量供应,上下层涡度平流的差异有利于上升运动的发展,为贵州第3次雨雪过程的发生提供了条件。     

中国冰冻天气的气候特征

研究冰冻天气的空间分布和变化规律对于冰冻灾害的预测、预估以及防灾减灾具有重要意义。利用1961—2008年603个站点雾凇和雨凇天气现象资料,283个站点的电线覆冰资料,采用计算多年平均值、标准冰厚转换、EOF以及求趋势变化等方法,研究了我国冰冻天气的空间分布和气候变化特征。结果表明:全国大部分地区都有冰冻天气出现;雾凇主要出现在北方地区,雨凇主要出现在南方。年冰冻日数随海拔高度增加而增加,但海拔3100 m高度以上冰冻日数较少。冰冻厚度较大的地区位于东北东南部、华北东部、西北地区东南部、西南地区东部、江南东北部。在全球气候变暖背景下,我国大部分地区冰冻天气发生频次减少,但强度增强。