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。     

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.     

2010年2月辽宁地区冻雨天气诊断分析

应用常规天气资料,从天气、气候及大气物理量场等方面,对2010年2月下旬发生在辽宁地区历史罕见的冰冻雨雪灾害性天气发生发展的成因、主要特征以及造成严重灾害的主要原因进行诊断分析。结果表明：500 hPa低涡分裂的小槽东移是冻雨天气的环流背景;700 hPa源源不断的水汽输送和低层辐合作用是降水产生的基本条件。地面强冷空气是冻雨天气的触发机制;高层为冷的冰晶层,对流层中低层有温度t>0℃的暖的融化层,近地面1-2 km为气温t<0℃的冷层,同时地面达到 0℃以下,这种复杂的逆温层是冻雨产生的天气条件。高层暖平流是维持中空暖层结构的重要条件之一,对暖层的建立和破坏起较大作用,暖层消失冻雨天气也随之结束。中低空水汽饱和度、地面温度和中低空上升、下沉运动与冻雨的强度有密切关系。     

2008年1月贵州冻雨的数值模拟和层结结构分析

针对2008年初发生在贵州地区的严重冻雨过程,分别从环流背景、低空急流和水汽输送条件等方面分析了准静止锋维持的原因,并选取本次灾害最严重的第3次过程为典型个例,利用WRF模式针对准静止锋影响下的贵州冻雨进行数值模拟来研究冻雨的发生机制。模拟结果较好地反映出高低空环流形势场特征,强雨雪降水带的走向、落区,以及地面温度的分布,均与观测基本吻合。通过分析高分辨率模式的模拟结果,揭示了准静止锋上贵州地区冻雨的层结结构特征及云物质在冻雨区的分布特征。研究结果表明,贵州中部的冻雨区除一般的三层结构(包含冰晶层、暖层和冷层)外,还具有典型的两层结构特征,即:高空的固体降水粒子稀少,900~600 h Pa深厚的逆温层和0℃以上的暖层使中低空存在大量液态粒子,下落的液滴经过近地面的浅薄冷层,形成大量过冷却雨滴,而后降落至地面迅速冻结。     

2008年1月一次强降雪冰冻过程的数值模拟与分析

采用NCEP 1°×1°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日发生在长江中下游地区的强降雩冰冻过程进行数值模拟,模拟结果显示:WRF模式可以较好地模拟出此次强降雪冰冻过程高低空环流形势演变特征以及降水雨雪带的分布.诊断分析结果进一步表明,西南低空急流对水汽的输送使得长江中下游地区成为很强的湿度区,为强雨雪冰冻的发生提供了充足的水汽条件.对降雪及冻雨的云微物理过程特征分析表明,中低空-600-900 hPa逆温层的存在与降雪及冻雨的发生密切相关,固态降水粒子经0℃以上逆温层融化后形成过冷却水降落至冷的地面形成冻雨,而雪的形成过程中逆温层的温度小于0℃.     

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。     

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.     

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。     

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。     

利用Cloudsat卫星资料分析冻雨天气的云结构

利用Cloudsat卫星资料中的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)温湿度廓线、雷达反射率因子等产品结合探空秒数据和地面观测资料从云物理的角度分析了2008年初发生在我国南方地区的一次典型冻雨天气的云结构特征。分析表明：此次冻雨发生时温度廓线上存在明显的逆温层,但有逆温层并不一定出现冻雨,融化层与次冻结层的相对厚度决定着最终的地面降水类型,沿Cloudsat轨迹10个纬距的范围内出现由雨向冻雨、冰粒、雪的过渡。结合湿度剖面发现,逆温层水汽充沛。ECMWF资料与轨迹上长沙站的探空秒数据对比发现,ECMWF的温度产品要比湿度产品有更高的准确性。毫米波云剖面雷达CPR的反射率因子产品显示,此次冻雨有明显的零度层亮带特征,且亮带刚好出现在0℃等温线上界以下,直观地展示出基于经典“融冰过程”的冻雨形成机理。     

一次冻雨过程云物理特征的数值模拟

运用中尺度数值模式WRF3.5.1对2011年1月1日贵州境内的一次冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了本次过程的大气层结、冻雨区云系的宏微观结构和云物理特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程和成因。结果表明,贵州境内的冻雨区(26°N~29°N)具有冷性和部分"冷—暖—冷"的温度层结,在高层没有显著的冰相粒子,冻雨区是相对较强的水汽辐合中心,丰富的水汽输送在冷性的环境条件下形成云滴,进而碰并产生雨滴,过冷雨水主要通过暖雨过程形成;雨滴继续下落至近地层并保持过冷雨水形式,最后接触到低于0°C的物体或地面,迅速冻结而产生地面冻雨。     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。      

2010年12月15日江西雨雪天气的微物理数值模拟分析

利用常规观测资料和中尺度数值模式WRF的输出产品,对2010年12月14—15日发生在江西的雨雪过程进行了分析。结果表明,微物理参数化方案输出的物理因子可以较好地揭示本次过程的雨雪转换;在雨转雪阶段,由于中低层冷空气南移较强,没有形成逆温,因此未能形成冻雨,而是由雨转为降雪天气。     

2008年初持续雨雪灾害过程分析

利用地面实况资料与长沙单站探空等观测资料,对2008年1月中下旬至2月上旬初发生在湖南的低温、雨雪、冻雨灾害天气过程的影响实况和成因进行了分析.结果表明:中高纬阻高的建立、崩溃、重建导致其前部的鄂霍茨克海低涡不断引导冷空气南下,是产生低温、雨雪、冻雨的大气环流背景;南支锋区上强盛的西南气流带来了充沛的水汽,与北支锋区上南下的冷空气结合时,出现了持续的冻雨,当冻雨形成后逆温的强弱、融化层厚度及暖层温度高低、冷却层厚度、700 hPa西南气流强弱、日平均气温与日雨量的变化都与冻雨厚度变化密切相关;当高空南支有低槽分裂东移,中低层西南大风核上强烈的水汽辐合与阻高崩溃横槽转竖带来的冷空气共同作用影响时,为南方大范围暴雪过程提供了动力、水汽和凝结条件.     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

Analysis of the Structure of the Temperature Field in Relation to the Persistent Snowy and Cold Weather in South China in Early 2008

In early 2008, a persistent cold and snowy weather process occurred in South China. Severe freezing rain (FR) and blizzards hit the region, which was not seen in the past 50 years. This work studied the disaster at its most severe stage (25 January-2 February 2008) and addressed the reason for the occurrence of three rainfall types and particularly the FR that resulted from the temperature inversion and low surface temperature. Evidence suggests that the south-to-north distribution of rainfall, FR, and snowfall was determined by the surface temperature conditions and the stratification features of the northward-tilting front in the mid-lower troposphere over different parts of South China. Under the above frontal conditions,the temperature inversion in the mid-lower troposphere and the cold ground temperature took place and the FR formed. The temperature layer (> 0°C) inside the inversion in this region depended on necessary intensity, depth, and height of the inversion, i.e., the depth of the inversion can be neither too thick or low nor too thin or high. For those too thick and low (too thin and high) inversions, the precipitation fell as rain (snow and ice pellets). In the early 2008 case, the 0-6°C layer occupied 650-850 hPa, below which was the sub-freezing level with temperature < 0°C. With the presence of the low sub-freezing level, FR or ice damage could occur even at the 0-1°C surface temperature condition. Besides, even in the absence of a suitable inversion, a low ground temperature might have made ice-covered water and supercooled drops or water from melted ice freeze rapidly into ice at the surface, and the ground ice maintained and accumulated,which resulted in the severe disaster.     

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。