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。     

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。     

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。     

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。     

高原山地环境下冻雨微物理特征及成因分析

本文利用2014年1月贵州西北部威宁观测的激光雨滴谱、探空和常规气象要素等资料,分析了冻雨发生期间的气象条件、雨滴的微物理特征及谱分布特征,并与南方其他地区冻雨进行了对比。结果表明:(1)冻雨发生期间,地面以静止锋系统为主,大气存在逆温,云层薄、云底低,近地面温度低、湿度高、风速小。(2)4次冻雨过程均为冻毛毛雨过程,雨滴平均直径为037 mm,雨量极微弱,平均值为002 mm。数浓度与液水含量高度正相关。平均谱分布拟合结果,Γ分布好于M-P分布。(3)与中国其他南方地区冻雨相比,雨滴直径、雨强均偏小,平均谱分布较窄,小滴多。(4)威宁冻雨的微物理特征符合"过冷暖雨"的形成机制,云贵准静止锋的特性和该地高海拔山地地形可能是导致该地滴谱窄、雨滴直径和雨量小的主要原因。     

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。     

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)。     

怀化冻雨时空分布及其温湿垂直结构特征

利用1996—2020年怀化常规地面观测资料和探空资料，根据地面冻雨观测记录，统计并总结了怀化冻雨时空分布特征，并利用探空资料分析了怀化冻雨形成机制及温湿垂直结构特征。结果表明：（1）怀化冻雨总体上呈南多北少的空间分布特点，其中北部沅陵冻雨日数最少（20 d），南部靖州最多（75 d）。从时间分布来看，最早从12月上旬开始，最迟于3月上旬结束，主要集中在12月下旬至2月中旬，1月下旬出现最多。（2）怀化冻雨的形成可分为冰相机制和暖雨机制，温湿结构可分为六类。其中暖雨机制冻雨占总数的473 %，冰相机制冻雨占527 %；平均云顶高度，暖雨机制均在36 km以下，冰相机制高于36 km；平均云顶温度，暖雨机制-66 ℃以上，最高17 ℃，冰相机制-30 ℃以下；平均地面温度，暖雨机制和冰相机制均＜0 ℃，暖雨机制＜-09 ℃，冰相机制＞-10 ℃；暖层顶高和底高，暖雨机制较冰相机制更高，冰相机制相差不大；暖层厚度，冰相机制基本在084 km以上，云顶温度越低，暖层厚度越厚。     

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。     

风廓线雷达产品在贵州降雪冻雨天气中的特征分析

利用贵阳机场CFL 03型大气边界层风廓线雷达（Wind Profile Radar,WPR）资料、贵阳机场自观资料等,针对典型降雪和冻雨个例,以及贵阳近三年发生的降雪和冻雨过程的特征进行统计分析,结果表明：①WPR的水平风场反应出降雪期间冷空气厚度及强度都超过冻雨,并且中低层主要为冷平流,而冻雨中低层主要为暖平流;②高层大气折射率结构常数C2n增大/减小在时间上超前于降雪的增强/减弱,可以反应降雪强度变化的趋势;③降雪阶段的回波强度分布在垂直方向上向左倾斜,高层回波强度的变化对降雪强度的变化具有指示性;冻雨的回波在垂直方向呈现“强-弱-强”的分布,与温度场在垂直方向上的“冷 暖 冷”的层结分布一致;④冻雨天气下粒子的下落速度小于降雪,雨夹雪的下落速度比纯雪更大,小雪下落速度最小。     

冻雨的分析及预报

冻雨,是云中降落的过冷却雨滴在温度≤0℃的物体表面产生的一种冻结现象。它是一种不经常出现的小概率天气现象。河南省确山县1969—1978年共出现过11次冻雨,其中1969年最多(3次)。11次冻雨都出现在1月下旬到2月底,因为此时正是固态降水到液态降水的转换季节,并且地面温度也常在0℃以下。从历史资料上看,轻、中度的冻雨危害不大,但强冻雨(持续时间≥30小时)造成的损失是相当严重的。     

一次冻雨天气的云雷达回波特征分析

利用2014年12月10—12日的地面和探空资料、ECWMF再分析资料、Ka波段毫米波云雷达资料,采用特征分析、物理诊断量方法及回波特征分析方法,得到了较天气雷达更精细的垂直微观特征,对贵州冻雨的形成和演变提供了新的观测事实。结果表明:(1)此次冻雨过程地面温度在0℃附近,且云系形成后的温度随高度下降始终维持在-10～0℃之间,为过冷暖雨过程。(2)冻雨在初生、成熟及消亡阶段的回波强度随高度下降逐渐增大,强度值为-30～12dBz。空气垂直速度集中在-0.4～1.6m/s之间,粒子下落速度集中在2.4m/s以内。(3)冻雨初生及消亡阶段上升运动弱,粒子尺寸小。成熟期间,上升气流加强,小粒子所占比例减小,大粒子增多。云体中下部谱宽大值区和强反射率因子对应,反映了液态过冷水下落过程中的碰并增长结果。     

北京地区冻雨时空分布及探空温湿特征分析

利用1955年1月至2013年4月北京地区常规地面观测和南郊观象台探空资料,根据地面观测冻雨记录,分析了时空分布规律;依据冻雨发生时探空资料,初步分析了温湿结构特征和形成的物理机制类型。选取2000—2013年11月至次年4月常规地面观测和南郊观象台探空资料,根据地面观测降雨、雨夹雪、降雪记录,分析了与其对应的南郊观象台平均探空温湿结构,并与冻雨进行比较。结果表明,北京地区冻雨多发生在西北部和东南部,从11月开始至次年4月结束,并以暖雨机制为主（86.4%）;850 hPa以下温度层结曲线准垂直,且＜0℃是北京地区冻雨的主要特征;雨夹雪和冻雨的主要差异在850 hPa以下,低层雨夹雪气温高于冻雨。     

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。     

江西强冻雨天气形成特征分析

使用常规气象观测资料、气候资料、NCEP 2.5°×2.5°再分析资料和自动气象站等资料,对江西50年来出现的18次持续3天10站次以上冻雨天气过程的形成特征进行分析,结果表明:(1)地面冷高压、阻塞高压、副热带高压、南支槽、850hPa切变线、地面辐合线(准静止锋)、温度锋区、700 hPa急流与湿舌等是强冻雨天气的主要影响系统,具有明显的天气系统配置特征;(2)在有利的天气形势背景下,强冻雨天气过程具有前期候(旬)增温特征.当前期平均温度极大值和平均温度值接近或超过历史同期水平时.极易出现持续性冻雨天气过程,72%以上的强冻雨天气过程与此相关;(3)18次强冻雨天气过程都存在逆温层特征,逆温层高度在850～700 hPa间,平均逆温差为4～5℃,最大10℃,同时地面温度在0℃以下或接近0℃;(4)700～850 hPa平均温差图上有3个温差中心,表明700 hPa高度上有明显的暖湿气流存在,89%的冻雨天气过程与之相关.     

贵州冬季冻雨研究综述

贵州是我国冬季出现冻雨灾害最多的省份,冻雨气象灾害对交通运输、能源电力、农林业和居民生活等方面带来了严重影响。该文阐述了贵州冻雨的气候特征,分别从气候背景、天气形势、温湿度垂直结构特征等方面探讨了冻雨天气过程发生、发展、维持和消亡的物理成因和机理,并对贵州冻雨的预报预测方法作了概述。结果表明,海温异常通过海气相互作用对大气环流造成影响,尤其在赤道中东太平洋海温负异常（La Nina事件）的气候背景下,利于中高纬地区欧亚阻塞环流形势的形成,中高纬地区呈“北高南低”,中亚、西亚低槽（涡）稳定且活跃,东亚冬季风加强,中纬度大气环流的经向度加强,强冷空气频繁南侵,造成我国南方大部地区气温偏低,长江以南地区降水偏多,促使贵州地区低温雨雪冰冻天气的形成;利于副热带地区西太平洋副高强盛,偏西、偏北,副热带锋区强盛,中低纬地区呈“西高东低”,南支低槽系统活跃加深,西南低空急流强盛,使南海及孟加拉湾持续不断地向贵州地区输送西南暖湿气流,有利于中层的增温增湿,为该地区冻雨发生提供了充沛的水汽条件以及热量和动量。由于贵州特殊的地形地貌和气候特征,冬季北上的暖湿气流和南下的冷气团易受地形阻挡形成滇黔准静止锋,在垂直方向上呈“干冷—暖湿—干冷”的结构特征,锋面逆温的长时间维持是贵州冻雨持续发生的必要条件。     

我国冻雨时空分布及温湿结构特征分析

利用2008年1月-2010年4月全国常规地面观测资料和探空资料,根据地面观测冻雨记录,分析了我国冻雨的时空分布规律,并依据冻雨发生时探空分析的云顶同暖层(＞0℃)相对位置等结构配置,初步研究了冻雨温湿结构特征和形成的物理机制类型。结果表明,我国冻雨一般从11月开始,到来年3月结束,以1月居多(占72％);冻雨多发生在...     

基于CloudSat卫星观测的贵州冻雨形成机制分析

利用CloudSat卫星观测资料,从云物理观测和温度垂直结构角度对贵州地区冻雨形成机制进行分析。结果表明,对冰相机制的冻雨,CloudSat卫星的CPR雷达反射率、云冰含量和温度廓线产品能够描述冰相降水粒子在融化层中相变为液态水的"融冰"过程,雷达反射率回波0℃层亮带是该过程的直接反映,云冰含量产品也能够反映融化层对冰相降水粒子的融化作用。对"过冷暖雨"机制的冻雨,CloudSat卫星能够描述降水粒子在整层气温低于0℃的环境中保持过冷水状态下落的过程。研究基于云物理观测证实贵州冻雨存在一种具有融化层的暖雨机制,其大气存在着具有融化层的逆温结构,降水粒子在融化层中为普通液态水,在温度略低于0℃的环境中为过冷水,过冷水下落经过融化层时升温变为普通液态水,再继续下落进入次冻层冷却,最后与低于0℃的地面物体碰并冻结形成冻雨。冻雨形成机制不能通过融化层区分。     

贵州冬季冻雨的大尺度环流特征及海温异常的影响

利用1981-2013年贵州冬季冻雨资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温资料等,分析了影响贵州冬季冻雨日数的大尺度环流系统,讨论了海温异常对冬季冻雨日数的可能影响。基于赤道中东太平洋海温异常建立冬季冻雨日数的预测模型,并检验了模型的预测能力。研究表明:贵州冬季冻雨日数偏多(少)年,大气环流异常呈现出西伯利亚高压偏强(弱)、东亚地区海陆气压差偏大(小)的强(弱)东亚冬季风环流特征,同期印缅槽偏强(弱)、东亚副热带急流偏强(弱)。贵州冬季冻雨日数多寡与ENSO事件存在密切联系,秋、冬季赤道中东太平洋冷(暖)海温发展有利于冬季冻雨日数偏多(少)。前期秋季赤道太平洋Ni?o区海温异常是显著影响贵州冬季冻雨日数的年际预报信号,对贵州冬季冻雨日数的多寡具有较好的预测指示意义。     

贵州冻雨形成的环境场条件及其预报方法

在冬季风暴各种降水类型中,冻雨的预报是其中最有难度,也最具挑战的一种。贵州湖南冻雨是在对流层高、中、低层各纬度天气系统相互作用下形成的,其中最直接和主要的影响系统有:高层的副热带高空急流锋区、低层的云贵准静止锋以及中低层的西南低空急流。在这种复杂的天气背景下,为了准确地分析并预报出冻雨的发生区域,在仔细分析研究冻雨发生的大气背景和天气特点后,我们探索性地提出一套冻雨的诊断预测方法,即“动力因子”和“三步判别法”相结合的方法。同时,我们把该方法应用到中国冻雨最为频发的贵州地区,首先利用动力因子垂直积分的斜压涡度参数（q_Bsum）找到未来因斜压性较强而易发生弱降水的区域,再结合预报场的单站探空资料,进行三步判断方法,就能比较全面地判断冻雨发生的区域,对冻雨进行准确预报。