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。     

湖南特大冰冻灾害的云物理特征与人工影响技术探讨

我国南方2008年初的持续低温雨雪冰冻灾害造成了重大社会影响,湖南等省损失巨大.利用常规气象资料分析天气成因,利用长沙高空气象探测站的L波段探空数据和地面气象观测资料分析湖南雨凇天气的大气层结特征,利用人工增雨云系模式模拟其微物理过程.结果表明:当锋面逆温具有较厚的融化层(或温度较高)和较薄的冷却层(或气温不太低)构成"雨凇层结"时,就可形成雨凇天气;混合云降水是这次冻雨的主要降水机制,"三层模型"和"雨凇层结"可以完整和全面地解释冻雨形成的机制与过程.在此基础上根据冰晶效应和爆炸效应进一步对人工防冻雨的可行性进行了技术探讨.     

2008年初南方雨雪冰冻灾害天气的大气层结和地面特征的数值模拟

冬季的雨雪预报,尤其是冻雨的预报涉及多种尺度系统与复杂物理因素的影响。为了探讨这方面的问题,作者采用中尺度数值模式MM5对2008年初我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气中的1月26～29日过程做了模拟试验研究,并根据模拟结果对1月26～29日期间的水汽条件、地面特征和大气层结条件等重要环境条件进行了分析。分析指出,模拟结果能基本再现冬季这种持续性过程的降水带分布;长江或江南地区的准静止锋的存在,水汽在锋前对流层低层辐合,并沿锋面向上爬升凝结,爬升到达的高度和强水汽带的宽度与观测基本一致。模式还能再现有利于冻雨产生的层结条件,包括中层冻结层、暖层、逆温层和地面温度0℃线的位置;研究指出,利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

2008年初南方一次雨雪冰冻天气云微物理过程和逆温层结数值模拟

利用WRF中尺度数值模式对2008年1月26—29日中国南方一次雨雪过程进行数值模拟,并根据模拟结果对云微物理过程、逆温区和地面温度等环境条件进行了分析。结果表明:华南地区冻雨天气对应了两种云微物理结构:一种是由液水形成的降水元在下落过程中经过"暖—冷"层结形成冻雨,另一种是由冰晶、雪晶和液水形成的降水经过"冷—暖—冷"层结造成的。利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

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.     

贵阳降雪和凝冻天气的大气层结特征

根据历年气候及探空资料,分析贵阳降雪和凝冻天气的大气层结特征,结果表明:出现凝冻天气时大气中多有逆温层存在,地面气温多在0℃以下,中高层风速较降雪时大;降雪天气时中高层气温较凝冻天气要低,地面气温多在-3~3℃之间;2种天气的大气在垂直方向上均处于比较稳定的状态。     

不同天气系统层状云微物理特征个例分析

利用PMS粒子测量系统和机载温湿仪观测获取的吉林省2007年5月15日高空槽和5月28日冷涡天气下降水云垂直探测资料,对比分析了两次不同天气系统下形成降水过程中云系的宏微观结构特征。结果发现,高空槽影响下的As云中云滴数浓度最大值比冷涡影响的As-Sc云系高一倍;液态水含量方面,高空槽系统下As云中在0℃附近取得最大值,冷涡系统下As-Sc云系中,最大值出现在上层As云中-4.8℃左右处。高空槽系统影响下的As云中,FSSP-100、2D-C和2D-P探测到的粒子数浓度、含水量和平均直径随高度呈不均匀性分布;而冷涡影响的As-Sc云中,FSSP-100测得As云中粒子平均直径远大于Sc,2D-C和2D-P探测到的上层As云中粒子浓度和液态含水量分布相对均匀,而下层Sc中粒子浓度、液态含水量值和平均直径都很小,这是由于云层之间存在干层,使As云中的部分大云滴和雨滴在下降过程中迅速蒸发,不利于降水形成。不同高度层FSSP-100测得的粒子平均谱分布均差异较大。对云中可播性进行研究,结果发现高空槽影响的As云中可播区均为强可播区,冷涡系统影响的As-Sc云中可播区的1/2为强可播区。     

2008年初南方冻雨云物理过程的模拟研究

利用中尺度模式MM5V3.7,模拟了2008年初发生在我国南方地区最强的一次冻雨云物理过程。结果表明,这次冻雨过程期间有两条明显的水汽通道,上升运动明显。冻雨区上空主要以低空云水和雨水,特别是云水的积聚为主,中高空有少量雪花和微量的冰晶。与冻雨区相比,非冻雨区过冷却水含量大,主要位于低空,高空没有霰,雪花也明显偏少。这...     

2008年初南方雨雪冰冻灾害天气静止锋与层结结构分析

对2008年我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气的影响系统及层结特征做了研究,集中对第3次过程,即1月25～29日期间的天气形势、水汽条件、高原对流系统东移的影响以及地面和大气层结条件进行了分析。研究表明：位于长江或江南地区的准静止锋（或切变线）是雨雪冰冻天气的重要影响系统,锋面西段的逆温层和暖层强,有利于冻雨的形成;水汽在锋前的对流层低层辐合,沿锋面爬升凝结,锋面的东段低层辐合比西段强,造成锋面东段的降水强度大于西段;高原对流系统活跃,且频繁东移影响我国东部,在第3次过程共有3次高原对流的东移过程;最有利于冻雨产生的层结条件应有中层冻结层、暖层、逆温层,且这些层结的强度和厚度要适当;最有利于冻雨出现的地面温度在-1～-3℃,变化非常小,温度、露点差都在1～3℃,接近饱和,风速较弱。最后,提出了适合于我国南方雨雪、冰冻天气的锋面结构与大气层结的物理模型。     

南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征

根据南海季风试验期间“科学1号”和“实验3号”在加密观测期间所得到的1天4次的探空观测资料,分析了南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征。结果表明：（1）南海北部季风爆发的日期是5月17日,而南海南部季风爆发的日期是5月21～22日左右,季风爆发在南海北部表现出与南部明显不同的特征,其突然的爆发性更为显著。（2）南海季风爆发前后,混合层高度的变化在南海南部与南海北部有明显的不同。在季风爆发前,都存在着明显的混合层,但其厚度不同。南海南部混合层的高度变化在930～970hPa范围内,而南海北部偏高,约为900～980hPa。随着季风的爆发,混合层厚度减小,甚至消失。（3）南海季风爆发前后对流层中低层表现出明显不同的层结结构。季风爆发前,空气比湿较小,大气稳定,混合层顶高度较高,在对流层中存在一个明显的干层。随着季风的爆发,干层逐渐减弱,或趋于消失。这主要是由于季风爆发后,西南季风把大量暖湿空气输送到南海地区,对流活动增强,大气呈现不稳定层结并伴有降水发生的结果。     

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。     

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。     

2008年初南方雨雪冰冻天气的环流场与多尺度特征

主要对2008年初我国南方的雨雪冰冻灾害天气的环流场与多尺度特征作了分析研究。结果表明：1）大气环流持续异常,中高纬阻塞高压位于西西伯利亚长达20余天,副热带高压偏西偏北。在阻高与副高之间有一横槽维持,这种形势十分有利于冷空气从北方入侵。2）环流系统较为深厚。不但在500 hPa,即使在200 hPa上也有很明显的经向环流发展,同样有阻高维持,温度槽明显落后于高度槽,有利于横槽的发展与维持。3）西风带南支槽稳定维持且十分活跃,将大量水汽输送至中国大陆尤其是南方地区。北方的干冷空气与南方的暖湿空气交绥,出现了明显的中低纬系统的相互作用。4）一条准静止锋长期稳定维持于长江流域,是雨雪冰冻天气的重要影响系统,这在冬季并不多见。5）贵州和湖南地区,低层浅薄的冷空气垫与其上的暖湿空气形成了特有结构——逆温层,并有暖鼻配合,有利于冻雨出现。由于涉及云微物理、微气象学等诸多影响,冻雨区的分布带有一定的局地性特征,因而,对其的精确预报尚需作更多的研究。6）在上述研究基础上,本文提出了一个多尺度系统持续性的雨雪、冰冻天气物理模型。     

2008年初我国低温雨雪冰冻对重点行业的影响及致灾成因分析

运用典型事例和大量的数据,分析了2008年初中国南方低温、雨雪、冰冻灾害对交通、电力、通讯、农业和林业等重点行业以及人民生活各个方面的影响。指出天气气候特点、灾害发生的特殊地域和时间以及不同行业在低温、雨雪、冰冻灾害下的敏感性是致灾因素。要应对这类低温、雨雪、冰冻灾害,并最大限度的将其影响降至最低,就应在电力、公路、铁路以及建筑工程等的规划设计过程中,加强灾害性天气气候的可行性论证和提高设计标准,同时应提高对冬季低温、雨雪、冰冻灾害的预报能力,建立完善的预报系统和信息发布等防治体系,加强应对极端气象灾害的科普宣传,提高民众自救互救能力。     

青藏高原雷暴天气层结特征分析

青藏高原那曲地区夏季雷暴活动相当频繁,这种雷暴主要是受地形的影响,在地形的热力和动力作用下形成雷暴,但强度不大,最大反射率一般不超过4 0 dBz,相对云顶高度可伸展到1 0.0~13.0 km,强弱雷暴差别不大。雷暴持续时间大约为30 min左右,主要发生在13:00~19:00(北京时,下同)之间,峰值出现在16:00左右。此外,在晚上也有弱对流,最大反射率约为20 dBz。高原雷暴天气层结具有与平原雷暴完全不同的特征,一般为整层弱不稳定,高度可以伸展到100 hPa,整层不稳定能量不大,强雷暴CAPE值平均为782 J.kg-1,弱雷暴约为406 J.kg-1,分布较均匀,不出现能量特别大的不稳定层次。近地层相对湿度有“逆湿”现象,厚度约1~2 km,平均为60%~80%(雨季后)。无论是强雷暴天气还是弱雷暴天气都具有上述相似层结。这种层结可触发对流,发展高度很高,但强度不大,能量较小。这种特殊层结揭示了高原雷暴的特殊结构。雷暴的闪电频数可以表征雷暴发展强度,通常可以建立闪电频数与雷暴单一参量(云顶高度)之间的统计关系式,从而可以利用测量闪电频数来预报雷暴的强弱,但上述关系对于高原雷暴并不适用,必须建立闪电频数与多参量之间的综合关系。     

Simulation of a Freezing Rain and Snow Storm Event over Southern China in January 2008 using RIEMS 2.0

The Regional Integrated Environmental Model System(RIEMS 2.0) with NCEP Reanalysis II is utilized to simulate the severe freezing rain and snow storm event over southern China in January 2008,which caused severe damage in the region.The relationships between the freezing rain process and the large-scale circulation,in terms of the westerly and low-level jets,water vapor transportation,and northerly wind area/intensity indices,were analyzed to understand the mechanisms of the freezing rain occurrence.The results indicate the following:(1) RIEMS 2.0 reproduced the pattern of precipitation in January 2008 well,especially for the temporal evolution of daily precipitation averaged over the Yangtze River valley and southern China;(2) RIEMS 2.0 reproduced the persistent trough in the South Branch of the westerlies,of which the southwesterly currents transported abundant moisture into southern China;(3) RIEMS 2.0 reasonably reproduced the pattern of frequencies of light and moderate rain,although it overestimated the frequency of rain in southern China.This study shows that RIEMS 2.0 can be feasibly applied to study extreme weather and climate events in East Asia.     

2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨

根据NCEP／NCAR提供的1968--1996年全球逐月、2008年1月全球逐日再分析资料以及中国气象局提供的降水资料,分析了2008年1月中国南部持续低温雨雪冰冻天气期间东亚地区中低空大气环流异常特征。结果表明,乌拉尔山阻塞高压和地面蒙古冷高压是这次灾害性天气重要的冷空气源地;700hPa异常偏强的低空西南风急流以及低空急流大风速中心随时间沿急流轴的传播为此次低温雨雪冰冻天气提供了充足的动量、热量和水汽;850hPa流场西太平洋上空异常东南风、印度洋上空异常西南风以及850hPa垂直速度场中国南部大陆异常上升气流,在很大程度上影响着2008年1月中国南部的天气;赤道辐合带、西太平洋副热带高压以及南支槽的异常,致使东亚上空不仅存在异常的南支槽前西风带水汽输送和西太平洋副热带高压西南侧东风带水汽输送,还存在异常的由印度洋经孟加拉湾向中国南方大陆的水汽输送。