劉朝茹,韓永翔,王 瑾,張 智

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044； 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所， 貴州 貴陽 550002)

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我國凍雨統(tǒng)計(jì)及發(fā)生機(jī)制研究*

劉朝茹1,韓永翔1,王 瑾2,張 智1

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044； 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所， 貴州 貴陽 550002)

利用2008-2013年冬季低溫期間全國常規(guī)地面觀測(cè)站資料，統(tǒng)計(jì)了凍雨多發(fā)站點(diǎn)的1月份年平均凍雨發(fā)生日數(shù)，結(jié)合探空資料對(duì)凍雨進(jìn)行分類并討論其發(fā)生機(jī)制。結(jié)果表明:①不同站點(diǎn)間發(fā)生凍雨的機(jī)制有明顯差異，凍雨發(fā)生機(jī)制與海拔高度有關(guān)；②含有暖層凍雨個(gè)例中過冷暖雨過程達(dá)到了67%以上，高海拔地區(qū)易發(fā)生過冷暖雨過程的凍雨，而低海拔地區(qū)易發(fā)生融化過程的凍雨；③用有無暖層來劃分是融化過程還是過冷暖雨過程誤判的概率極大，高海拔地區(qū)誤判的概率最大，如威寧為97%，低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。這一研究結(jié)果表明必須用新的分類方法來劃分凍雨，用傳統(tǒng)的有無暖層來劃分凍雨機(jī)制存在誤差。

凍雨統(tǒng)計(jì)；過冷暖雨過程；融化過程

凍雨是中高緯度地區(qū)常見的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，是一種由過冷水滴組成的、與低于0 ℃的物體碰撞立即凍結(jié)的降水，它能形成毛玻璃狀或透明的堅(jiān)硬冰層[1]，在地物上凍結(jié)并積累后能壓斷電線，造成供電和通訊中斷，嚴(yán)重的凍雨甚至?xí)核课?、壓斷樹木、凍死農(nóng)作物和蔬菜，對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、環(huán)境、通訊網(wǎng)絡(luò)危害巨大。同時(shí)，因其具有外表光滑的堅(jiān)硬冰層，交通運(yùn)輸也會(huì)因其受到巨大的損失。 2008年初，我國南方受到暴雪和凍雨災(zāi)害天氣的襲擊，時(shí)值春節(jié)前夕，給交通運(yùn)輸、電力供應(yīng)、林業(yè)和農(nóng)業(yè)以及人民正常的生活和生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[2]，發(fā)生了較嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。

由于凍雨的特殊性質(zhì)會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來嚴(yán)重危害，所以國內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍雨有較為廣泛的關(guān)注。Stewart[3]總結(jié)了發(fā)生在美國東南部的凍雨和降雪，發(fā)現(xiàn)它們與美國東南部的暖鋒相關(guān)。當(dāng)暖鋒到來時(shí)，爬升的暖空氣在近地面形成了逆溫層，逆溫層中溫度不斷升高，出現(xiàn)大于0 ℃的暖層。接下來隨著暖鋒的不斷侵入，暖層加厚，落進(jìn)暖層的雪花被更多地融化，并且地面冷層也會(huì)不斷變淺，使得融化的液滴再被凍結(jié)的概率變低。當(dāng)變厚的暖層能將雪花完全融化，液滴在落到低層冷層中冷卻但未被再次凍結(jié)時(shí)，在低于0 ℃的地表上將很有可能觀測(cè)到凍雨。這種凍雨的形成理論被普遍接受，并常被稱為融化過程或“冰相融化機(jī)制”理論(圖1a)[4]。David[5]等研究了美國東南部凍雨發(fā)生的次數(shù)、時(shí)間以及其探空結(jié)構(gòu)，支持了融化過程理論。Zerr[6]探討了暖層和其以下的凍結(jié)層的厚度、溫度對(duì)降落物相態(tài)的影響，認(rèn)為暖層太薄或者溫度太低會(huì)使得冰晶不能完全融化成水滴，另外，再次凍結(jié)層太厚或者溫度太低也會(huì)使得下落的水滴再次凍結(jié)。國內(nèi)也有大量研究從天氣學(xué)角度分析了凍雨的形成原因[2, 7-13]，提出凍雨主要發(fā)生在準(zhǔn)靜止鋒附近[7-8]，并將冷暖鋒相交的天氣系統(tǒng)與融化過程相對(duì)應(yīng)，較多地強(qiáng)調(diào)逆溫層中暖層的融化作用對(duì)凍雨形成的影響。

圖1 兩種不同的凍雨機(jī)制

然而，也有大量的凍雨個(gè)例研究中沒有出現(xiàn)高于0 ℃的融化層，如Bocchieri[14]發(fā)現(xiàn)在一些凍毛毛雨天氣中，大氣探空數(shù)據(jù)表明整層大氣都在0 ℃以下，其比例為44%，故而過冷暖雨過程被提出(圖1b)[15]，認(rèn)為在過冷卻狀態(tài)下，液滴會(huì)通過碰并過程保持增長并產(chǎn)生凍雨天氣，并用是否存在暖層這一特征來區(qū)分過冷暖雨過程和融化過程。我國學(xué)者對(duì)氣象站探空資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)貴州省有大量的凍雨個(gè)例不存在暖層，凍雨形成機(jī)制更可能是過冷暖雨過程，與低海拔地區(qū)的凍雨發(fā)生機(jī)制有很大不同，如湖南的凍雨常由“冰相融化過程”形成[16-18]。

在對(duì)我國凍雨的研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)的確存在兩種凍雨機(jī)制，但這兩種機(jī)制的劃分過于簡單，即使出現(xiàn)暖層，也有大量的個(gè)例屬于過冷暖雨過程，說明用有無暖層來劃分凍雨發(fā)生機(jī)制存在非常大的誤差。針對(duì)此問題，本文利用2008-2013年全國常規(guī)地面觀測(cè)資料和探空資料，在凍雨多發(fā)地帶的長江以南地區(qū)，分析凍雨發(fā)生時(shí)大氣層結(jié)溫度、濕度、暖層厚度和云高等要素，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的宏觀分析，對(duì)兩種凍雨機(jī)制出現(xiàn)的概率以及對(duì)有暖層的凍雨進(jìn)行初步研究，探討凍雨大氣層結(jié)特征和形成的物理機(jī)制。

1 資料與方法

本文選取了2008-2013年低溫期間的地面觀測(cè)資料和常規(guī)探空資料，因1月的資料最全且凍雨在1月出現(xiàn)的次數(shù)最多，所以著重對(duì)1月凍雨做出統(tǒng)計(jì)。地面觀測(cè)資料用于確定凍雨天氣的出現(xiàn)，探空資料分析凍雨出現(xiàn)時(shí)的大氣層結(jié)特征。1月年平均凍雨發(fā)生次數(shù)使用地面觀測(cè)資料，1 d內(nèi)多次記錄的凍雨天氣合算為一次。探空資料每日只有兩次，分別在08時(shí)和20時(shí)，通過地面觀測(cè)資料判斷這兩個(gè)時(shí)間是否發(fā)生凍雨篩選出有凍雨的時(shí)次，每次記為一個(gè)個(gè)例。另外，云高數(shù)據(jù)根據(jù)探空數(shù)據(jù)中的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)取得，以大于等于84%的相對(duì)濕度作為判斷云頂?shù)拈撝礫19]。

融化過程和過冷暖雨過程根據(jù)探空?qǐng)D中有無暖層來劃分，但是對(duì)冰核的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)很少有冰核在>-10 ℃時(shí)核化，所以當(dāng)有暖層而云頂溫度>-10℃時(shí)，凍雨發(fā)生機(jī)制也有可能是過冷暖雨過程[18]。因此，對(duì)有暖層的凍雨個(gè)例，本文參考Rauber的凍雨類型[20]并將其簡化為四類(表1)。

暖層強(qiáng)度為暖層厚度(以壓強(qiáng)為單位)與暖層最大溫度的乘積，其表征了暖層融化冰晶的能力。第一類凍雨的暖層在云頂以上，無暖層強(qiáng)度；第二類凍雨暖層厚度只取暖層底部到云頂?shù)暮穸龋坏谌?、四類凍雨暖層厚度取整層?/p>

表1 有暖層凍雨的分類

2 凍雨日數(shù)、暖層出現(xiàn)概率與海拔高度關(guān)系

25°～29°N的長江以南地區(qū)是我國凍雨主要的發(fā)生地帶，多發(fā)區(qū)域呈帶狀分布，大致對(duì)應(yīng)了位于江南地區(qū)的準(zhǔn)靜止鋒(圖2)。從圖2可清楚地看到西部凍雨發(fā)生較多，而東部較少，同時(shí)山地地區(qū)如廬山、峨眉山等較周圍地區(qū)有較多的凍雨發(fā)生，這可能同海拔高度有關(guān)。

圖2 凍雨多發(fā)地帶1月份年平均發(fā)生凍雨日數(shù)

圖3a為海拔高度與1月年平均凍雨日數(shù)關(guān)系圖，除了不在靜止鋒區(qū)的峨眉山站外，其他各站的海拔高度與1月年平均凍雨日數(shù)之間有正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)r=0.94，通過α=0.01顯著性水平)，海拔高度越高，1月年平均凍雨日數(shù)越多。

圖3 海拔高度與凍雨日數(shù)、暖層凍雨概率關(guān)系圖

凍雨有無暖層是判斷融化過程還是過冷暖雨過程的重要指標(biāo)，計(jì)算出2008-2013年各個(gè)探空站暖層出現(xiàn)的次數(shù)占總凍雨數(shù)的52.6%，不存在暖層的凍雨占總凍雨數(shù)的47.4%。暖層出現(xiàn)的概率占了將近一半以上，其概率與海拔高度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，如圖3b所示，相關(guān)系數(shù)r=-0.96，通過α=0.01顯著性水平)，海拔高度較低地區(qū)的凍雨天氣更容易存在暖層，而海拔高度較高的地區(qū)不易出現(xiàn)暖層。

3 暖層凍雨分類及其形成機(jī)制

剔除了個(gè)別層結(jié)過于稀疏的探空數(shù)據(jù)，篩選了2008-2013年8個(gè)探空站中含有暖層的凍雨個(gè)例124例并將其分類。第一類探空曲線如圖4a所示，云頂高度(虛線)在暖層以下且溫度大于-10 ℃，暖層不可能加熱融化云中形成的冰晶，即降水過程中，從云滴形成到雨水降落地面不會(huì)發(fā)生相態(tài)變化，凍雨發(fā)生機(jī)制應(yīng)為過冷暖雨過程；第二類如圖4b所示，云頂高度處于暖層之中，云滴形成于大于零度的層結(jié)中，經(jīng)過低層冷層冷卻，形成過冷卻水滴降落地面凍結(jié)。在這種情況中，凍雨降水下落過程中不會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，凍雨發(fā)生機(jī)制也為過冷暖雨過程。另外由于其云滴形成于暖層之中，暖層加熱云滴的溫度只要能使其不會(huì)被低層冷層凍結(jié)就可以，不需要融化冰晶，所以需要的平均暖層強(qiáng)度也最低(表2)；第三類如圖4c所示，云頂高度處于暖層之上，云頂溫度為-3 ℃，因?yàn)楹苌儆斜嗽?-10 ℃時(shí)核化[20]，云中產(chǎn)生冰晶的可能性較小，其凍雨的發(fā)生機(jī)制既有可能是過冷暖雨過程，也有可能是融化過程。而其云頂溫度較第二類低一些，有可能需要融化云頂形成的冰晶，需要的平均暖層強(qiáng)度大于第二類；第四類如圖4d所示，云頂高度處于暖層之上，云頂溫度為-18 ℃，這種情況下，云中產(chǎn)生的冰晶在降落地面的過程中，經(jīng)過暖層加熱，融化為水滴，再由低層冷層冷卻形成過冷水滴，降落地表凍結(jié)，其發(fā)生機(jī)制為融化過程，因云頂溫度較低，也需要更大的平均暖層強(qiáng)度融化冰晶。

表2 四類凍雨云頂高度、溫度及平均暖層強(qiáng)度

本文計(jì)算了各個(gè)類型凍雨占含有暖層凍雨總數(shù)的比例，發(fā)現(xiàn)124個(gè)有暖層的凍雨個(gè)例中過冷暖雨過程達(dá)到了66.94%，如果將第三類也歸為過冷暖雨過程時(shí)，則過冷暖雨過程達(dá)到了95.97%，而融化過程只占到4.03%(圖5)。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前面定義的暖層凍雨發(fā)生機(jī)制為融化過程[15]相矛盾，由此可見，融化過程這種較為經(jīng)典、認(rèn)可度較高的凍雨機(jī)制可能并不是絕大部分凍雨發(fā)生的原因。

圖4 四類有暖層的凍雨示意圖

圖5 各個(gè)類型凍雨占含有暖層凍雨總數(shù)比例

為了更進(jìn)一步了解有暖層凍雨的發(fā)生機(jī)制，本文又分別討論了各類型與各站關(guān)系。

各個(gè)站點(diǎn)與凍雨類型關(guān)系如圖6所示，圖6中第一類凍雨(圖6a，過冷暖雨過程)主要出現(xiàn)在海拔最高的威寧站，貴陽和馬坡嶺有很少的個(gè)例，其他站未發(fā)生此類凍雨；第二類凍雨(圖6b，過冷暖雨過程)多在海拔高度中等地區(qū)發(fā)生，大部分站點(diǎn)均有發(fā)生，其中貴陽站比例最大；第三類凍雨(圖6c)各個(gè)氣象站均占有一定比例，它們既有可能是過冷暖雨過程，也有可能是融化過程，發(fā)生此類凍雨的氣象站較為廣泛。第四類凍雨(圖6d，融化過程)全部發(fā)生在低海拔地區(qū)，說明低海拔地區(qū)更容易發(fā)生融化過程的凍雨。

本文選擇威寧代表高海拔地區(qū)、南昌代表低海拔地區(qū)與含有暖層凍雨類型進(jìn)行分析，結(jié)果表明威寧過冷暖雨過程出現(xiàn)的概率為97%，只有不到3%為第三類凍雨，它既有可能是過冷暖雨過程，也有可能是融化過程(圖6e)；南昌過冷暖雨過程出現(xiàn)的概率為20%，融化過程出現(xiàn)的概率也為20%，60%為第三類凍雨(圖6f)。

圖6 各個(gè)站點(diǎn)與含有暖層凍雨類型關(guān)系(未標(biāo)出比例的站點(diǎn)為此站沒有發(fā)生這一類凍雨)

綜上所述，用有無暖層來劃分是融化過程還是過冷暖雨過程誤判的概率極大，即使有暖層出現(xiàn)，大部分個(gè)例仍不是融化過程。高海拔地區(qū)誤判的概率最大，如威寧為97%，即使更容易發(fā)生融化過程的低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。

4 結(jié)論

本文利用2008-2013年冬季低溫期間地面觀測(cè)站資料和探空資料對(duì)我國凍雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論。

(1)我國凍雨多發(fā)地帶呈帶狀分布，處于25°～29°N，對(duì)應(yīng)了準(zhǔn)靜止鋒的位置。西部凍雨較多，東部凍雨較少，山地地區(qū)較平原地區(qū)更容易發(fā)生凍雨。海拔高度與1月份年平均凍雨日數(shù)成正比，與探空站出現(xiàn)暖層凍雨概率成反比。

(2)含有暖層凍雨個(gè)例中過冷暖雨過程達(dá)到了67%以上，高海拔地區(qū)易發(fā)生過冷暖雨過程的凍雨，而低海拔地區(qū)易發(fā)生融化過程的凍雨。

(3)用有無暖層來劃分是融化過程還是過冷暖雨過程誤判的概率極大，高海拔地區(qū)誤判的概率最大，如威寧為97%，低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。

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StudiesonStatisticsandFormationMechanismofFreezingRain

LiuChaoru1,HanYongxiang1,WangJin2andZhangZhi1

(1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Guizhou institute of Mountainous Climate and Environment, Guiyang 550005, China)

TheannualmeandaysoffreezingraininJanuaryonmeteorologicalstationswherefreezingrainfrequentlyoccurswasanalyzedbyusingthesurfaceobservationdataduringthewintercoldin2008-2013.Andthen,thesoundingdatacombinedwithsurfaceobservationdataisusedtoclassifyfreezingrainanddiscusstheformationmechanism.Theresultsshowedthat: ①Thereareobviousdifferencesofmechanismbetweendifferentsites,andtheformationmechanismoffreezingrainhasacorrelationwithaltitudes; ②Over67%ofthefreezingrainwithwarmlayerwereformedbySupercooledWarmRainProcess,highaltitudestendtooccurSupercooledWarmRainProcess,andlowaltitudestendtooccurMeltingIceProcess; ③ThereisasignificantmisjudgmentofdistinguishingSupercooledWarmRainProcessesandMeltingIceProcessbyusingthejudgmentofwhetherthereisawarmlayer,thepossibilityofmisjudgmentathighaltitudesismuchhigherthanthatatlowaltitudes,forexample,itcanbe97%inWeining.Butthepossibilitystillcanbeover20%atlowaltitudeslikeNanchang.Thestudysuggeststhatweshouldusenewcategorytodeterminetheformationmechanismoffreezingrainratherthanthetraditionalone.

freezingrainstatistics;supercooledwarmrainprocess;meltingiceprocess

2015-01-19

2015-03-11

公益性行業(yè)專項(xiàng)(GYHY201306051); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375158，41030962)

劉朝茹(1989年-)，女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事云降水物理研究. E-mail: liucr19@sina.com

韓永翔(1966年-)，男，甘肅民勤人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯硥m氣溶膠與氣候變化. E-mail: han-yx66@126.com

P426.6；X43

A

1000-811X(2015)03-0219-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.040

劉朝茹,韓永翔,王 瑾，等. 我國凍雨統(tǒng)計(jì)及發(fā)生機(jī)制研究[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):219-222. [Liu Chaoru, Han Yongxiang, Wang Jin，et al. Studies on Statistics and Formation Mechanism of Freezing Rain[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：219-222.]