李杰,郭學(xué)良,盛日峰,李興宇

① 中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室,北京 10002;② 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;③ 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京 211106;④ 中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081;⑤ 山東省人工影響天氣辦公室,山東 濟(jì)南 250031

我國冰粒降水天氣的觀測特征統(tǒng)計分析

李杰①②③,郭學(xué)良①④*,盛日峰⑤,李興宇①

① 中國科學(xué)院 大氣物理研究所 云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室,北京 10002;② 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;③ 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京 211106;④ 中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081;⑤ 山東省人工影響天氣辦公室,山東 濟(jì)南 250031

2014-04-18收稿,2014-09-03接受

國家自然科學(xué)基金資助項目(41005072;40575003);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(NJ20140015);國家電網(wǎng)公司科技項目資助(GCB17201400162)

摘要研究冰粒降水天氣的特征對于更好地認(rèn)識冰凍天氣,提高冰凍天氣的預(yù)警預(yù)報能力有重要意義,但我國相關(guān)研究較少。利用2011—2013年中國民航機(jī)場的例行觀測、特殊觀測資料,分析了冰粒降水天氣的時空分布、持續(xù)時間和地面氣象要素等特征。選取2001—2013年50個探空站資料分析了冰粒的垂直環(huán)境特征。結(jié)果表明:冰粒降水天氣集中分布在中緯度的黃河下游、長江中下游地區(qū)。冰粒降水發(fā)生的次數(shù)與其持續(xù)時間相關(guān)性不強(qiáng),在少發(fā)區(qū),其持續(xù)時間也可能較長;冰粒降水天氣在1—2月比較常見,單次冰粒降水天氣過程的持續(xù)時間比較短,一般不超過1 h;我國冰粒天氣發(fā)生時,同時常會有輕霧或無其他天氣情況,一般很少伴隨有雪。冰粒的融化參數(shù)一般小于凍雨的融化參數(shù),但冰粒凍結(jié)參數(shù)一般大于凍雨的凍結(jié)參數(shù)。在冰粒天氣發(fā)生之前一般溫度逐漸降低、氣壓逐漸升高。冰粒天氣發(fā)生前后濕度都比較大,發(fā)生期間風(fēng)速變化比較小。

關(guān)鍵詞

冰粒

探空資料

氣象條件

形成機(jī)制

中國

我國冬季氣候主要受東亞冬季風(fēng)的影響,冬季風(fēng)的異常往往會給我國帶來寒潮、低溫、暴雪、冰凍等災(zāi)害天氣(黃榮輝等,2008)。冬季降水以雨、雪、凍雨或冰粒等多種形式出現(xiàn),影響交通,甚至可能威脅到生命財產(chǎn)安全。例如,2008年初發(fā)生在我國南方的雨雪冰凍災(zāi)害天氣給電力、交通、農(nóng)業(yè)等部門造成極大的影響(陶詩言和衛(wèi)捷,2008;苗春生等,2010;彭艷等,2010;趙德龍等,2011;張韌等,2012)。

由于不同相態(tài)降水的形成機(jī)制不同,在地面溫度接近0 ℃時,可能產(chǎn)生冰粒、凍雨、凍毛毛雨、雨、雪和混合態(tài)降水。這些類型的降水可能在水平距離1～100 km的范圍內(nèi)以不同的強(qiáng)度同時出現(xiàn)(Stewart,1992)。降水量級相同,降水相態(tài)不同,其影響差異卻很大(崔錦等,2011)。在冬季降水的各種相態(tài)降水的研究中,對雨夾雪、雪、凍雨等降水進(jìn)行了較多的研究(龍利民等,2010;苗春生等,2010;彭艷等,2010;張韌等,2012;Reeves et al.,2014)。但對冰粒降水的研究相對較少,主要是因為冰粒降水一般局地性強(qiáng)、持續(xù)時間短,導(dǎo)致實際中難以對其進(jìn)行觀測和分析(Gibson and Stewart,2007)。冰粒密度較雪大,也比雪難融化,如有冰粒大量聚積,將更難以清除。由于冰粒和凍雨產(chǎn)生的機(jī)理基本相同,所以冰粒降水和凍雨會伴隨發(fā)生。冰粒伴隨凍雨則會帶來更為嚴(yán)重的災(zāi)害。當(dāng)?shù)孛嬗^測到冰粒時,高空會有凍雨(Hanesiak and Stewart,1995),這時對航空飛行安全會產(chǎn)生危險。此外,冰?？墒沟孛娴某菏?開始受到機(jī)場部門的關(guān)注(Department of Transportation:Federal Aviation Administration,2005;Transport Canada,2007)。

已有研究表明,冰粒降水有兩種產(chǎn)生機(jī)制,一種是經(jīng)典的融化機(jī)制(也稱為冰相機(jī)制),即大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)自上而下分別為“冰晶層—暖層—冷層”(即“冷—暖—冷”)的結(jié)構(gòu)。在上層的冰晶層中形成冰晶或雪花后,下落到中間的暖層部分融化,進(jìn)入低空的冷層后再次凍結(jié),以冰粒形式落到地面(Huffman and Norman,1988;Hanesiak and Stewart,1995;Rauber et al.,2000)。另一種是暖雨機(jī)制,即大氣垂直結(jié)構(gòu)中沒有冰晶層。在云中無雪花或冰晶產(chǎn)生的情況下,云滴增長為毛毛雨滴,后在冷層中凍結(jié)為冰粒后落到地面(Kajikawa et al.,2000;Bernstein,2000)。

冰粒降水一般發(fā)生在地面溫度略低于0 ℃的環(huán)境(Cortinas et al.,2004),但溫度高于0 ℃也有一定的比例(Roberts and Stewart,2008)。冰粒降水的持續(xù)時間比較短,冰粒降水常伴隨降雪(Cortinas et al.,2004)。Cortinas et al.(2004)認(rèn)為美國的冰粒降水形成以暖雨機(jī)制為主,Roberts and Stewart(2008)的結(jié)果顯示加拿大的冰粒以融化機(jī)制占多數(shù)。

我國關(guān)于冰粒降水的研究較少,一些研究者對浙江衢州和廣東乳源地區(qū)的冰粒天氣氣候特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)冰粒主要出現(xiàn)在冬半年,以l—2月最多,而且冰?？稍谂瘹鈭F(tuán)向冷氣團(tuán)過渡時產(chǎn)生,在強(qiáng)冷空氣、寒潮等天氣系統(tǒng)發(fā)生時,氣溫在5 ℃以下、風(fēng)速小于等于3 m/s時容易形成冰粒(汪潔,2011;周中意等,2012)。漆梁波(2012)認(rèn)為我國冰粒以融化機(jī)制為主,同時冰粒天氣的云頂高度普遍高于凍雨天氣,冰粒天氣的暖層厚度和強(qiáng)度均小于凍雨天氣。在不同區(qū)域,凍雨和冰粒降水產(chǎn)生時的云頂高度、暖層強(qiáng)度和厚度以及地面氣溫這些天氣特征量也不同。

為進(jìn)一步了解我國冰粒降水天氣的特征,以及影響冰粒天氣形成和發(fā)展中的氣象要素變化。本文利用2011—2013年期間全國民航機(jī)場的一小時或半小時一次的航空氣象地面例行觀測和特殊觀測資料,對冰粒天氣的地面特征進(jìn)行分析。將2001—2013年機(jī)場地面觀測與探空資料進(jìn)行匹配,對比分析了冰粒與凍雨的垂直大氣環(huán)境特征,并對氣象要素在冰粒天氣過程中的變化特征進(jìn)行分析,以提高對冰粒天氣的認(rèn)識和冰粒降水天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率。

1資料和方法

1.1資料

地面特征所用資料是2011—2013年期間我國202個機(jī)場約455萬個時次例行觀測(每小時或半小時一次)和特殊觀測數(shù)據(jù),各機(jī)場觀測站點分布如圖1所示。觀測資料的獲取依據(jù)我國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 4016-2007(中國民用航空局空管行業(yè)管理辦公室,2007)所規(guī)定的觀測儀器和設(shè)施進(jìn)行觀測和報告。觀測資料包括溫度、露點溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、天氣現(xiàn)象等信息。如果天氣現(xiàn)象觀測記錄里有冰粒降水發(fā)生,則定義為一個冰粒觀測記錄。共計有605個時次的冰粒降水(其中49個時次為特殊觀測)觀測記錄。

盡管有許多地面機(jī)場觀測站,但是這些機(jī)場觀測站點附近并不一定有探空站。選擇其中既有地面天氣觀測又有探空觀測資料的50個站點,具體選擇方法見1.2節(jié)。2001—2013年我國機(jī)場逐小時地面天氣現(xiàn)象觀測資料來自于美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(National Climatic Data Center,NCDC)。探空資料為一天2次(00時和12時,世界時,下同)的常規(guī)探空觀測資料。數(shù)據(jù)探空資料包括標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度和特定高度上的氣壓、溫度、露點溫度、相對濕度、混合比和風(fēng)向/風(fēng)速等信息。

圖1　地面機(jī)場觀測站(灰色圓形)和探空站(黑色五角星)的分布Fig.1　Locations of surface observation stations(gray circles) and soundings sites(black stars) used in this study

1.2方法

在冰粒的觀測資料中,存在很多地面溫度高于0 ℃的觀測記錄。由于在實際觀測記錄中會將冰粒與小冰雹進(jìn)行誤判,即地面觀測記錄的是冰粒,實際可能是小冰雹(Cortinas et al.,2004)。因此,需要確定一個標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分冰粒和小冰雹。Cortinas et al.(2004)和Roberts and Stewart(2008)采用溫度小于等于4 ℃作為區(qū)分閾值。對本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),溫度大于4 ℃時,冰粒出現(xiàn)的比例也較低(為4.17%)。因此,也選用4 ℃作為區(qū)分冰粒和小冰雹的閾值。篩選后得到575個時次冰粒(其中包括46個時次的特殊觀測)觀測記錄。

在對比分析冰粒與凍雨天氣區(qū)域分布特征時,選用2011—2013年間具有3 a完整記錄的機(jī)場(共176個機(jī)場)觀測數(shù)據(jù)。為便于站點之間進(jìn)行比較,統(tǒng)一選用整點的小時觀測資料。

冰凍天氣的次數(shù)和持續(xù)時間通過統(tǒng)計連續(xù)的小時觀測資料得到(Cortinas et al.,2004)。如有2次冰粒的觀測報告,但觀測間隔超過1 h,這樣冰粒天氣計為2次,每次冰粒的持續(xù)時間計為1 h,此時計算的持續(xù)時間為最大可能持續(xù)時間,誤差不超過1 h?；谏鲜龆x:如某機(jī)場分別在08時、09時和11時觀測到冰粒,那么統(tǒng)計時認(rèn)為08時和09時是一個連續(xù)的冰粒過程,這個冰粒過程的持續(xù)時間為2 h;11時是另外一個冰粒過程,這個冰粒過程的持續(xù)時間為1 h,該機(jī)場08時、09時和11時計為3個時次的觀測。Cortinas(2000)研究表明,由于冰凍天氣通常不會持續(xù)較長時間,在此期間不會有其他類型的降水,增加間隔時間不會顯著改變其分布特征。最終得到224次冰粒天氣。

在樣本較少的情況下,數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布(Roberts and Stewart,2008),為減少誤差,避免個別極端事件的影響,使統(tǒng)計結(jié)果準(zhǔn)確表述,采用中值、最大值、最小值、加權(quán)平均值和累計總和等統(tǒng)計指標(biāo)。

在分析各氣象要素特征時,剔除相關(guān)氣象要素缺測的記錄、數(shù)據(jù)不合理的記錄(如溫度變化序列記錄不完整、露點溫度低于-50 ℃、溫度露點差為負(fù)值等)。

民航觀測中使用的是世界時,所以將所有時間轉(zhuǎn)換為世界時。

探空氣球在上升過程中會向下風(fēng)方向漂移一定的距離。李偉等(2010)研究表明,我國大陸冬季的探空平均漂移距離在300 hPa處約為35 km。因此,需要對探空資料和地面資料進(jìn)行空間匹配,使探空資料能真實代表地面出現(xiàn)相應(yīng)天氣時的大氣垂直環(huán)境。當(dāng)?shù)孛嬖?0時或12時觀測到凍雨或冰粒時,選擇與地面站的水平距離小于35 km的相應(yīng)時刻的探空站資料進(jìn)行分析垂直特征(首都機(jī)場除外,水平距離約為38 km)。選擇的探空站點分布如圖1所示。按這種匹配方法得到99個冰粒和138個凍雨探空記錄。

在冰凍天氣的分析中,云頂高度是非常重要的因素。精確判斷云層厚度和云頂高度是非常復(fù)雜的工作,比較常用的是溫度露點差、濕度以及兩者結(jié)合(漆梁波,2012)。Poore et al.(1995)根據(jù)不同的溫度采用不同的溫度露點差進(jìn)行判斷。Rauber et al.(2000)將云頂定義為溫度露點差大于3 ℃,并且厚度大于1 000 m的第一高度。周毓荃和歐建軍(2010)以84%的相對濕度,且厚度大于1 000 m作為云頂判斷依據(jù),通過對比幾種探空數(shù)據(jù)分析云垂直結(jié)構(gòu)的方法發(fā)現(xiàn)以84%的相對濕度值作為判斷云的閾值比較適合,故本文采用此方法判別云頂高度。

采用以下參數(shù)來表征大氣的垂直特征:1)云頂高度;2)云層厚度;3)暖層最高溫度;4)冷層最低溫度;5)冷層厚度;6)暖層厚度;7)環(huán)境融化參數(shù)(EMP);8)環(huán)境凍結(jié)參數(shù)(EFP)(Robbins and Cortinas,2002)。

暖層定義為溫度大于0 ℃,并且厚度至少大于100 m。同理,冷層定義為溫度低于0 ℃,并且厚度至少大于100 m(Roberts and Stewart,2008)。

EMP和EFP的計算如下:

IEMP=∫(T-T0)dz;

(1)

IEFP=∫(T0-T0)dz。

(2)

其中：EMP和EFP分別表示以高度為縱坐標(biāo)時,溫度廓線高于0 ℃和低于0 ℃部分與溫度等于0 ℃的數(shù)值積分面積(Robbins and Cortinas,2002)。

2冰粒降水天氣的特征

2.1地面觀測統(tǒng)計特征

圖2為2011—2013年我國冰粒與凍雨降水天氣的年平均次數(shù)對比,以及冰粒與凍雨天氣的持續(xù)時間中值的分布對比。由圖2可看出,在2011—2013年期間,我國大部分地區(qū)都發(fā)生過冰粒降水天氣。雖然冰粒和凍雨天氣的發(fā)生機(jī)理比較相似,但冰粒與凍雨的年平均次數(shù)分布特征有明顯的差別。與凍雨天氣比較,我國冰粒天氣分布范圍更廣,也更為常見,冰粒的分布比凍雨的分布偏東。這些分析結(jié)果與漆梁波(2012)的統(tǒng)計結(jié)果類似。冰粒天氣集中分布在中緯度的黃河下游和長江中下游地區(qū)(占總數(shù)的76.79%)。鄭州、杭州、南昌是三個相對高發(fā)的區(qū)域,并且在這些地區(qū)的持續(xù)時間也相對較長,最長可達(dá)10 h。

圖2　2011—2013年冰粒年平均次數(shù)(a)、凍雨年平均次數(shù)(b)、冰粒持續(xù)時間中值(c)和凍雨持續(xù)時間中值(d)的區(qū)域分布Fig.2　The (a,b)annual events and (c,d)median durations of (a,c)ice pellet events and (b,d)freezing rain events,from 2011 to 2013

在鄭州、杭州、南昌等冰粒相對高發(fā)的區(qū)域,與冰粒的持續(xù)時間較長區(qū)有較好的對應(yīng)。但在新疆喀什和吉林延吉是冰粒相對高發(fā)的區(qū)域,冰粒的持續(xù)時間一般較短。而在河北邯鄲和湖北襄陽雖然冰粒發(fā)生次數(shù)比較低,但冰粒出現(xiàn)時持續(xù)時間可達(dá)5 h以上。冰粒的年平均次數(shù)和持續(xù)時間的相關(guān)系數(shù)為0.39,為弱相關(guān)。表明冰粒的發(fā)生次數(shù)與其持續(xù)時間的相關(guān)性不強(qiáng),在冰粒少發(fā)區(qū),其持續(xù)時間也可能較長。

同時由圖2可見,冰粒的分布與緯度有非常明顯的關(guān)系。在華南南部沒有冰粒天氣的發(fā)生。隨著緯度向北,冰粒天氣的發(fā)生頻次增加,在中緯度地區(qū)的鄭州、杭州、南昌形成相對高的三角形區(qū)域。在我國的華北北部、東北和西部地區(qū)(不包括新疆地區(qū))很少有冰粒天氣發(fā)生。

冰粒天氣持續(xù)時間對冰粒聚積量及其產(chǎn)生的危害是一個重要的影響因素。按1.2節(jié)的方法計算得到冰粒的持續(xù)時間分布如圖3所示。由圖3可見,單次冰粒天氣過程的持續(xù)時間比較短,有一半以上持續(xù)時間小于1 h(152次,占67.86%),大多數(shù)都不超過2 h(有196次,占87.50%),并呈指數(shù)迅速減少,持續(xù)時間超過4 h的有9次(不到5%),持續(xù)時間超過6 h的有2次(不到2%)。這些冰粒天氣持續(xù)時間的特征與Cortinas et al.(2004)和Roberts and Stewart(2008)的研究結(jié)果基本類似。盡管冰粒天氣的持續(xù)時間比較短,但是持續(xù)時間超過5 h的有4例(占1.79%)。在2011—2013年間觀測到的冰粒持續(xù)時間最長達(dá)10.5 h(長沙,2011年1月19日12時30分—23時00分)。一般情況下,冰粒天氣持續(xù)時間較短時,冰粒降落到地面很快融化,不會聚積,危害相對小;但如果持續(xù)時間較長,冰粒大量聚積,可形成嚴(yán)重積冰,給電力、交通、農(nóng)業(yè)等部門帶來災(zāi)害性后果。

圖3　冰粒持續(xù)時間分布(單位:h)Fig.3　Duration of ice pellet events(units:h)

各地區(qū)冰粒降水發(fā)生月的分布如表1所示?？梢?我國冰粒在1—2月比較常見。結(jié)果與汪潔(2011)和周中意等(2012)分析浙江衢州和廣東乳

表1冰粒的發(fā)生月分布(我國的西部地區(qū)細(xì)分為西南、新疆和西北)

Table 1Monthly distribution of ice pellet events(western regions include Southwest China,Xinjiang and Northwest China)

月份全國海南華南西南新疆華中華東東北華北西北110703117605201023250100343224135033900246206104440000717217150000000000600000000007000000000080000000000900000000001000000000001111000141500124904215420400

源的局地特征一致。但冰粒的發(fā)生月在我國各地區(qū)之間差別比較顯著。在華南和西南地區(qū)在1月最常見,在中緯度地區(qū)是2月最常見,東北地區(qū)是3月最常見,在華北地區(qū)則是4月最常見。冰粒在我國中緯度地區(qū)出現(xiàn)最多,所以最終統(tǒng)計結(jié)果是2月冰粒天氣最常見。

同時,冰粒降水天氣的年際變化很大,2011年發(fā)生了150個時次,2012年有109個時次,2013年則有316個時次。2013年的夏季是華東有記錄以來最暖的一年(Sun et al.,2014),而2013年的冬季華東也是2011—2013年期間冰粒發(fā)生最多的一年(華東有244個時次的記錄,占總數(shù)的77.2%)。可見,氣候的異常引起冰粒天氣的年際變化也很明顯。

數(shù)值模式對地面溫度的預(yù)報能力要明顯強(qiáng)于對降水量及降水相態(tài)的預(yù)報能力(宗志平等,2013)。統(tǒng)計出現(xiàn)冰粒天氣時的地面溫度頻率百分比分布如圖4所示。冰粒大多發(fā)生在地面溫度-4～4 ℃范圍(為549例,占95.5%),其中0～3 ℃范圍更常見(為401例,占69.7%),在1 ℃發(fā)生的頻次最大(為123次,占21.4%)。冰粒子在下落經(jīng)過溫度高于0 ℃的暖層時,如果沒有完全融化,會以冰粒的形式最終降落到地面,所以冰?？梢栽诘孛鏈囟雀哂? ℃時出現(xiàn)。發(fā)生冰粒的地面溫度在各地區(qū)有明顯的區(qū)別。華南地區(qū)在0 ℃時最容易發(fā)生(為22例,占48.9%),新疆地區(qū)在-3 ℃時最容易發(fā)生(為17例,占28.3%),而東北地區(qū)在-11～3 ℃范圍都產(chǎn)生過冰粒天氣。

露點溫度在-5～2 ℃時容易發(fā)生冰粒天氣(有527例,占91.8%),在0 ℃時最容易出現(xiàn)冰粒(有161例,占28.1%)。溫度露點差在0～3 ℃時容易發(fā)生冰粒天氣(有496例,占86.4%),在1 ℃時最容易出現(xiàn)冰粒(有181例,占31.5%)?？梢姵霈F(xiàn)冰粒天氣時,濕度一般比較大。露點溫度和溫度露點差沒有表現(xiàn)出比較明顯的地區(qū)差別。

圖4　冰粒發(fā)生時地面溫度、露點溫度和溫度露點差頻率百分比分布(單位:%)Fig.4　Distribution of temperature,dew-point temperature and depression of dew point associated with ice pellet events(units:%)

出現(xiàn)冰粒天氣時風(fēng)速分布如表2所示。由表2可見,冰粒天氣發(fā)生時的平均風(fēng)速在2～7.9 m/s的有471例,占總數(shù)的81.9%。風(fēng)速在4～5.9 m/s出現(xiàn)的比例最大,為208例,占36.2%。風(fēng)速大于10 m/s以上形成的冰粒只有8例,占1.4%。新疆和西南地區(qū)出現(xiàn)冰粒時的平均風(fēng)速多在2～3.9 m/s,比全國的統(tǒng)計值略小。風(fēng)速在其他地區(qū)間的差別不是

表2出現(xiàn)冰粒天氣的次數(shù)與對應(yīng)的風(fēng)速

Table 2Distribution of wind occurrence and speeds associated with ice pellet events

風(fēng)速/(m·s-1)全國海南華南西南新疆華中華東東北華北西北0～1.958075184157202～3.9159018123410787004～5.9208019482114221116～7.910401008873508～9.938000082514010以上8000024020

非常明顯。出現(xiàn)冰粒天氣時的風(fēng)向以東北風(fēng)和北風(fēng)為主。除東北地區(qū)以西風(fēng)為主外,其他地區(qū)間的風(fēng)向差別不大。

統(tǒng)計出現(xiàn)冰凍天氣時的伴隨天氣(表3)。從表3可見,冰粒天氣的伴隨天氣現(xiàn)象與凍雨類似,一般同時會有輕霧(占45%)、雨(占34%)或者無其他天氣情況(占33%)。冰粒出現(xiàn)時一般很少伴隨降雪過程(僅占2%),凍雨伴隨降雪過程相對比例較高(占17%)。Cortinas et al.(2004)研究美國和加拿大的冰粒天氣特征時發(fā)現(xiàn),冰粒伴隨降雪發(fā)生的比例較大(37%)。本文結(jié)果與其有明顯差別,表明不同氣候條件下冰粒天氣發(fā)生的特征有一定差異。

表3出現(xiàn)冰粒和凍雨天氣時伴隨天氣概率百分比分布(由于可能同時伴隨多種天氣現(xiàn)象,伴隨天氣比例累計可能會超過100%)

Table 3Frequency distribution of concurrent weather phenomena observations(columns may not add up to 100% because more than one type of weather phenomenon can be reported)

天氣現(xiàn)象出現(xiàn)冰凍天氣時伴隨的天氣概率/%冰粒凍雨雨34毛毛雨0霧210輕霧4551雪217無其他天氣3330

2.2垂直大氣結(jié)構(gòu)特征

大氣的垂直結(jié)構(gòu)特征對決定地面的降水相態(tài)非常重要。融化、冷卻和凍結(jié)這些過程都取決于大氣垂直溫度和相對濕度結(jié)構(gòu)(Robbins and Cortinas,2002)。對2001—2013年全國50個探空站出現(xiàn)冰粒和凍雨的天氣進(jìn)行統(tǒng)計,共有99個冰粒和138個凍雨探空記錄。參考Roberts and Stewart(2008)的分類方法,根據(jù)垂直溫度結(jié)構(gòu)不同,將溫度結(jié)構(gòu)分為3類,本文與Roberts and Stewart(2008)分法的區(qū)別是將垂直溫度結(jié)構(gòu)全為冷層和有等溫層的歸為“冷”溫度結(jié)構(gòu)(如圖5b),低空為暖層的為第3類(如圖5c)。

在各區(qū)域冰粒和凍雨的垂直溫度結(jié)構(gòu)統(tǒng)計如表4所示。由表4可見,在垂直溫度結(jié)構(gòu)為“冷—暖—冷”和“暖—冷”(經(jīng)典的融化機(jī)制)的情況下出現(xiàn)凍雨的次數(shù)最多為88次(64%),而這種情況下形成的冰粒也較多為20次(20%)。垂直溫度結(jié)構(gòu)為“冷”(暖雨機(jī)制)的情況下出現(xiàn)凍雨的次數(shù)較多為48次(35%),而這種情況下形成的冰粒較多為38次(38%)。此結(jié)果與Roberts and Stewart(2008)的結(jié)果(凍雨以“冷—暖—冷”結(jié)構(gòu)為主,占68%;冰粒以“冷”結(jié)構(gòu)為主,占73%)類似。關(guān)于冰粒的形成機(jī)制結(jié)果與漆梁波(2012)的結(jié)果有一定的差異。產(chǎn)生區(qū)別的原因可能有以下兩個方面:一是選擇的區(qū)域劃分和代表站不同,本文選擇的是機(jī)場的地面觀測,漆梁波(2012)選擇的是地面觀測站,并且江南和北方站點較多;二是本文的形成機(jī)制是按照垂直溫度結(jié)構(gòu)來區(qū)分,漆梁波(2012)的結(jié)果是基于云頂高度與-10 ℃線高度的比較分析得到。

在低空為暖層的“暖—冷”和“暖—冷—暖—冷”溫度結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)凍雨的次數(shù)很少,但是在這種溫度結(jié)構(gòu)情況下出現(xiàn)的冰粒最多,為41次(41%)。在這種溫度結(jié)構(gòu)下(低層為暖層),空中形成雪和冰粒,冰粒子在下落時經(jīng)過低空的暖層,由于暖層比較弱,冰粒只能部分融化,但仍能以冰粒的形式最終降落到地面。由于這種溫度結(jié)構(gòu)比例較多,最終統(tǒng)計冰粒發(fā)生時的溫度高于0 ℃。這也正是2.1節(jié)中,冰粒發(fā)生時地面溫度高于0 ℃有很大比例的原因。

凍雨在西南地區(qū)出現(xiàn)的較多,而冰粒在華東和華中地區(qū)較多。基于探空站的冰粒和凍雨分布與前

圖5　冰粒和凍雨發(fā)生時的3種垂直溫度結(jié)構(gòu)　　a.冷—暖—冷;b.冷;c.冷—暖Fig.5　The temperature structures of three categories of ice-pellet and freezing-rain precipitation:(a)melting layer;(b)no melting layer;(c)lower melting layer

表4凍雨和冰粒的垂直溫度結(jié)構(gòu)分類統(tǒng)計

Table 4Classification of atmospheric vertical structures and statistics regarding freezing-rain and ice-pellet precipitation

垂直結(jié)構(gòu)(自上而下)全國西南新疆華中華東東北華北西北融化機(jī)制暖—冷2/530/460/01/11/60/00/00/0冷—暖—冷18/355/290/03/39/21/10/00/0暖雨機(jī)制冷38/481/370/09/427/70/00/01/0其他機(jī)制冷—暖30/20/00/17/023/00/10/00/0冷—暖—冷—暖11/01/00/04/06/00/00/00/0總計99/1387/1120/124/866/152/20/01/0

注：/前數(shù)值為冰粒,/后數(shù)值為凍雨.

文基于地面觀測分析得到的全國冰粒和凍雨分布特征基本一致。

融化機(jī)制下冰粒和凍雨暖層厚度和暖層最高溫度、冷層厚度和冷層最低溫度對比如圖6所示。探空資料只包括標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度和特定高度上的數(shù)據(jù),實際暖層最高溫度和冷層最低溫度可能沒有列出。由圖6可見,暖層厚度與暖層最高溫度相關(guān)性較強(qiáng)(冰粒的相關(guān)系數(shù)為0.8,凍雨的相關(guān)系數(shù)為0.95)。Zerr(1997)和Roberts and Stewart(2008)也發(fā)現(xiàn)有類似的結(jié)果(相關(guān)系數(shù)為0.85和0.93)。冷層厚度和冷層最低溫度相關(guān)性較弱(-0.52),與Zerr(1997)和Roberts and Stewart(2008)得到冷層厚度和冷層最低溫度相關(guān)性較弱(-0.71和-0.49)的結(jié)果類似。如果區(qū)分冰粒和凍雨情況,冰粒的冷層厚度和冷層最低溫度相關(guān)系數(shù)為-0.78,凍雨的冷層厚度和冷層最低溫度相關(guān)系數(shù)為-0.35。

因此,融化層的特征對決定地面的降水相態(tài)更關(guān)鍵。由于暖層厚度與暖層最高溫度相關(guān)性較強(qiáng),使用暖層厚度或暖層最高溫度均可大致代表融化層特征。由于冷層厚度和冷層最低溫度相關(guān)性相對較弱,對冷層使用冷層厚度和冷層最低溫度可能無法準(zhǔn)確表示其真實特征。故引入1.2節(jié)的融化參數(shù)和凍結(jié)參數(shù)來輔助表征暖冷層的強(qiáng)弱。

在融化機(jī)制下能形成冰粒或凍雨。但是形成冰粒和凍雨所需的冷層和暖層環(huán)境配置是不同的。如圖7a所示,冰粒發(fā)生時暖層比凍雨的暖層要弱,冰粒發(fā)生時冷層比凍雨的冷層要強(qiáng)。冰粒發(fā)生時暖層厚度最大不超過1 250 m(平均為539 m),而凍雨發(fā)生時暖層厚度最大可達(dá)1 600 m(平均為654 m)。冰粒發(fā)生時冷層平均厚度為1 714 m,而凍雨發(fā)生時冷層平均厚度為1 320 m。

圖6　冰粒和凍雨的暖層厚度和暖層最高溫度(a)和冷層厚度和冷層最低溫度(b)對比Fig.6　The (a)depths of the melting layer and maximum temperature and (b)depths of the lower sub-freezing layer and the minimum temperature when ice pellets and freezing rain were observed

圖7　冰粒和凍雨的暖層和冷層對比(實線為融化參數(shù)與凍結(jié)參數(shù)等值線)　　a.厚度對比;b.融化參數(shù)與凍結(jié)參數(shù)對比Fig.7　The characteristics of the melting layer and sub-freezing layer when ice pellets and freezing rain were observed:(a)depth of the melting layer vs.depth of the sub-freezing layer;(b)melting parameter vs.freezing parameter (the line mean the melting parameter equals the freezing parameter)

但是,在冷層較薄、暖層較厚的情況下也有發(fā)生冰粒的情況(圖7中的1和2)。此時,高空的冷層非常強(qiáng),此時高空冷層形成的雪或冰晶,經(jīng)過暖層時部分融化,后在經(jīng)過低空的弱冷層后降落到地面。此時冰粒的融化參數(shù)小于凍結(jié)參數(shù)(如圖7b中1和2所示)。這種情況在Zerr(1997)和Roberts and Stewart(2008)的研究中也觀測到類似情況。

在融化機(jī)制下,凍雨和冰粒的凍結(jié)參數(shù)(平均分別為4 172和5 527 ℃m)大于融化參數(shù)(平均為1 147和434 ℃m),并且凍雨的融化參數(shù)大于冰粒的融化參數(shù),此時高空形成的冰晶或雪花能充分融化變?yōu)橛?在經(jīng)過低空的冷層過冷卻成凍雨。

在其他機(jī)制下,凍雨的凍結(jié)參數(shù)也大于融化參數(shù)(差值為450和3 920 ℃m,如圖7b中的3和4)。但,此機(jī)制下冰粒的凍結(jié)參數(shù)(平均為15 805 ℃m)遠(yuǎn)大于融化參數(shù)(平均為470 ℃m)。在冷層形成的冰粒在經(jīng)過暖層時只能部分融化,仍能以冰粒的形式降落到地面。

總體而言,冰粒的融化參數(shù)一般小于凍雨的融化參數(shù),但冰粒的凍結(jié)參數(shù)一般大于凍雨的凍結(jié)參數(shù)。

2.3冰粒過程的氣象要素變化

通過判斷冰粒發(fā)生前12 h內(nèi)的溫度與冰粒開始時溫度的正負(fù)(或冰粒結(jié)束后12 h內(nèi)的溫度與冰粒結(jié)束時溫度的正負(fù)),比較冰粒發(fā)生前后溫度的變化趨勢(壓強(qiáng)、濕度、風(fēng)等各氣象要素采用類似方法)。統(tǒng)計各要素的變化趨勢如圖8所示。由圖8可見,在冰粒天氣發(fā)生之前一般溫度逐漸降低,表明大多數(shù)的冰粒天氣都伴隨冷鋒的活動。在冰粒天氣發(fā)生之前氣壓一般逐漸升高,冰粒發(fā)生前后濕度一般比較大,在冰粒發(fā)生期間風(fēng)速變化比較小。

圖8　冰粒發(fā)生前后12 h的氣象要素變化趨勢　　a.溫度;b.氣壓;c.溫度露點差;d.風(fēng)速(>0表示趨勢升高,=0表示趨勢不變,<0表示趨勢降低)Fig.8　The trend of (a)temperature,(b)pressure,(c)depression of dew point,and (d)wind speed,in the 12 h before and after an observation of ice pellets (>0 indicates an upward trend;=0 indicates no change;<0 indicates a downward trend)

在冰粒天氣發(fā)生前12～4 h有一半以上(50.3%)溫度是降低的,溫度升高的不到20%。在持續(xù)時間超過1 h的冰粒天氣中,冰粒開始和結(jié)束時溫度對比是降低的有25例(占總數(shù)的53.2%)。在發(fā)生前12 h內(nèi)溫度增溫最大可達(dá)7 ℃(平均4.3 ℃),而在發(fā)生前12 h內(nèi)降溫最大可達(dá)-10 ℃(平均可達(dá)-8.2 ℃)。在冰粒發(fā)生前后2 h左右溫度變化比較少,在冰粒發(fā)生期間溫度保持不變的達(dá)82.2%。在冰粒發(fā)生4 h后,會有一定幅度的降溫或升溫。

氣壓的變化趨勢與溫度類似。在冰粒天氣發(fā)生之前氣壓一直降低,在冰粒發(fā)生前后2 h左右氣壓變化比較少,在冰粒發(fā)生期間氣壓保持不變。在持續(xù)時間超過1 h的冰粒天氣中,冰粒開始和結(jié)束時氣壓對比是降低的有28例(占總數(shù)的59.6%)。在冰粒發(fā)生后2 h氣壓仍以繼續(xù)升高為主。

溫度露點差在冰粒天氣發(fā)生之前以減少為主,在冰粒天氣前3 h溫度露點差中值為3 ℃(平均值為3.1 ℃),空氣已接近飽和狀態(tài)。在冰粒發(fā)生期間溫度露點差保持不變,中值為1 ℃(平均值為2.0 ℃),在冰粒結(jié)束后溫度露點差逐漸變大,但到冰粒發(fā)生12 h后,溫度露點差慢慢恢復(fù)到中值為3 ℃(平均值為3.4 ℃)。

風(fēng)速在冰粒天氣來臨之前變化不定,風(fēng)速平均為4.3 m/s,最大可達(dá)12 m/s;在冰粒發(fā)生時風(fēng)速變化較小,風(fēng)速平均為4.2 m/s,風(fēng)速中值為4 m/s;冰粒結(jié)束后風(fēng)速減弱的占多數(shù),風(fēng)速平均為3.7 m/s,風(fēng)速中值為3 m/s,風(fēng)速最大可達(dá)12 m/s。

冰粒發(fā)生前后12 h的天氣變化趨勢如圖9所示。冰粒發(fā)生前12～3 h以晴空為主,如果伴隨其他天氣則以輕霧、雨和雪為主(累計占51.0%～88.1%)。在冰粒發(fā)生前2～1 h,出現(xiàn)輕霧、雨和雪三種天氣的比例達(dá)93.8%～99.2%。冰粒結(jié)束后4 h,以晴空的比例最高。冰粒結(jié)束后12 h,天氣轉(zhuǎn)晴空的比例占66.7%。

圖9　冰粒發(fā)生前后的天氣變化概率Fig.9　Frequency of precipitation types associated with ice pellets in the 12 h before and after an event

冰粒發(fā)生期間常伴隨其他天氣(有388例,占67.5%),僅有冰粒而不伴隨其他天氣的有187例(占32.5%)。并且冰粒常伴隨輕霧(45.4%)或雨(34.1%)。伴隨雪的僅占2.1%。

冰粒發(fā)生前12 h內(nèi)任一時間內(nèi)出現(xiàn)雪的次數(shù)共有79例(32.4%),但冰粒發(fā)生期間伴隨雪的很少(2.1%),在冰粒發(fā)生后12 h內(nèi)任一時間出現(xiàn)雪的次數(shù)共有127例(52.0%),表明有近一半的冰粒轉(zhuǎn)為雪。

在冰粒發(fā)生前后的降水變化非常復(fù)雜,可以從晴空變?yōu)楸?后變?yōu)檠?。也可能從薄霧、雨或雪變?yōu)楸?后在幾小時內(nèi)可能再次轉(zhuǎn)變。表明不同冰粒天氣事件之間地面降水的變化也是不同的。

3結(jié)論與討論

本文利用我國民航機(jī)場觀測資料以及探空資料,對冰粒地面環(huán)境特征,垂直特征以及氣象要素在冰粒天氣過程中的變化特征進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1)冰粒天氣的分布與緯度有明顯的關(guān)系。冰粒天氣集中分布在中緯度的黃河下游和長江中下游地區(qū)。在冰粒的發(fā)生次數(shù)與其持續(xù)時間相關(guān)性不強(qiáng),在少發(fā)區(qū),其持續(xù)時間也可能較長。我國冰粒天氣在1—2月比較常見,但冰粒天氣發(fā)生的月份在我國各地區(qū)差別比較顯著。單次冰粒天氣過程的持續(xù)時間比較短,一般不超過1 h。

2)冰粒天氣大多發(fā)生在地面溫度-4～4 ℃范圍,其中0～3 ℃范圍更常見,在1 ℃發(fā)生的頻次最大。冰粒天氣常發(fā)生在露點溫度-5～2 ℃范圍內(nèi),露點溫度在0 ℃時最容易發(fā)生冰粒。溫度露點差在0～3 ℃范圍是容易發(fā)生冰粒天氣,溫度露點差在1 ℃時最容易發(fā)生冰粒天氣。冰粒發(fā)生時的平均風(fēng)速在2～7.9 m/s、4～5.9 m/s出現(xiàn)的比例最大。我國冰粒天氣發(fā)生時,同時常會有輕霧或無其他天氣情況。一般很少伴隨有雪。

3)我國冰粒天氣以融化機(jī)制和暖雨機(jī)制為主。在低空為弱暖層的情況下也能形成冰粒,在這種溫度結(jié)構(gòu)下,空中形成雪和冰粒,冰粒子在下落時經(jīng)過低空的暖層,部分融化,以冰粒的形式最終降落到地面?？傮w而言,冰粒的融化參數(shù)一般小于凍雨的融化參數(shù),但冰粒凍結(jié)參數(shù)一般大于凍雨的凍結(jié)參數(shù)。

4)在冰粒天氣發(fā)生之前一般溫度逐漸降低。在冰粒天氣發(fā)生之前氣壓一般逐漸升高,冰粒發(fā)生前后濕度一般比較大,在冰粒發(fā)生期間風(fēng)速變化比較小。在冰粒發(fā)生前后的降水變化復(fù)雜多變。

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By studying the characteristics of ice pellets,it is possible to understand freezing weather more comprehensively.Such research also contributes to freezing-weather warning and forecasting capabilities.However,due to a lack of observational data,among other concerns and reasons,there has been little relevant research on ice particles in China.Accordingly,in the present study,a comprehensive analysis of the characteristics of the spatiotemporal distribution and duration of ice-pellet precipitation,along with associated ground-level meteorological variables,was conducted using data from hourly or half-hourly surface observations and special observations of Chinese civil airports during the years 2011—2013.By matching the airport ground observations from airports with radiosonde data during the study period,the characteristics of the vertical atmospheric environment were analyzed.

It was found that latitude had a very important influence on the distribution of ice pellets.Ice pellets were mostly distributed in midlatitude areas,including the lower reaches of the Yellow River and the middle and lower reaches of the Yangtze River.There was no substantial correlation between the occurrence and duration of ice pellets.Events may last for a relatively long time where ice-pellet precipitation is rare.Ice-pellet precipitation occurred most often from January to February,and regional differences were found to exist.Ice pellets occurred frequently in January in southern and southwestern regions;and in February in midlatitudes.In the northeast,the peak month for ice pellets was April,while it was March in the north.

The duration of a single ice-pellet event was relatively short—mostly less than 2 hours.In the observation data,the number of single ice-pellet events that lasted less than 2 hours was 196,which was 87.50% of the total;Meanwhile,the number that lasted less than 1 hour was 152,which was 67.86% of the total.In addition,the number of single ice-pellet events that lasted more than 2 hours decreased exponentially:the number lasting more than 4 hours was 9 (less than 5% of the total);the number lasting more than 6 hours was only 2 (less than 2% of the total).

Ice pellets mostly occurred within the surface temperature range of -4 ℃ to 4 ℃.Therein,their occurrence was most common at 0—3 ℃ and within that range,most often at 1 ℃.Ice pellets often occurred at the dew-point temperature within the range of -5 ℃ to 2 ℃and most often at the dew-point temperature of 0 ℃.When the range of the depression of dew point dropped to 0—3 ℃,conditions were highly conducive to the occurrence of ice pellets;and when the depression was 1 ℃ they occurred most frequently.

Ice-pellet precipitation in China is often mixed with mist(45% in total),rain(34% in total),and seldom with snow(only 2% in total).However,freezing rain in China is often mixed with snow (17% of the total).The weather phenomenon of ice pellets in China is significantly different from that in the USA and Canada,in which the proportion of snow(37%) is significantly different.In China,ice-pellet precipitation is mostly caused by the melting mechanism and the warm-rain mechanism.Ice pellets can form if there is only partial melting of snow or ice pellets in the lower weak melting layer,allowing precipitation to eventually fall to the ground in the form of ice pellets.Overall,the melting parameter of ice pellets is less than that for freezing rain,while the freezing parameter of ice pellets is more than that for freezing rain.The temperature decreases,while pressure increases,before the occurrence of ice pellets.The wind speed changes were found to be small throughout ice-pellet events,and accompanied by nearly saturated conditions before and after the event.The evolution of precipitation types during ice-pellet events was found to be variable and complex.

ice pellet;sounding data;meteorological conditions;formation mechanism;China

(責(zé)任編輯：張福穎)

Statistical analysis of observed properties of ice-pellet precipitation in China

LI Jie1,2,3,GUO Xuliang1,4,SHENG Rifeng5,LI Xingyu1

1LaboratoryofCloudandPrecipitationandSevereStorms,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,CollegeofCivilAviation,Nanjing211106,China;4ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China;5ShandongWeatherModificationOffice,Jinan250031,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140418032

引用格式:李杰,郭學(xué)良,盛日峰,等.2016.我國冰粒降水天氣的觀測特征統(tǒng)計分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,39(3):349-360.

LiJ,GuoXL,ShengRF,etal.2016.Statisticalanalysisofobservedpropertiesofice-pelletprecipitationinChina[J].TransAt-mosSci,39(3):349-360.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130427001.(inChinese).

*聯(lián)系人，E-mail:guoxl@mail.iap.ac.cn