劉 娜 張 健 王昆鵬 蔡檸澤

（1.白山市氣象局，吉林白山 134300；2.吉林省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，吉林長春 130062；3.松原市氣象局，吉林松原 138000）

1 引言

凍雨也叫雨凇，是冬季降水中的一種天氣現(xiàn)象。它在地物上凍結(jié)并積累，能壓斷電線，造成供電和通信中斷，嚴(yán)重的凍雨會(huì)壓塌房屋，壓斷樹木，凍死農(nóng)作物，凍雨造成的地面結(jié)冰對(duì)交通也有極嚴(yán)重的影響。多年來科研工作者對(duì)凍雨做了大量分析，我國凍雨出現(xiàn)最多地區(qū)是貴州省，根據(jù)對(duì)大量?jī)鲇晏鞖馓娇涨€的分析，初步認(rèn)為凍雨天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)可分為冰晶層、暖層、冷層等。凍雨天氣預(yù)報(bào)在一般性降水分析基礎(chǔ)上，著重做好特殊溫度層結(jié)的預(yù)報(bào)，即中空（700hPa）附近和低空（850hPa）冷層的預(yù)報(bào)[1]。周后福等[2]通過分析江淮地區(qū)多年的凍雨資料，指出凍雨形成必須是冷暖層同時(shí)存在，且可分為“先暖后冷”和“先冷后暖”兩種類型，探空曲線的平均狀況呈逆濕結(jié)構(gòu)。王崇洲等[3]指出，凍雨預(yù)報(bào)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中空（700hPa）附近增溫和低空（850hPa）以下的降溫。溫度層結(jié)是凍雨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵[4-12]。北方凍雨出現(xiàn)頻次比南方偏少，預(yù)報(bào)指標(biāo)凝練的相應(yīng)較少。吉林省冬季常見的是暴雪天氣或雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪天氣，有時(shí)會(huì)伴有大風(fēng)、寒潮等惡劣天氣[13-14]。2020年11月中旬吉林省出現(xiàn)罕見暴雨、暴雪、凍雨等災(zāi)害性天氣過程，本文對(duì)此次罕見雨雪冰凍天氣過程進(jìn)行診斷分析，重點(diǎn)分析雨雪冰凍天氣成因，為今后此種災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)服務(wù)提供有利技術(shù)支撐。

2 天氣實(shí)況

受江淮氣旋北上影響，2020年11月17日12時(shí)—20日11時(shí)，吉林省出現(xiàn)明顯雨雪冰凍天氣，強(qiáng)雨雪主要出現(xiàn)在18—19日。降水主要分3個(gè)區(qū)域，吉林省西部以雪為主；中部為雨或凍雨轉(zhuǎn)大到暴雪，轉(zhuǎn)雪時(shí)間為19日凌晨到上午；其他大部地區(qū)則以雨為主，19日午后到傍晚才陸續(xù)轉(zhuǎn)為小到中雪。全省過程平均降水量39.6mm；累計(jì)最大降雪量和最大積雪深度均出現(xiàn)在長嶺縣，分別為37.7mm和38cm；共出現(xiàn)12站暴雪或大暴雪，12站暴雨；長春、四平、吉林北部、延邊北部出現(xiàn)冰凍災(zāi)害。這場(chǎng)罕見雨雪冰凍天氣給吉林省帶來嚴(yán)重影響。一是對(duì)交通運(yùn)輸造成直接影響，部分地方機(jī)場(chǎng)航班取消、高速公路封閉、鐵路列車和客運(yùn)班車停運(yùn)。二是造成了部分區(qū)域電力和通信線路受損、樹木折斷，嚴(yán)重影響企業(yè)、居民生產(chǎn)生活。三是增大了設(shè)施農(nóng)業(yè)管理、秋糧存儲(chǔ)管護(hù)等工作難度。

3 天氣背景場(chǎng)分析

3.1 大尺度環(huán)境特征分析

造成本次大范圍雨雪冰凍天氣過程的主要影響系統(tǒng)有500 hPa高空槽、高低空急流、中低空切變線及地面江淮氣旋。從11月18日08時(shí)的高低空形勢(shì)場(chǎng)（圖1）可以看出，中高緯度地區(qū)有南北兩個(gè)低槽，貝加爾湖地區(qū)低槽強(qiáng)度呈負(fù)距平，較歷年同期異常偏強(qiáng)，槽后大量冷空氣在西北氣流作用下向中低緯度地區(qū)輸送。槽呈疏散形勢(shì)，有利于低槽在東移動(dòng)過程中發(fā)展加強(qiáng)，環(huán)流經(jīng)向度加深，冷空氣加強(qiáng)；同時(shí)有利于槽前暖濕氣流向北輸送，冷暖空氣在吉林省上空交匯。日本海上副熱帶高壓脊異常偏強(qiáng)，低槽東移過程中受阻，有利于降水系統(tǒng)長時(shí)間維持。槽前正渦度平流作用下有利于低層系統(tǒng)的發(fā)展和上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，低槽強(qiáng)度加強(qiáng)，槽前西南引導(dǎo)氣流進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于引導(dǎo)地面低值系統(tǒng)不斷向東北方向移動(dòng)。地面主要受江淮氣旋北上影響，江淮氣旋在高空槽前和副熱帶高壓后部西南引導(dǎo)氣流和槽前正渦度平流共同作用下，向東北移動(dòng)過程中不斷發(fā)展加強(qiáng)。18日08時(shí)地面圖上，江淮氣旋中心強(qiáng)度1010hPa；19日02—05時(shí)氣旋強(qiáng)烈發(fā)展，中心氣壓值達(dá)到1000hPa。同時(shí)蒙古地區(qū)冷高壓中心強(qiáng)度一直維持在1030hPa左右，穩(wěn)定少動(dòng)。冷暖空氣在吉林省上空交匯，隨著系統(tǒng)發(fā)展、鋒區(qū)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，19日02—05時(shí)降水強(qiáng)度加強(qiáng)；隨著冷空氣不斷推進(jìn)，大氣層結(jié)轉(zhuǎn)變，降水相態(tài)也隨之轉(zhuǎn)換。

圖1 2020年11月18日08時(shí)500hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)（a，陰影區(qū)為距平場(chǎng)，單位：gpm）和海平面氣壓場(chǎng)（b，陰影區(qū)為距平場(chǎng)，單位：hPa；白色方框?yàn)槲鞑麃喐邏罕O(jiān)測(cè)范圍）

3.2 強(qiáng)降水產(chǎn)生的物理成因

3.2.1 動(dòng)力條件

低空急流在強(qiáng)降水過程中起著至關(guān)重要的作用，不僅將水汽、能量源源不斷向降水區(qū)輸送，同時(shí)急流頭部風(fēng)向、風(fēng)速輻合，有利于低層上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和加強(qiáng)。低空急流左前方如處于高空急流入口區(qū)右側(cè)或出口區(qū)左側(cè)，低層輻合與高層輻散場(chǎng)疊加，高低層急流耦合抽吸作用，有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的維持。19日02時(shí)是本次強(qiáng)降水集中時(shí)次，從高低空風(fēng)場(chǎng)疊加可以看出，本次降水過程中高空200hPa存在2支較強(qiáng)急流（圖2a），北部高空急流核區(qū)最強(qiáng)風(fēng)速達(dá)65m/s；南部達(dá)60m/s。吉林省中西部地區(qū)位于北部高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)內(nèi)；吉林省中東部地區(qū)位于南部高空急流出口區(qū)左側(cè)輻散區(qū)內(nèi)。從低層850hPa風(fēng)場(chǎng)（圖2a）可以看出，本次降水低空存在明顯西南風(fēng)急流，吉林省中東部地區(qū)位于急流頭部風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi)；而吉林省中西部地區(qū)位于急流左側(cè)冷式切變線輻合區(qū)內(nèi)。低層風(fēng)速和風(fēng)向輻合，有利于水汽和能量的集聚，同時(shí)與高空急流產(chǎn)生的輻散場(chǎng)相疊加，有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和維持。

圖2 2020年11月19日02時(shí)200hPa急流（a.陰影，單位：m/s）、850hPa高度場(chǎng)（a.黑實(shí)線，單位:dagpm）、風(fēng)場(chǎng)（a.風(fēng)桿，單位：m/s）和700hPa垂直速度距平場(chǎng)（b.單位：Pa/s）

19日02時(shí)700hPa垂直速度距平場(chǎng)（圖2b）也驗(yàn)證了吉林省大部分地區(qū)處于垂直上升運(yùn)動(dòng)負(fù)距平區(qū)。異常強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)與前面高低空急流耦合位置基本對(duì)應(yīng)，高層輻散、低層輻合中心配合較好，導(dǎo)致中低空存在明顯上升運(yùn)動(dòng)大值中心，特別是在121°E～125°E異常強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)中心達(dá)-0.7Pa/s。在有利的大尺度環(huán)流背景下，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)長時(shí)間維持，為強(qiáng)降水產(chǎn)生提供了關(guān)鍵的動(dòng)力因子。

3.2.2 水汽條件

初冬時(shí)節(jié)，水汽輸送對(duì)東北地區(qū)降水至關(guān)重要，異常強(qiáng)的水汽輸送和足夠大的絕對(duì)水汽含量是強(qiáng)降水產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。從水汽通量來看，本次降水中低層水汽輸送強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，特別是在18日20時(shí)—19日11時(shí)（圖3a），隨著西南急流的建立和加強(qiáng)，中低層水汽輸送強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，強(qiáng)中心達(dá)到21g·cm-1·hPa-1·s-1，充沛的水汽源源不斷向降水區(qū)輸送。從絕對(duì)水汽含量看，本次降水整層大氣可降水量達(dá)到40～50mm，吉林省南部暴雨區(qū)850hPa比濕為8～10g/kg，中部?jī)鲇陞^(qū)比濕為5～7g/kg，西部暴雪區(qū)比濕為2～4g/kg，比濕均達(dá)到吉林省暴雨、暴雪閾值標(biāo)準(zhǔn)，且與歷年同期相比，比濕值異常大，在后面探空曲線也顯示，本次降水濕層深厚。配合西南急流和切變線將暖濕氣流源源不斷向降水區(qū)輸送，急流前端風(fēng)向、風(fēng)速輻合形成異常強(qiáng)的水汽輻合中心（圖3b）。

圖3 2020年11月18日08時(shí)—20日08時(shí)850hPa水汽通量沿125°E時(shí)間剖面（a.單位：g·cm-1·Pa-1·s-1）和19日02時(shí)850hPa風(fēng)場(chǎng)（b.單位：m/s）、比濕（b.單位：g/kg）、水汽通量散度（b.陰影，單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）

3.2.3 能量及不穩(wěn)定條件

本次強(qiáng)降水前期大氣異?；嘏瑸榻邓峁┝溯^好的能量條件。從長春站的假相當(dāng)位溫時(shí)間—空間垂直分布情況可以看出，強(qiáng)降水過程中，中低層存在明顯的能量鋒區(qū)，且最低鋒區(qū)延伸至近地面附近。等θse隨時(shí)間演變明顯變得密集，18日夜間強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，說明冷暖空氣交匯強(qiáng)烈；19日白天低層鋒區(qū)減弱消失，降水強(qiáng)度減弱（圖4a）。從長春站假相當(dāng)位溫時(shí)間廓線可以看出，降水期間中層假相當(dāng)位溫隨高度整體變化不大，大氣為對(duì)流中性層結(jié)或穩(wěn)定層結(jié)，降水以穩(wěn)定性降水為主（圖4b）。

圖4 長春站2020年11月18日20時(shí)—19日20時(shí)假相當(dāng)位溫隨高度變化時(shí)序（a，單位：k）和17日20時(shí)—19日20時(shí)假相當(dāng)位溫垂直廓線（b，單位：k）

4 降水相態(tài)成因分析

4.1 溫度場(chǎng)特征

本次強(qiáng)降水過程主要分3個(gè)區(qū)域。11月18—19日雨雪冰凍天氣過程期間，降水相態(tài)呈現(xiàn)多樣性，期間存在雨、雨夾雪、雪、凍雨等相態(tài)的轉(zhuǎn)變。此次降水過程18日夜間，環(huán)流形勢(shì)和物理量條件配合最好，為降水最強(qiáng)時(shí)段。大氣的溫度垂直結(jié)構(gòu)直接決定降水類型，吉林省不同區(qū)域溫度層結(jié)配置不同，選取長嶺站、長春站和白山站作為暴雪區(qū)、凍雨區(qū)和暴雨區(qū)代表站，對(duì)其溫度垂直廓線進(jìn)行分析。從三站18日08時(shí)—19日14時(shí)溫度垂直廓線可以看出，降水過程前期整層大氣溫度較降水后期明顯偏高，指示降水過程中前期回暖后期有冷空氣侵入。長嶺站（圖5a）18日08時(shí)—19日14時(shí)降水期間，從地面到高空整層溫度均在0℃以下，長嶺站降水相態(tài)為純雪。

圖5 長嶺站（a）、長春站（b）、白山站（c）2020年11月18日08時(shí)—19日14時(shí)溫度垂直廓線

出現(xiàn)凍雨的長春站（圖5b），降水相態(tài)經(jīng)歷雨—凍雨—雨夾雪—雪的過程，降水相態(tài)異常復(fù)雜，冰凍災(zāi)害嚴(yán)重。從溫度垂直廓線可以看出，18日08—20時(shí)地面至800hPa氣溫均在0℃以上，存在逆溫，整層為高于0℃的暖云，降水以雨為主。18日20時(shí)—19日08時(shí)，700—850hPa為暖層，暖層最高溫度達(dá)到最大值5℃左右；此時(shí)在500—700hPa溫度均在0℃以下，形成冰晶凝結(jié)物；850hPa至近地面為過冷卻層，近地表氣溫在-3℃左右。冰晶層下落固體降水物，在下落過程中遇到低層暖層開始融化，進(jìn)入近地面過冷卻層，液態(tài)降水物在近地面0℃以下物體上直接形成凍雨。19日08時(shí)之后，850hPa等溫線降至0℃以下，中空暖層消失，冷空氣迅速推進(jìn)，降水相態(tài)由凍雨轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪。

白山站（圖5c）18日08時(shí)—19日14時(shí)為逐步降溫趨勢(shì)，19日14時(shí)降水主體基本結(jié)束時(shí)800hPa氣溫在0℃左右，地面氣溫為6℃左右，所以降水為純雨。

從溫度層結(jié)垂直廓線剖析降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，長嶺站（圖6a）18日08時(shí)之前，降水前期地面至850hPa中低層氣溫明顯回升，為降水提供了較好的前期暖墊條件。18日白天隨著925hPa和850hPa淺薄冷空氣緩慢侵入，降水開始，此時(shí)地面和850hPa溫度均在0℃以下，特別是850hPa溫度在-2～0℃，925hPa溫度在-6～0℃，地面溫度為-2～-1℃。19日夜間隨著500hPa和700hPa強(qiáng)冷空氣推進(jìn)，上冷下暖的溫度層結(jié)，為強(qiáng)降水產(chǎn)生提供了有利的熱力條件。吉林省中西部地區(qū)溫度層結(jié)滿足降雪指標(biāo)，以純雪為主。

長春站（圖6b）降水相態(tài)復(fù)雜，18日白天出現(xiàn)降雨天氣，夜間轉(zhuǎn)為凍雨；19日白天為雨夾雪轉(zhuǎn)雪天氣。18日14時(shí)之前850hPa至地面溫度均在0℃之上，降水以雨為主。18日14時(shí)之后925hPa和地面溫度直線下降，氣溫均低于0℃；此時(shí)850hPa形成一個(gè)暖層，850hPa氣溫繼續(xù)升高。19日01時(shí)850hPa氣溫達(dá)到最大值，為5℃左右。此時(shí)在500—700hPa形成的冰晶凝結(jié)物在下落過程中，遇到低層暖層開始融化后，經(jīng)過近地面過冷卻層，在地表0℃以下物體上直接形成凍雨。隨著19日08時(shí)之后850hPa等溫線降至0℃以下，中空暖層消失，冷空氣迅速推進(jìn)，降水相態(tài)由凍雨轉(zhuǎn)為雪。19日夜間之后，受冷高壓控制全省水汽條件轉(zhuǎn)差，降水基本結(jié)束。

白山站（圖6c）19日08時(shí)之前，整層溫度為回暖趨勢(shì)，850hPa溫度在5～10℃，925hPa和地面溫度為10～15℃。19日08時(shí)之后高、中、低層冷空氣迅速推進(jìn)，氣溫直線下降，19日14時(shí)500hPa和700hPa氣溫達(dá)-18℃和-5℃，中低層氣溫在0℃左右。由于冷空氣推進(jìn)較快，降水性質(zhì)由雨轉(zhuǎn)為雪，雨夾雪比重較少。

圖6 長嶺站（a）、長春站（b）、白山站（c）2020年11月17日20時(shí)—19日20時(shí)溫度時(shí)間序列

4.2 探空曲線特征

研究代表站的探空曲線產(chǎn)品，對(duì)比不同相態(tài)降水大氣層結(jié)特征，重點(diǎn)分析吉林省凍雨的形成條件，對(duì)探空曲線的冰晶層、暖層、飽和層、冷層等進(jìn)行分析。長春站逆溫層與其上的冰晶層形成“下暖上冷”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于形成上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致降水發(fā)生；同時(shí)逆溫層又與其下的冷層形成“下冷上暖”的穩(wěn)定層結(jié)，對(duì)冷層的維持有利。對(duì)流層中、下層的大氣呈飽和或準(zhǔn)飽和狀態(tài)，飽和層頂位于暖層之上，對(duì)流層中層有接近飽和的冰晶層，冰晶層底部的高度約為675hPa，平均厚度為2.1km。適當(dāng)?shù)呐瘜樱ㄈ诨瘜樱囟?、厚度和底部高度?duì)凍雨的形成非常重要，暖層底部的平均高度為834hPa。冷層厚度、溫度及地面最低氣溫的變化對(duì)凍雨的形成有直接影響。長春站冷層平均厚度為0.8km左右；平均最低溫度為-3℃左右；平均地面最低溫度為-2℃左右。中層有冰水轉(zhuǎn)化過程，雨滴遇到冷的下墊面，發(fā)生凝凍，抬升凝結(jié)高度升高，云內(nèi)溫度降低，＜10℃的冰雪區(qū)的高度降低，冰雪層增厚，云中的冰雪物降落到地面的行程縮短。19日02時(shí)925—1 000hPa溫度持續(xù)降低，并維持在0℃以下，850hPa溫度＞0℃，低層為冰凍層，中層為融化層，導(dǎo)致長春站產(chǎn)生凍雨。此次過程，長春站發(fā)生凍雨的層結(jié)特征是中高層有接近飽和的凍結(jié)層，有利于形成冰晶和雪；凍結(jié)層下有一定厚度的融化層，可使固態(tài)降水粒子融化；近地層有一定厚度的冷層，且低層的相對(duì)濕度比較高，近地面風(fēng)速比較?。?m/s左右），有利于近地面的過冷水滴凍結(jié)形成凍雨。由上可見，凍雨與溫度、濕度、風(fēng)有關(guān)，深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層濕度較大的冷層是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。

5 結(jié)語

（1）本次強(qiáng)降水是受到貝加爾湖強(qiáng)冷空氣和黃、渤海暖濕氣流的共同影響而形成的。高空急流的輻散區(qū)和中低層急流及地面北上江淮氣旋形成深厚的耦合區(qū)，導(dǎo)致強(qiáng)大的大尺度上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生和長時(shí)間的維持。低層能量鋒生強(qiáng)迫產(chǎn)生持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)，有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。異常強(qiáng)的低層暖濕急流將充沛的水汽輸送到強(qiáng)降水區(qū)上空，整層水汽充沛，為強(qiáng)降水提供了充足的水汽。

（2）低層西南急流的建立和加強(qiáng)將黃、渤海暖濕氣流源源不斷地向降水區(qū)輸送，與槽后干冷空氣交匯，為降水的產(chǎn)生提供了有利的能量、動(dòng)力、水汽和凝結(jié)條件。

（3）凍結(jié)層、融化層以及低層過冷卻層的分析是凍雨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。長春站發(fā)生凍雨的層結(jié)特征是中高層有接近飽和的冷層，凍結(jié)層有利于形成冰晶和雪；凍結(jié)層下有一定厚度的融化層可使固態(tài)降水粒子融化；近地層有一定厚度的冷層，且低層的相對(duì)濕度比較高，近地面風(fēng)速較小，有利于近地面的過冷水滴凍結(jié)形成凍雨。深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層濕度較大的冷層是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。