一种浙江省冻雨落区的推算方法

2008年初浙江省出现全省性的大范围强冻雨天气,在输电线路上形成很厚的覆冰,致使浙江电网遭受巨大的损失。然而,浙江省却仅有三分之一的气象站观测到冻雨,持续时间也很短。本文利用全球再分析资料ERA-Interim结合浙江电网覆冰灾情资料,分析了2008和2013年的两次强冻雨过程。研究表明浙江省强冻雨发生时具备冷暖冷的层结结构,且中间暖层气温0℃,但相比湖南省,浙江省的暖层中心气温稍低,下层冷层厚度略厚,暖层中的液态水进人到下层冷层后易被冻结,落到低海拔地面为冰粒,或者低海拔地面层气温高于0℃,冻雨落到地面为降雨,所以冻雨期间浙江省绝大多数气象站(海拔在200 m以下)观测不到雨凇,观测到的多是冰粒或降雨;而在海拔较高的山区,冷层厚度变薄,液态水被冻结的概率大大降低,而且山区地面气温多低于0℃,有利于冻雨落在山区地面形成雨凇,因此浙江省冻雨多出现在浙中海拔400 m以上和浙南海拔600 m以上的山区。根据浙江省冻雨的特点,采用全球再分析资料进行冻雨落区推算,结果与浙江电网实际的覆冰灾情吻合得较好。本研究利用输电线路覆冰厚度确定冻雨强弱和分布,采用再分析资料推算冻雨落区,为地形起伏度较大的省份开展冻雨研究,进行冻雨监测和预报提供一条新的思路。     

中国南方地区冻雨落区分析及推算

基于改进的层结分析法,对2008—2019年我国出现的5次严重冻雨过程的冻雨落区及冻雨出现的海拔高度进行了推算,并利用全国地面2000多个地面测站的雨凇观测数据及电网覆冰灾情资料进行了验证。改进算法后推算的冻雨落区不仅涵盖了地面观测的雨凇分布区域,还涵盖了无雨凇观测但出现严重冻雨灾情的山区,且推算的冻雨出现海拔高度与实际灾情出现高度也较为一致,从而较好地解释了复杂地形条件下出现明显冻雨灾情而未见地面雨凇观测记录的现象。推算获取的5次冻雨落区叠加后表明:中国南方地区存在一条从贵州、湖南、江西到浙江,自西向东、冻雨频次由高到低的冻雨带。该冻雨带往北可发展到达四川、重庆、湖北、安徽南部,往南则可抵达云南、广西、广东和福建北部,其南部分布边缘与我国南方山脉走向较为一致。冻雨区域上空普遍存在"冷-暖-冷"的层结特征,而在浙江省,广西、广东和福建三省(自治区)的北部等地形起伏度较大的地区,则具有"暖-冷-暖-冷"的层结特点,即近地面存在气温高于0℃的浅薄暖层。因而,浙江省和福建北部的冻雨主要出现在海拔高度为300～400 m以上的山区,广西东北部和广东西北部还受深厚暖层影响,冻雨多出现在海拔高度为300～1 300 m的山腰区域。     

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。     

2018年初安徽省沿江地区输电线路舞动天气成因分析

基于逐5 min地面气象要素观测数据、逐日气象观冰站电线覆冰观测数据、安庆站逐12 h探空观测资料以及逐6 h ERA-Interim再分析资料,对2018年初安徽省沿长江及跨江线路电线舞动过程中气象要素进行分析,并对导致电线覆冰和大风的天气成因进行探讨。结果表明:舞动位置附近出现不同程度冻雨导致的电线覆冰,并伴有较强的东北风,极大风速风向与舞动线路夹角多在45°以上,冻雨和大风是导致此次输电线路舞动的直接因素;此次输电线路舞动发生伴随的冻雨属于典型的"过冷暖雨";700 h Pa南支槽前西南气流为此次冻雨输送水汽的同时带来暖温度平流,维持暖层的存在; 925 h Pa大陆冷高压下东北气流带来的冷温度平流使近地面层降水处于过冷却状态;锋面后冷空气在华北地区上空堆积致使冷高压加强是导致安徽沿江地区较强东北风形成的主要因素。     

一次极端暴雪事件中罕见冻雨成因分析

使用常规观测资料、自动气象站资料、雷达回波资料及ERA5 0.25°×0.25°再分析资料,对2021年11月8—9日发生在黑龙江省极端暴雪事件中罕见冻雨过程进行分析。结果表明：冻雨发生在降水强度较大时段,地面气温普遍低于0℃。垂直气温存在典型的“冷—暖—冷”层结特征,近地层存在强逆温层,在探空图上＞0 ℃的面积比＜0 ℃的大。近地层冷垫的形成是冷高压南侵所致,受到江淮气旋和地形阻挡,在海拔较低的松花江干流地区堆积形成。融化层在850 hPa低涡前部,西南或偏南暖湿低空急流携带暖湿空气像楔子一样插在冷空气中,持续的暖平流特征明显。地面冷垫与中层暖层之间有明显的锋区特征,存在强逆温层。电线积冰直径与融化层持续长短有很大的相关性。冻雨的形成符合“冰相融化”机制。雷达观测在冻雨区具有回波强度增大的特征。     

黄山地区冬半年降水相态判据研究

利用2008—2018年逐年11月至翌年3月常规气象观测资料,从天气形势配置、降水相态与特征层气温、0 ℃层高度和层结厚度的关系等进行分析,归纳了黄山地区冬半年雨、冻雨、雨夹雪和雪四类降水相态的判别依据,并利用一次雨雪转换天气过程对判据进行了检验。结果表明,黄山地区固态降水和固液混合型降水主要发生在1—2月。850 hPa高度层及以下各层气温对雨雪转换的判别效果较好,当850、925、1 000 hPa特征层气温和地面气温分别大于等于-3.9、-2.6、0.5、1 ℃时可判定为雨,各层气温继续降低将出现雨夹雪或雪。当0 ℃层高度在1 000 hPa高度层以上时可能出现雨,反之出现雨夹雪或雪。此外,厚度层结也能较好地区分雨和雨夹雪或雪。冻雨（冰粒）的判据与其他降水相态的判据不同之处是在700 hPa高度层附近存在融化层。判据能较好地区分黄山地区不同降水相态,但对冻雨和冰粒的识别能力相对较弱。     

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。     

江西省冻雨垂直温度层结分析及预报

利用1960-2013年江西省89个气象观测站常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对江西106次冻雨过程垂直温度层结进行分析,并建立冻雨预报思路。结果表明：江西省冻雨发生通常伴随1000-850 hPa剧烈降温和700 hPa增温,925-700 hPa存在明显逆温。融化层是冻雨发生的必要条件,87.7 %样本融化层位于700 hPa,9.4 %样本融化层位于850 hPa;一般以1000 hPa温度<1.0 ℃、925 hPa和850 hPa温度<-2.0 ℃和700 hPa温度≥0.0 ℃作为江西冻雨预报的温度阈值标准,同时也应注意融化层位于850 hPa的情况。地面气温越低,越有利于冻雨形成,冻雨发生时最低气温为0.0 ℃以下,平均气温为1.0 ℃以下。冷暖空气持续在27°-28 °N交汇,且鄱阳湖以南至抚河流域平均气温＜1.0 ℃和最低气温＜0.0 ℃出现比其他地区多,造成该区域冻雨发生频次比其他地区明显偏多。另外,通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系,建立基于模式资料和常规观测资料的自动诊断方法。     

2008年初中国南方持续性冰冻雨雪灾害形成的温度场结构分析

2008年初,中国南方发生了大范围、持续性低温冰冻雨雪天气,冻雨、暴雪灾害历史罕见,许多地方打破50年记录。文中主要从3种降水类型,特别是冻雨的地域分布和促使其形成的温度场层结及地面温度分布特征方面讨论了1月25日到2月2日冰冻雨雪灾害最为严重的过程阶段。分析表明,降雨、冻雨和降雪3种类型降水物的自南向北分布特征是由对流层中低层向北后倾的锋区在南北不同区域上的层结特征和地面温度条件决定的;在倾斜锋区存在背景下,在对流层中低层形成了产生冻雨的大气逆温特征和较低的地面(表)温度条件。逆温区大于0℃的暖层应具有合适的强度、厚度和高度,既不能太厚太低,也不能太薄太高。如果太厚太低,降水将会以雨的类型降落地面,如果太薄太高,降水则会以雪或冰粒子的类型出现。这次过程中0—6℃的暖层在650—850hPa,其下为低于0℃的次冻层,在次冻层温度较低的情况下,即使地面(表)温度在0—1℃,也可能形成冻雨或冰冻灾害。此外,在没有适宜逆温区存在的条件下,较低的地面(表)温度也能使"冰包水"物质、过冷却水滴降落到地面或雪融化成水后迅速凝冻成冰,或使冰冻维持而至灾。     

冀北地区输电线路覆冰风险预报研究

利用国网冀北电力部门提供的2012—2015年冀北地区输电线覆冰事故资料以及电力微气象站资料,对输电线覆冰事故进行时空分布特征分析,同时选定输电线覆冰事故发生当日的最低、最高气温,平均相对湿度,平均风速,降水量等气象要素作为因子,利用层次法构建输电线覆冰风险预报模型并进行个例验证。结果表明:冀北地区输电线覆冰事故多发于山区,主要集中在11月至次年5月;不同的覆冰事故类型对应的下垫面类型也各不相同,冰闪事故56%以上发生在平原和坝上高原,舞动主要分布于山地和山谷;大多数输电线覆冰发生时,日最低气温为-8～0℃,日最高气温为-4～4℃,日平均相对湿度在80%以上,日平均风速为1～3 m·s~(-1);实际发生输电线覆冰灾害时,覆冰风险预报等级均在2级以上,无漏报,但存在较小的空报率。     

贵州冬季电线积冰及其天气成因分析

利用气象部门长期电线积冰观测和电力部门线路覆冰调查资料,对贵州冬季电线积冰的分布、类型特征与气象条件进行了综合分析,着重探讨了贵州电线积冰的形成机理和天气成因,主要结论:(1)贵州电线积冰的类型复杂多样,除具有雨凇、雾凇、雪凇(湿雪)三种基本类型外,还有雨雾混合凇、雨雪混合凇(雪凝)两种混合冻结类型;贵州电线积冰以危售最大的雨凇冰为主,混合冻结在贵州省分布十分普遍,这也是造成2008年贵州电网严重冰害的重要原因;(2)持续低温阴雨的凝冻大气是贵州电线积冰总的天气成因,其表现形式主要是冻雨但不局限于冻雨,此外还包括冻毛雨、雨夹雪、湿雪和过冷雾等多种天气现象,持续的凝冻天气过程往往有多种天气现象同时或交替出现,从而导致严重的覆冰灾害;(3)贵州电线积冰总体上属于较高环境温度下的低风速湿物理过程积冰,当地面气温持续降到0℃以下,出现降雨或浓雾是电线积冰开始与增长的关键气象条件,而最高温度上升到0℃以上是判断积冰转入消融的临界气象指标。     

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)。     

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。     

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。     

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。     

安徽地区山地与平原冻雨天气成因及特征分析

为了探讨冬季冻雨天气成因并提高冻雨天气的预报能力,利用常规气象观测资料、加密气象观测资料和NCEP再分析资料,对2010年2月安徽省一次冻雨过程进行天气学分析,利用WRF中尺度模式对此次冻雨过程进行数值模拟,并对冻雨发生的物理量场和层结条件进行分析.结果表明:此次安徽省南部山区和北部平原地区的冻雨天气过程主要是由于北方强冷空气快速南下,在安徽省境内大陆冷高压与西太平洋副热带高压相遇,形成鞍形场切变线引起的.从模拟结果来看,此次安徽省山区与平原地区冻雨天气的成因和层结特征均有较大区别,山区冻雨天气的形成与山脉对冷暖空气的阻挡和抬升有关;而平原地区冻雨天气的形成需强冷空气快速南下,产生有利于冻雨天气发生的层结结构.山区冻雨天气发生时,具有较大的逆温梯度和较高的冷心高度;平原地区冻雨天气发生时,近地面有较大的负变温中心和较高的冷心高度,但与逆温梯度不存在稳定的对应关系.冻雨天气的产生与逆温强度、冷垫厚度及其变温幅度均有一定的关系,是一个复杂的物理过程.     

一次寒潮过程的多种相态降水机理分析

利用气象站观测资料、NCEP分析资料和中尺度模式WRF-V3,从环流形势、动力机制、温湿特征等方面对2010年2月9-11日江苏一次雨、雪、冻雨、冰雹等不同相态的寒潮过程进行分析。结果表明,冻雨和雪的大气层结有明显差异,冻雨发生时在对流层中低层有融化层,融化层内温度为1~2℃,近地面气温低于0℃;降雪发生时,整层大气温度都在0℃以下。对流层中低层大量的水汽平流和暖平流是造成冬季对流性天气的主要原因,冬季产生冰雹的"高架雷暴"位于近地面冷池之上,冰雹出现前对流层中上层有干空气侵入。WRF-V3模式数值模拟结果表明,降雨和冻雨出现时对流层低层都有雨滴存在,降雪时对流层低层的雨滴消失。     

2008年1月贵州冻雨的数值模拟和层结结构分析

针对2008年初发生在贵州地区的严重冻雨过程,分别从环流背景、低空急流和水汽输送条件等方面分析了准静止锋维持的原因,并选取本次灾害最严重的第3次过程为典型个例,利用WRF模式针对准静止锋影响下的贵州冻雨进行数值模拟来研究冻雨的发生机制。模拟结果较好地反映出高低空环流形势场特征,强雨雪降水带的走向、落区,以及地面温度的分布,均与观测基本吻合。通过分析高分辨率模式的模拟结果,揭示了准静止锋上贵州地区冻雨的层结结构特征及云物质在冻雨区的分布特征。研究结果表明,贵州中部的冻雨区除一般的三层结构(包含冰晶层、暖层和冷层)外,还具有典型的两层结构特征,即:高空的固体降水粒子稀少,900~600 h Pa深厚的逆温层和0℃以上的暖层使中低空存在大量液态粒子,下落的液滴经过近地面的浅薄冷层,形成大量过冷却雨滴,而后降落至地面迅速冻结。     

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。     

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。