南方不同类型冰冻天气的大气层结和云物理特征研究

利用观测资料和CAMS中尺度云分辨模式,对南方3次不同类型冻雨天气过程进行模拟,重点研究了冰冻天气中冻雨区云系宏、微观结构及大气层结特征,初步分析了冻雨形成的云物理机制.结果表明:(1)逆温层的存在是冻雨发生的必要条件,低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关.3次冻雨过程的冻雨区都存在逆温层,其中第一、二次过程属于锋面逆温,而第三次过程属于平流逆温.可见,逆温层结有利于冻雨的发生,但逆温层的存在仅是形成冻雨的条件之一.冻雨的发生还与水汽(湿度)、风向风速、地面特征有关.低层有水汽输入到冻雨区、地面温度等于或低于0℃,有利于冻雨形成和过冷雨水的冻结.(2)冻雨的形成需要满足3个主要条件:在对流层中高层存在冻结层,冻结层下要有暖层和逆温层,近地层有一个温度＜0℃的冷却层,并且低层的冷却层相对湿度较高.中高层冻结层主要产生冰相降水粒子,中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子(雪或霰)融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水.这样,雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴,当过冷却雨滴接触到＜0℃的地面或者其他物体表面时,迅速冻结形成冻雨.(3)不同冻雨区上空存在2种不同类型的云,对应云中有2种明显不同的温度层结:混合相云中的“冷-暖-冷”层结和水云中的“暖-冷”层结.具有2种不同层结特征的不同冻雨区云系,对应2种不同的微物理结构,具有2种不同的冻雨形成的云物理机制.(4)同一类型天气系统中的冻雨区,可以存在不同的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的机制;不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区,即冻雨形成的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的物理机制都相同.     

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。     

2010年2月辽宁地区冻雨天气诊断分析

应用常规天气资料,从天气、气候及大气物理量场等方面,对2010年2月下旬发生在辽宁地区历史罕见的冰冻雨雪灾害性天气发生发展的成因、主要特征以及造成严重灾害的主要原因进行诊断分析。结果表明：500 hPa低涡分裂的小槽东移是冻雨天气的环流背景;700 hPa源源不断的水汽输送和低层辐合作用是降水产生的基本条件。地面强冷空气是冻雨天气的触发机制;高层为冷的冰晶层,对流层中低层有温度t>0℃的暖的融化层,近地面1-2 km为气温t<0℃的冷层,同时地面达到 0℃以下,这种复杂的逆温层是冻雨产生的天气条件。高层暖平流是维持中空暖层结构的重要条件之一,对暖层的建立和破坏起较大作用,暖层消失冻雨天气也随之结束。中低空水汽饱和度、地面温度和中低空上升、下沉运动与冻雨的强度有密切关系。     

山东省“雷打雪”事件分型及其成因分析

利用闪电定位仪、加密地面自动站和常规资料分析了2006—2015年发生在山东的35次"雷打雪"事件,按照形成机制将其分为暖平流型和海效应型"雷打雪"两类,并细致归纳了两类事件发生时有关要素场及物理量场等方面的特征。主要结论如下:暖平流"雷打雪"事件发生前24 h内,对流层中低层是升温的,且越接近地面升温越明显;事件发生在850 hPa至地面有强冷空气突然入侵之时,此时上下温差可达10℃;环流形势也由上下一致的偏南气流调整为低层为冷垫,中高层为暖平流;上升运动中心及不稳定层结集中出现在对流层的中高层。海效应"雷打雪"事件发生前两天,渤海被暖脊控制,海面温度较平时升高2℃左右;在高空槽后的偏北气流猛然增大横扫渤海时,"雷打雪"事件发生;尽管对流活动也发生在对流层低层,但是其不稳定层结的厚度及上下温差较一般海效应降雪要大。     

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。     

华北地区雪密度不同的两次降雪过程对比分析

利用加密降雪观测资料、地面常规观测、FY-2E卫星观测及ERA5再分析资料对华北地区两次融化比存在显著差异的降雪过程其降雪特征、云内垂直热动力结构、降水粒子垂直分布、地面气温和地表温度等进行了对比分析,揭示了热动力垂直结构和水汽条件对降雪过程的雪密度影响。结果表明:融化比较大降雪过程(简称“0103”过程)整层温度偏低,位于对流层低层的-18~-12℃温度层较为深厚,与最大上升运动中心、水汽饱和区相重合,有利于树枝状雪花的形成进而产生较大融化比,其云中粒子以冰相粒子为主;融化比较小降雪过程(简称“1129”过程)整层温度偏高,前述温度层位于对流层高层,较为浅薄,且位于最大上升运动中心下方,其云层下部存在较多过冷水滴,有利于凇附作用进而产生较小融化比;“0103”过程短波槽较浅,导致最大动力抬升层次低,-18~-12℃温度层位于暖锋锋区附近,锋前暖平流有利于深厚温度层的建立和维持,水汽主要来自低层偏东气流输送,导致其水汽含量偏小;“1129”过程主要由高空槽前暖湿气团沿冷锋锋面爬升所引起,动力抬升位于中高层,-18~-12℃温度层位于冷锋锋区上部,温度直减率大,导致-18~-12℃温度层较为浅薄,中层西南风水汽输送提供了有利水汽条件。     

基于多普勒天气雷达产品的降雪及冻雨综合分析

利用常规观测资料、探空资料、多普勒雷达资料从天气背景、温度层结及雷达回波特征等方面对宁波2004-2008年的7次降雪过程进行综合分析。结果表明:中层西南气流、低层逆温、低层转偏北风及地面气温低于4 ℃是宁波降雪的必要条件, 西南气流的强弱与范围很大程度上决定降雪强度; 冻雨要求中低空存在高于0 ℃的融化层, 下垫面温度低于0 ℃, 降雪则要求冻结层厚度远大于融化层或者没有融化层; 降雪回波特征中, 回波强度一般低于30dBz, 与降雪量对应关系不明显, 水平和垂直反射率因子梯度小, 结构均匀, 一般谱宽小于4 m/ s, 回波顶高低于6000 m; 零度层亮带所在高度的降低、消失与雨雪转换时间基本吻合, 可以利用零度层亮带高度的变化来判断降水性质的转变; 600 hPa以下零速度线随高度的变化, 对雪止临近预报有一定的指示意义。     

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。     

山东相态逆转降雪天气的特征与预报

采用高空和地面观测资料,对山东1999—2013年24次有相态逆转降雪过程的影响系统、出现时间、逆转前后的温度变化及各类系统逆转的天气形势特征进行了统计分析。结果表明：1）低槽冷锋、江淮气旋、黄河气旋和暖切变线可在山东产生降水相态逆转,而回流形势降雪不会产生逆转。2）山东降水相态逆转发生在11月—次年4月,以12月和1月居多,12月频率最高;有明显的日变化,14时前后最容易发生逆转,而23时—次日05时最少。3）雪转雨时最显著的特征为地面2 m气温升高,升温幅度多在1～2 ℃;850 hPa以下至地面的温度至少有1～2个层次升温。4）地面2 m气温对逆转的指示性最好,降雪时在0 ℃左右,略高于通常降雪阈值,最低为-1 ℃;其次为1 000 hPa,降雪时接近于0 ℃。5）对流层低层暖平流升温或温度日变化升温导致雪转雨,温度平流弱时温度日变化起主要作用。各类天气系统的逆转范围、时段等有明显差异。因此,对于降雪阈值附近的相态预报,需综合考虑低层温度平流和日变化两个因素,重点关注地面2 m气温能否升温,午后为关键时段。     

2009年冬季华北初雪对流层低层风场及 大气层结特征

对2009年冬季我同华北一次回流初雪天气进行了数值模拟和诊断分析,重点研究了与回流相关的对流层低层风场的动力热力作用以及大气层结特征.结果表明:初雪是存高空低压槽、低空回流切变线以及地面倒槽锋生的共同影响下产生的,降雪区域随着影响系统向东南方向移动而移动;对降雪起到重要动力作用的偏东风回流主要出现在850 hPa及以下层次,其发展一方面与偏西气流形成低空风场辐合线,有利于气流的上升运动,一方面在地形的共同作用下,形成偏南风;偏南风的形成有利于暖空气向降雪区域输送,而暖平流与强冷空气相遇引起了锋生;偏东风回流除了起到重要的动力作用外,热力作用也很明显,其对降雪区域的水汽辐合起到了主要作用;在降雪发生时,对流层低层有明显的降温过程,大气边界层温度降到了0℃以下,850 hPa温度降至-5℃左右,该结果表明冬季关注数值模式模拟的对流层低层温度层结特征,将有助于对降水性质做出更准确的预报.     

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。     

南方两次降雪过程的降水相态模拟研究

利用常规地面观测资料、NCEP GFS分析资料、卫星及多普勒雷达资料和中尺度数值模式WRF,通过对比分析寒潮型暴雪和冷暖空气对峙型(下称对峙型)雨雪两类天气过程的大气环流形势、温湿廓线和对流层中低层风场特征,发现温度平流的强度和高度层次是两类雨雪天气过程的最大差异.东部沿海地区的低层风向可以用来判定冷空气的强度和爆发时间.从热量的收支来看,温度垂直廓线的主要影响因子是温度的水平平流和非绝热过程.逆温层的出现主要是温度水平平流项的贡献;强降水期间,非绝热加热与温度水平平流的增温效果相当.对峙型降雪的平流降温明显小于寒潮型降雪,对峙型降雪的中低层更多的是暖平流.950 hPa混合降水凝结比可作为降水相态的预报因子,混合降水凝结比接近100％,雪混合比＞0.2 g·kg-1,地面降雪;凝结比在95％～100％之间为降水类型过渡区,结合非绝热降温幅度和地面温度,可以用来判定过渡区的降水类型;凝结比＜90％,地面温度在0℃以上,类型为降雨.     

极端天气气候背景下两次降雪过程的对比分析

利用常规观测资料、NCEP1°×1°分析资料,从同期气候背景、影响系统特征、干侵入特征和影响等方面,对2008年1月28日20时-29日08时、2月1日20时-2日08时江西中、北部两次较强降雪过程进行了分析。结果发现,两次过程发生的气候背景主要与大气环流异常及拉尼娜事件有关。两次过程的系统配置具有相同的特点,中层700-500hPa西南气流强盛,低层850hPa到地面的冷空气垫深厚,700-850hPa存在逆温层。两次过程都具有干侵入特征,干侵入所引起的对流层中低层垂直方向上的降温,使中低层0℃以上暖层明显减弱,700hPa温度降为0℃以下,为混合云内雨转雪的发生提供了必要的温度条件。两次过程中,低层冷平流越强,雪区南界越偏南。江淮到黄淮的下沉气流为对流层高层干空气侵入提供了动力条件,高层干冷空气向南、向下侵入,导致对流层低层850hPa偏北气流加强和维持,加大了中低层垂直风切变,使上升运动加强,为水汽凝结、冰晶和雪晶比含水量的增加提供了必要条件,从而使降雪得到发展。两次过程中,上升运动越强,降雪强度越大。     

一次冰雹天气过程的多源资料观测分析

利用地基微波辐射计、风廓线雷达和雨滴谱仪等观测资料,对2015年4月28日发生在南京的一次冰雹天气进行了分析,探讨新型探测资料在冰雹监测预警中的应用。结果表明:(1)华北冷涡后部冷空气南下,与低层暖湿气流交汇,是产生这次冰雹的天气背景;高空冷平流叠加在低层暖湿气流之上,使得对流层中低层形成不稳定层结;地面辐合中心及辐合线是降雹的触发机制。(2)微波辐射计监测显示,降雹期间冰雹云中上升气流将底层空气的感热和潜热向上输送,导致2 km以上大气有明显升温,由于低层水汽聚集及冰雹在近地层融化造成降雹时近地层相对湿度、水汽密度增大。冰雹发生在云液态水含量快速增长的波峰上,对冰雹的发生具有较好指示意义。(3)对比南京3站风廓线雷达资料表明各站上空环境风场存在一定差异,六合地区降雹前6 km高度高空急流有利于六合上空形成有利的辐散形势,降雹时0~6 km存在较深厚的垂直风切变,配合地面中尺度低压,降雹最为强烈;南京站降雹时,对流层中下层有一槽过境,而高淳地区冰雹由近地面垂直风切变激发。(4)六合站、高淳站雨滴谱仪分析表明不同降水相态对应的滴谱特征有差异,两站雨滴谱型分别呈指数型、多峰型分布。高淳站雨滴谱仪监测到直径达到15 mm的冰雹粒子,六合站冰雹直径最大为5 mm。两站速度谱大致为单峰型,在较强降水时刻,粒子下落峰值速度在3~4 m·~(-1)。(5)影响六合的超级单体存在钩状回波、回波悬垂、三体散射等雷达回波中尺度特征,地面中尺度低压系统、中低层的中气旋及高层的辐散环流配置造成了雹云中维持较强的旋转上升气流,有利于出现大冰雹。     

内蒙古东北部一次致灾大到暴雪天气分析

应用基本观测资料及NCEP再分析资料,对一次漏报的内蒙古东北地区致灾大到暴雪天气进行了诊断分析。结果表明:本次大暴雪天气过程与内蒙古大雪、暴雪天气学概念模型有所不同,没有强劲的水汽输送建立,垂直上升运动大值区集中在850～500 hPa层,强降雪呈现时间短、强度大、范围小、灾害严重的中尺度特点。这次过程中,850 hPa有很强的暖平流配合500 hPa西南气流中弱冷平流,对流层中低层温度平流随高度减小,有利于对流层中低层的不稳定层结的建立;地面副冷锋与气旋合并加强,850 hPa中尺度低涡强烈发展,加强了对流层低层的辐合上升运动,触发不稳定能量释放是强降雪形成的主要原因。边界层"冷垫"作用对强降雪有一定的增幅。     

一次局地暴雪过程低层降温机制分析

2015年12月5日在强西南暖湿气流和弱冷空气配合之下,浙江杭州到安徽黄山一带出现了局地大到暴雪,此次过程预报偏差较大。通过对水汽、动力和温度条件分析表明:强西南暖湿气流和冷暖空气的辐合为大量地面降水的产生提供了水汽和动力条件;深厚的湿层和合适的中层温、湿条件有利于生成大量可供降落的冰雪晶;转雪前杭州站低层异常降温是形成降雪的关键原因。通过对降温机制的分析表明:引起杭州站低层降温的原因主要是水物质相变相关的非绝热加热,冷平流的作用很弱。5日08时之前低层降温主要是降水粒子蒸发吸热引起的;5日白天低层降温主要是由大量冰(雪)晶融化吸收环境潜热导致,冷平流和垂直输送项也有部分贡献。预报中对降温机制分析不足,可能是导致预报偏差的主要原因。该个例中平流等降温机制较弱,冰晶融化吸热作用导致中低层形成0℃的均温层,从而使冰晶顺利到达地面。中低层温度与常用的预报相态的温度阈值相差较大,说明预报中不能机械依赖温度指标,而应全面分析降雪形成的物理机制。当降水量大时,融化吸热可以成为降温的主要机制,预报中应予以充分考虑。     

2008年初南方冰雪天气逆温层特征及其维持机制

对2008年初的冻雨天气过程中大气层结特征做了研究,并集中对贵阳、南昌和南京三站的层结状况进行对比分析,分析结果表明:冻雨产生时对流层中低层有逆温层和暖层存在,且近地面温度须小于0℃;利用国际太平洋研究中心的区域气候模式IPRC-RegCM,对2008年1月18—2月2日期间的降水进行模拟并分3时段予以分析,利用模式输出结果分析3时段逆温层的维持机制。分析指出,模拟结果能较好的再现此次持续性过程的降水带分布;第一阶段逆温层上部的增温是由温度平流和凝结潜热加热共同作用,而后两个阶段则主要是温度的暖平流所致;对于逆温层底部的降温主要是由近地面的西北冷平流及空气的上升绝热冷却所致。     

长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

２００８年初南方冰雪天气逆温层特征 及其维持机制

对2008年初的冻雨天气过程中大气层结特征做了研究,并集中对贵阳、南昌和南京三站的层结状况进行对比分析,分析结果表明：冻雨产生时对流层中低层有逆温层和暖层存在,且近地面温度须小于0 ℃; 利用国际太平洋研究中心的区域气候模式IPRC-RegCM,对2008年1月18—2月2日期间的降水进行模拟并分3时段予以分析,利用模式输出结果分析3时段逆温层的维持机制。分析指出,模拟结果能较好的再现此次持续性过程的降水带分布;第一阶段逆温层上部的增温是由温度平流和凝结潜热加热共同作用,而后两个阶段则主要是温度的暖平流所致;对于逆温层底部的降温主要是由近地面的西北冷平流及空气的上升绝热冷却所致。     

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。