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2011年1月中国贵州冻雨的诊断研究

Difei Deng^a,b ，Shouting Gao^a ，Xiaoling Du^c 和Wenhui Wu^c

a中国科学院大气物理研究所，北京 100029

b中国科学院研究生院，北京 100049

c贵州省气象局，贵阳 55002

摘要：2011年1月初，中国南部再次经历了像2008年冬季那次一样严重的冬季风暴。这场风暴由黔中地区一条东向西的冰冻雨带组成，以北有大面积的雪，以南有雨。本研究使用传统的地面和无线电探空仪数据以及美国国家大气研究中心/国家环境预测中心（NCAR / NCEP）的最终（FNL）分析数据来调查此事件。结果表明，通过地转和非绝热加热，在700 hPa以下垂直于准静态锋面建立了正向直接二次环流，通过冷暖平流来保持地面冷层和高空暖层。此外，低冰核浓度的中，中低空强风切变引起的湍流对贵州地区云滴的增长和过冷雨滴的增强起着重要作用。

关键词：冻雨;准静止前沿;温暖的层;表面冷层;通过准地转和非绝热加热强迫;过冷雨滴

1 简介

业务天气预报员面临的最具挑战性的任务之一是预测与中纬度冬季风暴相关的地表降水类型。以雪，冰粒（由雨水冻结形成的透明或半透明冰块或大部分融化的雪花重新冻结而形成的降水组成的降水），冻雨（雨水以液体形式落下但在撞击到地面或暴露物体时形成冻结）而且雨雪边界附近可同时出现雨水。在这些冬季降水形式中，冻雨是最危险和最难预测的（Szeto等，1999）。Stewart（1985）用统计公式计算了垂直温度剖面的变化，说明了冻雨的温度分布，表明冻雨是自限性的。因此，高层逆温融化和地面冻结将导致高层逆温的破坏以及地面温度的增加。Stewart和King（1987）发现，与暖锋和冷锋相关的降水带是加拿大安大略省南部地区冰冻降水事件的主要原因。Pierre（2000）应用了一个空气温度高于0◦C地面温度低于0◦C的垂直层来开发一个统计模型，该模型对于三个加拿大报告站而言，提供了近90％的降水类型的正确预测。Houston和 Changnon（2007）发展了一个关于1928年至2001年期间美国冻雨事件的国家和地区的气候学，以解决冻雨的天气状况。他们认为，大多数发生在美国的冻雨，发生在干球温度从minus;2.2◦C到0◦C，露点温度从minus;2.8◦C到0.6◦C的条件下。他们还指出，在冻雨期间每小时的降水量很少（通常少于2.5毫米），风速通常很轻，风向显示出东北向的趋势。

minus; minus;

作为遭遇冬季风暴的国家之一，中国气象学家非常重视冻雨研究。2008年1月和2月，中国南方地区出现了异常强烈的冰冻降水。大多数地区的冻雨平均持续10-20天，但在这次冬季风暴中，贵州和湖南地区的冻雨持续了27天。根据中国民政部公布的统计，仅此风暴造成的直接经济损失超过了223亿美元，它造成的损失比1998年北美大冰风暴造成的损失大得多，那次风暴造成44亿美元的损失(Zhou等，2011）。从那以后，人们对冰暴的关注越来越多，最近的许多研究为人们对这场冰冻雨雪事件的认识做出了贡献(例如, Li等, 2009;Yang等, 2009)。2008年冻雨事件的持续时间长是由稳定的大气环流模式造成的，如异常强而持续的乌拉尔阻塞高压，再加上东亚大槽及西北太平洋高压的异常发展 (Ding等人, 2008)。 此外，在最常发生冻雨的贵州，与冻雨有关的主要天气系统之一是云贵黔准静止锋，它是由云南-贵州高原地形阻挡的向南移动的冷气团形成的 (Li等, 2009; Yang等，2009; Sun and Zhao,2010)。需要对天气过程和与冻雨相关的可能机制进行综合研究，以提高冻雨的当前预测能力 (例如, Chen等,1993; Yang, 1999; Lv等,2004)。

2011年1月初发生另一场冻雨事件，这是自2008年以来第二大冰冻雨事件。这场冻雨袭击了贵州和湖南，导致2011年1月1日至3日贵州几乎所有高速公路和机场关闭。本研究调查了这一极端情况。包括传统地面和无线电探空仪在内的观测数据（见第2节简要描述）用于记录这一为期三天的冻雨事件。第3节讨论了地表降水，天气图和探测的冻结事件。第4部分分析了与贵州冻雨有关的准静止锋的水平和垂直结构。最后，第5节分析了造成冻雨形成的主要因素。

2 数据

本研究中使用的数据包括国家环境预测中心（NCEP）全球预报系统的最终（FNL）分析以及中国气象局国家气象中心（NMC）的常规地面和无线电探空站数据（CMA）。FNL数据具有1◦times;1◦的水平分辨率，包括地面和26个垂直层次。除第3节中使用的数据外，所有数据均使用FNL网格分析绘制。

3 贵州省冻雨概况

3.1 地表降水分布

对台站观测数据的分析显示，2011年1月1日至3日，中国南部地区降水类型不同（图1）。在1月1日00时（图1（a）），冻雨在贵州中部（26◦N-27◦N）呈现出狭窄的东西向带状模式，东北部有雪，南部有雨。1月2日00时（图1（b）），降水（包括冻雨）向东扩展，同时26°N以南也发生了降水，而贵州北部以及湖南，湖北，陕西，甘肃发生了降雪。随着降水在1月3日00时向南移动（图1（c）），冻雨区域在贵州省上空缩小，并移至湖南南部。然而，在这三天里，由于盆地效应，四川受到了降雨的影响。雪、冻雨和雨分别位于27◦N、26◦N-27◦N和26◦N以南。

（a）

（c）

（b）

图1. 2011年1月1日(a)00时、2011年1月2日(b)00时和2011年1月3日(c)00时观测到的降水类型分布情况。lsquo;1rsquo;，lsquo;0rsquo;和lsquo;2rsquo;分别代表雨、冻雨和雪。红色代表冰雨区。

此图可在wileyonlinelibrary.com/journal/qj上获得。

3.2 天气学模式

在500 hPa观测到的位势和风场表明，阿尔泰山脉和鄂霍次克海周围的两个低压中心以及贝加尔湖周围的高压中心发生在北纬40◦N（图2（a））。在中纬度地区，一个山脊位于河套地区附近（图2（a）中用蓝色箭头表示），西风的南支槽位于印度半岛上方。在亚热带地区，西太平洋副热带高脊沿15◦N停滞，西脊点5840位势米（gpm）在1月1日00时延伸至95◦E。因此，贵州和湖南地区成为三个气流汇合区：位于河套地区附近山脊以西的西北风，南支槽以东以及副热带高压以北的西风。一天后（图2（b）），河套地区的山脊向东移动，与西风相关的南支槽移至印度半岛的东侧，副热带高压的5840 gpm线向东撤退到105◦E。1月3日00时（图2（c）），贵州河套岭以东有一个深槽，而河套附近的脊则从中国东海岸移出。深槽分为两个分支，北分支沿西北—东南方向向东南沿海方向移动，南分支东北—西南方向移动，从湖南到印度支那半岛。西北风主导着贵州。

在地面天气图上（图2（d）-（f）），冷高压主导着中国大陆。寒冷的东北风从地表西南流出，来自印支半岛的暖西风流经云南和贵州，形成西北 - 东南准静止锋。值得注意的是，准静止锋的方向取决于地面图上贵阳西部附近的东南地形等高线（大于1000米，见图3（a））。静止锋前方在贵州上空的850 hPa以上变为西—东向。这将在第4节进一步讨论。

图2.（a）—（c）观察到的500hPa图表：

（d）

（e）

（f）

（b）

（c）

（a）

（d）

实线为位势（10 gpm），虚线为温度（◦ C），风为矢量（msminus;1）和槽为红线。（d）—（f）地面：蓝色和红色线为准静止锋。（a）和（d）为1月1日00时，（b）和（e）为 1月2日00时，（c）和（f）为2011年1月3日00时。此图可在wileyonlinelibrary.com/journal/qj上获得。

3.3 探空

以前的研究（Stewart和King，1987; Pierre，2000）认为，垂直温度分布是降水类型的指示。因此，贵州贵阳站（106.72◦E，26.58◦N）和重庆市的重庆站（106.48◦E，29.52◦N）和最靠近贵阳106.72◦E的广西百色站（106.36◦E，23.54◦N）（见图3（a）中这些站点的位置），以说明垂直温度和湿度在27◦N以北，26和27◦N以及26◦N以南的不同降水型区域上的结构。

由于1月1日和3日垂直探测的特征与1月2日的特征类似，我们分析1月2日00时的数据。

降水以雪为主的重庆站的测深结果表明，整个温度剖面低于零度(图3(b)）。温度与露点差显示，600hPa以下的湿层被干燥的空气所覆盖。

经历了最严重冻雨的贵阳站的标准倾斜T-log p显示出较低层的逆温层。因此，对流层（图3（c））被分为三层：700hPa以上的冷冻层，700hPa和800hPa之间的温暖层，以及800hPa以下的冷冻层（地面冷层）。此外，650hPa以下的温度和露点差小于1◦C。风廓线显示低对流层850hPa风切变为东北风，高空为西南风。

根据百色站的探测（图3（d））结果，降水主要是在1月2日的00时的降雨，700hPa以下的温度高于0°C，这不利于形成冻雨。

（b）

（a）

图3.（a）地面和垂直探测站的分布。2011年1月2日在重庆(b)、贵阳(c)和百色(d)标准偏斜T-log p。黑色实线表示温度（◦ C），黑色虚线表示露点（◦ C），矢量表示风。此图可在wileyonlinelibrary.com/journal/qj上获得。

（d）

（c）

4 准静止锋前的平面和垂直结构

4.1 与准静止锋相关的风的水平结构

850hPa和700hPa的风对于维持冻雨非常重要（Du等，2010）。标准倾斜T-log p还表明，850hPa的东北风切变和较低层的西南风切变均发生在遭遇冰雨的地区(图3(C)）。以往的研究发现，贵州的冻雨通常与准静止锋相关（例如，Li等，2009；Yang等，2009; Du等，2010）。因此，本研究分析了850hPa和700hPa的准静止锋的低对流层风和温度。

在1月2日00时（图4a），贵州中部地区850hPa出现了西—东向的南风和东风强风切变，有一个大的温度梯度与一个准静止锋相关联。强地面高压西南面吹来的东风（图2（e））导致地表冷平流。风向在700hPa转化为西南向（图4（b）），这与来自印度半岛和西太平洋副热带高压的强暖湿润平流有关。

图4. 1月2日00时（a）850 hPa和（b）700 hPa的风（矢量：msminus;1）和温度（实线：K）的水平分布。阴影区域代表海拔高于1000米的地形，蓝色和红色线代表准静止前缘。此图可在wileyonlinelibrary.com/journal/qj上获得。

（b）

（a）

4.2 准静止锋的垂直结构

在本小节中，沿贵阳前方（107◦E）从温度和湿度的角度考察了准静止锋的垂直结构。可以从图5a中看出，由于来自南方的暖空气和来自北方的冷空气，具有较大水平theta;e梯度的区域(290 K至310 K之间)在700hPa以下，并且相对湿度超过95%的地区与准静止锋有关。在700hPa以下明显有一个强的冰冻逆温层（图5（b））。冻雨位于0◦C等温线的北端（接近26◦N-27◦N）。根据贵阳站的统计数据，由于普遍的冷空气和云贵高原的地形，冬季准静止锋前沿始终伴随着中、低层云，平均持续时间最长为5.4天和45天。这些层状云有利于冻雨（Li等，1988）。在2011年1月1日至3日期间，注意到均匀的云水含量位于600-700hPa以下的前方附近（图5（b）），它通常包含冬季风暴期间的中层和低层云。另外，云顶的温度为-5◦C，并且云中冰核的浓度非常低（Wallace和Peter2008年的数据为6.33），这有利于形成过冷水滴。

（b）

（a）

图5.（a）等效温度theta;_e 经向压力横截面（实线：K; 290 K和310 K等值线以粗体显示）和相对湿度（阴影：％）和（b）温度（实线： ◦C）和1月2日00时沿107◦E的云水（虚线：10minus;5 kg kgminus;1）

黑色区域代表地形。

5 维持冻雨的可能原因

上述分析表明，由于存在准静止锋，与准静止锋相关的逆温层和对流层中下部的层状云是冻雨事件发生的重要环境场。但这些环境场是如何导致冻雨形成的呢？根据贵州业务预报员的经验，导致冻雨的直接气象因素有：（i）低表面温度和高空暖层和（ii）过冷雨滴（Zhao，1995）。利用这两点，本节将解释为什么冻雨能持续三天。

5.1 准静止锋的垂直结构维持高空暖层和地面冷层

以前的研究发现，次级环流影响锋生作用，其前缘的上升支作为系统的有限幅值触发机制（Sawyer,1956;Eliassen,1962; Hoskins和Draghici，1977; Hoskins,1978;Shapiro,1981;Keyser和Shapiro，1986年;Szeto等,1999)。如在次级环流的横截面中所见，2011年1月1日至3日，前缘的直接次级环流位于700hPa以下的锋面反演区附近。环流中心位于（28.5◦N，750hPa）（图6（a））。直接循环在一天后以（28◦N，800hPa）为中心逐渐增大（图6（b）），并且最终在1月3日00时减小（图6（c））。次级环流由主体和南部尾部组成（如图6所示）。主体和南部尾部的低层地转北风穿越云贵高原，不断向下层带来冷空气。伴随着主体上升气流向上倾斜的地转南风，把

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