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2008年初中国南方持续冻雨事件期间水汽大气的锋面成因

QIAN WeiHong^1* amp; FU JiaoLan^1,2

1 Department of Atmospheric Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China;

2 National Meteorological Center of CMA, Beijing, 100081, China

摘要:2008年1月10日至2月2日，中国南部和西南部发生了一场持续严重的冻雨。这里，我们使用观测分析来比较2008年初持续的冻雨事件和2007年末长江以南(江南)的冬季降水。持续的冻雨事件与准静止锋的活动直接相关。等效温度梯度( ET )可以很好地反映潮湿大气的锋面成因(湿锋)及其活动，以及它与降水带的关系。降水类型(降雪和冻雨)与湿锋的垂直结构有关。ET垂直分布的反演剖面是导致冻雨事件的典型天气条件。等效温度梯度的水平梯度以10℃/100 km为标准，反映了大气能量的积累和释放，可用于提前5 - 10天预测降水。

关键词:冻雨事件，锋面成因，远距离天气预报，冬季，江南

2008年1月10日至2月2日，中国南部和西南部，特别是长江南部(江南)以及长江和淮河之间的流域(江淮)，持续了近一个月的严重降雪和冻雨事件。1月25日至29日，湖南、湖北、江西、安徽和贵州等省持续出现冻雨，造成巨大损失。例如，在湖南和贵州省，电气设备和运输设施遭到严重损坏，甚至毁坏。

持续的冻雨事件由四个类似的短期时间组成，这样的事件对于当前运行的天气预报系统的成功预报来说仍然是一个巨大的挑战。预测这一历史天气事件有两个困难: ( 1 )会发生什么样的降水类型，如雨、雪或冻雨；( 2 )这一事件是否为持续几天的短期，还是会持续更长的时间，如一个月。了解这些问题将有助于未来的天气预报。

预测持续的冻雨是一个关键，尽管许多研究不同地区冻雨的著作已经出版。基本上，在中国和其他国家的冻雨事件中，垂直温度分布有类似的反演结构，但是相关的大尺度环流随地点而变化。例如，美国的冻雨事件主要是由移动的气旋和暖锋[1,2]引起的。 Rauber等[3]提出了一个典型的美国冻雨事件发生的天气模型。Zhao and Sun[4]最近的分析表明，2008年初中国的冻雨事件是多尺度环流系统造成的。两次行星尺度环流，即北亚中高纬度阻塞高压和西太平洋副热带高压，在异常强度和位置持续了大约20天。冻结事件期间的这种环流特征类似于夏季在亚太地区观测到的典型异常环流模式。特别是中国西南部的青藏高原独特的地形，对持久的亚热带降水的强度和位置有很大的影响。青藏高原北部和阻塞以南的高纬度西北干冷空气和高原与对流层低层亚热带高压之间的中低纬度的西南暖湿空气汇聚在背风处青藏高原一侧。这形成了夏季从中国东部延伸到日本的副热带锋区。2008年初，在吉安南地区观察到类似的副热带锋区。

昆明和华南地区的准静止锋面是冬季和春季西南和华南两个最重要的天气系统。除青藏高原和新疆地区外，这些正面系统影响中国五分之一的天气[5]。 Egger等分析了昆明冬季准静止锋的环流特征[6]。杨等[7]表明，这个准静止前锋形成于青藏高原的背风面，可以观察到来自北部的冷浪涌与来自高原南部分支槽的西风流动之间的界面。 Gu [8]发现，准静止锋在冬季始终存在于南海至贵州和云南省，沿锋区的温度反转较强。 Bernstein [9]和Cortinas等[10]系统地检查了整个北美洲降雨的气候学。然而，尽管在中国西南地区冬季，尤其是贵州省，降雨是一种频繁的天气现象，但很少有类似的工作来研究中国的降雨气候特征及其与准静止前缘的关系。最近，Sun和Zhao [11]提出了一个基于中国南方同一案例的冻雨事件分析的锋面结构和大气层结的物理模型。尽管如此，在这些先前的研究中只考虑了当地的天气过程，而大尺度的观点也应该有助于了解中国南方准静止锋线的活动性。

在这项工作中使用了两个数据集。第一个数据集包括来自中国气象局( CMA )的728个站点的日降水量，第二个数据集来自国家环境预测中心( NCEP )全球预报系统，时间分辨率为6小时，空间分辨率为1度。在NCEP数据集中，温度、相对湿度和水平风分量被用于分析。包括湿度在内的等效温度( ET )由总温度推断。湿度锋用ET梯度描述。然后研究了ET梯度和日降水量带之间的时空变化关系。最后提出并讨论了中国南方冬季短期和长期恶劣天气预报的方法。

1记录了江南的冻雨事件

图1显示了2008年1月10日至2月3日期间总降水量和冻雨区的分布情况。冷冻降雨主要覆盖贵州，湖南，江西以及安徽省南部。这一时期降水总量超过100毫米的地区分布在广西东部，广东北部，湖南南部，江西，福建，浙江，安徽南部和江苏省西南部。 可以看出，冻雨主要发生在长江和江南，降水带位于中国东部的西南向东北。 在此期间，观察到4个短期冻雨期：1月10日至16日，1月18日至22日，1月25日至29日和1月31日至2月2日[12]。

严重的灾难是由事件的持续造成的。根据中国国家气候中心[12]的分析，2008年1月中国南方的冻雨持续时间是自1952年以来最长的。2008年，该地区持续的冻雨平均持续时间为7 - 8天，但气候记录中最长持续时间为5 - 6天，分别发生在1955年和1964年。近20年来，江南地区持续的冻雨持续时间只有2 - 3天。

最严重的冻雨事件始于2008年1月25日，这是整个事件中的第三次。Sun和Zhao [11]对这个过程进行了详细的分析。温度反演和准静止锋西部的强暖层促成了中国南方冻雨的形成。水蒸气在对流层低层汇聚在锋面前方，并随着上升气流沿锋面区域凝结。锋面东部的辐合比西部强，因此东部的降水量大于西部的降水量。检查了2008年1月28日08:00 (BST )沿115°E的水平风速和温度的横截面。降水区域显示，华南地区的地表气温高于0℃，暖层顶部为600 hPa。在26.2 N至29 N的区域内观察到垂直温度的夹层模式。温度在600 hPa以下0°C以下，低于850 hPa leveland，在925 hPa附近低至-4°C，但在700和800 hPa之间高于0°C，值在4-8°C之间。暖层伴随着约18米/秒的强南风流，而靠近河面的冷却层受到弱北流的影响。雷达反射率表明，4千米高度附近的降水类型是冰或雪，然后它们融化，在融化层变成雨。穿过低2公里的冷却层后，冻雨形成并落在表面上。因此，人们注意到环流结构，特别是温度的垂直分层，是形成冻雨的关键点之一。

图1 2008年1月10日08:00 (BST )至2月3日08:00 (BST )期间降水量( mm )和冻雨(被斜线覆盖)的分布。

2湿锋成因

根据单位质量湿空气的总能量方程

并且假设大气是湿润的绝热，无摩擦，稳定[13]，eq。 （1）对于短期天气过程是合理的，变成以下形式

因此，总能量是守恒的

总温度可以表示为

在经典的极锋理论中，锋生和锋消可以通过潜在的温度水平梯度的个体变化来描述。类似地，前沿函数可以由总温度水平梯度的个体变化来表示，即，

相比之下，T和的水平梯度远大于和的水平梯度。因此，采用包括干燥空气温度和水蒸气的等效温度，即，

最后，前沿函数由等效温度梯度的水平梯度的个体变化来表达

该方程( 7 )表明等效温度梯度的增加(减少)有利于锋生(锋消)。众所周知，极锋是一个具有强烈水平温度对比的主要天气系统，它导致中高纬度地区的降水。在分析了中国中部和南部的副热带锋面系统后，Gu[ 14 ]发现温度的水平对比不如穿过锋面区的露点对比显著。Du等人[ 15 ]还指出昆明-贵州地区准静止锋的露点梯度在较低水平非常明显。中国南方准静止锋的这些特征与梅雨锋相似[16,17]。从上述工作中可以看出，水平ET梯度可能是描述准静止前沿的适当指标。

图2显示了2007年12月20日至23日期间沿115°E的温度、混合比和等效温度的纬度-高度横截面。这是一个没有降雨的雨季过程。温度梯度或混合比没有等效温度梯度大。这就是为什么我们选择等效温度梯度来代表正面。东半球的等效温度梯度很强,前部的坡度几乎是垂直的。 垂直结构类似于夏季梅雨锋的结构，但它仅限于800 hPa以下的大气。 2008年1月22日至23日观察到轻微的温度反转，但在2007年12月24日到2008年1月9日期间并不存在。

图2 2007年12月20日至23日期间沿115ordm;E的日平均气温（K）（a），混合比（g / kg）（b）和等效温度（K）（c）的纬度 - 海拔横截面。 每个图的日期和小时（BST）显示在每个面板的顶部。

图2 2007年12月20日至23日期间沿115ordm;E的日平均气温（K）（a），混合比（g / kg）（b）和等效温度（K）（c）的纬度 - 海拔横截面。 每个图的日期和小时（BST）显示在每个面板的顶部。

第一次冻雨期开始于2008年1月10日至13日。等效温度梯度清楚地描绘了湿度前沿(图3 )。等效温度梯度的垂直反转结构在这一时期是持续的。在850 hPa附近强烈的水平等效温度梯度很好地证明了前方，它从2008年1月11日开始从29°N向南移动。逆温层的形成与700 - 850 hPa层的南气流和950 hPa附近的北气流有关。因此，降水类型的预测(雨/雪或冻雨)取决于等效温度的预测结构。最严重的冻雨期出现在2008年1月26日至29日，当时等效温度梯度在24°至28°N之间的江南地区稳定维持。1月10日至13日，准稳定锋的高度低于800 hPa (图3(a ) )，而在1月25日至28日期间，这一高度增加到700 hPa (图3(b ) )。因此，雨/雪和冻雨在后期加强了。在靠近前区和逆温区的区域，在900 hPa的北气流和高于该水平的南气流之间存在明显的风向对比。湿锋反映了强烈的水分斜压性，因此它具有潜力和可释放的能量。雨/雪和冻雨发生之前，能量已经积累了。850 hPa的湿锋区在空间上与等效温度梯度反转区和冻雨区匹配良好。除了云的微物理过程和边界层的微气象条件之外，温度反演的准静止锋的长期持续可能是导致冻雨的天气原因。反转结构在2008年2月2日仍然存在，然后在2008年2月3日08:00 (BST )消失(未显示)。从这一分析看来，水平ET梯度似乎是描述降水带日常活动的一个好指标。

图3 2008年1月10日至13日( a )和1月25日至28日( b )期间，每日等效温度(线，间隔10 K )和经向风(阴影、黑暗和光线分别以米/秒表示)沿115°E的纬度-高度横截面。子图标题给出了日期和时间( BST )。

3湿锋和天气过程

通常，雨雪落在靠近前区的区域。 2007年12月20日至24日，江南发生了大规模的降水过程，该过程通常与前沿区域相互作用。图4显示了湿度锋和降水分布之间的关系。锋区和降水带沿东西方向定向，略向南移动。 08:00（BST）锋区的位置与中国东部24小时的降水格局相吻合。

图4 2007年12月20日至24日，850 hPa (℃/100 km) (a )上08:00 (BST )等效温度的水平梯度分布以及随后的24 h降水量( mm /天) ( b )。每个图的日期和时间( BST )显示在每个面板的顶部。

冻雨于2008年1月10日开始，引起了最为关注。图5显示了08:00（BST）超过850 hPa 等效温度梯度的日均分布以及自1月9日以来24小时内的总降水量。08年黄河下游存在弱前缘带： 00（BST）1月9日，但中国东部几乎没有降水。在1月10日08:00（BST），锋面变得更加强大并且站在长江和黄河之间的区域，同时伴随的降雨和降雪在夜间降下，一些降水总量超过5mm位置。 1月11日08:00（BST）前方再次变强，导致强降水带24小时5-25毫米。 1月12日，锋面和降水带都扩大了。

图5与图4相同，但2008年1月9日至12日。

自1月13日以来，锋面和降水开始向南移动，覆盖长江和江南(未显示)。1月15日至18日，锋面和降水强度减弱。1月17日，锋面转移到华南沿海地区。自1月18日以来，降水量再次增加，然后在1月21日减弱(图6 )。1月22日至24日，江南的锋面和降水仍然活跃，但相对较弱。整个事件中最严重的冻雨发生在1月25日至28日期间(图7 )。锋面和降水在1月29日再次向南移动。然后锋面从1月30日开始向北移动，降水强度在2月1日达到最大值(图8 )。整个过程于2月3日结束。

图6与图4相同，但是2008年1月17日至20日。

图7与图4相同，但是2008年1月25日至28日。

图8与图4相同，但是2008年1月29日至2月1日。

4预测信号

根据对冻雨事件的日常分析，湿锋的活动可以被认为是降水预测的先验信号。尽管ET梯度不等于降水，但从物理角度来看，锋的发展与降水密切相关。利用湿锋指数对2007年12月1日至2008年2月10日期间的降水量进行了预测实验。首先，观测到的降水数据被插值成0.5times;0.5的网格。然后，检验了利用湿锋指数预测降水的预测技巧。如果等效温度梯度ge;10°C / 100 km，并且同一网格点的降雨量ge;0.1 mm，则预测是准确的()，否则是错误的()或失败的()。评分公式为:

根据这个公式，

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