貴州凍雨形成的環(huán)境場條件及其預(yù)報(bào)方法

高守亭1, 2 張昕1, 3 王瑾4 杜小玲4 鄧滌菲1

?

貴州凍雨形成的環(huán)境場條件及其預(yù)報(bào)方法

高守亭張昕王瑾杜小玲鄧滌菲

1中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029;2中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;3中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;4貴州省氣象局，貴陽550002

在冬季風(fēng)暴各種降水類型中，凍雨的預(yù)報(bào)是其中最有難度，也最具挑戰(zhàn)的一種。貴州湖南凍雨是在對(duì)流層高、中、低層各緯度天氣系統(tǒng)相互作用下形成的，其中最直接和主要的影響系統(tǒng)有：高層的副熱帶高空急流鋒區(qū)、低層的云貴準(zhǔn)靜止鋒以及中低層的西南低空急流。在這種復(fù)雜的天氣背景下，為了準(zhǔn)確地分析并預(yù)報(bào)出凍雨的發(fā)生區(qū)域，在仔細(xì)分析研究凍雨發(fā)生的大氣背景和天氣特點(diǎn)后，我們探索性地提出一套凍雨的診斷預(yù)測方法，即“動(dòng)力因子”和“三步判別法”相結(jié)合的方法。同時(shí)，我們把該方法應(yīng)用到中國凍雨最為頻發(fā)的貴州地區(qū)，首先利用動(dòng)力因子垂直積分的斜壓渦度參數(shù)（）找到未來因斜壓性較強(qiáng)而易發(fā)生弱降水的區(qū)域，再結(jié)合預(yù)報(bào)場的單站探空資料，進(jìn)行三步判斷方法，就能比較全面地判斷凍雨發(fā)生的區(qū)域，對(duì)凍雨進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

凍雨 環(huán)境場 動(dòng)力因子 三步判別 診斷預(yù)報(bào)

1 引言

凍雨是指過冷水滴在下降到地表后，與溫度低于0°C的物體相遇發(fā)生凍結(jié)的一種降水。凍雨是一種嚴(yán)重的高影響災(zāi)害性天氣。凍雨一旦發(fā)生，特別是持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，必造成重大影響：交通事故多發(fā)、甚至癱瘓；電力、水利設(shè)施受到嚴(yán)重破壞或中斷；農(nóng)林作物、牛羊等牲畜都會(huì)遭到嚴(yán)重凍害；部分房屋倒塌，造成人員傷亡等。這種災(zāi)害，在我國最常見、且多發(fā)的區(qū)域主要是貴州湖南一帶。貴州、湖南地處東亞較低緯度地區(qū)，主體位于南嶺以北、長江以南、橫斷山脈以東，山河縱橫，地形、地貌極其復(fù)雜；內(nèi)有海拔平均不足200米，號(hào)稱方圓400千米的洞庭湖，又有高達(dá)2～3千米的大婁山和南嶺。同時(shí)，高原（云貴高原）、丘陵及平川自西南向東北方向延伸，形成一個(gè)獨(dú)特的溫差明顯的氣候變動(dòng)帶。由于西南高、東北低的喇叭口地形，造成冬季冷空氣可以順喇叭口地形爬升到該地區(qū)，同時(shí)由于緯度較低，暖濕空氣北上也完全可以達(dá)到該地區(qū)的上空，恰在隆冬季節(jié)造成冷暖空氣交綏，形成了天氣學(xué)上有名的云貴準(zhǔn)靜止鋒和南嶺準(zhǔn)靜止鋒。在這兩條準(zhǔn)靜止鋒天氣系統(tǒng)的直接影響下，貴州湖南一帶形成常見的具有明顯地方性的凍雨 天氣。

在國內(nèi)，關(guān)于凍雨天氣也有一些研究。早在1973年，中央氣象臺(tái)指出凍雨的發(fā)生機(jī)制是，大氣垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層、暖層、冷層三層，稱為“三層模式”。陳天錫等（1993）通過對(duì)1991年3月7～8日發(fā)生在駐馬店地區(qū)凍雨過程的分析得出該地區(qū)凍雨形成的天氣條件及分布規(guī)律，并建立了有關(guān)凍雨的預(yù)報(bào)方法。趙彩（1995）利用貴陽56次探空和高空風(fēng)資料，分析了貴州中部嚴(yán)重積冰過程的云內(nèi)宏觀動(dòng)熱力特征，發(fā)現(xiàn)云上部0°C以上暖層 的存在，以及云層中部湍流強(qiáng)度等因子對(duì)凍雨降水有重大影響。周廣岐（1996）研究了1987年12月22日烏魯木齊地區(qū)出現(xiàn)的一次罕見凍雨天氣過程。吳有訓(xùn)等（1999）用黃山1956～1996年氣象資料，分析討論了黃山雨凇的氣候特征。呂勝輝等（2004）利用氣象常規(guī)資料，對(duì)天津機(jī)場地區(qū)1979～2002年出現(xiàn)的3次凍雨天氣進(jìn)行對(duì)比分析，找出了凍雨發(fā)生的天氣形勢特點(diǎn)和大氣垂直結(jié)構(gòu)特征：700～500 hPa之間有冰晶層，冰晶層內(nèi)的溫度為－10～－14°C，850 hPa附近為暖層，厚度大約為1.0～2.0 km，暖層內(nèi)的溫度大約為0～2°C；從地面到1.0～2.0 km的高度存在冷層，冷層內(nèi)溫度大約為0～ －2°C。杜小玲（2007）和杜小玲等（2010，2012）對(duì)貴州凍雨做了環(huán)流分型和凍雨期間的垂直結(jié)構(gòu)特征方面的研究，并利用貴州48年觀測資料，揭示了貴州凍雨以27°N為頻發(fā)地帶的分布特征，還利用12次強(qiáng)凍雨過程分析了中高緯度阻塞環(huán)流背景下貴州強(qiáng)凍雨的天氣學(xué)特征和概念模型。Deng et al.（2012）進(jìn)一步運(yùn)用常規(guī)地面探空資料和再分析資料，研究了2011年1月初貴州等地的凍雨災(zāi)害，集中分析了和凍雨密切相關(guān)的準(zhǔn)靜止鋒結(jié)構(gòu)和2個(gè)有利于凍雨發(fā)生的條件，結(jié)果表明由于地轉(zhuǎn)和非絕熱強(qiáng)迫的共同作用，700 hPa以下垂直于準(zhǔn)靜止鋒區(qū)驅(qū)動(dòng)出了一個(gè)正環(huán)流圈，這一正環(huán)流區(qū)有利于近地面冷層和其上暖層的維持。此外，由于強(qiáng)風(fēng)切變的作用造成中低層云中出現(xiàn)擾動(dòng)，在中低層云中的冰核含量很少的有利條件下，擾動(dòng)使得過冷雨滴發(fā)生碰并增長，最終跌落于近地面冷層中，使得凍雨形成和維持。

國外關(guān)于凍雨的研究較多，如Stewart and King（1987）指出發(fā)生在加拿大的凍雨往往與冷鋒和暖鋒有關(guān)，垂直方向的溫度結(jié)構(gòu)對(duì)凍雨的預(yù)報(bào)非常重要。Xu and Gao（1995），Xu et al.（1996）研究了美國東部Appalachian山脈對(duì)冷空氣的阻擋作用及引起的美國東部的凍雨問題。Rauber et al.（2000）利用1970～1994年美國落基山州的972個(gè)探空資料，統(tǒng)計(jì)出在凍雨形成過程中的暖云和融化過程這兩種主要的微物理過程的相對(duì)重要性。Bourgouin（2000）利用垂直溫度廓線中大于0°C和小于0°C的區(qū)域，發(fā)展了一套診斷北美降水類型的方法。Houston and Changnon（2007）則利用1928～2001年的資料，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時(shí)，干球溫度一般位于－2.2°C至0°C，而露點(diǎn)溫度位于－2.8°C至0.6°C之間。

在貴州凍雨的預(yù)測預(yù)報(bào)方法研究方面，黃繼用（1999）在統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了冷舌與凝凍分片預(yù)報(bào)方法，認(rèn)為貴州的凝凍分布與700 hPa和850 hPa等壓面上的冷舌分布密切相關(guān)，并因此建立了未來36小時(shí)內(nèi)貴州的凝凍預(yù)報(bào)指標(biāo)及消空指標(biāo)。許炳南（2001）根據(jù)6個(gè)預(yù)測信號(hào)建立的兩類貴州凝凍短期氣候預(yù)測模型，是目前貴州氣象臺(tái)冬季凍雨氣候預(yù)測的重要方法?？梢?，目前對(duì)凍雨的預(yù)報(bào)還是基于統(tǒng)計(jì)分析方法，基本沒有用到數(shù)值預(yù)報(bào)。

由以上簡短的回顧可以看出，國內(nèi)外歷時(shí)數(shù)十年關(guān)于凍雨的研究工作為貴州湖南凍雨的研究提供了很好的科學(xué)思路和參考。但是必須看到，過去大量的研究主要是基于統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)凍雨進(jìn)行研究，從環(huán)境場、動(dòng)力和數(shù)值模擬上對(duì)貴州湖南凍雨天氣的研究相對(duì)薄弱。針對(duì)這個(gè)不足，同時(shí)為滿足凍雨天氣預(yù)報(bào)定量化的需求，深入研究凍雨形成的環(huán)境場條件，探索多因子形成的預(yù)報(bào)方法是十分必要的，這也是撰寫本文的動(dòng)力和目的。本文天氣分析所用資料中，如不做特殊說明，利用的都是NCEP (National Centers for Environmental Prediction)/NCAR (National Center for Atmospheric Research) 的再分析資料。

2 中高緯度天氣系統(tǒng)及靜止鋒結(jié)構(gòu)對(duì)凍雨形成的作用

準(zhǔn)靜止鋒的形成與中高緯及低緯度的環(huán)流形勢有關(guān)。從2008年和2011年期間共12天貴州凍雨發(fā)生時(shí)段的合成天氣圖上（圖1），可以看到，中低各層系統(tǒng)配置與2011年1月初的一次典型個(gè)例類似（Deng et al., 2012），表明在12天凍雨中，凍雨的區(qū)域很少移動(dòng)，多次凍雨系統(tǒng)也穩(wěn)定少動(dòng)，因此，進(jìn)行合成分析能較好地刻畫凍雨過程天氣形勢的典型特征。從圖1a 500 hPa的合成圖上，中高緯持續(xù)的冷空氣從大氣低層擴(kuò)散南下，主要是由于烏拉爾山阻高或在這一帶的高壓脊前低槽的引導(dǎo)而造成的。在阻高西側(cè)，西風(fēng)帶氣流在里海附近出現(xiàn)分支，北支氣流繞阻塞高亞經(jīng)西西伯利亞、蒙古國進(jìn)入我國；南支氣流從里海南部經(jīng)帕米爾高原進(jìn)入我國，這兩支氣流在河西走廊匯合并引導(dǎo)強(qiáng)冷空氣東移南下。低緯度存在一支南支鋒區(qū)，南支槽較淺，位于90°E附近。南支槽前至江南地區(qū)上空存在一支24 m s以上的偏西—西南風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)速帶，中心值最大可接近40 m s。在700 hPa上（圖1b），我國南方地區(qū)存在一支12～21 m s的西南風(fēng)急流，中心位于貴州—湖南—廣西一線上空，最大風(fēng)速可達(dá)18 m s，這支西南急流為南方地區(qū)大范圍的陰雨（雪）天氣和貴州湖南的凍雨天氣提供了必要的水汽條件和有效的增溫效應(yīng)。在這個(gè)高度上，27°～28°N以南地區(qū)氣溫高于0°C，形成了有利于凍雨發(fā)生的暖層。在850 hPa上（圖1c），當(dāng)孟加拉灣、南海北部經(jīng)北部灣有一定的暖濕氣流向北輸送進(jìn)入華南上空時(shí)，冷暖氣流交匯于華南北部至滇黔之間，形成明顯的風(fēng)場切變和溫度梯度，貴州湖南正好處于切變北側(cè)的冷區(qū)。在地面上（圖1d），受北方強(qiáng)冷空氣南下影響，我國大部分地區(qū)處于冷氣團(tuán)控制下。由于低層冷暖氣流交匯于華南至滇黔之間，冷空氣南下后在華南北部至滇黔之間形成明顯的氣壓梯度，即華南準(zhǔn)靜止鋒和云貴準(zhǔn)靜止鋒。在靜止鋒鋒后，以貴州為中心的貴州湖南等地的低空還存在大范圍的逆溫區(qū)，這是由于700 hPa西南急流帶來的增溫和850 hPa東北回流帶來的降溫造成的溫差。

從2011年1月1日20:00（北京時(shí)，下同）貴州凍雨發(fā)生典型時(shí)刻的準(zhǔn)靜止鋒的垂直剖面中可見（圖2），準(zhǔn)靜止鋒鋒后冷區(qū)以上、600 hPa高度以下存在沿著鋒面的逆溫。0°C溫度線向北伸展至北緯28°N地區(qū)700 hPa高度，向南伸展到北緯24°N的900 hPa。表明在24°～28°N之間鋒面上部存在高于0°C的暖層，鋒下是低于0°C的冷層，這種溫度分布特征是造成貴州強(qiáng)凍雨的重要條件之一。從相當(dāng)位溫和濕區(qū)的垂直分布來看，鋒區(qū)下部是低于290 K的低能高濕區(qū)，鋒區(qū)上部是高于310 K的高能低濕區(qū)，這種“鋒上高能低濕、鋒下低能高濕”的層結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定，使得冬季靜止鋒降水具有較好的穩(wěn)定性。從圖2中還可以看出，靜止鋒后由于冷空氣的侵入相對(duì)較干，500 hPa以上也為干冷空氣，這也說明凍雨區(qū)高層沒有對(duì)流云發(fā)展。

圖1 貴州凍雨時(shí)段（時(shí)間：2008年1月12～14日、27～28日、2011年1月2～5日、20～22日共12天）NCEP/NCAR再分析資料合成天氣圖：（a）500 hPa位勢高度場（單位：dagpm）、風(fēng)矢量（陰影區(qū)為≥20 m s?1全風(fēng)速）；（b）700 hPa溫度場（虛線, 單位：°C，其中0°C等溫線用實(shí)線表示）及風(fēng)矢量（陰影區(qū)為≥12 m s?1全風(fēng)速）；（c）850 hPa溫度場（虛線, 單位：°C，其中0°C等溫線用實(shí)線表示）及風(fēng)矢量（陰影區(qū)為≥4 m s?1全風(fēng)速）；（d）海平面氣壓場分布（黑色細(xì)等值線，單位：hPa）、地面0°C線（黑色粗線）與低層逆溫區(qū)（陰影區(qū)，700 hPa與850 hPa的溫度差，代表低層逆溫區(qū)）

圖2 2011年1月1日20:00 NCEP/NCAR再分析資料沿107°E垂直剖面上的 0°C溫度線（長虛線）、相對(duì)濕度（陰影）、相當(dāng)位溫（黑色實(shí)線，單位：K，其中290 K 和310 K等相當(dāng)位溫線加粗）

從2011年1月1日20:00強(qiáng)凍雨期間貴陽的實(shí)測探空?qǐng)D也可以看出（圖3），凍雨期間在750～850 hPa之間有明顯的逆溫層存在。由圖3也可以看到，貴陽站850 hPa和地面均為4～8 m s的偏東風(fēng)或東北風(fēng)，700 hPa轉(zhuǎn)為26 m s西南風(fēng)，表明鋒區(qū)主要存在于700～850 hPa之間。從濕層伸展的高度可見，濕區(qū)主要集中在650 hPa以下，與逆溫層的高度相匹配。

圖3 2011年1月1日20:00貴陽站實(shí)測T-ln p圖（實(shí)線：溫度；虛線：露點(diǎn)）

3 低緯度天氣系統(tǒng)對(duì)凍雨形成的影響

過去的研究表明，中高緯度阻塞環(huán)流的建立和維持，為貴州持續(xù)凍雨提供了持續(xù)不斷的強(qiáng)冷空氣補(bǔ)充，而低緯度南支鋒區(qū)的建立和活躍，給貴州地區(qū)帶來充沛的水汽，使得貴州地區(qū)700 hPa高度附近形成增溫效應(yīng)（杜小玲等，2010，2012）。對(duì)2011年1月1～3日貴州強(qiáng)凍雨期間的水汽進(jìn)行分析表明（圖4a–b），低緯度南支鋒區(qū)呈現(xiàn)活躍特征，700 hPa水汽輸送加強(qiáng)。影響貴州的西南水汽輸送帶由兩股氣流匯合而成，一股來自阿拉伯海經(jīng)印度北部進(jìn)入孟加拉國，一股來自孟加拉灣北上的暖濕氣流，兩股水汽輸送帶在孟加拉國上空匯合，在強(qiáng)盛的西—偏西南急流的引導(dǎo)下進(jìn)入我國西南至南 方上空，并在我國西南地區(qū)形成強(qiáng)的水汽輸送中心。31日20:00～1月2日20:00，伴隨著強(qiáng)勁的西南急流，在20°～26°N之間形成強(qiáng)度達(dá)16× 10～24×10cmhPas的強(qiáng)水汽通量中心。同時(shí)，700 hPa風(fēng)速、水汽通量、溫度場0°C線的緯度—時(shí)間剖面圖也表明（圖4c），從31日08:00到1月2日20:00，隨著貴州地區(qū)西南風(fēng)速增大，水汽通量增大，貴州溫度場也有明顯的增溫現(xiàn)象，0°C線從24°N北抬至26°～27°N（圖4c）。從圖4d中的水汽通量散度的高度—時(shí)間剖面圖上也可以清楚的看到，在700 hPa以下的區(qū)域內(nèi)，貴州凍雨發(fā)生時(shí)段也是一強(qiáng)的水平通量輻合中心，最強(qiáng)值在800 hPa以下達(dá)到了－0.8×10cmhPas。

圖4 （a）2010年12月31日20:00和（b）2011年1月1日20:00 NCEP/NCAR再分析場上700 hPa風(fēng)矢量（箭頭，單位：m s?1）和水汽通量 （陰影，單位：10?5 g cm?1 hPa?1 s?1）；（c）2010年12月30日20:00～2011年1月3日20:00 NCEP/NCAR再分析場700 hPa風(fēng)速（等值線，單位：m s?1）、水汽通量（陰影，單位：10?5g cm?1 hPa?1 s?1）以及溫度場0°C線的緯度—時(shí)間剖面；（d）水汽通量散度的時(shí)間—高度剖面（陰影，單位：10?10 g cm?2 hPa?1 s?1）

4 凍雨天氣的TBB及空中云水分布特征

靜止鋒系統(tǒng)影響時(shí)，凍雨表現(xiàn)出的弱降水特征在FY-2E紅外黑體亮溫（TBB）上能夠直觀地顯現(xiàn)出來。2011年1月1～3日貴州出現(xiàn)強(qiáng)凍雨期間，TBB上顯示貴州上空受到穩(wěn)定的中低層云覆蓋，貴州大部的TBB在－10～0°C之間（圖5a–c）。這種溫度分布說明云中冰相粒子極少，有利于過冷水滴在云內(nèi)發(fā)生碰并增長。從貴州上空云水的時(shí)間高度演變圖可見（圖5d），云水的溫度對(duì)降水相態(tài)的影響是顯著的：12月31日～1月1日天氣實(shí)況是小雨轉(zhuǎn)凍雨，圖5d顯示31日云水的溫度在700 hPa以下均處于0°C以上的暖區(qū)中，到1月1日，650～800 hPa之間云水的溫度為0～2°C，具有暖云結(jié)構(gòu)，但隨著低層冷空氣加強(qiáng)，800 hPa以下氣溫降至0°C以下，當(dāng)日氣象站觀測到雨??；到了2日，當(dāng)云水含量達(dá)到最高時(shí)，隨著冷空氣不斷加強(qiáng)，云水所處環(huán)境溫度不斷下降，700 hPa以上幾乎都在－10～0°C之間，而低層的氣溫則為－2°C左右，但中間仍保留了一部分0°C以上的空間，滿足Huffman and Norman（1988）提出的凍雨形成機(jī)制（“暖云過程”）。

從云水在空中所處位置分析顯示（圖5），貴州凍雨區(qū)云層較薄，幾乎集中在600 hPa以下、800 hPa以上，且云中云水含量少，在31日20:00～1日20:00之間為1×10gkg以上，最大中心達(dá)4×10gkg，表明凍雨具有弱降水的特征，凍雨是通過云中過冷水滴的暖云機(jī)制形成的。

另外，利用WRF模式對(duì)2011年1月初的凍雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究使用WRF模式的V3.2版本，采用非靜力，三重雙向嵌套方案，對(duì)2010年12月31日20:00～2日20:00的降水過程進(jìn)行模擬。模式初值場和邊界場采用NCEP/NCAR再分析資料，模擬區(qū)域中心為（38°N，110°E），選用蘭伯特投影方式，水平分辨率分別是45 km、15 km和 5 km。嵌套區(qū)域以貴州地區(qū)為中心，利用內(nèi)層的高分辨率模擬數(shù)據(jù)來分析貴州凍雨的中尺度結(jié)構(gòu)特征。微物理過程采用的是WRF Double-Moment 5-class 方案，行星邊界層方案采用Yonsei University 方案，外層2個(gè)嵌套區(qū)域內(nèi)積云參數(shù)化方案采用的是Kain-Fritsch 方案，輻射方案采用RRTM方案。數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看到（圖6），貴州凍雨區(qū)（26°～28°N）上空云中水物質(zhì)是云水和雨水，沒有冰晶和雪等其它固態(tài)水凝物，這進(jìn)一步佐證了凍雨是來自于中低層的暖云降水。

圖5 2011年（a）1月1日08:00、（b）2日08:00、（c）3日08:00 FY-2E的TBB（單位：°C）分布以及（d）2010年12月30日08:00～2011年1月3日20:00貴州區(qū)域（24°～29°N，103°～110°E）NCEP/NCAR再分析資料的溫度場（單位：°C）與空中云水含量（陰影，單位：10?3 kg kg?1）的高度—時(shí)間剖面

圖6 WRF模式模擬的2011年1月1日20:00溫度（黑線，其中0°C溫度線為紅色）以及（a）云水（橘色）、雨水（深紅色）含量,（b）雪水（藍(lán)色）、冰水（綠色）含量（單位：g kg?1）沿107°E的垂直剖面

5 凍雨的診斷預(yù)測方法

5.1 動(dòng)力因子診斷預(yù)報(bào)法

為進(jìn)一步診斷預(yù)報(bào)和凍雨相關(guān)的降水，這里我們首先提出動(dòng)力因子診斷預(yù)報(bào)法。以往大家用得較多的診斷因子，比如對(duì)流渦度矢量、濕熱力平流參數(shù)（Gao et al., 2004）等，都是針對(duì)對(duì)流性強(qiáng)降水，它們能很好地描述垂直速度較大的強(qiáng)對(duì)流，而對(duì)弱降水的診斷作用相對(duì)較差。由于凍雨總是發(fā)生在非對(duì)流性的層狀云區(qū)，降水量很小，因此，根據(jù)凍雨降水的這個(gè)特點(diǎn)，我們需要重新總結(jié)出一個(gè)能診斷弱降水的診斷量。

首先，我們知道凍雨發(fā)生的區(qū)域的斜壓性很強(qiáng)，特別是在中低層的云貴準(zhǔn)靜止鋒附近，有很明顯的溫度、風(fēng)場對(duì)比。因此我們選用了一個(gè)能較好地表現(xiàn)大氣斜壓性的參數(shù)——斜壓渦度參數(shù)（），即三維渦度矢量在力管方向的投影（Ran et al., 2013），具體的表達(dá)式為

（2）

, （4）

. （5）

本文的個(gè)例分析計(jì)算都是在坐標(biāo)系上進(jìn)行的，因此，程序中利用來代替進(jìn)行計(jì)算，其中。

利用NCEP/NCAR的再分析場，我們將斜壓渦度參數(shù)應(yīng)用到2011年1月1日貴州凍雨事件中，結(jié)果表明：850 hPa上，BV的異常大值主要出現(xiàn)在四川和貴州地區(qū)，這與該地區(qū)大氣低層準(zhǔn)靜止鋒區(qū)附近的斜壓性較強(qiáng)有關(guān)（圖7a）；在中層600 hPa附近，30°N地區(qū)也存在一準(zhǔn)東西向的BV異常大值區(qū)（圖7b）。經(jīng)過各個(gè)時(shí)刻不同高度的對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)，貴州凍雨時(shí)段大氣中低層的BV最為明顯，因此，我們將BV從550 hPa到850 hPa垂直積分，得到垂直積分的斜壓渦度參數(shù)（圖7c），可以看到，貴州、四川和青藏高原附近都出現(xiàn)了的大值區(qū)，這與6小時(shí)后的累積降水相對(duì)集中的區(qū)域?qū)?yīng)較好（圖7d），可以看到，這些區(qū)域的降水量非常小，每6小時(shí)只有2～3 mm。

圖7 2011年1月1日20:00斜壓渦度參數(shù)及其后6小時(shí)降水分布：（a）850 hPa；（b）600 hPa（單位：10?8 m3 s?3 kg?1）；（c）550 hPa至850 hPa垂直積分的斜壓渦度參數(shù)（10?4 m3 s?3 kg?1）；(d) 2011年1月1日20:00至1月2日02:00的6小時(shí)觀測降水量（mm）

5.2 三步判別法

第一步：大尺度天氣系統(tǒng)判別。

我們知道，貴州湖南凍雨總是與云貴準(zhǔn)靜止鋒相聯(lián)系，而天氣尺度和大尺度的背景場是準(zhǔn)靜止鋒

維持的關(guān)鍵。因此，要判斷凍雨是否會(huì)長時(shí)間發(fā)生，首先可通過高空地面天氣圖或相關(guān)的分析場，查看影響凍雨發(fā)生的主要天氣系統(tǒng)是否存在并會(huì)穩(wěn)定維持。圖8是2011年1月1日貴州凍雨發(fā)生時(shí)段的垂直剖面圖，它是一張比較典型的凍雨天氣系統(tǒng)剖面圖，從圖上可以看到，在大氣高層有副熱帶鋒區(qū)和急流，在大氣低層有云南貴州準(zhǔn)靜止鋒和低層的西南急流，同時(shí)，在云貴準(zhǔn)靜止鋒附近也存在廣闊均勻的中低層狀云（圖略），這是貴州冬季凍雨發(fā)生時(shí)段最典型的天氣背景配置。

圖8 2011年1月1日20:00 沿107°E的NCEP/NCAR再分析場垂直剖面上的相當(dāng)位溫（黑色實(shí)線，單位：K，其中290 K 到310 K 的等值線用藍(lán)色線表示）、高空西風(fēng)急流（綠色線，單位：m s?1，其中風(fēng)速大于40 m s?1的部分用彩色陰影表示）。紅色虛線代表 0°C等溫線，三角區(qū)為2011年貴州凍雨發(fā)生地，黑色陰影為地形高度

在高層和中低層系統(tǒng)的穩(wěn)定維持和共同作用下，我們可以進(jìn)一步利用單站探空進(jìn)行精細(xì)化的第二步判斷。

第二步：單站探空判別。

凍雨的發(fā)生和云有著密不可分的關(guān)系，此時(shí)中低層狀云內(nèi)是否有適宜的條件利于過冷水滴發(fā)展長大是凍雨形成的關(guān)鍵。因此，在第二步中，我們利用單站探空數(shù)據(jù)，分別判斷幾個(gè)與云相關(guān)的條件是否滿足，同時(shí)檢驗(yàn)地表溫度是否利于凍雨生成。

（1）為了能較為準(zhǔn)確地確定云層所在的高度、厚度以及云頂高度，我們采用Poore et al.（1995）的溫度露點(diǎn)差判斷法，具體判別標(biāo)準(zhǔn)如下：

溫度≥0°C時(shí)，溫度露點(diǎn)差≤2°C；

溫度≤0°C且≥－20°C時(shí)，溫度露點(diǎn)差≤4°C；

溫度≤－20°C時(shí)，溫度露點(diǎn)差≤6°C。

以圖3所示的貴陽探空?qǐng)D為例，貴陽地區(qū)的溫濕廓線滿足以上云內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的范圍為650～850 hPa，屬于中低云。

（2）在判斷完云層所在位置后，接著利用Huffman and Norman（1988）的研究結(jié)果，主要分析云頂高度和－10°C線的位置，從而來判斷云中是否有冰核。通過對(duì)冰核的實(shí)際觀測，一般來說，云頂溫度＞－10°C的時(shí)候，云中水滴基本維持過冷水滴的狀態(tài)，因此－10°C線所在高度也是區(qū)分云中是否有冰核的關(guān)鍵閥值。從圖3我們可以清楚地看到，2011年1月1日20:00貴州地區(qū)的云頂溫度大約在－2～0°C附近，高于－10°C，所以這時(shí)的云內(nèi)冰核很少，云內(nèi)主要以過冷云水為主。

（3）一般利于凍雨的近地冷層都很淺薄，溫度維持0°C以下，但也不能太低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，凍雨發(fā)生時(shí)段地面溫度平均在－6～0°C之間。從圖3中可以看到，2011年貴州凍雨區(qū)近地面的溫度大約在－4°C左右，利于過冷水滴下落后的凍結(jié)。

第三步：穩(wěn)定度判別法（看看云內(nèi)是否有利于過冷水滴長大的條件）。

降水粒子的碰并增長是影響降水量的重要云物理過程，而降水粒子碰并增大路程的長短在很大程度上受云內(nèi)湍流強(qiáng)度的影響。受到云貴準(zhǔn)靜止鋒鋒面逆溫的影響，大氣處于穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，但其云內(nèi)不一定很穩(wěn)定。李啟泰等（1988）通過飛機(jī)探測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機(jī)穿過貴州冬季層狀云時(shí)，會(huì)發(fā)生輕度的顛簸，在大氣穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下云內(nèi)的這種擾動(dòng)正是由于強(qiáng)烈的風(fēng)切變?cè)斐傻?，?qiáng)風(fēng)切變?cè)斐傻臄_動(dòng)使得云層內(nèi)部的小云滴能通過碰并增長而長大。李啟泰等（1988）和 Deng et al（2012）的研究都發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜止鋒區(qū)上空缺少冰核的中低層層狀云內(nèi)這種由于強(qiáng)風(fēng)切變?cè)斐傻臄_動(dòng)利于云內(nèi)過冷水滴碰并增大。趙彩（1995）和Deng et al.（2012）先后利用數(shù)進(jìn)行定量判斷，發(fā)現(xiàn)貴州地區(qū)＜1可作為判斷云內(nèi)是否存在湍流的判據(jù)。

利用NCEP/NCAR再分析資料，從圖9中可以看到，650 hPa以下，在低層偏東氣流和800 hPa附近偏西南氣流的切變作用下（圖9b），貴州凍雨區(qū)上空中低層云內(nèi)存在數(shù)小于1的區(qū)域，極小值 分別出現(xiàn)在850 hPa為中心的大氣低層（圖9a），強(qiáng)風(fēng)切變?cè)斐傻臄_動(dòng)使得層云內(nèi)部的小云滴可通過碰并增長，利于過冷水滴增大。

圖9 2011年1月1日20:00 NCEP/NCAR再分析資料計(jì)算的貴州凍雨區(qū)的（a）Ri數(shù)和（b）緯向風(fēng)（單位：m s?1）垂直廓線

6 結(jié)論和討論

本文對(duì)貴州凍雨形成的環(huán)境場條件和預(yù)報(bào)預(yù)測方法進(jìn)行了較全面的分析和探討，得到以下一些結(jié)論：

貴州湖南凍雨是對(duì)流層內(nèi)中高緯度和低緯度天氣系統(tǒng)相互作用下形成的。在這些天氣系統(tǒng)中，最直接主要的影響系統(tǒng)有：高層的副熱帶高空急流—鋒區(qū)、低層的云貴準(zhǔn)靜止鋒以及中低層的西南低空急流。其中低層的準(zhǔn)靜止鋒和鋒區(qū)附近的中低層狀云的形成與穩(wěn)定維持又與中高緯烏拉爾山阻高和低緯印緬槽的水汽輸送有密切的關(guān)系。

在各緯度高低層復(fù)雜的天氣背景下，要想預(yù)報(bào)好凍雨的發(fā)生和發(fā)展是一項(xiàng)極具具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文探索性地提出一套凍雨的診斷預(yù)測方法，即“動(dòng)力因子”和“三步判別法”相結(jié)合的方法。該方法首先利用動(dòng)力因子找到未來因斜壓性較強(qiáng)而利于弱降水發(fā)生的區(qū)域，再結(jié)合預(yù)報(bào)場的單站探空資料，進(jìn)行三步判斷，就能比較全面地判斷和預(yù)測凍雨的發(fā)生區(qū)域。歷史個(gè)例表明，我們的方法對(duì)貴州凍雨預(yù)報(bào)的精度和速率具有明顯的提高。同時(shí)，我們已將該方法應(yīng)用到貴州凍雨的實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，以期對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)和進(jìn)一步完善改進(jìn)。

Bourgouin P. 2000. A method to determine precipitation types [J]. Wea. Forecasting, 15 (5): 583–592.

陳天錫, 陳貴發(fā), 穆曉濤. 1993. 駐馬店地區(qū)凍雨天氣特征的分析和預(yù)報(bào) [J]. 氣象, 19 (2): 33–36. Chen Tianxi, Chen Guifa, Mu Xiaotao. 1993. Analysis and forecasting of freezing rain characteristics in Zhumadian [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 19 (2): 33–36.

Deng Difei, Gao Shouting, Du Xiaoling, et al. 2012. A diagnostic study of freezing rain over Guizhou China in January 2011 [J]Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 138 (666): 1233–1244.

杜小玲. 2007. 貴州凍雨研究及數(shù)值模擬試驗(yàn) [D]. 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文. Du Xiaoling. 2007. Research the freezing rain in Guizhou and its numerical experiments by a mesoscale model [D]. M. S. thesis (in Chinese), Nanjing University.

杜小玲, 高守亭, 許可, 等. 2012. 中高緯阻塞環(huán)流背景下貴州強(qiáng)凍雨特征及概念模型研究 [J]. 暴雨災(zāi)害, 31 (1): 15–22. Du Xiaoling, Gao Shouting, Xu Ke, et al. 2012. Study on the synoptic features of strong freezing rain with blocking pattern in Guizhou and conceptual model [J]. Torrential Rain and Disasters (in Chinese), 31 (1): 15–22.

杜小玲, 彭芳, 武文輝. 2010. 貴州凍雨頻發(fā)地帶分布特征及成因分析 [J]. 氣象, 36 (5): 92–97. Du Xiaoling, Peng Fang, Wu Wenhui. 2010. Distribution and cause on frequent freezing rain zone in Guizhou [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 36 (5): 92–97.

Gao Shouting, Ping Fan, Li Xiaofan, et al. 2004. A convective vorticity vector associated with tropical convection: A two dimensional cloud–resolving modeling study [J]. J. Geophys. Res., 2004 (109): D14106, doi:10.1029/2004JD004807.

Houston T G, Changnon S A. 2007. Freezing rain events: a major weather hazard in the conterminous US [J]. Natural Hazards, 40 (2): 485–494.

黃繼用. 1999. 冷舌與分片預(yù)報(bào)研究 [C]. 貴州省氣象臺(tái)培訓(xùn)教材. Huang Jiyong. 1999. Study of cold tongue and slice forecasting [C] (in Chinese). Trainning Material of Guizhou Meteorological Center.

Huffman G J, Norman G A. 1988. The supercooled warm rain process and the specification of freezing precipitation [J]. Mon. Wea. Rev., 116 (11): 2172–2182.

李啟泰, 盧成孝, 趙彩. 1988. 貴州冬季層狀云的觀測研究 [J]. 氣象, 14 (5): 9–14. Li Qitai, Lu Chengxiao, Zhao Cai. 1988. A study of winter stratus in Guizhou [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 14 (5): 9–14.

呂勝輝, 王積國, 邱菊. 2004. 天津機(jī)場地區(qū)凍雨天氣分析 [J]. 氣象科技, 32 (6): 456–460. Lü Shenghui, Wang Jiguo, Qiu Ju. 2004. Analysis of freezing rain at Tianjin Airport [J]. Meteorological Science and Technology (in Chinese), 32(6): 456–460.

Poore K D, Wang Junhong, Rossow W B. 1995. Cloud layer thicknesses from a combination of surface and upper–air observations [J]. J. Climate, 8 (3): 550–568.

Ran Lingkun, Li Na, Gao Shouting. 2013. PV–based diagnostic quantities of heavy precipitation: Solenoidal vorticity and potential solenoidal vorticity [J]. J. Geophys. Res. Atmos., 118 (11): 5710–5723.

Rauber R M, Olthoff L S, Ramamurthy M K, et al. 2000. The relative importance of warm rain and melting processes in freezing precipitation events [J]. J. Appl. Meteor., 39 (7): 1185–1195.

Stewart R E, King P. 1987. Freezing precipitation in winter storms [J]. Mon. Wea. Rev., 115 (7): 1270–1280.

吳有訓(xùn), 王進(jìn)寶, 王克勤, 等. 1999. 黃山雪、雨凇和霧凇的氣候特征 [J]. 氣象, 25 (2): 48–52. Wu Youxun, Wang Jinbao, Wang Keqin, et al. 1999. The climatic characteristics of snow glaze and rime in Huangshan Mountain [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 25 (2): 48–52.

許炳南. 2001. 貴州冬季凝凍預(yù)測信號(hào)和預(yù)測模型研究 [J]. 貴州氣象, 25 (4): 3–6. Xu Bingnan. 2001. A study on forecast signals and forecast models of winter glaze in Guizhou [J]. Journal of Guizhou Meteorology (in Chinese), 25 (4): 3–6.

Xu Qin, Gao Shouting. 1995. An analytic model of cold air damming and its applications [J]. J. Atmos. Sci., 52 (3): 353–365.

Xu Qin, Gao Shouting, Fiedler B H. 1996. A theoretical study of cold air damming with upstream cold air inflow [J]. J. Atmos. Sci., 53 (2): 312–326.

趙彩. 1995. 貴州雨凇積冰過程的云層特征及環(huán)流背景[J]. 氣象, 21 (5): 48–52. Zhao Cai. 1995. An analysis on the cloud macro characteristics and circulation background of the severe glaze icing in Guizhou [J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 21 (5): 48–52.

周廣岐. 1996. 1987年12月22日凍雨分析 [J]. 新疆氣象, 19 (5): 17–19. Zhou Guangqi. 1996. Analysis of freezing rain on December 22, 1987 [J]. Bimonthly of Xinjiang Meteorology (in Chinese), 19 (5): 17–19.

高守亭, 張昕, 王瑾, 等. 2014. 貴州凍雨形成的環(huán)境場條件及其預(yù)報(bào)方法[J]. 大氣科學(xué), 38 (4): 645?655, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13250. Gao Shouting, Zhang Xin, Wang Jin, et al. 2014. The environmental field and ensemble forecast method for the formation of freezing rain over Guizhou Province[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (4): 645?655.

The Environmental Field and Ensemble Forecast Method for the Formation of Freezing Rain over Guizhou Province

GAO Shouting, ZHANG Xin, WANG Jin, DU Xiaoling, and DENG Difei

1 Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms (LACS), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;2 State Key Laboratory of Severe Weather (LaSW), Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;4 Meteorological Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550002

During the winter storm, freezing rain is one of the most difficult to forecast among the various types of precipitation. The freezing rain over Guizhou and Hunan provinces is formed because of the interaction between the mid-higher latitude and the lower-latitude weather systems. The most important weather systems are the high-level subtropical jet stream front, the lower-level Yunnan-Guizhou quasi-stationary front, and the southwesterly jet. To accurately analyze the occurrence of freezing rain under these complex weather systems, we have proposed a new set of diagnostic method, which is a combination of the “dynamical factor” and the “three-step judge method.” Meanwhile, we have applied the method to forecast freezing rain in Guizhou Province, China, where freezing rain occurs most frequently. We first used the dynamical factor vertical integral baroclinic vorticity parameter () to find the possible weak rainfall region owing to atmospheric baroclinity, and then used single-station radiosonde data to employ the following three-step judge method . Finally, we determined the regions where freezing rain may occur in the future.

Freezing rain, Environmental field, Dynamical factor, Three-step judge, Diagnoses and forecast

1006–9895(2014)04–0645–11

P456

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13250

2013–08–12，2014–03–28收修定稿

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40930950、41275065，公益性行業(yè)科研專項(xiàng)GYHY201306051，中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題2011LASW-A01

高守亭，男，1945年出生，博士，研究員，主要從事中尺度動(dòng)力學(xué)、中尺度數(shù)值模擬及波與流的相互作用研究。E-mail: gst@mail.iap.ac.cn

鄧滌菲，E-mail: ddfttkl@gmail.com