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    我國(guó)凍雨統(tǒng)計(jì)及發(fā)生機(jī)制研究*

    2015-05-08 02:16:24劉朝茹韓永翔
    災(zāi)害學(xué) 2015年3期
    關(guān)鍵詞:凍雨云頂探空

    劉朝茹,韓永翔,王 瑾,張 智

    (1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044; 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550002)

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    我國(guó)凍雨統(tǒng)計(jì)及發(fā)生機(jī)制研究*

    劉朝茹1,韓永翔1,王 瑾2,張 智1

    (1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044; 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550002)

    利用2008-2013年冬季低溫期間全國(guó)常規(guī)地面觀測(cè)站資料,統(tǒng)計(jì)了凍雨多發(fā)站點(diǎn)的1月份年平均凍雨發(fā)生日數(shù),結(jié)合探空資料對(duì)凍雨進(jìn)行分類(lèi)并討論其發(fā)生機(jī)制。結(jié)果表明:①不同站點(diǎn)間發(fā)生凍雨的機(jī)制有明顯差異,凍雨發(fā)生機(jī)制與海拔高度有關(guān);②含有暖層凍雨個(gè)例中過(guò)冷暖雨過(guò)程達(dá)到了67%以上,高海拔地區(qū)易發(fā)生過(guò)冷暖雨過(guò)程的凍雨,而低海拔地區(qū)易發(fā)生融化過(guò)程的凍雨;③用有無(wú)暖層來(lái)劃分是融化過(guò)程還是過(guò)冷暖雨過(guò)程誤判的概率極大,高海拔地區(qū)誤判的概率最大,如威寧為97%,低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。這一研究結(jié)果表明必須用新的分類(lèi)方法來(lái)劃分凍雨,用傳統(tǒng)的有無(wú)暖層來(lái)劃分凍雨機(jī)制存在誤差。

    凍雨統(tǒng)計(jì);過(guò)冷暖雨過(guò)程;融化過(guò)程

    凍雨是中高緯度地區(qū)常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象,是一種由過(guò)冷水滴組成的、與低于0 ℃的物體碰撞立即凍結(jié)的降水,它能形成毛玻璃狀或透明的堅(jiān)硬冰層[1],在地物上凍結(jié)并積累后能壓斷電線,造成供電和通訊中斷,嚴(yán)重的凍雨甚至?xí)核课?、壓斷?shù)木、凍死農(nóng)作物和蔬菜,對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、環(huán)境、通訊網(wǎng)絡(luò)危害巨大。同時(shí),因其具有外表光滑的堅(jiān)硬冰層,交通運(yùn)輸也會(huì)因其受到巨大的損失。 2008年初,我國(guó)南方受到暴雪和凍雨災(zāi)害天氣的襲擊,時(shí)值春節(jié)前夕,給交通運(yùn)輸、電力供應(yīng)、林業(yè)和農(nóng)業(yè)以及人民正常的生活和生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[2],發(fā)生了較嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。

    由于凍雨的特殊性質(zhì)會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重危害,所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍雨有較為廣泛的關(guān)注。Stewart[3]總結(jié)了發(fā)生在美國(guó)東南部的凍雨和降雪,發(fā)現(xiàn)它們與美國(guó)東南部的暖鋒相關(guān)。當(dāng)暖鋒到來(lái)時(shí),爬升的暖空氣在近地面形成了逆溫層,逆溫層中溫度不斷升高,出現(xiàn)大于0 ℃的暖層。接下來(lái)隨著暖鋒的不斷侵入,暖層加厚,落進(jìn)暖層的雪花被更多地融化,并且地面冷層也會(huì)不斷變淺,使得融化的液滴再被凍結(jié)的概率變低。當(dāng)變厚的暖層能將雪花完全融化,液滴在落到低層冷層中冷卻但未被再次凍結(jié)時(shí),在低于0 ℃的地表上將很有可能觀測(cè)到凍雨。這種凍雨的形成理論被普遍接受,并常被稱(chēng)為融化過(guò)程或“冰相融化機(jī)制”理論(圖1a)[4]。David[5]等研究了美國(guó)東南部?jī)鲇臧l(fā)生的次數(shù)、時(shí)間以及其探空結(jié)構(gòu),支持了融化過(guò)程理論。Zerr[6]探討了暖層和其以下的凍結(jié)層的厚度、溫度對(duì)降落物相態(tài)的影響,認(rèn)為暖層太薄或者溫度太低會(huì)使得冰晶不能完全融化成水滴,另外,再次凍結(jié)層太厚或者溫度太低也會(huì)使得下落的水滴再次凍結(jié)。國(guó)內(nèi)也有大量研究從天氣學(xué)角度分析了凍雨的形成原因[2, 7-13],提出凍雨主要發(fā)生在準(zhǔn)靜止鋒附近[7-8],并將冷暖鋒相交的天氣系統(tǒng)與融化過(guò)程相對(duì)應(yīng),較多地強(qiáng)調(diào)逆溫層中暖層的融化作用對(duì)凍雨形成的影響。

    圖1 兩種不同的凍雨機(jī)制

    然而,也有大量的凍雨個(gè)例研究中沒(méi)有出現(xiàn)高于0 ℃的融化層,如Bocchieri[14]發(fā)現(xiàn)在一些凍毛毛雨天氣中,大氣探空數(shù)據(jù)表明整層大氣都在0 ℃以下,其比例為44%,故而過(guò)冷暖雨過(guò)程被提出(圖1b)[15],認(rèn)為在過(guò)冷卻狀態(tài)下,液滴會(huì)通過(guò)碰并過(guò)程保持增長(zhǎng)并產(chǎn)生凍雨天氣,并用是否存在暖層這一特征來(lái)區(qū)分過(guò)冷暖雨過(guò)程和融化過(guò)程。我國(guó)學(xué)者對(duì)氣象站探空資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)貴州省有大量的凍雨個(gè)例不存在暖層,凍雨形成機(jī)制更可能是過(guò)冷暖雨過(guò)程,與低海拔地區(qū)的凍雨發(fā)生機(jī)制有很大不同,如湖南的凍雨常由“冰相融化過(guò)程”形成[16-18]。

    在對(duì)我國(guó)凍雨的研究過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)的確存在兩種凍雨機(jī)制,但這兩種機(jī)制的劃分過(guò)于簡(jiǎn)單,即使出現(xiàn)暖層,也有大量的個(gè)例屬于過(guò)冷暖雨過(guò)程,說(shuō)明用有無(wú)暖層來(lái)劃分凍雨發(fā)生機(jī)制存在非常大的誤差。針對(duì)此問(wèn)題,本文利用2008-2013年全國(guó)常規(guī)地面觀測(cè)資料和探空資料,在凍雨多發(fā)地帶的長(zhǎng)江以南地區(qū),分析凍雨發(fā)生時(shí)大氣層結(jié)溫度、濕度、暖層厚度和云高等要素,通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的宏觀分析,對(duì)兩種凍雨機(jī)制出現(xiàn)的概率以及對(duì)有暖層的凍雨進(jìn)行初步研究,探討凍雨大氣層結(jié)特征和形成的物理機(jī)制。

    1 資料與方法

    本文選取了2008-2013年低溫期間的地面觀測(cè)資料和常規(guī)探空資料,因1月的資料最全且凍雨在1月出現(xiàn)的次數(shù)最多,所以著重對(duì)1月凍雨做出統(tǒng)計(jì)。地面觀測(cè)資料用于確定凍雨天氣的出現(xiàn),探空資料分析凍雨出現(xiàn)時(shí)的大氣層結(jié)特征。1月年平均凍雨發(fā)生次數(shù)使用地面觀測(cè)資料,1 d內(nèi)多次記錄的凍雨天氣合算為一次。探空資料每日只有兩次,分別在08時(shí)和20時(shí),通過(guò)地面觀測(cè)資料判斷這兩個(gè)時(shí)間是否發(fā)生凍雨篩選出有凍雨的時(shí)次,每次記為一個(gè)個(gè)例。另外,云高數(shù)據(jù)根據(jù)探空數(shù)據(jù)中的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)取得,以大于等于84%的相對(duì)濕度作為判斷云頂?shù)拈撝礫19]。

    融化過(guò)程和過(guò)冷暖雨過(guò)程根據(jù)探空?qǐng)D中有無(wú)暖層來(lái)劃分,但是對(duì)冰核的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)很少有冰核在>-10 ℃時(shí)核化,所以當(dāng)有暖層而云頂溫度>-10℃時(shí),凍雨發(fā)生機(jī)制也有可能是過(guò)冷暖雨過(guò)程[18]。因此,對(duì)有暖層的凍雨個(gè)例,本文參考Rauber的凍雨類(lèi)型[20]并將其簡(jiǎn)化為四類(lèi)(表1)。

    暖層強(qiáng)度為暖層厚度(以壓強(qiáng)為單位)與暖層最大溫度的乘積,其表征了暖層融化冰晶的能力。第一類(lèi)凍雨的暖層在云頂以上,無(wú)暖層強(qiáng)度;第二類(lèi)凍雨暖層厚度只取暖層底部到云頂?shù)暮穸?;第三、四?lèi)凍雨暖層厚度取整層。

    表1 有暖層凍雨的分類(lèi)

    2 凍雨日數(shù)、暖層出現(xiàn)概率與海拔高度關(guān)系

    25°~29°N的長(zhǎng)江以南地區(qū)是我國(guó)凍雨主要的發(fā)生地帶,多發(fā)區(qū)域呈帶狀分布,大致對(duì)應(yīng)了位于江南地區(qū)的準(zhǔn)靜止鋒(圖2)。從圖2可清楚地看到西部?jī)鲇臧l(fā)生較多,而東部較少,同時(shí)山地地區(qū)如廬山、峨眉山等較周?chē)貐^(qū)有較多的凍雨發(fā)生,這可能同海拔高度有關(guān)。

    圖2 凍雨多發(fā)地帶1月份年平均發(fā)生凍雨日數(shù)

    圖3a為海拔高度與1月年平均凍雨日數(shù)關(guān)系圖,除了不在靜止鋒區(qū)的峨眉山站外,其他各站的海拔高度與1月年平均凍雨日數(shù)之間有正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)r=0.94,通過(guò)α=0.01顯著性水平),海拔高度越高,1月年平均凍雨日數(shù)越多。

    圖3 海拔高度與凍雨日數(shù)、暖層凍雨概率關(guān)系圖

    凍雨有無(wú)暖層是判斷融化過(guò)程還是過(guò)冷暖雨過(guò)程的重要指標(biāo),計(jì)算出2008-2013年各個(gè)探空站暖層出現(xiàn)的次數(shù)占總凍雨數(shù)的52.6%,不存在暖層的凍雨占總凍雨數(shù)的47.4%。暖層出現(xiàn)的概率占了將近一半以上,其概率與海拔高度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān),如圖3b所示,相關(guān)系數(shù)r=-0.96,通過(guò)α=0.01顯著性水平),海拔高度較低地區(qū)的凍雨天氣更容易存在暖層,而海拔高度較高的地區(qū)不易出現(xiàn)暖層。

    3 暖層凍雨分類(lèi)及其形成機(jī)制

    剔除了個(gè)別層結(jié)過(guò)于稀疏的探空數(shù)據(jù),篩選了2008-2013年8個(gè)探空站中含有暖層的凍雨個(gè)例124例并將其分類(lèi)。第一類(lèi)探空曲線如圖4a所示,云頂高度(虛線)在暖層以下且溫度大于-10 ℃,暖層不可能加熱融化云中形成的冰晶,即降水過(guò)程中,從云滴形成到雨水降落地面不會(huì)發(fā)生相態(tài)變化,凍雨發(fā)生機(jī)制應(yīng)為過(guò)冷暖雨過(guò)程;第二類(lèi)如圖4b所示,云頂高度處于暖層之中,云滴形成于大于零度的層結(jié)中,經(jīng)過(guò)低層冷層冷卻,形成過(guò)冷卻水滴降落地面凍結(jié)。在這種情況中,凍雨降水下落過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變,凍雨發(fā)生機(jī)制也為過(guò)冷暖雨過(guò)程。另外由于其云滴形成于暖層之中,暖層加熱云滴的溫度只要能使其不會(huì)被低層冷層凍結(jié)就可以,不需要融化冰晶,所以需要的平均暖層強(qiáng)度也最低(表2);第三類(lèi)如圖4c所示,云頂高度處于暖層之上,云頂溫度為-3 ℃,因?yàn)楹苌儆斜嗽?-10 ℃時(shí)核化[20],云中產(chǎn)生冰晶的可能性較小,其凍雨的發(fā)生機(jī)制既有可能是過(guò)冷暖雨過(guò)程,也有可能是融化過(guò)程。而其云頂溫度較第二類(lèi)低一些,有可能需要融化云頂形成的冰晶,需要的平均暖層強(qiáng)度大于第二類(lèi);第四類(lèi)如圖4d所示,云頂高度處于暖層之上,云頂溫度為-18 ℃,這種情況下,云中產(chǎn)生的冰晶在降落地面的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)暖層加熱,融化為水滴,再由低層冷層冷卻形成過(guò)冷水滴,降落地表凍結(jié),其發(fā)生機(jī)制為融化過(guò)程,因云頂溫度較低,也需要更大的平均暖層強(qiáng)度融化冰晶。

    表2 四類(lèi)凍雨云頂高度、溫度及平均暖層強(qiáng)度

    本文計(jì)算了各個(gè)類(lèi)型凍雨占含有暖層凍雨總數(shù)的比例,發(fā)現(xiàn)124個(gè)有暖層的凍雨個(gè)例中過(guò)冷暖雨過(guò)程達(dá)到了66.94%,如果將第三類(lèi)也歸為過(guò)冷暖雨過(guò)程時(shí),則過(guò)冷暖雨過(guò)程達(dá)到了95.97%,而融化過(guò)程只占到4.03%(圖5)。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前面定義的暖層凍雨發(fā)生機(jī)制為融化過(guò)程[15]相矛盾,由此可見(jiàn),融化過(guò)程這種較為經(jīng)典、認(rèn)可度較高的凍雨機(jī)制可能并不是絕大部分凍雨發(fā)生的原因。

    圖4 四類(lèi)有暖層的凍雨示意圖

    圖5 各個(gè)類(lèi)型凍雨占含有暖層凍雨總數(shù)比例

    為了更進(jìn)一步了解有暖層凍雨的發(fā)生機(jī)制,本文又分別討論了各類(lèi)型與各站關(guān)系。

    各個(gè)站點(diǎn)與凍雨類(lèi)型關(guān)系如圖6所示,圖6中第一類(lèi)凍雨(圖6a,過(guò)冷暖雨過(guò)程)主要出現(xiàn)在海拔最高的威寧站,貴陽(yáng)和馬坡嶺有很少的個(gè)例,其他站未發(fā)生此類(lèi)凍雨;第二類(lèi)凍雨(圖6b,過(guò)冷暖雨過(guò)程)多在海拔高度中等地區(qū)發(fā)生,大部分站點(diǎn)均有發(fā)生,其中貴陽(yáng)站比例最大;第三類(lèi)凍雨(圖6c)各個(gè)氣象站均占有一定比例,它們既有可能是過(guò)冷暖雨過(guò)程,也有可能是融化過(guò)程,發(fā)生此類(lèi)凍雨的氣象站較為廣泛。第四類(lèi)凍雨(圖6d,融化過(guò)程)全部發(fā)生在低海拔地區(qū),說(shuō)明低海拔地區(qū)更容易發(fā)生融化過(guò)程的凍雨。

    本文選擇威寧代表高海拔地區(qū)、南昌代表低海拔地區(qū)與含有暖層凍雨類(lèi)型進(jìn)行分析,結(jié)果表明威寧過(guò)冷暖雨過(guò)程出現(xiàn)的概率為97%,只有不到3%為第三類(lèi)凍雨,它既有可能是過(guò)冷暖雨過(guò)程,也有可能是融化過(guò)程(圖6e);南昌過(guò)冷暖雨過(guò)程出現(xiàn)的概率為20%,融化過(guò)程出現(xiàn)的概率也為20%,60%為第三類(lèi)凍雨(圖6f)。

    圖6 各個(gè)站點(diǎn)與含有暖層凍雨類(lèi)型關(guān)系(未標(biāo)出比例的站點(diǎn)為此站沒(méi)有發(fā)生這一類(lèi)凍雨)

    綜上所述,用有無(wú)暖層來(lái)劃分是融化過(guò)程還是過(guò)冷暖雨過(guò)程誤判的概率極大,即使有暖層出現(xiàn),大部分個(gè)例仍不是融化過(guò)程。高海拔地區(qū)誤判的概率最大,如威寧為97%,即使更容易發(fā)生融化過(guò)程的低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。

    4 結(jié)論

    本文利用2008-2013年冬季低溫期間地面觀測(cè)站資料和探空資料對(duì)我國(guó)凍雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到如下結(jié)論。

    (1)我國(guó)凍雨多發(fā)地帶呈帶狀分布,處于25°~29°N,對(duì)應(yīng)了準(zhǔn)靜止鋒的位置。西部?jī)鲇贻^多,東部?jī)鲇贻^少,山地地區(qū)較平原地區(qū)更容易發(fā)生凍雨。海拔高度與1月份年平均凍雨日數(shù)成正比,與探空站出現(xiàn)暖層凍雨概率成反比。

    (2)含有暖層凍雨個(gè)例中過(guò)冷暖雨過(guò)程達(dá)到了67%以上,高海拔地區(qū)易發(fā)生過(guò)冷暖雨過(guò)程的凍雨,而低海拔地區(qū)易發(fā)生融化過(guò)程的凍雨。

    (3)用有無(wú)暖層來(lái)劃分是融化過(guò)程還是過(guò)冷暖雨過(guò)程誤判的概率極大,高海拔地區(qū)誤判的概率最大,如威寧為97%,低海拔地區(qū)如南昌誤判率也在20%以上。

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    StudiesonStatisticsandFormationMechanismofFreezingRain

    LiuChaoru1,HanYongxiang1,WangJin2andZhangZhi1

    (1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Guizhou institute of Mountainous Climate and Environment, Guiyang 550005, China)

    TheannualmeandaysoffreezingraininJanuaryonmeteorologicalstationswherefreezingrainfrequentlyoccurswasanalyzedbyusingthesurfaceobservationdataduringthewintercoldin2008-2013.Andthen,thesoundingdatacombinedwithsurfaceobservationdataisusedtoclassifyfreezingrainanddiscusstheformationmechanism.Theresultsshowedthat: ①Thereareobviousdifferencesofmechanismbetweendifferentsites,andtheformationmechanismoffreezingrainhasacorrelationwithaltitudes; ②Over67%ofthefreezingrainwithwarmlayerwereformedbySupercooledWarmRainProcess,highaltitudestendtooccurSupercooledWarmRainProcess,andlowaltitudestendtooccurMeltingIceProcess; ③ThereisasignificantmisjudgmentofdistinguishingSupercooledWarmRainProcessesandMeltingIceProcessbyusingthejudgmentofwhetherthereisawarmlayer,thepossibilityofmisjudgmentathighaltitudesismuchhigherthanthatatlowaltitudes,forexample,itcanbe97%inWeining.Butthepossibilitystillcanbeover20%atlowaltitudeslikeNanchang.Thestudysuggeststhatweshouldusenewcategorytodeterminetheformationmechanismoffreezingrainratherthanthetraditionalone.

    freezingrainstatistics;supercooledwarmrainprocess;meltingiceprocess

    2015-01-19

    2015-03-11

    公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(GYHY201306051); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375158,41030962)

    劉朝茹(1989年-),女,浙江寧波人,碩士研究生,主要從事云降水物理研究. E-mail: liucr19@sina.com

    韓永翔(1966年-),男,甘肅民勤人,博士,教授,博士研究生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樯硥m氣溶膠與氣候變化. E-mail: han-yx66@126.com

    P426.6;X43

    A

    1000-811X(2015)03-0219-05

    10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.040

    劉朝茹,韓永翔,王 瑾,等. 我國(guó)凍雨統(tǒng)計(jì)及發(fā)生機(jī)制研究[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):219-222. [Liu Chaoru, Han Yongxiang, Wang Jin,et al. Studies on Statistics and Formation Mechanism of Freezing Rain[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3):219-222.]

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