2016年3月中衛(wèi)市香山風電場冰凍雨雪災(zāi)害天氣分析

張德有++高杰

摘要 為了研究中衛(wèi)市香山地區(qū)凍雨天氣成因并提高該地區(qū)凍雨天氣的預(yù)報能力，本文利用常規(guī)觀測資料、加密氣象觀測資料、MICAPS資料和香山風電場工作日志資料，對2016年3月中衛(wèi)香山風電場出現(xiàn)的一次冰凍雨雪災(zāi)害天氣過程進行天氣學(xué)分析，并對凍雨發(fā)生的物理量場、大氣垂直結(jié)構(gòu)和地形作用進行分析。結(jié)果表明，500 hPa“東高西低”的環(huán)流形勢是此次天氣過程產(chǎn)生的背景條件，低層的偏南暖濕氣流輸送和低值系統(tǒng)的共同作用是產(chǎn)生降水的根本條件；凍雨產(chǎn)生時段大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)上、中、下層呈冷、暖、冷分布，中層有溫度>0 ℃的暖層，近地面層為0 ℃或以下，中層冷平流對暖層會有破壞作用，垂直溫度結(jié)構(gòu)改變，降水相態(tài)隨之發(fā)生變化；在同一降水過程中，山地和川區(qū)大氣垂直結(jié)構(gòu)存在明顯差別，需關(guān)注降水相態(tài)是否一致。

關(guān)鍵詞 冰凍雨雪災(zāi)害；天氣過程；寧夏中衛(wèi)；香山風電場；2016年3月

中圖分類號 P429 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0218-02

凍雨是初冬或冬末春初出現(xiàn)的一種災(zāi)害性天氣。凍雨天氣發(fā)生時，會對交通、農(nóng)業(yè)及電力等行業(yè)造成極大影響。中衛(wèi)市地處西北，兼具平原與山地2種地形，凍雨天氣時有發(fā)生。2010年，中衛(wèi)市香山地區(qū)建成了寧夏境內(nèi)規(guī)模最大的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)帶，使中衛(wèi)市經(jīng)濟發(fā)展更加多元化和可持續(xù)性。2016年3月，中衛(wèi)市出現(xiàn)本年度首場透雨，香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨和降雪天氣，香山風電場受凍雨和降雪影響故障頻發(fā)，設(shè)備大面積癱瘓，損失嚴重。目前，中衛(wèi)市對香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨的研究和凍雨預(yù)報仍是空白。此外，國內(nèi)對大范圍凍雨天氣的研究較多，而對局地凍雨天氣研究較少。因此，本文利用常規(guī)觀測資料、加密氣象觀測資料、MICAPS資料和香山風電場工作日志資料，對2016年3月中衛(wèi)市香山風電場出現(xiàn)的一次冰凍雨雪災(zāi)害天氣過程從形勢場和影響系統(tǒng)、冷空氣來源、水汽條件、大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)及地形作用進行分析，以期為中衛(wèi)市香山地區(qū)凍雨天氣預(yù)報提供理論依據(jù)。

1 天氣實況及影響

2016年3月中旬，受高原擴散冷空氣和偏南暖濕氣流共同影響，中衛(wèi)市出現(xiàn)2016年首場全市性透雨，香山及以北地區(qū)累計降水量超25 mm。與歷史同期相比，2016年首場透雨出現(xiàn)時間早、范圍廣、持續(xù)時間長、累計雨量大，時間較常年提前了50～70 d。香山地區(qū)受山地影響，出現(xiàn)凍雨及降雪，香山風電場受冰凍雨雪災(zāi)害影響出現(xiàn)大面積設(shè)備故障。3月20日至23日夜間，中衛(wèi)市出現(xiàn)連陰雨天氣。23日6：00前，全市以降水為主；23日清晨，地面氣溫持續(xù)下降，香山風電場地面氣溫降至0 ℃左右，香山風電場出現(xiàn)凍雨，輸電線路及外露設(shè)備出現(xiàn)大面積結(jié)冰，電線積冰直徑達9 mm；23日10：00，香山風電場地面氣溫開始回升，電線積冰開始融化，風電場出現(xiàn)大面積線路故障；23日20：00后，香山風電場地面氣溫再次降至0 ℃以下，開始出現(xiàn)降雪，輸電線路及外露設(shè)備再次開始積冰；24日6：00，電線積冰直徑達18 mm，大部分光纖敷冰嚴重，光纖下垂過度，隨著大風吹拉，光纖下垂弧度加大，導(dǎo)致部分光芯拉斷。24日降水結(jié)束天氣轉(zhuǎn)晴，氣溫回升，電線積冰開始融化，風電場再次出現(xiàn)大面積線路故障。經(jīng)調(diào)查，這次冰凍雨雪災(zāi)害所造成的影響是香山風電場自2010年建成以來最為嚴重的一次（圖1）。

2 雨雪天氣分析

2.1 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

此次過程發(fā)生前500 hPa歐亞中高緯環(huán)流為兩槽一脊型，烏拉爾山附近、我國東北地區(qū)附近各為一低槽，及兩槽之間貝加爾湖附近的高壓脊區(qū)。隨著烏拉爾山低壓槽東移，槽底不斷有冷空氣擴散東移，在青藏高原維持寬廣的低壓槽區(qū)，南支槽東移發(fā)展，到19日8：00中衛(wèi)市處于槽前脊后偏南暖濕氣流里，“東高西低”的環(huán)流形勢有利于降水的形勢建立與維持；同時在16—18日我國東北地區(qū)的冷低壓主體在旋轉(zhuǎn)過程中有所西退南壓，也是“東高西低”降水形勢建立與維持的有利條件（圖2）。

700 hPa高空圖上，19日我國東北附近為高壓控制，巴爾喀什湖到貝加爾湖一帶為寬槽區(qū)，槽底部青藏高原附近有低值系統(tǒng)生成并東移，19日20：00低渦移動到甘肅南部與北部的槽相結(jié)合形成“北槽南渦”的有利降水形勢，低渦移動所經(jīng)之處低層輻合加強，水汽集中聚集，為降水天氣的發(fā)生發(fā)展提供了大量的水汽、熱力、動力條件。

2.2 冷空氣來源

凍雨產(chǎn)生的條件之一是地面氣溫在0 ℃以下。這次香山風電場凍雨及降雪天氣出現(xiàn)前，中衛(wèi)市受地面低壓控制，氣溫異常偏高，3月18—19日中衛(wèi)站最高氣溫均達20～25 ℃（香山風電場最高氣溫18～20 ℃）。20日至23日夜間，受冷空氣影響，氣溫逐漸下降，全市出現(xiàn)連陰雨。23日清晨及23日夜間，香山地區(qū)地面氣溫降至0 ℃及以下，出現(xiàn)凍雨及降雪天氣（圖3）。

造成此次中衛(wèi)地區(qū)連陰雨及香山地區(qū)冰凍雨雪天氣過程的冷空氣是由2股來源構(gòu)成。23日20：00之前，中衛(wèi)市主要受高原東移擴散冷空氣影響，配合較好的南支暖濕氣流輸送，由于東北冷渦的阻擋作用，形勢比較穩(wěn)定，全市范圍出現(xiàn)了連陰雨天氣，在此期間，850 hPa一直為偏南風。因此，經(jīng)歷了剛開始的降溫后，連陰雨期間地面氣溫下降緩慢，但相對比較穩(wěn)定，維持在5～10 ℃之間。23日清晨，中衛(wèi)站地面氣溫降至6 ℃，香山地區(qū)地面氣溫降至-1～0 ℃，出現(xiàn)凍雨。23日20：00以后，東北冷渦進一步南壓，南支位置偏南，中衛(wèi)市受東北冷渦后部偏北氣流影響，850 hPa轉(zhuǎn)為偏北風，出現(xiàn)明顯冷平流，地面氣溫迅速下降，氣溫12 h下降7 ℃左右，香山地區(qū)地面氣溫降至-3～-2℃，出現(xiàn)降雪，中衛(wèi)市其他地區(qū)地面氣溫仍>0 ℃，降水相態(tài)為雨。

2.3 水汽條件

此次降水天氣過程水汽主要來自孟加拉灣和南海，主要依靠南支和低層偏南暖濕氣流輸送水汽。制作中衛(wèi)站水汽通量散度剖面圖（圖4），發(fā)現(xiàn)自19日8：00起，中衛(wèi)站上空（700 hPa以下）存在較大的水汽通量散度負值區(qū)，一直持續(xù)到降水結(jié)束。尤其20日白天到夜間，中衛(wèi)站水汽通量散度負值區(qū)一直延伸到接近500 hPa，這與較強降水時段相對應(yīng)[1-3]。與天氣圖的分析一致，該時段700 hPa中衛(wèi)境內(nèi)存在水汽通量大值區(qū)，是由于700 hPa偏南急流而產(chǎn)生的，從中低層的水汽通量散度可以看出，這次過程水汽主要集中在底層（700 hPa以下）。分析中衛(wèi)站相對濕度剖面圖，對比23日清晨及夜間香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨和降雪的2個時段，發(fā)現(xiàn)在凍雨和降雪出現(xiàn)前后850 hPa以上始終維持在92%以上的相對濕度大值區(qū)。表明此次香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨和降雪天氣是在中空充沛的水汽輸送及近飽和狀態(tài)中產(chǎn)生的。

2.4 大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)與降水相態(tài)的關(guān)系

3月22日夜間中衛(wèi)市香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨。分析距離中衛(wèi)站最近的銀川探空站資料可以看到：22日20：00，銀川站上空氣溫隨高度遞減，地面氣溫7 ℃，0 ℃層高度在2 233 m（銀川站海拔1 110.9 m）。中衛(wèi)站海拔1 225.7 m，此時中衛(wèi)站地面氣溫6 ℃，反映出中衛(wèi)站與銀川站上空氣團性質(zhì)基本相似。從探空圖中可以看出，此次降水過程云中形成冰晶層的高度在7～500 hPa之間，780 hPa以下有明顯的暖層，而此時香山風電場地面氣溫下降到2 ℃，翌日清晨氣溫徘徊在 -1～0 ℃。由此可以看出，香山地區(qū)上空呈冷的冰晶層，低層有氣溫>0 ℃的暖層可使冰晶融化，近地面層有氣溫<0 ℃的冷層，同時地面氣溫<0 ℃，這種大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)具備了產(chǎn)生凍雨的天氣條件[4-5]。23日夜間香山地區(qū)出現(xiàn)降雪，是由于受冷平流影響，原來的大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)受到破壞，暖層減弱或消失，大氣環(huán)境溫度下降，近地面氣溫<0 ℃的冷層也加厚，香山地區(qū)地面氣溫降至-3～-2 ℃，出現(xiàn)降雪。

2.5 山地作用分析

此次連陰雨過程中衛(wèi)市平原地區(qū)一直為降雨，而香山地區(qū)分別出現(xiàn)一次凍雨和降雪天氣，主要受山地的影響。中衛(wèi)市香山地處中衛(wèi)城區(qū)南邊，海拔為1 700～2 300 m，香山風電場海拔約1 900 m，距中衛(wèi)氣象站直線距離約30 km。對比發(fā)現(xiàn)，近2年香山風電場3月月平均氣溫比中衛(wèi)站同期偏低2.5 ℃左右。挑選近2年3月4次全市性降水天氣過程，發(fā)現(xiàn)香山風電場日平均氣溫比中衛(wèi)站同期偏低5 ℃左右，且時較差比無天氣狀況時要更穩(wěn)定。因此，當3月出現(xiàn)降水天氣過程，且預(yù)測中衛(wèi)站氣溫降至5 ℃左右時，需注意香山地區(qū)降水相態(tài)是否會發(fā)生變化，出現(xiàn)冰凍雨雪災(zāi)害。

3 結(jié)論

（1）500 hPa“東高西低”的環(huán)流形勢是此次天氣過程產(chǎn)生的背景條件；低層的偏南暖濕氣流輸送和低值系統(tǒng)的共同作用是產(chǎn)生降水的根本條件。

（2）高原東移擴散冷空氣是前期降水和23日清晨香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨的主要冷空氣來源；東北冷渦后部偏北冷空氣是后期降水及香山地區(qū)出現(xiàn)降雪的主要冷空氣來源。

（3）此次香山地區(qū)出現(xiàn)凍雨和降雪天氣是在中空充沛的水汽輸送及近飽和狀態(tài)中產(chǎn)生的。

（4）凍雨產(chǎn)生時段大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)上、中、下層呈冷、暖、冷分布，中層有溫度>0 ℃的暖層，近地面層為0 ℃或以下；中層冷平流對暖層會有破壞作用，垂直溫度結(jié)構(gòu)改變，降水相態(tài)隨之發(fā)生變化。

（5）在同一降水過程中，山地和川區(qū)大氣垂直結(jié)構(gòu)存在明顯差別，需關(guān)注降水相態(tài)是否一致；在3月降水天氣過程期間，香山風電場地面氣溫比中衛(wèi)站低5 ℃左右。

4 參考文獻

[1] 馬曉剛.2008年1月我國南方罕見冰凍雨雪災(zāi)害性天氣診斷分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2009，25（1）：23-26.

[2] 崔洋.2008年我國南方冰凍雨雪天氣大氣環(huán)流異常分析[J].黑龍江氣象，2016，33（2）：5-7.

[3] 賴鑫，卞林根，江燕如.貴州一次嚴重冰凍雨雪過程環(huán)境場分析[J].氣象科技，2011，39（2）：190-196.

[4] 鄒海波，劉熙明，吳俊杰，等.定量診斷2008年初南方罕見冰凍雨雪天氣[J].熱帶氣象學(xué)報，2011，27（3）：345-356.

[5] 秦成云，王永紅，顧善齊，等.江蘇省一次低溫冰凍雨雪雷電冰雹復(fù)雜天氣成因分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（22）：235-237.