2016年12月克拉瑪依一次罕見(jiàn)凍雨天氣過(guò)程分析

史 昀，史永強(qiáng)

（克拉瑪依市氣象局，新疆 克拉瑪依834000）

新疆克拉瑪依市地處北疆準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，為典型的大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒少雨。在2016年12月4—5日，克拉瑪依遭遇歷史罕見(jiàn)的凍雨天氣，市區(qū)日累計(jì)降水量達(dá)到6 mm，造成地面積冰導(dǎo)致飛機(jī)停飛，客車(chē)停運(yùn)。

凍雨是指過(guò)冷卻雨滴降落在溫度低于0℃的物體上迅速凍結(jié)，形成外表光滑且透明的冰層，是發(fā)生在初冬或冬末春初的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，形成的積冰對(duì)電力運(yùn)行、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信、居民飲水等造成嚴(yán)重影響[1]。漆梁波[2]利用2001—2010年我國(guó)不同地區(qū)的凍雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，凍雨天氣主要分布在南方，北方僅占10%，西北地區(qū)更為罕見(jiàn)。歐建軍指出[3]凍雨發(fā)生的年際間差別比較大，2008年發(fā)生2495次，而2009年只有397次，并且2008年1月1日—2010年4月30日新疆僅出現(xiàn)過(guò)10次以?xún)?nèi)的凍雨，均在沿天山地區(qū)。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)[5-8]，形成凍雨的機(jī)制可以分為兩種，分別是融化機(jī)制和暖雨機(jī)制。融化機(jī)制具有強(qiáng)逆溫層的溫度層結(jié)分布特征，以0℃為界將溫度層結(jié)分為“冰晶層—暖層—冷層”三層結(jié)構(gòu)，水汽在溫度T≤0℃的冰晶層中通過(guò)冰晶效應(yīng)凝結(jié)為固態(tài)降水粒子，在下落時(shí)經(jīng)過(guò)T≥0℃的暖層而融化為雨滴，再降落到近地面T≤0℃冷層中形成過(guò)冷卻雨滴；而暖雨機(jī)制則沒(méi)有冰晶層，水汽在暖層中通過(guò)碰并作用形成的雨滴，進(jìn)入近地面冷層中冷卻形成過(guò)冷卻雨滴。通過(guò)統(tǒng)計(jì)有探空站的凍雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)[3]，融化機(jī)制的凍雨占總數(shù)26.7%，我國(guó)北方凍雨比南方少且以融化機(jī)制居多。

高輝、趙思雄等[4-5]發(fā)現(xiàn)大范圍冰凍雨雪天氣是在中緯度大尺度環(huán)流持續(xù)異常、西風(fēng)帶上波動(dòng)異?；钴S以及準(zhǔn)靜止鋒滯留等各種條件均有利的情況下發(fā)生的。李登文[6]認(rèn)為凍雨出現(xiàn)在鋒區(qū)附近，近地面為偏東北風(fēng)的冷平流。逆溫層之上濕度迅速減小，干暖空氣有利于穩(wěn)定層結(jié)、抑制低層濕空氣向上擴(kuò)散，這對(duì)凍雨天氣的維持起到重要作用。丁一匯[7]發(fā)現(xiàn)2008年1月的冰雪災(zāi)害表現(xiàn)為連續(xù)四次西方冷空氣的東移和南侵過(guò)程，主要由于冷鋒或切變線天氣系統(tǒng)造成，并未觀測(cè)到溫帶氣旋的明顯發(fā)展。馬曉剛[8]通過(guò)對(duì)大氣逆溫的水平分布與凍雨落區(qū)之間關(guān)系的研究，提出由大氣逆溫水平分布區(qū)、高空濕區(qū)、地面氣溫0℃線、逆溫層極值點(diǎn)0℃線構(gòu)成的凍雨落區(qū)基本概念模型。周光岐[9]通過(guò)對(duì)1987年烏魯木齊凍雨的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)里海至新疆為西風(fēng)帶，受小槽東移影響可能形成凍雨。

有關(guān)凍雨的研究主要集中在我國(guó)南方地區(qū)，特別是對(duì)2008年初全國(guó)大范圍凍雨天氣過(guò)程的分析，對(duì)西北地區(qū)凍雨天氣的研究較少。本文通過(guò)實(shí)況觀測(cè)資料的綜合分析，結(jié)合數(shù)值模擬，揭示新疆克拉瑪依2016年12月4—5日天氣過(guò)程中凍雨的形成機(jī)制。

1 凍雨天氣概況及大尺度環(huán)流背景

1.1 凍雨天氣概況

2016年12月4—5日新疆克拉瑪依出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的凍雨天氣過(guò)程，克拉瑪依市中心城區(qū)日累計(jì)降水量為6 mm。降水時(shí)段為北京時(shí)間4日23時(shí)—5日04時(shí)，降水主要出現(xiàn)在前3 h。降水物先為冰粒，隨后轉(zhuǎn)為過(guò)冷卻雨滴，所形成的冰蓋呈現(xiàn)凸凹不平的形態(tài)。4—5日的平均氣溫為-7～-4℃，過(guò)冷卻雨滴落地后迅速凝結(jié)，地面形成大范圍的雨凇冰蓋，造成飛機(jī)延誤，交通癱瘓。

1.2 大尺度環(huán)流背景

從大尺度環(huán)流背景來(lái)看，500 hPa歐亞范圍為兩槽一脊經(jīng)向環(huán)流（圖1），歐洲中部到西西伯利亞為槽區(qū)，槽底黑海至新疆地區(qū)為西風(fēng)急流帶。4—5日烏拉爾山低槽東移至巴爾喀什湖以北，新疆脊減弱東移至蒙古上空，北疆受中亞槽前西南鋒區(qū)上弱波動(dòng)影響產(chǎn)生降水天氣過(guò)程。地面前期受蒙古冷高壓控制，準(zhǔn)噶爾盆地具有較冷的下墊面。隨著烏拉爾山的暖低壓東移，冷暖氣團(tuán)交匯，北疆普遍出現(xiàn)小到中量降水。低層暖濕空氣侵入也使盆地內(nèi)逆溫加強(qiáng)。

2 大氣層結(jié)以及云系的結(jié)構(gòu)特征

2.1 大氣層結(jié)特征

圖1 12月4日20時(shí)（a、c）和5日08時(shí)（b、d）的500 hPa等壓面圖和地面圖

圖2給出了2016年12月4—5日探空站的T-lnP圖。4日08時(shí)克拉瑪依已經(jīng)存在13℃的逆溫層，700 hPa以下的溫度露點(diǎn)差較大。4日20時(shí)600～880 hPa水汽逐漸接近飽和，可以看到典型的“冰晶層—暖層—冷層”三層結(jié)構(gòu)，三層的厚度都在1.3 km左右。云頂溫度較低為-14℃，在冰晶層中的水汽可以通過(guò)冰晶效應(yīng)形成固態(tài)降水粒子，近地面氣溫為-6℃，冷層較干冷。5日08時(shí)550 hPa至地面水汽接近飽和，逆溫層雖然存在，但暖層明顯減弱，最高氣溫2℃，厚度僅為0.5 km。逆溫層的存在主要和克拉瑪依地形有關(guān)，地處盆地西北邊緣冬季常態(tài)有逆溫。

2.2 凍雨云系的結(jié)構(gòu)特征

在溫濕層結(jié)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析降水時(shí)段的風(fēng)云2號(hào)的紅外云圖和克拉瑪依雷達(dá)圖，可以進(jìn)一步了解降水物在云層中的物理變化。從衛(wèi)星紅外云圖可知，降水時(shí)段在克拉瑪依市上游出現(xiàn)帶狀鋒面云系，其邊緣處經(jīng)過(guò)克拉瑪依市，云系邊界形狀不規(guī)則，云頂亮溫為279 K，紋理較為均勻和光滑，為層云的結(jié)構(gòu)特征。

從圖3可以看到雷達(dá)回波呈東西走向，回波頂高低于5 km，冰晶層中的回波較弱，這與冰相粒子的瑞利散射特點(diǎn)有關(guān)，說(shuō)明在冰晶層中形成的固態(tài)降水粒子直徑遠(yuǎn)小于雷達(dá)波長(zhǎng)，為小冰晶。強(qiáng)回波區(qū)位于2 km以?xún)?nèi)，回波強(qiáng)度≥50 dBz，這里是近地面冷層和暖層的位置，說(shuō)明冰晶融化為水滴在降落過(guò)程中碰并水滴個(gè)體增大，在冷層中冷卻形成冰粒，其散射能力均大于冰晶，因此形成強(qiáng)回波區(qū)。

2.3 形成凍雨的物理過(guò)程

通過(guò)T-lnP圖和衛(wèi)星雷達(dá)圖的分析，云層的溫度層結(jié)特征是“冰晶層—暖層—冷層”的三層結(jié)構(gòu)，并且各層厚度均為1.3 km左右。水汽輸送層700～850 hPa在冰晶層和暖層中，水汽主要在冰晶層形成小冰晶，再在暖層融化成小水滴，水滴進(jìn)入近地面冷層后迅速冷卻形成過(guò)冷水滴或冰粒，可以判斷本次凍雨天氣過(guò)程的形成機(jī)制為融化機(jī)制。

馬曉剛[8]發(fā)現(xiàn)雨滴在進(jìn)入近地面冷層后，如果暖層溫度不是較高，冷層溫度又過(guò)低、厚度過(guò)厚時(shí)，過(guò)冷卻雨滴極易在到達(dá)地面之前先形成冰粒。漆梁波[2]也發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)冰粒的低層大氣比凍雨更干。從T-lnP圖上看到4日20時(shí)近地面冷層較干，也較冷較厚，有利于在降水前期形成冰粒，在組合反射率因子剖面圖上位于近地面的50 dBz強(qiáng)回波區(qū)，以及本次凍雨形成的凸凹不平的雨凇冰蓋，也驗(yàn)證了上述作者的結(jié)論。

3 凍雨天氣過(guò)程的數(shù)值模擬分析

3.1 模擬方案

圖2 克拉瑪依探空站4日08時(shí)（a）、4日20時(shí)（b）、5日08時(shí)（c）的T-lnP圖

圖3 5日01時(shí)的組合反射率因子（a）、組合反射率因子垂直剖面（b）和回波頂高（c）

本文利用WRFV3.9模式進(jìn)行模擬，采用15 km×3 km的兩層嵌套網(wǎng)格，垂直層為50層，模式層頂取50 hPa。模式利用0.5°的GFS全球初始場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，模擬12月4日00時(shí)—5日08時(shí)的克拉瑪依凍雨天氣過(guò)程，模式結(jié)果逐小時(shí)輸出一次。模式物理過(guò)程方案如表1所示。

表1 模式物理過(guò)程方案

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模式模擬效果，利用實(shí)況資料與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖4為模式預(yù)報(bào)降水時(shí)段逐小時(shí)降水量與實(shí)況對(duì)比，可以看到模式預(yù)報(bào)2個(gè)時(shí)段的降水。根據(jù)人工觀測(cè)，4日15時(shí)前后克拉瑪依基本站出現(xiàn)降水但并未達(dá)到0.1 mm，5日00—04時(shí)模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況降水量趨勢(shì)相符。

圖5a顯示降水主要出現(xiàn)在克拉瑪依市中部、加依爾山區(qū)、天山山區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地中部。僅通過(guò)降水量對(duì)比不能確定是否有凍雨，還需要進(jìn)一步區(qū)分降水類(lèi)型?？死斠朗泄虘B(tài)降水百分比在20%～90%為冰水混合物（圖5b），在中心城區(qū)附近固態(tài)降水百分比達(dá)到80%～90%，并且地面溫度低于0℃，有過(guò)冷卻水和冰粒存在。圖5c顯示克拉瑪依中心城區(qū)附近預(yù)報(bào)有冰粒，市區(qū)及周邊地區(qū)有凍雨和雪，與實(shí)況觀測(cè)一致。

3.3 模擬分析

圖4 克拉瑪依4—5日逐小時(shí)降水量模擬與實(shí)況對(duì)比

3.3.1 天氣尺度降水條件

4日20時(shí)天氣發(fā)生前，500 hPa風(fēng)場(chǎng)上（圖6a）克拉瑪依位于中亞低槽前西南急流與中緯度西風(fēng)急流的分流區(qū)，西南急流軸中心風(fēng)速為36 m/s，隨著鋒區(qū)東移南壓，降水時(shí)段克拉瑪依位于西南急流軸右側(cè)，輻散作用為凍雨形成提供動(dòng)力條件。700 hPa為西南—東北軸向的水汽高濕帶（圖6b），配合風(fēng)速為12～16 m/s的西南氣流向北疆輸送，為降水提供充沛的水汽來(lái)源。

700 hPa為水汽輸送層，在降水開(kāi)始前4日23時(shí)（圖7a）飽和濕區(qū)開(kāi)始進(jìn)入，降水過(guò)程中相對(duì)濕度維持90%～100%，降水結(jié)束5日05時(shí)（圖7b）相對(duì)濕度減小至70%以下。850 hPa在降水前4日20時(shí)至4日23時(shí)（圖7c）維持暖平流；5日00時(shí)（圖7d）克拉瑪依有氣旋式切變，降水開(kāi)始，盆地轉(zhuǎn)為冷平流并維持到5日05時(shí)。

圖5 模擬5日01時(shí)總降水量（a）、固態(tài)降水百分比（b）和地面水成物分布（c）

圖6 模擬4日20時(shí)500 hPa等壓面風(fēng)場(chǎng)（a）和700 hPa等壓面風(fēng)場(chǎng)疊加相對(duì)濕度場(chǎng)（b）

圖7 模擬700 hPa（a,b）和850 hPa（c,d）的風(fēng)場(chǎng)疊加相對(duì)濕度場(chǎng)

通過(guò)以上分析可知，500～850 hPa風(fēng)場(chǎng)在天氣來(lái)臨前為“分流區(qū)—西北風(fēng)—西南風(fēng)”，中層分流區(qū)的輻散抽吸作用有利于水汽抬升凝結(jié)，低層暖平流使暖層維持、近地面冷層減弱；天氣過(guò)程中為“西南急流右側(cè)—西南風(fēng)—西北風(fēng)”，中層位于中亞低槽前西南急流右側(cè)，有偏差風(fēng)輻散，低層風(fēng)有氣旋式切變，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，有冷平流侵入盆地，使暖層減弱、近地面冷層加強(qiáng)。700 hPa是主要的水汽輸送層，西南氣流將阿拉伯海一帶的水汽輸送到北疆片區(qū)，飽和濕區(qū)在降水前1 h移入準(zhǔn)噶爾盆地，隨著700 hPa相對(duì)濕度的降低，降水過(guò)程隨之結(jié)束。

3.3.2 凍雨區(qū)溫度垂直廓線特征與水成物分析

圖8 模擬4日20時(shí)（a）、4日23時(shí)（b）、5日01時(shí)（c）的斜溫—對(duì)數(shù)壓力圖（溫度單位：℃）

逐小時(shí)斜溫—對(duì)數(shù)壓力圖（圖8）揭示降水時(shí)段的溫濕層結(jié)變化。4日20時(shí)（圖8a）克拉瑪依上空具有強(qiáng)逆溫層，呈現(xiàn)出融化機(jī)制三層結(jié)構(gòu)特征。4日23時(shí)（圖8b）逆溫層明顯減弱，近地面冷層消失，700 hPa附近水汽接近飽和，有利于水汽在冰晶層中迅速形成雪。5日01時(shí)（圖8c）暖層厚度減弱，近地面冷層加強(qiáng)，中低層均接近飽和。

圖9通過(guò)模擬主要降水時(shí)段（4日23時(shí)—5日02時(shí)）云中各相態(tài)粒子含水量，展示三層結(jié)構(gòu)的溫度層結(jié)特征與冰粒向凍雨轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。4日23時(shí)（圖9a）冰相粒子主要位于-10～-40℃層，這里對(duì)應(yīng)的是400~700 hPa的冰晶層，也是主要的水汽輸送層，水汽通過(guò)冰晶效應(yīng)凝結(jié)形成小冰晶，此時(shí)只有部分小冰晶在山區(qū)下降進(jìn)入暖層充分融化為水（0～4℃），雨滴通過(guò)拖曳作用將暖空氣帶入冷層，使克拉瑪依冷層減弱。5日00時(shí)（圖9b）冰晶層零度線高度下降，同時(shí)近地面冷層重建，零度線抬高，暖層厚度減弱但強(qiáng)度維持，盆地西部冰晶主體降落至暖區(qū)融化，并在冷層冷卻形成凍雨。5日01時(shí)（圖9c）冷層進(jìn)一步加強(qiáng)，零度線高度升至1 km附近，較厚的冷層使部分過(guò)冷卻水凍結(jié)為冰粒。5日02時(shí)（圖9d）近地面冷層高度降低，冷卻作用減弱，冰粒消失，主要以?xún)鲇隇橹鳌?/p>

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，三層結(jié)構(gòu)的溫度層結(jié)變化是決定降水物相態(tài)的關(guān)鍵因素，由于準(zhǔn)噶爾盆地特殊地形導(dǎo)致冷空氣在盆地西側(cè)堆積，在凍雨發(fā)生前已具有強(qiáng)逆溫層。降水初期，中低層暖濕空氣移入，在冰晶層中（特別是-40～-10℃層）形成大量小冰晶，加依爾山區(qū)上空有小冰晶降落至暖層融化為雨落地，在山區(qū)降水物的拖曳作用下將暖空氣帶入冷層，使得下游克拉瑪依區(qū)域的冷層減弱消失。降水中期，隨著準(zhǔn)噶爾盆地近地面偏東風(fēng)建立，在弱冷平流影響下盆地西部上空冷層重建，厚度為1 km左右，暖層融化的雨滴在近地面冷層的強(qiáng)冷卻作用下形成過(guò)冷卻水和冰粒，在克拉瑪依落地后形成凸凹不平的冰蓋。降水后期，地面偏東風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，冷平流減弱，近地面冷層高度降低使冷卻作用減弱，克拉瑪依主要以?xún)鲇隇橹鳌?/p>

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)克拉瑪依市2016年12月4—5日凍雨天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)、大氣層結(jié)等特征以及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）500 hPa中亞西南鋒區(qū)上弱短波東移是本次凍雨過(guò)程的影響系統(tǒng)，中低層風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出中層分流區(qū)輻散、低層氣旋式切變輻合的特征，地面暖低壓與蒙古冷高壓在北疆交匯，為凍雨的形成提供動(dòng)力條件。700 hPa中亞低槽前西南急流帶為凍雨發(fā)生提供充足的水汽輸送。

（2）逆溫層是凍雨發(fā)生的必要條件，凍雨通過(guò)融化機(jī)制形成。以零度為界將逆溫層分為“冰晶層—暖層—冷層”，水汽在冰晶層中（特別是-40～-10℃層）抬升凝結(jié)為雪花和冰粒，降落至暖層中（0～4℃）充分融化為雨水，再進(jìn)入近地面冷層（＜0℃）迅速冷卻為過(guò)冷卻水或凝結(jié)為冰粒，降落在零度以下的地面形成凍雨。

（3）逆溫層的強(qiáng)弱是降水物相態(tài)變化的關(guān)鍵因素?？死斠牢挥跍?zhǔn)噶爾盆地地勢(shì)最低處，冬季常態(tài)有逆溫層存在。凍雨過(guò)程前由于低層暖平流和山區(qū)降水物對(duì)暖空氣的拖曳作用，使原本存在的近地面冷層一度減弱消失。隨著低層轉(zhuǎn)為冷平流，近地面冷層重建，雨滴在冷卻作用下形成凍雨和冰粒。隨后地面冷層再次減弱，冰粒消失，降水主要以?xún)鲇隇橹鳌?/p>

（4）本文數(shù)值模擬采用的參數(shù)化組合方案，對(duì)本次克拉瑪依冬季凍雨天氣過(guò)程降水量和不同相態(tài)降水的演變過(guò)程有一定的預(yù)報(bào)能力。

圖9 模擬4日23時(shí)（a）、5日00時(shí)（b）、01時(shí)（c）和02時(shí)（d）通過(guò)克拉瑪依站（45.62°N）含水量的緯向—垂直剖面