延邊一場凍雨天氣的溫濕層結(jié)特征分析

董鶴松 馮景瑜 張瑩瑩 隋 妍

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

2020年11月17—20日，吉林省出現(xiàn)了一次較大范圍的雨雪冰凍天氣過程，給交通、電力、農(nóng)業(yè)、人民生產(chǎn)生活等帶來了嚴(yán)重的影響和損失。延邊朝鮮族自治州的北部也受到了此次災(zāi)害的影響。唐熠等[1]通過分析500hPa高度場發(fā)現(xiàn)，烏拉爾山脊及前側(cè)的橫槽，貝加爾湖脊及前側(cè)的東北橫槽，及我國西北新疆一帶不斷分裂的小槽是廣西產(chǎn)生低溫雨雪冰凍天氣的關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵因子；晏紅明等[2]研究表明，2008年赤道東太平洋地區(qū)的冷海水異常對當(dāng)年云南低溫冷害天氣過程起到了重要的作用；徐輝等[3]利用中尺度數(shù)值模式MM5模擬了湖南獨(dú)特的地形特征對2008年凍雨過程的影響，發(fā)現(xiàn)南嶺山脈地形高度的降低不利于湖南南部凍雨的發(fā)生；高輝等[4]研究表明，2008年1月中旬以來，湖南、貴州等地逆溫層不斷加強(qiáng)并長時間維持是上述地區(qū)大范圍凍雨持續(xù)出現(xiàn)的主要原因；廖曉農(nóng)等[5]發(fā)現(xiàn)，冷空氣活動是造成2012年3月17日北京降雨、雨夾雪和降雪3個相態(tài)溫度垂直分布不同的原因；隋玉秀等[6]應(yīng)用多層平均氣溫的方法對大連地區(qū)冬季降水相態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，平均氣溫類別的因子對降水相態(tài)的區(qū)分效果要好于其他類別的因子。目前吉林省對于凍雨天氣的研究[7-8]針對溫、濕層結(jié)分布特征方面的比較少。

選用延邊地區(qū)常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)、ECMWF 0.25°×0.25°間隔1h再分析資料、NCEP 2.5°×2.5°間隔6h再分析資料，對本次過程延邊地區(qū)的降水特點(diǎn)、天氣形勢、雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換及凍雨成因進(jìn)行分析。

2 雨雪冰凍天氣概況

通過統(tǒng)計2020年11月18日05時—20日08時延邊州8個國家氣象觀測站（延吉站、敦化站、安圖站、和龍站、龍井站、圖們站、汪清站、琿春站）的觀測資料，發(fā)現(xiàn)本次雨雪轉(zhuǎn)換的天氣過程有4個特點(diǎn)：一是降水量大，且降水分布均勻。全州平均降水量為45.8mm；最大降水量出現(xiàn)在圖們市，為52.7mm；最小降水量出現(xiàn)在和龍市，也有38.6mm；最大積雪深度出現(xiàn)在敦化市，為6cm（圖1a）。二是降水集中且強(qiáng)度大。降水主要集中在18日夜間，12h降水量8個縣（市）均超過25mm；19日日降水量8個縣（市）均居歷史同期第一位（圖1b）。三是降水時間長。降水從18日早晨一直持續(xù)至20日白天。四是相態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜。本次過程伴有雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪，期間敦化于18日18時前后開始出現(xiàn)了凍雨，地面氣溫為-0.7℃，22時前后降水相態(tài)轉(zhuǎn)為雨夾雪，地面氣溫為-1.3℃，19日10時前后降水相態(tài)轉(zhuǎn)為雪，地面氣溫為-6.3℃；汪清于19日10時前后出現(xiàn)了凍雨，地面氣溫為-0.2℃，14時前后降水相態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為雪，地面氣溫為-1.7℃；其他地方也于19日下午自西向東，降水相態(tài)由雨轉(zhuǎn)為雪；至19日20時后，全州轉(zhuǎn)為小雪天氣，此時地面氣溫在-2.4～0.4℃（圖1c）。

圖1 2020年11月18日05時—20日08時延邊州降水量（a，單位：mm）、18日20時—19日20時延邊州降水量（b，單位：mm）、敦化站地面氣溫、露點(diǎn)、風(fēng)速及降水相態(tài)隨時間變化（c）

3 大氣環(huán)流特征分析

從500 hPa環(huán)流形勢來看，2020年11月18日08時在蒙古國中部有一高空槽形成并逐漸東移，日本海附近為一暖脊。19日02時高空槽移至內(nèi)蒙古東部，由于槽后強(qiáng)冷空氣的不斷補(bǔ)充，配合日本海處的暖脊穩(wěn)定維持，高空槽迅速加深發(fā)展，吉林省受槽前西南氣流控制。高空槽繼續(xù)東移，槽后的高壓脊不斷發(fā)展加強(qiáng)，脊前冷空氣不斷補(bǔ)充。19日14時之后冷空氣逐漸侵入延邊地區(qū)。19日夜間高空槽逐漸移出延邊地區(qū)。

從中低層的風(fēng)場上看，11月18日下午700hPa有一西南至東北向的切變在吉林省中部逐漸加強(qiáng)。20時在華北北部已有“人”字形切變形成，北側(cè)切變的位置已經(jīng)移至吉林省中西部，并緩慢北抬，切變南側(cè)有一西南急流，從我國東南沿海一直延伸至吉林南部，西南急流逐漸加強(qiáng)發(fā)展，并向東北方向移動，延邊位于急流出口區(qū)。18日20時—19日08時為延邊急流輻合最強(qiáng)的時段。19日08時之后，切變逐漸南壓，冷空氣逐漸侵入。850hPa存在一“人”字形切變，其中西南至東北向的切變位置較700hPa位置明顯偏南。18日下午，切變位于遼寧至吉林東南部，并逐漸向北移動，延邊地區(qū)受東南回流的影響。18日20時開始回流明顯增強(qiáng)。19日06時之后，東南急流逐漸減弱。19日下午切變逐漸移出。850hPa的東南急流與700hPa的西南急流形成強(qiáng)垂直風(fēng)切變，加強(qiáng)上升運(yùn)動，對降水起增幅作用。

海平面氣壓場上，有貝加爾湖冷高壓緩慢東移并不斷分裂冷空氣南下，至黑龍江北側(cè)時中心氣壓維持在1 035hPa左右，且位置穩(wěn)定少動。江淮氣旋攜帶南方暖濕空氣一路東移北上，且強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，18日20時氣旋中心強(qiáng)度增至1 000hPa，中心位置位于渤海灣附近。由于受北部冷高壓的阻擋，江淮氣旋沿著中朝邊境緩慢移動，19日20時后入海。

4 水汽條件

4.1 大氣可降水量和比濕

從本次過程的大氣可降水量來看，延邊地區(qū)大氣可降水量在20～25kg/m2，分布較均勻，東南部略大。從850hPa比濕來看，19日02時前后，比濕達(dá)到最大，延邊東南部比濕達(dá)到6g/kg，其他地方比濕在5g/kg左右?？傮w來看，延邊地區(qū)的大氣可降水量和比濕的空間差異較小，與降水量分布較均勻相對應(yīng)，且從比濕的垂直分布來看，在18日夜間43°N附近比濕在5～6g/kg的區(qū)域伸展到600hPa以上，濕層較深厚。

4.2 水汽通量和水汽通量散度

從計算整層水汽通量和水汽通量散度的結(jié)果中得到，18日20時（圖2a）之前，延邊降水的水汽輸送主要來自黃海和渤海，使延邊位于水汽通量輻合的區(qū)域（圖2c）。從19日02時起，來自日本海的水汽輸送明顯增強(qiáng)（圖2b），此時延邊水汽通量輻合明顯增強(qiáng)（圖2d），最強(qiáng)可達(dá)-8×10-5g·cm-2·s-1。19日08時后，隨著水汽通道的逐漸東移，黃海、渤海向延邊的水汽輸送逐漸減弱，延邊的水汽輻合也逐漸減弱。從中低層的水汽條件來看，以850hPa為例，仍然存在黃海、渤海和日本海兩個水汽輸送通道，且在降水集中時段，兩種方式水汽輸送均有所增強(qiáng)，因此在延邊地區(qū)形成強(qiáng)水汽輻合中心。

圖2 2020年11月18日20時（a）、19日02時（b）整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）和18日20時（c）、19日02時（d）整層水汽通量散度（單位：10-5g·cm-2·s-1）

4.3 水汽輸送軌跡分析

HYSPLIT模式可以對不同地點(diǎn)的不同高度，模擬出空氣塊向后追蹤的三維運(yùn)動軌跡。本文利用HYSPLIT對 本 次 過 程5 500m、3 000m、1 500m、700m高度（可分別代表500hPa、700hPa、850hPa、925hPa）進(jìn)行后向追蹤7d的運(yùn)動軌跡，模擬站點(diǎn)選擇敦化站（43.37°N，128.20°E）。

結(jié)果表明，500hPa和700hPa，水汽來源為西南氣流，且大部分可追溯到黃海、渤海地區(qū)。其中700hPa來自黃海的水汽進(jìn)入江淮地區(qū)，再經(jīng)過山東半島進(jìn)入渤海，最后經(jīng)過朝鮮半島進(jìn)入延邊地區(qū)。850hPa水汽來源于偏東氣流，來自貝加爾湖附近的水汽經(jīng)內(nèi)蒙古進(jìn)入渤海灣附近，再經(jīng)東北地區(qū)中部進(jìn)入日本海，最后經(jīng)過朝鮮半島繞回至延邊地區(qū)。即850hPa的水汽軌跡具有回流性質(zhì)。925hPa的水汽來自偏北氣流?？梢园l(fā)現(xiàn)：各等壓面上的水汽來源分別與有利于降水的天氣系統(tǒng)相聯(lián)系，并且此次過程中低層水汽輸送上具有“下冷上暖”的特點(diǎn)。

5 熱力條件

從850hPa假相當(dāng)位溫和流場的水平分布發(fā)現(xiàn)，18日08—20時，隨著西南急流輸送南方暖濕空氣，高能舌伸入延邊地區(qū)。18日20時后，延邊地區(qū)850hPa東北風(fēng)攜帶冷空氣逐漸侵入，與南方暖濕空氣在延邊對峙，出現(xiàn)鋒生（圖3a）。至19日下午，冷空氣完全侵入延邊地區(qū)，高能舌逐漸退出，降水減弱。另外從敦化站的11月18日08時假相當(dāng)位溫隨高度的變化（圖3b）來看，低層逆溫層的存在說明此次降水存在一定的對流不穩(wěn)定。

圖3 2020年11月19日02時850 hPa假相當(dāng)位溫空間分布（a，單位：℃）和11月18日08時敦化站假相當(dāng)位溫隨高度的變化（b，單位：℃）

5.1 溫度平流

溫度平流是影響溫度局地變化的重要因素，其表達(dá)式為-V·▽T，其中V為風(fēng)速矢量，▽T為溫度梯度。700hPa上18日夜間有強(qiáng)暖平流從西南方向移入，19日02時（圖4a）延邊地區(qū)位于強(qiáng)暖平流中心，19日08時（圖4b），冷平流逐漸移入。925hPa上延邊大部分地區(qū)為冷平流。19日02時（圖4c）在延邊西部和北部分別有冷中心，而延邊中部和東部大部分地區(qū)有弱暖平流。19日08時（圖4d），冷平流逐漸減弱，低層逐漸回暖。

從沿128°E垂直剖面來看，43°N附近1 000—850hPa一直有冷平流存在，18日20時開始南方暖空氣從中層不斷向北向低層伸入，使得在43°N附近800—700hPa始終存在暖平流（圖4e）。19日11時（圖4f），隨著冷空氣的侵入，整層已經(jīng)被冷平流控制。

圖4 2020年11月19日02時700hPa（a）、08時700hPa（b）、02時925hPa（c）、08時925 hPa（d）溫度平流空間分布（單位：℃）及19日02時（e）、11時（f）沿128°E溫度平流的緯度—高度剖面（單位：℃）

在本次過程中，中層強(qiáng)暖平流的存在有利于中間融化層（溫度高于0℃）的形成，低層冷平流的卷入和南伸，有利于低層冷層的形成，因此導(dǎo)致逆溫層的不斷維持。

5.2 大氣溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)

大氣溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)是決定凍雨產(chǎn)生的一個很重要的因素，研究表明[3]絕大多數(shù)凍雨產(chǎn)生的溫度層結(jié)表現(xiàn)為：中間融化層（溫度高于0℃）之上存在一個溫度低于-10℃的冰晶層，而在融化層之下則是近地面的溫度低于0℃的冷層。

從19日02時、08時850hPa和700hPa上0℃溫度線的分布可以發(fā)現(xiàn)，在18日夜間敦化出現(xiàn)逆溫，19日白天，延邊北部出現(xiàn)逆溫，這與延邊凍雨的分布相一致，可見凍雨區(qū)上空的近地面層都存在逆溫。

從700hPa與850hPa的溫差來看，18日夜間延邊西北部出現(xiàn)明顯的逆溫，最大溫差達(dá)到2℃以上；19日08時，延邊北部溫差達(dá)4℃以上?？梢园l(fā)現(xiàn)凍雨區(qū)700hPa與850hPa的溫差均在2℃以上。

18日下午至19日下午，凍雨區(qū)溫度層結(jié)有“冷—暖—冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)。500hPa以上為冷層，溫度低于-10℃；中層（800—600hPa）為融化層，其中700hPa溫度在0℃以上，且伴有西南風(fēng)，并且由前面的分析也可知道中層有暖平流的出現(xiàn)，使得暖層也不斷增強(qiáng)；暖層下為冷卻層，其中900hPa溫度在-4～-2℃，冷卻層內(nèi)多為偏東風(fēng)或東北風(fēng)。期間700hPa以下整層的相對濕度比較高，這表明冷層內(nèi)的溫度變化較小，地表面存在過冷水，有利于凍雨的形成。至19日下午，融化層逐漸變薄，強(qiáng)度變?nèi)酰ㄈ诨瘜觾?nèi)溫度逐漸變低），因此高空冰晶在降落通過融化層的時候無法得到充分融化，因此降水相態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為雪。

從敦化站氣溫隨高度的變化來看，敦化出現(xiàn)凍雨的期間（圖5a），有“冷—暖—冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)。900—700hPa存在逆溫層，逆溫層上部位于融化層，下部位于冷層，因此出現(xiàn)了逆溫的分布特征。此外，沿128°E做假相當(dāng)位溫和溫度的垂直剖面來看（圖5b），在800hPa以下42°N—44°N生成了一個能量鋒區(qū)，鋒區(qū)兩側(cè)冷暖空氣很強(qiáng)，鋒區(qū)內(nèi)的溫度梯度較大，鋒面逆溫顯著。

圖5 2020年11月19日02時敦化站氣溫隨高度變化曲線（a）和沿128°E假相當(dāng)位溫和溫度的緯度—高度剖面（b，單位：℃）

可見，凍雨發(fā)生時，對流層中層有一定厚度的融化層，地面以上有一定厚度的冷層，且低層的相對濕度比較高。因此，逆溫層的作用在于確保上層降落的固態(tài)降水通過逆溫層變?yōu)橐簯B(tài)降水，經(jīng)過低層冷卻層逐漸變?yōu)檫^冷卻水滴，當(dāng)過冷卻水滴接觸到0℃以下的地面或其他物體表面時，迅速凍結(jié)形成凍雨。

5.3 地面氣象要素

有研究表明[3]地面低溫、潮濕、微風(fēng)的氣象條件可在一定程度上利于凍雨的出現(xiàn)。從敦化、汪清兩站的氣溫、露點(diǎn)溫度和風(fēng)速隨時間的變化來看，兩站在凍雨發(fā)生前后地面氣溫均在-4～0℃；地面溫度露點(diǎn)差在1℃以內(nèi)，表明地面潮濕且接近飽和的狀態(tài)；風(fēng)速在1～2級。對比沒有出現(xiàn)凍雨的延吉站氣象要素，在19日13時以前，氣溫一直在0℃以上。另外，由于北部山區(qū)海拔較高，因此也導(dǎo)致氣溫較低。除此之外，900hPa延吉一直是偏東南風(fēng)，不利于地面冷層的維持。

6 結(jié)語

（1）本次過程發(fā)生在南方江淮氣旋北上，北方蒙古高壓穩(wěn)定維持且不斷向南輸送強(qiáng)冷空氣的環(huán)流背景下，因此延邊地區(qū)降水具有降水量大且降水分布均勻的特點(diǎn)。由于大氣低層溫度接近雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)，因此降水相態(tài)復(fù)雜多變。

（2）低空急流將黃海、渤海、日本海、南海的水汽不斷向北輸送，在延邊地區(qū)形成高大氣可降水量、高比濕、高水汽通量輻合的水汽條件。在降水集中時段，比濕最大可達(dá)6g/kg，5～6g/kg的區(qū)域伸展到600hPa以上，且來自日本海的水汽輸送加強(qiáng)，延邊地區(qū)位于水汽通量輻合中心。

（3）逆溫層的存在是凍雨發(fā)生的必要條件。此次凍雨區(qū)的上空均出現(xiàn)了逆溫，且700hPa與850hPa溫度差大于2℃。中層強(qiáng)暖平流的存在有利于中間融化層（溫度高于0℃）的形成；低層冷平流的卷入和南伸，有利于強(qiáng)逆溫層的維持。同時鋒面逆溫也有利于逆溫的加強(qiáng)。凍雨發(fā)生時，從氣溫的垂直分布來看有“冷—暖—冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)，對流層中層有一定厚度的暖層，對流層低層有一定厚度的冷層。此次過程中凍雨區(qū)500hPa氣溫低 于-10℃，700hPa氣 溫 大 于0℃，925hPa氣 溫在-4～-2℃。除此之外，地面低溫（氣溫小于0℃）、潮濕且風(fēng)力較小也是凍雨出現(xiàn)的必不可少的條件。