2011年初貴州持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣成因研究

杜小玲 高守亭彭芳

1貴州省氣象臺，貴陽550002

2貴州省山地資源與氣候重點(diǎn)實(shí)驗室，貴陽550002

3中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029

1 引言

2011年1月貴州省再次遭受低溫雨雪冰凍天氣襲擊，此次過程長達(dá) 32天。低溫雨雪冰凍天氣給各行各業(yè)及人民生活造成嚴(yán)重影響，僅次于 2008年初的雨雪冰凍災(zāi)害。

凍雨是貴州冬季頻發(fā)的災(zāi)害性天氣，在低溫雨雪冰凍災(zāi)害中是導(dǎo)致冰凍災(zāi)害的重要原因。近十年貴州出現(xiàn)了多次雨雪冰凍天氣，在2000年初、2005年初、2008年初及2011年初前后4次強(qiáng)的雨雪冰凍過程中，災(zāi)害影響最嚴(yán)重的發(fā)生在 2008年初，其次出現(xiàn)在2011年初。自2008年初我國南方發(fā)生低溫雨雪冰凍天氣以來，科學(xué)家及廣大科技工作者愈加關(guān)注對這類災(zāi)害性天氣的研究，在環(huán)流背景方面，陶詩言和衛(wèi)捷（2008）、趙思雄和孫建華（2008）、孫建華和趙思雄（2008）指出歐亞大陸大氣環(huán)流異常，中高緯度穩(wěn)定的阻塞形勢對凍雨天氣的維持是十分有利的。丁一匯等（2008）指出烏拉爾阻塞與中亞低槽形成的偶極子形勢不但使冷空氣從西方路徑入侵中國，而且導(dǎo)致上游強(qiáng)西風(fēng)氣流明顯分支，使南支西風(fēng)系統(tǒng)顯著加強(qiáng)。歐亞大范圍地區(qū)氣流分成兩支分別從高緯度和低緯度繞過青藏高原向東流去，最后在長江流域匯合是造成 2008年初冰凍雪災(zāi)的一個重要大氣環(huán)流條件。王東海等（2008）認(rèn)為阻塞上游 50°N區(qū)域有極強(qiáng)的負(fù)渦度平流持續(xù)輸送到阻塞區(qū)，使瀕臨崩潰的阻塞形勢得以重新加強(qiáng)，從而使阻塞形勢長時間穩(wěn)定維持。趙思雄和孫建華（2008）認(rèn)為 2008年初我國南方雨雪冰凍災(zāi)害天氣是在各種條件非常有利的情況下發(fā)生的，屬于多種系統(tǒng)的影響及其相互作用的結(jié)果。他們指出2008年1月25～29日期間位于長江或江南地區(qū)的準(zhǔn)靜止鋒（或切變線）是雨雪冰凍天氣的重要影響系統(tǒng)，鋒面西段的逆溫層和暖層強(qiáng)，有利于凍雨的形成。楊貴名等（2008）對2008年初的低溫雨雪冰凍持續(xù)性原因分析中指出當(dāng)暖層較強(qiáng)、冷層也較強(qiáng)的上下層溫度層結(jié)配置時，凍雨最明顯、最強(qiáng)，這對預(yù)報典型凍雨天氣非常重要，并強(qiáng)調(diào)了近地面冷空氣層與其上暖層（逆溫層）或融化層對凍雨的貢獻(xiàn)。丁一匯等（2008）也強(qiáng)調(diào)了逆溫層是形成和長時間維持南方大范圍凍雨的一個必要天氣條件。另外在貴州凍雨的研究中，杜小玲等（2010；2012）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次阻塞型強(qiáng)凍雨過程分析了烏拉爾山阻塞型和貝加爾湖阻塞型凍雨的天氣學(xué)特征和概念模型。

綜上所述，對低溫雨雪冰凍天氣的相關(guān)研究已有許多，尤其是經(jīng)歷了 2008年初中國南方的低溫雨雪冰凍災(zāi)害事件后，國內(nèi)學(xué)者對它的關(guān)注和研究更加深入。時隔3年貴州再次出現(xiàn)大范圍低溫雨雪冰凍天氣，其持續(xù)原因和 2008年初是否一致？造成不同相態(tài)的降水差異在哪？這些都是值得研究的科學(xué)問題。

本文所用資料：（1）2010年12月30日～2011年 2月 2日 NCEP FNL（National Center for Environmental Prediction，global final analysis）每日4次1°×1°格點(diǎn)再分析資料；（2）1968～1996年1月的NCEP再分析月長期平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；（3）1948年 1月～2011年 2月 NCEP再分析月平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；（4）2010年12月30日08時至2011年2月2日08時（北京時間，下同）地面實(shí)況觀測資料，時界為08～08時。

2 災(zāi)情及特點(diǎn)

2.1 災(zāi)情

2010年12月31日至2011年2月1日，貴州省出現(xiàn)了長達(dá) 1個月之久的特重低溫雨雪冰凍災(zāi)害，此次過程時間長、范圍廣，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾生活帶來了嚴(yán)重影響和危害。在此次低溫雨雪天氣過程中，貴州85個氣象臺站中有78個臺站出現(xiàn)凍雨、82個臺站出現(xiàn)降雪或雨夾雪，如圖 1a顯示，凍雨范圍主要出現(xiàn)在（26°～27.5°Ν，104°～108°E）區(qū)域，是貴州凍雨頻發(fā)地帶（杜小玲和藍(lán)偉，2010）。中西部地區(qū)受到凍雨影響普遍達(dá) 25 d以上，最長單站持續(xù)日數(shù)為威寧的34 d，東北部和南部邊緣最少?？梢姶舜芜^程以貴州中西部為主。同期最大電線結(jié)冰直徑為53 mm（開陽）（含26.8 mm電線直徑）（圖略），最大積雪深度為萬山20日出現(xiàn)的29 cm，極端最低氣溫為20日威寧的－8.5°C最低。全省平均氣溫及平均最低氣溫均突破歷史記錄，災(zāi)害達(dá)特重等級，居1961年以來的第2位，僅次于2008年。

2.2 過程特點(diǎn)

此次過程主要有3次明顯的冷空氣影響，具有持續(xù)時間長、間斷性突出、中期降雪突出的特點(diǎn)。

從雨凇觀測和積雪觀測的逐日演變來看（圖1b），可分為四個階段。第一階段是 1月上旬（尤其是1～3日），以凍雨為主。自2010年12月31日夜間貴州出現(xiàn)27站凍雨天氣開始，1月1日凍雨范圍增至62站，2日增加至70站，3日維持著67站的凍雨天氣。4～9日期間雨凇觀測站次逐步從59站減小至32站。可見，在月初短短的3天內(nèi)，凍雨從無到有迅速產(chǎn)生、從小范圍到大面積迅速擴(kuò)展。第二個階段以10日08時～11日08時為代表，雨雪共存、以降雪為主。此階段有45站出現(xiàn)凍雨、78站出現(xiàn)降雪，期間降雪又多以冰粒為主。第三個階段是 16～23日，全省再次出現(xiàn)雨雪天氣，并以17～19日降雪和積雪為典型。17日 08時～20日08時分別有82站、76站、75站出現(xiàn)積雪，積雪深度最深是萬山29 cm。第四個階段是26日～2月1日，以凍雨為主，每天平均有40站左右出現(xiàn)凍雨。

從全省平均氣溫演變來看（圖 1c），氣溫跌宕起伏，有3次主要的強(qiáng)冷空氣影響，分別出現(xiàn)在12月31日～1月3日、1月10～11日、17～20日，以17～20日平均氣溫最低。這三次強(qiáng)冷空氣對應(yīng)著三次1 mm以上的平均降水量，平均降水量以17～20日最大，有4～5 mm。此外除了1～2日、10日平均降水量為 1～3 mm外，其余時間降水量均不足1.0 mm，具有低溫弱降水的特點(diǎn)。

圖1 2010年12月31日至2011年2月1日貴州?。╝）凍雨日數(shù)分布（單位：d），（b）雨凇、積雪臺站數(shù)逐日演變，（c）日平均氣溫（單位：°C）、日平均降水量（單位：mm）逐日演變Fig.1 (a) Distribution of freezing rain days, (b) change of freezing rain and snow stations, and (c) change of daily mean temperatureand precipitation in Guizhou from 31 Dec 2010 to 1 Feb 2011

3 環(huán)流特征及成因

3.1 環(huán)流概述

2011年1月500 hPa高度場上北半球極渦呈偶極型（圖 2a），極渦明顯偏于東半球，東半球極渦位于鄂霍茨克海附近，中心值為512 dagpm。太平洋北部至白令海峽維持穩(wěn)定的高壓脊；北美洲極渦偏北，與新地島至北極的極渦共同構(gòu)成中心為 512 dagpm的極渦。在鄂霍茨克?！晒艊蜖柨κ埠痪€存在東北—西南向的橫槽，橫槽北側(cè)是西南—東北向的高壓脊。由于該阻塞系統(tǒng)的穩(wěn)定維持，使得我國大部分地區(qū)長時間受地面冷高壓控制。冷空氣的主體分為兩股，一股因鄂霍茨克海極渦的轉(zhuǎn)動，帶動其西北側(cè)的強(qiáng)冷空氣南下；一股因烏拉爾山阻塞高壓的穩(wěn)定，不斷帶動強(qiáng)冷空氣南下。兩股強(qiáng)冷空氣匯合后，長驅(qū)直下到達(dá)我國華南南部。

同期的500 hPa高度距平場上（圖2b），亞洲中高緯度呈“北高南低”型。50°Ν以北是正距平，烏拉爾山以東是中心為16 dagpm的正距平，50°Ν以南的中緯度廣大地區(qū)是4～8 dagpm的負(fù)距平。中低緯度西太平洋地區(qū)與常年同期比較正常。烏拉爾山至貝加爾湖以西為正的高度距平和正的溫度距平（圖略），有利于該地區(qū)建立起暖性的高壓脊和阻塞高壓。分析表明，導(dǎo)致極渦分裂呈偶極型，常常是由中高緯度的阻塞高壓進(jìn)入極地并維持所致（丁一匯，2008）。亞洲中緯度寬闊的負(fù)的高度距平和負(fù)的溫度距平有利于該地區(qū)建立長波槽，并在鄂霍茨克海至蒙古一帶建立切斷低壓或橫槽。

這種形勢揭示了亞洲中高緯度地區(qū)冷空氣勢力較常年偏強(qiáng)，有利于西伯利亞的冷空氣經(jīng)蒙古不斷擴(kuò)散南下進(jìn)入我國。同時由于東亞大槽的穩(wěn)定偏南，有利于冷空氣影響貴州的勢力和強(qiáng)度進(jìn)一步加大，是貴州2011年1月低溫雨雪冰凍天氣得以長時間維持的背景形勢。

3.2 阻塞高壓對持續(xù)性低溫雨雪冰凍的影響

此次過程前期形勢是亞洲中高緯環(huán)流由兩槽一脊形勢向阻塞形勢調(diào)整，過程中期形勢與穩(wěn)定強(qiáng)大的阻塞形勢密切相關(guān)，后期形勢與移動性低槽影響有關(guān)。

逐日500 hPa高度場（圖略）和阻塞高壓（圖3）分析顯示，2010年12月30日至2011年1月1日亞洲中高緯度為兩槽一脊型，貝加爾湖地區(qū)為高壓脊，巴爾克什湖和我國東北地區(qū)是兩個深厚的低渦。這期間東歐至烏拉爾山有強(qiáng)大的高壓暖脊不斷向北隆起。1月2～3日高壓暖脊在西西伯利亞地區(qū)發(fā)展成強(qiáng)大的阻塞高壓，中心值達(dá)到556 dagpm。4日阻高中心不斷東擴(kuò)至100°E附近，但強(qiáng)度有所減弱。與此同時，烏拉爾山南部又有中心為556 dagpm的阻高形成，兩高處在同一高壓脊中。5～6日烏拉爾山南部的阻高取代了東擴(kuò)的阻高，使得阻高中心穩(wěn)定在 80°E以西地區(qū)。這期間新疆北部地區(qū)維持著中心值低于540 dagpm的切斷低渦，并與－40°C的冷中心相伴。7～8日阻塞形勢開始減弱，烏拉爾山南部的阻高減弱，新疆北部的切斷低渦中心值上升。9日高壓消失，低渦分別為短波槽并東移。10～14日期間，中高緯度以緯向環(huán)流為主，期間冷空氣勢力減弱。15日開始在西伯利亞地區(qū)再次建立552 dagpm的高壓中心，并迅速擴(kuò)大，并在15～23日期間穩(wěn)定在烏拉爾山以東至90°E以西的廣大地區(qū)，24日阻塞高壓才減弱縮小。這期間40°～50°Ν附近的亞洲東部地區(qū)，低渦穩(wěn)定維持，從庫頁島—我國東三省—貝加爾湖東南部地區(qū)形成穩(wěn)定的橫槽。25日阻高消失，巴湖低渦以移動性低槽形式東移。26～30日之前穩(wěn)定在東北亞的橫槽轉(zhuǎn)豎，帶來新的一輪冷空氣南下。31日環(huán)流形勢調(diào)整為緯向型。至此，隨著亞歐中高緯度環(huán)流形勢的調(diào)整，貴州持續(xù)了1個月的低溫雨雪冰凍天氣于2月2日結(jié)束。

圖2 2011年1月北半球500 hPa（a）平均高度場和（b）高度距平場。單位：dagpmFig.2 (a) Average height field and (b) height anomaly field at 500 hPa in the Northern Hemisphere in Jan 2011.Unit: dagpm

分析表明，2011年1月發(fā)生在貴州的低溫雨雪天氣與兩次阻塞形勢的穩(wěn)定維持密切相關(guān)。初期大氣環(huán)流發(fā)生了顯著的調(diào)整，從兩槽一脊環(huán)流形勢調(diào)整為阻塞形勢，1月2～8日是強(qiáng)大而穩(wěn)定的阻塞形勢維持的第一個階段；第二個階段是 1月 15～24日期間，大氣環(huán)流再次為穩(wěn)定而強(qiáng)大的阻塞形勢。

圖3 2010年12月31日～2011年2月1日50°～70°N 500 hPa平均高度的時間—經(jīng)向剖面（單位：dagpm。陰影區(qū)：位勢高度≥544 dagpm）Fig.3 Time-longitude section of averaged height at 500-hPa of 50°～70°N from 31 Dec 2010 to 1 Fed 2011.Shaded field: geopotential height≥544 dagpm

與2008年初相比，亞洲中高緯度2011年1月主要有兩次阻塞形勢，分別出現(xiàn)在1月2～8日和15～24日期間，呈間斷性特點(diǎn)。2008年1月10日～2月2日的20余天中高緯度西風(fēng)帶上始終維持很明顯的?型阻塞形勢，阻高如此穩(wěn)定是不多見的（趙思雄和孫建華，2008），使得整個低溫雨雪冰凍期間貝加爾湖以西地區(qū)阻塞高壓強(qiáng)而穩(wěn)定（楊貴名等，2008）。

3.3 南支鋒區(qū)對持續(xù)性低溫雨雪冰凍的影響

在中低緯度地區(qū)，利用500 hPa位勢高度降低、副熱帶西風(fēng)急流增加來判斷南支鋒區(qū)活躍程度。這里用500 hPa高度上風(fēng)速大于等于28 m s?1表示副熱帶鋒區(qū)急流建立（圖4a中陰影區(qū)），圖4a顯示南支鋒區(qū)有4次活躍期，分別出現(xiàn)在12月31日～1月2日、9～11日、15～18日、20～30日。

圖4 （a）2010年12月31日～2011年2月1日103°～110°E 500 hPa平均位勢高度（單位：dagpm。粗實(shí)線：564 dagpm）及大于28 m s?1的風(fēng)速（陰影區(qū)，單位：m s?1）的演變；（b）2010年12月31日至2011年2月1日貴州地區(qū)（24°～29°N，104°～110°E）區(qū)域平均的水汽通量（黑色，單位：10?5 g cm?1 hPa?1 s?1）和南風(fēng)水汽通量（灰色，單位：10?5 g cm?1 hPa?1 s?1）的高度—時間剖面Fig.4 (a) Latitude–time section of averaged height (unit: dagpm) and wind speed over 28 m s?1 (shaded, unit: m s?1) at 500 hPa of 103°～110°E from 31 Dec 2010 to 1 Fed 2011; (b) height–time section of the moisture flux (unit:10?5g cm?1 hPa?1 s?1) and moisture flux of the south wind averaged in Guizhou area (24°～29°N, 103°～109°E) from 31 Dec 2010 to 1 Fed 2011

考慮到南支鋒區(qū)急流中西風(fēng)風(fēng)速明顯大于南風(fēng)風(fēng)速，這里分別計算了貴州地區(qū)平均的水汽通量和偏南風(fēng)的水汽通量（圖 4b）。由此看出由于南支鋒區(qū)呈現(xiàn)階段性活躍特征，水汽通量的間斷性特征顯著。尤其是在偏南氣流增強(qiáng)期間，偏南風(fēng)的水汽通量中心與幾次雨雪過程有很好地吻合。

分析表明，南支鋒區(qū)的建立、維持與持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣密切相關(guān)。強(qiáng)鋒區(qū)使中國副熱帶地區(qū)長時間維持低溫天氣，也使得冷暖氣流在中國長江流域長期處于交匯狀態(tài)（楊貴名等，2008）。南支鋒區(qū)上偏南氣流加強(qiáng)造成大量水汽輸送至中國大陸尤其是南方地區(qū)，北方的干冷空氣與南方的暖濕空氣交綏, 出現(xiàn)了明顯的中低緯系統(tǒng)的相互作用（趙思雄和孫建華，2008）。2011年1月出現(xiàn)的4次偏南風(fēng)的建立均對應(yīng)著4次嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍天氣。而位勢高度降低則表明冷空氣的影響，圖中顯示以 564 dagpm為特征線的位勢高度一旦進(jìn)入30°N以南，表明南方受到強(qiáng)冷空氣的影響越顯著。

3.4 低層輻合對持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣的影響

在上述有利的背景形勢下，低層輻合對低溫雨雪的影響顯著。圖5a中風(fēng)矢量顯示在前期強(qiáng)凍雨、中期降雪和后期凍雨期間，25°N附近維持著一支較穩(wěn)定的低層切變線，切變線南側(cè)是較強(qiáng)的偏南氣流（陰影區(qū)）。尤其是在強(qiáng)凍雨和降雪期間，切變線南側(cè)的偏南風(fēng)可達(dá)低空急流程度。與此同時，隨著切變南側(cè)偏南風(fēng)的加強(qiáng)，低層水汽輻合和水平風(fēng)的輻合隨之加強(qiáng)（圖 5b、c）。1月 1～6日、17～23日、26～28日對流層低層出現(xiàn)多個較強(qiáng)的水汽輻合和水平風(fēng)的輻合中心，這些多個中心使得對流層低層維持長時間的水汽輻合和水平風(fēng)的輻合。在月初強(qiáng)凍雨期，水汽輻合主要出現(xiàn)在700 hPa以下，中心值可達(dá)－8×10?9～－6×10?9g cm?2hPa?1s?1。垂直方向自下而上具有低層較強(qiáng)輻合—中層較強(qiáng)輻散—中高層較強(qiáng)輻合—高層較弱輻散的結(jié)構(gòu)。在17～20日降雪期間，水汽輻合主要集中在600 hPa以下，也可伸展到500 hPa附近。垂直方向自下而上具有低層較強(qiáng)輻合—中高層較強(qiáng)輻散的結(jié)構(gòu)特征。

3.5 穩(wěn)定持續(xù)的準(zhǔn)靜止鋒是低溫雨雪冰凍天氣長時間維持的重要影響系統(tǒng)

研究指出（趙思雄和孫建華，2008；陶祖鈺，2008；楊貴名等，2008；杜小玲，2010，2012），貴州的強(qiáng)凍雨天氣不僅與亞歐中高緯度的阻塞環(huán)流密切聯(lián)系，而且與地面準(zhǔn)靜止鋒密切相關(guān)，地面上滇黔準(zhǔn)靜止鋒是凍雨的重要影響系統(tǒng)。圖6顯示靜止鋒逐日的變化。由于鋒區(qū)位置、強(qiáng)度每天存在差異，這里選取 1015～1017.5 hPa、1027.5～1030 hPa分別作為準(zhǔn)靜止鋒的西界和東界。可以看出，鋒區(qū)總體位于103°～107°E之間，但存在東西擺動。當(dāng)貴州海平面氣壓為 1030 hPa時，鋒區(qū)西界可達(dá)103°E左右。一旦冷空氣勢力減弱，鋒區(qū)向東退。表明冷空氣不斷的影響和補(bǔ)充是準(zhǔn)靜止鋒得以長期維持的重要原因，準(zhǔn)靜止鋒的穩(wěn)定維持是低溫雨雪冰凍天氣得以長期維持的重要影響系統(tǒng)。研究還認(rèn)為靜止鋒是一條影響我國南方雨雪的天氣尺度系統(tǒng)（趙思雄和孫建華，2008），其穩(wěn)定少動還導(dǎo)致了2008年初第2至第4次低溫雨雪過程（楊貴名等，2008）。

圖5 （a）103°～110°E 850 hPa平均風(fēng)矢量（箭頭）、偏南風(fēng)風(fēng)速（陰影區(qū)）及溫度 0°C線的緯向—時間剖面；（b）水汽通量散度（單位：10?9 g cm?2 hPa?1 s?1）及（c）水平風(fēng)的散度（單位：10?6s?1）在（24°～29°N，103°～110°E）區(qū)域平均的高度—時間演變Fig.5 (a) Latitude–time section of averaged wind vector and south wind(shaded) as well as 0°C line at 850 hPa of 103°～110°E; (b) height–time section of the moisture flux divergence (unit: 10?9 g cm?2 hPa?1 s?1) and(c) divergence (unit: 10?6 s?1) averaged in (24°～29°N, 103°～110°E)

上述分析表明，2011年1月貴州持續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)。表現(xiàn)在：（1）北半球極渦呈偶極型分布，極渦偏于東半球。亞歐地區(qū)位勢高度距平呈“北高南低”形勢；（2）亞洲中高緯度出現(xiàn)了兩次強(qiáng)大、穩(wěn)定、持久的阻塞高壓；（3）南支鋒區(qū)多次活躍，使得水汽輸送具有間斷性特點(diǎn)；（4）維持在 25°N附近的低層切變線為低溫雨雪天氣的發(fā)生提供了輻合條件；（5）地面上穩(wěn)定持久的準(zhǔn)靜止鋒是低溫雨雪天氣發(fā)生的重要影響系統(tǒng)。

與2008年初低溫雨雪天氣相比，2011年1月亞洲中高緯度出現(xiàn)了兩次強(qiáng)大、穩(wěn)定、持久的阻塞高壓，但持續(xù)時間不如2008年初（持續(xù)20天之久）長；兩次過程南支鋒區(qū)均具有間斷性活躍特征；2008年初華南準(zhǔn)靜止鋒和滇黔準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定是影響南方地區(qū)的重要影響系統(tǒng)，2011年初則以滇黔準(zhǔn)靜止鋒長時間維持為主。

4 低溫雨雪冰凍天氣過程的三個階段的成因分析

正如過程特點(diǎn)中所述，這次過程在 12月 31日～1月3日、10日、17～19日期間分別出現(xiàn)了凍雨、冰粒、降雪三類天氣現(xiàn)象。圖7分別為2日08時、10日08時、17日20時的天氣現(xiàn)象觀測。前期研究指出凍雨具有地面低于0°C、上層大氣溫度高于0°C的結(jié)構(gòu)（陶祖鈺，2008；楊貴名，2008；曾明劍等，2008；杜小玲，2010，2012）。凍雨期間逆溫層穩(wěn)定，融化層較厚，融化層既不能太厚、太低也不能太薄、太高（楊貴名等，2008）。2011年初貴州等地的低溫雨雪冰凍天氣再次出現(xiàn)多種相態(tài)的降水，其主要的差異何在？下面擬從幾個方面進(jìn)行比較分析。

4.1 溫度垂直結(jié)構(gòu)分析

大氣的溫度結(jié)構(gòu)，對確定地面觀測到的降水類型非常重要（McGueen and Keith，1956；Bennett，1959；Young，1978；Martner et al.，1993）。Stewart et al.（1987）的研究指出降水物的不同類型即雪、冰粒和凍雨分別處于逆溫層和次凍層不同位置。并通過數(shù)值模擬方法，研究了不同降水類型發(fā)生時的逆溫層溫度、厚度、次凍層厚度和地面溫度等條件。

圖6 滇黔準(zhǔn)靜止鋒沿27°N的時間—經(jīng)度演變Fig.6 Time–longitude section of the Yunnan–Guizhou quasi–stationary front along 27°N

圖7 （a）2日08時、（b）10日08時、（c）17日20時的天氣現(xiàn)象Fig.7 The weather phenomenon at (a) 0800 Beijing Time (BJT) 2 Jan,(b) 0800 BJT 10 Jan, (c) 2000 BJT 17 Jan

圖 8a揭示了本次過程溫度場在垂直方向上隨時間的變化，圖中700 hPa附近的增溫現(xiàn)象在1～8日、25～27日期間明顯，在8日、26日分別有4°C、2°C的暖中心，低層有多個冷中心。結(jié)合圖 4b分析，700 hPa附近盛行的西南風(fēng)或西南急流所帶來的增溫效果是存在較大差異的。主要增溫及導(dǎo)致的暖層的出現(xiàn)僅在1～8日及25～26日，其余時間盡管有逆溫存在，但未見暖層?？梢?00 hPa附近暖中心并非出現(xiàn)在凍雨最強(qiáng)的時段 1～2日期間，這與2008年1月27日是凍雨最強(qiáng)的一天，但是暖層并非最強(qiáng)的分析是一致的。

為了使低溫雨雪冰凍天氣過程中三個階段的差異更加清晰，利用 MICAPS3平臺提供的T–lnp分析工具，分析了最能直觀反映3個不同時刻貴陽站上空的溫壓風(fēng)的情況。圖8（b–d）顯示了三個時刻對流層的中低層均有顯著的鋒面逆溫，鋒面逆溫的高度位于700～850 hPa之間。850 hPa和地面均為偏東風(fēng)或東北風(fēng)4～8 m s–1，700 hPa轉(zhuǎn)為西南風(fēng)20～26 m s?1。表明鋒區(qū)主要存在與700～850 hPa之間，鋒下具有冷平流，鋒上具有暖平流。

2日08時（圖8b），貴陽上空752～850 hPa之間存在顯著的鋒面逆溫，逆溫厚度 98 hPa，逆溫頂氣溫3°C、逆溫底部溫度－7°C、逆溫梯度10°C，地面氣溫－5°C。暖層（也稱融化層）位于700～800 hPa之間，暖層厚度80 hPa厚，暖層以上還有部分云區(qū)氣溫在－5～0°C之間。若將－10°C以下、－9～0°C、0°C以上分別稱為冰晶層、冷層、暖層（漆梁波，2012），則2日08時凍雨的溫度垂直結(jié)構(gòu)具有冷層—暖層—冷層的結(jié)構(gòu)特征。

10日08時（圖8c），鋒面逆溫在718～832 hPa之間，逆溫厚度114 hPa，逆溫頂部氣溫為2°C、逆溫底部溫度－8°C、逆溫梯度 10°C，暖層厚度 30 hPa，地面氣溫－4°C。近飽和層的高度有兩層，分別位于 520 hPa、－13°C 處以及 400 hPa、－25°C處。顯然 10日冰粒等混合天氣出現(xiàn)時，溫度垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層—淺薄的暖層—冷層的結(jié)構(gòu)特征，是一類經(jīng)典的冰粒的結(jié)構(gòu)（漆梁波，2012）。

17日20時（圖8d），鋒面逆溫在674～800 hPa之間，逆溫厚度126 hPa，逆溫頂部氣溫－3°C，逆溫底部－8°C，逆溫梯度5°C，地面氣溫－4°C，無暖層。近飽和層的高度位于 517 hPa、－15°C。表明17日降雪出現(xiàn)時，溫度垂直結(jié)構(gòu)為冰晶層—冷層的結(jié)構(gòu)特征。

分析揭示，三個階段的降水都是在鋒面逆溫存在的背景下發(fā)生的，但溫度場垂直結(jié)構(gòu)存在差異。產(chǎn)生凍雨時，鋒面逆溫高度最低，在750～850 hPa之間，逆溫厚度最薄，梯度顯著，達(dá)10°C左右。暖層高度最低，位于700～800 hPa之間；暖層厚度最厚，近100 hPa厚，溫度層結(jié)具有冷層—暖層—冷層結(jié)構(gòu)特征；出現(xiàn)冰粒時，鋒面逆溫高度略高于凍雨時逆溫的高度，逆溫厚度略高于凍雨時的逆溫厚度。暖層高度淺薄，溫度層結(jié)具有冰晶層—冷層—淺薄的暖層—冷層的結(jié)構(gòu)特征；產(chǎn)生降雪時，鋒面逆溫高度最高，在650～800 hPa之間，逆溫厚度最厚，逆溫梯度不及凍雨和冰粒時的梯度，無暖層，溫度層結(jié)具有為冰晶層—冷層的結(jié)構(gòu)特征。

圖8 （a）2010年12月31日至2011年2月1日（24°～29°N，103°～110°E）區(qū)域平均溫度場（單位：°C）的高度—時間剖面；（b）1月2日08時貴陽T–lnp圖；（c）1月10日08時貴陽T–lnp圖；（d）1月17日20時貴陽T–lnp圖。紅色橫坐標(biāo)：等溫線度；紅色縱坐標(biāo)：等壓線；藍(lán)色線：層結(jié)曲線；綠色線：露點(diǎn)曲線；棕紅色：狀態(tài)曲線Fig.8 (a) Height–time section of temperature averaged over (24°～29°N, 103°～110°E) from 31 Dec 2010 to 1 Fed 2011 (unit: °C); (b) T–lnpat Guiyang at 0800 BJT 2 Jan; (c) T–lnp at Guiyang at 0800 BJT 10 Jan; (d) T–lnp at GuiYang at 2000 BJT 17 Jan.Red horizontal ordinate: isothermal;red ordinate:isopiestic; blue line: stratification curve; green line: dew-point curve; brown line: condition curve

4.2 鋒區(qū)結(jié)構(gòu)分析

以上分析表明，阻塞型環(huán)流形勢的穩(wěn)定是準(zhǔn)靜止鋒得以長期維持的重要原因。2008年初我國南方地區(qū)的低溫雨雪天氣與華南和滇黔地區(qū)存在這樣一條準(zhǔn)靜止鋒密切相關(guān)，鋒下為來自極地的冷氣團(tuán)、鋒上為來自海洋的暖濕氣團(tuán)（陶祖鈺等，2008）。鋒生函數(shù)分析揭示，準(zhǔn)靜止鋒鋒區(qū)是 鋒生函數(shù)的大值區(qū)，與春季低溫陰雨天氣比較，冬季低溫雨雪天氣時的準(zhǔn)靜止鋒更寬闊、平緩，鋒區(qū)向上伸展的高度約在600 hPa以下（杜小玲和藍(lán)偉，2010）。圖9中，對流層中低層均維持著假相當(dāng)位溫的密集區(qū)，這里以316 K（17日以312 K）、292 K分別作為鋒區(qū)沿107°E的上、下界?？梢婁h區(qū)密集程度和伸展位置存在差異，2日與10日鋒區(qū)較17日密集，向南伸展的位置則以10日和17日更偏南；鋒面逆溫同樣存在差異，2日凍雨時的逆溫底部最低，接近地面，0°C線位于25°N附近。10日冰粒時鋒面逆溫底部為850 hPa左右，0°C線伸展到24～25°N。17日降雪時鋒面逆溫梯度最小，逆溫底部最高，0°C線伸展到24°N附近。

圖9 假相當(dāng)位溫，單位：K。藍(lán)線：292 K、316 K（17日20時為288 K、312 K）；溫度場（單位：°C，紅色粗線：0°C，紅色細(xì)實(shí)線：＞0°C，紅色細(xì)虛線：＜0°C）沿107°E的剖面：（a）2日08時；（b）10日08時；（c）17日20時。灰色陰影區(qū)：地形。藍(lán)色陰影區(qū)：高空大于等于40 m s?1的風(fēng)速（單位：m s?1）Fig.9 Height–time section of pseudo-equivalent potential temperature,unit: K.blue line: 292 K (288 K at 2000 BJT 17 Jan), 316 K (312 K 288 K at 2000 BJT 17 Jan) and temperature field (unit: °C; red thick line: 0°C;red thin–solid line: ＞0°C; red thin–dashed line: ＜0°C) along 107°E: (a)0800 BJT 2 Jan; (b) 0800 BJT 10 Jan;(c) 0800 BJT 17 Jan.Grey shaded area: the terrain, blue shaded area: wind speed over 40 m s?1 upper air

4.3 冷云與暖云分析

Huffman and Norman（1988）首次提出了凍雨形成的“暖云過程”機(jī)制，該機(jī)制是在云內(nèi)溫度處于－10～0°C時，由過冷卻云滴間的碰并過程形成凍雨，而無需暖層的融化和次凍層的凍結(jié)作用，后來 Rauber et al.（2000）和 Bernstein（2000）的工作進(jìn)一步驗證了這一機(jī)制。

圖10分析顯示1～3日凍雨時云水含量較高，主要位于 700 hPa附近，中心處于暖區(qū)，有融化作用。10日云水含量偏弱，中心在700～600 hPa的高度，正好處于－10～0°C之間，具有Huffman提出的“暖云過程”。17～20日期間有兩個云水中心，17日高云水含量區(qū)伸展到700～400 hPa之間，在 600 hPa高度以上的高云水中心處于－30～－10°C的冷區(qū)?？梢?，凍雨和冰粒期間均具有暖云的特點(diǎn)。降雪時，云層伸展高度超過400 hPa，云區(qū)溫度處于－30～－10°C之間，具有顯著的冷云結(jié)構(gòu)。陶玥等（2012）還證實(shí)貴州凍雨區(qū)云層較薄，冰相過程較弱（凍雨區(qū)云系中冰晶、雪、霰的比含水量極小，水質(zhì)粒主要為云水），云頂溫度較高，屬于暖云。中高層基本無冰相粒子，低層為云水和雨水（云水的比含水量最大）。表明貴州凍雨是在“冷—暖—冷”層結(jié)下通過“過冷暖雨過程”形成的（陶玥等，2012）。

圖10 2010年12月31日至2011年2月1日（24°～29°N，103°～110°E）區(qū)域平均溫度場（單位：°C）與空中云水含量（陰影，單位：10?3 kg kg?1；間隔：0.5×10?3 kg kg?1）的高度—時間剖面Fig.10 Height–time section of temperature field (unit: °C) and cloud water (shading, unit: 10?3 kg kg?1) from 31 Dec 2010 to 1 Fed 2011

4.4 垂直速度分析

與暴雨過程比較起來，冬季的降水過程表現(xiàn)出弱降水的特點(diǎn)。但同為準(zhǔn)靜止鋒上不同相態(tài)的降水過程其上升運(yùn)動仍然存在差異。凍雨過程中暖空氣沿鋒面上滑所產(chǎn)生的上升運(yùn)動主要出現(xiàn)在 800～600 hPa之間。從31日開始鋒上開始出現(xiàn)較弱的上升運(yùn)動，隨著偏南氣流增強(qiáng)，輻合抬升在1日夜間到2日凌晨達(dá)到最大，最大中心在700 hPa附近，中心值為－0.45 Pa s?1（圖11a）；10日上升運(yùn)動較弱（圖11b），上升區(qū)域仍集中在800～600 hPa，中心值為－0.1 Pa s?1；到了 17～20日降雪期間（圖11c），17日、18日下午至20日凌晨有兩次發(fā)展深厚的上升運(yùn)動過程，上升運(yùn)動區(qū)域超過400 hPa，但上升運(yùn)動中心集中在 700～600 hPa，17日的垂直速度為－0.3 Pa s?1、18日夜間的垂直速度達(dá)－0.45 Pa s?1。表明，準(zhǔn)靜止鋒上不同相態(tài)的降水過程，上升運(yùn)動伸展的高度有較大差異，凍雨過程表現(xiàn)為鋒區(qū)附近淺薄的上升運(yùn)動，降雪過程則表現(xiàn)為鋒上深厚的垂直上升運(yùn)動。

5 結(jié)論

（1）2011年1月貴州再次出現(xiàn)僅次于2008年初的低溫雨雪冰凍天氣，過程長達(dá) 32天，主要伴隨3次強(qiáng)冷空氣影響，具有持續(xù)時間長、間斷性突出、中期降雪突出的特點(diǎn)。其中1月上旬前期（1～3日）以凍雨為主；10日雨雪共存，以冰粒為主；17～19日降雪和積雪顯著；其余時間雨雪表現(xiàn)出弱降水的特點(diǎn)。

（2）2011年1月北半球極渦呈偶極型分布，極渦偏于東半球，亞歐地區(qū)位勢高度距平呈“北高南低”形勢；亞洲中高緯度在1月2～8日、15～24日期間有2次強(qiáng)大、穩(wěn)定、持久的阻塞環(huán)流形勢出現(xiàn)。

（3）副熱帶南支鋒區(qū)活躍，12月31日～1月2日、9～11日、17～20日、27～29日有4次活躍期，使得水汽輸送具有間斷性特點(diǎn)，在偏南氣流加強(qiáng)期間與4次雨雪過程吻合。

（4）長期維持在25°N附近的低層切變線為低溫雨雪天氣的發(fā)生提供了輻合條件，地面上穩(wěn)定持久的準(zhǔn)靜止鋒是低溫雨雪天氣發(fā)生的重要影響系統(tǒng)。

圖11 垂直速度的高度—時間剖面（單位：Pa s?1）：（a）12月30日08時至1月3日08時；（b）1月9日08時～12日08時；（c）16日08時至21日08時Fig.11 Height–time section of vertical speed (unit: Pa s?1): (a) From 0800 BJT 30 Dec to 0800 BJT 3 Jan; (b) from 0800 BJT 9 to 0800 BJT 12 Jan; (c) from 0800 BJT 16 to 0800 BJT 21 Jan

（5）強(qiáng)凍雨、冰粒及降雪天氣的溫度場、鋒區(qū)結(jié)構(gòu)、大氣運(yùn)動狀況等存在差異。強(qiáng)凍雨天氣的鋒面逆溫高度最低、逆溫梯度最大、逆溫厚度最薄，逆溫區(qū)有較厚的暖層，云層伸展高度在600 hPa以下，有較低的上升運(yùn)動，具有暖云降水的特點(diǎn)。出現(xiàn)冰粒天氣時，鋒面逆溫高度較低、逆溫梯度大、逆溫厚度較薄，逆溫區(qū)有淺薄的暖層，云層伸展高度較高，有較淺的上升運(yùn)動和暖云降水的特點(diǎn)；出現(xiàn)降雪天氣時，鋒面逆溫高度較高、逆溫梯度最小、逆溫厚度薄，逆溫區(qū)無暖層，云層伸展高度超過 500 hPa，具有深厚的垂直上升運(yùn)動和冷云降水的特點(diǎn)。

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