2020年吉林省一例罕見雨雪冰凍天氣綜合分析

劉 娜 張 健 王昆鵬 蔡檸澤

（1.白山市氣象局，吉林白山 134300；2.吉林省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，吉林長春 130062；3.松原市氣象局，吉林松原 138000）

1 引言

凍雨也叫雨凇，是冬季降水中的一種天氣現(xiàn)象。它在地物上凍結(jié)并積累，能壓斷電線，造成供電和通信中斷，嚴重的凍雨會壓塌房屋，壓斷樹木，凍死農(nóng)作物，凍雨造成的地面結(jié)冰對交通也有極嚴重的影響。多年來科研工作者對凍雨做了大量分析，我國凍雨出現(xiàn)最多地區(qū)是貴州省，根據(jù)對大量凍雨天氣探空曲線的分析，初步認為凍雨天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)可分為冰晶層、暖層、冷層等。凍雨天氣預(yù)報在一般性降水分析基礎(chǔ)上，著重做好特殊溫度層結(jié)的預(yù)報，即中空（700hPa）附近和低空（850hPa）冷層的預(yù)報[1]。周后福等[2]通過分析江淮地區(qū)多年的凍雨資料，指出凍雨形成必須是冷暖層同時存在，且可分為“先暖后冷”和“先冷后暖”兩種類型，探空曲線的平均狀況呈逆濕結(jié)構(gòu)。王崇洲等[3]指出，凍雨預(yù)報應(yīng)重點關(guān)注中空（700hPa）附近增溫和低空（850hPa）以下的降溫。溫度層結(jié)是凍雨預(yù)報的關(guān)鍵[4-12]。北方凍雨出現(xiàn)頻次比南方偏少，預(yù)報指標凝練的相應(yīng)較少。吉林省冬季常見的是暴雪天氣或雨夾雪轉(zhuǎn)暴雪天氣，有時會伴有大風、寒潮等惡劣天氣[13-14]。2020年11月中旬吉林省出現(xiàn)罕見暴雨、暴雪、凍雨等災(zāi)害性天氣過程，本文對此次罕見雨雪冰凍天氣過程進行診斷分析，重點分析雨雪冰凍天氣成因，為今后此種災(zāi)害性天氣預(yù)報服務(wù)提供有利技術(shù)支撐。

2 天氣實況

受江淮氣旋北上影響，2020年11月17日12時—20日11時，吉林省出現(xiàn)明顯雨雪冰凍天氣，強雨雪主要出現(xiàn)在18—19日。降水主要分3個區(qū)域，吉林省西部以雪為主；中部為雨或凍雨轉(zhuǎn)大到暴雪，轉(zhuǎn)雪時間為19日凌晨到上午；其他大部地區(qū)則以雨為主，19日午后到傍晚才陸續(xù)轉(zhuǎn)為小到中雪。全省過程平均降水量39.6mm；累計最大降雪量和最大積雪深度均出現(xiàn)在長嶺縣，分別為37.7mm和38cm；共出現(xiàn)12站暴雪或大暴雪，12站暴雨；長春、四平、吉林北部、延邊北部出現(xiàn)冰凍災(zāi)害。這場罕見雨雪冰凍天氣給吉林省帶來嚴重影響。一是對交通運輸造成直接影響，部分地方機場航班取消、高速公路封閉、鐵路列車和客運班車停運。二是造成了部分區(qū)域電力和通信線路受損、樹木折斷，嚴重影響企業(yè)、居民生產(chǎn)生活。三是增大了設(shè)施農(nóng)業(yè)管理、秋糧存儲管護等工作難度。

3 天氣背景場分析

3.1 大尺度環(huán)境特征分析

造成本次大范圍雨雪冰凍天氣過程的主要影響系統(tǒng)有500 hPa高空槽、高低空急流、中低空切變線及地面江淮氣旋。從11月18日08時的高低空形勢場（圖1）可以看出，中高緯度地區(qū)有南北兩個低槽，貝加爾湖地區(qū)低槽強度呈負距平，較歷年同期異常偏強，槽后大量冷空氣在西北氣流作用下向中低緯度地區(qū)輸送。槽呈疏散形勢，有利于低槽在東移動過程中發(fā)展加強，環(huán)流經(jīng)向度加深，冷空氣加強；同時有利于槽前暖濕氣流向北輸送，冷暖空氣在吉林省上空交匯。日本海上副熱帶高壓脊異常偏強，低槽東移過程中受阻，有利于降水系統(tǒng)長時間維持。槽前正渦度平流作用下有利于低層系統(tǒng)的發(fā)展和上升運動的加強，低槽強度加強，槽前西南引導(dǎo)氣流進一步加強，有利于引導(dǎo)地面低值系統(tǒng)不斷向東北方向移動。地面主要受江淮氣旋北上影響，江淮氣旋在高空槽前和副熱帶高壓后部西南引導(dǎo)氣流和槽前正渦度平流共同作用下，向東北移動過程中不斷發(fā)展加強。18日08時地面圖上，江淮氣旋中心強度1010hPa；19日02—05時氣旋強烈發(fā)展，中心氣壓值達到1000hPa。同時蒙古地區(qū)冷高壓中心強度一直維持在1030hPa左右，穩(wěn)定少動。冷暖空氣在吉林省上空交匯，隨著系統(tǒng)發(fā)展、鋒區(qū)強度逐漸加強，19日02—05時降水強度加強；隨著冷空氣不斷推進，大氣層結(jié)轉(zhuǎn)變，降水相態(tài)也隨之轉(zhuǎn)換。

圖1 2020年11月18日08時500hPa平均位勢高度場（a，陰影區(qū)為距平場，單位：gpm）和海平面氣壓場（b，陰影區(qū)為距平場，單位：hPa；白色方框為西伯利亞高壓監(jiān)測范圍）

3.2 強降水產(chǎn)生的物理成因

3.2.1 動力條件

低空急流在強降水過程中起著至關(guān)重要的作用，不僅將水汽、能量源源不斷向降水區(qū)輸送，同時急流頭部風向、風速輻合，有利于低層上升運動的產(chǎn)生和加強。低空急流左前方如處于高空急流入口區(qū)右側(cè)或出口區(qū)左側(cè)，低層輻合與高層輻散場疊加，高低層急流耦合抽吸作用，有利于強上升運動的維持。19日02時是本次強降水集中時次，從高低空風場疊加可以看出，本次降水過程中高空200hPa存在2支較強急流（圖2a），北部高空急流核區(qū)最強風速達65m/s；南部達60m/s。吉林省中西部地區(qū)位于北部高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)內(nèi)；吉林省中東部地區(qū)位于南部高空急流出口區(qū)左側(cè)輻散區(qū)內(nèi)。從低層850hPa風場（圖2a）可以看出，本次降水低空存在明顯西南風急流，吉林省中東部地區(qū)位于急流頭部風速輻合區(qū)內(nèi)；而吉林省中西部地區(qū)位于急流左側(cè)冷式切變線輻合區(qū)內(nèi)。低層風速和風向輻合，有利于水汽和能量的集聚，同時與高空急流產(chǎn)生的輻散場相疊加，有利于強上升運動產(chǎn)生和維持。

圖2 2020年11月19日02時200hPa急流（a.陰影，單位：m/s）、850hPa高度場（a.黑實線，單位:dagpm）、風場（a.風桿，單位：m/s）和700hPa垂直速度距平場（b.單位：Pa/s）

19日02時700hPa垂直速度距平場（圖2b）也驗證了吉林省大部分地區(qū)處于垂直上升運動負距平區(qū)。異常強的上升運動與前面高低空急流耦合位置基本對應(yīng)，高層輻散、低層輻合中心配合較好，導(dǎo)致中低空存在明顯上升運動大值中心，特別是在121°E～125°E異常強的上升運動中心達-0.7Pa/s。在有利的大尺度環(huán)流背景下，強上升運動長時間維持，為強降水產(chǎn)生提供了關(guān)鍵的動力因子。

3.2.2 水汽條件

初冬時節(jié)，水汽輸送對東北地區(qū)降水至關(guān)重要，異常強的水汽輸送和足夠大的絕對水汽含量是強降水產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。從水汽通量來看，本次降水中低層水汽輸送強度異常偏強，特別是在18日20時—19日11時（圖3a），隨著西南急流的建立和加強，中低層水汽輸送強度明顯加強，強中心達到21g·cm-1·hPa-1·s-1，充沛的水汽源源不斷向降水區(qū)輸送。從絕對水汽含量看，本次降水整層大氣可降水量達到40～50mm，吉林省南部暴雨區(qū)850hPa比濕為8～10g/kg，中部凍雨區(qū)比濕為5～7g/kg，西部暴雪區(qū)比濕為2～4g/kg，比濕均達到吉林省暴雨、暴雪閾值標準，且與歷年同期相比，比濕值異常大，在后面探空曲線也顯示，本次降水濕層深厚。配合西南急流和切變線將暖濕氣流源源不斷向降水區(qū)輸送，急流前端風向、風速輻合形成異常強的水汽輻合中心（圖3b）。

圖3 2020年11月18日08時—20日08時850hPa水汽通量沿125°E時間剖面（a.單位：g·cm-1·Pa-1·s-1）和19日02時850hPa風場（b.單位：m/s）、比濕（b.單位：g/kg）、水汽通量散度（b.陰影，單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）

3.2.3 能量及不穩(wěn)定條件

本次強降水前期大氣異?；嘏?，為降水提供了較好的能量條件。從長春站的假相當位溫時間—空間垂直分布情況可以看出，強降水過程中，中低層存在明顯的能量鋒區(qū)，且最低鋒區(qū)延伸至近地面附近。等θse隨時間演變明顯變得密集，18日夜間強度達到最強，說明冷暖空氣交匯強烈；19日白天低層鋒區(qū)減弱消失，降水強度減弱（圖4a）。從長春站假相當位溫時間廓線可以看出，降水期間中層假相當位溫隨高度整體變化不大，大氣為對流中性層結(jié)或穩(wěn)定層結(jié)，降水以穩(wěn)定性降水為主（圖4b）。

圖4 長春站2020年11月18日20時—19日20時假相當位溫隨高度變化時序（a，單位：k）和17日20時—19日20時假相當位溫垂直廓線（b，單位：k）

4 降水相態(tài)成因分析

4.1 溫度場特征

本次強降水過程主要分3個區(qū)域。11月18—19日雨雪冰凍天氣過程期間，降水相態(tài)呈現(xiàn)多樣性，期間存在雨、雨夾雪、雪、凍雨等相態(tài)的轉(zhuǎn)變。此次降水過程18日夜間，環(huán)流形勢和物理量條件配合最好，為降水最強時段。大氣的溫度垂直結(jié)構(gòu)直接決定降水類型，吉林省不同區(qū)域溫度層結(jié)配置不同，選取長嶺站、長春站和白山站作為暴雪區(qū)、凍雨區(qū)和暴雨區(qū)代表站，對其溫度垂直廓線進行分析。從三站18日08時—19日14時溫度垂直廓線可以看出，降水過程前期整層大氣溫度較降水后期明顯偏高，指示降水過程中前期回暖后期有冷空氣侵入。長嶺站（圖5a）18日08時—19日14時降水期間，從地面到高空整層溫度均在0℃以下，長嶺站降水相態(tài)為純雪。

圖5 長嶺站（a）、長春站（b）、白山站（c）2020年11月18日08時—19日14時溫度垂直廓線

出現(xiàn)凍雨的長春站（圖5b），降水相態(tài)經(jīng)歷雨—凍雨—雨夾雪—雪的過程，降水相態(tài)異常復(fù)雜，冰凍災(zāi)害嚴重。從溫度垂直廓線可以看出，18日08—20時地面至800hPa氣溫均在0℃以上，存在逆溫，整層為高于0℃的暖云，降水以雨為主。18日20時—19日08時，700—850hPa為暖層，暖層最高溫度達到最大值5℃左右；此時在500—700hPa溫度均在0℃以下，形成冰晶凝結(jié)物；850hPa至近地面為過冷卻層，近地表氣溫在-3℃左右。冰晶層下落固體降水物，在下落過程中遇到低層暖層開始融化，進入近地面過冷卻層，液態(tài)降水物在近地面0℃以下物體上直接形成凍雨。19日08時之后，850hPa等溫線降至0℃以下，中空暖層消失，冷空氣迅速推進，降水相態(tài)由凍雨轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪。

白山站（圖5c）18日08時—19日14時為逐步降溫趨勢，19日14時降水主體基本結(jié)束時800hPa氣溫在0℃左右，地面氣溫為6℃左右，所以降水為純雨。

從溫度層結(jié)垂直廓線剖析降水相態(tài)的轉(zhuǎn)變，長嶺站（圖6a）18日08時之前，降水前期地面至850hPa中低層氣溫明顯回升，為降水提供了較好的前期暖墊條件。18日白天隨著925hPa和850hPa淺薄冷空氣緩慢侵入，降水開始，此時地面和850hPa溫度均在0℃以下，特別是850hPa溫度在-2～0℃，925hPa溫度在-6～0℃，地面溫度為-2～-1℃。19日夜間隨著500hPa和700hPa強冷空氣推進，上冷下暖的溫度層結(jié)，為強降水產(chǎn)生提供了有利的熱力條件。吉林省中西部地區(qū)溫度層結(jié)滿足降雪指標，以純雪為主。

長春站（圖6b）降水相態(tài)復(fù)雜，18日白天出現(xiàn)降雨天氣，夜間轉(zhuǎn)為凍雨；19日白天為雨夾雪轉(zhuǎn)雪天氣。18日14時之前850hPa至地面溫度均在0℃之上，降水以雨為主。18日14時之后925hPa和地面溫度直線下降，氣溫均低于0℃；此時850hPa形成一個暖層，850hPa氣溫繼續(xù)升高。19日01時850hPa氣溫達到最大值，為5℃左右。此時在500—700hPa形成的冰晶凝結(jié)物在下落過程中，遇到低層暖層開始融化后，經(jīng)過近地面過冷卻層，在地表0℃以下物體上直接形成凍雨。隨著19日08時之后850hPa等溫線降至0℃以下，中空暖層消失，冷空氣迅速推進，降水相態(tài)由凍雨轉(zhuǎn)為雪。19日夜間之后，受冷高壓控制全省水汽條件轉(zhuǎn)差，降水基本結(jié)束。

白山站（圖6c）19日08時之前，整層溫度為回暖趨勢，850hPa溫度在5～10℃，925hPa和地面溫度為10～15℃。19日08時之后高、中、低層冷空氣迅速推進，氣溫直線下降，19日14時500hPa和700hPa氣溫達-18℃和-5℃，中低層氣溫在0℃左右。由于冷空氣推進較快，降水性質(zhì)由雨轉(zhuǎn)為雪，雨夾雪比重較少。

圖6 長嶺站（a）、長春站（b）、白山站（c）2020年11月17日20時—19日20時溫度時間序列

4.2 探空曲線特征

研究代表站的探空曲線產(chǎn)品，對比不同相態(tài)降水大氣層結(jié)特征，重點分析吉林省凍雨的形成條件，對探空曲線的冰晶層、暖層、飽和層、冷層等進行分析。長春站逆溫層與其上的冰晶層形成“下暖上冷”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于形成上升運動，導(dǎo)致降水發(fā)生；同時逆溫層又與其下的冷層形成“下冷上暖”的穩(wěn)定層結(jié)，對冷層的維持有利。對流層中、下層的大氣呈飽和或準飽和狀態(tài)，飽和層頂位于暖層之上，對流層中層有接近飽和的冰晶層，冰晶層底部的高度約為675hPa，平均厚度為2.1km。適當?shù)呐瘜樱ㄈ诨瘜樱囟?、厚度和底部高度對凍雨的形成非常重要，暖層底部的平均高度?34hPa。冷層厚度、溫度及地面最低氣溫的變化對凍雨的形成有直接影響。長春站冷層平均厚度為0.8km左右；平均最低溫度為-3℃左右；平均地面最低溫度為-2℃左右。中層有冰水轉(zhuǎn)化過程，雨滴遇到冷的下墊面，發(fā)生凝凍，抬升凝結(jié)高度升高，云內(nèi)溫度降低，＜10℃的冰雪區(qū)的高度降低，冰雪層增厚，云中的冰雪物降落到地面的行程縮短。19日02時925—1 000hPa溫度持續(xù)降低，并維持在0℃以下，850hPa溫度＞0℃，低層為冰凍層，中層為融化層，導(dǎo)致長春站產(chǎn)生凍雨。此次過程，長春站發(fā)生凍雨的層結(jié)特征是中高層有接近飽和的凍結(jié)層，有利于形成冰晶和雪；凍結(jié)層下有一定厚度的融化層，可使固態(tài)降水粒子融化；近地層有一定厚度的冷層，且低層的相對濕度比較高，近地面風速比較小（2m/s左右），有利于近地面的過冷水滴凍結(jié)形成凍雨。由上可見，凍雨與溫度、濕度、風有關(guān)，深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層濕度較大的冷層是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。

5 結(jié)語

（1）本次強降水是受到貝加爾湖強冷空氣和黃、渤海暖濕氣流的共同影響而形成的。高空急流的輻散區(qū)和中低層急流及地面北上江淮氣旋形成深厚的耦合區(qū)，導(dǎo)致強大的大尺度上升運動產(chǎn)生和長時間的維持。低層能量鋒生強迫產(chǎn)生持續(xù)的上升運動，有利于產(chǎn)生強降水。異常強的低層暖濕急流將充沛的水汽輸送到強降水區(qū)上空，整層水汽充沛，為強降水提供了充足的水汽。

（2）低層西南急流的建立和加強將黃、渤海暖濕氣流源源不斷地向降水區(qū)輸送，與槽后干冷空氣交匯，為降水的產(chǎn)生提供了有利的能量、動力、水汽和凝結(jié)條件。

（3）凍結(jié)層、融化層以及低層過冷卻層的分析是凍雨預(yù)報的關(guān)鍵。長春站發(fā)生凍雨的層結(jié)特征是中高層有接近飽和的冷層，凍結(jié)層有利于形成冰晶和雪；凍結(jié)層下有一定厚度的融化層可使固態(tài)降水粒子融化；近地層有一定厚度的冷層，且低層的相對濕度比較高，近地面風速較小，有利于近地面的過冷水滴凍結(jié)形成凍雨。深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層濕度較大的冷層是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。