我国冻雨统计及发生机制研究*

刘朝茹,韩永翔,王 瑾,张 智

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044； 2.贵州省山地环境气候研究所， 贵州 贵阳 550002)



我国冻雨统计及发生机制研究*

刘朝茹1,韩永翔1,王 瑾2,张 智1

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044； 2.贵州省山地环境气候研究所， 贵州 贵阳 550002)

利用2008-2013年冬季低温期间全国常规地面观测站资料，统计了冻雨多发站点的1月份年平均冻雨发生日数，结合探空资料对冻雨进行分类并讨论其发生机制。结果表明:①不同站点间发生冻雨的机制有明显差异，冻雨发生机制与海拔高度有关；②含有暖层冻雨个例中过冷暖雨过程达到了67%以上，高海拔地区易发生过冷暖雨过程的冻雨，而低海拔地区易发生融化过程的冻雨；③用有无暖层来划分是融化过程还是过冷暖雨过程误判的概率极大，高海拔地区误判的概率最大，如威宁为97%，低海拔地区如南昌误判率也在20%以上。这一研究结果表明必须用新的分类方法来划分冻雨，用传统的有无暖层来划分冻雨机制存在误差。

冻雨统计；过冷暖雨过程；融化过程

冻雨是中高纬度地区常见的灾害性天气现象，是一种由过冷水滴组成的、与低于0 ℃的物体碰撞立即冻结的降水，它能形成毛玻璃状或透明的坚硬冰层[1]，在地物上冻结并积累后能压断电线，造成供电和通讯中断，严重的冻雨甚至会压塌房屋、压断树木、冻死农作物和蔬菜，对农业、林业、电力、环境、通讯网络危害巨大。同时，因其具有外表光滑的坚硬冰层，交通运输也会因其受到巨大的损失。 2008年初，我国南方受到暴雪和冻雨灾害天气的袭击，时值春节前夕，给交通运输、电力供应、林业和农业以及人民正常的生活和生产造成了严重的影响[2]，发生了较严重的人员伤亡与财产损失。

由于冻雨的特殊性质会给人们的生产和生活带来严重危害，所以国内外学者对冻雨有较为广泛的关注。Stewart[3]总结了发生在美国东南部的冻雨和降雪，发现它们与美国东南部的暖锋相关。当暖锋到来时，爬升的暖空气在近地面形成了逆温层，逆温层中温度不断升高，出现大于0 ℃的暖层。接下来随着暖锋的不断侵入，暖层加厚，落进暖层的雪花被更多地融化，并且地面冷层也会不断变浅，使得融化的液滴再被冻结的概率变低。当变厚的暖层能将雪花完全融化，液滴在落到低层冷层中冷却但未被再次冻结时，在低于0 ℃的地表上将很有可能观测到冻雨。这种冻雨的形成理论被普遍接受，并常被称为融化过程或“冰相融化机制”理论(图1a)[4]。David[5]等研究了美国东南部冻雨发生的次数、时间以及其探空结构，支持了融化过程理论。Zerr[6]探讨了暖层和其以下的冻结层的厚度、温度对降落物相态的影响，认为暖层太薄或者温度太低会使得冰晶不能完全融化成水滴，另外，再次冻结层太厚或者温度太低也会使得下落的水滴再次冻结。国内也有大量研究从天气学角度分析了冻雨的形成原因[2, 7-13]，提出冻雨主要发生在准静止锋附近[7-8]，并将冷暖锋相交的天气系统与融化过程相对应，较多地强调逆温层中暖层的融化作用对冻雨形成的影响。

图1 两种不同的冻雨机制

然而，也有大量的冻雨个例研究中没有出现高于0 ℃的融化层，如Bocchieri[14]发现在一些冻毛毛雨天气中，大气探空数据表明整层大气都在0 ℃以下，其比例为44%，故而过冷暖雨过程被提出(图1b)[15]，认为在过冷却状态下，液滴会通过碰并过程保持增长并产生冻雨天气，并用是否存在暖层这一特征来区分过冷暖雨过程和融化过程。我国学者对气象站探空资料进行了统计分析，发现贵州省有大量的冻雨个例不存在暖层，冻雨形成机制更可能是过冷暖雨过程，与低海拔地区的冻雨发生机制有很大不同，如湖南的冻雨常由“冰相融化过程”形成[16-18]。

在对我国冻雨的研究过程中，我们发现的确存在两种冻雨机制，但这两种机制的划分过于简单，即使出现暖层，也有大量的个例属于过冷暖雨过程，说明用有无暖层来划分冻雨发生机制存在非常大的误差。针对此问题，本文利用2008-2013年全国常规地面观测资料和探空资料，在冻雨多发地带的长江以南地区，分析冻雨发生时大气层结温度、湿度、暖层厚度和云高等要素，通过统计学的宏观分析，对两种冻雨机制出现的概率以及对有暖层的冻雨进行初步研究，探讨冻雨大气层结特征和形成的物理机制。

1 资料与方法

本文选取了2008-2013年低温期间的地面观测资料和常规探空资料，因1月的资料最全且冻雨在1月出现的次数最多，所以着重对1月冻雨做出统计。地面观测资料用于确定冻雨天气的出现，探空资料分析冻雨出现时的大气层结特征。1月年平均冻雨发生次数使用地面观测资料，1 d内多次记录的冻雨天气合算为一次。探空资料每日只有两次，分别在08时和20时，通过地面观测资料判断这两个时间是否发生冻雨筛选出有冻雨的时次，每次记为一个个例。另外，云高数据根据探空数据中的相对湿度数据取得，以大于等于84%的相对湿度作为判断云顶的阈值[19]。

融化过程和过冷暖雨过程根据探空图中有无暖层来划分，但是对冰核的观测发现很少有冰核在>-10 ℃时核化，所以当有暖层而云顶温度>-10℃时，冻雨发生机制也有可能是过冷暖雨过程[18]。因此，对有暖层的冻雨个例，本文参考Rauber的冻雨类型[20]并将其简化为四类(表1)。

暖层强度为暖层厚度(以压强为单位)与暖层最大温度的乘积，其表征了暖层融化冰晶的能力。第一类冻雨的暖层在云顶以上，无暖层强度；第二类冻雨暖层厚度只取暖层底部到云顶的厚度；第三、四类冻雨暖层厚度取整层。

表1 有暖层冻雨的分类

2 冻雨日数、暖层出现概率与海拔高度关系

25°～29°N的长江以南地区是我国冻雨主要的发生地带，多发区域呈带状分布，大致对应了位于江南地区的准静止锋(图2)。从图2可清楚地看到西部冻雨发生较多，而东部较少，同时山地地区如庐山、峨眉山等较周围地区有较多的冻雨发生，这可能同海拔高度有关。

图2 冻雨多发地带1月份年平均发生冻雨日数

图3a为海拔高度与1月年平均冻雨日数关系图，除了不在静止锋区的峨眉山站外，其他各站的海拔高度与1月年平均冻雨日数之间有正相关关系(相关系数r=0.94，通过α=0.01显著性水平)，海拔高度越高，1月年平均冻雨日数越多。

图3 海拔高度与冻雨日数、暖层冻雨概率关系图

冻雨有无暖层是判断融化过程还是过冷暖雨过程的重要指标，计算出2008-2013年各个探空站暖层出现的次数占总冻雨数的52.6%，不存在暖层的冻雨占总冻雨数的47.4%。暖层出现的概率占了将近一半以上，其概率与海拔高度呈现显著的负相关，如图3b所示，相关系数r=-0.96，通过α=0.01显著性水平)，海拔高度较低地区的冻雨天气更容易存在暖层，而海拔高度较高的地区不易出现暖层。

3 暖层冻雨分类及其形成机制

剔除了个别层结过于稀疏的探空数据，筛选了2008-2013年8个探空站中含有暖层的冻雨个例124例并将其分类。第一类探空曲线如图4a所示，云顶高度(虚线)在暖层以下且温度大于-10 ℃，暖层不可能加热融化云中形成的冰晶，即降水过程中，从云滴形成到雨水降落地面不会发生相态变化，冻雨发生机制应为过冷暖雨过程；第二类如图4b所示，云顶高度处于暖层之中，云滴形成于大于零度的层结中，经过低层冷层冷却，形成过冷却水滴降落地面冻结。在这种情况中，冻雨降水下落过程中不会发生相态转变，冻雨发生机制也为过冷暖雨过程。另外由于其云滴形成于暖层之中，暖层加热云滴的温度只要能使其不会被低层冷层冻结就可以，不需要融化冰晶，所以需要的平均暖层强度也最低(表2)；第三类如图4c所示，云顶高度处于暖层之上，云顶温度为-3 ℃，因为很少有冰核在>-10 ℃时核化[20]，云中产生冰晶的可能性较小，其冻雨的发生机制既有可能是过冷暖雨过程，也有可能是融化过程。而其云顶温度较第二类低一些，有可能需要融化云顶形成的冰晶，需要的平均暖层强度大于第二类；第四类如图4d所示，云顶高度处于暖层之上，云顶温度为-18 ℃，这种情况下，云中产生的冰晶在降落地面的过程中，经过暖层加热，融化为水滴，再由低层冷层冷却形成过冷水滴，降落地表冻结，其发生机制为融化过程，因云顶温度较低，也需要更大的平均暖层强度融化冰晶。

表2 四类冻雨云顶高度、温度及平均暖层强度

本文计算了各个类型冻雨占含有暖层冻雨总数的比例，发现124个有暖层的冻雨个例中过冷暖雨过程达到了66.94%，如果将第三类也归为过冷暖雨过程时，则过冷暖雨过程达到了95.97%，而融化过程只占到4.03%(图5)。这一统计结果与前面定义的暖层冻雨发生机制为融化过程[15]相矛盾，由此可见，融化过程这种较为经典、认可度较高的冻雨机制可能并不是绝大部分冻雨发生的原因。

图4 四类有暖层的冻雨示意图

图5 各个类型冻雨占含有暖层冻雨总数比例

为了更进一步了解有暖层冻雨的发生机制，本文又分别讨论了各类型与各站关系。

各个站点与冻雨类型关系如图6所示，图6中第一类冻雨(图6a，过冷暖雨过程)主要出现在海拔最高的威宁站，贵阳和马坡岭有很少的个例，其他站未发生此类冻雨；第二类冻雨(图6b，过冷暖雨过程)多在海拔高度中等地区发生，大部分站点均有发生，其中贵阳站比例最大；第三类冻雨(图6c)各个气象站均占有一定比例，它们既有可能是过冷暖雨过程，也有可能是融化过程，发生此类冻雨的气象站较为广泛。第四类冻雨(图6d，融化过程)全部发生在低海拔地区，说明低海拔地区更容易发生融化过程的冻雨。

本文选择威宁代表高海拔地区、南昌代表低海拔地区与含有暖层冻雨类型进行分析，结果表明威宁过冷暖雨过程出现的概率为97%，只有不到3%为第三类冻雨，它既有可能是过冷暖雨过程，也有可能是融化过程(图6e)；南昌过冷暖雨过程出现的概率为20%，融化过程出现的概率也为20%，60%为第三类冻雨(图6f)。

图6 各个站点与含有暖层冻雨类型关系(未标出比例的站点为此站没有发生这一类冻雨)

综上所述，用有无暖层来划分是融化过程还是过冷暖雨过程误判的概率极大，即使有暖层出现，大部分个例仍不是融化过程。高海拔地区误判的概率最大，如威宁为97%，即使更容易发生融化过程的低海拔地区如南昌误判率也在20%以上。

4 结论

本文利用2008-2013年冬季低温期间地面观测站资料和探空资料对我国冻雨进行统计分析，得到如下结论。

(1)我国冻雨多发地带呈带状分布，处于25°～29°N，对应了准静止锋的位置。西部冻雨较多，东部冻雨较少，山地地区较平原地区更容易发生冻雨。海拔高度与1月份年平均冻雨日数成正比，与探空站出现暖层冻雨概率成反比。

(2)含有暖层冻雨个例中过冷暖雨过程达到了67%以上，高海拔地区易发生过冷暖雨过程的冻雨，而低海拔地区易发生融化过程的冻雨。

(3)用有无暖层来划分是融化过程还是过冷暖雨过程误判的概率极大，高海拔地区误判的概率最大，如威宁为97%，低海拔地区如南昌误判率也在20%以上。

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StudiesonStatisticsandFormationMechanismofFreezingRain

LiuChaoru1,HanYongxiang1,WangJin2andZhangZhi1

(1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Guizhou institute of Mountainous Climate and Environment, Guiyang 550005, China)

TheannualmeandaysoffreezingraininJanuaryonmeteorologicalstationswherefreezingrainfrequentlyoccurswasanalyzedbyusingthesurfaceobservationdataduringthewintercoldin2008-2013.Andthen,thesoundingdatacombinedwithsurfaceobservationdataisusedtoclassifyfreezingrainanddiscusstheformationmechanism.Theresultsshowedthat: ①Thereareobviousdifferencesofmechanismbetweendifferentsites,andtheformationmechanismoffreezingrainhasacorrelationwithaltitudes; ②Over67%ofthefreezingrainwithwarmlayerwereformedbySupercooledWarmRainProcess,highaltitudestendtooccurSupercooledWarmRainProcess,andlowaltitudestendtooccurMeltingIceProcess; ③ThereisasignificantmisjudgmentofdistinguishingSupercooledWarmRainProcessesandMeltingIceProcessbyusingthejudgmentofwhetherthereisawarmlayer,thepossibilityofmisjudgmentathighaltitudesismuchhigherthanthatatlowaltitudes,forexample,itcanbe97%inWeining.Butthepossibilitystillcanbeover20%atlowaltitudeslikeNanchang.Thestudysuggeststhatweshouldusenewcategorytodeterminetheformationmechanismoffreezingrainratherthanthetraditionalone.

freezingrainstatistics;supercooledwarmrainprocess;meltingiceprocess

2015-01-19

2015-03-11

公益性行业专项(GYHY201306051); 国家自然科学基金资助项目(41375158，41030962)

刘朝茹(1989年-)，女，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事云降水物理研究. E-mail: liucr19@sina.com

韩永翔(1966年-)，男，甘肃民勤人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为沙尘气溶胶与气候变化. E-mail: han-yx66@126.com

P426.6；X43

A

1000-811X(2015)03-0219-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.040

刘朝茹,韩永翔,王 瑾，等. 我国冻雨统计及发生机制研究[J].灾害学, 2015,30(3):219-222. [Liu Chaoru, Han Yongxiang, Wang Jin，et al. Studies on Statistics and Formation Mechanism of Freezing Rain[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：219-222.]