2020年吉林省一例罕见雨雪冰冻天气综合分析

刘 娜 张 健 王昆鹏 蔡柠泽

（1.白山市气象局，吉林白山 134300；2.吉林省突发事件预警信息发布中心，吉林长春 130062；3.松原市气象局，吉林松原 138000）

1 引言

冻雨也叫雨凇，是冬季降水中的一种天气现象。它在地物上冻结并积累，能压断电线，造成供电和通信中断，严重的冻雨会压塌房屋，压断树木，冻死农作物，冻雨造成的地面结冰对交通也有极严重的影响。多年来科研工作者对冻雨做了大量分析，我国冻雨出现最多地区是贵州省，根据对大量冻雨天气探空曲线的分析，初步认为冻雨天气大气垂直结构可分为冰晶层、暖层、冷层等。冻雨天气预报在一般性降水分析基础上，着重做好特殊温度层结的预报，即中空（700hPa）附近和低空（850hPa）冷层的预报[1]。周后福等[2]通过分析江淮地区多年的冻雨资料，指出冻雨形成必须是冷暖层同时存在，且可分为“先暖后冷”和“先冷后暖”两种类型，探空曲线的平均状况呈逆湿结构。王崇洲等[3]指出，冻雨预报应重点关注中空（700hPa）附近增温和低空（850hPa）以下的降温。温度层结是冻雨预报的关键[4-12]。北方冻雨出现频次比南方偏少，预报指标凝练的相应较少。吉林省冬季常见的是暴雪天气或雨夹雪转暴雪天气，有时会伴有大风、寒潮等恶劣天气[13-14]。2020年11月中旬吉林省出现罕见暴雨、暴雪、冻雨等灾害性天气过程，本文对此次罕见雨雪冰冻天气过程进行诊断分析，重点分析雨雪冰冻天气成因，为今后此种灾害性天气预报服务提供有利技术支撑。

2 天气实况

受江淮气旋北上影响，2020年11月17日12时—20日11时，吉林省出现明显雨雪冰冻天气，强雨雪主要出现在18—19日。降水主要分3个区域，吉林省西部以雪为主；中部为雨或冻雨转大到暴雪，转雪时间为19日凌晨到上午；其他大部地区则以雨为主，19日午后到傍晚才陆续转为小到中雪。全省过程平均降水量39.6mm；累计最大降雪量和最大积雪深度均出现在长岭县，分别为37.7mm和38cm；共出现12站暴雪或大暴雪，12站暴雨；长春、四平、吉林北部、延边北部出现冰冻灾害。这场罕见雨雪冰冻天气给吉林省带来严重影响。一是对交通运输造成直接影响，部分地方机场航班取消、高速公路封闭、铁路列车和客运班车停运。二是造成了部分区域电力和通信线路受损、树木折断，严重影响企业、居民生产生活。三是增大了设施农业管理、秋粮存储管护等工作难度。

3 天气背景场分析

3.1 大尺度环境特征分析

造成本次大范围雨雪冰冻天气过程的主要影响系统有500 hPa高空槽、高低空急流、中低空切变线及地面江淮气旋。从11月18日08时的高低空形势场（图1）可以看出，中高纬度地区有南北两个低槽，贝加尔湖地区低槽强度呈负距平，较历年同期异常偏强，槽后大量冷空气在西北气流作用下向中低纬度地区输送。槽呈疏散形势，有利于低槽在东移动过程中发展加强，环流经向度加深，冷空气加强；同时有利于槽前暖湿气流向北输送，冷暖空气在吉林省上空交汇。日本海上副热带高压脊异常偏强，低槽东移过程中受阻，有利于降水系统长时间维持。槽前正涡度平流作用下有利于低层系统的发展和上升运动的加强，低槽强度加强，槽前西南引导气流进一步加强，有利于引导地面低值系统不断向东北方向移动。地面主要受江淮气旋北上影响，江淮气旋在高空槽前和副热带高压后部西南引导气流和槽前正涡度平流共同作用下，向东北移动过程中不断发展加强。18日08时地面图上，江淮气旋中心强度1010hPa；19日02—05时气旋强烈发展，中心气压值达到1000hPa。同时蒙古地区冷高压中心强度一直维持在1030hPa左右，稳定少动。冷暖空气在吉林省上空交汇，随着系统发展、锋区强度逐渐加强，19日02—05时降水强度加强；随着冷空气不断推进，大气层结转变，降水相态也随之转换。

图1 2020年11月18日08时500hPa平均位势高度场（a，阴影区为距平场，单位：gpm）和海平面气压场（b，阴影区为距平场，单位：hPa；白色方框为西伯利亚高压监测范围）

3.2 强降水产生的物理成因

3.2.1 动力条件

低空急流在强降水过程中起着至关重要的作用，不仅将水汽、能量源源不断向降水区输送，同时急流头部风向、风速辐合，有利于低层上升运动的产生和加强。低空急流左前方如处于高空急流入口区右侧或出口区左侧，低层辐合与高层辐散场叠加，高低层急流耦合抽吸作用，有利于强上升运动的维持。19日02时是本次强降水集中时次，从高低空风场叠加可以看出，本次降水过程中高空200hPa存在2支较强急流（图2a），北部高空急流核区最强风速达65m/s；南部达60m/s。吉林省中西部地区位于北部高空急流入口区右侧辐散区内；吉林省中东部地区位于南部高空急流出口区左侧辐散区内。从低层850hPa风场（图2a）可以看出，本次降水低空存在明显西南风急流，吉林省中东部地区位于急流头部风速辐合区内；而吉林省中西部地区位于急流左侧冷式切变线辐合区内。低层风速和风向辐合，有利于水汽和能量的集聚，同时与高空急流产生的辐散场相叠加，有利于强上升运动产生和维持。

图2 2020年11月19日02时200hPa急流（a.阴影，单位：m/s）、850hPa高度场（a.黑实线，单位:dagpm）、风场（a.风杆，单位：m/s）和700hPa垂直速度距平场（b.单位：Pa/s）

19日02时700hPa垂直速度距平场（图2b）也验证了吉林省大部分地区处于垂直上升运动负距平区。异常强的上升运动与前面高低空急流耦合位置基本对应，高层辐散、低层辐合中心配合较好，导致中低空存在明显上升运动大值中心，特别是在121°E～125°E异常强的上升运动中心达-0.7Pa/s。在有利的大尺度环流背景下，强上升运动长时间维持，为强降水产生提供了关键的动力因子。

3.2.2 水汽条件

初冬时节，水汽输送对东北地区降水至关重要，异常强的水汽输送和足够大的绝对水汽含量是强降水产生的关键因素。从水汽通量来看，本次降水中低层水汽输送强度异常偏强，特别是在18日20时—19日11时（图3a），随着西南急流的建立和加强，中低层水汽输送强度明显加强，强中心达到21g·cm-1·hPa-1·s-1，充沛的水汽源源不断向降水区输送。从绝对水汽含量看，本次降水整层大气可降水量达到40～50mm，吉林省南部暴雨区850hPa比湿为8～10g/kg，中部冻雨区比湿为5～7g/kg，西部暴雪区比湿为2～4g/kg，比湿均达到吉林省暴雨、暴雪阈值标准，且与历年同期相比，比湿值异常大，在后面探空曲线也显示，本次降水湿层深厚。配合西南急流和切变线将暖湿气流源源不断向降水区输送，急流前端风向、风速辐合形成异常强的水汽辐合中心（图3b）。

图3 2020年11月18日08时—20日08时850hPa水汽通量沿125°E时间剖面（a.单位：g·cm-1·Pa-1·s-1）和19日02时850hPa风场（b.单位：m/s）、比湿（b.单位：g/kg）、水汽通量散度（b.阴影，单位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）

3.2.3 能量及不稳定条件

本次强降水前期大气异常回暖，为降水提供了较好的能量条件。从长春站的假相当位温时间—空间垂直分布情况可以看出，强降水过程中，中低层存在明显的能量锋区，且最低锋区延伸至近地面附近。等θse随时间演变明显变得密集，18日夜间强度达到最强，说明冷暖空气交汇强烈；19日白天低层锋区减弱消失，降水强度减弱（图4a）。从长春站假相当位温时间廓线可以看出，降水期间中层假相当位温随高度整体变化不大，大气为对流中性层结或稳定层结，降水以稳定性降水为主（图4b）。

图4 长春站2020年11月18日20时—19日20时假相当位温随高度变化时序（a，单位：k）和17日20时—19日20时假相当位温垂直廓线（b，单位：k）

4 降水相态成因分析

4.1 温度场特征

本次强降水过程主要分3个区域。11月18—19日雨雪冰冻天气过程期间，降水相态呈现多样性，期间存在雨、雨夹雪、雪、冻雨等相态的转变。此次降水过程18日夜间，环流形势和物理量条件配合最好，为降水最强时段。大气的温度垂直结构直接决定降水类型，吉林省不同区域温度层结配置不同，选取长岭站、长春站和白山站作为暴雪区、冻雨区和暴雨区代表站，对其温度垂直廓线进行分析。从三站18日08时—19日14时温度垂直廓线可以看出，降水过程前期整层大气温度较降水后期明显偏高，指示降水过程中前期回暖后期有冷空气侵入。长岭站（图5a）18日08时—19日14时降水期间，从地面到高空整层温度均在0℃以下，长岭站降水相态为纯雪。

图5 长岭站（a）、长春站（b）、白山站（c）2020年11月18日08时—19日14时温度垂直廓线

出现冻雨的长春站（图5b），降水相态经历雨—冻雨—雨夹雪—雪的过程，降水相态异常复杂，冰冻灾害严重。从温度垂直廓线可以看出，18日08—20时地面至800hPa气温均在0℃以上，存在逆温，整层为高于0℃的暖云，降水以雨为主。18日20时—19日08时，700—850hPa为暖层，暖层最高温度达到最大值5℃左右；此时在500—700hPa温度均在0℃以下，形成冰晶凝结物；850hPa至近地面为过冷却层，近地表气温在-3℃左右。冰晶层下落固体降水物，在下落过程中遇到低层暖层开始融化，进入近地面过冷却层，液态降水物在近地面0℃以下物体上直接形成冻雨。19日08时之后，850hPa等温线降至0℃以下，中空暖层消失，冷空气迅速推进，降水相态由冻雨转为雨夹雪或雪。

白山站（图5c）18日08时—19日14时为逐步降温趋势，19日14时降水主体基本结束时800hPa气温在0℃左右，地面气温为6℃左右，所以降水为纯雨。

从温度层结垂直廓线剖析降水相态的转变，长岭站（图6a）18日08时之前，降水前期地面至850hPa中低层气温明显回升，为降水提供了较好的前期暖垫条件。18日白天随着925hPa和850hPa浅薄冷空气缓慢侵入，降水开始，此时地面和850hPa温度均在0℃以下，特别是850hPa温度在-2～0℃，925hPa温度在-6～0℃，地面温度为-2～-1℃。19日夜间随着500hPa和700hPa强冷空气推进，上冷下暖的温度层结，为强降水产生提供了有利的热力条件。吉林省中西部地区温度层结满足降雪指标，以纯雪为主。

长春站（图6b）降水相态复杂，18日白天出现降雨天气，夜间转为冻雨；19日白天为雨夹雪转雪天气。18日14时之前850hPa至地面温度均在0℃之上，降水以雨为主。18日14时之后925hPa和地面温度直线下降，气温均低于0℃；此时850hPa形成一个暖层，850hPa气温继续升高。19日01时850hPa气温达到最大值，为5℃左右。此时在500—700hPa形成的冰晶凝结物在下落过程中，遇到低层暖层开始融化后，经过近地面过冷却层，在地表0℃以下物体上直接形成冻雨。随着19日08时之后850hPa等温线降至0℃以下，中空暖层消失，冷空气迅速推进，降水相态由冻雨转为雪。19日夜间之后，受冷高压控制全省水汽条件转差，降水基本结束。

白山站（图6c）19日08时之前，整层温度为回暖趋势，850hPa温度在5～10℃，925hPa和地面温度为10～15℃。19日08时之后高、中、低层冷空气迅速推进，气温直线下降，19日14时500hPa和700hPa气温达-18℃和-5℃，中低层气温在0℃左右。由于冷空气推进较快，降水性质由雨转为雪，雨夹雪比重较少。

图6 长岭站（a）、长春站（b）、白山站（c）2020年11月17日20时—19日20时温度时间序列

4.2 探空曲线特征

研究代表站的探空曲线产品，对比不同相态降水大气层结特征，重点分析吉林省冻雨的形成条件，对探空曲线的冰晶层、暖层、饱和层、冷层等进行分析。长春站逆温层与其上的冰晶层形成“下暖上冷”的不稳定层结，有利于形成上升运动，导致降水发生；同时逆温层又与其下的冷层形成“下冷上暖”的稳定层结，对冷层的维持有利。对流层中、下层的大气呈饱和或准饱和状态，饱和层顶位于暖层之上，对流层中层有接近饱和的冰晶层，冰晶层底部的高度约为675hPa，平均厚度为2.1km。适当的暖层（融化层）温度、厚度和底部高度对冻雨的形成非常重要，暖层底部的平均高度为834hPa。冷层厚度、温度及地面最低气温的变化对冻雨的形成有直接影响。长春站冷层平均厚度为0.8km左右；平均最低温度为-3℃左右；平均地面最低温度为-2℃左右。中层有冰水转化过程，雨滴遇到冷的下垫面，发生凝冻，抬升凝结高度升高，云内温度降低，＜10℃的冰雪区的高度降低，冰雪层增厚，云中的冰雪物降落到地面的行程缩短。19日02时925—1 000hPa温度持续降低，并维持在0℃以下，850hPa温度＞0℃，低层为冰冻层，中层为融化层，导致长春站产生冻雨。此次过程，长春站发生冻雨的层结特征是中高层有接近饱和的冻结层，有利于形成冰晶和雪；冻结层下有一定厚度的融化层，可使固态降水粒子融化；近地层有一定厚度的冷层，且低层的相对湿度比较高，近地面风速比较小（2m/s左右），有利于近地面的过冷水滴冻结形成冻雨。由上可见，冻雨与温度、湿度、风有关，深厚而稳定的逆温层和低层湿度较大的冷层是大范围冻雨出现的直接原因。

5 结语

（1）本次强降水是受到贝加尔湖强冷空气和黄、渤海暖湿气流的共同影响而形成的。高空急流的辐散区和中低层急流及地面北上江淮气旋形成深厚的耦合区，导致强大的大尺度上升运动产生和长时间的维持。低层能量锋生强迫产生持续的上升运动，有利于产生强降水。异常强的低层暖湿急流将充沛的水汽输送到强降水区上空，整层水汽充沛，为强降水提供了充足的水汽。

（2）低层西南急流的建立和加强将黄、渤海暖湿气流源源不断地向降水区输送，与槽后干冷空气交汇，为降水的产生提供了有利的能量、动力、水汽和凝结条件。

（3）冻结层、融化层以及低层过冷却层的分析是冻雨预报的关键。长春站发生冻雨的层结特征是中高层有接近饱和的冷层，冻结层有利于形成冰晶和雪；冻结层下有一定厚度的融化层可使固态降水粒子融化；近地层有一定厚度的冷层，且低层的相对湿度比较高，近地面风速较小，有利于近地面的过冷水滴冻结形成冻雨。深厚而稳定的逆温层和低层湿度较大的冷层是大范围冻雨出现的直接原因。