基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析

第３３卷第１期　２０１０年３月　气象与减灾研究　ＭＥＴＥＣｌＲＯＬＯＧＹ　ＡＮＤ　ＤＩＳＡＳＴＥＲ　ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２０１０　

文章编号：１００７—９０３３（２０１０）０１—００４０—０６　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００７－９０３３．２０１０．Ｏｌ。００７　

基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析　

王华军　，刘熙明　，吴　琼　，马中元ｚ　

１．吉安市气象台，江西吉安３４３０００　２．江西省气象科学研究所，江西南昌　３３００４６　

摘要：利用探空资料和地面观测资料，对１９５９－－２００８年发生在江西的典型冻雨天气过程的大气垂直结构进行　了分析。结果表明：冻雨的形成与大气饱和层、冰晶层、暖层、逆温层、冷层及特征物理量等因素的关系密切。对流　层中下层的大气呈饱和或准饱和的逆温状态，饱和层顶位于暖层之上是冻雨发生的主要层结特征。冰晶层底部　的平均高度为６７５　ｈＰａ，平均厚度为２　３０９　ｍ；暖层底部的平均高度为８３４　ｈＰａ，平均温度为４．１　ｏＣ，平均厚度　为１　７６５　ｍ；逆温层的平均温差为７．５　ｏＣ；冷层的平均厚度为１　６６８　ｍ，平均最低温度为一３．９℃；平均地面最低温度　为一１．２℃；冻雨发生时大气整层比湿积分指数须增大为１　０００以上，于暖盖强度指数须降到一５　ｃＣ以下。　关键词：冻雨，温湿层结，逆温，垂直结构。　中图分类号：Ｐ４２６．１６３　１　文献标识码：Ａ　

０引　言　

２００８年初，中国南方地区发生了历史罕见的　

低温雨雪冰冻天气，贵州、湖南、江西等省的大部分　地区连续低温冻雨日数突破５０　ａ气象记录。许多　

学者从大气环流背景、气候异常等方面对这次南方　

强雨雪冰冻天气进行了相关研究　］。丁一汇等　指　

出，这是一次非孤立的极端事件，是在拉尼娜年气　

候背景下，南下冷空气不断侵袭中国南方，孟加拉　

湾和南海暖湿气流北上共同持续作用下形成的。王　

东海等［７Ｊ认为，这次大范围冰冻灾害天气是由于冻　

结、凝华和冰雾粒子的附着增长等物理过程共同作　

用的结果。孙建华等［ｓ］对２００８年初的南方雨雪天　

气静止锋和层结结构进行分析认为，最有利于冻雨　

产生的层结条件是中层有冻结层、暖层和逆温层，　

并且这些层结的强度和厚度要适当；最有利于冻雨　

出现的地面温度为一ｌ一一３℃，变化非常小，温度、　

露点差都在１—３℃，接近饱和，风速较弱。在上述　研究的基础上，文中重点分析近５０　ａ（１９５９－－２００８　

年）发生在江西的４０次典型冻雨天气过程的大气垂　

直结构特征，以期对冻雨的成因有更多的了解，为　

江西冻雨预报提供依据。　

１资料普查　

文中把江西省８７个气象观测站ｌ　ｄ出现ｌ０　

站以上的冻雨定义为一次典型冻雨天气过程，　

１９５９－－２００８年共出现４０次。典型冻雨出现的主要　

时段为１月下旬至２月中旬，５０　ａ中出现了３２　

次，占总次数的８０％（３２／４０）。其中，又以１月下旬　

出现频数为最多，占总次数的４５％（１８／４０）；２月　

上、中旬出现频数并列为次多，各占总次数的　１７．５＇％（７／４０）。　

普查近５０　ａ冬季南昌、赣州探空站的资料表　

明，江西省典型冻雨天气发生时，９５０—７００　ｈＰａ的　

大气温度层结曲线与露点层结曲线极度靠近，形成　

深厚的准饱和层或饱和层，并呈逆温、逆湿的“双　

收稿日期：２０１０一Ｏ１—２５；修订日期：２０１０—０２—２３．　基金项目：国家自然科学基金项目（编号：４０９６５００１）；江西省科技厅科技支撑项目（编号：２００９ＢＳＢ１０５００）；江西省自然科学基金项目（编号：　２００９ＧＺＨ００５１）；江西省气象局重点科研项目（编号：ＪＸＱＸ２００８Ｚ０５，ＪＸＱＸ２００９ｚ０４）；中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验　室基金项目（编号：２００９ＬＡＳＷ—Ａ０２）．　作者简介：王华军（１９６４一），男，高级工程师，主要从事天气预报业务与研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｘｊａｗｈｊ＠１６３．ｔｏ

ｍ　１期　王华军等：基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析　４ｌ　

逆”状态；７００或６００　ｈＰａ以上有接近饱和的冰晶　

冻结层；整个探空曲线从下而上呈现高湿与“冷一　

暖一冷”的特殊结构。　

２层结特征　

根据冻雨的形成条件，着重对探空图上的冰晶　

层、暖层、饱和层、冷层等与江西典型冻雨的关系进　

行分析。　２．１冰晶层　

冰晶层位于对流层中层的上半部，温度小于　０℃，当该层相对湿度大于７５％时，对冰晶或雪的　

形成有利。冰晶或雪增长到一定重量后，以固态降　

水形式落人其下的暖层中进行融化。冰晶层度太薄　

或太低均不利于冻雨的发生。　

江西４０次典型冻雨天气过程中，暖层之上出　

现冰晶层的情况有２７次（图１）。冰晶层的底部平　

均高度为６７５　ｈＰａ，其中，底部高度为６５ｏ－＿７００　ｈＰａ　

的冻雨次数占总次数的６３％，底部在其以上　

（６０ｏ＿＿６５Ｏ　ｈＰａ）或以下（７００—７６０　ｈＰａ）的冻雨过　

程各占ｌ８．５％。　

６００　

７０ｏ　

８００　出　

９ｏ０　

１　Ｏｏｏ　ｌ　５　９　１３　１７　２１　２５　个例　

图１江西典型冻雨过程的冰晶层底部高度（直方柱）和　平均高度（虚线）　图２为江西典型冻雨发生时冰晶层各厚度区　间出现的比率。可以看出，冰晶层的平均厚度达２　

３０９　ｍ，厚度为５Ｏ０—１　５００　ｉｎ和１　５ＯＯ一３　０００　１１３的　冻雨出现次数分别占总次数的４４．４％和３３．３％，另　

有２２．２％的冻雨过程其冰晶层厚度大于３　０００　ｍ。　

厚度，ｍ　

图２江西典型冻雨过程的冰晶层各厚度区间出现的比率　

２．２暖层与饱和层　将冬季探空图上温度廓线大于０　ｏＣ的气层定　

义为暖层（融化层），温度露点差（ｔ－ｔａ）小于等于　

２℃的区域定义为饱和层。对近５０　ａ江西典型冻雨　

天气发生时大气层结是否出现暖层、饱和层以及两　

者之间的相互高度关系进行统计，归纳出形成江西　

省典型冻雨天气的６类层结特征（表１），其中，第ｌ　

类为有饱和层、无暖层，第２类为饱和层顶位于暖　

层之下，第３类为饱和层顶位于暖层中，它们对应　

出现典型冻雨的次数分别占总次数的１２．５％、５％　

和１５％；第４、第５、第６类层结均为饱和层顶位于　

暖层之上，但饱和层顶高度各不相同，在这三类层　

结条件下共出现了２７次典型冻雨过程，占总次数　

表１　１９５９－－２００８年江西省典型冻雨天气探空层结分类　

层结类型　分类特征描述　冻雨出现数量，次　占总次数比，

％　４２　气象与减灾研究　３３卷　

的６７．５％，是江西发生冻雨天气的主要层结结构。　

冰晶层之下的暖层（融化层）非常重要，它是冰　

晶层的固态降水融化为液态降水的必要条件。暖层　

温度、厚度及底部高度与冻雨的关系密切，暖层厚　

度太薄或太厚、温度太低、底部高度太低或太高等　

均不利于冻雨的形成。　

江西４Ｏ次典型冻雨过程中有３５次出现了温　

度大予０℃的暖层，暖层的出现频数高达８７．５％；　

冻雨出现时，暖层的平均温度为４．１℃，最高达７℃　（图３）。　

图４给出了江西典型冻雨天气过程对应的暖　

层底部高度的分布情况。可以看出，其平均高度为　

８３４　ｈＰａ，有６５．８％的冻雨过程发生时暖层底部高度　

位于８００—９００　ｈＰａ，在此高度之上（７Ｏ０—８００　ｈＰａ）　

和之下（９ｏ０—９５０　ｈＰａ）的冻雨过程各占１７．１％。　

图５给出了江西典型冻雨过程对应的暖层各　

堡　褂　羞　３０　

１０　

Ｏ　ｌ　７　

＼　．　／　｝　／　＼　／　７　／　＼　／　／　，　：　

Ｏ　４　６　温度／℃　

图３江西典型冻雨过程的暖层最高温度出现的比率　

图４江西典型冻雨过程的暖层底部高度（直方柱）和　平均高度（虚线）　厚度区间出现的百分比。可以看出，冻雨发生时的　

暖层平均厚度达ｌ　７６５　ｍ，暖层厚度为ｌ　０００＿＿２　０００　ｍ　

和２　Ｏ０ｏ一３　０００　ｍ出现的冻雨次数分别占总次　数的５４．３％和３４．３％，两者合计高达８８．６％，仅有　

１　１．４％的冻雨发生时其暖层厚度为５００—１　０００　ｍ。　

如果暖层厚度大于３　０００　ｍ或小于５００　ｍ，则会分　

别导致从冰晶冻结层降落的固态降水融化后的雨　

滴温度过高或者固态不能融化为液态，形成冻雨的　

可能性很小。　

—ｔ＂ｑ　厚度，ｍ　

图５江西典型冻雨过程的暖层各厚度区间出现的比率　

２．３冷层　冷层位于暖层之下。冷层的作用是使上面暖层　

降落下来的雨滴变冷但不冻结，从而形成过冷却雨　

滴。过冷却雨滴降落碰到温度低于或接近０℃的地　

面物体后迅速结冰成为冻雨。冷层温度、厚度、湿度　

和地面最低温度等因素的变化对冻雨的形成有直　

接影响。　江西典型冻雨发生时，冷层的平均厚度为　

１　６６８　ｍ。由图６可见，冷层厚度为１　５０Ｏ一２５００　Ｉｎ出　

现的冻雨次数占总数的６０％，厚度为５００—１　５００　ｍ　

和２　５００—３　５００　ｍ出现的冻雨过程分别占２８．５％　

和１１．５％。　如果冷层太厚（＞３　５００　ｍ）或太薄（＜５００　ｍ），则会　

分别导致从暖层降落的雨滴在落地前就已冻结成　

冰粒或不能形成过冷却雨滴，使冻雨很难形成。　

图７给出了江西典型冻雨过程的冷层最低温　

度出现比率。可以看出，典型冻雨出现时的冷层平　均最低温度为一３．９　ｏ

Ｃ，极端最低温度达一７℃，冷层　１期　王华军等：基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析　４３　

厚度／ｍ　

图６江西典型冻雨过程的冷层各厚度区间出现的比率　

温度，℃　

图７江西典型冻雨过程的冷层最低温度出现的比率　

最低温度为一６一一４℃和一４一一２℃的冻雨过程分　

别占４７．５％和３５％，两者合计达８２．５％，为一２－０℃　出现的冻雨过程只有１７．５％。冷层最低温度太低或　

太高与冷层太厚或太薄的作用类似，都不利于冻雨　的形成。　

２．４地面最低温度　图８给出了江西典型冻雨过程发生时对应的　

地面最低温度出现比率。可以看出，冻雨发生时地　

面最低温度的变化范围为０．５一一４．８　ｃＩ＝，平均值　

为一１．２℃，其中，有高达８５％的冻雨过程发生时地　面最低温度为一２—０．５℃，平均值为一０．７℃，另外各　

有７．５％的冻雨过程其地面最低温度为一５一一３．５℃　

和一３．５一一２℃。　

３物理量特征　温度　图８江西典型冻雨过程的地面最低温度出现的比率　

３．１大气整层比湿积分　比湿的垂直分布受温度、气压、对流、云层及降　

水等诸多因素的影响。统计江西近５０　ａ典型冻雨　

发生时的特征物理量资料发现，冻雨的发生及强度　与大气整层比湿积分的变化关系密切。冻雨发生前　

大气整层比湿积分指数有一个快速增大的过程，冻　

雨出现时该值须增大到１　０００以上；如果该值太　

小，说明整层大气水汽含量不足，冻雨难以形成。　

大气整层比湿积分指数（Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｑ，用ＩＱ表　

示）可通过Ｍｉｅｐａｓ３．１系统中ｔ－ｌｏｇｐ模块的物理量　参数计算列表中获得。　

图９给出了江西４０次典型冻雨天气过程对应　

的大气整层ＩＱ分布情况。可以看出，典型冻雨发生　

时ＩＱ平均值为２　０３７，最大值达２　６８２，最小值为　

１　４０７；ＩＱ为１　７００—２　３００的典型冻雨出现的次数　

占总次数的７０％；当ＩＱ小于１　７００或大于２　３００　

图９江西典型冻雨过程的大气整层比湿积分指数的