陶玥 史月琴 劉衛(wèi)國(guó)

中國(guó)氣象科學(xué)研究院 人工影響天氣中心，北京 100081

2008年1月南方一次冰凍天氣中凍雨區(qū)的層結(jié)和云物理特征

陶玥 史月琴 劉衛(wèi)國(guó)

中國(guó)氣象科學(xué)研究院 人工影響天氣中心，北京 100081

2008年1月中下旬，我國(guó)南方經(jīng)歷了四次歷史罕見(jiàn)的冰凍雨雪天氣。本文針對(duì)2008年1月25～29日的一次典型凍雨天氣過(guò)程，在實(shí)測(cè)資料、NCEP再分析資料綜合分析的基礎(chǔ)上，利用中國(guó)氣象科學(xué)研究院 （CAMS）中尺度云分辨模式對(duì)1月28日～29日的凍雨天氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了冰凍天氣形成的大氣層結(jié)及云系凍雨區(qū)云的宏微觀結(jié)構(gòu)特征，初步分析了凍雨形成的云微物理過(guò)程及云物理成因。結(jié)果表明，深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低空冷層的存在是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。此次南方冰凍過(guò)程中，湖南和貴州兩地凍雨形成的云物理機(jī)理不同，不同凍雨區(qū)上空為兩種不同類(lèi)型的云，對(duì)應(yīng)兩種不同的云微物理結(jié)構(gòu)和大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)。湖南凍雨區(qū)云層較厚，云頂溫度較低，屬于混合相云，云中高層存在豐富的冰相粒子 （雪的比含水量最大）。湖南凍雨在 “冷—暖—冷”層結(jié)下，通過(guò)“冰相融化過(guò)程”形成，即在鋒面之上的對(duì)流層中層水汽輻合中心內(nèi)形成的雪，從高空落入暖層，雪融化形成雨，再下落到冷層后，形成過(guò)冷雨滴，最后接觸到溫度低于0℃的物體或降落到地面上，迅速凍結(jié)形成凍雨。而貴州凍雨區(qū)云層較薄，云頂溫度較高，屬于暖云，中高層基本無(wú)冰相粒子，低層為云水和雨水（云水的比含水量最大）。貴州凍雨是在 “暖—冷”層結(jié)下通過(guò) “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成的。即水汽沿鋒面抬升，在對(duì)流層中低層的水汽輻合中心內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷卻凝結(jié)成云滴，通過(guò)碰并云滴增長(zhǎng)的雨滴下落到低空冷層，形成的過(guò)冷卻雨滴直接凍結(jié)形成凍雨。

凍雨 云物理特征 層結(jié)特征

1 引言

冰凍天氣是我國(guó)冬季和早春時(shí)期的一種嚴(yán)重災(zāi)害性天氣，對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸、電力輸送、通訊有很大的影響和危害。2008年1月10日至2月2日，一場(chǎng)低溫雨雪冰凍天氣襲擊了中國(guó)南方，影響范圍之廣，持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，強(qiáng)度之大、災(zāi)害之重為歷史罕見(jiàn)，這次冰凍災(zāi)害造成了國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民財(cái)產(chǎn)的巨大損失 （丁一匯等，2008）。凍雨是過(guò)冷雨滴與空中或地面物體接觸而迅速凍結(jié)的雨。冰凍天氣災(zāi)害之所以嚴(yán)重，主要是由于凍雨積冰。凍雨是在一定天氣環(huán)境條件下，通過(guò) “特殊”的云物理過(guò)程形成的，是宏觀動(dòng)力、熱力過(guò)程和微物理過(guò)程相互作用的產(chǎn)物，凍雨形成不但與近地層的氣象環(huán)境條件有關(guān)，也與云和降水形成的物理過(guò)程有關(guān)。因此，要提高我國(guó)對(duì)冬季南方持續(xù)性雨雪、冰凍天氣災(zāi)害的預(yù)報(bào)能力，除了需研究有利于凍雨形成的天氣學(xué)條件外，還必須研究冰凍氣象災(zāi)害的云物理形成機(jī)理。

目前，針對(duì)凍雨的研究主要集中在三個(gè)方面。一是研究了凍雨形成的物理機(jī)制；二是從氣候?qū)W、天氣學(xué)的角度研究?jī)鲇晏鞖?，針?duì)大量?jī)鲇陚€(gè)例進(jìn)行天氣分析，研究?jī)鲇晷纬傻沫h(huán)境條件、凍雨的氣候態(tài)分布 （Brooks，1920；Cooper and Marwitz，1980；Marwitz，1980；Dunn，1987，1992；Forbes et al.，1987；Szeto et al.，1999；Cortinas，2000，2004；Rauber et al.，2001）；三是少數(shù)國(guó)外學(xué)者利用數(shù)值模式研究了凍雨天氣，研究?jī)鲇甑念A(yù)報(bào)方法以提高凍雨的短期預(yù)報(bào) （Tremblay and Glazer，2000；Rasmussen，2002）。

通過(guò)研究，認(rèn)為凍雨的云物理形成機(jī)制有兩種：融化和暖雨過(guò)程。早在20世紀(jì)早期，氣象學(xué)家 （Bennett，1913；Brooks，1920；Meisinger，1920；Henry，1922）就提出第一種機(jī)制 “融化過(guò)程”。凍雨形成的融化機(jī)制比較普遍，出現(xiàn)在許多個(gè)例的研究中 （Forbes et al.，1987；Martner et al.，1993；Rauber et al.，1994，2000；Czys et al.，1996），而且，這種凍雨多出現(xiàn)在暖鋒面一側(cè)（Huffman and Norman，1988）。凍雨也可以通過(guò)第二種機(jī)制 “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成 （Bocchieri，1980；Huffman and Norman，1988；Rauber et al.，2000，2001）。在 “過(guò)冷暖雨過(guò)程”中，直徑大于40μm云滴的形成是關(guān)鍵。這樣大小的云滴形成后，才能啟動(dòng)碰并過(guò)程形成大的雨滴。利用探空等觀測(cè)資料通過(guò)分析大氣層結(jié)的溫度和濕度特征，可以定性給出垂直方向上云中水凝物的相態(tài)特征，從而區(qū)分凍雨不同的形成機(jī)制。Huffman and Norman（1988）研究表明，約30%的凍雨是通過(guò)暖雨過(guò)程形成的雨滴然后凍結(jié)形成的。暖雨過(guò)程中，在次凍結(jié)大氣溫度情況下，即使凝結(jié)核很少也可以產(chǎn)生液態(tài)凝結(jié)物，而且所有凍雨個(gè)例的云頂溫度在0～－10℃。

相對(duì)于國(guó)外的凍雨研究，國(guó)內(nèi)起步較晚，研究尚不夠系統(tǒng)。2008年初我國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)了雨雪、冰凍天氣后，國(guó)內(nèi)有許多研究針對(duì)2008年南方冰凍災(zāi)害天氣，從天氣學(xué)氣候?qū)W分析其成因。丁一匯等（2008）指出凍雨是導(dǎo)致南方致災(zāi)的主要原因，其中La Ni~na事件是災(zāi)害發(fā)生的氣候背景，它為雨雪冰凍天氣提供了冷空氣侵襲中國(guó)南方的前提條件；歐亞大氣環(huán)流異常持續(xù)性是造成冷空氣不斷侵襲中國(guó)南方的直接原因；孟加拉灣和南海地區(qū)暖濕氣流的北上是大范圍凍雨和降雪形成并持續(xù)在中國(guó)南方的必要條件。王東海等 （2008）從行星尺度經(jīng)由天氣尺度／大尺度環(huán)流直到云尺度全面分析了2008年南方低溫雨雪冰凍天氣特征及其天氣動(dòng)力學(xué)成因，指出導(dǎo)致大氣環(huán)流異常從而促使這次低溫雨雪冰凍強(qiáng)天氣事件出現(xiàn)的主要因素包括北極濤動(dòng)的異?；钴S、有極強(qiáng)的負(fù)渦度平流持續(xù)輸送到阻塞區(qū)、青藏高原以南低緯地區(qū)南支氣流活躍、長(zhǎng)期存在有利于冰雪風(fēng)暴生成發(fā)展的天氣—?jiǎng)恿Α锢韺W(xué)條件等。通過(guò)資料分析指出，此次大范圍冰凍災(zāi)害天氣是由于凍結(jié)、凝華和冰霧粒子的附著增長(zhǎng)等物理過(guò)程共同作用的結(jié)果。楊貴名等 （2008）分析了2008年初冰凍天氣的主要特點(diǎn)和環(huán)流特征及凍雨的成因，指出南支槽比較活躍；華南準(zhǔn)靜止鋒、滇黔準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定維持；逆溫層穩(wěn)定，融化層厚度較厚，是長(zhǎng)時(shí)間凍雨天氣的主要原因之一。2008年初低溫雨雪冰凍期間的第一次過(guò)程為強(qiáng)冷、暖氣流共同作用所致，其后是華南、滇黔準(zhǔn)靜止鋒穩(wěn)定，擴(kuò)散冷空氣滲透所為。孫建華和趙思雄 （2008a）指出，鋒面西段的逆溫層和暖層強(qiáng)，有利于凍雨的形成。高輝等 （2008）、黎惠金等 （2008）針對(duì)不同地區(qū)的冰凍天氣分析了成因，表明La Ni~na事件引起的歐亞地區(qū)持續(xù)大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致我國(guó)大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害的重要原因。趙思雄和孫建華（2008）分析研究了冰凍災(zāi)害天氣的環(huán)流場(chǎng)和多尺度特征，還指出在阻高與副高之間有一橫槽維持，這種形勢(shì)十分有利于冷空氣從北方入侵。王凌等 （2008）、王遵婭等 （2008）從氣候?qū)W的角度，對(duì)此次天氣氣候過(guò)程進(jìn)行了分析，并與同期歷史進(jìn)行了比較，表明其氣候特征為：冰凍天氣影響范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、造成的損失極為嚴(yán)重。近來(lái)，也有用中尺度模式通過(guò)數(shù)值模擬研究?jī)鲇晏鞖?（孫建華和趙思雄，2008b；苗春生等，2010），分析了凍雨期間的水汽條件、地面特征和大氣層結(jié)條件等重要環(huán)境條件，指出有利于凍雨產(chǎn)生的層結(jié)條件，包括中層凍結(jié)層、暖層、逆溫層和地面溫度0℃ 線的位置。

由上可見(jiàn)，目前對(duì)凍雨天氣的研究多數(shù)從天氣學(xué)和氣候?qū)W角度研究其發(fā)生的天氣尺度條件、大氣層結(jié)特征和氣候特征等。許多對(duì)2008年南方冰凍災(zāi)害成因的研究都指出，在大氣環(huán)流持續(xù)異常條件下云物理過(guò)程是此次災(zāi)害的根本原因。鑒于我們對(duì)南方凍雨形成的云物理特征和成因還不清楚，本文以我國(guó)南方2008年1月26～28日發(fā)生的罕見(jiàn)的持續(xù)性冰凍天氣為例，通過(guò)對(duì)此次冰凍天氣過(guò)程資料的深入分析，結(jié)合云數(shù)值模式的模擬，研究云系凍雨區(qū)的層結(jié)和云物理特征以及凍雨形成的云物理機(jī)制。

2 天氣實(shí)況

2008年1月中下旬至2月初，我國(guó)南方經(jīng)歷了4次凍雨過(guò)程，其中第3次 （1月25～29日）冰凍強(qiáng)且凍雨分布范圍大，凍雨區(qū)自西向東依次為貴州、湖南、江西、安徽南部和浙江西北部 （圖1a）。26～28日3天的凍雨范圍都分布較廣，其中，28日凍雨主要集中在貴州、湖南，貴州、湖南的電線積冰直徑為30～60mm，甚至更嚴(yán)重。由圖1b給出的28日08時(shí) （北京時(shí)，下同）地面天氣圖可見(jiàn)，影響此次雨雪冰凍天氣的重要天氣系統(tǒng)是位于長(zhǎng)江或江南地區(qū)的東—西向或東北—西南向準(zhǔn)靜止鋒。而穩(wěn)定少動(dòng)的高空切變?yōu)槔渑諝獾膮R合及鋒區(qū)的發(fā)生發(fā)展提供了保障。同時(shí)，穩(wěn)定少動(dòng)的北高南低天氣形勢(shì)為北方冷空氣的不斷南下及西南暖濕水汽源源不斷的補(bǔ)充提供了有利的環(huán)流形勢(shì)。凍雨主要發(fā)生在準(zhǔn)靜止鋒的西側(cè)，其逆溫層和暖層強(qiáng)，而降雪主要發(fā)生在其東側(cè)。

3 冰凍天氣形成的大氣溫、濕層結(jié)及凍雨區(qū)云系的宏微觀結(jié)構(gòu)特征

針對(duì)凍雨分布較廣的26～28日，首先分析凍雨形成的層結(jié)條件。利用6小時(shí)1°×1°NCEP／NCAR再分析資料，圖2分別給出了逆溫層的水平和垂直分布。圖2a為26～28日850hPa和700hPa上時(shí)間平均0℃溫度線，即26～28日貴州大部、湖南中部、廣西及浙江北部近地面層存在逆溫，結(jié)合凍雨的水平分布 （圖1a），可見(jiàn)凍雨區(qū)上空的近地面層都存在逆溫，這是凍雨區(qū)的溫度層結(jié)特征。

圖2b為湖南、貴州凍雨區(qū) （26°N～29°N，105°E～116°E）區(qū)域平均水平風(fēng)場(chǎng)、溫度、相對(duì)濕度的高度—時(shí)間剖面圖，由此圖可以看出，凍雨區(qū)的溫度層結(jié)有明顯的 “冷—暖—冷”層結(jié)結(jié)構(gòu)：高層為冷層，中層 （800～650hPa）為暖層 （厚度約2km，溫度0～4℃），暖層內(nèi)伴有西南風(fēng)，700hPa西南氣流加強(qiáng)時(shí)，暖平流使暖層也加強(qiáng)；暖層之下為低層冷卻層，冷層內(nèi)多為東北風(fēng)或東風(fēng)，相對(duì)濕度比較高，這表明近地面較潮濕，冷層內(nèi)溫度變化較小，風(fēng)速也較小，地表面存在過(guò)冷水，有利于凍雨的形成。對(duì)應(yīng)圖2c，凍雨區(qū)，低層 （700hPa以下）存在大量的水汽輻合?？梢?jiàn)凍雨發(fā)生時(shí)，對(duì)流層中層要有一定厚度的暖層，地面以上有一定厚度的冷層，且低層的相對(duì)濕度比較高。這表明，逆溫的主要作用是確保上層降落下來(lái)的固態(tài)降水 （雪或霰）通過(guò)逆溫層后變成液態(tài)降水，或在逆溫層中直接產(chǎn)生液態(tài)降水。這樣，液態(tài)降水從逆溫層下降過(guò)程中，經(jīng)過(guò)低層冷卻層逐漸變成過(guò)冷卻雨滴，當(dāng)過(guò)冷卻雨滴接觸到0℃以下的地面或者其他物體表面時(shí)，迅速凍結(jié)形成凍雨。

為了進(jìn)一步分析逆溫層的成因，我們重點(diǎn)針對(duì)1月28日出現(xiàn)凍雨的湖南長(zhǎng)沙，分析了28日08時(shí)長(zhǎng)沙站探空 （圖3a）以及沿長(zhǎng)沙的經(jīng)向鋒面垂直結(jié)構(gòu) （圖3b）。由圖3a也可以看到 “冷—暖—冷”層結(jié)結(jié)構(gòu)；低層的逆溫層，它是傾斜的，逆溫層上部位于暖層中，下部在低層的冷卻層中，550hPa以下相對(duì)濕度較大，達(dá)到80% （相對(duì)濕度圖略）。對(duì)應(yīng)沿長(zhǎng)沙鋒面的南北向垂直剖面，可見(jiàn)鋒面兩側(cè)的暖氣團(tuán)和冷氣團(tuán)都很強(qiáng)，在400hPa以下，生成了一個(gè)較強(qiáng)而穩(wěn)定少動(dòng)的能量鋒區(qū) （圖3b中280～320K之間的假相當(dāng)位溫密集區(qū)），鋒區(qū)內(nèi)水平溫度梯度較強(qiáng)，鋒面坡度小，鋒面逆溫顯著。此次過(guò)程，湖南發(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)層下有一定厚度的暖層 （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(duì)濕度比較高，有利于近地面的過(guò)冷水滴凍結(jié)形成凍雨。

由上可見(jiàn)，凍雨與溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速有關(guān)，深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層濕度較大的冷層的存在是大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。

在前面分析凍雨形成的大氣溫、濕層結(jié)特征的基礎(chǔ)上，我們重點(diǎn)通過(guò)1月28日08時(shí)到29日08時(shí)湖南、貴州凍雨個(gè)例，介紹凍雨區(qū)云系的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。由衛(wèi)星云圖演變 （圖略）可見(jiàn)，28～29日，大范圍的鋒面云系自西北向東南方向緩慢移動(dòng)，經(jīng)過(guò)貴州和湖南，其中，凍雨區(qū)云系的云頂溫度約－15～－20℃。利用周毓荃等 （2008）的FY－2C衛(wèi)星反演方法，圖4給出了1月28日20時(shí)的云頂溫度、云頂高度、云頂有效粒子半徑分布，其中，湖南凍雨區(qū)云頂高度約8.5～9km，云頂溫度－20～－25℃，粒子有效半徑21～27μm，說(shuō)明湖南凍雨區(qū)云系屬于混合相云，云頂溫度低，有冰相發(fā)展；而貴州凍雨區(qū)云頂高度略低一些，約5.5～9km，云頂溫度略高一些－20～0℃，粒子有效半徑略小一些，約12～27μm，其中貴州西北部?jī)鲇陞^(qū)云頂高度4～5km，云頂溫度在0℃附近，說(shuō)明貴州凍雨區(qū)有部分云系云頂溫度高，冰相過(guò)程發(fā)展較弱，屬于暖云。

4 冰凍天氣的數(shù)值模擬

4.1 模擬方案簡(jiǎn)介

本文采用中國(guó)氣象科學(xué)研究院人工影響天氣中心研制的耦合詳細(xì)云微物理方案的中尺度MM5模式，模擬了2008年1月28～29日湖南、貴州凍雨過(guò)程，模擬起止時(shí)間是28日08時(shí)到29日08時(shí)。在模擬過(guò)程中使用雙重嵌套，粗、細(xì)網(wǎng)格模擬域的水平格距分別為15km和5km。模擬時(shí)D1采用對(duì)流參數(shù)化方案和顯式方案相結(jié)合的方法，D2僅采用顯式方案。第一層覆蓋了華南大部，這個(gè)粗網(wǎng)格范圍覆蓋了直接影響此次冰凍過(guò)程的天氣系統(tǒng)；第二層覆蓋了主要凍雨區(qū) （湖南和貴州），便于對(duì)主要凍雨區(qū)云系及凍雨形成的微物理過(guò)程進(jìn)行分析。模擬使用了NCEP／NCAR每6小時(shí)1次的再分析資料、常規(guī)地面及探空資料形成初始場(chǎng)。

4.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖1 2008年1月 （a）25～29日實(shí)況凍雨區(qū) （綠色陰影）的水平分布以及 （b）28日08時(shí)地面天氣圖 （等值線表示位勢(shì)高度）Fig.1 （a）Horizontal distribution of observed freezing rain area from 25to 29Jan 2008（green shading）；（b）the surface chart at 0800BJT（Beijing time）28Jan 2008（the isolines indicate geopotential height）

圖2 （a）2008年1月26～28日850hPa（黑色實(shí)線）和700hPa（藍(lán)色虛線）上時(shí)間平均0℃溫度線的水平分布；2008年1月26～28日湖南、貴州凍雨區(qū)平均（b）水平風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽）、溫度 （彩色陰影）、0℃線 （實(shí)線）、相對(duì)濕度（虛線，%）以及（c）水汽通量散度的高度－時(shí)間剖面 （彩色陰影：輻合，黑色實(shí)線：輻散，單位：10－8g·hPa－1·cm－2·s－1）Fig.2 （a）0℃isotherm averaged over 26－28Jan 2008（solid black line：850hPa，dashed blue line：700hPa）；height－time sections of（b）temperature（shaded areas），horizontal wind，and the relative humidity（dashed lines，%）and（c）water vapor flux divergence（shaded areas：convergence，solid black lines：divergence）averaged over the freezing rain area of Hunan and Guizhou provinces

圖3 2008年1月28日08時(shí) （a）湖南長(zhǎng)沙站探空 （藍(lán)色曲線為層結(jié)曲線，綠線為狀態(tài)曲線，紅線為等比濕線）和 （b）通過(guò)長(zhǎng)沙站（113°E）相當(dāng)位溫θse（藍(lán)線，單位：K）、西風(fēng)急流 （陰影）和溫度T（紅線，單位：℃）經(jīng)向剖面 （NCEP資料）Fig.3 （a）Sounding plot（T－lgp）at Changsha station at 0800BJT 28Jan 2008；（b）vertical cross section of the equivalent potential temperature（blue line，units：K），temperature（red line，units：℃），and westerly jet（shaded）along Changsha station（113°E）at 0800BJT 28 Jan 2008

圖4 利用2008年1月28日20時(shí)FY－2C衛(wèi)星反演的云頂?shù)母叨?（a）、溫度 （b）和有效粒子半徑 （c）Fig.4 FY－2Csatellite retrieval cloud parameters at 2000BJT 28Jan 2008：（a）Cloud top height；（b）cloud top temperature；（c）effective particle radius at cloud top

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，下面利用觀測(cè)資料與模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。對(duì)比模擬云系24小時(shí)地面降水量和實(shí)況 （圖5）可以看出，模擬的雨帶走向、雨帶的形狀、降水落區(qū)分布情況與實(shí)況降水較相似，但模擬的強(qiáng)降水區(qū)位置偏南。從模擬云系6小時(shí)降水演變與實(shí)況也基本吻合 （圖略），反映了雨帶自西北向東南移動(dòng)這一特點(diǎn)。模式模擬的各時(shí)次高、中、低層位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)的走向和位置與同時(shí)次的實(shí)況客觀分析場(chǎng) （圖略）也基本吻合，說(shuō)明模擬結(jié)果能較好地反映實(shí)況，基本再現(xiàn)了大氣環(huán)流形勢(shì)和地面降水分布。

通過(guò)對(duì)比FY－2C的TBB分布圖和模擬云系，模擬的大范圍鋒面云系的走向、落區(qū)和移動(dòng)基本與實(shí)況云系一致，圖6給出了TBB分布和模擬云系的云頂溫度分布，可見(jiàn)湖南上空的西北—東南走向鋒面云系與實(shí)測(cè)基本一致。28日14時(shí)貴州、湖南上空的鋒面云系比實(shí)況偏北且云帶略窄，到29日04時(shí)，模擬的鋒面云系向東南移動(dòng)到湖南南部廣西上空，此時(shí)模擬云系和實(shí)況較相似。28日14時(shí)CloudSat衛(wèi)星經(jīng)過(guò)湖南凍雨區(qū)，2B－CWC－RO產(chǎn)品冰水含量的垂直剖面圖與模擬的云中總水凝物含量垂直剖面對(duì)比 （圖7），可見(jiàn)模擬的湖南上空 （112°E～118°E）云系的垂直結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星觀測(cè)相似，但由于模擬的湖南上空的云帶窄，從剖面圖上可見(jiàn)，湖南上空的模擬云系的水平范圍較小 （圖7b），但垂直方向都表現(xiàn)為明顯的分層結(jié)構(gòu)，特別是發(fā)生凍雨的區(qū)域均是冷—暖—冷的夾層結(jié)構(gòu)：在實(shí)況和模擬的凍雨區(qū)，5km以上的高層都存在較高的冰水含量，平均達(dá)到0.3g／m3以上，2～4km（對(duì)應(yīng)逆溫層）高度范圍內(nèi)基本無(wú)冰水粒子存在，對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波圖在2～4km高度存在融化層 （dBZ大值區(qū)）。這種分層特征是凍雨過(guò)程形成過(guò)冷水的必要條件，在未發(fā)生凍雨的區(qū)域沒(méi)有這種情況出現(xiàn)。

5 凍雨區(qū)云系宏微觀結(jié)構(gòu)特征分析

這一節(jié)主要利用數(shù)值模擬結(jié)果分析冰凍天氣中凍雨區(qū)云系宏微觀結(jié)構(gòu)特征。

5.1 凍雨區(qū)范圍和逆溫區(qū)特征

通過(guò)預(yù)報(bào)出的降水量，并不能確定是否有凍雨，還有可能是降雪、降雨，而雪、雨和凍雨是不同的降水類(lèi)型，因此凍雨的預(yù)報(bào)需要區(qū)分降水類(lèi)型。發(fā)生凍雨時(shí)，還需考慮地面溫度特征因素。地面溫度等于或低于0℃，有利于過(guò)冷卻水的凍結(jié)。為此，通過(guò)分析模擬的地面上不同降水類(lèi)型 （雪、霰、雨水）和地面溫度的分布，可以大致給出凍雨的水平分布范圍。圖8a和8b給出了28日14時(shí)和20時(shí)模擬的地面水凝物 （雨、雪、霰）與地面溫度的分布。地面溫度0℃以下的降雨區(qū)為凍雨區(qū)，凍雨區(qū)基本沿著0℃線呈帶狀分布，凍雨區(qū)主要集中在貴州、湖南南部。與14時(shí)相比，20時(shí)的凍雨區(qū)隨著地面0℃線緩慢南移也隨之移動(dòng)。地面0℃線以南是降雨，以北的降水類(lèi)型分布為凍雨、雪。對(duì)比實(shí)測(cè)的地面天氣現(xiàn)象和溫度的分布 （圖略），可見(jiàn)模擬的凍雨區(qū)和實(shí)況基本相近。此次南方凍雨基本發(fā)生在沿地面0℃線以北 （溫度低于0℃）的帶狀范圍內(nèi)。

圖8c和8d給出了對(duì)應(yīng)時(shí)刻大氣中低層的逆溫強(qiáng)度（逆溫層頂和底的溫度差）分布，可見(jiàn)，準(zhǔn)靜止鋒的冷暖空氣交匯形成了華南大范圍的逆溫，其中逆溫最強(qiáng)的地區(qū)出現(xiàn)在貴州南部和湖南南部。結(jié)合圖8a、b，凍雨區(qū)上空都有逆溫存在，但逆溫區(qū)并沒(méi)有都出現(xiàn)凍雨天氣，說(shuō)明冷暖空氣交匯造成的逆溫層有利于凍雨的發(fā)生，而逆溫層的存在僅是凍雨形成條件之一。

5.2 凍雨區(qū)云的宏微觀結(jié)構(gòu)與層結(jié)結(jié)構(gòu)特征

在同一天氣尺度系統(tǒng)的云系中，并不是所有云系覆蓋區(qū)都有凍雨出現(xiàn)，產(chǎn)生凍雨只是局部地區(qū)。這表明凍雨的產(chǎn)生有其特殊的環(huán)境條件。凍雨的形成，除了與逆溫有關(guān)外，可能還要考慮水汽條件和云物理特征。下面，主要分析凍雨區(qū)云系的宏微觀結(jié)構(gòu)和大氣溫、濕層結(jié)配置特征。

5.2.1 凍雨區(qū)云的宏觀特征

首先，分析凍雨區(qū)云系的水平分布。圖9給出了28日14時(shí)和20時(shí)云系總水凝物含水量厚度分布隨時(shí)間的演變，可見(jiàn)0℃以北的帶狀凍雨區(qū)隨著鋒面云系向東南方向緩慢移動(dòng)。通過(guò)對(duì)比不同凍雨區(qū)，可見(jiàn)凍雨區(qū)不一定都位于云中總含水量的大值區(qū)及云厚的地區(qū)，例如，湖南凍雨區(qū)云層較厚，云中總含水量較大，而貴州凍雨區(qū)云層較薄，含水量較小。結(jié)合模擬的云頂溫度分布 （圖略），湖南凍雨區(qū)的云層較厚，云頂溫度較低，屬于混合相云，有冰相過(guò)程發(fā)展；貴州凍雨區(qū)云層較薄，云頂溫度較高，冰相過(guò)程較弱。

5.2.2 凍雨區(qū)云的垂直結(jié)構(gòu)及凍雨形成的層結(jié)特征

凍雨是在有利于降水形成的天氣形勢(shì)下產(chǎn)生的特殊類(lèi)型的降水。要做好凍雨的天氣預(yù)報(bào)，除了解凍雨形成的天氣形勢(shì)外，還要了解凍雨形成的特殊條件，如云物理?xiàng)l件、大氣層結(jié)、地面條件等。為此，我們利用模式結(jié)果，研究湖南和貴州凍雨區(qū)的結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境特征，并進(jìn)一步探討是否可以利用模式預(yù)報(bào)的云物理場(chǎng)結(jié)合層結(jié)、地面狀況來(lái)預(yù)報(bào)凍雨出現(xiàn)的時(shí)間和位置。

圖5 2008年1月28日08時(shí)～29日08時(shí)24小時(shí)地面降水量 （單位：mm）：（a）實(shí)況；（b）模擬 （黑虛線：地面溫度）Fig.5 （a）Observed and（b）simulated 24－h(huán)our cumulative rainfall（shaded）from 0800BJT 28to 0800BJT 29Jan 2008.（b）Black isoline：surface temperature（℃）

圖6 2008年1月 （a、c）FY－2C衛(wèi)星的TBB分布和 （b、d）模擬的云頂溫度分布 （單位：℃）：（a、b）28日14時(shí) （藍(lán)線：CloudSat衛(wèi)星的軌跡）；（c、d）29日04時(shí)Fig.6 （a，c）FY－2Csatellite TBB and（b，d）simulated cloud top temperature：（a，b）1400BJT 28Jan 2008（blue line：CloudSat satellite track）；（c，d）0400BJT 29Jan 2008

圖7 2008年1月28日14時(shí)CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)的冰水含量 （a）和模擬的云中總水凝物含量 （b）沿CloudSat軌跡的垂直剖面Fig.7 The vertical cross section along satellite track at 1400BJT 28Jan 2008：（a）The ice water content from CloudSat；（b）total water content of all hydrometeors from simulation

圖8 2008年1月28日 （a、c）14時(shí)和 （b、d）20時(shí)地面水成物分布 （a、b，單位：g／kg）和逆溫強(qiáng)度分布 （c、d，單位：℃）。（a、b）陰影：雪；綠色等值線：雨；紅色等值線：霰；黑色等值線：地面溫度Fig.8 Horizontal distribution of（a，b）surface hydrometeors（units：g／kg；blue shaded：snow；green line：rain；red line：graupel）and surface temperature（black line，units：℃），（c，d）intensity of temperature inversion：（a，b）1400BJT 28Jan 2008；（c，d）2000BJT 28 Jan 2008

1月28日，湖南長(zhǎng)沙和貴州貴陽(yáng)都發(fā)生了凍雨，下面分別沿長(zhǎng)沙 （113°E）和貴陽(yáng) （106°E）做南北向垂直剖面，分析云中水凝物場(chǎng) （冰晶、雪、霰、云水、雨水）、溫度場(chǎng)、假相當(dāng)位溫和水汽通量的垂直結(jié)構(gòu)的演變。

從長(zhǎng)沙的云系和溫度場(chǎng)垂直剖面演變 （圖略）可見(jiàn)，28～29日在通過(guò)湖南長(zhǎng)沙的經(jīng)向剖面上，在25°N～28°N的湖南上空一直存在明顯的逆溫層。逆溫層之上的高層為低于0℃的冷層，中層為暖層，其下的近地面層也為冷層，是典型的 “冷—暖—冷”層結(jié)。28日12時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)凍雨，凍雨一直持續(xù)到29日08時(shí)。凍雨發(fā)生在近地面冷卻層接地的地面0℃線以北地區(qū) （26°N～28°N；溫度范圍0℃～ －5℃）。凍雨區(qū)云中有冰相發(fā)展，為混合相云。

圖10為28日14時(shí)和20時(shí)通過(guò)長(zhǎng)沙站的云系經(jīng)向垂直剖面結(jié)構(gòu)。從14時(shí)（圖10a、b）溫度等值線的結(jié)構(gòu)看，溫度層結(jié)有顯著差異，可分為三個(gè)不同的區(qū)域：大約20°N～25°N區(qū)域的上空，存在“冷—暖”溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)，約600hPa高度以上為冷層，以下直至地面溫度都高于0℃，為暖層；25°N～28°N區(qū)域，存在 “冷—暖—冷”溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)，大約550～600hPa高度以上是冷層，以下到900 hPa是暖層，900hPa到地面又是冷層。大約28.5°N～32°N，從高空到地面，溫度都低于0℃，整層為冷層。不同層結(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的云的微物理結(jié)構(gòu)也不同：在“冷—暖”溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域，只有云水和雨水；“冷—暖—冷”溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域，高空冷層存在冰晶、雪和霰 （雪的含水量較高）；暖層主要是云水和雨水，還有未融化完的雪和霰；最低層暖層是雨水。對(duì)于整層都為冷層的區(qū)域，高層為冰晶和雪；中下層只有雪和霰，即地面降雪和霰而不是雨。

具有“冷—暖—冷”溫度層結(jié)的區(qū)域即是湖南凍雨區(qū) （25°N～28°N）。云的高空冷卻層中存在冰晶、雪和霰，雪和霰含水量向下延伸到達(dá)暖層，因此中空暖層中存在云水、雨水，還有雪和霰，低層的冷卻層內(nèi)存在過(guò)冷雨水。1月28日20時(shí) （圖10c、d）湖南凍雨區(qū)上空溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)和云系的微物理結(jié)構(gòu)與14時(shí)類(lèi)似。從云中垂直方向上微物理結(jié)構(gòu)可以粗略地分析冷層過(guò)冷雨水的形成機(jī)制：云中高空冷層形成的雪和霰含水量區(qū)向下面的暖層延伸，進(jìn)入暖層后應(yīng)該發(fā)生融化過(guò)程，就是說(shuō)冰粒子在暖層就融化成雨水。此外，暖層還存在云水，雨水通過(guò)碰并云水過(guò)程可以進(jìn)一步長(zhǎng)大。這些雨水下降到低層冷層后又成為過(guò)冷雨水。由此可見(jiàn)，低層過(guò)冷雨水的形成既與冰粒子融化有關(guān)，也與暖層中暖云過(guò)程有關(guān)。但從過(guò)冷雨水對(duì)應(yīng)中高層冰相粒子來(lái)看，中高層雪和霰的融化對(duì)過(guò)冷雨水的形成有重大作用，低層雨水有很大可能主要通過(guò)冷云降水機(jī)制形成。最后過(guò)冷卻雨水接觸到溫度低于0℃的物體或地面上，迅速凍結(jié)形成凍雨。

圖11給出了模擬上面兩個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置的假相當(dāng)位溫和水汽通量散度的垂直剖面，可見(jiàn)鋒區(qū)主要位于280～320K之間的等假相當(dāng)位溫密集區(qū)，當(dāng)來(lái)此洋面的暖濕氣流水平輸送到湖南上空的低層后，水汽沿鋒面爬升，在湖南凍雨區(qū) （25°N～28°N）上空形成水汽輻合的強(qiáng)中心 （位于鋒面上的800～550hPa左右），結(jié)合對(duì)應(yīng)的云系結(jié)構(gòu)（圖10）可見(jiàn)，經(jīng)鋒面抬升的水汽冷卻凝結(jié)成云滴，鋒面上對(duì)流層中層的較強(qiáng)水汽輻合中心對(duì)應(yīng)雪含水量的大值區(qū)，說(shuō)明豐富的水汽有利于雪通過(guò)冰晶凝華增長(zhǎng)形成，雪穿過(guò)鋒面逆溫的暖層，融化形成雨滴，并在下落過(guò)程中收集云滴增長(zhǎng)，而后雨滴繼續(xù)下落到近地面冷卻層，雨滴保持過(guò)冷雨水形式，最終過(guò)冷雨水接觸地面，快速凍結(jié)形成凍雨。由此可見(jiàn)，湖南凍雨區(qū)上空混合相云中的冰相粒子經(jīng)過(guò) “冷—暖—冷”層結(jié)，主要通過(guò)“冰相融化過(guò)程”形成凍雨。

從貴陽(yáng)的云系垂直剖面演變 （圖略）可見(jiàn)，28～29日沿貴陽(yáng)106.7°E的南北向剖面上，在貴州的南部山區(qū) （24°N～27°N）上空的中層，也存在明顯的逆溫層。28日12時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)凍雨，凍雨一直持續(xù)到29日03時(shí)，凍雨出現(xiàn)低層冷卻層接地的地面0℃線以北 （溫度低于0℃）的地區(qū) （25°N～27°N）。與湖南凍雨區(qū)相比，貴州凍雨區(qū)的近地面冷層厚度較薄；貴州凍雨區(qū)云較薄，冰相過(guò)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），屬于暖云。圖12a、b為28日20時(shí)沿貴陽(yáng)的云系垂直剖面，可見(jiàn)貴州凍雨區(qū)上空的云系垂直結(jié)構(gòu)為：中高層存在冰相粒子，含水量極小，中層暖層內(nèi)為云水和雨水，低層的冷層內(nèi)存在過(guò)冷雨水，說(shuō)明雨水主要通過(guò)云水的碰并過(guò)程形成?？梢?jiàn)，貴州凍雨主要通過(guò) “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成，屬于暖云降水機(jī)制。同時(shí)刻，沿貴陽(yáng)的假相當(dāng)位溫和水汽通量散度垂直剖面（圖12c）可見(jiàn)，水汽沿鋒面爬升，在貴州南部?jī)鲇陞^(qū) （24°N～27°N）上空形成水汽輻合的強(qiáng)中心 （位于鋒面上的800～700hPa左右）。與長(zhǎng)沙剖面比較，貴州凍雨區(qū)上空的強(qiáng)水汽輻合中心的高度較低。結(jié)合對(duì)應(yīng)的云系結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，鋒面上對(duì)流層中低層的水汽輻合中心內(nèi)形成的云滴下落到近地面冷層，形成的過(guò)冷卻雨滴落到低于0℃地面直接凍結(jié)，形成凍雨。即貴州凍雨區(qū)上空暖云中的云滴、雨滴經(jīng)過(guò) “暖—冷”層結(jié)，主要通過(guò) “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成凍雨。

圖9 2008年1月28日 （a）14時(shí)和 （b）20時(shí)模擬云系總水凝物含水量厚度 （陰影）和地面溫度 （紅線）的水平分布Fig.9 Horizontal distribution of the thickness of total water content of hydrometeors in simulated cloud（shading）and surface temperature（red line，units：℃）at（a）1400BJT and（b）2000BJT 28Jan 2008

圖10 2008年1月28日 （a、b）14時(shí)和 （c、d）20時(shí)通過(guò)長(zhǎng)沙站 （113°E）含水量 （單位：g／kg）的經(jīng)向－垂直剖面：（a、c）云水 （紅線）、冰晶（綠線）含水量；（b、d）雪 （彩色陰影）、霰 （紅線）和雨水 （綠線）含水量。黑線：等溫線 （單位：℃）；箭頭：風(fēng)場(chǎng)；虛線橢圓代表凍雨區(qū)Fig.10 Vertical section along Changsha station（113°E）for water content（g／kg）of hydrometeors in simulated cloud at（a，b）1400BJT and（c，d）2000BJT 28Jan 2008：（a，c）Cloud water（red solid line），ice crystal（green solid line）；（b，d）snow （shaded），graupel（red solid line），rain（green solid line）.Black line：isotherm （℃）；arrow：wind field；dashed ellipse：freezing rain area

圖11 2008年1月28日模擬的相當(dāng)位溫 （黑線）、水汽通量散度 （彩色，負(fù)值表示水汽的輻合）通過(guò)長(zhǎng)沙站 （113°E）的經(jīng)向－垂直剖面：（a）14時(shí)；（b）20時(shí)Fig.11 Vertical cross section of the pseudo－equivalent potential temperature（black line，units：K）and water vapor flux divergence（shading，negative value：convergence）along Changsha station（113°E）：（a）1400BJT 28Jan 2008；（b）2000BJT 28Jan 2008

圖12 模擬的2008年1月28日20時(shí)通過(guò)貴陽(yáng)站 （106.7°E）含水量和水汽通量散度的經(jīng)向剖面：（a）云水 （紅線）和冰晶 （綠線）含水量；（b）雪 （彩色陰影）、霰 （紅線）、雨水 （綠線）含水量；（c）水汽通量散度 （彩色，負(fù)值表示水汽的輻合）。（a、b）黑線：等溫線；（c）黑線：相當(dāng)位溫；虛線橢圓代表凍雨區(qū)Fig.12 Vertical cross section along Guiyang station（106.7°E）for（a，b）water content of hydrometeors in simulated cloud and（c）the water vapor flux divergence（shading，negative value：convergence）at 2000BJT 28Jan 2008：（a）Cloud water（red line），ice crystal（green line）；（b）snow（shading），graupel（red line），rain（green line）.（a，b）Black line：isotherm（℃）；（c）black line：equivalent potential temperature（K）；dashed ellipse：freezing rain area

圖13 2008年1月28日20時(shí)水凝物含水量經(jīng)向平均的垂直廓線：（a）沿長(zhǎng)沙 （113°E）凍雨區(qū) （25°N～29°N）；（b）沿貴陽(yáng) （106.7°E）凍雨區(qū) （24.5°N～26.5°N）。qc：云水；qr：雨水；qg：霰；qs：雪；qi：冰晶Fig.13 Vertical profiles of meridional－mean water content of hydrometeors at 2000BJT 28Jan 2008：（a）Along Changsha station（113°E）over freezing rain area（25°N－29°N）；（b）along Guiyang station（106.7°E）over freezing rain area（24.5°N－26.5°N）.qc：cloud water；qr：rain water；qg：graupel；qs：snow；qi：ice

5.2.3 不同凍雨區(qū)的云微物理結(jié)構(gòu)特征

從圖10和圖12看，長(zhǎng)沙和貴陽(yáng)凍雨區(qū)的云系垂直微物理結(jié)構(gòu)不同。為了分析方便，圖13給出了長(zhǎng)沙和貴陽(yáng)站凍雨區(qū)水凝物含水量經(jīng)向平均值的垂直廓線。長(zhǎng)沙凍雨區(qū)的云中各種水凝物含水量最大值出現(xiàn)的高度不同，由高到低依次為冰晶、雪、霰、云水和雨水，高層主要為冰晶、雪，其垂直范圍相當(dāng)；中層主要為霰和過(guò)冷云水；低層主要是雨水。雪的最大值高度位于冰晶最大值高度之下冰晶迅速減少的高度，說(shuō)明冰晶對(duì)雪的形成可能有很大的貢獻(xiàn)；暖層 （625hPa）以上，存在較多的雪，也存在少量的霰，當(dāng)冰相粒子 （雪、霰）下落到暖層，開(kāi)始融化，在雪完全融化的高度，雨水的含水量出現(xiàn)大值，說(shuō)明雪的融化對(duì)雨的形成貢獻(xiàn)最大，即雨水的形成主要靠雪降落到暖區(qū)的融化。這表明，湖南凍雨區(qū)云系中雨水的形成主要以冷云降水過(guò)程為主。湖南凍雨區(qū)云的上部為冰晶，冰晶凝華增長(zhǎng)形成雪，雪下落到暖區(qū)融化形成雨水，而后雨水下落到近地面冷層，形成過(guò)冷雨水，最終過(guò)冷雨水接觸地面，快速凍結(jié)形成凍雨。與長(zhǎng)沙相比，貴陽(yáng)凍雨區(qū)上空 （圖13b），高層基本無(wú)冰相粒子，且近地面的逆溫層和其下的冷層較薄。凍雨區(qū)中低層為云水、雨水，雨水的最大值高度位于云水最大值高度之下迅速減少的高度，說(shuō)明云水對(duì)雨水的形成可能有很大的貢獻(xiàn)，可見(jiàn)雨水主要通過(guò)云水的碰并形成。貴州凍雨區(qū)云系中雨水的形成主要以暖云過(guò)程為主，通過(guò)碰并過(guò)程增長(zhǎng)形成的過(guò)冷卻雨 （云）滴，形成凍雨。

6 凍雨的云物理成因及主要微物理過(guò)程

圖14給出了1月28日20時(shí)，長(zhǎng)沙和貴陽(yáng)凍雨區(qū)范圍內(nèi)，雨水的源項(xiàng)微物理過(guò)程產(chǎn)生率經(jīng)向平均的垂直廓線，研究形成過(guò)冷雨水的主要微物理過(guò)程。

長(zhǎng)沙凍雨區(qū)上空雨水形成的主要微物理過(guò)程為雪的融化 （psmlt）和雨水碰并云水 （pra）過(guò)程，其中雪的融化過(guò)程產(chǎn)生率最大。長(zhǎng)沙凍雨區(qū)上空雨水主要通過(guò)雪降落到暖區(qū)的融化形成，主要以冷云降水過(guò)程為主 （圖14a）。雨滴形成后，繼續(xù)下落到近地面冷卻層，雨滴保持過(guò)冷雨水形式，最終過(guò)冷雨水接觸地面，快速凍結(jié)形成凍雨。這表明長(zhǎng)沙凍雨通過(guò) “冰相融化過(guò)程”形成。

而貴陽(yáng)凍雨區(qū)上空過(guò)冷雨水形成的主要微物理過(guò)程為雨水碰并云水過(guò)程pra（圖14b），表明貴州凍雨區(qū)降水主要以暖云過(guò)程為主，通過(guò)碰并過(guò)程增長(zhǎng)形成的過(guò)冷卻雨 （云）滴，接觸低于0℃地面迅速凍結(jié)，形成凍雨，即 “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成。

由此可見(jiàn)，相同天氣系統(tǒng)影響的不同凍雨區(qū)，在不同層結(jié)條件下，云系的垂直結(jié)構(gòu)和云微物理結(jié)構(gòu)存在差異，凍雨形成的云微物理過(guò)程也存在差異。

圖14 同圖13，但為雨水及源項(xiàng)各微物理過(guò)程產(chǎn)生率 （prpro：雨水產(chǎn)生率；psmlt：雪的融化項(xiàng)產(chǎn)生率；pra：雨水碰并云水項(xiàng)產(chǎn)生率；pgmlt：霰的融化項(xiàng)產(chǎn)生率）經(jīng)向平均的垂直廓線Fig.14 Same as Fig.13，but for vertical profiles of meridional－mean production rate of rain （prpro）and certain microphysical processes（psmlt indicates melting of snow，pra is collection of cloud water by rain，and pgmlt indicates melting of graupel）

7 結(jié)論

本文對(duì)2008年1月25～29日的一次典型冰凍雨雪天氣過(guò)程，利用觀測(cè)資料分析了冰凍天氣形成的層結(jié)特征、云和降水的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。在此基礎(chǔ)上，利用CAMS中尺度云分辨模式，對(duì)1月28～29日的凍雨天氣過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，同時(shí)將實(shí)測(cè)的降水、衛(wèi)星、Cloudsat資料同模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，模式較好地模擬了降水帶的走向及范圍、降水云系的移動(dòng)演變和凍雨區(qū)云系的結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)分析了冰凍天氣中凍雨區(qū)云系宏微觀結(jié)構(gòu)及大氣層結(jié)特征，初步給出了凍雨形成的云物理過(guò)程及成因，得到如下主要結(jié)論：

（1）逆溫層的存在是凍雨發(fā)生的必要條件，低層濕度較大的逆溫常與凍雨天氣有關(guān)。此次冰凍過(guò)程的凍雨區(qū)上空 （如湖南、貴州凍雨區(qū)）都存在逆溫（屬于鋒面逆溫），低層有水汽輸入到凍雨區(qū)?？梢?jiàn)，冷暖空氣交匯導(dǎo)致的逆溫層結(jié)有利于凍雨的發(fā)生，但逆溫層的存在僅是形成凍雨的條件之一。發(fā)生凍雨還與濕度 （水汽含量）、風(fēng)向風(fēng)速、地面特征有關(guān)，如地面溫度等于或低于0℃，有利于過(guò)冷卻水的凍結(jié)。

（2）深厚而穩(wěn)定的逆溫層和低層冷卻層的存在是此次大范圍凍雨出現(xiàn)的直接原因。凍雨發(fā)生時(shí)，對(duì)流層中層有一定厚度的暖層，地面以上有一定厚度的冷層，低層的冷層中相對(duì)濕度比較高。中層的暖層可以確保上層降落下來(lái)的固態(tài)降水 （雪或霰）通過(guò)融化層后變成液態(tài)降水或在融化層中直接產(chǎn)生液態(tài)降水。這樣，液態(tài)降水下降到低空冷卻層后逐漸變成過(guò)冷卻雨滴，當(dāng)過(guò)冷卻雨滴接觸到0℃以下的地面或者其他物體表面時(shí)，迅速凍結(jié)形成凍雨。

（3）此次冰凍過(guò)程中，不同凍雨區(qū)上空有兩種不同的云結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)兩種不同層結(jié)特征，表明相同天氣系統(tǒng)影響下，不同凍雨區(qū)的層結(jié)和云也存在差異：① 湖南凍雨區(qū)上空為混合云 （云頂溫度低，云層較厚，有冰相發(fā)展），經(jīng)過(guò) “冷—暖—冷”層結(jié)形成凍雨；② 貴州凍雨區(qū)上空為暖云 （云頂溫度高，云層較薄，冰相發(fā)展較弱），經(jīng)過(guò) “暖—冷”層結(jié)形成凍雨。

（4）具有不同層結(jié)特征的不同凍雨區(qū)云系，對(duì)應(yīng)兩種不同的云微物理結(jié)構(gòu)：湖南凍雨區(qū)上空的混合云，高層為冰晶，中高層為雪和霰，低層為云水和雨水，其中，雪的比含水量較大，低空存在過(guò)冷雨水，雨水主要通過(guò)中高層雪的融化形成；而貴州凍雨區(qū)上空的暖云，中高層冰晶、雪、霰的比含水量很小，冰相發(fā)展較弱，低層為云水和雨水，其中，云水的比含水量最大，存在過(guò)冷雨水，雨水主要通過(guò)云水的碰并過(guò)程形成。

（5）不同凍雨區(qū)的兩種凍雨形成機(jī)制及主要云微物理過(guò)程：湖南凍雨區(qū)的凍雨通過(guò) “冰相融化過(guò)程”形成，即在鋒面之上的對(duì)流層中層水汽輻合中心內(nèi)通過(guò)冰晶凝華增長(zhǎng)形成的雪，從高空落入暖層，融化后形成雨水，再下落到低層的過(guò)冷層形成過(guò)冷雨滴，最后接觸到溫度低于0℃的物體或地面上，迅速凍結(jié)形成凍雨。貴州凍雨通過(guò) “過(guò)冷暖雨過(guò)程”形成，即，由于云頂溫度高，冰相發(fā)展較弱，水汽沿鋒面抬升，在對(duì)流層中低層的水汽輻合中心內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷卻凝結(jié)成云滴，通過(guò)云滴碰并形成的雨滴下落到低空冷層，形成的過(guò)冷卻雨滴直接凍結(jié)，形成凍雨。

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Characteristics of Stratification Structure and Cloud Physics of the Freezing Rain over Southern China in January 2008

TAO Yue，SHI Yueqin，and LIU Weiguo

WeatherModificationCenter，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081

Southern China suffered four severe freezing rain and snow storm processes during January 2008.In this paper，a classical freezing rain process during 25－29January 2008was selected as a research case.Characteristics of stratification structure and cloud physics of the freezing rain were analyzed.Combining with observation，the freezing rain process during 28－29January 2008was simulated by the CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sci－ences）mesoscale cloud model.The authors studied characteristics of micro－macroscale structure of cloud system over the freezing rain area and initially analyzed the microphysical process in the cloud and the mechanism of freezing rain formation.The results show that，the stable and thicker melting layer and cold layer at low levels was direct cause that the wide range of freezing rain appeared.Two different types of clouds existed over different freezing rain areas in this freezing rain process.Two types of clouds have different characteristics of stratification structure and cloud physics and mechanism of freezing rain formation.Clouds over the Hunan Province freezing rain area belonged to mixed－phase cloud：the cloud thickness was deeper，the cloud top temperature was lower，and in the clouds there were large amount of ice－phase particles.Under the consideration of stratification （“cold－warm－cold”layer），the freezing rain over Hunan Province was formed by ice－crystal mechanisms（the melting process）.That is，the freezing rain developed as the falling snow encounters a layer of warm air，and then the snow completely melted and became rain.As the rain continued to fall，it passed through a thin layer of cold air just above the surface，cooled to a temperature below freezing，and formed supercooled drops.When the supercooled raindrop dropped and struck the ground，or anything else below 0℃，they instantly freeze，forming the freezing rain.However，clouds over the Guizhou Province freezing rain area belonged to warm clouds：the cloud thickness was thinner，the cloud top temperature was higher，and in the clouds there were little ice－phase particles.Under the consideration of stratification（“warm－cold”layer），the freezing rain over Guizhou Province was formed by supercooled warm－rain processes（collision－coalescence process）.Supercooled raindrops developed by microscopic cloud droplets collecting one another as they fall.Ice processes were not involved in the formation of these raindrops.

freezing rain，stratification structure，cloud microphysical characteristics

1006－9895（2012）03－0507－16

P426.5

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11082

陶玥，史月琴，劉衛(wèi)國(guó).2012.2008年1月南方一次冰凍天氣中凍雨區(qū)的層結(jié)和云物理特征 ［J］.大氣科學(xué)，36（3）：507－522，

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2011－04－25，2011－10－20收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40905059，中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金面上項(xiàng)目2008Y001，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41075099

陶玥，女，1979年出生，博士，主要從事云降水物理和人工影響天氣研究。E－mail：taoyuedemail＠163.com