（大气物理学与大气环境专业论文）雨凇雾凇形成机制的观测和冻雨模式初步研究.pdf

摘要 本文第一部分为研究雨凇雾凇形成机理，先分析了贵州省1 9 9 0 年和1 9 9 1 年的雨凇雾凇历史资料，重点以分析贵州冬季雨凇雾凇多发期的月平均温度 和雨凇雾凇出现时雾微物理特征为主。比较了雾中有无雨凇雾凇时雾滴的尺 度大小和含水量变化等，得到了如下结论： ( 1 ) 雨凇雾凇的形成主要与环境温度、相对湿度和降水量有关，风速风向对 雨凇雾凇和电线积冰形成的形状和方向产生一定影响。 ( 2 ) 有无雨凇雾凇的出现对平均雾滴谱的影响不显著，但是分析雾滴的平均 直径、体积中值直径、含水量和数浓度等雾微物理特征量的最大值和最 小值可以发现仍有不同。出现雨凇雾凇时，滴谱特征量的最大值要小于 没有雾凇出现时的特征量最大值，而其最小值却要大于后者的最小值。 在这一次的观测中，在有雨凇雾凇的天气里，雾滴谱的起伏变化幅度要 相对较小，而只有雾出现时，变化幅度要大一些。 本文第二部分重点分析了2 0 0 9 年1 月1 5 日至3 月5 日观测期间湖北恩 施雷达站的两次冻雨过程。以分析冻雨发生时的探空层结演变和雨凇雾凇发 生时的雾滴谱为主。冻雨出现时的层结一般为有逆温层出现，上下冷，中间 暖，近地面温度低于0 且冷层较薄，暖层高于0 ，冷层与暖层搭配适当。 以层结面积法为基础，根据典型冻雨层结模型建立层结统计模式，分析历年 大气层结资料，得到冻雨发生前后的层结演变，进而得到冻雨发生时的大气 层结统计模式和预报模式。 统计模式以作冻雨过程中分析层结演变为主，分析了从地面到高空冷层 和暖层的高度、厚度以及暖层的最高温度和冷层的最低温度，冻雨发生前后 层结的演变可作为预报模式的基础。预报模式结合实测m i c a p s 资料以及冻 雨过程中的层结演变预报未来2 4 小时的冻雨发生概率，利用观测所得到的 雾微物理特征量资料，分析雨凇雾凇的形成原理和冻雨过程中雾微物理特征 量。与第一部分分析的贵州资料得到的结论一致，有无雨凇雾凇对雾的微物 理特征量平均状况影响不大，但是雾滴数浓度的减少特别是小滴的减少，与 雨凇雾凇期温度低，冰晶的存在有关，这个条件有利于冰晶效应的发生，使 得小滴逐渐蒸发，水汽在冰晶上凝结。 关键词：雨凇雾凇，冻雨，雾滴谱，大气层结 a b s t r a c t t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ra n a l y z e st h eh i s t o r i c a ld a t ao ff o gc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h em o n t h l ym e a nt e m p e r a t u r eg o ti ng u i z h o up r o v i n c ei n1 9 9 0a n d1 9 9 1 t h e v a r i a t i o ni nt h ef o gd r o ps i z ea n dt h el i q u i dw a t e rc o n t e n ti nt h ef o gu n d e rt w o c o n d i t i o n sg i v es o m e t h i n ga sf o l l o w s ( 1 ) t h ed i f f e r e n c eo fs i z ed i s t i b u t i o na n dt h el i q u i dw a t e rc o n t e n tv a r i a t i o n u n d e rt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c ha r er i m ea n df o g ，s h o w st h ef o r m i n go f g l a z ea n dr i m ed e p e n d i n go nt h et e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , w i n ds p e e da n d d i r e c t i o na n ds oo n ( 2 ) r i m ea n dg l a z ew o n ti m p a c tt h em e a nf o gs p c c t n n nb u ta f f e c tt h e m a x i m u ma n dm i n i l n u l no ft h ef o gd r o pm i e r o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s t h em e a nd r o ps i z e ，t h ev o l u m em e d i a nd i a m e t e r , t h el i q u i dw a t e rc o n t e n ta n ds o o n t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h em a x i m u ma n dm i n i m u mo ft h ef o gd r o ps i z e s u g g e s t st h a tt h ef l u c t u a t i o no ff o gs p e c t r u mu n d e r t h er i m ea n dg l a z ec o n d i t i o n i sm o r ef r e q u e n tt h a nt h a tu n d e ro n l yf o gc o n d i t i o n t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ed a t ao ff r e e z i n gr a i ng o ti ne n s h i r a d a rs t a t i o ni nh u b e ip r o v i n c eo b s e r v e df r o m15 t hj a n u a r yt o5 l hm a r c hi n2 0 0 9 t h et e m p e r a t u r ei n v e r s i o ni ss i g n i f i c a n ta st h et e m p e r a t u r ep r o f i l es h o w si n f r e e z i n gr a i n t h et e m p e r a t u r ea b o v ea n db e l o w t h el a y e ro fi n v e r s i o na r eb e l o w t h ef r e e z i n gp o i n t t h eo c c u r r e n c eo ff r e e z i n gr a i nd e p e n d so nt h eh e i g h to f t h e w a r n la n dc o l dl a y e rm a t c h i n ge a c ho t h e rp r o p e r l ya n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r e i nt h ew a r ml a y e ra n dt h em i n i m u mt e m p e r a t u r ei nt h ec o l dl a y e r b a s e do nt h ea r e am e t h o da n dt h em i c a p sd a t a , w i t ht h eo b s e r v a t i o no ff o g m i c r o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et e m p e r a t u r ep r o f i l ea r e am e t h o dm o d e lc a n f o r mas t a t i s t i cm o d e lt oa n a l y z et h eo b s e r v a t i o na n dt h ef o r m a t i o no f r i m ea n d g l a z ea n dap r e d i c t i o nm o d e lt op r e d i c tt h ep r o b a b i l i t yo ff r e e z i n gr a i ni n2 4 h o u r s w i t ht h eo b s e r v a t i o na n dt h ea n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o nt ot h i sp a r ta g r e e sw i t h t h a tt ot h ef i r s tp a r t , t h ef l u c t u a t i o no ff o gs p e c t r u mc a na l s ob es h o w ni nt h ef o g c h a r a c t c r i s f i c a lv a l u e s t h ed e c r e a s ei nt h ef o gd r o p se s p e c i a l l yt h ei nt h es m a l l f o gd r o p sh a sar e l a t i o n s h i pw i t ht h el o wt e p e r a t u r ea n dt h ei c en u c l d ，t h ev a p o r f r o mt h es m a l ld r o pw i l lc o n d e n s e0 1 1t h ei c e k e y w o r d s ：r i m ea n dg l a z e ，f r e e z i n gr a i n ，f o gd r o ps p e c t r u m ，t e m p e r a t u r ep r o f i l e w 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并 作者签名 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校彳 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版； 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 一五争 4 户r 。 作者签名：堂莹 日 期：重盟里：厶：垒 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 雾凇是由空气中水汽凝华或过冷却雾滴直接冻结在物体上的乳自色冰晶物，较松脆， 当气温较低( 8 一3 ) 、湿度大或出现轻雾、雾时形成。它可以伴随轻雾、雾出现，也 可以在湿度大时单独出现 】。雾凇为不透明的近似三角形的小颗粒，相互之间结合不紧密， 所以附着力较差，极易脱落，比重范围较大，一般在0 1 0 6 9 ，c m 3 左右印j 。 雨凇，又称雨冰，是由较大颗粒的过冷却水滴冻结而成的【l 】。其形成条件是风速较高， 大约在1 5 m s 左右，气温约在3 c 左右。雨凇白色透明而坚硬，比重较大，一般在0 。9 9 e r a 3 左 右【2 3 】。 混合凇是雨凇和雾凇混合组成的积冰。形成雨凇和雾凇的条件发生变化而形成。大多 数情况是积冰的内层是雨凇，外层是雾凇，附着力较强1 2 3 。 雨凇是冻雨出现的产物，冻雨是由过冷水滴组成，与温度低于o 的物体碰撞立即冻 结的降水，是初冬或冬末春初时节见到的一种灾害性天气。低于o c 的雨滴在温度略低于 0 的空气中能够保持过冷状态，其外观同一般雨滴相同，当它落到温度为o c 以下的物体 上时，立刻冻结成外表光滑而透明的冰层，称为雨凇。雨凇厚度一般可达l o - - 2 0 m m ，最 厚的有3 0 - - 4 0 r a m 。冻雨发生时，风力往往较大，所以冻雨对交通运输，特别对通讯和输 电线路影响更大。我国出现冻雨较多的地区是贵州省，其次是湖南省、江西省、湖北省、 河南省、安徽省、江苏省及山东省、河北省、陕西省、甘肃省、辽宁省南部等地，其中山 区比平原多，高山最多。 1 9 5 5 年，浙赣地区曾因“冻雨”倒毁电杆数百根，南浔、浙赣铁路运可逆热机输一度中 断：1 9 8 7 年1 1 月和1 9 8 9 年1 2 月，郑州市先后两次出现“冻雨”，受伤的就有2 0 0 来人；前 苏联西南部地区，一次“冻雨”拆毁、倒翻电杆近万根，造成大面积的电讯中断。1 9 7 2 年2 月底，我国出现一次大范围的冻雨，广州、长沙、南京、昆明、重庆、成都、贵阳等地至 北京的电信一度中断，造成的经济损失极其严重。1 9 8 4 年1 月中旬后期，受强冷空气影响， 贵州、湖南、江西、湖北等省不少地区出现冻雨天气，造成电线断线倒杆。贵州省的有线 电话全部中断，严重可逆热机影响通讯工作。湖南输电线积冰厚度在2 0 毫米以上，一些高 压线路一天溶冰5 6 次1 4 。因受冰冻天气影响，贵阳客车站停开长途车8 0 3 班次，农村公共 汽车间断停开4 1 8 班次。湖南长沙附近几个县停开班车3 3 9 班次；仅临武、资兴两县折断 竹、木近5 0 0 多万根( 棵) 。贵州有1 0 提早抽苔的油菜受到冻害。2 0 0 8 年1 月，江西南 昌曾因冻雨，市区3 小时停电，火车因铁轨冻冰无法驶出，进入南昌火车站，致使几万人 拥堵在火车站。2 0 0 8 年1 月，我国湖南省遭遇冻雨，导致路面结冰，我国南北大动脉京珠 高速湖南段出现交通堵塞。湖南郴州市电缆、电塔等大部分压断、倒塌，导致郴州市停水 停电8 天。我国2 0 0 8 年南方地区的严重的冰冻雨雪灾害与持续性的冻雨有非常大的关系， 雨凇雾凇的出现与冻雨有关，雨凇雾凇的长时间持续与冻雨出现后的持续低温高湿度或有 降雪持续有关。 我国的一些南方城市的冬天因为雨凇雾凇而成为吸引游人的风景。在我国西南的贵州 因其较为特殊的地势地貌，以及多种多样的气候特点，使得雨凇、雾凇出现的时间长、次 数多，在娄山等地区经常出现的雨凇雾凇不但成为了较有名的旅游景点，也成为气象部门 和电力部门较为关注的自然灾害，因为长时间的雨凇、雾凇天气会导致高压电线积冰，进 而发生一些电力事故，对人民的生命财产安全构成了比较大的威胁。2 0 0 8 年末的冻雨灾害 导致贵州黔东南大部分农村停电长达2 0 天以上，直至农历2 0 0 9 年正月初一才恢复用电， 居民生产生活严重受损。 2 0 1 0 年2 月2 4 日至2 5 日凌晨，辽宁省大部分地区降冻雨，是当地自1 9 9 9 年来最严 重的一次。此次冻雨造成沈阳至北京阐旅客列车停运3 列、晚点1 0 7 列，同时冰雨天气造 成沈阳北部地区部分供电中断，致使无法供水。 冻雨大多出现在1 月上旬至2 月上、中旬的一个多月内，起始日期具有北早南迟，山 区早、平原迟的特点，结束日则相反。地势较高的山区，冻雨开始早，结束晚，冻雨期略 长。如皖南黄山光明项，冻雨一般在1 1 月上旬初开始，次年4 月上旬结束，长达5 个月之 久。据统计，江淮流域的冻雨天气，沿淮以北2 - 3 年一遇，淮河以南7 8 年一遇。但在 山区，山谷和山顶差异较大，山区的部分谷地几乎没有冻雨，而山势较高处几乎年年都有 冻雨发生。冻雨是一种灾害性天气，它大量冻结积累后能压断电线和电话线，严重的冻雨 会把房子压坍，飞机在有过冷水滴的云层中飞行时，机翼、螺旋桨会积水，影响飞机空气 动力性能造成失事。 2 1 2 国内外研究进展 1 2 1 雨凇与雾凇的形成机制研究 早在1 9 世纪6 0 年代现代气象学就开始了对冻结现象的观测，当时仅仅观测雾凇和雨 凇，而后逐渐对物体上的冻结现象霜、雾凇、雨凇等进行定量观测。 雨凇与雾凇的形成条件苛刻，般气温在1 0 - - - 0 ( 2 的雨、雾天气中才能形成；由于大 气中凝结核较为充足而冻结核常常短缺，受曲率约束飘浮在空中的雾滴和下落的雨滴常可 低至4 0 也不冻结，称为过冷却雾滴与过冷却雨滴，通称为过冷水【5 1 。在雨凇雾凇形成期 间，雾滴谱微物理特征量也有相应的变化。关于一般冬季雾发生的情况下，已经有很多学 者对雾滴谱进行了研究【6 ，7 1 ，但在雨凇雾凇出现前后和过程中的雾滴谱对比分析及将雨凇雾 凇与雾滴谱演交结合起来研究得较少。 对于雨凇雾凇形成机制的研究，国内外气象学者进行了各个方面的研究，除了考虑雾 滴谱方面，还主要考虑了冻雨形成的特征和层结条件。可以分为：降水类型的区分，冻雨 过程的基本特征和冻雨层结的分析三大部分。 降水类型的区分 冻雨是在特定的天气背景下产生的降水现象，例如冷暖气流都较强，地面有冷空气侵 入，1 5 0 0 至3 0 0 0 米上空又有暖气流北上大气垂直结构呈上下冷、中间暖的状态，自上 而下分别为冰晶层、暖层和冷层。即3 0 0 0 米以上高空大气温度往往在1 0 以下，2 0 0 0 米 左右高空，大气温度一般为0 左右，而2 0 0 0 米以下温度又低于o 。 近百年来，国外对冻雨天气及其形成机理有较多的研究，在2 0 世纪初即有学者注意到 了冻雨天气并对其进行了研究【8 】。 美国气象学者对凝冻天气有较细致的划分，分为冻毛毛雨( f r e e z i n gd 出d e ) 、冻雨 ( f r e e z i n gr a i n ) 和小冰粒( i c ep e l l e t ) ，对每类降水的形成天气条件进行了探讨，还对这些不 同类型降水的形成机理进行了较系统的研究【9 ，1 0 1 。 s t e w a r t 1 1 】对冬季的降雨类型及其形成条件进行了研究，对过渡带不同降水形态形成的 机理进行了分析，并给出了过渡带降水形态分布的机构模型。 c o r t i n a s 眼等指出冻雨和冻毛毛雨似乎会受到白天太阳圈的影响，冻雨和冻毛毛雨 的出现一般不会同时有其他降水类型的产生，而冰粒子则常常伴随有其他降水类型。有冻 1 雨产生时近地面2 m 的温度会略低于0 c 。 曾明剑，陆维松等人 1 3 1 分析了2 0 0 8 年初南方大范围低温冰冻期降雨、冻雨和降雪三种 类型降水物的自南向北分布特征。这三种不同的降水类型是由对流层中低层向北后倾的锋 区在南北不同区域上的层结特征和地面温度条件决定的；在倾斜锋区存在背景下，在对流 层中低层形成了产生冻雨的大气逆温特征和较低的地面( 表) 温度条件。逆温区大于0 c 的暖 层应具有合适的强度、厚度和高度，既不能太厚太低，也不能太薄太高。如果太厚太低， 降水将会以雨的类型降落地面，如果太薄太高，降水则会以雪或冰粒子的类型出现。0 - 6 c 的暖层在6 5 0 - - 8 5 0h t a ，其下为低于0 的次冻层，在次冻层温度较低的情况下，即使地面 ( 表) 温度在l ，也可能形成冻雨或冰冻灾害。即使在没有适宜逆温区存在的条件下，较 低的地面( 表) 温度也能使“冰包水”物质、过冷却水滴降落到地面或雪融化成水后迅速凝冻成 冰，或使冰冻维持而至灾。 二冻雨过程的基本特征 z e m 】提出从高空降落到地面的过冷却液滴与融化和重新冻结两个过程有关。要更好 地进行冻雨过程的研究，需要使用到两个理论模式，一个是模拟雪花在融化中的热传递， 另一个是模拟一个液滴重新冻结时的热传递。 h o u s o n 和c h a n g n o n t ”】利用美国全国2 3 6 个一级站的每小时资料分析了1 9 2 8 年至2 0 0 1 年的所有冻雨事件。分析后发现促成冻雨的条件包括干湿球温度，降水总量和冻雨发生期 间风向风速。指出冻雨持续时间一般为l 小时左右，时间不会太长，超过两小时的冻雨持 续期只占不到1 5 ，3 小时的不到1 0 。冻雨持续时间短，但所造成的危害严重。冻雨发 生时干球温度处在2 2 摄氏度到o 的占7 1 。而风速在4 0 m s 到5 9 m s 的冻雨发生频率 是最大的。 三冻雨层结的分析 b e r s t e i n 1 6 1 对美国冻雨的分布和其发生条件进行了总结，指出地形和水汽对冻雨的形 成有关键作用，在冻雨的预报中应考虑天气系统、局地因素、过冷却水所在层的厚度以及 层结廓线等。 r o b b i n s 等1 刀发现冻雨的发生也与天气背景，大气层结以及某些层的厚度有关，同时 也与当地地形有关，建立一个地形参数可作为冻雨预报的基础，但一个地区的地形参数并 不能适用于其他地方。 r a u b e r 等( ”1 对冬季产生冻雨的天气尺度系统和中尺度系统也进行了分析和模拟研究， 4 这些研究中采用中尺度数值模式可在一定程度上模拟出冻雨。 r a u b e r 等【1 9 】对冻雨发生时的大气层结做了进一步的研究，指出冻雨发生的条件关于： ( 1 ) 近地面冷层的厚度和最小温度；( 2 ) 中间暖层的厚度和最高温度；( 3 ) 逆温层以上的 稳定度；( 4 ) 1 0 0 0 5 0 0 h p a 和1 0 0 0 8 5 0 h p a 层的厚度：( 5 ) 近地面、8 5 0 h p a 和7 0 0 h p a 高 度的风速风向。 l a c k m a u n 等认为在温度为0 c 附近对发生的中、强降水或有温度弱平流，则降水粒 子冻结或者融化释放出来的潜热会影响大气层结。 中国的气象学者结合我国的具体情况，特别是2 0 0 8 年初的冻雨层结特征，对冻两层结 的研究也做了较为详细的研究和讨论。 赵思雄，孙建华【2 1 2 2 1 对2 0 0 8 年初我国南方的雨雪冰冻灾害天气的环流场与多尺度特征 作了分析研究，并提出了一个多尺度系统持续性的雨雪、冰冻天气物理模型，包括一类我 国南方持续性冻雨的多尺度系统概念物理模型。他们还用中尺度数值模式m m 5 对2 0 0 8 年 初我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气中的1 月2 6 - - 2 9 日过程作了模拟试验研究。模式再 现了有利于冻雨产生的层结条件，包括中层冻结层、暖层、逆温层和地面温度o 。c 线的位 置，指出利用模式的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。 王志云，鲁亚斌等【2 3 】应用常规气象探测资料，通过天气学及诊断分析研究了2 0 0 8 年2 月上中旬中国云南东部地区出现冻雨天气时的环流形势和物理量场，结果发现：云南冻雨 产生的日降水量并不大，但在大气环流背景稳定的条件下可持续较长时间。分析冻雨地区 的探空曲线可发现冻雨形成时大气具有“上下冷中间暖”的层结特征。 1 2 2 层结面积法的由来与发展 b r o o k s 2 4 早在1 9 2 0 年便开始对冬季降水类型进行研究，冬季降水类型的预报逐渐得到 广泛重视并在预报的准确率上有了大幅度提高。冬季的降水类型包括雨、雪、霰、冰粒和 冻雨等，不同降水类型的形成条件不同，尤其在形成条件的过渡区有可能同时出现两种或 几种不同类型的降水。准确判断降水类型能有效地提高防对措施和及时进行降水造成的各 种冻害等。以实验观测为基础，w a g n e r 2 5 ，k o o l w i n e 2 6 】，b o c c h i c r i 2 7 ，c z yc ta 1 弘8 1 分别在文 章中提出：降水类型与温度湿度分布，大气垂直运动，大气湍流，云凝结核，冰核的分布 都有关系。但根据长期的观测分析，大气层结才是影响降水类型的主要影响因子。在某些 情况下，仅仅只需l 的变化也能导致不同降水类型的转换。 在现在的中尺度模式中，一个包含所有物理过程的微物理模式可以很好地判断出降水 5 类型，在将来的预报模式中，这些微物理模式的广泛应用会提供更为准确的降水类型预报， 能为预报员提供有价值的参考资料。但是这类模式受到操作应用条件的限制，并且需要较 大的时间消耗和设备消耗。目前用大气层结作为主要预报因子来判断降水类型是比较实用 且能直接与业务直接相联系的方法。以层结曲线与0 c 所围正负面积为基础的一维模式虽 然简单，但可操作性强，能与实测探空资料紧密联系。 w a g n e r 2 s 利用多个站在两个冬季的观测资料计算得到：冻雨发生频率与非冻雨型降水 的发生频率之比取决于当地地形以及1 0 0 0 h p a 到5 0 0 h p a 的平均温度。 d e t o u i n 【2 明用上层冻结层的高度来作为预报降水类型的因子。当大气层结中不止一层冻 结层的时候，则用两相邻冻结层厚度作为预报因子。仅仅只考虑了冻结层高度，而没有考 虑垂直层结分布。 c a n t i na n db a c h a n dt 3 0 】方法是指利用k o o l w i n et 2 6 提出的1 0 0 0 8 5 0 h p a 和8 5 0 7 0 0 h p a 两 层的平均温度作为预报因子。预报员们还要同时考虑其他因子，比如垂直运动强度、冷空 气移近或者其他典型天气形势，对降水类型进行预报，目前仅仅只在加拿大东部山区应用， 并为推广到其他地区。 r 锄盯【3 1 1 提出利用温度，相对湿度以及湿球温度在不同等压面去判断降水类型。r a f f l e r 和b a l d w i n 3 2 的方法是利用数值预报模式发展起来的，用到其他模式中不一定正确。 层结面积法的发展： ( 1 ) 两个判断降水类型的主要因子：大气层的平均温度和降水粒子从高空落下的滞留 时间。平均温度可以从大气层结得到，降水粒子从高空落下的滞留时间需要考虑到参考层 的高度和降水粒子下落末速以及大气垂直运动。而这个方法中，气层平均温度和参考层高 度综合计算可以作为判断降水类型的因子。 ( 2 ) 考虑1 0 0 0 8 5 0 h p a ，1 0 0 0 7 0 0 h p a ，地面温度和露点温度作为判断降水类型的因子。 ( 3 ) 从台站地面到高空的层结与0 所围的正负面积可以判断降水类型。 1 3 本文主要内容 我国贵州省地处云贵高原，介于东经1 0 3 。3 6 - - 一1 0 9 0 3 5 、北纬2 4 0 3 7 2 9 。1 3 之间，位 于中低纬度地区，北方南下的冷气团活动频繁，上空来自南面海洋的水汽十分丰富，省内 常年相对湿度在7 0 以上，是全国相对湿度最高的省。贵州地貌属于中国西部高原山地， 境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1 1 0 0 米左右。贵州高原 山地居多，其中9 2 5 的面积为山地和丘陵。境内山脉众多，重峦叠峰，绵延纵横，山高 6 谷深。正因为有这样的地势地貌，贵州成为了我国雨凇雾凇出现最多的省份。本文分析贵 州省雨凇雾凇历史资料，以分析贵州冬季雨凇雾凇多发期的月平均温度和雨凇雾凇出现时 雾微物理特征量为主。比较雾中有无雨凇雾凇时雾滴的尺度大小和含水量变化等。 2 0 0 9 年1 月1 5 日至3 月5 日在湖北恩施进行了对湖北山区冬季降水和雾的微物理特 征量的观测。湖北在中国中部、长江中游、洞庭湖以北，介于北纬2 9 。0 5 至3 3 。2 0 ，东经 1 0 8 0 2 1 至1 1 6 0 0 7 ，地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备。山地约占全省总面 积5 5 5 ，丘陵和岗地占2 4 5 ，平原湖区占2 0 。观测点恩施雷达站海拔1 7 2 2 m ， 冬季云雾缭绕，温度低湿度高，容易出现雨凇雾凇。本文重点分析了2 0 0 9 年1 月1 5 日 至3 月5 日观测期间湖北恩施雷达站的两次冻雨过程。利用观测所得到的雾的微物理特征 量和雨滴谱资料，结合基本气象要素的观测以及冻雨过程中的层结演变，分析雨凇雾凇的 形成原理和雨过程中雨滴雾滴的微物理特征量。 本文以层结面积法为基础，根据典型冻雨层结模型建立层结统计模式，分析历年大气 层结资料，得到冻雨发生前后的层结演变，得到统计模式和预报模式。统计模式以作冻雨 过程中分析层结演变为主，预报模式则以统计模式为基础结合实测m i c a p s 资料预报未来 2 4 小时的冻雨发生概率。 7 第二章资料来源与模式原理 2 1 贵州历史资料来源 所选资料是从1 9 9 0 年1 月到1 9 9 1 年2 月冬季的几次观测的数据。包括1 9 9 0 年1 月3 日到1 月8 日和1 9 9 0 年1 月1 9 日到1 月2 2 日分别在遵义娄山的球场( 1 ) 和铁塔( 2 f i ) 下的观测，1 9 9 1 年2 月2 日到2 月4 日分别在水城马落菁的球场( 1 撑) 和铁塔( 2 群) 下的 观测。观测项目包括雾滴谱，有无雨凇雾凇出现，空气中含水量等。 在野外观测中，滴谱的观测方法有两种：一是采用国产三用滴谱仪的水平抽吸法进行 采样；二是用自然沉降法，依靠液滴自然下降进行采样。在考虑雨雾凇天气积冰时垂直方 向上液滴的贡献可以忽略，加上云雾滴随云体运动的速度也比垂直下落的速度大，我们着 重考虑水平方向上液滴对积冰的贡献，这也是高山物体水平方向的积冰量比垂直方向的积 冰量大的关键原斟那】。 观测雾滴谱所用到的三用滴谱仪主要由一个微型风洞和取样部分组成，取样部分包括取 样片和取样头。微型风洞的作用是加速雾滴的速度，利用其惯性在取样片上沉降，条状的 滴谱取样片等速穿过风洞中均匀的含雾滴谱气流，取样时间范围为o 1 o 5 秒，误差小于 1 0 。对不同直径段的粒子进行统计，可以得到雾滴谱大小分布。由于取样片对气流中不同 大小雾滴的捕获能力不同，因而必须进行捕获系统订正，才能得到真实的滴谱。 2 2 湖北恩施的观测方法及资料 中国湖北省恩施雷达站海拔1 7 2 2 m ，观测时间为2 0 0 9 年1 月1 5 日至3 月5 日。 恩施雷达站山顶( 3 0 0 1 7 0 0 8 n ，1 0 9 。1 5 7 8 6 e ) 、雷达站山下迎风坡( 阳坡，3 0 。1 7 0 8 5 n ， 1 0 9 0 1 5 9 4 4 e ) 和背风坡三个观测站。在雷达站山顶进行常规地面气象要素观测、常规电线 积冰观测、输电线路覆冰观测、不同下垫面( 裸地面、水泥路面、柏油路面) 的温度观测、 积雪( 雪深和雪压) 观测、天气现象观测。 由自动气象站实现气压、气温、湿度、风向、风速、雨量、地面及浅层地温( 5 、1 0 、 1 5 、2 0 e m 地温) 、雪面( 草面) 温度和水泥路面、柏油路面以及路中温度( 2 0 e r a ) 的连续 观测。人工观测降水量、天气现象、电线积冰、输电线路覆冰、积雪( 雪深和雪压) 。在雷 8 达站山下迎风坡( 阳坡) 和背风坡( 阴坡) 观测点选取江苏省无线电科学研究所有限公司 的z q z - c i l l 和z q z c l i s 型自动气象站观测气温、湿度、风向、风速。 建立地面气象观测场，安装百叶箱、雨量传感器和雨最筒，设置地温、雪面( 草面) 和不同下垫面温度观测地段，安装风向和风速传感器、百叶箱、雨量传感嚣、雨量筒和地 面温度观测场。 在雷达站安装自动气象站采集器，采集器与自动气象站采集专用微机相联，通过现行 地面气象测报业务系统软件( o s s m 0 2 0 0 4 ) 实现各类数据文件的形成。 选取适当位置布设电线积冰架( 包括南北、东西各一组) 。设置自然下垫面和水泥面的 积雪观测地段。人工观测项目配量雪尺( 用不锈钢尺) 、称雪器、外卡尺、合页箱、台秤。 雷达站山下迎风坡( 阳坡) 和背风坡( 阴坡) 观测仪器的数据通过无线g p r s 或c d m a 传 至省气象信息保障中心收集。每月形成规定格式的z 文件。 观测项目包括能见度、雾滴谱、降水量和基本气象要素的观测。 观测中采用激光前向散射雾滴谱仪即美国d m t 公司生产的f m 1 0 0 型雾滴谱仪对雾的 微物理特征量进行测量。雾滴谱仪包括光学底座、信号处理器、以及对经过光学窗口的粒 子进行除尘用的真空部分。光学底座接收经过光学窗口的粒子的前向散射光，信号处理器 把光脉冲转好成电压放大并滤波，然后传输给数据处理系统。雾滴谱仪可以连续测量雾 滴数浓度、谱分布，根据不同大小的雾滴对激光散射强度的不同，对雾滴进行分档计数， 所铡雾滴粒径范围为2 5 0 _ t m ，最大数密度为1 0 4 个e m 3 。观测连续进行，每秒钟能产生一 组数据。 =一 图2 1 雾滴谱倥 除了上述测量仪器所得资料外，温度、相对湿度、气压、风向、风速由位于思施雷达 站的自动气象站观测得到。同时结台思施气象站每日0 8 时和2 0 时的探空资料分析冻雨过 程中的层结特征以及冻雨出现前后的层结演变。 恩施气象站海拔4 8 2 米，近地面气压约为9 8 0 h p a ，有数据资料记录的最高层为l o o h p a 。 m i c a p s 探空资料每日0 8 时和2 0 时接收，记录温度、露点温度和风速风向。本文主要取 温度随高度的变化以及层结与0 c 所围正负面积大小或线性关系来计算雨凇雾凇出现的概 率。 2 3 层结面积法模式原理 根据大气层结，计算层结与0 线所围正负面积大小，依正负面积关系建立判定冻雨 是否产生的标准。对从观测站地面到1 0 0 h p a 的层结曲线对0 c 线取积分，即每一层的温度 之间作线性内插，0 与其中一段相交的一点可以作为正负面积的节点，大于0 的温度所 围的面积与小于o 所围的面积分别为正面积和负面积，由相邻两层温度连线与0 所行成 的小梯形面积叠加。再将得到的正负面积进行线性拟合计算。 冻雨层结分a ，b ，c ，d 四种类型，其中a 型为典型的冻雨层结，但a 型层结的出 现是形成冻雨的必要条件而非充分条件，当大气层结满足a 型的前提下，近地面冷层较薄 才能使得在中层暖层融化的降水粒子迅速过冷，但来不及冻结便降落到地面，过冷雨滴落 到近地面处以下的物体上迅速冻结，形成雨凇。在有雾的天气条件下，雾滴也容易附在 雨凇上，因此雨凇与雾凇能时常并存。 b 型层结一般不会出现冻雨，但有可能出现冻毛毛雨，此类层结的出现一般以降雨为 主，因为近地面层温度大于o ，不能使雨滴达到过冷却。 c 型层结为一般降雨层结，不会出现其他如冻雨、雪等降水。即便是高空有雪或者冰 粒子生成，在下落的过程中融化，落到地面时为高于o 的液态水滴。 d 型层结为典型的降雪层结。从低层到高空温度都低于o ，雪粒子从高空落下到地 面一直不会融化踟。 1 0 罄书舶 潮鹄书一蚰嚣瑚- 篇 5 一o - s05 t 棚r 曲n 图2 2 四种大气层结 黑色阴影部分为高于o 的层结曲线与0 线所围正面积：邮，c d 为四种不同的层结类型。 一&li)-j：l一圣一：el ace，2ljd呈芒暑芒正 第三章贵州雨凇雾凇历史资料分析 根据贵州省气象台的定义，每年在1 2 月1 日至次年2 月2 8 日期间内，凡日平均气温 小于等于1 0 1 2 、日最低气温小于等于0 0 c 以及日雨量大于等于0 0 r a m 三者同时出现，并 持续3 天以上( 其中第四天起允许间隔一天的日最低气温为o 1 0 5 c 或无雨) 且至少有 一天出现凝冻天气现象的时段，定为一次冬季凝冻天气过程。贵州省雨淞初日的特点基本 上是西部早，东部迟，由西向东推迟。西部的威宁最早出现在1 0 月下旬，而东部的锦屏在 1 2 月下旬才开始，前后相隔6 0 多天，毕节地区，六盘水市，安顺地区东北部和独山、麻 江、炉山、三穗、万山等地1 1 月下旬开始；省内大部分地区在1 2 月中、下旬开始。雨凇 的终日特点是基本上东部早，西部晚，由东向西推迟。终日早的印江在1 月下旬，终日晚 的威宁要到4 月下旬，前后相隔达3 个月之久。铜仁地区、遵义地区东部、贵阳市、安顺 地区西南部以及黔东南、黔南、黔西南三自治州的大部在2 月下旬，其他地区均在3 月中、 下旬才结束p 5 1 。 由于雨凇雾凇的出现都是在有雾或毛毛雨或是湿度大的天气条件下出现的，因此也牵 涉到有关于雾的滴谱特征，如含水量，谱宽，特征直径等的特点和变化。雾滴直径主要集 中在2 4 0 凹1 之间，峰值直径约在3 4 l 趣。而且各地平均雾滴谱谱型多为单峰结构，整 个谱分布偏向小滴一端，在大滴一端虽然拖尾很长，最大直径可以达到4 0 0 0 岬1 ，但是数 密度很小，拟合结果表明，平均谱多满足d e i r m e n d j i a n 分布1 3 6 。本章根据1 9 9 0 年1 月到 1 9 9 1 年2 月的几次观测数据对不同天气形势下的雾滴谱特征进行论述。分析研究在只有雾 的出现和出现雨凇雾凇这两种天气条件下雾滴谱的差别及其变化趋势。 3 1 雨雾凇形成与温度湿度的关系 雾凇雨凇的出现与其所处天气背景场有关，也与当地的地形特征和海拔高度有关，不 能单一只考虑某一方面的影响，而是应该多方面考虑，加以分析比较。并且分析雨凇雾凇 出现时的雾滴谱特点也牵涉到环境场，特别是环境温度和相对湿度。下面给出贵州雨凇雾 凇多发地区近2 0 年每年一月份的雨凇雾凇天气现象出现次数与对应平均温度的对照分析。 ( 1 9 8 6 年和2 0 0 1 年的资料空缺) 1 2 ： ： ： h 。 一 ： 一 同 i i l 肾 雾 爱 _ = + 一 霹i ：l颡 i囊三矗 雾二臻一糜 匿圉遂二i垦厘孺凰 i 嗍i 搬。，9。i，弭i，够|l，蛤i。，射l。，。，驰120。i肿： 柏瞄1 ，l ，“i i 鲐sl 铀7l ，8 8 i 图3 1 近2 0 年一月份雾凇雨凇频次的变化 图3 2 近2 0 年一月份平均气温的变化( 级坐标单位为1 0 1 ) 为了清楚地分析该天气现象与平均气温的关系，给出如图2 所示的1 月气温平均值的 相应年际变化。 对比图3 1 和图3 2 可知，雾凇雨凇出现的频次并不随月平均气温的下降而单一增加 【3 7 1 。1 9 8 7 年，1 9 8 8 年，1 9 9 1 年，1 9 9 7 年，2 0 0 2 年，2 0 0 3 年的1 月月平均温度都相对较高， 2 0 0 2 年的最高，达到了2 3 以上，1 9 8 7 和1 9 9 1 年的1 月月平均温度也都高于1 5 c 。图 3 1 和图3 2 对照表明，相应的月平均气温较高的年份里，雾凇雨凇天气出现的次数相对少， 但是当温度低于i c ，比如2 0 0 0 年的1 月月平均温度低于i ，该年1 月雾凇雨凇出现的 次数少于1 0 次，远小于1 9 8 4 年的次数。这说明雾凇雨凇的出现要求平均气温在一定范围 内。一般而言，温度为- 2 一o 有利于雨凇的形成，而温度低于5 3 c 以下也有利于雨凇的 1 3 知 钟 ” 仲 0 形成。根据统计资料计算得出，1 9 8 3 - - 2 0 0 3 年出现雨凇雾凇天气的月平均气温为0 1 5 ， 月平均最高气温为1 7 8 ，月平均最低气温为1 6 c 。 相对湿度大也往往是有利于雾生成的环境因素，相对湿度大时，水汽容易达到饱和， 并且出现能悬浮在空中的水滴。也就是说充足的水汽能够保证地面有雾的生成，据了解， 辐射雾形成前后的相对湿度日变化在8 5 - - - 9 5 之间，而且雨凇雾凇天气的形成当天则会 出现明显的增湿过程3 3 1 。特别是秋末到冬季较大的相对湿度使得冷雾出现更有利于雾凇的 形成，雨凇则是由于出现冷雾的同时伴随有过冷毛毛雨，过冷水滴在下落过程中碰到树枝 或是电线冻结成雨凇。 雾凇的形成以雾的出现为基础，特别是冷雾的形成是主因，在海拔高的地方，如贵州 的大娄山四季经常会出现云雾缭绕，在冬季使得雨凇雾凇的出现成为当地一景。至于风速 风向的影响则主要表现在导线积冰方面，导线积冰也是常常以雨凇雾凇的形成为环境背景 的【3 刀。 3 2 雾微物理结构特征量分析 在雨凇雾凇积冰问题的研究中，主要考虑的气象参数有：风速、云雾液水含量和滴谱以 及温度。风速和温度参数一般在讨论积冰的形成及种类时重点考虑。下面主要论述雨凇雾 凇天气的云雾滴谱和含水量。雨凇雾凇不会单独出现，常会在温度相对稍高时伴随着轻雾， 毛毛雨的出现而出现，而在温度较低时则会与降雪或是雨夹雪等一同出现，故要研究雨凇 雾凇必须先研究雨雾凇天气的云雾滴谱特征。 3 2 1 只有雾天气现象时雾滴谱演变特征 根据云雾滴谱的形状，可将雾滴谱分为三类：( 1 ) 滴浓度随滴直径增大而单调下降，通 常以负指数律表示之，此类占5 5 ；( 2 ) 随滴直径的增大，浓度先下降，后出现一个或多个 峰值，此类占4 3 ；( 3 ) 分布曲线左端，浓度随滴增大而增大，出现一个峰值。这一类谱型 可以用k h r g i a n - m a z i n 滴谱表达式来表述：忍( d ) = c r 。e - a d 6 d 网 一般来说，雾滴直径主要集中在2 1 0 p m 范围内，峰值直径在3 4 斗m 之间，各地平均 雾滴谱谱型多为单峰结构，整个谱分布偏向小滴一端。在大滴一端虽然拖尾很长，最大直 径可以达至u 4 0 - - - 5 0 1 x m ，但数密度很小，拟合结果表明平均谱分布多满足d e i r m e n d j i a n 分布 1 4 【柏】。可是从本次在贵州观测的数据结果看来，此连续观测中雾滴谱的分布属于第一类，即 滴浓度随滴直径增大而单调下降，可以用负指数律来拟合，采用双参数拟合法， n c d ) = n o e 一材6 c l 删由所观测得到的数据作出谱分布，可以发现谱型属于第一类，可