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试述江苏省冰粒过程的预报着眼点及天气特征
摘要：利用常规气象观测资料、微波辐射计资料和FNL再分析资料对2016年3月8日和2015年2月27日江苏省两次冰粒过程进行了对比分析，研究结果表明:(1)两次过程均是在后倾槽系统和东路冷空气的影响下产生的，环流形势为冰粒的产生提供了有利的大尺度条件;(2)在临近冰粒形成前，融化层和冻结层形成，而干层的形成时间要明显早于融化层和冻结层;(3)偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同导致温度平流分布不同，进而导致融化层和冻结层产生;(4)干层的形成主要是由于湿度平流随高度的分布差异造成的，水滴在干层中的蒸发吸热作用促进冻结层产生和维持。
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冰粒是固态降水的一种形式，直径小于5mm，外观呈透明的丸状或不规则状，有时内部有未冻结水，着地常反跳，有时打碎只剩冰壳，属于稳定性降水，多见于冬季和春季。冰粒并非灾害性天气，但由于其出现时气温一般不高，下降后易附着在地面上，致使道路湿滑，对交通造成一定影响，严重时甚至可能引起飞机跑道结冰，从而造成航班延误，人员和物资无法正常输送，因此大范围和持久性冰粒对城市交通的影响不容忽视。冰粒形成于特殊的天气背景下，已有研究表明，冰粒形成一般需要冰相粒子的参与，粒子下落过程中先经过一个暖层，其表面融化，粒子变成水包冰结构，继续下降过程中经过一个冷层，粒子被重新冻结，随后粒子降落到地面，形成冰粒，这是我国冰粒天气形成的主要机制[1,2,3]。由于暖层和冷层的强度不同，冰粒可与雨、雪、冻雨等同时存在，其出现前后也常会发生降水相态转变[4,5]。也有诸多研究指出，在不存在冰相粒子的情况下，若大气低层温度较低，也可使得液态粒子直接被冻结，形成冰粒[6,7]。统计结果表明，冰粒发生次数较少，且持续时间较短，我国冰粒天气主要集中分布在中纬度的黄河下游和长江中下游地区[8,9]，还有很多学者针对降水相态之间的转变进行了可预报指标的研究[10,11,12]，部分研究指出在冰粒预报中可用温度、厚度或二者结合作为判据，但预报效果并不理想[13,14]。
华东地区冰粒主要出现在(26°～32°N)，以赣西和江浙交界处最为集中[15,16]，冰粒在江苏地区并不多见，针对江苏地区的研究较少，预报经验不足，缺乏可用的预报指标。受中路冷空气和后倾槽的影响，2016年3月7日夜间到8日夜间，江苏省自北向南出现中到大雨，3月8日中午前后，江淮之间出现冰粒，以盐城中北部地区冰粒持续时间最久，随后冰粒范围逐渐南移，根据观测记录，19时(北京时，下同)前后，泰州，扬州的江都、宝应也出现冰粒。此次冰粒过程持续时间较久，影响范围较大，值得深入研究。根据江苏省重要天气报告记录，2015年2月27日，江苏省大部分地区都出现小雨天气，且沿江地区出现冰粒，08时16分，南通海门首先出现冰粒，随后昆山和丹徒均在09时前观测到冰粒。两次冰粒过程均发生在冬末，气候背景相似，本文对两次过程进行对比分析，研究江苏省冰粒产生的天气特征，探讨预报着眼点。
1、资料来源
本文使用了江苏省观测资料、12h一次的高空观测资料、时间分辨率为6h一次、空间分辨率为1°×1°FNL再分析资料，结合2015年2月27日的南京站微波辐射计资料进行分析。并利用射阳站和南京站的探空资料分析实况特征，射阳站(32°N,118.48°E)位于江苏省盐城北部，2016年3月8日11时44分出现固态降水，降水量11.6mm，此次冰粒过程，射阳站最为典型。南京站(33.46°N,120.15°E)2015年2月27日并未出现冰粒，但其与观测到冰粒的海门、昆山等地纬度相近，可在一定程度上反映冰粒发生地点的大气结构，因此用南京站探空观测资料和微波辐射计资料分析2016年2月27日冰粒过程的探空及温湿度垂直分布特征。
2、环流背景
分析两次过程的环流形势(图略)发现，两次过程发生的环流背景有诸多相似之处。500hPa上均为两槽一脊的环流形势，贝加尔湖以东有冷涡伴随横槽东移，东路冷空气南下，在冰粒产生之前江苏省内受南支槽前西南暖湿气流影响，700hPa和850hPa形势略有不同。2016年3月8日08时，700hPa切变线位于淮北地区，影响江苏省北部，逐渐向东南方向移动，20时切变线移动到长江中下游地区，影响江苏省苏南地区，08时850hPa切变线位于长江中下游地区，江苏省长江以北地区处于东风气流之中，长江以南地区受偏南气流影响，20时切变线已经移动至江南地区中部，江苏省皆转为东北气流影响。2015年2月26日20时—27日08时，700hPa西南气流影响江苏省长江以南地区，长江以北则受西北气流影响，27日20时，整个江苏省转为偏西气流影响，而850hPa切变线位于江南地区中部，江苏省内始终维持东风气流。2016年3月8日700hPa和850hPa辐合条件更好，因而降水量更大，影响范围更广，但从系统的整体配置来看，两次过程都是后倾槽系统，且均受东路冷空气影响。
3、层结特征分析
3.1探空特征
2016年3月8日射阳站探空图(图1a)的温度曲线具有双层逆温的结构，零度层约在850hPa，其上、下各有一浅薄的逆温层存在，逆温层强度约为4℃，零度层较高，此时处于液态降水阶段。850hPa以下出现明显干层，温度露点差约9℃，且干层的位置与零度层之下逆温层位置大致对应。
根据实况观测，2015年2月27日08时16分，南通海门出现冰粒，2015年2月27日08时南京的探空图(图1b)上，700hPa以下有较为深厚的逆温层存在，逆温层之下直到925hPa，温度均低于0℃，是一个相对冷层，即冻结层，逆温层之上有一个接近0℃的暖层，此暖层较为浅薄，即为融化层，同时注意到冻结层中湿度较小，温度露点差最大可达15℃，这也就是典型冰粒形成结构中的干层。从两次探空的对比分析可知，在临近冰粒形成时，探空的温度和湿度层结都能很好地表现出典型特征，然而距离冰粒开始前几个小时，探空曲线上仅能反映出明显的干层特征。此外，两次过程的风场垂直分布也极为相似，850hPa以下均为东到东北风，以上则转为西南风，风向和风速切变均较大，说明在后倾槽系统的影响下，冷空气先从大气低层入侵，冰粒产生前，大气低层降温已经开始。
图1T-lnP图:(a)2016年3月8日08时射阳站;(b)2015年2月27日08时南京站
3.2温度和湿度垂直分布
为了更清楚地把握大气层结的演变特征，利用2015年2月27日南京站微波辐射计资料进行分析。由图3可知，01—03时，没有逆温层存在，04时在2km上下形成明显的逆温层，2km以下，温度迅速降低至0℃以下，2～6km之间，温度大于0℃，冻结层和融化层形成，随着时间推移，低层降温更加强烈，05时大气低层最低温度已经达到-20℃，融化层最强可超过20℃，此时冻结层和融化层的结构最为明显，而07时冻结层的强度明显减小，09时冻结层已完全消失，4km高度以下温度皆大于0℃，以液态降水为主。由此可见，对于南京本站而言，从温度层结来看，冰粒形成的最佳时间应该为04时到08时前后，08时后温度层结低层冻结层消失，降水应以液态降水为主。根据江苏省内重要天气实况记录，南京站降雨于10时28分开始，且并未出现固态降水，与以上分析的温度层结演变吻合。
图22015年2月27日南京站微波辐射计温度廓线(单位:℃):(a)01时;(b)02时;(c)03时;(d)04时;(e)05时;(f)06时;(g)07时;(h)08时;(i)09时
从南京站相对湿度廓线(图3)来看，2～6km之间，空气湿度几乎饱和，但2km以下相对湿度降低，这样的特征从01时已经出现，03时后湿度迅速降低至20%以下，干层特征明显，且干层高度与图2中冻结层所在高度相同，且一直持续到08时，09时低层湿度迅速增加至80%，干层结构消失。可见，干层不仅与冻结层在同一高度，且其形成时间要早于冻结层的形成，这也与射阳站探空曲线所呈现的特征一致。
3.3层结特征成因探讨
利用1°×1°的FNL再分析资料探讨产生冰粒的特殊层结特征的成因。3月8日08时，从环流形势上看，700hPa槽位于江苏省淮河一带，即33°N附近，且温度槽落后于高度槽，淮河以北受西北气流影响，有冷平流，淮河以南则受西南气流影响，有暖平流，850hPa淮北以北为偏东风，温度平流较弱，淮河以南为东到东南风，有一定的暖平流。因而在风场和温度平流的垂直剖面图上(图4)，偏北的斜下沉气流主要位于36°N以北地区，冷平流也集中在36°N以北，(35°～33°N)之间为偏北风和偏南风交汇区域，风力较小，温度平流很弱，而33°N以南为偏南的斜上升气流为主，该区域暖平流较强(图4a)，此时强冷平流未侵入江苏省。34°N以南地区700hPa以下温度皆大于0℃(图5a)，此时江苏省以液态降水为主。14时随500hPa横槽南下，700hPa切变线南压影响淮河以南地区，偏北冷空气的斜下沉运动明显加强(图4b)，冷平流区也随之南移，33°N以南地区850hPa以下几乎均为冷平流，850～700hPa为偏南气流区，较强的暖平流维持，温度垂直分布图上可以看到33°N附近，850hPa到700hPa之间温度大于0℃(图5b),850～925hPa之间温度小于0℃，融化层和冻结层形成，根据实况观测，此时江苏省江淮之间出现冰粒。20时700hPa槽南压至江苏省沿江一带，长江以北皆转为偏北气流，850hPa长江以北转为东北风，随着偏北气流向南推进，冷平流向南发展(图4c)，典型的融化层和冻结层结构出现在32°N附近(图5c)，这与常州、泰州于19时后观测到冰粒的事实相吻合。夜间随着冷空气进一步南下影响，江苏省境内整层大气皆转为偏北气流(图4d)，大气温度进一步降低，900hPa以上皆低于0℃(图5d)。2015年2月27日的温度平流和温度垂直分布也具有相同特征(图略)。由此可见，融化层和冻结层的形成主要是由于偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同而引起的，后倾槽系统之下，冷空气先从大气低层侵入，850hPa以上以偏南暖气流带来的暖平流为主，温度大于0℃，形成融化层，850hPa以下偏北冷气流带来冷平流为主，温度小于0℃，形成冻结层。
图32015年2月27日南京站微波辐射计相对湿度廓线:(a)01时;(b)02时;(c)03时;(d)04时;(e)05时;(f)06时;(g)07时;(h)08时;(i)09时
图42016年3月8日vw风场(单位:m·s-1)和温度平流(单位:℃·s-1)
与冻结层重合的干层是冰粒结构的典型特征之一。从vw风场与湿度平流垂直分布图(图6)可以看到，偏北的斜下沉气流促进了干平流发展，850hPa以下斜下沉气流最强，干平流也最明显。02时干平流已经发展到33°N附近(图6a)，此时比湿垂直分布图上(图7a),33°N附近比湿明显减小，出现干层，随着偏北气流向南推进，08—20时，850hPa以下干平流不断向南发展(图6b、c、d)，干层也随之南移(图7b、c、d)。可见偏北的斜下沉气流促使干平流和干层的发展，干层形成后，水滴下落至干层将蒸发，蒸发吸热导致该层温度降低，促进冻结层形成，因而干层出现时间要早于冻结层的形成时间，这也与图2、3中南京站微波辐射计的观测结果相同。
4、结论
本文利用观测资料、1°×1°FNL再分析资料和微波辐射计资料，对比分析了2016年3月8日江苏省内江淮之间冰粒过程和2015年2月27日江苏省沿江一带冰粒过程，得出以下结论:
(1)两次过程500hPa环流背景类似，均是在后倾系统和东路冷空气的影响下产生，700hPa和850hPa系统不同造成了两次过程的降水范围和强度不同;
(2)融化层、冻结层和干层是冰粒形成的典型结构，在临近冰粒形成前，融化层和冻结层形成，而干层的形成时间要明显早于融化层和冻结层，在冰粒的预报中，在分析环流特征的基础上，应关注探空图上是否出现干层，发现干层特征后，可考虑冰粒出现的可能性;
(3)融化层和冻结层的形成主要是由于在冷空气侵入过程中，偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同导致温度平流的分布不同而造成的。850hPa以下，冷平流较强，形成冻结层，850hPa以上暖平流较强，形成融化层;在天气预报过程中，预报员需结合冷空气影响本地的速度，以及700hPa和850hPa温度平流的分布，来判断是否能够形成融化层和冻结层，进而预报冰粒发生的可能性和时间;
图52016年3月8日温度垂直分布(单位:℃):(a)8日08时;(b)8日14时;(c)8日20时;(d)9日02时
图62016年3月8日vw风场(单位:m·s-1)与湿度平流(单位:g·kg-1·s-1)垂直分布(a)8日08时;(b)8日14时;(c)8日20时;(d)9日02时
图72016年3月8日vw风场(单位:m·s-1)与比湿垂直分布:(a)8日08时;(b)8日14时;(c)8日20时;(d)9日02时
(4)干层的形成主要是由于湿度平流随高度的分布差异造成的，850hPa以下干平流明显，造成比湿降低，形成干层，水滴在干层中蒸发吸热，进而促进冻结层产生和维持。
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基金:江苏省气象局预报员专项(JSYBY201812);江苏省气象局青年基金(KQ201802).
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主管单位：江苏省气象局
主办单位：江苏省气象学会
出版地方：江苏
专业分类：科学
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2020-06-11
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