林子倫 楊慶波 童華君 韓 賡 周建丁

(1.泉州市氣象局，福建 泉州 362000；2.九仙山氣象站，福建 泉州 362500；>3.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350000)

0 引言

我國(guó)旅游業(yè)的發(fā)展對(duì)氣象服務(wù)要求進(jìn)一步提高[1]。氣象景觀作為一種重要旅游資源[2]，具有瞬變性和季節(jié)性等特點(diǎn)[3]。對(duì)氣象景觀展開(kāi)預(yù)報(bào)服務(wù)工作，是方便旅客計(jì)劃出行和景區(qū)特色服務(wù)安排的重要舉措[4-5]。

艾定增[6]將氣象景觀定義為時(shí)序、天象、氣候以及天氣等。在此基礎(chǔ)上，又根據(jù)氣象景觀的形成原因、外部表現(xiàn)形態(tài)以及距地高度，進(jìn)一步細(xì)分為雨凇、霧凇和云霧等水汽凝結(jié)景觀，霓虹、蜃景等光學(xué)景觀以及閃電、極光、龍卷風(fēng)等大氣放電及流動(dòng)的景觀[7-8]。其中，雨凇、霧凇以及云景是我國(guó)名山地區(qū)(如黃山、廬山、峨眉山以及華山等)的重要景觀[9]。

雨凇是指形成在地面或物體(如樹(shù)木等)上的呈透明或毛玻璃狀的緊密冰層；霧凇則是形成于電線、樹(shù)枝或其他細(xì)長(zhǎng)物體上的由冰?；虮ЫM成的白色松脆凝結(jié)物[10]。兩者在不同氣象條件下形成，雨凇主要是由過(guò)冷雨滴或毛毛雨滴撞擊在溫度低于0℃的物體表面而凍結(jié)形成的，而由大風(fēng)卷挾的過(guò)冷卻霧滴凍結(jié)形成在細(xì)長(zhǎng)物體上的稱為粒狀霧凇，在有霧、微風(fēng)或靜穩(wěn)條件下由水汽凝華附著在細(xì)長(zhǎng)物體上的稱為晶狀霧凇[11]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，雨凇常見(jiàn)于南方地區(qū)，包括江漢、江南、黃淮西部以及云貴高原地區(qū)；霧凇多出現(xiàn)在長(zhǎng)江以北地區(qū)，主要有大興安嶺地區(qū)、四川峨眉山地區(qū)以及天山地區(qū)，而長(zhǎng)江以南地區(qū)除了江南北部和福建東部等外，較少出現(xiàn)霧凇[12]。霧凇頻發(fā)在12月和1月，而雨凇則在1月和2月較多，全國(guó)平均霧凇日數(shù)多于雨凇日數(shù)；在年代際尺度上，雨凇和霧凇的年平均日數(shù)有顯著減少趨勢(shì)，尤其體現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，霧凇減少趨勢(shì)較雨凇明顯[13-14]。

目前針對(duì)雨凇和霧凇的預(yù)報(bào)方法主要基于氣象條件分析和動(dòng)力模式應(yīng)用上[15-16]。在氣象條件分析方面，廖慕科等[17]認(rèn)為對(duì)雨凇形成起關(guān)鍵作用的主要是地面氣溫及中低層逆溫的變化。例如，當(dāng)氣溫在-7.2～-3.1°C、風(fēng)速小于1.2m/s，相對(duì)濕度大于92%時(shí)有利于河北地區(qū)的霧凇形成，而該地區(qū)的雨凇形成條件則是氣溫在-4.1～0°C，相對(duì)濕度大于87%，兩者出現(xiàn)時(shí)均伴有逆溫層[18]。此外，雨凇和霧凇的形成亦與大氣環(huán)流背景有關(guān)，當(dāng)對(duì)流層高層風(fēng)向從西南轉(zhuǎn)西北，低層有弱冷空氣擴(kuò)散，地面處于高壓區(qū)或倒槽內(nèi)并維持南或西南風(fēng)，且相對(duì)濕度大于90%時(shí)，有利于泰山霧凇的形成和維持[19]。華山霧凇在局地呈西北風(fēng)時(shí)出現(xiàn)最多，雨凇則常見(jiàn)于局地呈西風(fēng)時(shí)[20]。

在動(dòng)力模式應(yīng)用上，Makkonen[21]建立了冰層累積(雨凇和霧凇的形成)的物理模型，發(fā)現(xiàn)在空氣濕度條件(水汽提供)起始時(shí)較低，而后迅速增加過(guò)程中，容易形成較大的冰柱，且這種反饋機(jī)制在大風(fēng)速背景中更為顯著。在此基礎(chǔ)上，Podolskiy 等[22]利用WRF(Weather Research and Forecasting model)模式，匯報(bào)了日本棗山一次11～18cm雨凇的形成，預(yù)報(bào)時(shí)效為26～41小時(shí)。但由于模式在液滴軌跡角對(duì)碰撞效率的影響方面擬合效果較弱，因此其預(yù)報(bào)結(jié)果存在一定誤差[21-22]。此外，可用數(shù)據(jù)的稀缺性和結(jié)冰關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量難度亦是結(jié)冰物理模型普遍面臨的問(wèn)題[23]。

對(duì)于福建省景區(qū)氣象景觀(雨凇或霧凇)的預(yù)報(bào)服務(wù)，目前的研究較少涉及。本文以九仙山為例，通過(guò)對(duì)其雨凇、霧凇過(guò)程個(gè)例歸納總結(jié)，分析其形成的大氣環(huán)流背景及物理機(jī)制，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建和完善福建省高山景區(qū)雨霧凇景觀預(yù)報(bào)概念模型，可評(píng)估數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用效果，以及為雨凇或霧凇的預(yù)報(bào)提供技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)資料

實(shí)況數(shù)據(jù)為全國(guó)探空站資料、九仙山自動(dòng)站四要素(溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng))觀測(cè)資料、德化風(fēng)廓線雷達(dá)資料和歐洲中心細(xì)網(wǎng)格再分析資料，時(shí)間范圍分別為2019年12月4-8日和2020年1月26-31日。

數(shù)值模式產(chǎn)品為福建省氣象局智能網(wǎng)格產(chǎn)品(基于歐洲中心天氣模式MOS方法訂正產(chǎn)品吳啟樹(shù)團(tuán)隊(duì)FZECMOS和福建省氣象臺(tái)ECMOS)，選取預(yù)報(bào)要素有溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)力風(fēng)向，均為20時(shí)起報(bào)產(chǎn)品，時(shí)效分別為超前24h、超前48h，預(yù)報(bào)時(shí)間范圍分別為2019年12月5-8日和2020年1月28-31日。以上數(shù)據(jù)時(shí)間尺度均為逐小時(shí)。

2 天氣形勢(shì)及主要影響系統(tǒng)

福建德化九仙山風(fēng)景區(qū)是閩南知名旅游地，是泉州市第一批重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，山頂建有全國(guó)重點(diǎn)、福建省唯一的高山氣象站——九仙山國(guó)家基本氣象站。九仙山年均霧日305天、相對(duì)濕度87%，長(zhǎng)年云遮霧繞，風(fēng)云變幻，經(jīng)常出現(xiàn)云海、佛光、雨霧凇等氣象景觀。在2019年12月5-7日和2020年1月27-30日分別出現(xiàn)了較大范圍雨凇和霧凇氣象景觀，最佳的觀賞時(shí)間段分別是天氣轉(zhuǎn)晴好后的12月7日(2019)和1月30日(2020)。兩次過(guò)程中觀測(cè)到的雨凇、霧凇直徑、厚度等數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的環(huán)境變量(氣溫、風(fēng)等)如表1所示。

表1 兩次過(guò)程中雨凇和霧凇的各項(xiàng)參數(shù)及環(huán)境變量

針對(duì)九仙山高海拔(1653.5m)特征，其山頂位置(即相應(yīng)地面的天氣影響系統(tǒng))約等同于850hPa，因此下文大氣環(huán)流形式分析的重點(diǎn)主要集中在850hPa以上高度。

對(duì)2019年12月5-7日的雨凇過(guò)程，在500hPa上，高緯度地區(qū)以兩槽一脊形勢(shì)為主，中低緯度有淺槽波動(dòng)，其中12月5日08時(shí)兩支短波槽分別位于我國(guó)江漢流域和云貴高原地區(qū)(圖1a)，槽前有較強(qiáng)的西南氣流，槽后則有強(qiáng)的冷平流輸送，兩槽將合并東移加深；700hPa上華南至福建中部山區(qū)有冷式切變線，西南暖濕氣流與西北干冷氣流在此交匯，福建中部山區(qū)普降小雨。

從廈門(mén)和邵武12月5日20時(shí)探空曲線可推斷出九仙山上空大氣層結(jié)分布特征，600hPa上溫度隨高度遞減，500hPa溫度在-10℃左右，且為水汽飽和層(即冰晶層)，水汽凝結(jié)為冰晶或雪花；600～700hPa存在暖層，溫度約為0～3℃，使得上空冰晶在落入此高度層時(shí)融化為雨滴，在700hPa之下近存在淺薄逆溫層，溫度低于0℃(即為一個(gè)冷層)，液態(tài)雨滴穿過(guò)此層時(shí)變?yōu)檫^(guò)冷卻狀態(tài)并維持下落至地面，在接觸固體之后迅速凍結(jié)變?yōu)橛贲　．?dāng)?shù)筒蹡|移過(guò)境，槽后偏北氣流引導(dǎo)地面冷空氣南下，受其影響九仙山地面溫度維持在0℃以下，使得雨凇得以維持。7日時(shí)短波槽東移入海，福建省上空受槽后高壓控制，天氣轉(zhuǎn)為晴好，同時(shí)冷平流減弱，冷空氣影響趨于結(jié)束，九仙山地面溫度開(kāi)始回升至0℃之上，雨凇融化。

圖1 2019年12月5日08時(shí)500hPa位勢(shì)高度與700hPa溫度(紅色數(shù)值)、露點(diǎn)(黑色數(shù)值)和風(fēng)(矢量)(a)；12月5日20時(shí)廈門(mén)(b)和邵武(c)的探空曲線

對(duì)2020年1月27-30日的霧凇過(guò)程，28日20時(shí)500hPa上華東地區(qū)存在高空淺槽，福建地區(qū)位于槽底位置，700hPa上閩北地區(qū)有一冷式切變線，九仙山地區(qū)主要受西南暖濕氣流影響，底層濕度較大(圖2a)。隨時(shí)間推移，高空低槽東移，帶動(dòng)700hPa冷式切變線東移南壓，同時(shí)引導(dǎo)槽后冷空氣南下，850hPa 0℃線南擴(kuò)至福建中部山區(qū)，同時(shí)有微量降水出現(xiàn)。

從廈門(mén)和邵武1月28日20時(shí)探空曲線推斷九仙山地區(qū)上空大氣層結(jié)分布特征，700hPa以上溫度低于0℃且隨高度遞減，700～850hPa之間有一個(gè)淺薄逆溫層，該層最低溫度低于0℃，其層結(jié)曲線隨高度變化特征與12月5日08日雨凇前期過(guò)程相似，不同在于此次霧凇過(guò)程500hPa為明顯干冷層，而濕區(qū)僅存在于低層(12月5日雨凇過(guò)程中閩南地區(qū)濕層深厚延展至500hPa)。因此本次過(guò)程降水微弱，基本為逆溫層底(低于0℃)飽和水汽的凝華，即九仙山地面以霧凇景觀為主。

對(duì)比分析兩次雨、霧凇過(guò)程的天氣形勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，其共同處在于天氣形勢(shì)變化上均存在高空短波槽東移，冷空氣擴(kuò)散南下以及700～850hPa層結(jié)逆溫的現(xiàn)象，其不同處在于雨凇過(guò)程中濕層深厚，隨高度遞減有明顯的冰晶層-暖層-過(guò)冷層分布特征，而霧凇過(guò)程僅有低層為濕層，高空表現(xiàn)為明顯干冷層結(jié)。此外，雨凇過(guò)程前期降雨量明顯大于霧凇過(guò)程(參考后文圖3、圖4)。因此，當(dāng)冬季高空有短波槽波動(dòng)?xùn)|移、冷空氣南下并伴有降水，700～850hPa之間有逆溫層出現(xiàn)以及環(huán)境溫度劇烈下降至0℃以下時(shí)，九仙山可能出現(xiàn)雨凇、霧凇。至于其具體的生成條件，需作物理過(guò)程的定量分析。

圖2 同圖1(2020年1月28日20時(shí)霧凇過(guò)程)

3 物理過(guò)程定量分析

雨凇是過(guò)冷卻液態(tài)降水碰到溫度等于或低于0℃的地面物體后直接凍結(jié)而成的堅(jiān)硬冰層，呈透明或毛玻璃狀，外表光滑或略有隆突，較其他形式的冰粒堅(jiān)硬且密度大(ρr≈0.85g/cm3)，其橫截面常呈楔狀或橢圓狀，多形成于樹(shù)木的迎風(fēng)面上。

為方便定量分析，將雨凇單體假設(shè)為圓柱體冰柱，其橫截面半徑為r，圓柱體長(zhǎng)為L(zhǎng)?？傻脠A柱狀的雨凇單體凝固放熱的表面積S=S1+S2，其中，S1為兩端截面的表面積，即S1=2πr2，S2為側(cè)面積，即S2=2πrL。由于雨凇形狀易受風(fēng)的影響，尖端常指向平均風(fēng)的方向，其柱體長(zhǎng)度L往往大于截面半徑r，因此雨凇單體兩端截面的放熱量可簡(jiǎn)單忽略不計(jì)，即其整體的凝固放熱面積S≈S2=2πrL。

設(shè)某一瞬時(shí)雨凇單體的半徑為r，在dt秒內(nèi)雨凇單體凝固的厚度為dr，則雨凇單體在dt秒內(nèi)凝固的質(zhì)量：

dm=Sdrρ=2πrLdrρr

因此可計(jì)算雨凇單體凝固dr厚度凝固釋放的熱量dQ=dmβr，其中βr為凝固熱，表征單位質(zhì)量在凝固點(diǎn)0℃時(shí)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)所釋放的熱量。

由牛頓冷卻定律可知，在單位時(shí)間內(nèi)有：

Qt=hS(Tw-T0)

其中Qt為單位時(shí)間內(nèi)面積S上的傳熱熱量，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，Tw為環(huán)境溫度，T0為流體溫度，由于水的凝固點(diǎn)為0℃(即273.15K)，在考慮凝固放熱問(wèn)題時(shí)可將T0=273.15K。假設(shè)雨凇單體表面對(duì)流交換熱量時(shí)無(wú)熱量損失，則由能量守恒定律可得：

代入上述等式可得：

簡(jiǎn)化可得：

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的凝固熱βr約為3.36×105J/kg，考慮凝固過(guò)程雨凇單體密度ρr=0.85g/cm3不變，即可得ρrβr為常數(shù)項(xiàng)。此外，對(duì)流傳熱系數(shù)h與流體粘度μ、空氣流速v(即風(fēng)速)以及其他物理性質(zhì)φ有關(guān)，其中h與風(fēng)速vn(n為速度指數(shù)，一般取值0.5～0.6)成正比。由此可知，以水汽飽和為前提(即相對(duì)濕度≈100%)，在相同凝固時(shí)間情況下，當(dāng)風(fēng)速v越大、環(huán)境溫度Tw越低時(shí)，雨凇單體凝固半徑r越大。

霧凇是低溫時(shí)空氣中水汽直接凝華，或過(guò)冷霧滴直接凍結(jié)在物體上的乳白色冰晶物，常呈毛茸茸的針狀或表面起伏不平的粒狀，其密度ρf≈0.25g/cm3。為方便定量分析，將霧凇單體假設(shè)為冰球，設(shè)其球面半徑為r，在dt秒內(nèi)霧凇單體凝固的厚度為dr，與雨凇凝結(jié)過(guò)程相似，最終可得：

其中，βf為水汽的凝華熱(單位質(zhì)量水汽先凝結(jié)為水再凝固為冰釋放的總熱量)。霧凇單體半徑與環(huán)境溫度和風(fēng)速的關(guān)系與雨凇是相似的，其不同處在于，由于霧凇單體質(zhì)量小，因此其對(duì)風(fēng)力大小更為敏感。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)容易將霧凇從樹(shù)枝吹落，即在一般情況，霧凇常形成于靜風(fēng)或微風(fēng)條件下。對(duì)雨凇而言，盡管在相同條件下風(fēng)速越大，雨凇單體半徑越大，但在風(fēng)力超過(guò)其與樹(shù)干(或樹(shù)葉)摩擦力時(shí)，水滴亦無(wú)法凝固于樹(shù)枝上。因此，假設(shè)樹(shù)枝上存在一個(gè)雨凇(霧凇)單體(圖5)，在理想恒定風(fēng)速情況下，保持穩(wěn)定靜止時(shí)其能承受的最大風(fēng)力：

F(v)=μN(yùn)=μρVg

其中μ為摩擦力系數(shù)。因此可知，單位體積V的雨凇單體能承受的最大風(fēng)力F(v)約為霧凇單體的ρr/ρf≈3.4倍。

對(duì)2019年12月5-7日九仙山的雨凇過(guò)程，5日、6日午后均有陣性的小雨(圖3a)，樹(shù)干樹(shù)葉上長(zhǎng)時(shí)間存在水滴，同時(shí)空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度逼近或達(dá)到100%，環(huán)境溫度在5日午后下降至0℃以下并長(zhǎng)期維持至7日(圖3b)。不過(guò)測(cè)風(fēng)儀器在低溫中出現(xiàn)故障，5日夜里至7日清晨風(fēng)速風(fēng)向缺測(cè)。當(dāng)然，可就近參考德化本站的風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，6日在850hPa高度上(大致相當(dāng)于九仙山本站高度)的1h平均風(fēng)速介于8～12m/s之間，即有五到六級(jí)風(fēng)(圖3c)。因此，根據(jù)雨凇凝固關(guān)系以及上述環(huán)境條件，判定結(jié)凇期大約為5日夜里至7日凌晨，共37個(gè)小時(shí)。當(dāng)溫度迅速回升，同時(shí)相對(duì)濕度低于95%(誤差范圍考慮為±5%)即空氣不飽和時(shí)，雨凇單體凝固半徑不再變化；當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)0℃時(shí)，雨凇開(kāi)始融化。

(a)降水量(柱形) (b)溫度(實(shí)線)、相對(duì)濕度(虛線)和結(jié)凇期(陰影區(qū))

(c)德化風(fēng)廓線雷達(dá)850hPa逐時(shí)10min平均最大風(fēng)速 (d)露點(diǎn)溫度(實(shí)線)和氣壓(虛線)

對(duì)2020年1月27-30日的霧凇過(guò)程，27-29日九仙山長(zhǎng)時(shí)間籠罩在霧中，29日中午有微量降水(圖4a)，環(huán)境溫度略有波動(dòng)，整體維持下降趨勢(shì)；從28日夜里開(kāi)始至30日清晨，溫度長(zhǎng)期維持在0℃以下(圖4b)。平均風(fēng)速在28日12時(shí)至29日12時(shí)較小，均值為4.22m/s，在29日12時(shí)至30日12時(shí)風(fēng)速略有增大，均值為8.29m/s(圖4c)。同理可知，較明顯的結(jié)凇期為28日夜晨至30日夜晨，且由于降水量較少樹(shù)枝樹(shù)葉懸掛水滴偏少，因此表現(xiàn)為以霧凇景觀為主。此外，相較于2019年12月的雨凇過(guò)程，由于環(huán)境溫度波動(dòng)較大，空氣常介于飽和與未飽和之間(圖4d)，此次霧凇過(guò)程的結(jié)凇期是斷續(xù)的，共36個(gè)小時(shí)。

值得關(guān)注的是，2019年12月的雨凇過(guò)程和2020年1月的霧凇過(guò)程，其結(jié)凇期終止時(shí)段都是在最低溫度出現(xiàn)之后，此時(shí)對(duì)應(yīng)的均是中低層的高空槽過(guò)境后轉(zhuǎn)為晴好天氣，溫度迅速回暖，同時(shí)空氣轉(zhuǎn)為不飽和狀態(tài)，風(fēng)力開(kāi)始增大，雨、霧凇生成條件不再滿足，并在環(huán)境溫度大于0℃時(shí)開(kāi)始融化。

綜上所述，可知這兩次過(guò)程中預(yù)報(bào)雨、霧凇過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵要素：在有一定量降水前提下，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃，空氣飽和(即相對(duì)濕度臨近100%)且能維持較長(zhǎng)時(shí)間，平均風(fēng)速小于6級(jí)時(shí)，容易形成雨凇景觀；而當(dāng)僅有微量降水或長(zhǎng)時(shí)間位于霧中，且環(huán)境溫度低于0℃，空氣飽和以及平均風(fēng)速小于3級(jí)時(shí)，則常以霧凇景觀為主。此外，對(duì)結(jié)凇期的判定，可認(rèn)為當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃同時(shí)空氣相對(duì)濕度逼近100%時(shí)為結(jié)凇期的開(kāi)始點(diǎn)，以環(huán)境最低溫出現(xiàn)(之后相對(duì)濕度明顯下降)為結(jié)凇期的結(jié)束點(diǎn)，最佳的觀賞時(shí)間段則是在結(jié)凇期結(jié)束后至環(huán)境溫度升高超過(guò)0℃之前(一般為清晨，此時(shí)天氣轉(zhuǎn)為晴好，且雨凇、霧凇未完全融化)。

注:-2d、-1d、0d、 +1d和+2d分別對(duì)應(yīng)1月27日、28日、29日、30日和31日的08時(shí)， 橫坐標(biāo)時(shí)間起始為1月26日20時(shí)，時(shí)間終止為31日20時(shí)，刻度值為12h圖4 同圖3(2020年1月27-30日霧凇過(guò)程)

4 可預(yù)報(bào)性分析與模式應(yīng)用

針對(duì)2019年、2020年九仙山雨凇、霧凇過(guò)程，選用吳啟樹(shù)團(tuán)隊(duì)EC模式MOS方法訂正產(chǎn)品(FZECMOS：溫度、相對(duì)濕度、風(fēng))和福建省氣象臺(tái)EC模式MOS方法訂正產(chǎn)品(省臺(tái)ECMOS：風(fēng))進(jìn)行可預(yù)報(bào)性評(píng)估，其超前預(yù)報(bào)時(shí)間能力分別為48h、36h和24h。

對(duì)2019年12月5-7日雨凇過(guò)程，F(xiàn)ZECMOS三個(gè)不同時(shí)次(0420、0508和0520)起報(bào)的模式產(chǎn)品在前16～18個(gè)時(shí)次具有較小的預(yù)報(bào)誤差，超過(guò)這個(gè)時(shí)段后預(yù)報(bào)誤差迅速增大。

在逐時(shí)溫度的預(yù)報(bào)方面，溫度變化實(shí)況表現(xiàn)為自5日09時(shí)起至7日12時(shí)實(shí)況溫度在0℃以下波動(dòng)，其中在7日01時(shí)達(dá)到最低溫度-4.6℃。0420時(shí)次起報(bào)和0508時(shí)次起報(bào)溫度變化能較好反映出溫度下降低于0℃的時(shí)次，但在之后0420時(shí)次產(chǎn)品預(yù)報(bào)的溫度曲線整體均位于0℃以上，而0508時(shí)次產(chǎn)品亦反映在6日08時(shí)之后溫度上升至0℃以上。三個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)產(chǎn)品均未能反映出本次過(guò)程最低溫以及出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)(圖5a)。

對(duì)逐時(shí)的相對(duì)濕度預(yù)報(bào)與溫度預(yù)報(bào)方面相似，相對(duì)濕度實(shí)況變化為自5日15時(shí)起至7日01時(shí)相對(duì)濕度維持在90%之上。0420時(shí)次產(chǎn)品預(yù)報(bào)相對(duì)濕度初次達(dá)到90%是在6日08時(shí)之后，0508、0520時(shí)次產(chǎn)品則較好地把握了本次過(guò)程相對(duì)濕度達(dá)到90%的起始時(shí)間(5日15時(shí))，但對(duì)于相對(duì)濕度低于90%時(shí)間判斷，三個(gè)產(chǎn)品均反映出是在6日20時(shí)之后(實(shí)況則是在7日01時(shí))(圖5b)。

總體而言，F(xiàn)ZECMOS模式訂正產(chǎn)品在此次過(guò)程中，前16～18時(shí)次預(yù)報(bào)結(jié)果較為準(zhǔn)確，其中0508時(shí)次產(chǎn)品(超前36h)對(duì)低于0℃和相對(duì)濕度達(dá)到100%的時(shí)次判斷正確，能夠反映出結(jié)凇期的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)；0520時(shí)次(超前24h)較好反映整個(gè)結(jié)凇期的維持時(shí)間(低于0℃和相對(duì)濕度達(dá)到100%)，但對(duì)于結(jié)凇期的結(jié)束點(diǎn)，三個(gè)時(shí)次產(chǎn)品均未能準(zhǔn)確體現(xiàn)。不過(guò)值得注意的是，盡管FZECMOS模式溫度產(chǎn)品在時(shí)效18h之后與實(shí)況分歧增大，但總體變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)與實(shí)況仍是較為吻合，例如其判定的7日最低溫度出現(xiàn)時(shí)間亦在7日1～2時(shí)左右。

對(duì)2020年1月27-30日霧凇過(guò)程，F(xiàn)ZECMOS三個(gè)不同時(shí)次(2720、2808和2820)起報(bào)的模式產(chǎn)品與雨凇過(guò)程(2019年12月)的表現(xiàn)特征相似，其較高準(zhǔn)確性的預(yù)報(bào)時(shí)效在16～18h。逐時(shí)溫度、相對(duì)濕度預(yù)報(bào)在趨勢(shì)上與實(shí)況基本吻和，但對(duì)于最低溫度以及空氣轉(zhuǎn)為未飽和狀態(tài)的出現(xiàn)時(shí)次(即相對(duì)濕度小于90%)的存在較大誤差(圖5c、圖5d)。

圖5 2019年12月5-7日雨凇過(guò)程(a,b)和2020年1月27-30日霧凇過(guò)程(c,d)FZECMOS模式產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)預(yù)報(bào)結(jié)果(黑色實(shí)線為實(shí)況要素變化，彩色線為模式在不同時(shí)次起報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果)

在逐時(shí)平均風(fēng)速預(yù)報(bào)方面，三個(gè)時(shí)次的FZECMOS風(fēng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品無(wú)論是在趨勢(shì)或數(shù)值方面，均與實(shí)況存在較大偏差(圖略)。而省臺(tái)ECMOS模式則在對(duì)風(fēng)速變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)與實(shí)況較為接近，盡管其未能反映出29日00時(shí)-06時(shí)的微風(fēng)和靜風(fēng)階段，但預(yù)報(bào)的風(fēng)速數(shù)值均在8m/s以下，且對(duì)該時(shí)段之后風(fēng)力增強(qiáng)趨勢(shì)以及后期30日08時(shí)的減弱趨勢(shì)有所反應(yīng)。

綜上可知，在這兩次過(guò)程中，F(xiàn)ZECMOS和省臺(tái)ECMOS模式產(chǎn)品對(duì)雨、霧凇過(guò)程中結(jié)凇期的氣象要素條件具有一定的預(yù)報(bào)能力：FZECMOS模式超前時(shí)效48h和36h產(chǎn)品對(duì)結(jié)凇期起始時(shí)間點(diǎn)預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，超前時(shí)效24h產(chǎn)品能較好反映結(jié)凇期的維持時(shí)間，但對(duì)于結(jié)凇期的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，三個(gè)時(shí)次產(chǎn)品均無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)。此外，對(duì)比兩次過(guò)程中實(shí)況溫度和預(yù)報(bào)溫度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況均較為相似，對(duì)+1d(即兩次過(guò)程中12月7日、1月30日)的溫度預(yù)報(bào)誤差穩(wěn)定偏高4～5℃，存在可訂正優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論

對(duì)比分析兩次雨凇、霧凇過(guò)程的天氣形勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，冬季時(shí)高空有短波槽波動(dòng)?xùn)|移、冷空氣南下并伴有降水，700～850hPa存在逆溫層以及環(huán)境溫度劇烈下降至0℃以下，是九仙山出現(xiàn)雨凇或霧凇的氣象條件。在降水明顯且低空有過(guò)冷層的情況下易生成雨凇(2019年12月6日)，在僅有微量降水，同時(shí)處于在靜風(fēng)或微風(fēng)條件下則常以霧凇為主(2020年1月29日)。

對(duì)雨凇、霧凇形成的物理過(guò)程進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，兩者單體的生成半徑均與環(huán)境溫度和風(fēng)速有關(guān)：在理想條件下，同等時(shí)間中風(fēng)速越大、環(huán)境溫度越低，單體生成半徑越長(zhǎng)。兩者不同之處在于霧凇較雨凇相比密度較小，即單體質(zhì)量小，因此其對(duì)風(fēng)力大小更為敏感。根據(jù)兩次過(guò)程實(shí)際雨凇和霧凇生成環(huán)境氣象條件判斷，霧凇生成最大理想風(fēng)速為3級(jí)(3.4～5.4m/s)，而雨凇則為6級(jí)(10.8～13.8m/s)。

兩次過(guò)程中對(duì)雨凇或霧凇的結(jié)凇期判定，可認(rèn)為當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃同時(shí)空氣相對(duì)濕度逼近100%時(shí)為結(jié)凇期的開(kāi)始點(diǎn)，以環(huán)境最低溫出現(xiàn)(之后相對(duì)濕度明顯下降)為結(jié)凇期的結(jié)束點(diǎn)，最佳觀賞時(shí)間段則是在結(jié)凇期結(jié)束后至環(huán)境溫度升高超過(guò)0℃之前(一般為清晨，此時(shí)天氣轉(zhuǎn)為晴好，且雨凇、霧凇未完全融化)。

吳啟樹(shù)團(tuán)隊(duì)FZECMOS模式超前時(shí)效48h和36h產(chǎn)品對(duì)結(jié)凇期起始時(shí)間點(diǎn)預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，超前時(shí)效24h產(chǎn)品能較好反映結(jié)凇期的維持時(shí)間，但對(duì)于結(jié)凇期的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)三個(gè)時(shí)次產(chǎn)品均無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)。此外，對(duì)比兩次過(guò)程中實(shí)況溫度和預(yù)報(bào)溫度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況均較為相似，存在可訂正優(yōu)化的空間。