康麗莉 姜瑜君* 鄧芳萍 周象賢

1 浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州 310008 2 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014

提 要： 基于改進(jìn)的層結(jié)分析法，對(duì)2008—2019年我國(guó)出現(xiàn)的5次嚴(yán)重凍雨過(guò)程的凍雨落區(qū)及凍雨出現(xiàn)的海拔高度進(jìn)行了推算，并利用全國(guó)地面2000多個(gè)地面測(cè)站的雨凇觀測(cè)數(shù)據(jù)及電網(wǎng)覆冰災(zāi)情資料進(jìn)行了驗(yàn)證。改進(jìn)算法后推算的凍雨落區(qū)不僅涵蓋了地面觀測(cè)的雨凇分布區(qū)域，還涵蓋了無(wú)雨凇觀測(cè)但出現(xiàn)嚴(yán)重凍雨災(zāi)情的山區(qū)，且推算的凍雨出現(xiàn)海拔高度與實(shí)際災(zāi)情出現(xiàn)高度也較為一致，從而較好地解釋了復(fù)雜地形條件下出現(xiàn)明顯凍雨災(zāi)情而未見(jiàn)地面雨凇觀測(cè)記錄的現(xiàn)象。推算獲取的5次凍雨落區(qū)疊加后表明：中國(guó)南方地區(qū)存在一條從貴州、湖南、江西到浙江，自西向東、凍雨頻次由高到低的凍雨帶。該凍雨帶往北可發(fā)展到達(dá)四川、重慶、湖北、安徽南部，往南則可抵達(dá)云南、廣西、廣東和福建北部，其南部分布邊緣與我國(guó)南方山脈走向較為一致。凍雨區(qū)域上空普遍存在“冷-暖-冷”的層結(jié)特征，而在浙江省，廣西、廣東和福建三省(自治區(qū))的北部等地形起伏度較大的地區(qū)，則具有“暖-冷-暖-冷”的層結(jié)特點(diǎn)，即近地面存在氣溫高于0℃的淺薄暖層。因而，浙江省和福建北部的凍雨主要出現(xiàn)在海拔高度為300～400 m以上的山區(qū)，廣西東北部和廣東西北部還受深厚暖層影響，凍雨多出現(xiàn)在海拔高度為300～1 300 m的山腰區(qū)域。

引 言

2008年我國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)的大范圍冰凍雨雪天氣引起社會(huì)的極大關(guān)注，許多學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)這次凍雨過(guò)程進(jìn)行了全面分析，得出了很多有意義的研究結(jié)論(丁一匯等，2008；黎惠金等，2011)。由于常規(guī)氣象觀測(cè)中凍雨是用地面氣象站觀測(cè)的雨凇記錄來(lái)判識(shí)的，因此，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有關(guān)于凍雨落區(qū)的研究結(jié)論均基于氣象站觀測(cè)的雨凇數(shù)據(jù)，即只有在氣象站觀測(cè)到雨凇才能確定該區(qū)域出現(xiàn)了凍雨(宗志平等，2013；索渺清等，2018；汪衛(wèi)平等，2020)。然而有些地區(qū)的地面氣象站在冬季常常觀測(cè)不到雨凇，但附近海拔較高的山區(qū)往往能出現(xiàn)雨凇天氣現(xiàn)象。例如，2008年1月浙江省只有個(gè)別氣象站有少量雨凇現(xiàn)象記錄，但據(jù)浙江省電網(wǎng)覆冰災(zāi)情調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，1月27日至2月1日期間，出現(xiàn)了全省范圍的嚴(yán)重輸電線路雨凇覆冰災(zāi)情，線路桿塔事故點(diǎn)主要分布在海拔高度為400～800 m的山區(qū)(顧駿強(qiáng)等，2010)?？梢?jiàn)，僅僅利用地面氣象站的雨凇觀測(cè)記錄分析凍雨落區(qū)，在地形起伏度較大的地區(qū)，可能出現(xiàn)凍雨落區(qū)范圍被嚴(yán)重低估的情況。

許愛(ài)華等(2011)分析江西的凍雨氣候特征后發(fā)現(xiàn)，山區(qū)出現(xiàn)凍雨的概率明顯高于其他地區(qū)，這一現(xiàn)象也在安徽南部(王傳輝等，2020)、廣西東北部(唐熠等，2011)、廣東西北部(毛先胤等，2012)的觀測(cè)事實(shí)中被證實(shí)。雖然這些研究中提到凍雨多發(fā)生在山區(qū)的事實(shí)，但均未進(jìn)行深入的成因分析及機(jī)理探討，因?yàn)槟壳爸荒茉诔Ｒ?guī)地面氣象站開(kāi)展雨凇觀測(cè)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)山區(qū)凍雨的有效自動(dòng)觀測(cè)。凍雨之所以被關(guān)注，主要在于其導(dǎo)致的覆冰災(zāi)害。強(qiáng)凍雨過(guò)程所致的雨凇覆冰會(huì)對(duì)交通、輸電線路、通訊線路、林業(yè)和農(nóng)業(yè)等造成較大的影響，也因而有較多的災(zāi)情調(diào)查資料。凍雨災(zāi)情資料反映了凍雨的分布和強(qiáng)度，可以作為地面觀測(cè)站雨凇數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，尤其是山區(qū)的凍雨災(zāi)情資料，可以填補(bǔ)山區(qū)凍雨觀測(cè)資料的空白。凍雨災(zāi)情中，輸電線路覆冰災(zāi)情最有使用價(jià)值(楊靖波等，2008；李慶峰等，2008)，一是因?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，覆蓋面比較廣；二是由于用地緊張等因素，輸電走廊多選擇在山區(qū)，正好是凍雨多發(fā)的區(qū)域；三是凍雨對(duì)電網(wǎng)影響很大，電力公司非常重視，災(zāi)情記錄比較詳細(xì)。從目前凍雨影響的文獻(xiàn)記載來(lái)看，凍雨對(duì)輸電線路的影響分析也是最多的。如：黃子平等(2005)指出2005年華中電網(wǎng)冰閃事故中輸電線路覆冰超過(guò)50 mm；王凌等(2008)評(píng)估2008年凍雨災(zāi)害對(duì)我國(guó)南方電力運(yùn)行造成的災(zāi)難性影響；胡艷楠等(2017)在2009—2013年華中電網(wǎng)線路覆冰在線觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)湖北省500 kV高壓輸電線路的實(shí)時(shí)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，2010年2月、2011年1月、2012年1月和12月都觀測(cè)到了線路積冰。所以，利用輸電線路覆冰災(zāi)情記錄作為地面氣象站觀測(cè)的雨凇數(shù)據(jù)的補(bǔ)充來(lái)確定凍雨落區(qū)是比較可行的。

數(shù)量豐富且較為準(zhǔn)確的凍雨災(zāi)情數(shù)據(jù)，可以被應(yīng)用于構(gòu)建合適的凍雨落區(qū)判識(shí)模型。目前的大多數(shù)研究較為一致地認(rèn)為凍雨與逆溫層有很好的相關(guān)性。如：宗志平和馬杰(2011)指出逆溫層強(qiáng)度與凍雨強(qiáng)度變化之間存在明顯關(guān)系；陶玥等(2012)揭示了逆溫區(qū)范圍和凍雨落區(qū)的差異，并把凍雨的形成條件總結(jié)為：高層存在凍結(jié)層，中低層存在一個(gè)融化層(溫度高于0℃)和一個(gè)貼近地面的冷凍層(溫度低于0℃)，即出現(xiàn)凍雨的區(qū)域上空有明顯“冷-暖-冷”的層結(jié)特征；孫建華和趙思雄(2008)研究指出，最有利于凍雨產(chǎn)生的層結(jié)條件應(yīng)當(dāng)有中層凍結(jié)層、暖層、逆溫層, 且這些層結(jié)的強(qiáng)度和厚度要適當(dāng)，最有利于凍雨出現(xiàn)的地面溫度在-3～-1℃；羅海波等(2010)強(qiáng)調(diào)除了有利的層結(jié)條件，還需具備地面在0℃以下的條件和少量的降水；馬曉剛等(2010)提出的凍雨落區(qū)概念模型中也是利用凍雨的層結(jié)特點(diǎn)，結(jié)合地面0℃線作為判斷條件之一。可見(jiàn)，利用“冷-暖-冷”的層結(jié)特點(diǎn)判斷凍雨落區(qū)是諸多研究的共識(shí)，有些還附加了地面有少量降水和地面氣溫在0℃以下的判識(shí)條件。但在實(shí)際分析中發(fā)現(xiàn)，凍雨期間的降水會(huì)直接凍結(jié)在雨量桶上而不能及時(shí)體現(xiàn)在降水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上，因此考慮地面降水可能會(huì)造成凍雨漏報(bào)；而以地面氣象站氣溫在0℃以下為條件也會(huì)遺漏只出現(xiàn)在海拔較高地區(qū)的凍雨。因此，本文認(rèn)為在凍雨判識(shí)時(shí)僅用層結(jié)分析法更為合適?？蝶惱虻?2017)基于歐洲中心的全球再分析資料ERA-Interim(0.5°×0.5°)，采用每個(gè)格點(diǎn)向上計(jì)算層結(jié)的方法推算出浙江省2008年的凍雨落區(qū)和出現(xiàn)高度，合理地解釋了出現(xiàn)在較高海拔區(qū)域的輸電線路雨凇覆冰，但是未對(duì)凍雨多發(fā)的貴州、湖南等地的凍雨進(jìn)行推算和分析，且研究的凍雨個(gè)例也偏少。本文將針對(duì)我國(guó)34°N以南的地區(qū)2008年以來(lái)的幾次嚴(yán)重凍雨過(guò)程，首先采用地面測(cè)站的雨凇數(shù)據(jù)，結(jié)合輸電線路覆冰災(zāi)情資料分析凍雨落區(qū)。然后，基于歐洲中心的全球再分析資料ERA-Interim(0.25°×0.25°)，采用“冷-暖-冷”層結(jié)判斷的推算方法進(jìn)行凍雨落區(qū)推算，并利用前面分析得到的凍雨落區(qū)對(duì)推算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后，給出我國(guó)南方地區(qū)凍雨分布的空間分布特點(diǎn)。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文用到的資料有：(1)全國(guó)2 000多個(gè)地面氣象站2008—2019年的雨凇日數(shù)。將日雨凇站數(shù)超過(guò)100站且持續(xù)3 d及以上的凍雨過(guò)程作為一次強(qiáng)凍雨過(guò)程。2008年從1月10日至2月2日出現(xiàn)了4次強(qiáng)凍雨過(guò)程(孫建華和趙思雄，2008)，選擇第三次最為嚴(yán)重的過(guò)程作為分析對(duì)象。隨后選擇了2011年1月2—6日、2013年1月3—7日、2018年1月25—27日以及2019年2月9—11日。(2)為了進(jìn)行凍雨落區(qū)推算，本文匹配了強(qiáng)凍雨個(gè)例同期的歐洲中心的全球再分析資料ERA-Interim(0.25°×0.25°)，垂直分層有37層，每日有4次數(shù)據(jù)(00、06、12和18時(shí)；世界時(shí)，下同)。(3)收集了強(qiáng)凍雨個(gè)例期間的各類覆冰災(zāi)情數(shù)據(jù)，包括文獻(xiàn)記載的各省輸電線路覆冰災(zāi)情，以及電網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的覆冰災(zāi)情資料等。

1.2 凍雨推算方法

凍雨落區(qū)推算的思路為：分析逐時(shí)逐格點(diǎn)溫度層結(jié)情況，如果滿足凍雨出現(xiàn)的條件，就認(rèn)為該時(shí)次該格點(diǎn)出現(xiàn)了一次凍雨，再分析資料逐日4次數(shù)據(jù)中有一次滿足凍雨出現(xiàn)的條件就將之判識(shí)為凍雨日。具體的推算方法是，每個(gè)格點(diǎn)從最底層開(kāi)始垂直向上計(jì)算是否滿足“冷-暖-冷”層結(jié)，并對(duì)中間暖層和底層冷層厚度設(shè)定一定的閾值。由圖1可知，5次凍雨過(guò)程上空均對(duì)應(yīng)有“冷-暖-冷”的層結(jié)結(jié)構(gòu)，但是中間暖層高度差異較大，如2008年凍雨過(guò)程的中間暖層在700 hPa左右(圖1b)，2011年(圖1c)、2018年(圖1e)和2019年(圖1f)凍雨過(guò)程的中間暖層在750 hPa左右，而2013年凍雨過(guò)程的中間暖層在850 hPa左右(圖1d)。因此，業(yè)務(wù)中不宜簡(jiǎn)單地采用850 hPa和700 hPa兩層的0℃等溫線判斷凍雨落區(qū)。5次凍雨過(guò)程中，2008年的凍雨過(guò)程具有非常典型的“冷-暖-冷”的層結(jié)特點(diǎn)(圖1a)，底層冷層厚度在500～3 000 m，中間暖層厚度大致在500～3 600 m。其他4次凍雨過(guò)程的底層冷層厚度和中間暖層厚度均比2008年的淺薄。因此這里以2008年個(gè)例來(lái)確定的閾值區(qū)間，也可以滿足其他4次凍雨過(guò)程。在馬曉剛等(2010)的研究中，雨滴從暖層進(jìn)入底層冷層變成過(guò)冷雨滴，底層冷層厚度至少在430 m以上。因此本研究中底層冷層厚度最低取400 m，冷層厚度上限取3 000 m；中間暖層厚度也取大于400 m，暖層厚度上限取3 600 m。根據(jù)設(shè)定的閾值，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如果滿足條件，就認(rèn)為該格點(diǎn)出現(xiàn)了一次凍雨。從圖1d和1f也可以看出，2013年和2019年的2次凍雨過(guò)程近地面層氣溫在0℃以上，而往上幾百米則出現(xiàn)低于0℃的冷層，形成“暖-冷-暖-冷”的層結(jié)特點(diǎn)，在該層結(jié)特點(diǎn)背景下，出現(xiàn)地面臺(tái)站未觀測(cè)到雨凇而山區(qū)出現(xiàn)覆冰災(zāi)情的情況。在這里，本文將底層冷層出現(xiàn)的底部高度，作為凍雨出現(xiàn)的最低海拔高度。

圖1 基于再分析資料的(a)2008年1月27日18時(shí)沿113°E的溫度層結(jié)分布，(b)2008年1月26—27日沿113°E、(c)2011年1月2—4日沿111°E、(d)2013年1月6—7日沿122°E、(e)2018年1月26—27日沿115°E和(f)2019年2月10—11日沿120°E的0℃等溫線剖面Fig.1 The stratification structure profile at 1800 UTC 27 January 2008 along 113°E (a), and the vertical cross profiles of the 0℃ isothermal line during 26-27 January 2008 along 113°E (b), 2-4 January 2011 along 111°E (c), 6-7 January 2013 along 122°E (d), 26-27 January 2018 along 115°E (e), and 10-11 February 2019 along 120°E (f) based on global reanalysis data

另外，黃山、廬山、南岳、峨眉山，以及貴州一些海拔高度在1 000 m以上的高山氣象站，每年都有較多的雨凇日數(shù)。李登文等(2009)利用威寧和貴陽(yáng)兩站的多年探空觀測(cè)記錄分析發(fā)現(xiàn)貴州西部高海拔地區(qū)以沒(méi)有融化層的“單層結(jié)構(gòu)”為主，其他大部分地區(qū)則為“兩層結(jié)構(gòu)”。這說(shuō)明海拔高度在1 000 m以上的高山氣象站與一般的低海拔氣象站雨凇的形成過(guò)程有很大區(qū)別(張昕等，2015)。鑒于華南地區(qū)較低海拔區(qū)域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)更多，受凍雨天氣影響更大，為獲取我國(guó)34°N以南區(qū)域大范圍凍雨落區(qū)特征，本文重點(diǎn)關(guān)注海拔高度1 000 m以下的凍雨，采用典型的“冷-暖-冷”層結(jié)進(jìn)行推算，在實(shí)際處理過(guò)程中去掉底層冷層出現(xiàn)高度大于1 000 m的格點(diǎn)，同時(shí)也剔除地面氣象站海拔高度高于1 000 m的站點(diǎn)的雨凇數(shù)據(jù)。

2 基于觀測(cè)的南方地區(qū)凍雨落區(qū)分析

2.1 2008年凍雨落區(qū)分析

2008年1月10日至2月2日共出現(xiàn)了4次強(qiáng)凍雨過(guò)程。其中，1月25—29日的凍雨過(guò)程是最強(qiáng)的1次，期間氣象站觀測(cè)的雨凇分布如圖2所示，貴州、湖南、江西，湖北和安徽南部，觀測(cè)到雨凇天氣的站數(shù)較多，且大部分測(cè)站觀測(cè)到4～5 d 的雨凇天氣，體現(xiàn)出此次凍雨過(guò)程之強(qiáng)、影響之廣，實(shí)屬罕見(jiàn)。圖2中也可以看到，浙江省氣象站觀測(cè)到的雨凇天氣相對(duì)較少，而且集中在浙北區(qū)域。然而，從此次凍雨期間浙江電網(wǎng)覆冰的倒塔點(diǎn)分析，浙江省大部分地區(qū)都出現(xiàn)了電網(wǎng)覆冰倒塔的事故，尤其在浙江省中部分布最多，一直延伸到近海區(qū)域。圖3中浙江電網(wǎng)覆冰倒塔點(diǎn)的海拔高度集中在400～700 m，而浙江省90%以上的氣象站海拔高度在200 m以下，因此事故點(diǎn)鄰近的地面氣象站也未獲取相應(yīng)程度的凍雨觀測(cè)結(jié)果，所以在分析凍雨落區(qū)時(shí)電網(wǎng)覆冰災(zāi)情即成為重要的補(bǔ)充材料。此外，在沒(méi)有雨凇地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的廣東北部(劉平原等，2010)、閩西北山區(qū)(林敏，2009)均在高海拔山區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍雨覆冰災(zāi)害。總的來(lái)說(shuō)，2008年1月25—29日，強(qiáng)凍雨實(shí)際落區(qū)范圍應(yīng)包括：貴州、湖南、江西、浙江大部，重慶、湖北、安徽的南部，廣西、廣東和福建北部，以及其他一些省份的局部區(qū)域。

圖2 2008年1月25—29日地面氣象站雨凇累計(jì)日數(shù)(數(shù)字為日數(shù)，單位：d；紅色γ為浙江省輸電線路覆冰倒塔點(diǎn))Fig.2 The accumulative glaze days at ground meteorological stations from 25 to 29 January 2008(Numbers are glaze days， unit： d, the red γ is the point of the iced and toppled transmission line tower in Zhejiang Province)

圖3 2008年初浙江省輸電線路倒塔點(diǎn)的海拔高度分布Fig.3 The altitude distribution of the iced and toppled transmission line tower in Zhejiang Province in early 2008

2.2 強(qiáng)凍雨個(gè)例實(shí)際落區(qū)分析

表1為2008—2019年5次強(qiáng)凍雨過(guò)程期間觀測(cè)的雨凇分布情況和同期電網(wǎng)覆冰災(zāi)情的補(bǔ)充資料。2008年的電網(wǎng)覆冰災(zāi)情補(bǔ)充資料表明，在雨凇出現(xiàn)日數(shù)較少的浙江省大部、福建省西北部和廣東省北部也出現(xiàn)嚴(yán)重的電網(wǎng)覆冰。2011年的電網(wǎng)覆冰災(zāi)情補(bǔ)充資料顯示，廣西出現(xiàn)雨凇的站數(shù)較少，但覆冰災(zāi)情較嚴(yán)重。2013年1月3—8日，浙江省地面氣象站未觀測(cè)到雨凇，但在局部山區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重凍雨災(zāi)情，其中，寧波北侖地區(qū)輸電線路覆冰厚度達(dá)20～30 mm。2018年1月江西出現(xiàn)雨凇的站數(shù)也較少，但電網(wǎng)覆冰災(zāi)情顯示江西省海拔高度300 m以上的山區(qū)出現(xiàn)較大范圍的覆冰過(guò)載事故，嚴(yán)重程度僅次于2008年。2019年觀測(cè)到的雨凇站數(shù)較少，但在湖北、安徽和浙江的高海拔山區(qū)出現(xiàn)20 mm 以上的電網(wǎng)覆冰。

表1 2008—2019年5次強(qiáng)凍雨過(guò)程的雨凇分布及電網(wǎng)災(zāi)情補(bǔ)充資料Table 1 Distribution of glaze days at observatories and ice disaster data of power grid during the five heavy freezing rain cases from 2008 to 2019

從分析的5次凍雨過(guò)程的落區(qū)來(lái)看，2008年1月25—29日是凍雨最嚴(yán)重的一次過(guò)程，其后的幾次凍雨出現(xiàn)范圍大致在2008年凍雨落區(qū)的范圍之內(nèi)。2008年整個(gè)凍雨區(qū)都出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍雨覆冰，但后面的幾次強(qiáng)凍雨過(guò)程，只在部分凍雨區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的凍雨覆冰。

3 我國(guó)南方凍雨落區(qū)的推算

3.1 冷層和暖層厚度取值

底層冷層厚度和中間暖層厚度的閾值取值，對(duì)凍雨落區(qū)推算是有直接影響的，本文選擇最為典型的2008年1月25—29日的凍雨過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)?shù)讓永鋵雍穸热?00～3 000 m、中間暖層厚度取400～3 600 m時(shí)，分析結(jié)果表明北部?jī)鲇攴秶云?，而南部?jī)鲇攴秶云?，其余部分與凍雨落區(qū)吻合得較好。之后，再對(duì)冷層和暖層厚度閾值取值調(diào)整也未見(jiàn)改善(圖4a)。劉朝茹等(2015)、歐建軍等(2011)、余金龍等(2017)分析凍雨的層結(jié)特點(diǎn)時(shí)，指出存在兩種逆溫層結(jié)構(gòu)，一是有暖層(即“冷-暖-冷”層結(jié))，二是無(wú)暖層(存在逆溫層結(jié)構(gòu)，但中間暖層氣溫小于0℃的情況)。層結(jié)結(jié)構(gòu)中有無(wú)暖層是根據(jù)每日兩個(gè)時(shí)次的探空資料判斷的，因此不可避免地會(huì)存在每日兩個(gè)時(shí)次的探空資料中無(wú)大于0℃暖層，但在兩個(gè)時(shí)次的間隔期間有可能出現(xiàn)大于0℃暖層的情形。本文采用的再分析資料也是每日只有四個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù)，同樣存在類似的情況。因此，在實(shí)際操作中把中間暖層的最低溫度取為-1.0℃，可以較好地考慮四個(gè)時(shí)次間隔期間可能出現(xiàn)大于0℃暖層的情形，推算結(jié)果最佳(篇幅限制，具體結(jié)果未列出)。另外，圖1中25°N以南的底層冷層較薄，在500～1 000 m ；而其上的暖層深厚，且暖層中心最高氣溫可達(dá)7～10℃，導(dǎo)致從暖層下落到淺薄冷層的雨滴未能成為過(guò)冷雨滴，落到地面不能形成雨凇。所以在凍雨落區(qū)判識(shí)中將暖層溫度高于7℃且底層冷層厚度低于1 000 m的格點(diǎn)判識(shí)為非凍雨格點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)改進(jìn)后，推算獲取的凍雨落區(qū)(圖4b)顯示北部?jī)鲇旰湍喜績(jī)鲇攴秶加忻黠@改進(jìn)，與實(shí)際情況更為吻合。推算的落區(qū)不僅覆蓋了地面觀測(cè)多雨凇的站點(diǎn)，也涵蓋了地面氣象站無(wú)雨凇觀測(cè)但出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰的區(qū)域，推算效果較好，可以用于日常氣象業(yè)務(wù)的凍雨落區(qū)分析。

3.2 凍雨落區(qū)推算結(jié)果分析

圖4b為利用再分析資料推算的2008年1月25—29日的凍雨出現(xiàn)日數(shù)，其推算結(jié)果與羅海波等(2010)的結(jié)論基本一致，貴州、湖南、江西中南部地區(qū)出現(xiàn)5 d的凍雨，浙江中部也有5 d，推算結(jié)果與凍雨實(shí)際落區(qū)是吻合的。圖5是推算的該時(shí)段凍雨出現(xiàn)的最低海拔高度。湖南大部、江西北部、湖北、安徽，凍雨出現(xiàn)的海拔高度最低，在200 m以下。這些地區(qū)是觀測(cè)到雨凇日數(shù)站點(diǎn)最密的地區(qū)，各觀測(cè)站觀測(cè)到的雨凇日數(shù)也最多，說(shuō)明運(yùn)用該方法獲取的凍雨落區(qū)分布可以從地面觀測(cè)站的雨凇數(shù)據(jù)得到很好的輔助證明。廣西、廣東、福建三省(自治區(qū))的北部和浙江省全省，凍雨出現(xiàn)的海拔高度較高，基本在300 m以上，與之匹配的地面觀測(cè)站雨凇日數(shù)相對(duì)較少，但高海拔山區(qū)出現(xiàn)的嚴(yán)重的凍雨災(zāi)情結(jié)合事故發(fā)生地海拔高度，很好地解釋了地形起伏度較大的區(qū)域，低海拔地面測(cè)站無(wú)法獲取凍雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，但附近山區(qū)卻實(shí)際存在凍雨現(xiàn)象的事實(shí)。

圖4 2008年1月25—29日推算的凍雨累計(jì)日數(shù)(填色)(a)推算方法改進(jìn)前,(b)推算方法改進(jìn)后(黑色數(shù)字為同期氣象站累計(jì)凍雨日數(shù)，單位：d；下同)Fig.4 The calculated accumulative days of freezing rain from 25 to 29 January 2008 (colored) (a) before the improvement of calculation method， (b) after the improvement of calculation method(Numbers are accumulative glaze days at observatories in the same period, unit: d; the same below)

圖5 利用再分析資料推算的2008年1月25—29日凍雨最低出現(xiàn)高度(填色)Fig.5 The minimum occurrence altitude of freezing rain from 25 to 29 January 2008 calculated by using global reanalysis data (colored)

利用同樣的方法推算出另外4次凍雨過(guò)程的落區(qū)。2011年地面觀測(cè)雨凇主要分布在貴州和湖南地區(qū)，推算結(jié)果顯示(圖6a)湖南和貴州確實(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍雨，凍雨頻次很高。與地面測(cè)站的雨凇分布不同的是，推算結(jié)果中江西和浙江也出現(xiàn)了較多的凍雨日數(shù)。從凍雨出現(xiàn)的海拔高度來(lái)看(圖6b)，江西和浙江凍雨出現(xiàn)的海拔高度較高，基本在海拔400 m以上。江西和浙江的凍雨與湖南和貴州相比，凍雨日數(shù)少且出現(xiàn)海拔較高，所以這次凍雨在湖南和貴州造成嚴(yán)重的影響，對(duì)江西和浙江的影響較小。

圖6 利用再分析資料推算的2011年1月2—6日的凍雨累計(jì)日數(shù)(a,填色)和凍雨最低出現(xiàn)高度(b,填色)Fig.6 The accumulative days of freezing rain (a， colored) and the minimum occurrence altitude of freezing rain (b, colored) from 2 to 6 January 2011 calculated by using global reanalysis data

2013年1月3—7日，在貴州、湖南和江西觀測(cè)到較多的雨凇日數(shù)，但從推算的凍雨范圍和日數(shù)來(lái)看(圖7a)，不僅涵蓋了有雨凇的區(qū)域，還包括了沒(méi)有觀測(cè)到雨凇的浙江省。此次凍雨過(guò)程中心的雨凇日數(shù)雖然也達(dá)到了5 d，但該區(qū)域?qū)嶋H的電網(wǎng)覆冰災(zāi)情并不嚴(yán)重，如浙江省中部的金華、紹興山區(qū)出現(xiàn)了10 mm左右的輸電線路覆冰。然而，在推算的凍雨日數(shù)只有3 d的寧波北侖卻有10多條輸電線路出現(xiàn)厚度30 mm以上的嚴(yán)重覆冰，分布在海拔高度300～400 m以上的山區(qū)(圖7b)。由此可見(jiàn)，凍雨持續(xù)日數(shù)與凍雨強(qiáng)弱并不完全一致，持續(xù)2～3 d的強(qiáng)凍雨也可以造成嚴(yán)重的雨凇覆冰，需要對(duì)這種強(qiáng)凍雨進(jìn)一步開(kāi)展專門的研究。

圖7 同圖6，但為2013年1月3—7日Fig.7 Same as Fig.6, but from 3 to 7 January 2013

在2018年的凍雨過(guò)程中，江西省電網(wǎng)覆冰統(tǒng)計(jì)資料顯示：江西電網(wǎng)在300 m的山區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的輸電線路覆冰災(zāi)情，上百條輸電線路出現(xiàn)雨凇覆冰，最大覆冰厚度達(dá)40～50 mm。而地面氣象站觀測(cè)的雨凇主要分布在貴州、湖南、江西北部，以及湖北南部和安徽南部。推算的凍雨分布則包含了江西省大部分區(qū)域(圖8a)，與江西電網(wǎng)的覆冰災(zāi)情更為符合。從覆冰出現(xiàn)的海拔高度(圖8b)來(lái)看，江西中南部區(qū)域凍雨出現(xiàn)的海拔高度在300 m以上，也與電網(wǎng)覆冰的實(shí)際海拔高度吻合。因此，運(yùn)用本文方法推算的凍雨落區(qū)分布一方面可以輔助地面觀測(cè)，提供更加精細(xì)化的凍雨空間分布特征情況；另一方面可以體現(xiàn)出凍雨現(xiàn)象出現(xiàn)的海拔高度差異，更好地描述復(fù)雜地形條件下凍雨的實(shí)際分布。

圖8 同圖6，但為2018年1月25—27日Fig.8 Same as Fig.6, but from 25 to 27 January 2018

2019年2月這次凍雨過(guò)程，觀測(cè)的雨凇的站數(shù)較少，主要出現(xiàn)在湖南中北部、湖北和安徽南部。浙江省沒(méi)有雨凇數(shù)據(jù)，但在浙江中部出現(xiàn)了較明顯的電網(wǎng)覆冰，甚至在湖州德清海拔高度500 m以上的莫干山還出現(xiàn)了輸電線路覆冰致倒塔的事故，觀測(cè)的覆冰厚度達(dá)24 mm。推算的凍雨范圍包括了觀測(cè)到雨凇的站點(diǎn)，也包括了出現(xiàn)覆冰事故的浙江中北部(圖9a)?？梢?jiàn)推算的結(jié)果也很符合實(shí)際的凍雨分布。圖9b顯示的凍雨出現(xiàn)高度表明，浙江省凍雨出現(xiàn)的海拔較高，與湖州德清地區(qū)發(fā)生實(shí)際災(zāi)情的海拔高度是一致的。總的來(lái)說(shuō)，這次過(guò)程的凍雨落區(qū)推算結(jié)果與地面資料分析的凍雨落區(qū)吻合較好，還能比較準(zhǔn)確地描述凍雨出現(xiàn)的海拔高度。

圖9 同圖6，但為2019年2月9—11日Fig.9 Same as Fig.6, but from 9 to 11 February 2019

4 凍雨的空間分布特點(diǎn)

4.1 凍雨水平分布特點(diǎn)

本文將5次強(qiáng)凍雨過(guò)程推算的凍雨日數(shù)進(jìn)行逐格點(diǎn)的累加，分析南方地區(qū)凍雨落區(qū)的水平分布特點(diǎn)。宗志平等(2013)通過(guò)分析1978—2008年62次低溫雨雪冰凍過(guò)程事件得出，凍雨主要分布在貴州、湖南、江西、湖北和河南等省份。而本文補(bǔ)充輸電線路覆冰災(zāi)情補(bǔ)充資料后，認(rèn)為中國(guó)南方地區(qū)存在一條從貴州、湖南、江西到浙江的凍雨帶。由再分析資料推算的5次強(qiáng)凍雨累加后的分布來(lái)看(圖10)，中國(guó)南方地區(qū)確實(shí)存在一條從貴州、湖南、江西到浙江的凍雨帶，其中貴州最嚴(yán)重，湖南次之，江西和浙江略輕。但相比其他省份，這四個(gè)省份的凍雨最為嚴(yán)重，有些年份可能會(huì)往北擴(kuò)展到四川、重慶、湖北、安徽南部；有些年份會(huì)往南擴(kuò)展到云南、廣西、廣東、福建北部。其中，位于東南沿海的浙江省，廣東北部，福建北部等東南丘陵地帶，由于其地形起伏度較大，且在凍雨期間低海拔地面站氣溫往往略高于0℃而觀測(cè)不到雨凇天氣，但在海拔較高的山區(qū)常常出現(xiàn)凍雨災(zāi)情。

圖10 5次強(qiáng)凍雨過(guò)程推算的凍雨累計(jì)日數(shù)之和(填色)Fig.10 The sum of accumulative days of freezing rain during the 5 heavy freezing rain processes (colored)

4.2 凍雨垂直分布特點(diǎn)

前面的分析表明，凍雨在某些區(qū)域多出現(xiàn)在海拔較高的地區(qū)，而在另一些區(qū)域，凍雨出現(xiàn)的海拔高度變化很大。這里以2008年第三次最強(qiáng)的凍雨過(guò)程為例，分別沿113°E、116°E、120°E三個(gè)經(jīng)度繪制0℃等溫線的垂直剖面圖，分析不同經(jīng)度凍雨的垂直分布特點(diǎn)(圖11)。圖中紅線為沿113°E經(jīng)過(guò)長(zhǎng)沙附近的0℃等溫線的垂直分布，藍(lán)線為沿116°E經(jīng)過(guò)南昌附近的0℃等溫線的垂直分布，綠線為沿120°E經(jīng)過(guò)杭州附近的0℃等溫線的垂直分布?？梢钥吹?，三個(gè)經(jīng)度的0℃等溫線垂直分布最大的不同，在于向南發(fā)展的程度不同。沿120°E的凍雨受到浙南到閩北高山的阻擋，只到達(dá)27°N的福建北部。沿116°E的凍雨可以向南發(fā)展到25°N，因?yàn)槎纠淇諝鈴慕鞅辈科皆嗳牒?，一直向南發(fā)展，直到受到江西南部和廣東北部交界區(qū)域的山脈阻擋，才停滯在25°N以北區(qū)域。沿113°E的凍雨可以發(fā)展到更南的24°N，主要是因?yàn)楹鲜”辈渴瞧教沟亩赐ズ皆?，冬季冷空氣大舉進(jìn)入湖南并南下，一直影響到湖南、廣西和廣東交界區(qū)域，導(dǎo)致廣西和廣東北部出現(xiàn)凍雨覆冰災(zāi)情。

沿120°E的0℃等溫線表明，27°～30°N的地面層氣溫在0℃以上，而海拔高度400～1 800 m左右的山區(qū)氣溫低于0℃，符合“暖-冷-暖-冷”層結(jié)分布，說(shuō)明該區(qū)域凍雨主要出現(xiàn)在海拔高度400 m以上的山區(qū)(圖11中綠色雙箭頭)，隨著冷暖空氣的強(qiáng)弱變化，有些年份出現(xiàn)的海拔高度高一些，有些年份出現(xiàn)的海拔高度低一些，這一現(xiàn)象與浙江省和福建北部的凍雨特點(diǎn)吻合。沿116°E的0℃等溫線表明，25°～27°N也符合“暖-冷-暖-冷”層結(jié)分布，與浙江省的凍雨特點(diǎn)相似；27°N以北的江西中北部、湖北南部和安徽南部則易在低海拔區(qū)域出現(xiàn)雨凇(圖11中藍(lán)色雙箭頭)。沿113°E的剖面中，24°～25°N亦符合“暖-冷-暖-冷”層結(jié)分布，但其中間暖層更為深厚，25°N以南區(qū)域冷空氣基本被壓縮在海拔高度1 300 m以下，1 300 m以上受暖濕氣流影響，氣溫高于0℃。因此該區(qū)域凍雨主要出現(xiàn)在海拔高度300～1 300 m范圍內(nèi)(圖11中紅色雙箭頭)。周紹毅等(2010)在分析廣西導(dǎo)線覆冰特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，桂北東部貓兒山500～1 300 m的海拔高度為主要結(jié)冰區(qū)，500 m以下和1 300～1 800 m較輕，1 800 m以上基本無(wú)冰。這說(shuō)明廣西北部和廣東北部山區(qū)的確存在凍雨主要出現(xiàn)在山腰的垂直分布特點(diǎn)。

圖11 2008年1月26—28日沿不同經(jīng)度的0℃等溫線的垂直剖面Fig.11 Vertical across section of 0℃ isotherm along different longitudesfrom 26 to 28 January 2008

5 結(jié)論與討論

綜合以上分析，得到以下結(jié)論：

(1)由地面氣象站的雨凇數(shù)據(jù)結(jié)合電網(wǎng)災(zāi)情資料確定的中國(guó)南方地區(qū)的凍雨分布顯示：從貴州、湖南、江西，直到浙江，存在一條自西向東，頻次由高到低的凍雨帶。隨著冷暖空氣強(qiáng)度的變化，有些年份凍雨帶向北移動(dòng)到達(dá)四川、重慶、湖北、安徽南部，有些年份向南移動(dòng)抵達(dá)云南、廣西、廣東和福建北部。

(2)本文在底層冷層厚度和中間暖層厚度閾值的取值，以及中間暖層判識(shí)的氣溫閾值的取值兩個(gè)方面對(duì)層結(jié)分析法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的層結(jié)分析法較好地推算出了我國(guó)南方地區(qū)海拔高度在1 000 m以下區(qū)域的凍雨落區(qū)及凍雨出現(xiàn)的海拔高度。推算的自2008年以來(lái)5次嚴(yán)重凍雨過(guò)程的凍雨落區(qū)，不僅涵蓋了觀測(cè)到雨凇的站點(diǎn)，也涵蓋了無(wú)雨凇數(shù)據(jù)但有電網(wǎng)覆冰災(zāi)情的區(qū)域。推算方法給出的凍雨出現(xiàn)的海拔高度，較好地解釋了山區(qū)無(wú)雨凇觀測(cè)但出現(xiàn)嚴(yán)重凍雨覆冰災(zāi)害的情形。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，基于現(xiàn)有的數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果即可實(shí)施，在實(shí)際業(yè)務(wù)中有較大的應(yīng)用價(jià)值。

(3)由于受我國(guó)南部各大山脈的阻擋，凍雨最南可以發(fā)展到廣西、廣東和福建的北部。浙江省，廣西、廣東和福建三省(自治區(qū))的北部，出現(xiàn)凍雨時(shí)常具有“暖-冷-暖-冷”的層結(jié)特點(diǎn)，即凍雨多出現(xiàn)在海拔高度為300～400 m以上的山區(qū)。其中，廣西和廣東的北部，由于還受到深厚暖層的影響，凍雨多出現(xiàn)在海拔高度為300～1 300 m的山腰。

(4)無(wú)論是實(shí)際觀測(cè)的雨凇日數(shù)分布，還是推算的凍雨日數(shù)分布，基本能反映出一次凍雨過(guò)程的強(qiáng)弱。但在一些特殊的區(qū)域，也有凍雨日數(shù)不多但出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰災(zāi)情的情況。如2013年1月出現(xiàn)在寧波北侖的嚴(yán)重覆冰災(zāi)情，凍雨只持續(xù)了2～3 d，并不是凍雨日數(shù)最多的區(qū)域。因此，后續(xù)需要對(duì)這些特殊區(qū)域的凍雨進(jìn)行深入的研究，提出適合這些特殊區(qū)域的凍雨強(qiáng)弱的判識(shí)方法。