董鶴松 馮景瑜 張瑩瑩 隋 妍

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

2020年11月17—20日，吉林省出現了一次較大范圍的雨雪冰凍天氣過程，給交通、電力、農業(yè)、人民生產生活等帶來了嚴重的影響和損失。延邊朝鮮族自治州的北部也受到了此次災害的影響。唐熠等[1]通過分析500hPa高度場發(fā)現，烏拉爾山脊及前側的橫槽，貝加爾湖脊及前側的東北橫槽，及我國西北新疆一帶不斷分裂的小槽是廣西產生低溫雨雪冰凍天氣的關鍵區(qū)域和關鍵因子；晏紅明等[2]研究表明，2008年赤道東太平洋地區(qū)的冷海水異常對當年云南低溫冷害天氣過程起到了重要的作用；徐輝等[3]利用中尺度數值模式MM5模擬了湖南獨特的地形特征對2008年凍雨過程的影響，發(fā)現南嶺山脈地形高度的降低不利于湖南南部凍雨的發(fā)生；高輝等[4]研究表明，2008年1月中旬以來，湖南、貴州等地逆溫層不斷加強并長時間維持是上述地區(qū)大范圍凍雨持續(xù)出現的主要原因；廖曉農等[5]發(fā)現，冷空氣活動是造成2012年3月17日北京降雨、雨夾雪和降雪3個相態(tài)溫度垂直分布不同的原因；隋玉秀等[6]應用多層平均氣溫的方法對大連地區(qū)冬季降水相態(tài)進行研究發(fā)現，平均氣溫類別的因子對降水相態(tài)的區(qū)分效果要好于其他類別的因子。目前吉林省對于凍雨天氣的研究[7-8]針對溫、濕層結分布特征方面的比較少。

選用延邊地區(qū)常規(guī)地面觀測數據、ECMWF 0.25°×0.25°間隔1h再分析資料、NCEP 2.5°×2.5°間隔6h再分析資料，對本次過程延邊地區(qū)的降水特點、天氣形勢、雨雪相態(tài)轉換及凍雨成因進行分析。

2 雨雪冰凍天氣概況

通過統計2020年11月18日05時—20日08時延邊州8個國家氣象觀測站（延吉站、敦化站、安圖站、和龍站、龍井站、圖們站、汪清站、琿春站）的觀測資料，發(fā)現本次雨雪轉換的天氣過程有4個特點：一是降水量大，且降水分布均勻。全州平均降水量為45.8mm；最大降水量出現在圖們市，為52.7mm；最小降水量出現在和龍市，也有38.6mm；最大積雪深度出現在敦化市，為6cm（圖1a）。二是降水集中且強度大。降水主要集中在18日夜間，12h降水量8個縣（市）均超過25mm；19日日降水量8個縣（市）均居歷史同期第一位（圖1b）。三是降水時間長。降水從18日早晨一直持續(xù)至20日白天。四是相態(tài)轉換復雜。本次過程伴有雨轉雨夾雪或雪，期間敦化于18日18時前后開始出現了凍雨，地面氣溫為-0.7℃，22時前后降水相態(tài)轉為雨夾雪，地面氣溫為-1.3℃，19日10時前后降水相態(tài)轉為雪，地面氣溫為-6.3℃；汪清于19日10時前后出現了凍雨，地面氣溫為-0.2℃，14時前后降水相態(tài)逐漸轉為雪，地面氣溫為-1.7℃；其他地方也于19日下午自西向東，降水相態(tài)由雨轉為雪；至19日20時后，全州轉為小雪天氣，此時地面氣溫在-2.4～0.4℃（圖1c）。

圖1 2020年11月18日05時—20日08時延邊州降水量（a，單位：mm）、18日20時—19日20時延邊州降水量（b，單位：mm）、敦化站地面氣溫、露點、風速及降水相態(tài)隨時間變化（c）

3 大氣環(huán)流特征分析

從500 hPa環(huán)流形勢來看，2020年11月18日08時在蒙古國中部有一高空槽形成并逐漸東移，日本海附近為一暖脊。19日02時高空槽移至內蒙古東部，由于槽后強冷空氣的不斷補充，配合日本海處的暖脊穩(wěn)定維持，高空槽迅速加深發(fā)展，吉林省受槽前西南氣流控制。高空槽繼續(xù)東移，槽后的高壓脊不斷發(fā)展加強，脊前冷空氣不斷補充。19日14時之后冷空氣逐漸侵入延邊地區(qū)。19日夜間高空槽逐漸移出延邊地區(qū)。

從中低層的風場上看，11月18日下午700hPa有一西南至東北向的切變在吉林省中部逐漸加強。20時在華北北部已有“人”字形切變形成，北側切變的位置已經移至吉林省中西部，并緩慢北抬，切變南側有一西南急流，從我國東南沿海一直延伸至吉林南部，西南急流逐漸加強發(fā)展，并向東北方向移動，延邊位于急流出口區(qū)。18日20時—19日08時為延邊急流輻合最強的時段。19日08時之后，切變逐漸南壓，冷空氣逐漸侵入。850hPa存在一“人”字形切變，其中西南至東北向的切變位置較700hPa位置明顯偏南。18日下午，切變位于遼寧至吉林東南部，并逐漸向北移動，延邊地區(qū)受東南回流的影響。18日20時開始回流明顯增強。19日06時之后，東南急流逐漸減弱。19日下午切變逐漸移出。850hPa的東南急流與700hPa的西南急流形成強垂直風切變，加強上升運動，對降水起增幅作用。

海平面氣壓場上，有貝加爾湖冷高壓緩慢東移并不斷分裂冷空氣南下，至黑龍江北側時中心氣壓維持在1 035hPa左右，且位置穩(wěn)定少動。江淮氣旋攜帶南方暖濕空氣一路東移北上，且強度逐漸增強，18日20時氣旋中心強度增至1 000hPa，中心位置位于渤海灣附近。由于受北部冷高壓的阻擋，江淮氣旋沿著中朝邊境緩慢移動，19日20時后入海。

4 水汽條件

4.1 大氣可降水量和比濕

從本次過程的大氣可降水量來看，延邊地區(qū)大氣可降水量在20～25kg/m2，分布較均勻，東南部略大。從850hPa比濕來看，19日02時前后，比濕達到最大，延邊東南部比濕達到6g/kg，其他地方比濕在5g/kg左右。總體來看，延邊地區(qū)的大氣可降水量和比濕的空間差異較小，與降水量分布較均勻相對應，且從比濕的垂直分布來看，在18日夜間43°N附近比濕在5～6g/kg的區(qū)域伸展到600hPa以上，濕層較深厚。

4.2 水汽通量和水汽通量散度

從計算整層水汽通量和水汽通量散度的結果中得到，18日20時（圖2a）之前，延邊降水的水汽輸送主要來自黃海和渤海，使延邊位于水汽通量輻合的區(qū)域（圖2c）。從19日02時起，來自日本海的水汽輸送明顯增強（圖2b），此時延邊水汽通量輻合明顯增強（圖2d），最強可達-8×10-5g·cm-2·s-1。19日08時后，隨著水汽通道的逐漸東移，黃海、渤海向延邊的水汽輸送逐漸減弱，延邊的水汽輻合也逐漸減弱。從中低層的水汽條件來看，以850hPa為例，仍然存在黃海、渤海和日本海兩個水汽輸送通道，且在降水集中時段，兩種方式水汽輸送均有所增強，因此在延邊地區(qū)形成強水汽輻合中心。

圖2 2020年11月18日20時（a）、19日02時（b）整層水汽通量（單位：kg·m-1·s-1）和18日20時（c）、19日02時（d）整層水汽通量散度（單位：10-5g·cm-2·s-1）

4.3 水汽輸送軌跡分析

HYSPLIT模式可以對不同地點的不同高度，模擬出空氣塊向后追蹤的三維運動軌跡。本文利用HYSPLIT對 本 次 過 程5 500m、3 000m、1 500m、700m高度（可分別代表500hPa、700hPa、850hPa、925hPa）進行后向追蹤7d的運動軌跡，模擬站點選擇敦化站（43.37°N，128.20°E）。

結果表明，500hPa和700hPa，水汽來源為西南氣流，且大部分可追溯到黃海、渤海地區(qū)。其中700hPa來自黃海的水汽進入江淮地區(qū)，再經過山東半島進入渤海，最后經過朝鮮半島進入延邊地區(qū)。850hPa水汽來源于偏東氣流，來自貝加爾湖附近的水汽經內蒙古進入渤海灣附近，再經東北地區(qū)中部進入日本海，最后經過朝鮮半島繞回至延邊地區(qū)。即850hPa的水汽軌跡具有回流性質。925hPa的水汽來自偏北氣流?？梢园l(fā)現：各等壓面上的水汽來源分別與有利于降水的天氣系統相聯系，并且此次過程中低層水汽輸送上具有“下冷上暖”的特點。

5 熱力條件

從850hPa假相當位溫和流場的水平分布發(fā)現，18日08—20時，隨著西南急流輸送南方暖濕空氣，高能舌伸入延邊地區(qū)。18日20時后，延邊地區(qū)850hPa東北風攜帶冷空氣逐漸侵入，與南方暖濕空氣在延邊對峙，出現鋒生（圖3a）。至19日下午，冷空氣完全侵入延邊地區(qū)，高能舌逐漸退出，降水減弱。另外從敦化站的11月18日08時假相當位溫隨高度的變化（圖3b）來看，低層逆溫層的存在說明此次降水存在一定的對流不穩(wěn)定。

圖3 2020年11月19日02時850 hPa假相當位溫空間分布（a，單位：℃）和11月18日08時敦化站假相當位溫隨高度的變化（b，單位：℃）

5.1 溫度平流

溫度平流是影響溫度局地變化的重要因素，其表達式為-V·▽T，其中V為風速矢量，▽T為溫度梯度。700hPa上18日夜間有強暖平流從西南方向移入，19日02時（圖4a）延邊地區(qū)位于強暖平流中心，19日08時（圖4b），冷平流逐漸移入。925hPa上延邊大部分地區(qū)為冷平流。19日02時（圖4c）在延邊西部和北部分別有冷中心，而延邊中部和東部大部分地區(qū)有弱暖平流。19日08時（圖4d），冷平流逐漸減弱，低層逐漸回暖。

從沿128°E垂直剖面來看，43°N附近1 000—850hPa一直有冷平流存在，18日20時開始南方暖空氣從中層不斷向北向低層伸入，使得在43°N附近800—700hPa始終存在暖平流（圖4e）。19日11時（圖4f），隨著冷空氣的侵入，整層已經被冷平流控制。

圖4 2020年11月19日02時700hPa（a）、08時700hPa（b）、02時925hPa（c）、08時925 hPa（d）溫度平流空間分布（單位：℃）及19日02時（e）、11時（f）沿128°E溫度平流的緯度—高度剖面（單位：℃）

在本次過程中，中層強暖平流的存在有利于中間融化層（溫度高于0℃）的形成，低層冷平流的卷入和南伸，有利于低層冷層的形成，因此導致逆溫層的不斷維持。

5.2 大氣溫度層結結構

大氣溫度層結結構是決定凍雨產生的一個很重要的因素，研究表明[3]絕大多數凍雨產生的溫度層結表現為：中間融化層（溫度高于0℃）之上存在一個溫度低于-10℃的冰晶層，而在融化層之下則是近地面的溫度低于0℃的冷層。

從19日02時、08時850hPa和700hPa上0℃溫度線的分布可以發(fā)現，在18日夜間敦化出現逆溫，19日白天，延邊北部出現逆溫，這與延邊凍雨的分布相一致，可見凍雨區(qū)上空的近地面層都存在逆溫。

從700hPa與850hPa的溫差來看，18日夜間延邊西北部出現明顯的逆溫，最大溫差達到2℃以上；19日08時，延邊北部溫差達4℃以上。可以發(fā)現凍雨區(qū)700hPa與850hPa的溫差均在2℃以上。

18日下午至19日下午，凍雨區(qū)溫度層結有“冷—暖—冷”的層結結構。500hPa以上為冷層，溫度低于-10℃；中層（800—600hPa）為融化層，其中700hPa溫度在0℃以上，且伴有西南風，并且由前面的分析也可知道中層有暖平流的出現，使得暖層也不斷增強；暖層下為冷卻層，其中900hPa溫度在-4～-2℃，冷卻層內多為偏東風或東北風。期間700hPa以下整層的相對濕度比較高，這表明冷層內的溫度變化較小，地表面存在過冷水，有利于凍雨的形成。至19日下午，融化層逐漸變薄，強度變弱（融化層內溫度逐漸變低），因此高空冰晶在降落通過融化層的時候無法得到充分融化，因此降水相態(tài)逐漸轉為雪。

從敦化站氣溫隨高度的變化來看，敦化出現凍雨的期間（圖5a），有“冷—暖—冷”的層結結構。900—700hPa存在逆溫層，逆溫層上部位于融化層，下部位于冷層，因此出現了逆溫的分布特征。此外，沿128°E做假相當位溫和溫度的垂直剖面來看（圖5b），在800hPa以下42°N—44°N生成了一個能量鋒區(qū)，鋒區(qū)兩側冷暖空氣很強，鋒區(qū)內的溫度梯度較大，鋒面逆溫顯著。

圖5 2020年11月19日02時敦化站氣溫隨高度變化曲線（a）和沿128°E假相當位溫和溫度的緯度—高度剖面（b，單位：℃）

可見，凍雨發(fā)生時，對流層中層有一定厚度的融化層，地面以上有一定厚度的冷層，且低層的相對濕度比較高。因此，逆溫層的作用在于確保上層降落的固態(tài)降水通過逆溫層變?yōu)橐簯B(tài)降水，經過低層冷卻層逐漸變?yōu)檫^冷卻水滴，當過冷卻水滴接觸到0℃以下的地面或其他物體表面時，迅速凍結形成凍雨。

5.3 地面氣象要素

有研究表明[3]地面低溫、潮濕、微風的氣象條件可在一定程度上利于凍雨的出現。從敦化、汪清兩站的氣溫、露點溫度和風速隨時間的變化來看，兩站在凍雨發(fā)生前后地面氣溫均在-4～0℃；地面溫度露點差在1℃以內，表明地面潮濕且接近飽和的狀態(tài)；風速在1～2級。對比沒有出現凍雨的延吉站氣象要素，在19日13時以前，氣溫一直在0℃以上。另外，由于北部山區(qū)海拔較高，因此也導致氣溫較低。除此之外，900hPa延吉一直是偏東南風，不利于地面冷層的維持。

6 結語

（1）本次過程發(fā)生在南方江淮氣旋北上，北方蒙古高壓穩(wěn)定維持且不斷向南輸送強冷空氣的環(huán)流背景下，因此延邊地區(qū)降水具有降水量大且降水分布均勻的特點。由于大氣低層溫度接近雨雪相態(tài)轉換的臨界點，因此降水相態(tài)復雜多變。

（2）低空急流將黃海、渤海、日本海、南海的水汽不斷向北輸送，在延邊地區(qū)形成高大氣可降水量、高比濕、高水汽通量輻合的水汽條件。在降水集中時段，比濕最大可達6g/kg，5～6g/kg的區(qū)域伸展到600hPa以上，且來自日本海的水汽輸送加強，延邊地區(qū)位于水汽通量輻合中心。

（3）逆溫層的存在是凍雨發(fā)生的必要條件。此次凍雨區(qū)的上空均出現了逆溫，且700hPa與850hPa溫度差大于2℃。中層強暖平流的存在有利于中間融化層（溫度高于0℃）的形成；低層冷平流的卷入和南伸，有利于強逆溫層的維持。同時鋒面逆溫也有利于逆溫的加強。凍雨發(fā)生時，從氣溫的垂直分布來看有“冷—暖—冷”的層結結構，對流層中層有一定厚度的暖層，對流層低層有一定厚度的冷層。此次過程中凍雨區(qū)500hPa氣溫低 于-10℃，700hPa氣 溫 大 于0℃，925hPa氣 溫在-4～-2℃。除此之外，地面低溫（氣溫小于0℃）、潮濕且風力較小也是凍雨出現的必不可少的條件。