2016年12月克拉玛依一次罕见冻雨天气过程分析

史 昀，史永强

（克拉玛依市气象局，新疆 克拉玛依834000）

新疆克拉玛依市地处北疆准噶尔盆地西北边缘，为典型的大陆性气候，冬季严寒少雨。在2016年12月4—5日，克拉玛依遭遇历史罕见的冻雨天气，市区日累计降水量达到6 mm，造成地面积冰导致飞机停飞，客车停运。

冻雨是指过冷却雨滴降落在温度低于0℃的物体上迅速冻结，形成外表光滑且透明的冰层，是发生在初冬或冬末春初的灾害性天气现象，形成的积冰对电力运行、交通运输、农业生产、通信、居民饮水等造成严重影响[1]。漆梁波[2]利用2001—2010年我国不同地区的冻雨进行统计发现，冻雨天气主要分布在南方，北方仅占10%，西北地区更为罕见。欧建军指出[3]冻雨发生的年际间差别比较大，2008年发生2495次，而2009年只有397次，并且2008年1月1日—2010年4月30日新疆仅出现过10次以内的冻雨，均在沿天山地区。

国内外研究发现[5-8]，形成冻雨的机制可以分为两种，分别是融化机制和暖雨机制。融化机制具有强逆温层的温度层结分布特征，以0℃为界将温度层结分为“冰晶层—暖层—冷层”三层结构，水汽在温度T≤0℃的冰晶层中通过冰晶效应凝结为固态降水粒子，在下落时经过T≥0℃的暖层而融化为雨滴，再降落到近地面T≤0℃冷层中形成过冷却雨滴；而暖雨机制则没有冰晶层，水汽在暖层中通过碰并作用形成的雨滴，进入近地面冷层中冷却形成过冷却雨滴。通过统计有探空站的冻雨过程发现[3]，融化机制的冻雨占总数26.7%，我国北方冻雨比南方少且以融化机制居多。

高辉、赵思雄等[4-5]发现大范围冰冻雨雪天气是在中纬度大尺度环流持续异常、西风带上波动异常活跃以及准静止锋滞留等各种条件均有利的情况下发生的。李登文[6]认为冻雨出现在锋区附近，近地面为偏东北风的冷平流。逆温层之上湿度迅速减小，干暖空气有利于稳定层结、抑制低层湿空气向上扩散，这对冻雨天气的维持起到重要作用。丁一汇[7]发现2008年1月的冰雪灾害表现为连续四次西方冷空气的东移和南侵过程，主要由于冷锋或切变线天气系统造成，并未观测到温带气旋的明显发展。马晓刚[8]通过对大气逆温的水平分布与冻雨落区之间关系的研究，提出由大气逆温水平分布区、高空湿区、地面气温0℃线、逆温层极值点0℃线构成的冻雨落区基本概念模型。周光岐[9]通过对1987年乌鲁木齐冻雨的分析发现，当里海至新疆为西风带，受小槽东移影响可能形成冻雨。

有关冻雨的研究主要集中在我国南方地区，特别是对2008年初全国大范围冻雨天气过程的分析，对西北地区冻雨天气的研究较少。本文通过实况观测资料的综合分析，结合数值模拟，揭示新疆克拉玛依2016年12月4—5日天气过程中冻雨的形成机制。

1 冻雨天气概况及大尺度环流背景

1.1 冻雨天气概况

2016年12月4—5日新疆克拉玛依出现历史罕见的冻雨天气过程，克拉玛依市中心城区日累计降水量为6 mm。降水时段为北京时间4日23时—5日04时，降水主要出现在前3 h。降水物先为冰粒，随后转为过冷却雨滴，所形成的冰盖呈现凸凹不平的形态。4—5日的平均气温为-7～-4℃，过冷却雨滴落地后迅速凝结，地面形成大范围的雨凇冰盖，造成飞机延误，交通瘫痪。

1.2 大尺度环流背景

从大尺度环流背景来看，500 hPa欧亚范围为两槽一脊经向环流（图1），欧洲中部到西西伯利亚为槽区，槽底黑海至新疆地区为西风急流带。4—5日乌拉尔山低槽东移至巴尔喀什湖以北，新疆脊减弱东移至蒙古上空，北疆受中亚槽前西南锋区上弱波动影响产生降水天气过程。地面前期受蒙古冷高压控制，准噶尔盆地具有较冷的下垫面。随着乌拉尔山的暖低压东移，冷暖气团交汇，北疆普遍出现小到中量降水。低层暖湿空气侵入也使盆地内逆温加强。

2 大气层结以及云系的结构特征

2.1 大气层结特征

图1 12月4日20时（a、c）和5日08时（b、d）的500 hPa等压面图和地面图

图2给出了2016年12月4—5日探空站的T-lnP图。4日08时克拉玛依已经存在13℃的逆温层，700 hPa以下的温度露点差较大。4日20时600～880 hPa水汽逐渐接近饱和，可以看到典型的“冰晶层—暖层—冷层”三层结构，三层的厚度都在1.3 km左右。云顶温度较低为-14℃，在冰晶层中的水汽可以通过冰晶效应形成固态降水粒子，近地面气温为-6℃，冷层较干冷。5日08时550 hPa至地面水汽接近饱和，逆温层虽然存在，但暖层明显减弱，最高气温2℃，厚度仅为0.5 km。逆温层的存在主要和克拉玛依地形有关，地处盆地西北边缘冬季常态有逆温。

2.2 冻雨云系的结构特征

在温湿层结特征的基础上，通过分析降水时段的风云2号的红外云图和克拉玛依雷达图，可以进一步了解降水物在云层中的物理变化。从卫星红外云图可知，降水时段在克拉玛依市上游出现带状锋面云系，其边缘处经过克拉玛依市，云系边界形状不规则，云顶亮温为279 K，纹理较为均匀和光滑，为层云的结构特征。

从图3可以看到雷达回波呈东西走向，回波顶高低于5 km，冰晶层中的回波较弱，这与冰相粒子的瑞利散射特点有关，说明在冰晶层中形成的固态降水粒子直径远小于雷达波长，为小冰晶。强回波区位于2 km以内，回波强度≥50 dBz，这里是近地面冷层和暖层的位置，说明冰晶融化为水滴在降落过程中碰并水滴个体增大，在冷层中冷却形成冰粒，其散射能力均大于冰晶，因此形成强回波区。

2.3 形成冻雨的物理过程

通过T-lnP图和卫星雷达图的分析，云层的温度层结特征是“冰晶层—暖层—冷层”的三层结构，并且各层厚度均为1.3 km左右。水汽输送层700～850 hPa在冰晶层和暖层中，水汽主要在冰晶层形成小冰晶，再在暖层融化成小水滴，水滴进入近地面冷层后迅速冷却形成过冷水滴或冰粒，可以判断本次冻雨天气过程的形成机制为融化机制。

马晓刚[8]发现雨滴在进入近地面冷层后，如果暖层温度不是较高，冷层温度又过低、厚度过厚时，过冷却雨滴极易在到达地面之前先形成冰粒。漆梁波[2]也发现北方地区冰粒的低层大气比冻雨更干。从T-lnP图上看到4日20时近地面冷层较干，也较冷较厚，有利于在降水前期形成冰粒，在组合反射率因子剖面图上位于近地面的50 dBz强回波区，以及本次冻雨形成的凸凹不平的雨凇冰盖，也验证了上述作者的结论。

3 冻雨天气过程的数值模拟分析

3.1 模拟方案

图2 克拉玛依探空站4日08时（a）、4日20时（b）、5日08时（c）的T-lnP图

图3 5日01时的组合反射率因子（a）、组合反射率因子垂直剖面（b）和回波顶高（c）

本文利用WRFV3.9模式进行模拟，采用15 km×3 km的两层嵌套网格，垂直层为50层，模式层顶取50 hPa。模式利用0.5°的GFS全球初始场驱动，模拟12月4日00时—5日08时的克拉玛依冻雨天气过程，模式结果逐小时输出一次。模式物理过程方案如表1所示。

表1 模式物理过程方案

3.2 结果验证

为验证模式模拟效果，利用实况资料与模拟结果进行对比。图4为模式预报降水时段逐小时降水量与实况对比，可以看到模式预报2个时段的降水。根据人工观测，4日15时前后克拉玛依基本站出现降水但并未达到0.1 mm，5日00—04时模式预报结果与实况降水量趋势相符。

图5a显示降水主要出现在克拉玛依市中部、加依尔山区、天山山区和准噶尔盆地中部。仅通过降水量对比不能确定是否有冻雨，还需要进一步区分降水类型。克拉玛依市固态降水百分比在20%～90%为冰水混合物（图5b），在中心城区附近固态降水百分比达到80%～90%，并且地面温度低于0℃，有过冷却水和冰粒存在。图5c显示克拉玛依中心城区附近预报有冰粒，市区及周边地区有冻雨和雪，与实况观测一致。

3.3 模拟分析

图4 克拉玛依4—5日逐小时降水量模拟与实况对比

3.3.1 天气尺度降水条件

4日20时天气发生前，500 hPa风场上（图6a）克拉玛依位于中亚低槽前西南急流与中纬度西风急流的分流区，西南急流轴中心风速为36 m/s，随着锋区东移南压，降水时段克拉玛依位于西南急流轴右侧，辐散作用为冻雨形成提供动力条件。700 hPa为西南—东北轴向的水汽高湿带（图6b），配合风速为12～16 m/s的西南气流向北疆输送，为降水提供充沛的水汽来源。

700 hPa为水汽输送层，在降水开始前4日23时（图7a）饱和湿区开始进入，降水过程中相对湿度维持90%～100%，降水结束5日05时（图7b）相对湿度减小至70%以下。850 hPa在降水前4日20时至4日23时（图7c）维持暖平流；5日00时（图7d）克拉玛依有气旋式切变，降水开始，盆地转为冷平流并维持到5日05时。

图5 模拟5日01时总降水量（a）、固态降水百分比（b）和地面水成物分布（c）

图6 模拟4日20时500 hPa等压面风场（a）和700 hPa等压面风场叠加相对湿度场（b）

图7 模拟700 hPa（a,b）和850 hPa（c,d）的风场叠加相对湿度场

通过以上分析可知，500～850 hPa风场在天气来临前为“分流区—西北风—西南风”，中层分流区的辐散抽吸作用有利于水汽抬升凝结，低层暖平流使暖层维持、近地面冷层减弱；天气过程中为“西南急流右侧—西南风—西北风”，中层位于中亚低槽前西南急流右侧，有偏差风辐散，低层风有气旋式切变，风向转为西北风，有冷平流侵入盆地，使暖层减弱、近地面冷层加强。700 hPa是主要的水汽输送层，西南气流将阿拉伯海一带的水汽输送到北疆片区，饱和湿区在降水前1 h移入准噶尔盆地，随着700 hPa相对湿度的降低，降水过程随之结束。

3.3.2 冻雨区温度垂直廓线特征与水成物分析

图8 模拟4日20时（a）、4日23时（b）、5日01时（c）的斜温—对数压力图（温度单位：℃）

逐小时斜温—对数压力图（图8）揭示降水时段的温湿层结变化。4日20时（图8a）克拉玛依上空具有强逆温层，呈现出融化机制三层结构特征。4日23时（图8b）逆温层明显减弱，近地面冷层消失，700 hPa附近水汽接近饱和，有利于水汽在冰晶层中迅速形成雪。5日01时（图8c）暖层厚度减弱，近地面冷层加强，中低层均接近饱和。

图9通过模拟主要降水时段（4日23时—5日02时）云中各相态粒子含水量，展示三层结构的温度层结特征与冰粒向冻雨转变之间的关系。4日23时（图9a）冰相粒子主要位于-10～-40℃层，这里对应的是400~700 hPa的冰晶层，也是主要的水汽输送层，水汽通过冰晶效应凝结形成小冰晶，此时只有部分小冰晶在山区下降进入暖层充分融化为水（0～4℃），雨滴通过拖曳作用将暖空气带入冷层，使克拉玛依冷层减弱。5日00时（图9b）冰晶层零度线高度下降，同时近地面冷层重建，零度线抬高，暖层厚度减弱但强度维持，盆地西部冰晶主体降落至暖区融化，并在冷层冷却形成冻雨。5日01时（图9c）冷层进一步加强，零度线高度升至1 km附近，较厚的冷层使部分过冷却水冻结为冰粒。5日02时（图9d）近地面冷层高度降低，冷却作用减弱，冰粒消失，主要以冻雨为主。

通过以上分析发现，三层结构的温度层结变化是决定降水物相态的关键因素，由于准噶尔盆地特殊地形导致冷空气在盆地西侧堆积，在冻雨发生前已具有强逆温层。降水初期，中低层暖湿空气移入，在冰晶层中（特别是-40～-10℃层）形成大量小冰晶，加依尔山区上空有小冰晶降落至暖层融化为雨落地，在山区降水物的拖曳作用下将暖空气带入冷层，使得下游克拉玛依区域的冷层减弱消失。降水中期，随着准噶尔盆地近地面偏东风建立，在弱冷平流影响下盆地西部上空冷层重建，厚度为1 km左右，暖层融化的雨滴在近地面冷层的强冷却作用下形成过冷却水和冰粒，在克拉玛依落地后形成凸凹不平的冰盖。降水后期，地面偏东风逐渐转为西南风，冷平流减弱，近地面冷层高度降低使冷却作用减弱，克拉玛依主要以冻雨为主。

4 结论

本文通过对克拉玛依市2016年12月4—5日冻雨天气过程的环流形势、大气层结等特征以及数值模拟结果进行分析，得到以下主要结论：

（1）500 hPa中亚西南锋区上弱短波东移是本次冻雨过程的影响系统，中低层风场呈现出中层分流区辐散、低层气旋式切变辐合的特征，地面暖低压与蒙古冷高压在北疆交汇，为冻雨的形成提供动力条件。700 hPa中亚低槽前西南急流带为冻雨发生提供充足的水汽输送。

（2）逆温层是冻雨发生的必要条件，冻雨通过融化机制形成。以零度为界将逆温层分为“冰晶层—暖层—冷层”，水汽在冰晶层中（特别是-40～-10℃层）抬升凝结为雪花和冰粒，降落至暖层中（0～4℃）充分融化为雨水，再进入近地面冷层（＜0℃）迅速冷却为过冷却水或凝结为冰粒，降落在零度以下的地面形成冻雨。

（3）逆温层的强弱是降水物相态变化的关键因素。克拉玛依位于准噶尔盆地地势最低处，冬季常态有逆温层存在。冻雨过程前由于低层暖平流和山区降水物对暖空气的拖曳作用，使原本存在的近地面冷层一度减弱消失。随着低层转为冷平流，近地面冷层重建，雨滴在冷却作用下形成冻雨和冰粒。随后地面冷层再次减弱，冰粒消失，降水主要以冻雨为主。

（4）本文数值模拟采用的参数化组合方案，对本次克拉玛依冬季冻雨天气过程降水量和不同相态降水的演变过程有一定的预报能力。

图9 模拟4日23时（a）、5日00时（b）、01时（c）和02时（d）通过克拉玛依站（45.62°N）含水量的纬向—垂直剖面