九仙山2019—2020年两次雨雾凇天气过程对比分析及可预报性评估*

林子伦 杨庆波 童华君 韩 赓 周建丁

(1.泉州市气象局，福建 泉州 362000；2.九仙山气象站，福建 泉州 362500；>3.福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 350000)

0 引言

我国旅游业的发展对气象服务要求进一步提高[1]。气象景观作为一种重要旅游资源[2]，具有瞬变性和季节性等特点[3]。对气象景观展开预报服务工作，是方便旅客计划出行和景区特色服务安排的重要举措[4-5]。

艾定增[6]将气象景观定义为时序、天象、气候以及天气等。在此基础上，又根据气象景观的形成原因、外部表现形态以及距地高度，进一步细分为雨凇、雾凇和云雾等水汽凝结景观，霓虹、蜃景等光学景观以及闪电、极光、龙卷风等大气放电及流动的景观[7-8]。其中，雨凇、雾凇以及云景是我国名山地区(如黄山、庐山、峨眉山以及华山等)的重要景观[9]。

雨凇是指形成在地面或物体(如树木等)上的呈透明或毛玻璃状的紧密冰层；雾凇则是形成于电线、树枝或其他细长物体上的由冰粒或冰晶组成的白色松脆凝结物[10]。两者在不同气象条件下形成，雨凇主要是由过冷雨滴或毛毛雨滴撞击在温度低于0℃的物体表面而冻结形成的，而由大风卷挟的过冷却雾滴冻结形成在细长物体上的称为粒状雾凇，在有雾、微风或静稳条件下由水汽凝华附着在细长物体上的称为晶状雾凇[11]。统计发现，雨凇常见于南方地区，包括江汉、江南、黄淮西部以及云贵高原地区；雾凇多出现在长江以北地区，主要有大兴安岭地区、四川峨眉山地区以及天山地区，而长江以南地区除了江南北部和福建东部等外，较少出现雾凇[12]。雾凇频发在12月和1月，而雨凇则在1月和2月较多，全国平均雾凇日数多于雨凇日数；在年代际尺度上，雨凇和雾凇的年平均日数有显著减少趋势，尤其体现在20世纪90年代，雾凇减少趋势较雨凇明显[13-14]。

目前针对雨凇和雾凇的预报方法主要基于气象条件分析和动力模式应用上[15-16]。在气象条件分析方面，廖慕科等[17]认为对雨凇形成起关键作用的主要是地面气温及中低层逆温的变化。例如，当气温在-7.2～-3.1°C、风速小于1.2m/s，相对湿度大于92%时有利于河北地区的雾凇形成，而该地区的雨凇形成条件则是气温在-4.1～0°C，相对湿度大于87%，两者出现时均伴有逆温层[18]。此外，雨凇和雾凇的形成亦与大气环流背景有关，当对流层高层风向从西南转西北，低层有弱冷空气扩散，地面处于高压区或倒槽内并维持南或西南风，且相对湿度大于90%时，有利于泰山雾凇的形成和维持[19]。华山雾凇在局地呈西北风时出现最多，雨凇则常见于局地呈西风时[20]。

在动力模式应用上，Makkonen[21]建立了冰层累积(雨凇和雾凇的形成)的物理模型，发现在空气湿度条件(水汽提供)起始时较低，而后迅速增加过程中，容易形成较大的冰柱，且这种反馈机制在大风速背景中更为显著。在此基础上，Podolskiy 等[22]利用WRF(Weather Research and Forecasting model)模式，汇报了日本枣山一次11～18cm雨凇的形成，预报时效为26～41小时。但由于模式在液滴轨迹角对碰撞效率的影响方面拟合效果较弱，因此其预报结果存在一定误差[21-22]。此外，可用数据的稀缺性和结冰关键参数的测量难度亦是结冰物理模型普遍面临的问题[23]。

对于福建省景区气象景观(雨凇或雾凇)的预报服务，目前的研究较少涉及。本文以九仙山为例，通过对其雨凇、雾凇过程个例归纳总结，分析其形成的大气环流背景及物理机制，以此为基础构建和完善福建省高山景区雨雾凇景观预报概念模型，可评估数值模式预报产品释用效果，以及为雨凇或雾凇的预报提供技术参考。

1 数据资料

实况数据为全国探空站资料、九仙山自动站四要素(温度、相对湿度、气压、风)观测资料、德化风廓线雷达资料和欧洲中心细网格再分析资料，时间范围分别为2019年12月4-8日和2020年1月26-31日。

数值模式产品为福建省气象局智能网格产品(基于欧洲中心天气模式MOS方法订正产品吴启树团队FZECMOS和福建省气象台ECMOS)，选取预报要素有温度、相对湿度、风力风向，均为20时起报产品，时效分别为超前24h、超前48h，预报时间范围分别为2019年12月5-8日和2020年1月28-31日。以上数据时间尺度均为逐小时。

2 天气形势及主要影响系统

福建德化九仙山风景区是闽南知名旅游地，是泉州市第一批重点风景名胜区，山顶建有全国重点、福建省唯一的高山气象站——九仙山国家基本气象站。九仙山年均雾日305天、相对湿度87%，长年云遮雾绕，风云变幻，经常出现云海、佛光、雨雾凇等气象景观。在2019年12月5-7日和2020年1月27-30日分别出现了较大范围雨凇和雾凇气象景观，最佳的观赏时间段分别是天气转晴好后的12月7日(2019)和1月30日(2020)。两次过程中观测到的雨凇、雾凇直径、厚度等数据以及相应的环境变量(气温、风等)如表1所示。

表1 两次过程中雨凇和雾凇的各项参数及环境变量

针对九仙山高海拔(1653.5m)特征，其山顶位置(即相应地面的天气影响系统)约等同于850hPa，因此下文大气环流形式分析的重点主要集中在850hPa以上高度。

对2019年12月5-7日的雨凇过程，在500hPa上，高纬度地区以两槽一脊形势为主，中低纬度有浅槽波动，其中12月5日08时两支短波槽分别位于我国江汉流域和云贵高原地区(图1a)，槽前有较强的西南气流，槽后则有强的冷平流输送，两槽将合并东移加深；700hPa上华南至福建中部山区有冷式切变线，西南暖湿气流与西北干冷气流在此交汇，福建中部山区普降小雨。

从厦门和邵武12月5日20时探空曲线可推断出九仙山上空大气层结分布特征，600hPa上温度随高度递减，500hPa温度在-10℃左右，且为水汽饱和层(即冰晶层)，水汽凝结为冰晶或雪花；600～700hPa存在暖层，温度约为0～3℃，使得上空冰晶在落入此高度层时融化为雨滴，在700hPa之下近存在浅薄逆温层，温度低于0℃(即为一个冷层)，液态雨滴穿过此层时变为过冷却状态并维持下落至地面，在接触固体之后迅速冻结变为雨凇。当低槽东移过境，槽后偏北气流引导地面冷空气南下，受其影响九仙山地面温度维持在0℃以下，使得雨凇得以维持。7日时短波槽东移入海，福建省上空受槽后高压控制，天气转为晴好，同时冷平流减弱，冷空气影响趋于结束，九仙山地面温度开始回升至0℃之上，雨凇融化。

图1 2019年12月5日08时500hPa位势高度与700hPa温度(红色数值)、露点(黑色数值)和风(矢量)(a)；12月5日20时厦门(b)和邵武(c)的探空曲线

对2020年1月27-30日的雾凇过程，28日20时500hPa上华东地区存在高空浅槽，福建地区位于槽底位置，700hPa上闽北地区有一冷式切变线，九仙山地区主要受西南暖湿气流影响，底层湿度较大(图2a)。随时间推移，高空低槽东移，带动700hPa冷式切变线东移南压，同时引导槽后冷空气南下，850hPa 0℃线南扩至福建中部山区，同时有微量降水出现。

从厦门和邵武1月28日20时探空曲线推断九仙山地区上空大气层结分布特征，700hPa以上温度低于0℃且随高度递减，700～850hPa之间有一个浅薄逆温层，该层最低温度低于0℃，其层结曲线随高度变化特征与12月5日08日雨凇前期过程相似，不同在于此次雾凇过程500hPa为明显干冷层，而湿区仅存在于低层(12月5日雨凇过程中闽南地区湿层深厚延展至500hPa)。因此本次过程降水微弱，基本为逆温层底(低于0℃)饱和水汽的凝华，即九仙山地面以雾凇景观为主。

对比分析两次雨、雾凇过程的天气形势可发现，其共同处在于天气形势变化上均存在高空短波槽东移，冷空气扩散南下以及700～850hPa层结逆温的现象，其不同处在于雨凇过程中湿层深厚，随高度递减有明显的冰晶层-暖层-过冷层分布特征，而雾凇过程仅有低层为湿层，高空表现为明显干冷层结。此外，雨凇过程前期降雨量明显大于雾凇过程(参考后文图3、图4)。因此，当冬季高空有短波槽波动东移、冷空气南下并伴有降水，700～850hPa之间有逆温层出现以及环境温度剧烈下降至0℃以下时，九仙山可能出现雨凇、雾凇。至于其具体的生成条件，需作物理过程的定量分析。

图2 同图1(2020年1月28日20时雾凇过程)

3 物理过程定量分析

雨凇是过冷却液态降水碰到温度等于或低于0℃的地面物体后直接冻结而成的坚硬冰层，呈透明或毛玻璃状，外表光滑或略有隆突，较其他形式的冰粒坚硬且密度大(ρr≈0.85g/cm3)，其横截面常呈楔状或椭圆状，多形成于树木的迎风面上。

为方便定量分析，将雨凇单体假设为圆柱体冰柱，其横截面半径为r，圆柱体长为L。可得圆柱状的雨凇单体凝固放热的表面积S=S1+S2，其中，S1为两端截面的表面积，即S1=2πr2，S2为侧面积，即S2=2πrL。由于雨凇形状易受风的影响，尖端常指向平均风的方向，其柱体长度L往往大于截面半径r，因此雨凇单体两端截面的放热量可简单忽略不计，即其整体的凝固放热面积S≈S2=2πrL。

设某一瞬时雨凇单体的半径为r，在dt秒内雨凇单体凝固的厚度为dr，则雨凇单体在dt秒内凝固的质量：

dm=Sdrρ=2πrLdrρr

因此可计算雨凇单体凝固dr厚度凝固释放的热量dQ=dmβr，其中βr为凝固热，表征单位质量在凝固点0℃时从液态变为固态所释放的热量。

由牛顿冷却定律可知，在单位时间内有：

Qt=hS(Tw-T0)

其中Qt为单位时间内面积S上的传热热量，h为对流传热系数，Tw为环境温度，T0为流体温度，由于水的凝固点为0℃(即273.15K)，在考虑凝固放热问题时可将T0=273.15K。假设雨凇单体表面对流交换热量时无热量损失，则由能量守恒定律可得：

代入上述等式可得：

简化可得：

在一个标准大气压下，水的凝固热βr约为3.36×105J/kg，考虑凝固过程雨凇单体密度ρr=0.85g/cm3不变，即可得ρrβr为常数项。此外，对流传热系数h与流体粘度μ、空气流速v(即风速)以及其他物理性质φ有关，其中h与风速vn(n为速度指数，一般取值0.5～0.6)成正比。由此可知，以水汽饱和为前提(即相对湿度≈100%)，在相同凝固时间情况下，当风速v越大、环境温度Tw越低时，雨凇单体凝固半径r越大。

雾凇是低温时空气中水汽直接凝华，或过冷雾滴直接冻结在物体上的乳白色冰晶物，常呈毛茸茸的针状或表面起伏不平的粒状，其密度ρf≈0.25g/cm3。为方便定量分析，将雾凇单体假设为冰球，设其球面半径为r，在dt秒内雾凇单体凝固的厚度为dr，与雨凇凝结过程相似，最终可得：

其中，βf为水汽的凝华热(单位质量水汽先凝结为水再凝固为冰释放的总热量)。雾凇单体半径与环境温度和风速的关系与雨凇是相似的，其不同处在于，由于雾凇单体质量小，因此其对风力大小更为敏感。根据经验判断，当风力过大时容易将雾凇从树枝吹落，即在一般情况，雾凇常形成于静风或微风条件下。对雨凇而言，尽管在相同条件下风速越大，雨凇单体半径越大，但在风力超过其与树干(或树叶)摩擦力时，水滴亦无法凝固于树枝上。因此，假设树枝上存在一个雨凇(雾凇)单体(图5)，在理想恒定风速情况下，保持稳定静止时其能承受的最大风力：

F(v)=μN=μρVg

其中μ为摩擦力系数。因此可知，单位体积V的雨凇单体能承受的最大风力F(v)约为雾凇单体的ρr/ρf≈3.4倍。

对2019年12月5-7日九仙山的雨凇过程，5日、6日午后均有阵性的小雨(图3a)，树干树叶上长时间存在水滴，同时空气达到饱和状态，相对湿度逼近或达到100%，环境温度在5日午后下降至0℃以下并长期维持至7日(图3b)。不过测风仪器在低温中出现故障，5日夜里至7日清晨风速风向缺测。当然，可就近参考德化本站的风廓线雷达测风数据，6日在850hPa高度上(大致相当于九仙山本站高度)的1h平均风速介于8～12m/s之间，即有五到六级风(图3c)。因此，根据雨凇凝固关系以及上述环境条件，判定结凇期大约为5日夜里至7日凌晨，共37个小时。当温度迅速回升，同时相对湿度低于95%(误差范围考虑为±5%)即空气不饱和时，雨凇单体凝固半径不再变化；当环境温度超过0℃时，雨凇开始融化。

(a)降水量(柱形) (b)温度(实线)、相对湿度(虚线)和结凇期(阴影区)

(c)德化风廓线雷达850hPa逐时10min平均最大风速 (d)露点温度(实线)和气压(虚线)

对2020年1月27-30日的雾凇过程，27-29日九仙山长时间笼罩在雾中，29日中午有微量降水(图4a)，环境温度略有波动，整体维持下降趋势；从28日夜里开始至30日清晨，温度长期维持在0℃以下(图4b)。平均风速在28日12时至29日12时较小，均值为4.22m/s，在29日12时至30日12时风速略有增大，均值为8.29m/s(图4c)。同理可知，较明显的结凇期为28日夜晨至30日夜晨，且由于降水量较少树枝树叶悬挂水滴偏少，因此表现为以雾凇景观为主。此外，相较于2019年12月的雨凇过程，由于环境温度波动较大，空气常介于饱和与未饱和之间(图4d)，此次雾凇过程的结凇期是断续的，共36个小时。

值得关注的是，2019年12月的雨凇过程和2020年1月的雾凇过程，其结凇期终止时段都是在最低温度出现之后，此时对应的均是中低层的高空槽过境后转为晴好天气，温度迅速回暖，同时空气转为不饱和状态，风力开始增大，雨、雾凇生成条件不再满足，并在环境温度大于0℃时开始融化。

综上所述，可知这两次过程中预报雨、雾凇过程的几个关键要素：在有一定量降水前提下，当环境温度低于0℃，空气饱和(即相对湿度临近100%)且能维持较长时间，平均风速小于6级时，容易形成雨凇景观；而当仅有微量降水或长时间位于雾中，且环境温度低于0℃，空气饱和以及平均风速小于3级时，则常以雾凇景观为主。此外，对结凇期的判定，可认为当环境温度低于0℃同时空气相对湿度逼近100%时为结凇期的开始点，以环境最低温出现(之后相对湿度明显下降)为结凇期的结束点，最佳的观赏时间段则是在结凇期结束后至环境温度升高超过0℃之前(一般为清晨，此时天气转为晴好，且雨凇、雾凇未完全融化)。

注:-2d、-1d、0d、 +1d和+2d分别对应1月27日、28日、29日、30日和31日的08时， 横坐标时间起始为1月26日20时，时间终止为31日20时，刻度值为12h图4 同图3(2020年1月27-30日雾凇过程)

4 可预报性分析与模式应用

针对2019年、2020年九仙山雨凇、雾凇过程，选用吴启树团队EC模式MOS方法订正产品(FZECMOS：温度、相对湿度、风)和福建省气象台EC模式MOS方法订正产品(省台ECMOS：风)进行可预报性评估，其超前预报时间能力分别为48h、36h和24h。

对2019年12月5-7日雨凇过程，FZECMOS三个不同时次(0420、0508和0520)起报的模式产品在前16～18个时次具有较小的预报误差，超过这个时段后预报误差迅速增大。

在逐时温度的预报方面，温度变化实况表现为自5日09时起至7日12时实况温度在0℃以下波动，其中在7日01时达到最低温度-4.6℃。0420时次起报和0508时次起报温度变化能较好反映出温度下降低于0℃的时次，但在之后0420时次产品预报的温度曲线整体均位于0℃以上，而0508时次产品亦反映在6日08时之后温度上升至0℃以上。三个时次的预报产品均未能反映出本次过程最低温以及出现的时间点(图5a)。

对逐时的相对湿度预报与温度预报方面相似，相对湿度实况变化为自5日15时起至7日01时相对湿度维持在90%之上。0420时次产品预报相对湿度初次达到90%是在6日08时之后，0508、0520时次产品则较好地把握了本次过程相对湿度达到90%的起始时间(5日15时)，但对于相对湿度低于90%时间判断，三个产品均反映出是在6日20时之后(实况则是在7日01时)(图5b)。

总体而言，FZECMOS模式订正产品在此次过程中，前16～18时次预报结果较为准确，其中0508时次产品(超前36h)对低于0℃和相对湿度达到100%的时次判断正确，能够反映出结凇期的开始时间点；0520时次(超前24h)较好反映整个结凇期的维持时间(低于0℃和相对湿度达到100%)，但对于结凇期的结束点，三个时次产品均未能准确体现。不过值得注意的是，尽管FZECMOS模式温度产品在时效18h之后与实况分歧增大，但总体变化趋势预报与实况仍是较为吻合，例如其判定的7日最低温度出现时间亦在7日1～2时左右。

对2020年1月27-30日雾凇过程，FZECMOS三个不同时次(2720、2808和2820)起报的模式产品与雨凇过程(2019年12月)的表现特征相似，其较高准确性的预报时效在16～18h。逐时温度、相对湿度预报在趋势上与实况基本吻和，但对于最低温度以及空气转为未饱和状态的出现时次(即相对湿度小于90%)的存在较大误差(图5c、图5d)。

图5 2019年12月5-7日雨凇过程(a,b)和2020年1月27-30日雾凇过程(c,d)FZECMOS模式产品环境参数预报结果(黑色实线为实况要素变化，彩色线为模式在不同时次起报的预报结果)

在逐时平均风速预报方面，三个时次的FZECMOS风预报产品无论是在趋势或数值方面，均与实况存在较大偏差(图略)。而省台ECMOS模式则在对风速变化趋势预报与实况较为接近，尽管其未能反映出29日00时-06时的微风和静风阶段，但预报的风速数值均在8m/s以下，且对该时段之后风力增强趋势以及后期30日08时的减弱趋势有所反应。

综上可知，在这两次过程中，FZECMOS和省台ECMOS模式产品对雨、雾凇过程中结凇期的气象要素条件具有一定的预报能力：FZECMOS模式超前时效48h和36h产品对结凇期起始时间点预报基本准确，超前时效24h产品能较好反映结凇期的维持时间，但对于结凇期的结束时间点，三个时次产品均无法准确体现。此外，对比两次过程中实况温度和预报温度的变化趋势，发现模式预报结果与实况均较为相似，对+1d(即两次过程中12月7日、1月30日)的温度预报误差稳定偏高4～5℃，存在可订正优化的空间。

5 结论

对比分析两次雨凇、雾凇过程的天气形势可发现，冬季时高空有短波槽波动东移、冷空气南下并伴有降水，700～850hPa存在逆温层以及环境温度剧烈下降至0℃以下，是九仙山出现雨凇或雾凇的气象条件。在降水明显且低空有过冷层的情况下易生成雨凇(2019年12月6日)，在仅有微量降水，同时处于在静风或微风条件下则常以雾凇为主(2020年1月29日)。

对雨凇、雾凇形成的物理过程进行定量分析发现，两者单体的生成半径均与环境温度和风速有关：在理想条件下，同等时间中风速越大、环境温度越低，单体生成半径越长。两者不同之处在于雾凇较雨凇相比密度较小，即单体质量小，因此其对风力大小更为敏感。根据两次过程实际雨凇和雾凇生成环境气象条件判断，雾凇生成最大理想风速为3级(3.4～5.4m/s)，而雨凇则为6级(10.8～13.8m/s)。

两次过程中对雨凇或雾凇的结凇期判定，可认为当环境温度低于0℃同时空气相对湿度逼近100%时为结凇期的开始点，以环境最低温出现(之后相对湿度明显下降)为结凇期的结束点，最佳观赏时间段则是在结凇期结束后至环境温度升高超过0℃之前(一般为清晨，此时天气转为晴好，且雨凇、雾凇未完全融化)。

吴启树团队FZECMOS模式超前时效48h和36h产品对结凇期起始时间点预报基本准确，超前时效24h产品能较好反映结凇期的维持时间，但对于结凇期的结束时间点三个时次产品均无法准确体现。此外，对比两次过程中实况温度和预报温度的变化趋势，发现模式预报结果与实况均较为相似，存在可订正优化的空间。