2018年1月湖南一次降水相态多次转换机理分析

昌立伟，解 娜，刘杰雄，林 南，李晓坤，黄卓禹

（1.岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000；2.中国气象局气象干部培训学院湖南分院，长沙 410125；3.娄底市气象局，湖南 娄底 417000；4.内蒙古锡林郭勒盟气象局，内蒙古 锡林浩特 026000）

2018年1月25 —27日湖南省中部地区先后出现3次降水相态的快速转换，存在转换时间快、范围广、影响程度大等特点，在短期大气环流形势相对稳定的情况下，快速完成转换及造成不同降水相态的差异鲜见报道。因此，本研究采用地面、高空的常规观测资料和较高的可信度NCEP/NCAR的FNL逐6 h 1°×1°再分析资料，以期揭示2018年1月25—27日降水过程中不同降水相态下温度层结特征及相态多次转换的机理［19，20］。

1 天气实况与降水相态演变

2018年1月23 —28日受强空气影响，湖南省自北向南出现一次强寒潮天气过程，各地日平均气温均由8℃以上降至0℃左右，最低气温降至-3℃左右，此次过程的雨雪量虽较小，但期间各地先后出现的雨、冻雨（雨凇）、雨夹雪、雪等复杂的降水相态，从25—28日的逐12 h整点的地面天气现象可以看出，25日20：00雪线压制28°N附近，湖南省中部区域26°—28°N出现了明显的雨-冻雨的转换（图1a）；25日夜间至26日8：00雪线继续南压，致使中部区域出现冻雨（雨）-雪的第一次相态转换（图1b）；26日白天至27日20：00湖南省中部出现了雪-冻雨或雨的第二次相态转换；27日夜间至28日清晨再一次出现了雨-雪的第三次相态转换；直至28日午后降雪趋于结束。

为了进一步分析此次过程中降水相态的具体演变特征，选取相态变换最为复杂的2个站（怀化、双峰）进行分析。分析强冷空气影响始末气温、露点温度、6 h累积降雨量及整点降水现象等气象要素的变化特征可以发现（图2）。西部怀化站（图2a）25日20：00地面气温降至-0.8℃，出现了雨-冻雨的转换，26日2：00气温进一步降至-1.8℃，出现冻雨-雪的第一次转换；26日17：00在地面气温维持-2℃以下时出现雪-冻雨（雨）的二次转换；27日11：00和27日17：00分别出现冻雨-雪、雪-冻雨的短暂转换；27日23：00再次出现冻雨（雨）-雪的3次转换，直至28日11：00降雪过程结束。双峰站（图2b）雨雪相态的演变与怀化站较为相似，3次转换时间分别出现在26日2：00、26日20：00和28日2：00；整体来看，雨雪量虽较小，但降水相态复杂，出现雨雪相态变化时气温变化不大。

2 大尺度环流特征

2.1 高空环流特征

湖南省寒潮暴发前期，在1月21日8：00高空环流场上（图3a），500 hPa高空宽广的阻塞高压位于乌拉尔山附近；伴随阻塞高压的北侧表现为深厚的冷涡控制，在冷涡横槽前底部700 hPa为成片的20 m/s以上的强西北风区，并配合500 hPa强冷平流向南扩展；中低纬度地区在宽广的阻塞高压东侧受低槽影响，槽后重庆-贵州一线受-24×10-5K/s以下的高空强冷温度平流影响，湖南省正处于低槽和这股强冷温度平流区影响的前侧。之后冷涡的进一步加强，阻塞高压逐渐减弱填塞；到1月25日20：00（图3b），564 hPa线已南移至30°N以南，中低纬度地区一槽一脊的环流形势也转变为平直气流上的小波动，而低槽前的高空强冷温度平流区东移南压影响至湖南省境内，此时正对应湖南省地面开始出现明显的降温，也预示着湖南省寒潮开始暴发而中低层的切变辐合又有利于降水天气的出现。

2.2 地面环流形势

从沿110°—114°E平均海平面气压的时间-纬向剖面（图4a）可以看出，在24日前冷空气堆集中在35°N以北，到24日50°N冷高压中心达1 045 hPa并快速向南推进，到25日1 030 hPa线已推至25°N附近，在25日夜间和27日夜间雨-雪相态转换时，27°N附近海平面气压升高，表明有冷空气补充南下，26日夜间至27日白天雨-冻雨相态转换时，27°N附近海平面气压降低，即在此段时间没有冷空气补充南下；此次寒潮影响初期海平面气压场（4b），1 030 hPa线南扩到湖南省中部区域，而寒潮冷高压的主体并未整体南下，也预示着冷空气影响时间会较长，此外，从24 h变压来看，在东路冷空气影响路径下，湖南省境内的24 h变压达10 hPa以上，表明此次冷空气的强度强，影响持续时间较长，是出现持续性低温阴雨（雪）天气的有利形势。

图1 整点地面天气现象

图2 2018年1月24—28日湖南省代表站逐3 h的气温、露点温度、6 h降雨量及天气现象的时序变化

3 相态频繁转换中低层温度层结分析

3.1 平均温度廓线

由于降水相态的变化对大气温度层结结构非常敏感，而大气中低层-地面的温度变化是界定降水相态转换的重要判据。分析此次过程中雪、冻雨2种降水相态样本的8：00和20：00探空资料大气层结平均温度廓线（图5），雪、冻雨的近地面气温均在-2℃以下，在中低层都存在明显的逆温，在中低层表现出明显不同的特征，降雪时期，900 hPa以上开始出现逆温，750 hPa至700 hPa有弱的暖性逆温，中层最高温度在1℃左右，而在冻雨时期，逆温层出现的高度较降雪高，在850 hPa附近，但逆温坡度小，800 hPa至700 hPa出现明显的暖性逆温，中层最高温度达5℃左右。分析同时次NCEP/NCAR的FNL再分析资料的温度廓线可以看出，近地面及中高层的温度廓线与实况分布较为一致，NCEP/NCAR的FNL再分析资料的温度廓线变化能一定程度上反映实际的温度层结变化，在逆温层结，NCEP/NCAR的FNL再分析资料的温度较实况整体偏低3℃左右；再用NCEP/NCAR的FNL平均温度廓线来分析双峰站不同降水相态的层结特征，双峰站雪、冻雨2种相态下均存在较明显的暖性逆温，在冻雨时期零度线的高度较降雪偏低，逆温坡度较降雪明显偏小，暖性逆温的范围明显偏大，中低层最高温度在5℃以上。

图3 500 hPa的位势高度场（实线，单位：dagpm）、500 hPa温度平流（阴影，单位：-10-5 K/s）及700 hPa风场（风向杆≥12 m/s）

图4 沿110°—114°E平均海平面气压的时间-纬向剖面（阴影：大于等于1 030 hPa）（a）和2018年1月25日20：00海平面气压（b）（等值线，单位：hPa）和24 h变压（阴影单位：hPa）

图5 2018年1月25日20：00至1月28日8：00代表站的不同降水相态实况和NCEP/NCAR的FNL模式的平均温度廓线

3.2 不同相态的温度特征量分析

利用探空站资料分析此次过程中怀化站不同相态中温度特征量（图6）可以看出，26日8：00和28日8：00降雪期间，逆温厚度分别达146 hPa和155 hPa，逆温层顶气温分别为4℃和0℃，逆温层底部温度分别为-9℃和-10℃，逆温梯度分别为13℃和10℃，暖层厚度分别为73 hPa和0 hPa；26日8：00暖层（融化层）主要位于773 hPa至700 hPa，28日8：00无暖层。此外，从探空曲线来看，26日8：00在暖层以上还有部分云区的气温在-12～0℃，且云区伸展高度在600 hPa以上，28日8：00近饱和层高度位于600 hPa附近、-12℃，根据云水温度分层，-10℃以下、-9～0℃、0℃以上3个温度层分别表示为冰晶层、冷层和暖层，则26日8：00降雪温度垂直结果具有冰晶层-冷层-暖层-冷层的结构特征，28日8：00出现降雪，温度垂直结果表现为冰晶层-冷层的结构特征。

冻雨最明显时期27日8：00，逆温厚度为70 hPa，逆温层顶气温为6℃，逆温层底部温度为-9℃，逆温梯度为15℃，暖层（融化层）主要位于805 hPa至690 hPa，暖层厚度为116 hPa，在暖层以上还有部分云区的气温在-3～0℃，云区伸展高度在600 hPa以下。垂直结果具有冷层-暖层-冷层的结构特征。

从上述分析可知，在3个阶段相态频繁转换过程中，均存在明显的锋面逆温，但温度垂直结构存在差异；冻雨期间锋面逆温厚度较薄、梯度显著，暖层高度更低，在800 hPa附近及以下，暖层厚度厚，温度层结具有冷层-暖层-冷层的结构特征；降雪时，锋面逆温厚度较厚，逆温梯度较冻雨弱，无暖层或暖层较浅薄，温度层结往往具有冰晶层-冷层（弱暖层-冷层）的结构特征。

在中小河流治理中存在如何在安全性保证的前提下进行近自然生态建设，如何改善水环境，如何进行生态湿地建设以及水质改善工程等一系列相关问题。

3.3 不同降水相态下降水机制

图7显示，在25日白天和27日白天冻雨区云水含量较高，主要位于700 hPa附近，在0℃，上升气流强的区域主要位于900 hPa至700 hPa的中低层，表现为浅薄的上升运动，中高层的冰相粒子少，表现为大的云水和雨水含量，表明冻雨期间主要是有过冷却云滴的碰并过程形成冻雨，存在一定的“过冷却暖雨”过程机制；而在25日夜间和27日夜间的降雪期间，云水含量偏弱，垂直速度也较弱，但其伸展高度较高，而且高云水含量均处于0℃以下，表现为明显的冷云降水机制。

图6 2018年1月25日8：00至1月28日8：00怀化站不同降水相态的温度特征量值

图7 沿着27°—28°N、110°—114°E物理量随1月时间-高度的剖面

4 相态频繁转换机理分析

4.1 锋区特征

杜小玲等［21］指出可以利用500 hPa位势高度降低、副热带西风急流增加来判断南支锋区活跃程度，在日常工作中常用500 hPa高度上风速大于等于28 m/s来表征副热带锋区急流，从图8a可以看出，在1月25—29日南支锋区异常活跃，其主体位于29°N以南，且表现出明显的日夜变化，夜间往往比白天旺盛，在25日夜间和27日夜间2个降雪的时间点南支锋区的影响均到达25°N附近，在26日的冰冻期间存在南支锋区的北缩及位势高度的升高，表明在大尺度环流相对稳定的情况下，南支锋区的北缩南进对应着降水相态的不同，当出现有利于相态转换时南支锋区的南进有利于出现冻雨（雨）到雪的转换，当出现北缩时则利于出现雪-冻雨（雨）的转换。

此外，此次雨雪过程中对流层中低层始终维持着假相当位温的密集区，相态频繁转换期间锋面两侧的冷暖空气都较强，在600 hPa以下，形成强而少动的能量锋区，锋区内的水平温度梯度很大，锋面坡度较小，锋面逆温显著，在降雪时段（图8b），锋区密集区一度南推至21°—24°N。

图8 2018年1月21至1月29日110°—114°E 500 hPa平均高度（a）（单位：dagpm，阴影：风速大于28 m/s）和1月26日20：00 111°E假相当位温和温度的时间-纬向剖面（b）

4.2 低层辐合

在强冷空气、高空低槽及其活跃的南支锋区有利的环流形势下，分别选取25日夜间、26日夜间、27日夜间3个雪、冻雨、雪相态转换时间点分析不同相态转换时的垂直结构变换。

从850 hPa和700 hPa两层风场剖面和0℃线位置（图9）可以看出，在24日夜间和26日夜间冻雨期间，在24°N附近850 hPa都存在西南急流的加强，0℃线位于27°N附近，700 hPa也存在较为旺盛的西南急流，0℃线位于28°N以北，850 hPa至700 hPa存在一定的暖层，在800～850 hPa存在水平风的辐合及其较大的水汽通量的辐合，为冻雨的形成提供充分的云水和雨水含量，在700 hPa至600 hPa存在水平风的辐散及其较大的水汽通量的辐散，在500 hPa附近又有一较弱辐合中心。垂直方向自下而上具有低层强辐合-中层强辐散-中高层弱辐合-高层较弱辐散的结构；这种多层辐合辐散结构既利于中低层云水和雨水的形成，又利于中层暖性层结的稳定维持。

图9 2018年1月21日至1月29日沿110°—114°E的风场及0℃线的时间-纬向剖面

图10 2018年1月21日至1月29日27°—29°N、110°—114°E平均风散度（a）和水汽通量散度随时间-高度剖面（b）

当冷空气扩散南下，温度层结出现明显变化，在25日夜间和27日夜间的降雪期间，850 hPa的西南风偏弱，0℃线位于26°N附近，700 hPa为西南急流偏弱，0℃线位于26°N附近，水平风的辐合辐散较弱（图10），水汽辐合中心主要集中在800 hPa附近，且可延伸到700 hPa以上，在垂直方向自下而上具有低层弱辐散-中低层较强辐合-中高层较强辐散的结构特征。

此外，从湘中区域平均各层的水汽通量及其平均纬向风的水汽通量散度可以看出，水汽输送主要集中在900 hPa至600 hPa，大致中心主要位于800 hPa至700 hPa，且纬向风的水汽通量分布与水平方向的水汽通量分布一致，由此可见，南风的增强对于水汽通量的增加起到重要的作用，而在此次低温雨雪冰冻天气过程中，24日白天和27日白天在700 hPa附近都存在明显的西南急流显著加强的过程，而正对应着中低层水汽通量的大值区，此外，在25日夜间和27日夜间的降雪期间并未表现出大的水汽通量值。

5 小结

利用地面和高空气象观测数据，以及NCEP/NCAR的FNL再分析资料，着重对2018年1月湖南一次雨雪天气过程中相态多次转换中的温度层结、降水机制的不同之处进行分析，并从南支锋区、低层辐合等出发，探讨相态多次转换的原因，得到如下结论。

1）此次雨雪天气过程是在典型的大范围寒潮过程的大尺度环流背景下，配合高空低槽及中低层切变辐合共同产生的，降温幅度大、多次相态快速转换、影响范围广是此次雨雪过程的重要特点。

2）冻雨、雪2种相态下中低层温度特征明显不同，冻雨时逆温层出现的高度较降雪高，逆温坡度小，锋面逆温厚度较薄，在120 hPa以下，逆温梯度显著，暖层高度更低，暖层厚度厚，暖性逆温层中的最高温度可达5℃左右；在900 hPa以上，温度层结具有冷层-暖层-冷层的结构特征；产生降雪时，逆温坡度大，逆温厚度在140 hPa以上，逆温梯度小，无暖层或暖层较浅薄，温度层结往往具有冰晶层-冷层（弱暖层-冷层）的结构特征；此外，NCEP/NCAR的FNL温度在一定程度上能反映实际温度，逆温层内的温度较实况整体偏低3℃左右。

3）冻雨表现为浅薄的上升运动，中高层的冰相粒子少，表现为大的云水和雨水含量，存在一定的“过冷却暖雨”过程机制；降雪期间，云水含量小，垂直速度也较弱，但其伸展高度较高，且高云水含量处于0℃以下，表现为明显的冷云降水机制。

4）地面强冷空气及南支锋区阶段性活跃南下，改变大气的温度层结是出现相态频繁转换的主要原因；低层辐合增强及其700 hPa西南急流阶段性的异常增强，改变中低层的冷性层结，是出现雪到冻雨快速转换的直接原因。