河南北中部一次雨雪冰冻过程的相态特征分析

摘要：2023年末河南北中部出现一次大范围雨雪冰冻过程，降水相态复杂多变，并伴有区域性雷暴，较为罕见。利用 常规观测、ERA5再分析以及风廓线雷达和双偏振雷达资料等对此次过程的相态特征及成因进行分析。结果表明：（1）500hPa横槽转竖、南支槽东移，700hPa西南急流发展，地面先后受东路及西路冷空气影响，导致河南北中部出现持续性 大范围雨雪冰冻天气。（2）冷垫以上的条件不稳定性、锋区附近的条件对称不稳定以及强锋生环流上升支为对流天气发 生发展提供有利条件，是强雨雪、雷暴及冰雹产生的主要原因。（3）过程中冻雨对应“厚暖层（100—200 hPa）-冷层”层结结构，冰粒对应“冰晶层-薄暖层（50-100hPa）-冷层”结构，纯雪对应整层冷层，雨夹雪对应近地面出现浅薄暖层。（4）风 廓线雷达水平风场产品可定性反映低层西南急流和近地面冷空气强度的变化，不同相态降水的垂直速度产品差异明显， 可为相态转变短临的监测和预报提供参考。（5）双偏振产品显示，冻雨和纯雪对应相关系数最大（≥0.99），雨夹雪相关系 数最小（0.85～0.9）；冰粒中层融化层显著，其高度处差分反射率因子最大，相关系数最小。 关键词：河南；雨雪冰冻；降水相态；风廓线雷达；双偏振雷达

中图法分类号：P426.6

文献标志码：A

DOI： 10.12406/byzh.2024-069

Characteristics of the precipitation phase during a rainfall/snowfall and freezing event in northern and central Henan

DUAN Zhongxia123， SU Aifang14， XU Lina5， YAN yan14

（1. CMA/Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support Applied Technique， Zhengzhou 450003;2. Xinxiang Key Laboratory of Meterological Disaster Prevention and Mitigation， Xinxiang 453000; 3. Xinxiang Meteorological Burea， Xinxiang 453000;4. Henan

Meteorological Observatory， Zhengzhou 453003 ;5. Pingdingshan Meteorological Burea， Pingdingshan 467000）

Abstract： At the end of 2023， a large–scale rainfall/snowfall and freezing event occurred in northern and central Henan， featuring variable precipitation phases and accompanied by regional thunderstorms， which was relatively rare. This paper analyzed this process by using the da- ta from conventional observations， ERA5 reanalysis， wind profile radar， and dual–polarization radar with a focus on the characteristics of pre- cipitation phases and cause. The results are as follows. （1） At 500 hPa， the horizontal trough turned vertical， and the south branch trough moved eastward，while at 700 hPa， the southwest jet developed. Meanwhile， the ground was affected by the cold air from the east and the west successively， which led to the persistent large–scale freezing rain and snow weather in northern and central Henan. （2） The conditional insta- bility above the cold cushion， the conditional symmetry instability near the frontal zone， and the upward branch of strong frontogenesis circu- lation provided a favorable condition for the occurrence and development of convective weather， which were the main causes of heavy rain and snow， thunderstorm， and hail. （3） During the process， the freezing rain corresponded to a \"thick warm layer （100–200 hPa）–cold layer\" stratification， with the ice pellets linking to a “layer of ice crystals – thin warm layer （50–100 hPa） – cold layer” stratification. While the pure snow and sleet corresponded to an entirely cold layer stratification and a shallow warm layer near the ground， respectively. （4） The hori- zontal wind field products of wind profile radar can qualitatively reflect the changes in the low-level southwest jet stream and the intensity of cold air near the ground. The differences in the vertical velocity products of different precipitation phases are significant， providing a refer- ence for the monitoring and forecasting of short-term phase transitions. （5） The dual-polarization products revealed that the freezing rain and pure snow had the highest correlation coefficients （≥0.99）， while the sleet had the lowest （0.85～0.9）. The ice pellets showed a significant middle–layer melting， with a maximum differential reflectivity and a minimum correlation coefficient at that level.

Key words： rainfall/snowfall and freezing; precipitation phase; wind profile radar; dual–polarization radar

引言

冬季降水相态主要包括雨、雪、雨夹雪、冻雨、冰 粒等。低于0℃的雨滴落在0℃以下的物体上时，立 即冻结成外表光滑透明的冰层，称为冻雨（Bernstein， 2000）；直径小于5mm的透明固态降水称为冰粒，往往 由融化的雪或雨滴冻结而成（漆梁波和张瑛，2012）。 雨雪冰冻天气对交通运输、电力输送、能源供应、农业 生产和人民生活等均会带来严重的不利影响，其中冻 雨和冰粒的危害尤为突出。例如，2008年初我国南方 的大范围雨雪冰冻天气导致受灾人口超过1亿，直接 经济损失超过1516亿元人民币（赵琳娜等，2008）。

自2008年我国南方雨雪冰冻事件以来，国内越来 越多学者基于常规观测和再分析资料对冬季降水相 态开展了一系列研究（丁一汇等，2008；Li et al.，2010）。 在降水相态机理研究方面，崔慧慧和苏爱芳（2019）发 现对流层低层的充沛水汽输送和强烈锋生作用有利 于强雨雪出现和维持；王传辉等（2020）指出不同的云 顶高度和暖湿平流强度对应不同的冻雨形成机制；马 晨晨等（2020）指出温湿平流对冰粒过程中融化层、冻 结层和干层的形成起关键作用；李姝霞等（2023）发现 次级环流圈上升支叠加有利于雷暴发生和降雪增 强。在降水相态判别指标方面，漆梁波等（2012）发现 边界层温度和厚度对于判断降雪有指示意义，但不足以判断冻雨和冰粒；邵宇翔和李周（2016）总结了河南 地区雨、雪、冰粒等冬季不同相态降水对应的暖层温 度及0℃层高度；陈双等（2019）构建决策树判别模型较 好地解决了临界气温时对雨雪的判别；荆浩等（2022） 发现云顶温度和0℃层高度可作为北京地区雨、雪、雨 夹雪的关键判断要素。

近年来，随着高分辨率新型探测资料的广泛应 用，基于风廓线雷达和双偏振雷达对冬季降水监测和 识别方面的研究越来越多。孔照林等（2016）统计得出 浙江地区液态和固态粒子对应不同的风廓线雷达下 降速度；毛宇清等（2022）发现风廓线雷达的水平风向 风速和垂直速度的变化可用作雨雪预报；姬雪帅等 （2022）利用双偏振雷达的融化层和水凝物分类产品较 准确地进行了降水相态识别；唐明晖等（2023）提出可 综合利用水平反射率因子、相关系数和差分反射率因 子等双偏振雷达产品判断雨雪相态及强度。

2023年12月13-15日，河南北中部遭遇了一次 雨雪冰冻天气过程，此次过程表现为影响范围广、持续时间长、相态复杂、降水强度大、社会影响大的特 点，并导致河南大部分地市中小学停课，全区高速公 路、高架通行等阶段性封闭。一般而言，冻雨、冰粒降 自层结稳定的层状云降水，雷暴、冰雹要求大气具有 不稳定层结，而本次过程冻雨、冰粒以及雷暴、冰雹等 同时出现，较为少见。另外，主客观预报均对13夜间 至14日白天降雪量严重高估，同时漏报了该时段大范 围长时间的冻雨、冰粒以及雷电和冰雹，造成较大的 社会影响，值得深入分析。因此，本文针对此次过程 中复杂降水相态的特征及成因进行分析，以期得到有 关冬季降水相态判别的预报预警指标，为河南地区冬 季降水的精细化预报提供科学借鉴。

1资料说明

本文分析采用的资料主要包括：（1）国家气象信息 中心提供的2023年12月常规高空观测资料，用于分 析环流背景及温湿层结；同时段国家基本基准气象站 （以下简称国家站）1h间隔地面观测资料，地面要素包 括天气现象、气温、降水量等，用于分析地面要素及降 水相态。（2）欧洲中期数值预报中心提供的第五代全 球大气再分析资料（ERA5），空间分辨率0.25°×0.25°， 时间分辨率1h，用于诊断分析不稳定、动力、温湿层结 等条件。经检验，过程期间郑州站上空不同高度 ERA5资料的温度、风场、比湿等要素与探空观测的相 应要素值基本一致，故具有一定的代表性。（3）全国综 合气象信息共享平台“天擎”提供的2023年12月新乡 风廓线雷达数据，0—6km垂直分辨率为120m，6— 10km垂直分辨率为240m，风速分辨率为0.2m·s=1，风向分辨率为0.5°，用于风场垂直结构和降水相态分 析。（4）全国综合气象信息共享平台“天擎”提供的 2023年12月郑州S波段双偏振雷达数据，包括反射率因子（Z）、差分反射率因子（ZDR）、相关系数（CC）等，用于 降水粒子的识别和判断。该过程中的降水相态实况 是综合天气现象仪、人工观测以及地基垂直观测等资 料识别，并经业务技术人工判别质控后得到。

2雨雪冰冻天气实况

2023年12月13日20时（北京时，下同），河南西部 开始出现弱雨雪，相态以冻雨为主，夜间弱雨雪区逐 渐自西向东发展。14日，雨雪区自豫西北扩展到豫北 中大部，强度增强，豫北部分地区出现暴雪，安阳、汤 阴、内黄、孟津4个国家站日降雪量突破建站以来12月极值，最大日降雪量为18mm（安阳站和内黄站），相态复杂多变，有雨夹雪、冻雨、冰粒、冰雹、雪等（图1a）。同时，豫北中部及豫西出现区域性雷暴，闪电定位数据（图1b）显示，全省地闪总数高达1866次，其中正闪 达到498次，负闪高达1368次。15日，河南大部再次 出现纯雪。

选取安阳、卫辉、禹州国家站（图1a灰色圆圈）作为 豫北中部代表站，分析代表站14日07—23时逐时2m 气温、降水量及主要天气现象演变发现，安阳站（图2a）于14日07—08时出现冰粒，08—09时转冰雹、冰粒等 伴雷暴，10-12时为冰粒，12时之后转纯雪，2m气温 在-2.1～-1.7℃之间；卫辉站（图2b）于08-09时出现冰粒，09-10时转冰雹伴雷暴，10-13时再转冰粒，13时 之后转雨夹雪，2m温度在-0.7～0℃之间；禹州站（图2c） 于14日10-15时出现冻雨，17—19时转冰粒，19时之 后转雨夹雪，2m气温在0～1℃之间。15日（图略），降 水时段三站降水相态均为纯雪，对应的2m气温降 至-4～-1℃。

3环流背景

此次过程前期，500hPa乌拉尔山附近阻塞高压向 北发展，脊前横槽位于贝加尔湖至新疆北部；鄂霍次 克海东部东亚大槽稳定维持，槽后西北气流引导冷空 气影响我国中东部地区；与此同时，南支槽在孟加拉 湾建立。14日08时（图3a），500hPa横槽前不稳定小槽 东移至河套西部，低纬南支槽前有小波动东移至高原 东部；700hPa西南急流强烈发展并伸至豫中东部，急 流核风速达28m·s1，豫北中部位于急流左前侧辐合 区中，比湿度达到6g·kg1以上，温度达3℃；850hPa 锋区位于河南中南部，豫北中部受切变线以北偏东气 流影响，温度约为-4℃；925hPa东北急流携带近地层冷空气扩散南下，形成冷垫，有利于大范围雨雪冰冻 天气发生。15日08时（图3b），500hPa横槽旋转南下 至河套西部附近，南支槽东移北缩至四川东部，偏西 气流与西南气流再次在黄淮地区汇合；700hPa豫北中 部转受西北风与西南风之间的冷式辐合切变线影响， 温度降至-9℃；850hPa和925hPa豫北中部均为偏北 气流，15日白天河南大部出现小雪。15日夜间（图略） 随着500hPa低槽过境，河南位于槽后西北气流中，整 个雨雪过程趋于结束。

地面图上（图略），过程前期贝加尔湖附近有冷高 压维持，中心强度达1060hPa，冷空气一路自新疆、甘 肃一带南下（西路），并在河套中西部形成冷锋，一路自 东北、华北回流南下至黄淮地区（东路）。与此同时，高原中东部有暖低压形成，暖倒槽位于江淮地区，河套 地区锢囚形势明显，河南受回流冷空气影响，处于东 北高西南低的气压场中。14日暖倒槽发展，东路回流冷空气持续南下，冷暖空气在黄淮一带对峙，大范围 雨雪冰冻出现；15日伴随河套冷锋南下并影响河南， 豫北中部出现降雪。

4对流发展条件

由实况分析可知，过程期间豫北中部出现了大范 围冰雹和雷暴，表明有对流天气发生发展。14日08时 郑州站探空（图5b）显示，虽低层存在逆温层，但从逆温 层顶抬升气块时，对流有效位能约365J·kg-，说明逆 温层之上存在条件不稳定层结。该时刻的饱和假相 当位温度（0）垂直剖面（图4a）也显示，豫北地区（34°— 36°N）800 hPa以下为低e*区，与冷垫相对应，700hPa受西南急流影响出现高能舌，中心达324K，500hPa附近受干冷空气影响出现中心达312K的低值区，由此可知700-500hPa0*随高度递减，即冷垫以上存在 条件不稳定层结（俞小鼎等，2020）。结合地转绝对动 量（M）垂直剖面（图4a）可见，此时36°N附近900—700hPa上等0线坡度明显大于等M线坡度，且地转湿位涡负值中心值达到-2PVU以上，表明大气还具有 较强的条件性对称不稳定。另外，由08时锋生函数和 垂直速度的垂直剖面（图4b）可知，36°N和32°N附近低层出现强锋生区，中心强度均达到60×101°K·m=1·s1 以上，两锋生区之间存在一锋生正环流，其显著上升 支突破冷垫并伸展至对流层中高层，豫北36°N附近上空上升运动区自700hPa向上延伸至300hPa，强度达到-1.6 Pa·s-1，此时雨雪增强并伴有雷暴、冰雹出现。

5降水相态层结特征

Huffiman（1988）总结了两种冻雨形成机制，一是 基本无冰相粒子参与的“暖雨机制”，即雨滴下落到过 冷层后成为过冷水滴；二是“融化机制”，云中的冰晶 和雪花先下落到融化层变为雨滴，然后落到过冷层成 为过冷水滴，即“冰晶层-暖层-冷层”模式。冰粒形 成也有类似两种机制，即雨滴直接在冷层中冻结为 冰粒的“暖雨机制”（Kajikawa and Andrew，1989）和雪花或冰晶部分融化后进入冷层重新冻结的“融化机 制”（Zerr，1997）。2023年12月13日20时郑州站探空（图5a）显示，800hPa以下冷垫显著，最低温度达-4℃，800-700hPa存在暖层，最高温度4～5℃，925—800hPa出现显著逆温层，湿层位于650hPa以下，呈“暖雨机 制”的探空层结（漆梁波，2012）。14日08时（图5b），近 地面冷垫维持并略有增强，最低温度-6～-5℃，暖层 略有增厚，位于800-650hPa，925-750hPa存在逆温，湿层从地面伸至500hPa附近，随着中高层降温 增湿，层结结构逐渐呈现出“融化机制”特征（漆梁波， 2012），有利于14日大范围冰粒、雨雪天气形成（李杰 等，2016）。到20时（图5c），700hPa转受偏西气流影 响，降温显著，暖层即将被破坏，相态逐渐转纯雪（Zhang et al.，2022）。

图6为2023年12月13-15日三个代表站相对湿 度、温度及垂直速度高度-时间剖面图。从中可知，14 日08时豫北地区安阳站（图6a）和卫辉站（图6b）上空湿 层迅速增厚，云顶达到300hPa（-40℃）附近，强上升速度区达-20℃层附近，最大速度达-1.5Pa·s1以上，有 利于冰相粒子快速增长（Pruppacher and Klett，1997）； 09时左右安阳、卫辉等地出现冰雹、雷暴和强雨雪。 14日上午上述两站上空层结均表现出湿层厚，融化层 弱（0℃附近）且薄（厚度达50～100hPa）（邵宇翔和李周，2016），冷层约250hPa，对应降水相态为冰粒；而禹州站（图6c）湿层薄，融化层强（2～4℃）且厚（100～200hPa）（霍也等，2023），冷层约200hPa，对应出现冻雨。这说 明此次过程中冰粒融化层厚度小于冻雨，其冻结厚度 大于冻雨，这与漆梁波（2012）、李杰等（2016）的研究结 论类似。午后，安阳站暖层温度降至-2℃，近地面维 持-4℃以下，相态转纯雪；卫辉站上空冰晶层变薄，暖 层温度降至-2～0℃，近地面温度升至0℃左右，相态 转雨夹雪。禹州站于17—18时暖层温度降至2℃，其 厚度降至50～100hPa，且湿层层顶自600hPa附近升至300hPa（-40℃），降水相态转为冰粒；20时暖层温 度继续降至0℃，近地面出现浅薄暖层，温度增高至 0℃以上，降水相态为雨加雪。15日三个代表站云顶 高度均达300hPa（-40℃），湿层深厚且整层为冷层，对 应出现纯雪。

6降水相态的雷达产品特征

6.1风廓线雷达产品特征

风廓线雷达水平风场产品可反映冷暖平流的演 变特征（张月华等，2019）。2023年12月14日新乡风廓 线雷达产品（图7）显示，04时，新乡上空1km以下转受 显著东北风影响，对应东路冷空气，有利于冷垫维持； 与此同时，2-3km西南气流逐渐增大，输送暖湿气 流，有利于雨雪增强和暖层维持。09时，西南急流中 心风速增至20m·s1以上，近地面东北风增至18m·s=1， 形成强垂直风切变，此时降水增强，同时出现雷暴、冰 雹。12一13时，3km附近转为强偏西风，近地面偏北 风减弱，降水维持，相态由冰粒逐渐转雨夹雪。15日 白天（图略）3km以下为偏北风，以上为偏西风，出现小雪。

风廓线探测的降水粒子的下落速度范围可作为 区分冬季降水粒子的依据。孔照林等（2016）统计发现 冬季对流不强烈时，浙江地区液态降水粒子下降末速 为1.8～6.0m·s=1，固体降水下降末速为0.1～1.8m·s=1； 孙莎莎等（2023）研究山东一次极端暴雪过程发现，雨 转雨夹雪转雪，低层垂直速度由大到小变化，降雨时 最高达4～5m·s-1，降雪时段为1～2m·s2，高垂直速度 梯度发生在雨夹雪阶段。14日08时，下落速度自下而 上发展至5km以上，09-10时，最大下落速度达1.6～ 2.4m·s-1，位于1～2km，新乡附近出现冰粒、冰雹等固 态降水，较上述研究中固态相态对应的垂直速度略 大，可能与对流性降水出现有关。13时，5km以下下 落速度显著增大至2.4m·s=1以上，3km以下达3.2～ 4.0m·s-1，此时降水相态为雨、冻雨、冰粒等多混合相 态，较上述研究的降雨下降速度偏小。15日白天（图略），整层平均下降速度为1m·s1左右，与上述研究的 降雪下降速度较为一致。

6.2双偏振雷达产品特征

双偏振雷达时空分辨率高，可用于降水相态的研 究（Giangrande et al.，2016）。温静等（2023）对常州一次多相态降水分析发现降雨转雨夹雪时，反射率因子（Z）和差分反射率因子（ZDR）增大，相关系数（CC）减小，雨雪混合相态对应Zgt;30dBz、ZDRgt;1dB、CClt;0.95，而纯雪则Zgt;22dBz、ZDRlt;1dB、CCgt;0.98；孙莎莎等（2023） 研究山东一次雨雪过程发现CC能更好地指示雨雪转 换，并得出稳定雨雪期间，降雨或降雪时CC为0.98～1.01，雨夹雪时CC为0.8～0.95。郑州双偏振雷达产品 （图8）显示，14日08时（图8a）组合反射率因子表现为片 状的层积混合降水回波，中心强度达40～45dBz，部分 较强回波呈平行带状排列，可能与条件对称不稳定有 关；剖面分析可知，强单体35dBz以上回波主要集中在6km以下（图8b），对应ZDR为0.2～0.8（图8c），CC≥ 0.99（图8d），表明云体中下层以小雨滴为主，实况为冻 雨。14日10时组合反射率因子（图8e）不均匀性增强， 积云降水回波特征更明显，中心强度达50dBz；对强单体进行剖面分析可知，35dBz超过7km（-20℃层高度），45dBz达6km（图8f），有利于雷暴产生；高层ZDR为-1～0.5dB（图8g），CC≥0.98（图8h），可能为均一的小冰雹（俞小鼎等，2020），低层ZDR显著增大为0.8～2.0dB（图8g），CC降至0.9～0.97（图8h），表明小冰雹下落部分 融化，此时出现雷电、小冰雹。14日14时回波强度有 所减弱，中心强度为40～45dBz（图8i）；反射率因子剖面 （图8j）显示，强中心高度在3km附近，对应融化层，其ZDR为0～1dB和1～2dB，对应CC为0.92～0.96和0.9，35dBz以上回波位于4km以下，对流性显著减弱；ZDR（图8k）和CC（图8I）剖面显示，A、B两单体3km高度近地面ZDR减小至-1～0.2dB和1～1.5dB，对应CC 为0.98～0.99和0.85～0.9；结合上述研究结果可推断单 体A中冰晶在融化层中部分融化后重新冻结，低层双 偏振产品特征与纯雪相似，对应地面出现冰粒；单体 B中冰晶在融化层融化并以固液混合态降落地面，低 层产品特征与雨夹雪类似，实况出现雨夹雪。15日 回波呈现均匀的大片层云结构，最强不超过25dBz （图8m），剖面显示发展高度不足4km（图8n），低层 ZDR为0～0.5dB（图8o），CC≥0.99（图8p），呈现纯雪的双偏振雷达产品特征（杨祖祥等，2019）；实况为干雪， 强度较弱。

7结论与讨论

本文利用常规观测、风廓线雷达、双偏振雷达及 ERA5再分析等资料对2023年末发生在河南北中部一 次大范围的雨雪冰冻过程进行分析，重点探讨了不同 降水相态的观测特征及形成机制，得出以下主要结论：

（1）500hPa横槽转竖与南支槽东移，为大范围雨雪冰冻过程发生提供了有利背景。700hPa槽前强盛 的西南暖湿急流与不断扩散南下的低层东路冷空气 结合，河南北中部出现大范围冻雨、冰粒。地面西路 冷空气伴冷锋南下，气温迅速下降，全区转为纯雪。

（2）冷垫以上的条件不稳定性、锋区附近的条件对 称不稳定以及强锋生环流上升支为对流天气发生发 展提供有利条件，是强雨雪、雷暴及冰雹产生的主要 原因。

（3）过程中冻雨呈现“暖雨机制”的“厚暖层（100— 200hPa）-冷层”层结结构；冰粒对应“融化机制”的“冰晶层-薄暖层（50-100hPa）-冷层”层结结构；纯雪表 现为整层冷层结构；雨夹雪期间，近地面出现浅薄暖 层。因此，降水相态主要取决于各高度上的温湿变 化，仅根据单一层结指标来判断降水相态局限性大。

（4）风廓线雷达水平风场产品反映出低层西南急 流和近地面东北风加强造成垂直风切变和雨雪强度 增强，西南急流和低层东北风减弱预示降水相态转 变；不同相态降水对应的风廓线雷达垂直速度产品存 在差异，总的来说，固态小于液态，可为短临相态转变 的监测和预报提供参考。

（5）双偏振产品显示，过程中湿冰雹对应回波中心 强度最强（45～50dBz），发展高度最高；干雪阶段回波最弱（≤25dBz），发展高度最低；冻雨和纯雪对应相关系数（CC）最大（≥0.99），雨夹雪CC最小（0.85～0.9）；冰粒中层融化层显著，其高度处差分反射率因子（ZDR）最大，CC最小。这表明对于不同降水相态的监测双偏振雷 达产品较单极化产品具有更好的参考意义。

需要指出的是，由于新乡风廓线雷达和郑州双偏 振雷达建立的时间较短，典型个例少，本文针对一次 过程得到的结论可能有一定局限性。此外，2024年初 在高纬冷空气南侵和南支槽东移背景下，河南再次出 现冰冻雨雪过程，且冻雨的形成机制呈现多出现在我 国南方的“融化机制”，是否与大气环流北抬和全球变 暖的气候背景有关，前期主客观预报均对此类降水相 态预报偏差较大，其主要原因是什么，这些问题有待 今后综合利用多源资料采用诊断分析、数值模拟等方 法进行深入分析，为此类高影响天气精准预报预警提 供更有效的技术支撑。

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（责任编辑 唐永兰）