內(nèi)蒙古一次極端暴雪事件中凍雨成因分析

孟雪峰，孫永剛*，霍志麗，薩日娜，孔文甲，劉夢(mèng)迪

（1.內(nèi)蒙古氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古氣象服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.通遼市氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，也一直是天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，凍雨是＜0℃的過(guò)冷卻液態(tài)水滴降落到0℃以下裸露的物體上形成的一層冰層，是一種高影響災(zāi)害性天氣。目前國(guó)內(nèi)對(duì)2008年南方凍雨研究較多，楊貴明等[1]認(rèn)為冷暖氣團(tuán)長(zhǎng)期對(duì)峙是“低溫雨雪冰凍”天氣持續(xù)的主要原因，指出華南地區(qū)上空靜止少動(dòng)的鋒生中心，正是低溫雨雪冰凍期間準(zhǔn)靜止鋒長(zhǎng)期穩(wěn)定的原因之一。楊貴明等[2]從凍雨災(zāi)害持續(xù)原因，初步分析了2008年初“低溫雨雪冰凍”天氣的主要特點(diǎn)和環(huán)流特征，指出南方凍雨形成逆溫層穩(wěn)定，融化層厚度較厚，是長(zhǎng)時(shí)間凍雨天氣的主要原因之一。王凌等[3]對(duì)2008年南方低溫雨雪冰凍天氣與同期歷史進(jìn)行了比較，得出與日最高氣溫異常偏低和持續(xù)低溫日有關(guān)。高輝等[4]對(duì)2008年1月我國(guó)南方大范圍低溫雨雪冰凍天氣從氣候角度進(jìn)行成因分析，得出逆溫層不斷加強(qiáng)并長(zhǎng)時(shí)間維持是大范圍凍雨持續(xù)出現(xiàn)的主要原因。馬曉剛等[5]對(duì)南方凍雨進(jìn)行了診斷分析，指出地面準(zhǔn)靜止鋒是冰凍雨雪主要天氣系統(tǒng)，逆溫層、西南暖濕氣流及北方強(qiáng)冷空氣的不斷補(bǔ)充是凍雨形成條件。王東海等[6]利用新型衛(wèi)星CloudSat的星載云廓線雷達(dá)（CPR）資料分析了凍結(jié)、凝華和冰霧粒子的附著增長(zhǎng)的物理過(guò)程和對(duì)流層極渦變化及伴隨的強(qiáng)天氣事件的先期信號(hào)，是中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的研究方向。江楊等[7]對(duì)2008年初中國(guó)南方地區(qū)凍雨的溫度層結(jié)進(jìn)行數(shù)值模擬，指出較大的逆溫梯度是凍雨區(qū)別于降水相態(tài)垂直溫度場(chǎng)的明顯特征。多位專家[8-13]對(duì)南方凍雨氣候規(guī)律和形成機(jī)制進(jìn)行了研究，主要是對(duì)南方凍雨形成和持續(xù)機(jī)制、凍雨的冰晶物理過(guò)程和數(shù)值模擬的研究，指出南方凍雨的形成與冷空氣持續(xù)補(bǔ)充、干濕層結(jié)等特征相關(guān)。

2020年11月17日08時(shí)—20日08時(shí)，受較強(qiáng)暖濕氣流和冷空氣共同影響，內(nèi)蒙古全區(qū)大部出現(xiàn)了入冬以來(lái)影響范圍最廣、降水（尤其降雪）強(qiáng)度最大的雨雪天氣過(guò)程。共有15站出現(xiàn)極端降雪事件，其中赤峰市阿魯科爾沁旗、通遼市包含舍伯吐、科左中旗等7個(gè)站突破歷史極值，出現(xiàn)極端暴雪事件。本次暴雪天氣伴有復(fù)雜的雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換，加之雪后強(qiáng)烈的寒潮大風(fēng)使得災(zāi)害異常嚴(yán)重。特別是處于暴雪中心的通遼市南部地區(qū)，降雪前出現(xiàn)凍雨天氣，進(jìn)一步加大了災(zāi)害影響。本次強(qiáng)降雪對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸、電路通訊、城市運(yùn)行、糧食管護(hù)、牧區(qū)牲畜管理等造成重大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，赤峰市10個(gè)旗縣區(qū)、通遼市6個(gè)旗縣區(qū)、錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗出現(xiàn)雪災(zāi)，致使房屋、大棚、棚圈、鋼化結(jié)構(gòu)廠棚等垮塌受損，牛羊死亡等，直接經(jīng)濟(jì)損失超30 000萬(wàn)元。此外，受強(qiáng)風(fēng)雪天氣影響，全市中小學(xué)停課，部分企業(yè)停工。

在雨雪轉(zhuǎn)換季節(jié)，大雪暴雪背景下凍雨的出現(xiàn)往往加重了災(zāi)害的影響。目前針對(duì)我國(guó)北方凍雨特征和成因研究不多，本文針對(duì)內(nèi)蒙古東南部這次高影響凍雨天氣過(guò)程進(jìn)行研究，以提高對(duì)我國(guó)北方凍雨發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為雨雪轉(zhuǎn)換重大氣象災(zāi)害的預(yù)警服務(wù)工作提供科技支撐。

1 災(zāi)情分析

2020年11月18日08時(shí)—19日08時(shí)，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市出現(xiàn)大范圍極端暴雪、特大暴雪氣象災(zāi)害。赤峰市、通遼市有7個(gè)旗縣突破暴雪歷史極值，赤峰市阿魯科爾沁旗連續(xù)2 d突破歷史極值，最大降水量出現(xiàn)在通遼市開(kāi)魯縣保安農(nóng)場(chǎng)站，為69.0 mm。最大小時(shí)降雪出現(xiàn)在通遼市奈曼旗青龍山，為5.9 mm。大暴雪區(qū)域積雪深度達(dá)20 cm以上，通遼市最大積雪深度達(dá)28 cm。此次暴雪天氣過(guò)程伴隨復(fù)雜的雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)雨、凍雨、霰、雨夾雪、雪等天氣現(xiàn)象。另外，18日20時(shí)—19日20時(shí)暴雪后期，強(qiáng)冷空氣南下，大部地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)雪寒潮天氣。烏蘭察布市、錫林郭勒盟、赤峰市最低氣溫下降14～16℃，西烏珠穆沁最低氣溫達(dá)-25.9℃，24 h降溫達(dá)16.3℃，極大風(fēng)速達(dá)28.9 m/s（11級(jí)），伴隨暴風(fēng)雪等惡劣天氣，使得這次暴雪災(zāi)害極為嚴(yán)重。

值得關(guān)注的是，此次極端暴雪中心的通遼市南部地區(qū)，在18日13—20時(shí)，出現(xiàn)了持續(xù)性凍雨天氣（表1），內(nèi)蒙古庫(kù)倫旗持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7.5 h。凍雨出現(xiàn)在大興安嶺東側(cè)和吉林市西南部的平原地區(qū)，呈東北西南走向的帶狀分布，從內(nèi)蒙古東南部一直延伸到吉林西南部（圖1），凍雨發(fā)生時(shí)段該區(qū)域地面盛行偏東或東東北風(fēng)，風(fēng)力不大。凍雨形成結(jié)冰現(xiàn)象，隨后地面氣溫快速下降轉(zhuǎn)為暴雪天氣，風(fēng)雪寒潮天氣加重了災(zāi)害。

表1 各站凍雨持續(xù)時(shí)間

圖1 2020年11月18日凍雨區(qū)域（藍(lán)線）

2 天氣形勢(shì)分析

在500 hPa歐亞大陸“兩槽一脊”背景下（圖2a），受北方冷空氣與江淮氣旋北上帶來(lái)的西南暖濕氣流的共同影響，我國(guó)華北和東北大部產(chǎn)生超歷史極值強(qiáng)降雪天氣過(guò)程。18日08—20時(shí)500 hPa（圖2a）高緯度地區(qū)不斷有橫槽南壓，有冷空氣滲透補(bǔ)充（冷中心為-40℃），低緯度副熱帶高壓擺動(dòng)，逐步東移北上。108°E西風(fēng)槽與南支槽形成南北階梯槽同位相疊加，東移影響內(nèi)蒙古中東部大部；槽前西南急流強(qiáng)盛深厚，凍雨區(qū)位于旺盛的西南暖濕氣流頂端。700 hPa（圖2b）110°E低渦配合西風(fēng)槽發(fā)展東移，低緯度北伸的西南暖濕急流強(qiáng)盛，凍雨區(qū)位于暖濕氣流頂端、暖切變北端約2個(gè)緯距、0～4℃等溫線之間。850 hPa（圖2c）低緯度低渦不斷東北移，低渦前部暖濕氣流持續(xù)加強(qiáng)北伸，偏東急流帶來(lái)的冷空氣使得在內(nèi)蒙古東南部形成弱溫度槽，并與西南急流交匯，溫度槽前偏東急流與西南急流交匯處正是凍雨發(fā)生區(qū)。地面（圖2d）為北高南低形勢(shì)，北部冷高壓向南入侵，與北上加強(qiáng)的江淮氣旋頂部交匯，形成地面靜止鋒，凍雨區(qū)恰好位于地面靜止鋒區(qū)一線、地面冷高壓控制、對(duì)流層低層暖濕氣流爬升區(qū)域中。由于系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)，這一天氣形勢(shì)配置一直持續(xù)到夜間，入夜后環(huán)境溫度整體下降，凍雨結(jié)束轉(zhuǎn)為降雪。

圖2 2020年11月18日14時(shí)高度場(chǎng)（黑色等值線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（紅色等值線，單位：℃）、風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s-1）

中緯度西風(fēng)槽與南支槽同位相疊加并東移，使得來(lái)源于低緯的水汽向高緯度輸送，高空槽前低層存在低渦和地面氣旋，低渦前側(cè)存在強(qiáng)的西南急流，低渦和地面氣旋在高空槽引導(dǎo)下向東北方向移動(dòng)。低渦和地面氣旋異常偏強(qiáng)是產(chǎn)生歷史極端降水條件的大尺度背景特征。在有利的降水形勢(shì)中，地面強(qiáng)冷高壓南侵，與對(duì)流層中低層西南暖濕氣流疊置，構(gòu)建了凍雨形成的重要條件“冷—暖—冷”垂直結(jié)構(gòu)。北方強(qiáng)盛的地面冷高壓，從小興安嶺東側(cè)東北平原向南侵入至燕山北和長(zhǎng)白山以西受阻堆積，形成冷墊，是凍雨形成的重要條件之一。對(duì)流層中低層低渦前強(qiáng)盛的暖濕急流頂端到達(dá)冷墊并爬升，持續(xù)的暖平流在冷墊上形成一個(gè)暖層即融化層，是凍雨形成的另一重要條件，對(duì)北方來(lái)講暖層建立這一條件更為重要。此外，需要有基礎(chǔ)氣溫和氣溫日變化的配合，使得冷墊氣溫＜0℃，暖層氣溫＞0℃，并且有一定的層厚足以使得降水發(fā)生相態(tài)變化。18日入夜凍雨轉(zhuǎn)為降雪并非系統(tǒng)配置變化所致，而是因?yàn)槿胍弓h(huán)境溫度整體下降的原因。本次凍雨天氣的形成是多種條件配合，預(yù)報(bào)難度很大。

3 凍雨觀測(cè)特征

3.1 地面氣象要素演變特征

為了認(rèn)識(shí)凍雨發(fā)生的基本環(huán)境條件，分析地面氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)及其演變特征。選取了凍雨發(fā)生區(qū)的科左后旗（圖3a），凍雨發(fā)生時(shí)段為13—20時(shí)，從降水量看，基本是降水初始階段，地面氣溫穩(wěn)定在-0.7～-1.0℃，波動(dòng)很小，降水量較小，雪強(qiáng)在1.2 mm/h以下，累計(jì)降水量為5.4 mm。20時(shí)轉(zhuǎn)為降雪后，氣溫開(kāi)始驟降，降雪強(qiáng)度和量級(jí)也明顯增大，出現(xiàn)3.4 mm/h的雪強(qiáng)。過(guò)程中溫度露點(diǎn)差＜4℃，濕度大，氣壓一直持續(xù)下降。23時(shí)氣壓達(dá)到最低值，此時(shí)雪強(qiáng)最大。選取了同為暴雪區(qū)未出現(xiàn)凍雨的赤峰站，全降雪過(guò)程中，地面氣溫變化波動(dòng)較大，沒(méi)有穩(wěn)定時(shí)段，且均＜-2℃。溫度露點(diǎn)差＜4℃，濕度大，氣壓一直持續(xù)下降，低值系統(tǒng)移來(lái)，氣壓達(dá)到最低值對(duì)應(yīng)雪強(qiáng)最大，具有典型的降水要素特征。

通過(guò)分析凍雨發(fā)生區(qū)沿線的科左后旗、庫(kù)倫旗、青龍山、長(zhǎng)春、雙遼對(duì)比無(wú)凍雨的赤峰（圖3b）等地面氣象站逐小時(shí)氣象要素和降水量變化特征表明，凍雨發(fā)生時(shí)段，各站地面氣溫穩(wěn)定、波動(dòng)較小，基本維持在-1～-2℃，可能與雨滴釋放熱量成為過(guò)冷雨滴和地面冷高壓南侵降溫平衡相關(guān)。同我國(guó)北方預(yù)報(bào)指標(biāo)與南方的“當(dāng)中低空存在逆溫層時(shí)，地面0℃線就是凍雨發(fā)生的標(biāo)志線[6]”略有差異。轉(zhuǎn)雪后，氣溫均出現(xiàn)快速下降。各站溫度露點(diǎn)波動(dòng)幅度不大且溫度露點(diǎn)差均＜4℃，空氣濕度越大，水汽越飽和，凍雨持續(xù)的有利條件與降水相同。地面氣壓呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，降水強(qiáng)度增大，在出現(xiàn)最強(qiáng)降水前凍雨結(jié)束。本次凍雨發(fā)生在主體降水過(guò)程的開(kāi)始時(shí)段，降水量和降水強(qiáng)度較小，降水量約占總量的25%（表1）、強(qiáng)度在2 mm/h以下。

圖3 2020年11月18日08時(shí)—19日20時(shí)逐小時(shí)降水量（黃線，單位：mm）、溫度（藍(lán)線，單位：℃）、露點(diǎn)（紫線，單位：℃）、氣壓（灰線，單位：hPa）變化

3.2 高空探測(cè)特征

分析凍雨發(fā)生區(qū)18日08時(shí)長(zhǎng)春探空T-lnP（圖4a）及模式探空可見(jiàn)，與通遼相似，550～450 hPa存在干區(qū)，濕層深厚到達(dá)550 hPa，存在雙逆溫層結(jié)。近地層940 hPa（-2℃）～910 hPa（4℃）存在強(qiáng)逆溫；800～935 hPa為暖層，最高氣溫為4℃，935～1 000 hPa為冷層，最低氣溫為-2℃，0℃以上和0℃以下兩個(gè)層結(jié)在探空T-lnP圖中面積相當(dāng)，0℃以上暖區(qū)略大。對(duì)比分析無(wú)凍雨發(fā)生的赤峰探空T-lnP（圖4b）及模式探空可知，濕層深厚到達(dá)400 hPa，高層無(wú)明顯的干冷空氣侵入，近地層860 hPa（-4℃）～800 hPa（0℃）存在強(qiáng)逆溫；750～840 hPa為暖層，最高氣溫為0℃；840～930 hPa為冷層，最低氣溫為-4℃，關(guān)鍵是冷暖層都在0℃以下，沒(méi)有融化層存在。進(jìn)一步分析18日14時(shí)凍雨發(fā)生時(shí)段各站模式探空具有相同的結(jié)論。

通過(guò)對(duì)比發(fā)生凍雨的長(zhǎng)春探空站與未發(fā)生凍雨的赤峰探空站的T-lnP圖可知，凍雨發(fā)生前與發(fā)生階段長(zhǎng)春探空主要特征相似，表現(xiàn)為：濕層深厚，濕層延伸至高空約550 hPa，高空550～450 hPa存在干冷空氣侵入的特點(diǎn)（圖4a）。分別在550 hPa和近地層900 hPa存在雙逆溫層結(jié)，近地層逆溫更強(qiáng)。上部逆溫層為干濕分界，逆溫層之下濕度很大，逆溫層之上濕度迅速減小，干暖空氣有利于穩(wěn)定層結(jié)，抑制低層濕空氣向上擴(kuò)散，對(duì)凍雨天氣的維持起到不可忽視的作用[2]。而550～450 hPa中高層干冷空氣的侵入抑制了低層濕空氣向上擴(kuò)散，對(duì)凍雨天氣的出現(xiàn)和維持起到了關(guān)鍵作用。近地層930 hPa（-4℃）～860 hPa（3℃）存在強(qiáng)逆溫，層結(jié)是“冷—暖—冷”。上層冷區(qū)濕度大，水汽形成雪花飄落，進(jìn)入中層暖區(qū)溫度＞0℃，使雪（過(guò)冷水）在下落的過(guò)程中融化為雨滴，下落進(jìn)入下層冷區(qū)溫度＜0℃，雨滴成為過(guò)冷水滴，降落到地面或物體表面立即凍結(jié)，形成凍雨。可見(jiàn)強(qiáng)逆溫層是凍雨天氣主要的垂直特征，其關(guān)鍵在于中間的暖區(qū)融化層，需要有一定的層厚和＞0℃的氣溫足以融化雪，其層厚100 hPa左右，在920～820 hPa，最高氣溫在2～4℃。另一個(gè)關(guān)鍵在于下層冷凍層，層厚100 hPa左右，層次在地面至900 hPa上下，最低氣溫在-2～-4℃。兩個(gè)層結(jié)在探空T-lnP圖中面積相當(dāng)。對(duì)比沒(méi)有出現(xiàn)凍雨的赤峰探空（圖4b），具備深厚濕層的強(qiáng)降水特征，近地層雖然有逆溫層結(jié)構(gòu)存在，但溫度整層都＜0℃，沒(méi)有融化層，出現(xiàn)暴雪天氣。可見(jiàn)，“冷—暖—冷”垂直結(jié)構(gòu)特征是凍雨形成的重要指標(biāo)，在深厚濕層的降水有利條件下，高層冷區(qū)是常態(tài)，預(yù)報(bào)的關(guān)鍵在于中層的暖區(qū)、近地層的冷墊結(jié)構(gòu)的形成和維持。另外要關(guān)注基礎(chǔ)溫度狀況和氣溫日變化特征的預(yù)報(bào)。

圖4 2020年11月18日08時(shí)T-lnP探空?qǐng)D

4 凍雨成因分析

凍雨形成的必要條件是“冷—暖—冷”垂直結(jié)構(gòu)特征，且需要持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，這一垂直結(jié)構(gòu)特征的形成條件是預(yù)報(bào)凍雨天氣的關(guān)鍵。

4.1 近地層冷墊

近地層冷墊是凍雨形成的重要層結(jié)，在融化層形成的雨滴進(jìn)入冷墊后形成過(guò)冷雨滴，環(huán)境溫度需要在0℃以下，且不能過(guò)低，層厚適中。由18日08時(shí)地面圖可知，地面冷高壓中心位于貝加爾湖以東，中心強(qiáng)度為1 042.5 hPa，與江淮氣旋北上的中心為1 005.0 hPa在118°E南北對(duì)峙。冷空氣分兩路南下，北路為主體南下后期形成寒潮天氣；東北路為分支南下，從小興安嶺東側(cè)東北平原向南侵入至燕山北和長(zhǎng)白山西，受到江淮氣旋（冷暖氣團(tuán)邊緣為鋒區(qū)）和地形阻擋，在平原地區(qū)堆積形成冷墊（可見(jiàn)高壓倒脊），北方不斷有冷空氣補(bǔ)充到高壓邊緣，直至20時(shí)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持，成為凍雨形成的重要條件。

由沿122°E和43°N溫度、相對(duì)濕度剖面圖可見(jiàn)，在近地層925 hPa存在明顯的低溫冷墊層，冷中心達(dá)-4℃（圖5a、5c），冷舌明顯從北向南延伸出去，與上層850 hPa溫差＞4℃（圖5）。由沿122°E和43°N溫度平流剖面圖可知，在近地層925 hPa存在明顯的冷平流，特別是凍雨發(fā)生的平原地區(qū)為冷平流中心（圖6），強(qiáng)度達(dá)-15×10-5℃·s-1，冷平流的存在對(duì)近地層冷墊的維持起到關(guān)鍵作用。從溫度平流垂直時(shí)間演變及700、850 hPa平面圖可見(jiàn)，凍雨發(fā)生時(shí)段，近地層925 hPa存在明顯的冷平流長(zhǎng)時(shí)間維持的現(xiàn)象。隨后，冷平流上升至850 hPa，凍雨結(jié)束轉(zhuǎn)為降雪，后期出現(xiàn)整層的冷平流，爆發(fā)寒潮天氣。

圖5 2020年11月18日溫度（等值線，單位：℃）、相對(duì)濕度（填色，單位：%）、風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s-1）垂直剖面

近地層冷墊的形成和維持是凍雨形成的必要條件，主要是由冷空氣的侵入堆積，并不斷有冷空氣補(bǔ)充，且持續(xù)穩(wěn)定少動(dòng)。冷空氣不能太強(qiáng)，厚度適中且不能過(guò)厚，否則冷空氣將快速南下移過(guò)，則無(wú)法形成近地層冷墊。

4.2 中層暖區(qū)（融化層）

中層暖區(qū)融化層是凍雨形成的關(guān)鍵層結(jié)，高空冷區(qū)形成的雪進(jìn)入融化層后成為雨滴，環(huán)境溫度需要在0℃以上，且層高不能過(guò)低，層厚適中。由18日08時(shí)700、850 hPa高空?qǐng)D可知，在700、850 hPa低渦及其南支槽前部，西南暖濕氣流旺盛，這支低空急流頂端到達(dá)冷墊上空并沿冷墊爬升，使得近地層冷墊上疊加了暖濕層即融化層，持續(xù)的暖濕氣流使得融化層長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)。

由沿122°E和43°N溫度、相對(duì)濕度剖面圖（圖5）可知，在對(duì)流層低層850 hPa存在明顯的暖層，暖中心達(dá)到4℃，暖舌明顯由南向北延伸，與下層925 hPa的溫差＞4℃，700 hPa以上層結(jié)是氣溫在0℃以下的冷區(qū)。由沿121°E和43°N溫度平流剖面圖（圖6）可知，對(duì)流層整層幾乎為暖平流，低層850 hPa存在明顯的暖平流中心，強(qiáng)度達(dá)15×10-5℃·s-1，暖平流的存在對(duì)近地層冷墊之上暖區(qū)的維持起到關(guān)鍵作用。由溫度平流隨時(shí)間演變剖面圖可見(jiàn)，凍雨發(fā)生時(shí)段，對(duì)流層850 hPa暖平流長(zhǎng)時(shí)間維持，隨后，暖平流層上升至800 hPa，凍雨結(jié)束轉(zhuǎn)為降雪。

圖6 2020年11月18日溫度平流（填色，單位：10-5℃·s-1）和風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s-1）垂直剖面

中層暖區(qū)的形成和維持是凍雨形成的必要條件，主要是由對(duì)流層中低層的暖濕低空急流持續(xù)在冷墊之上爬升形成，一方面形成了位于冷墊之上的暖層，另一方面也是降水形成的重要水汽輸送條件。

4.3 冷墊與融化層的鋒區(qū)特征

形成“冷—暖—冷”垂直結(jié)構(gòu)的冷墊與融化層疊置，是不同性質(zhì)的氣團(tuán)交匯，具備鋒區(qū)特征。由沿122°E和43°N垂直風(fēng)切變剖面圖可見(jiàn)，對(duì)流層低層的風(fēng)切變很大，以850 hPa為界，由850 hPa以下近地面層盛行的NNE風(fēng)，風(fēng)速為10 m·s-1，轉(zhuǎn)為850 hPa以上的SSE風(fēng)，風(fēng)速為8 m·s-1。其分別對(duì)應(yīng)地面冷高壓控制的冷氣團(tuán)冷墊和上層的暖濕氣團(tuán)。可見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)切變反應(yīng)了兩類不同性質(zhì)的氣團(tuán)疊置，是層結(jié)特征的重要標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)。分析沿122°E和43°N假相當(dāng)位溫剖面圖及隨時(shí)間演變（圖7）可見(jiàn)，在冷暖氣團(tuán)交界層次有密集的假相當(dāng)位溫線，鋒區(qū)特征明顯。在地面冷墊與融化層存在明顯的鋒區(qū)特征，是凍雨發(fā)生有利層結(jié)條件的重要特征。

圖7 2020年11月18日14時(shí)假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）和地形高度（陰影）垂直剖面、2020年11月17日08時(shí)—19日20時(shí)假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）隨時(shí)間變化垂直剖面

4.4 雷達(dá)觀測(cè)特征

18日15：50在2.4°仰角強(qiáng)度圖出現(xiàn)0℃層亮帶（圖8a），出現(xiàn)時(shí)間為13：43—16：38，持續(xù)3 h左右，對(duì)應(yīng)凍雨出現(xiàn)的時(shí)間。不排除因?yàn)榍锒?℃層較低導(dǎo)致雷達(dá)站靠近0℃層，較低仰角觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)0℃層亮帶，但主要原因還是冰粒外表的融化層反射率大，反射率因子回波突然增加而形成“0℃亮帶”。由17：05雷達(dá)反射率因子0.5°仰角強(qiáng)度圖（圖8b）可知，回波明顯分成南北兩部分，北面邊緣模糊，強(qiáng)度分布均勻，是典型的穩(wěn)定性降水回波；南部在大片均勻分布的回波中夾有較強(qiáng)單體回波，是典型的絮狀回波，并且有＞45 dBZ的回波，最強(qiáng)回波達(dá)55 dBZ，說(shuō)明融化層中有雨水的反射率貢獻(xiàn)，因此凍雨區(qū)對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)于雪的回波。反射率因子＞45 dBZ、最強(qiáng)回波達(dá)55 dBZ、且有絮狀回波，是凍雨出現(xiàn)的特征。而無(wú)凍雨出現(xiàn)的暴雪區(qū)是層云穩(wěn)定性降水回波，反射率一般在15～30 dBZ。

圖8 2020年11月18日15：50時(shí)（a，2.4°仰角）、17：05時(shí)（b，0.5°仰角）通遼站反射率因子

5 結(jié)論

利用常規(guī)觀測(cè)資料、地面自動(dòng)站資料、NCEP 1°×1°再分析資料及雷達(dá)資料等對(duì)2020年11月18—19日發(fā)生在內(nèi)蒙古東南部罕見(jiàn)特大暴雪事件背景下的通遼市凍雨災(zāi)害天氣成因進(jìn)行分析，得出如下主要結(jié)論：

（1）凍雨天氣地面氣象要素演變特征：凍雨發(fā)生時(shí)段，各站地面氣溫穩(wěn)定，波動(dòng)較小，基本維持在-1～-2℃。轉(zhuǎn)雪后，氣溫均出現(xiàn)快速下降，溫度露點(diǎn)差＜4℃，空氣濕度越大，水汽越飽和。地面氣壓呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，降水強(qiáng)度增大。凍雨降水量和降水強(qiáng)度較小，占總量的25%，強(qiáng)度＜2 mm/h。

（2）大氣探空層結(jié)特征：在550 hPa和近地層900 hPa存在雙逆溫層結(jié)構(gòu)。550 hPa以下為深厚濕層，高空550～450 hPa存在干冷空氣侵入。近地層930 hPa（-4℃）～860 hPa（3℃）存在強(qiáng)逆溫層，存在典型的“冷—暖—冷”凍雨形成的有利層結(jié)特征。暖層在920～820 hPa，其厚度約100 hPa，氣溫為0℃以上，最高氣溫在2～4℃。冷墊層地面～920 hPa，氣溫為0℃以下，最低氣溫在-2～-4℃。在探空T-lnP圖中兩層的正負(fù)氣溫面積相當(dāng)。

（3）近地層冷墊是由于地面強(qiáng)冷高壓南侵，有持續(xù)的冷空氣補(bǔ)充，受地形阻擋影響，自小興安嶺東側(cè)東北平原向南侵入至燕山北和長(zhǎng)白西側(cè)，因江淮氣旋（冷暖氣團(tuán)邊緣為鋒區(qū)）和地形阻擋，在平原地區(qū)堆積形成冷墊。在近地層925 hPa存在明顯的低溫冷墊層，冷舌中心達(dá)到-4℃。925 hPa的冷平流對(duì)近地層冷墊的維持起到關(guān)鍵作用。冷空氣強(qiáng)度適中，不能太強(qiáng)，地形在冷暖空氣穩(wěn)定對(duì)峙中也起到關(guān)鍵作用。

預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)：地面冷高壓強(qiáng)度、移動(dòng)，冷空氣不能過(guò)強(qiáng)，與南支低值系統(tǒng)的相互作用，保持穩(wěn)定對(duì)峙。天氣關(guān)鍵區(qū)是冷高壓與暖倒槽邊緣的鋒區(qū)強(qiáng)度。地形對(duì)冷高壓移動(dòng)路徑和停留堆積的影響，關(guān)鍵點(diǎn)是冷空氣沿山谷低洼處流動(dòng)，受山脈地形阻擋形成停留堆積。冷墊層厚100 hPa左右，不能過(guò)厚，氣溫達(dá)到0℃以下，中心氣溫為-2～-4℃，地面氣溫為-1～-2℃，要關(guān)注環(huán)境氣溫的日變化影響。冷空氣不斷補(bǔ)充，存在明顯的近地層冷平流，使冷墊長(zhǎng)時(shí)間維持，冷平流中心強(qiáng)度為-10×10-5～-20×10-5℃·s-1。

（4）中層暖區(qū)融化層是由于700、850 hPa低渦前部、西南暖濕低空急流旺盛、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)、頂端到達(dá)冷墊上空并沿冷墊爬升疊置形成。在對(duì)流層低層850 hPa存在明顯的暖層，暖舌中心達(dá)4℃，850 hPa存在暖平流，中心為15×10-5℃·s-1，暖平流對(duì)融化層的建立和持續(xù)起到關(guān)鍵作用。

預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)：暖濕低空急流足夠強(qiáng)盛，達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)，并穩(wěn)定持續(xù)，其頂端到達(dá)冷墊上空。有持續(xù)的暖平流，850 hPa達(dá)到10×10-5～20×10-5℃·s-1，存在深厚的暖濕層，配合強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。暖層＞0℃的層次要達(dá)到100 hPa左右，暖舌中心達(dá)到2～4℃，同時(shí)關(guān)注環(huán)境氣溫的日變化影響。

（5）“冷—暖—冷”垂直結(jié)構(gòu)中冷墊與融化層具有明顯的鋒區(qū)特征。對(duì)流層低層的風(fēng)切變大，925～700 hPa風(fēng)切矢量達(dá)到20～30 m·s-1。對(duì)流層低層具有明顯的等位溫線密集區(qū)。這一鋒區(qū)特征是很好的預(yù)報(bào)指標(biāo)，關(guān)鍵點(diǎn)是鋒區(qū)持續(xù)穩(wěn)定，并對(duì)應(yīng)凍雨層結(jié)條件。

（6）通過(guò)雷達(dá)反射率強(qiáng)度可以區(qū)分凍雨區(qū)和降雪區(qū)域，凍雨區(qū)回波強(qiáng)度明顯較強(qiáng)。本次凍雨區(qū)對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度＞45 dBZ，最強(qiáng)達(dá)到55 dBZ，明顯大于降雪區(qū)的回波強(qiáng)度，而純降雪雷達(dá)反射率一般在15～30 dBZ。