1、关于冻雨和雨凇、雾凇之我见第 30 卷第 1 期2008 年 2 月广东气象GuangdongMeteorologyVo1.30No.1February2008关于冻雨和雨凇,雾凇之我见吴兑:;.7L(中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东广州 510080)摘要:近期我国南方数省发生了严重的持续性冰冻灾害 ,雨凇和雾凇复合积冰是其成灾的主要原因,冻雨在短时间内大量过冷却水撞冻形成的雨凇,与过冷雾滴长时间的撞冻与冰水转化形成的雾凇交替出现,在物体,尤其是输电线路和塔架上形成了复合积冰,导致了建国以来最严重的冰冻灾害.逆温层是锋区,锋面等典型层状云降水普遍存在的低空层结,不是一定发生冻雨的充要条
2、件,只要近地层(3000in 以下) 有丰富的过冷却水 ,气层温度在 0一 15,有丰富的凝结核和水汽供应,而缺乏冻结核(成冰核 )就可以形成冻雨,如果此时下垫面物体温度0,就可以在物体上形成雨凇;而当近地层出现过冷雾时,如果此时下垫面物体温度0,就可以在物体上形成雾凇.关键词:大气科学;冰冻灾害;冻雨;雨凇;雾凇;过冷却水中图分类号:P426 文献标识码:B 文章编号:10076190(2008)01 一 oo1203近期我国南方数省发生了严重的持续性冰冻灾害,在对这种特殊的气象现象的形成进行的解释中,比较多的强调逆温层的作用,而忽视了过冷却水瞬间冰晶化(冻结)与地面物体温度和丰富的过冷却水
3、层温度配置的关系,因而有必要进一步讨论这个问题.雨凇与雾凇形成的条件非常苛刻,一般只能形成在气温为 0一 10的雨,雾天气中;由于大气中凝结核较为充足而冻结核常常短缺,受曲率约束飘浮在空中的雾滴和下落的雨滴常可低至一 40也不冻结,称为过冷却雾滴与过冷却雨滴,通称为过冷水,两者的区别仅仅在于过冷却水滴的大小不同,雾滴的大小在 3100I.Lm,而雨滴的大小介乎于 0.18mm;虽然它们在大气中可以保持液态,一旦接触到温度低于 0的任何物体,就会在其上迅速冻结,形成千姿百态的凇结体,并迎风生长;又因为冻结的水量多寡,方式不同,其色泽,形态各异,使周围的一切披上了冰清玉洁的外衣,造就了一个水晶宫般
4、的童话世界(见图 1图 5).雾凇和雨凇常常同时发生或者交替出现,对供电线路造成极大伤害,形成严重的气象灾害.如果飞机飞行在过冷云中,不慎进入过冷却水丰水区后,以 60100m/s 的高速度撞冻大量过冷却水,机身大量覆冰后,极易酿成机毁人亡的空难.圈 1 瑞士日内瓦莱蒙湖畔的 Versoix镇的雨凇.过冷却水多么丰富!图 22008 年 1 月 15 日粤北的雾凇图 32008 年 1 月 27 日湖南冷水江的雨凇,雾凇复合积冰图 42008 年 2 月 2 日广西融安中国移动基站的雨凇,雾凇复合积冰收稿日期:20080215基金项目:国家自然科学基金项目(49975001)资助作者简介:吴兑
5、(1951 年生),男,研究员,硕士生导师,主要从事大气物理化学与大气环境研究.第 1 期吴兑:关于冻雨和雨凇,雾凇之我见 13图 52008 年 2 月 3 日贵州的雨凇现代气象学对冻结现象的观测始于 19 世纪 60 年代,当时仅仅观测雾凇和雨凇(也曾称为雨冰),而后逐渐对物体上的冻结现象霜,雾凇,雨凇等进行定量观测.霜是水汽在物体上的凝结现象,一般冻结量非常小,不会造成灾害.雾凇可以分为两种,晶状雾凇是过冷却雾滴在温度0的物体迎风面撞冻而形成的,呈半透明毛玻璃状,密度比较大,形成时风速较大;粒状雾凇是由于冰面与水面的饱和水汽压差,使得过冷却雾滴蒸发,雾凇凝华增长而形成的,呈乳白色松脆粒状
6、起伏,密度比较小,形成时风速不大.过冷却水比较充足一般形成晶状雾凇,过冷却水比较少一般形成粒状雾凇.雾凇还可以分为叶形,毛耸形,针形,扇形,片形等亚类.雨凇是过冷却雨滴或毛毛雨滴在温度0的物体上撞冻而形成的,在物体任何表面均可形成,雨量不大时在迎风面增长较快,雨量较大时反而在背风面快速增长,风速较大时有一定交角,呈透明玻璃状或半透明毛玻璃状,坚硬光滑或略有隆突,密度很大.雨凇也可以分为梳状,椭圆状,匣状,波状等亚类.此外,还有沾附雪和冻结雪等冻结现象.这次我国南方数省发生的严重持续性冰冻灾害,雨凇和雾凇复合积冰是其成灾的主要原因,冻雨在短时间内大量过冷却水撞冻形成的雨凇,与过冷雾滴长时间的撞冻
7、,以及对冰面来说饱和的水汽凝华凇附形成的雾凇交替出现,在物体,尤其是输电线路和塔架上形成了复合积冰,导致了建国以来最严重的冰冻灾害.关于雨凇和雾凇复合积冰的成因,根据云雾物理学原理,我个人认为最关键的有两点:一是下垫面物体温度0(0一 10),二是低空(3000m 以下)有丰富的过冷却水,气层温度主要在 0一 15,有丰富的凝结核和水汽供应,而缺乏冻结核(成冰核).雨滴在下落时温度一般比环境温度低 24,由于受曲率约束,可低至一40而保持液态,一旦碰到有冻结核,或者落在曲率减小的表面,可以瞬间冻结,而形成雨凇和雾凇,这是典型的云降水物理理论中的成冰过程.也是人工影响天气技术中冷云催化的理论基础
8、.影响积冰强度的两个主要因子是大气中过冷却水的含量和输送过冷却水滴的速度,对雾凇而言是风速,对雨凇而言是雨滴下落末速度,其次还涉及物体对过冷却水滴的捕获系数和冻结系数.此外,如果近地层在长期低温阴雨的情况下维持较高的湿度,虽然对于水面是不饱和的,但如果对冰面是饱和的,水汽就会在原有凇结体上凝华凇附,如果这样的条件持续时间长,凝华凇附量会非常惊人,这次冰冻灾害中见到的输电线外包裹近乎同心圆的覆冰(图 6),就是这样形成的.图 62008 年 1 月 19 日湘南输电线上的雾凇逆温层是锋区,锋面等典型层状云降水普遍存在的低空层结,不是一定发生冻雨的充要条件,只要近地层(3000m 以下) 有丰富的
9、过冷却水 ,气层温度在 0一15,有丰富的凝结核和水汽供应,而缺乏冻结核(成冰核)就可以形成冻雨,这时大气层结是湿饱和递减的,还是等温的,乃至于存在逆温层,都能形成冻雨.前苏联科学家柴莫尔斯基在 1940 年代提出过欧洲高纬度冻雨形成的暖锋概念模型,当时对云降水物理过程的了解还非常朦胧,用现在的云降水物理知识来理解,有诸多疑点.我们来分析一下高层雪花冰晶进入融化层融化成雨滴,再进入负温层冷却至过冷却状态的可能性.首先,雪花冰晶融化成雨滴后,下落速度比较快,典型雨滴(直径 13mm)的下落末速度在 15m/s,左右,雨滴在下落过程中有保持高层较低温度的倾向(热滞后效应),在绝热递减层结大气中下落
10、 2000m 的雨滴,由于与环境的热交换来不及,因而雨滴温度通常比环境温度低,对于 3mm的雨滴温度可以比环境温度低 45,对于 1mm 的雨滴温度可以比环境温度低 12.因而,在冻雨形成解释的逆温层概念模型中,假想 30002000m 是由雪花冰晶组成的云,20001000m 是逆温层,环境温度可以有2,雪花与冰晶融化成雨滴;通过前面的讨论,由于雨滴(下转第 23 页)第 1 期陈荣等:一次强飑线过程的多普勒雷达特征 23线到来之前,从底层到高空基本上是持续的“ND“区.飑线经过测站时,中层的“ND“区很快消失,底层和高层的“ND“区都逐渐抬升萎缩,直至消失,表明测站周围大气中的水汽含量随着
11、飑线系统的到来越来越丰富,随后出现了强降水.这与陆大春等“关于测站在无降水向较强降水过渡时,在 VwP 产品上表现为一个从无数据变为有数据的过程,而降水发生在有数据之后的 1h 之内的结果吻合.飑线到达测站之前,底层是西南风,对应了暖湿气流,中上层为西北风,环境风场存在一定的垂直风切变.垂直风切变的存在,为飑线的生存发展和强降水的维持提供了有利的环境条件.对比香港 08:0HD 探空图(图略)发现 ,在飑线来临之前,底层均为西南风,飑线经过之后底层转为西北偏北风.清远 08:00 探空图(图略,此时飑线已过清远 )显示底层也为西北偏北风,飑线过境导致了环境风场的变化,表明底层为飑线内下沉气流带
12、来的冷流所致.5 小结根据新一代多普勒天气雷达和自动站资料,分析了2007 年 4 月 24 日影响广东大部地区的一次强飑线过程,其特征如下:1)飑线过程发展迅速( 平均移速 45km/h 左右),持续时间长(从出生到消亡约 11h),强度大(所经之处出现雷雨大风),范围广( 几乎横跨广东全省,东部伸向福建西南部及其沿海).2)中层有明显的中层径向辐合(MARC)特征,且速度辐合线与飑线弓形回波最强处相对应,还出现了“逆风区“.3)垂直液态含水量 VIL 值大的地方能直观地看出飑线的位置,并且 VIL 值的骤减表明强降水开始,可以判别强降水的结束.4)飑线来临之前,速度方位显示风廓线 VWP
13、上存在深厚的“ND“ 区,随着飑线经过测站,“ND“区逐渐萎缩抬升.环境风场有较强的垂直风切变,有利于飑线系统的发展维持.参考文献:1张芳华,张涛 ,周庆亮,等.2004 年 7 月 12 日卜海飑线天气过程分析J.气象,2005,31(5):47 51.2谢健标,林良勋 ,颜文胜,等.广东 2005 年“3?22“强飑线天气过程分析J.应用气象,2007,18(3):321329.3陈元昭,梅传义 ,朱小雅,等.一次飑线天气过程分析J.广西气象,2006,27(1):69.4颜文胜,汪瑛 .利用多普勒雷达网对一次典型飑线过程的分析J.,东气象 ,2006,28(3):4446.5罗碧瑜,贺汉
14、青 .3.22 飑线在多普勒雷达产品中的特征J.广东气象,2007,29(1):3435.6张培昌,杜秉玉 ,戴铁丕.雷达气象学M.北京:气象出版社,2001-420425.7俞小鼎,姚秀萍 ,熊廷南,等.多普勒天气雷达原理与业务应用M.北京 :气象出版社,2006:1314.8丁一汇.高等天气学 M.北京:气象出版社,1991:278 290.9叶爱芬.多普勒雷达 VWP 产品在一次大暴雨过程中的特征J.广东气象,2007,29(1):1921.10陆大春,蒋年冲 .VAD 有关产品在临近预报中的应用J. 应用气象,2003,14(增刊):156160.11黄奕铭,区志中 .广州新白云机场低
15、空风切变的变化特征及其影响J.广东气象,2006,28(4):3437.12胡胜,胡东明 ,汪瑛,等.双线偏振多普勒雷达及其探测技术的应用J.广东气象,2006,28(4):1216.13肖伟军.多普勒雷达速度资料在短时天气预报中的应用J.广东气象,2006,28(2):23 25.14罗晓丹.清远市一次强对流天气过程分析J.广东气象,2005,27(3):1415.15J 朱永兵,张曙.一次大冰雹过程的多普勒雷达回波特征 J.广东气象,2005,27(3):21 22.(上接第 13 页)下落过程巾与环境热交换不平衡,有保持高层温度倾向的热滞后效应,在逆温层中下落的雨滴温度将比环境高,即便地
16、面温度低,也不会瞬间冻结.另外,雪花冰晶融化成雨滴后,雨滴中有成冰核,一旦进入负温会马上在空中冻结成冰丸,而不会形成冻雨,也不会撞冻到物体上形成雨凇.因而,冻雨的形成,只能是在 10003000m 的云层中含有丰富的过冷却水,通过国内大量观测,通常在典型降水性层状云中 0一 10层有丰富的过冷却水,大量的过冷却水才能形成冻雨,进而撞冻到物体形成雨凇,从这次我国南方数省发生的严重持续性冰冻灾害来看,持续这么长时问,如果需要苛刻的暖锋逆温层条件(我国这次黔,桂,湘,赣等地区的冻雨不是暖锋影响的),很难维持 10 多天,而在大环流天气背景稳定的条件下,经常有过冷却水丰富的过冷云过境产生冻雨形成雨凇,
17、才有可能,尤其是这次过程覆冰量这么大,也说明必须有大量的过冷却水才行.我国在 1970 年代以前是有专门的仪器“雨凇架“ 观测雨凇,雾凇的,可惜在当时精简业务量的指导思想下大多废弃了感谢周秀骥院士和毛节泰教授的启发和指导.粤,桂,黔,湘的雨凇,雾凇照片由广东省气象局业务处提供,瑞士日内瓦的雨凇图片由南开大学温景嵩教授提供,特此一并致谢!参考文献:1中国气象局地面气象观测规范M北京:气象出版社,2003:22.2大气科学词典 编委会.大气科学词典M.北京:气象出版社,1994:678,744.3BE 布琴斯基 .电线积冰图 M.北京:科学出版社,1957.4谭冠日.电线积冰若干小气候特征的探讨J.气象,1982,40(1):1323.5吴兑.关于雨滴在云下蒸发的数值试验J.气象,1991,49(1):116121.6吴兑.宁夏 58 月降水性层状云的宏观特征J.高原气象,1987,6(2):169175.7吴兑,何应昌 ,陈桂樵,等.广东省新丰江流域 45 月暖云的微物理特征J.热带气象,1988,4(4):341349.8柴莫尔斯基霜雾凇雨凇M.北京:财政经济出版社,1955.
