2011, Vol. 37 
2. 贵州省气象台，贵阳 550002；
3. 中国气象局人工影响天气中心，北京 100081；
4. 北京大学物理学院大气与海洋科学系，北京 100871；
5. 辽宁省人工影响天气办公室，沈阳 110001
2. Guizhou Meteorological Observatory, Guiyang 550002;
3. CMA Weather Modification Centre, Beijing 100081;
4. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871;
5. Weather Modification Office of Liaoning Province, Shenyang 110001
2008年初，我国南方大部分地区发生了严重的冰冻雨雪灾害，其持续时间之长、覆盖地域之广、强度之大为历史罕见，给电力供应、交通运输及人民正常的生产生活带来严重的影响，对冻雨天气形成机理及预测预报的研究迫在眉睫。国外20世纪初即有学者注意到了冻雨天气[1-4]。20世纪70年代Spengler等[5]发现冬季降雨系统中存在降水形态的过渡带，Stewart等、Zerr等、Stewart等[6-8]对过渡带不同降水形态的形成机理进行了分析。Berstein等、Cortinas等、Bourgouin[9-11]研究了冻雨的预报方法。Szeto等[12]、Stewar等[8]、Riault等[13]利用数值模拟方法，研究了逆温层温度、厚度、次冻结层厚度和地面温度等条件对最终降水类型的影响。Tremblay等[14]模拟了几次发生在西欧和北美地区的冻雨过程，取得较好效果。Cortains等[15-16]则用统计方法分析总结了北美大湖地区冻雨形成的条件，指出强斜压天气系统上暖湿气流的平流和垂直运动，容易导致冻雨条件的形成。Forbes等、Rauber等、Regan等[17-19]给出了冻雨个例的天气分析研究。Czys等[20]提出了一个冻雨预报参数。上述研究都是基于经典的“融冰过程”冻雨形成机理，Huffman等[21]首次提出了冻雨形成的“暖云过程”机制，该机制是在云内温度处于-10~0 ℃时，由过冷却云滴间的碰并过程形成冻雨，而无需暖层的融化和次冻结层的冻结作用，后来Rauber等[22]和Bernstein等[9]等的工作进一步验证了这一点。
针对2008年初50年一遇的罕见冻雨天气，国内学者也进行了大量的研究，包括：灾害发生的气候背景及特征[23-25]、灾害的大尺度环流背景与天气过程[26-30]、冻雨天气的层结条件[31-35]等。
为深入了解形成冻雨的云结构特性，分析其与降雨、降雪时的区别，本文着眼于云微物理的角度，利用第一颗可以对云层结构进行全球测量的卫星Cloudsat的监测产品，配合探空秒数据及地面观测资料，针对2008年1月28日出现在我国南方的“雨—冻雨—冰粒—雪”等不同降水类型过渡带的典型个例进行了研究，分析了这一区域温湿度廓线及云雷达反射率因子特征，精细而直观地展示了基于经典“融冰过程”的冻雨形成机理。
1 过程概述由2008年1—2月3小时一次的全国地面观测站的资料显示(如图 1)，2008年1月10日至2月10日为我国冻雨的高发时段，该时段内一共找到16个时次的Cloudsat卫星轨道经过我国南方地区，其中经过冻雨区域的时次共有5次，选取1月28日04:58 UTC的个例作为典型进行深入分析，其轨道号为9318。
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图 1 2008年1—2月冻雨的频次分布 Fig. 1 The frequency distribution of freezing rain from January to February 2008 |
美国宇航局启动的“地球观测系统科学探路者(ESSP)”计划中的Cloudsat卫星于2006年4月28日成功发射升空。它是第一颗可以对云层特征进行全球观测的卫星，其上搭载的云雷达(cloud profiling radar)由于采用毫米波段(3 mm)进行探测，能够弥补我们常规使用厘米波段多普勒雷达对云滴尺度的小粒子探测失效的缺陷，实现由上至下对薄云、浓厚云以及台风云系等不同特征云系的垂直剖面观测。Cloudsat卫星在深入了解云的内部结构以及发展规律、定量了解云对气候影响和反馈、帮助我们更好地预测天气和气候以及有效地影响局部天气等方面起着十分重要的作用。
Cloudsat卫星位于705 km高度的太阳同步轨道上，卫星绕地球一周称为一个扫描轨道，扫描时间大约为99 min，每天大约绕地球14~15个扫描轨道。每个像素点的星下点波束覆盖宽度的沿轨分辨率是2.5 km，横轨分辨率是1.4 km，从地面到高空可获得125个不同高度上的数据，即垂直探测高度大约为30 km，垂直分辨率可达240 m。
Cloudsat卫星主要有两类数据产品：一类是标准数据产品，另一类是辅助数据产品。标准数据产品按照反演的等级分为两级(level1、level2)，level1产品是通过卫星上搭载的云雷达直接得到的数据产品，level2产品是根据level1产品并结合其他卫星产品反演得到的。这里主要使用欧洲中心中尺度天气预报辅助产品ECMWF-AUX和level2标准数据产品云的几何剖面2B-GEOPROF。
此次过程的Cloudsat扫描轨道总计37082个星下像素点(图略)，选取其中的第20960—21960个像元，即第19段共计1001个像元作为分析对象，观测时间为北京时间13:54—13:57，轨道号是9318，扫描范围为23.1°~32.7°N、111.25°~113.7°E，轨迹由南向北经过我国的广东、湖南、湖北三省。
2.2 地面降水类型1月28日14:00，Cloudsat轨迹的该段有多种降水类型，由南向北依次是雨(26°N以南)、冻雨和冰粒(26°~29°N)、雪(29°N以北)，如图 2a所示，10个纬距的范围内同时存在如此多样的降水类型，此时分析云的垂直结构具有特殊的意义。
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图 2 2008年1月28日14:00地面降水类型分布(a)和冻雨的落区分布(b)实线为Cloudsat轨迹 Fig. 2 Distribution of surface precipitation types (a) and geographic distribution of freezing precipitation (b) at 14:00 BT 28 January 2008 solid line stands for the Cloudsat orbit |
Glickman[36]曾指出，广义的凝冻天气(freezing precipitation)包括冻毛毛雨(freezing drizzle)、冻雨(freezing rain)、冰粒(ice pellets)，由Glickman的定义则该时段的冻雨落区如图 2b所示，主要集中在湖南中部、江西北部以及贵州、广西、安徽、福建的局地，呈带状分布，Cloudsat卫星正好经过出现冰粒、轻度冻雨的湖南地区，冻雨带以北主要是出现降雪，以南主要是降雨。
2.3 Cloudsat温湿度首先利用ECMWF的温度和比湿产品分析温湿度的垂直剖面，为检验ECMWF温湿度产品的准确性，利用Cloudsat轨迹(第21493个像素点)附近长沙探空站(编号：57687，28.23°N、112.87°E)当日08:00的探空秒数据进行验证，14:00长沙的地面降水类型为冰粒，属于广义冻雨的一种。
图 3显示最临近时次(08时)长沙站的温度和湿度层结，与ECWMF有良好的对应。
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图 3 长沙站08:00探空秒数据和ECMWF温湿廓线的比较(a：温度，b：湿度) Fig. 3 The comparison of temperature and humidity profiles between radiosonde data of Changsha Station (08:00) and ECMWF data (a: temperature, b: humidity) |
由图 3a温度廓线的对比可以看出，两条曲线十分吻合，探空和ECMWF都显示中低层有明显的逆温，温度廓线(0~25 km)与理论上的“对流层气温随高度增加而降低”有所不同，约在2~3.5 km处有一暖层，温度区间的两端有量值上的细微差异，初步分析，这是由于不同的垂直分辨率引起的，探空秒数据在3 km附近的垂直分辨率可达10 m以内，而ECWMF的垂直分辨率为Cloudsat标准间隔，即240 m。
由图 3b湿度廓线的对比可以看出，长沙上空的云从地面一直延展到8 km左右，即湿度廓线大于70%的区域，中间无夹层，探空和ECWMF都显示出这一特性。这也与下文即将讨论的云雷达的探测结果一致。
下面利用ECWMF资料分析整个轨迹剖面的温湿度结构，如图 4所示，横轴为纬度，纵轴为高度。
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图 4 温度的垂直剖面(a，单位：K，白线为T=273.15 K)和比湿的垂直剖面(b，单位：kg·kg-1，白线为T=273.15 K) Fig. 4 The vertical cross sections of temperature (a, unit: K) and specific humidity (b, unit: kg·kg-1). The white line stands for a temperature of 273.15 K |
由图 4a可以看出，轨迹中的很大一部分地区低层存在逆温结构，尤其在25°~28.7°N之间的地区存在冷层—暖层—冷层的配置，符合经典“融冰过程”冻雨模型的温度层结要求，这里的冷暖以0 ℃为界，如图 4中的白线。与地面降水类型对比发现，并不是所有出现冷—暖—冷结构配置的地区都会出现冻雨，其冷暖层的相对厚度与地面降水类型有密切关系，具体为：无融化层——雪；融化层较厚、次冻结层较薄——冻雨；融化层较薄、次冻结层较厚——冰粒；无次冻结层——雨。
25°N以南的地区，温度廓线上几乎无冻结层，对应地面降水类型为“雨”；25°~28.7°N的地区，由上至下存在冷—暖—冷的配置，即冻结层—融化层—次冻结层，融化层由南向北逐渐变薄，其下的次冻结层由南向北逐渐增厚，该段轨迹对应地面降水类型为“广义冻雨”，其中纬度较低的地区多为轻度冻雨、纬度较高的地区多为冰粒；28.7°N以北的地区，温度廓线上无融化层，对应地面降水类型为“雪”；图 4b与图 4a对比可以看出，暖区对应湿区，冷区对应干区，非常明显的展示出暖湿气流遇冷空气后爬升、冷空气楔入暖湿气团之下的情景。
2.4 Cloudsat雷达反射率因子雷达反射率因子产品能从另一个角度分析发生冻雨时云结构特征。上面已提到，在25°~28.7°N之间的区域有发生冻雨的温度廓线条件，但由图 5可以看出，25°~26.5°N范围内上层雷达回波很弱甚至无回波，说明该段无充足的云水，不进行分析。
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图 5 雷达反射率因子的垂直剖面(单位：dBz，白线为T=273.15 K) Fig. 5 The vertical cross section of radar reflectivity (unit: dBz, white line stands for a temperature of 273.15 K) |
真正形成广义冻雨的是在26.5°~28.7°N的范围内。该段反射率因子图中出现较为显著的亮带特征，如图 5，在3 km左右的高空出现了一条断断续续的高反射率带，且与图中白线(T=273.15 K)对比发现，亮带刚好出现在刚刚进入暖区的位置，亮带可证明冻雨“融冰过程”的存在。之前有研究表明[37]，亮带应出现在0 ℃上界以下330±150英尺(100.584±45.72 m)处。
由图 5还可以看出，在暖层较厚的地区，如27°N附近，暖层比亮带在垂直方向上要厚，上层的固态粒子在暖层已完全融化为雨滴，在图像上表现为：暖层上部为亮带，下部则雷达反射率明显减小，这样，在落入较薄的冻结层之后，极易变为过冷水滴进而形成冻雨；而在暖层较薄的地区，如28.227°N附近，整个暖层都被亮带所占据，说明上层的固态粒子没有足够长的距离来完全融化，只是外表融化为一层水膜，这样在落入较厚的冻结层之后，易形成冰粒，这也与地面观测相符。
3 总结与讨论本文利用Cloudsat卫星资料中的ECMWF温湿度、雷达反射率等产品结合探空秒数据和地面观测资料从云物理的角度分析了2008年初发生在我国南方地区的一次典型冻雨天气的云结构特征，比较冻雨发生时云的垂直结构与降雪、降雨时的差异。
ECMWF的温湿度廓线与探空秒数据的观测结果基本吻合，温度的垂直剖面揭示出，此次冻雨发生时温度廓线上存在明显的逆温层，结合湿度剖面发现，逆温层水汽充沛。融化层与次冻结层的相对厚度决定着最终的地面降水类型：无融化层时降雪；融化层较厚、次冻结层较薄时易出现冻雨；融化层较薄、次冻结层较厚时多出现冰粒；而无次冻结层时降雨。在Cloudsat卫星10个纬距的范围内显示出由雨向冻雨、冰晶、雪的转变。
雷达反射率因子能够观测出冻雨形成过程中出现的零度层亮带，且亮带刚好出现在0 ℃等温线上界以下，证明冻雨是由上层的固态降水物下落到暖层时发生融化，再下落到近地面的次冻结层变成过冷水滴而形成，精细而直观地展示出基于经典“融冰过程”的冻雨形成机理。
Cloudsat卫星作为一种新型的观测工具和手段，其有效载荷——3 mm云剖面雷达在深入剖析云的垂直结构方面有着独特的视角，但其线形轨迹限制了Cloudsat资料的业务化应用，必须与常规观测资料相结合，在得到局部云团内部信息的基础上，进而了解大尺度范围不同云系的结构和演变特征，真正发挥其最大功效，提高对天气系统的精细分析水平。
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