引言

持续性的低温雨雪冻雨是一种严重的灾害性天气，会给农业生产、交通运输、电力传输、通讯设施、人民群众生活等带来极大影响和损害。继2008年1月中旬至2月上旬我国南方地区历史上罕见的低温雨雪冰冻过程之后，2011年冬季(2010年12月31日至2011年2月1日)，我国南方多个省市又遭受低温雨雪冰冻灾害，尤以贵州受灾最为严重。贵州此次低温雨雪冰冻天气共持续33天，共有78县站发生灾情，占全省台站的92.9%，超过2008年的76站，影响范围达历史之最。过程开始第3天，低温雨雪冰冻就达70站，来势迅猛。全省各地不同程度受灾，在各级政府部门的有效应对下，据贵州省民政厅统计，因灾直接经济损失还是高达46.3亿元，是自1961年以来，除2008年以外最为严重的一次。但全省的平均气温和平均最低气温均突破历史记录，且过程前期、后期的影响范围和西部地区的灾害均超过2008年，按照《贵州省凝冻灾害气象等级标准》已达特重等级。

已有许多专家对2008年的冰冻极端事件进行了相关研究，丁一汇等^[1]指出在拉尼娜事件影响下，南方冰灾发生的主要原因，并强调该极端冰灾事件是全球性气候异常的表现之一，但不能改变全球和中国气候变暖的趋势和格局；陶祖钰等^[2]用经典天气学方法研究了华南静止锋的三维空间配置；李崇银等^[3]研究表明大气环流的组合性异常是造成持续雨雪冰冻天气的直接原因；杨贵名等^[4]通过分析锋区特征得出冷暖气团的长期对峙是低温雨雪冰冻天气持续的主要原因；高辉等^[5]从气候角度分析了灾害的可能成因；在极端事件的评估方面，万素琴等^[6]利用5个指标对发生在湖北的冰冻极端事件作了研究。对于雨雪冰冻过程的天气成因方面气象工作者也作了较多分析^[7-9]。由于此类极端天气仍是预报中的难点和重点，所以广泛开展这方面的研究工作对于提高低温冰冻的精细化预报水平和服务能力都有重要意义。对于2011年冬季的低温雨雪过程，是否和2008年的持续冰冻有类似的成因以及这两次过程有哪些不同？本文就这次过程的天气成因进行初步分析。

1 资料

本文所用的资料包括：(1) 贵州84县站地面实况观测资料，数据经贵州省气候中心质量审核，在分析贵州雨雪冰冻日数分布及逐日变化、各气象要素与冰冻关系中使用；(2) 探空垂直结构分析使用的是MICAPS探空观测资料；(3) 形势和物理量分析使用的是NCEP 1°×1°再分析资料和全球2.5°×2.5°资料，气候平均值用1971—2000年的要素平均。

2 低温雨雪冰冻天气过程概况

2011年冬季贵州的低温雨雪冰冻天气主要由5次天气过程造成，发生时间段分别为：2010年12月31日至2011年1月2日、1月5—6日、9—10日、17—20日及27—29日，影响冷空气较强。杜小玲^[10]的研究指出，当冷高压中心强度超过1047 hPa，1030 hPa线进入贵州时，雨雪冰冻范围将扩大，这5次天气过程中1030 hPa线都进入贵州范围，而且每次过程的冷高压中心强度都超过1050 hPa。2011年1月1日至2月1日，全省平均气温0.8℃，较常年偏低4.2℃，突破有气象记录以来的历史最低值(1978年为1.3℃)；最低平均气温-1.0℃，较常年偏低3.5℃，突破有气象记录以来的历史最低值(1978年为-0.8℃)；极端最低气温为威宁-8.8℃，比2008年的高1.4℃(威宁-10.2℃)，极端最低气温低于-4℃的区域也小于2008年。

贵州低温雨雪冰冻共持续33天，影响范围达历史之最，主要严重区域集中在中西部地区(图 1a)，共有78站出现低温雨雪冰冻，占全省台站的92.9%，超过2008年的76站；来势也比2008年猛，2010年12月31日至2011年1月2日大范围的冻雨(雪)天气，致使贵州在此次低温雨雪天气开始第3天影响范围就波及70县(市、区)，而2008年过程开始第16天才超过70站，就前6天的影响范围而言较2008年(239站日)多101站日，第21—33天，低温雨雪冰冻较2008年同时段(320站日)也多156站日；从低温雨雪冰冻期间每天冻雨(雪)的站数变化而言，2011年相较2008年起伏大，最多单日影响站数超过70站，最少少于10站，相邻两日增减数最大为36个，远大于2008年的19个；降雪也比2008年明显，17—20日连续出现的大范围降雪，强度及影响范围都属贵州历史罕见(图 1b)。

3 环流形势特征 3.1 背景形势特征

2010年7月以后，拉尼娜状态迅速发展，10月，它的影响已经开始显现，副热带高压(以下简称副高)明显减弱，在这样的气候背景下，形成这次大范围雨雪过程的天气尺度形势是怎样的呢？

从2011年1月500 hPa平均环流图(NCEP 2.5°×2.5°)上可以看到(图 2a)，极涡中心位于加拿大北部(5080 gpm)，极涡向东伸展至新地岛以西，即影响我国的冷空气中出现次数和达到寒潮强度最多的源地^[11]。结合500 hPa高度距平分布可以看到(图 2b)，极涡中心存在120 gpm的正距平，强度明显偏弱，极区由约80 gpm的正距平区控制；亚洲高纬乌拉尔山到堪察加半岛地区为东北—西南向为高度正距平区，中心偏高160 gpm(2008年偏高120 gpm)，表明2011年的冷空气活动更加频繁，强度也更强；而东亚中纬度地区为负距平区，这种“南低北高”的分布有利于冷空气向南渗透，贵州表现为一致的重凝冻分布^[12]。温度场的分布与高度场相近(图略)，高度距平正、负值区与温度距平正、负值区相对应，这样的配置有利于“南低北高”的形势维持和加强，具有强冻雨年的环流特征^[10]。分析2011年5次过程的形势图(图略)，得知除了第三次过程阻塞高压较弱以外，其余4次过程乌拉尔山至贝加尔湖地区都有阻塞形势的建立和发展，致使地面冷空气长期堆积并不断南下，加之较明显降水过程以外时段频繁的冷空气活动，造成我国大范围持续低温，贵州的平均气温、平均最低及最高气温均创1961年以来的新低。与2008年的另一差异在于低纬地区的形势，副高5840 gpm线较2008年的偏南约3个纬距，西太平洋地区为明显的高度负距平区，而2008年为正距平区，即2011年副高较弱，这种“西高东低”的形势有利于冷空气的东移南下，但对西太平洋及南海暖湿气流的向北输送却不利；中亚地区的低槽或低涡也不活跃，该地区位势高度较常年偏高，即南支浅槽的活动没有2008年频繁，由偏西南气流输送的暖湿气流也比2008年弱，仅有第四次即17—20日全省出现大范围降雪过程时在90°E以东的孟加拉湾地区有较明显的南支槽，表明水汽输送条件的差异是2011年雨雪冰冻总体影响比2008年稍小的原因之一。

在低层850 hPa上，主要影响系统是切变线，其两侧的风向可以一定程度说明冷空气入侵路径。第一次过程切变线在26°N，为冷高压底部偏东风与偏南风形成的切变，表明冷空气是以东北回流形势进入贵州，第二、三及第五次过程切变均位于偏北风与偏南风之间，由北向南推进至广西，冷空气以偏北路径入侵，第四次过程前期切变位于25°N，形成于偏东风与偏南风之间，过程后期南北风切变南移至贵州南部边缘，即偏东和偏北路径冷空气先后影响。比较这两年低温雨雪冰冻期间850 hPa的平均风场也发现(图略)，2011年影响贵州的偏北风风量比2008年大，相应冷空气进入贵州的路径，第一次天气过程贵州自东向西发生冻雨(雪)天气，但西南部受影响较小，而随后的几次过程贵州西南部都受到较大影响；从雨雪冰冻的分布可知，2011年贵州西部受冰冻影响的范围和强度超过2008年，这与冷空气入侵的方向不无关系^[13]。

海平面气压场上，控制我国大陆的冷高压中心位于贝加尔湖西南部，平均中心值达到1047.5 hPa(图 3a)，与2008年接近, 1030 hPa线都到达长江沿线，地面锋区位于云贵之间(滇黔准静止锋)；与30年同期相比，我国除西南部(主要是云南中西部、西藏)地区海平面气压略低以外，其余地区为气压正距平(图 3b)，正距平中心位于冷高压中心，比常年平均高12.5 hPa。分析地面实况观测资料发现，滇黔准静止锋在2008和2011年的持续低温雨雪冰冻过程中都扮演了重要角色，2008年的过程前期，进入贵州的冷空气以偏东路径为主，低温冰冻灾害集中在贵州中东部，西部地区则以准静止锋区的阴雨天气居多，过程后期，有偏北路径冷空气补充，贵州西部地区受冰冻影响范围扩大；而2011年的主要严重区域位于贵州中西部(准静止锋区)，这与冷空气以偏北路径为主入侵贵州有关，在冷空气势力相当的情形下，2008和2011年为什么会有这样的差异呢？下文将从物理量场特征作进一步分析。

3.2 物理量场特征

基于NCEP 1°×1°再分析资料计算得到以下物理量场，分析(24°~29°N、104°~109°E)范围内平均温度随时间的高度剖面可知(图 4a)，除了第二次和第五次过程在700 hPa附近有弱的略高于0℃的暖层之外，其余时段均为深厚的冷层，相比2008年的暖层(大于4℃)弱，明显的暖层(融化层)不利于降雪，所以2011年降雪较2008年显著应该与此也有关系，此外也能一定程度上表明2008及2011年产生冻雨的垂直结构有所不同。从这个范围内平均涡度平流的高度时间剖面图上可以看到另一个明显的现象(图 4b)，1月17—21日期间，贵州上空600~300 hPa都处于强烈的槽前正涡度平流区，中心强度达20×10^-7 s^-2，有利于槽的加强和东移，而其余时间段内的正涡度平流较弱，这与形势场上只在第四次过程时有明显南支槽的体现一致。

从(24°~29°N、104°~109°E)范围内的平均水汽通量及其散度随时间-高度的变化(图 4c和4d)可以看到对应5次过程对流层中低层都有不同强度的水汽通量，除第二次过程的水汽通量较弱外，其余4次在850~500 hPa层都有较强的水汽通量，自孟加拉湾和南海向北输送水汽；在同等强度的水汽输送下，降水强弱会有不同，还需看是否有水汽辐合；之所以第一次和第四次过程的冻雨(雪)强度和范围都较其余过程大，和底层的水汽辐合不无关系，从水汽通量辐合图上可以看到，第一次过程750 hPa以下为强水汽辐合区，辐合中心达-10×10^-9 kg·m^-2·hPa^-1·s^-1以上，而第四次过程水汽辐合高度伸展到700 hPa附近，辐合中心强度超过-6×10^-9 kg·m^-2·hPa^-1·s^-1，其余时间段内底层辐合都较弱，其中14—16日低层并没有水汽辐合，虽然冷空气影响频繁，但由于水汽条件与2008年相比要弱，所以降水过程表现出短暂的间歇期，尤其是距离滇黔准静止锋区相对较远的贵州东部地区，受灾程度远不如2008年严重。

3.3 锋生特征分析

所采用的锋生函数公式如下：

$ \begin{array}{l} F = \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right| = {F_1} + {F_2} + {F_3} + {F_4}\\ {F_1} = \frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right|}}\left[{\left( {\nabla \theta se} \right)\cdot\nabla \left( {\frac{{{\rm{d}}{\theta _{{\rm{se}}}}}}{{{\rm{d}}t}}} \right)} \right]\\ {F_2} = - \frac{1}{2}\frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right|}}{\left( {\nabla \theta se} \right)^2}Dh\\ {F_3} = - \frac{1}{2}\frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right|}}\left\{ {\left[{{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}} \right)}^2}-{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}} \right)}^2}} \right]{A_f} + 2\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}{B_f}} \right\}\\ {F_4} = -\frac{1}{{\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right|}}\frac{{\partial \theta }}{{\partial p}}\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial x}} + \frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}\frac{{\partial \omega }}{{\partial y}}} \right)\\ {A_f} = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} -\frac{{\partial v}}{{\partial y}}, {B_f} = \frac{{\partial u}}{{\partial y}} -\frac{{\partial v}}{{\partial y}}, {D_h} = \frac{{\partial u}}{{\partial x}} - \frac{{\partial v}}{{\partial y}} \end{array} $

其中F₁、F₂、F₃和F₄分别为非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项及与垂直运动有关的倾斜项。将(26°N、105°E)作为锋区的代表格点，分析该点的锋生函数的高度时间演变(图略)，发现整个低温雨雪冰冻期间，在对流层750 hPa以下的低层都有锋生，锋生中心位于800 hPa附近，500 hPa以上的高空，12月31日、1月16日及18—20日也有较强的锋生，与第一次及第四次大范围冻雨(雪)相对应。

分别分析5次过程在104°~109°E范围平均的锋生函数及θ_se剖面得出，第一次过程的近地层锋区位于23°~27°N之间(分别以θ_se的310和290 K线为锋区的上下界面，下同)，在锋区内，锋生函数≥2×10^-9 K·(m·s)^-1的区域位于700 hPa以下，中心强度达6×10^-9 K·(m·s)^-1，位于850 hPa，27°N附近(图 5a)；第二次过程近地面锋区较偏南(图 5b)，位于20°~26°N之间，锋生函数正值主要集中在700 hPa以下，强度较弱，贵州范围内(23°~29°N)锋生函数值≤2×10^-9 K·(m·s)^-1；第三次过程的锋区较第二次更偏南，位于19°~25°N之间，锋生函数分布特征与第二次过程相似(图略)；第四次过程近地面锋区位于20°~27°N附近(图 5c)，锋生函数≥2×10^-9 K·(m·s)^-1的区域位于800 hPa以下，位于27°N附近，相较第一次过程弱，说明随着降雪过程的发展，冷暖空气交绥诱发的锋区侧向环流对锋生的发展有所抑制；第五次过程近地面锋区位于19°~26°N(图 5d)，600 hPa以下都是锋生函数正值区，≥2×10^-9 K·(m·s)^-1的区域位于700 hPa以下，中心值达4×10^-9 K·(m·s)^-1，800 hPa，25°~27°N之间；相较2008年的低温雨雪过程，锋区的平均位置偏南，这也是贵州西部冰冻灾害超过2008年的原因之一。

3.4 探空垂直结构特征 3.4.1 不同相态降水的特征

2011年低温雨雪冰冻期间的降水相态相比2008年呈现出多样性，降水以冻雨为主，伴有雨、雨夹雪、雪等天气，为作出更精细的预报服务，有必要对各种相态降水的特征进行分析。以国家基准观测站贵阳为例，根据逐小时天气现象及气温资料分析发现：(1) 该次过程中，气温明显 < 0℃时，液态降水并不少见，而在气温>0℃的条件下，也有冻雨出现，如1月4日15—20时，整点气温0.1≤T≤0.4℃，9日13—16时，整点气温0.3≤T≤1.0℃，但一直有冻雨发生，这与文献[10]中冻雨发生的条件(T≤0℃)不一致；另外几次发生冻雨当天的最高整点气温相对较高，冻雨都结束在气温≤1℃的时刻，但由于气温>1℃时也没有其他相态的降水发生，因此，冻雨的产生对气温的要求，还需依靠大量的观测事实验证。(2) 降雪时气温都≤0℃，几乎都伴有冻雨，从当天的探空特征可知，都有逆温层存在，融化层较弱，云顶温度平均约为-10℃，只有1月17—20日云顶伸展较高，其余都较低，云中冰晶比例不大，所以降雪不明显；而无降雪时(雨、雨夹雪、冻雨)云顶较低，单一相态的降水较少出现。

3.4.2 两次明显过程的探空特征对比

2010年12月31日至2011年1月2日及1月17—21日是这次低温雨雪冰冻天气的两次显著过程，前一次以冻雨为主，后一次降雪更为明显，两次过程的影响范围都广，几乎覆盖贵州全省，根据上述分析，它们在背景形势、水汽等方面都有着相似的条件，但两者的降水相态却明显不同，下面就这两次过程的探空垂直特征进行分析，以期发现它们的差异之处。

根据MICAPS 08和20时实况探空资料，从怀化(57749)、贵阳(57816) 及威宁(56691) 这3个探空站12月31日20时至1月2日08时(图 6a~6c)及1月17日08时至21日08时的平均探空图上可以看到(图 6d~6f)，前一次过程中怀化站云顶在600 hPa附近，温度高于-10℃，逆温层位于850~750 hPa之间，没有融化层，云层中以过冷却水滴为主，此时段内该站及贵州东部地区为冻雨天气——冻雨一层模式^[10]，同时注意到，平均而言，该站近地面气温略大于0℃。贵阳站平均云顶位于680 hPa附近，平均气温略低于0℃，即云中包含过冷却水滴，逆温层位于830~730 hPa之间，有融化层，近地层为低于0℃的冷垫结构——冻雨二层模式^[10]。威宁站云顶较低，位于700 hPa附近，平均低于逆温层顶，也就是说大于0℃的逆温层并非融化层，云中的雨滴降落过程中由于近地面的冷垫作用形成冻雨——冻雨一层模式。后一次过程中3个站的云顶高度都比前一次过程的高，怀化、贵阳及威宁站的云顶分别达到575、560和600 hPa，气温分别为-16、-12和-17℃，从高空到低层都是低于0℃的冷层，即云中包括过冷却水滴、冰晶及雪花，但就逆温梯度而言，威宁和贵阳在这两次过程中相近，怀化站的逆温梯度较前一过程变小，究其原因，分析发现怀化的逆温厚度随着深厚的暖湿气流而明显增加，有利于降雪(贵州东部)的出现，而贵阳和威宁(贵州中西部)则为冻雨和雪共同发生，后一次过程这三个站的冻雨模型都是一层模式。

4 多种气象要素与冰冻强度的关系

黄小玉等^[7]在2008年初的雨雪冰冻过程研究中指出，湖南冰冻的形成与增长是多种气象因子综合影响的结果，地面日平均气温、700 hPa风向风速等对冰冻强度预报有很好的指示意义，那么对于2011年贵州的冰冻过程，各气象要素与冰冻强度又有着怎样的关系呢？李登文等^[14]通过讨论贵州2008年电线积冰的气象条件，指出降水、气温对电线积冰的增长及融化有重要作用，2011年冬季的这次过程是否存在类似的情况呢？选取此次过程中最大冰冻直径≥10 mm的10个县站作为分析样本(集中在26°~27.5°N纬度带内)，将日平均气温、日最低气温、日降水量、地面平均风速及日最大冰冻直径分别取算术平均，据此分析各气象要素与冰冻强度变化的关系。首先来看本次过程中这10个站冰冻强度演变情况(图 7)，1月1日开始出现冰冻，并迅速发展，到4日08时，冰冻强度达本次过程最强，7日以后明显减弱，并且维持较弱的冰冻状态。分析降水量变化可知，它与冰冻强度有一定的正相关，但不具有线性关系，例如18—21日的降水量达最大，但冰冻强度并没有随之跃增，当降水量过大，由于冲刷作用，使得雨滴来不及凝固，同时与降水相态也有一定关系；统计结果表明，当日平均气温低于0℃，出现一定强度的大范围降水时，有利于冰冻的发生，但当日平均气温回升到0℃以上时，即使有较明显降水出现，冰冻强度却非常微弱，如14—15日，即降水量与冰冻强度的关系受气温影响大。地面日平均风速约为1~3 m·s^-1，变化不大，可能由于贵州地形复杂，地面风速难以反映冰冻强度的变化。

而从分析日最低气温和日平均气温的变化可知，它们的变化趋势较一致，1月1日开始，气温明显下降至0℃以下，10—11日，平均气温升至0℃附近，13—17日，升至0℃以上，最低气温除15日外基本维持在0℃以下，日平均气温较日最低气温与冰冻强度具有更明显的反相关关系，即当有降水发生时，日平均气温低于0℃，则冰冻发生，持续下降则冰冻发展，高于0℃则冰冻迅速减弱或消失。从以上分析可知，在有一定的降水条件下，日平均气温是影响冰冻强度的重要因子。

5 结论

(1) 2011年初发生在贵州的低温雨雪冰冻过程与2008年的低温雨雪冰冻过程一样都是在欧亚大气环流异常的大尺度背景下发生的，强冷空气的不断入侵是维持低温的主要原因，在2008及2011年的持续雨雪冰冻过程中，滇黔准静止锋都是重要的影响系统；而冷空气以不同路径入侵，贵州冻雨(雪)范围会有差异，当有偏北路径的冷空气时，贵州中西部受影响会比只有偏东路径冷空气时明显，这是2011年贵州中西部的雨雪冰冻强度超过2008年的原因之一；与2008年在形势上的差异还表现在副高位置强度和南支浅槽的活跃程度上，2011年的副高及南支浅槽的活动都较2008年弱，即水汽输送条件不如2008年稳定持续。

(2) 伴随南支槽的东移及水汽辐合向上伸展，冻雨(雪)范围明显扩大，过程前期(2010年12月31日至2011年1月2日)及中期(1月17—21日)的水汽辐合伸展高度比其余时段高，随着水汽条件的不足，2011年贵州的雨雪冰冻天气表现出间歇性，尤其是距离滇黔准静止锋区相对较远的贵州东部地区，受灾程度远不如2008年严重；低温雨雪冰冻期间的5次过程中低空锋生函数都为正值，表明伴随冷空气的补充影响，准静止锋增强活跃。

(3) 云顶高度及气温与降水的相态有密切的联系，冻雨的发生不一定需要融化层，对地面气温的要求有待进一步验证，而降雪的发生则需要云顶气温较低，而且逆温越弱越有利。

(4) 在日平均气温低于0℃的情形下，冰冻强度与降水强度在一定程度内呈正比关系，所以有一定的降水条件时，日平均气温是影响冰冻强度的重要因子，但是降水量在哪个范围内有利于冰冻的发生及加强需要统计大量的个例，这将是下一步要进行的工作。