2016年3月中衛市香山風電場冰凍雨雪災害天氣分析

張德有++高杰

摘要 為了研究中衛市香山地區凍雨天氣成因并提高該地區凍雨天氣的預報能力，本文利用常規觀測資料、加密氣象觀測資料、MICAPS資料和香山風電場工作日志資料，對2016年3月中衛香山風電場出現的一次冰凍雨雪災害天氣過程進行天氣學分析，并對凍雨發生的物理量場、大氣垂直結構和地形作用進行分析。結果表明，500 hPa“東高西低”的環流形勢是此次天氣過程產生的背景條件，低層的偏南暖濕氣流輸送和低值系統的共同作用是產生降水的根本條件；凍雨產生時段大氣溫度垂直結構上、中、下層呈冷、暖、冷分布，中層有溫度>0 ℃的暖層，近地面層為0 ℃或以下，中層冷平流對暖層會有破壞作用，垂直溫度結構改變，降水相態隨之發生變化；在同一降水過程中，山地和川區大氣垂直結構存在明顯差別，需關注降水相態是否一致。

關鍵詞 冰凍雨雪災害；天氣過程；寧夏中衛；香山風電場；2016年3月

中圖分類號 P429 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0218-02

凍雨是初冬或冬末春初出現的一種災害性天氣。凍雨天氣發生時，會對交通、農業及電力等行業造成極大影響。中衛市地處西北，兼具平原與山地2種地形，凍雨天氣時有發生。2010年，中衛市香山地區建成了寧夏境內規模最大的風力發電產業帶，使中衛市經濟發展更加多元化和可持續性。2016年3月，中衛市出現本年度首場透雨，香山地區出現凍雨和降雪天氣，香山風電場受凍雨和降雪影響故障頻發，設備大面積癱瘓，損失嚴重。目前，中衛市對香山地區出現凍雨的研究和凍雨預報仍是空白。此外，國內對大范圍凍雨天氣的研究較多，而對局地凍雨天氣研究較少。因此，本文利用常規觀測資料、加密氣象觀測資料、MICAPS資料和香山風電場工作日志資料，對2016年3月中衛市香山風電場出現的一次冰凍雨雪災害天氣過程從形勢場和影響系統、冷空氣來源、水汽條件、大氣垂直溫度結構及地形作用進行分析，以期為中衛市香山地區凍雨天氣預報提供理論依據。

1 天氣實況及影響

2016年3月中旬，受高原擴散冷空氣和偏南暖濕氣流共同影響，中衛市出現2016年首場全市性透雨，香山及以北地區累計降水量超25 mm。與歷史同期相比，2016年首場透雨出現時間早、范圍廣、持續時間長、累計雨量大，時間較常年提前了50～70 d。香山地區受山地影響，出現凍雨及降雪，香山風電場受冰凍雨雪災害影響出現大面積設備故障。3月20日至23日夜間，中衛市出現連陰雨天氣。23日6：00前，全市以降水為主；23日清晨，地面氣溫持續下降，香山風電場地面氣溫降至0 ℃左右，香山風電場出現凍雨，輸電線路及外露設備出現大面積結冰，電線積冰直徑達9 mm；23日10：00，香山風電場地面氣溫開始回升，電線積冰開始融化，風電場出現大面積線路故障；23日20：00后，香山風電場地面氣溫再次降至0 ℃以下，開始出現降雪，輸電線路及外露設備再次開始積冰；24日6：00，電線積冰直徑達18 mm，大部分光纖敷冰嚴重，光纖下垂過度，隨著大風吹拉，光纖下垂弧度加大，導致部分光芯拉斷。24日降水結束天氣轉晴，氣溫回升，電線積冰開始融化，風電場再次出現大面積線路故障。經調查，這次冰凍雨雪災害所造成的影響是香山風電場自2010年建成以來最為嚴重的一次（圖1）。

2 雨雪天氣分析

2.1 環流形勢及影響系統

此次過程發生前500 hPa歐亞中高緯環流為兩槽一脊型，烏拉爾山附近、我國東北地區附近各為一低槽，及兩槽之間貝加爾湖附近的高壓脊區。隨著烏拉爾山低壓槽東移，槽底不斷有冷空氣擴散東移，在青藏高原維持寬廣的低壓槽區，南支槽東移發展，到19日8：00中衛市處于槽前脊后偏南暖濕氣流里，“東高西低”的環流形勢有利于降水的形勢建立與維持；同時在16—18日我國東北地區的冷低壓主體在旋轉過程中有所西退南壓，也是“東高西低”降水形勢建立與維持的有利條件（圖2）。

700 hPa高空圖上，19日我國東北附近為高壓控制，巴爾喀什湖到貝加爾湖一帶為寬槽區，槽底部青藏高原附近有低值系統生成并東移，19日20：00低渦移動到甘肅南部與北部的槽相結合形成“北槽南渦”的有利降水形勢，低渦移動所經之處低層輻合加強，水汽集中聚集，為降水天氣的發生發展提供了大量的水汽、熱力、動力條件。

2.2 冷空氣來源

凍雨產生的條件之一是地面氣溫在0 ℃以下。這次香山風電場凍雨及降雪天氣出現前，中衛市受地面低壓控制，氣溫異常偏高，3月18—19日中衛站最高氣溫均達20～25 ℃（香山風電場最高氣溫18～20 ℃）。20日至23日夜間，受冷空氣影響，氣溫逐漸下降，全市出現連陰雨。23日清晨及23日夜間，香山地區地面氣溫降至0 ℃及以下，出現凍雨及降雪天氣（圖3）。

造成此次中衛地區連陰雨及香山地區冰凍雨雪天氣過程的冷空氣是由2股來源構成。23日20：00之前，中衛市主要受高原東移擴散冷空氣影響，配合較好的南支暖濕氣流輸送，由于東北冷渦的阻擋作用，形勢比較穩定，全市范圍出現了連陰雨天氣，在此期間，850 hPa一直為偏南風。因此，經歷了剛開始的降溫后，連陰雨期間地面氣溫下降緩慢，但相對比較穩定，維持在5～10 ℃之間。23日清晨，中衛站地面氣溫降至6 ℃，香山地區地面氣溫降至-1～0 ℃，出現凍雨。23日20：00以后，東北冷渦進一步南壓，南支位置偏南，中衛市受東北冷渦后部偏北氣流影響，850 hPa轉為偏北風，出現明顯冷平流，地面氣溫迅速下降，氣溫12 h下降7 ℃左右，香山地區地面氣溫降至-3～-2℃，出現降雪，中衛市其他地區地面氣溫仍>0 ℃，降水相態為雨。

2.3 水汽條件

此次降水天氣過程水汽主要來自孟加拉灣和南海，主要依靠南支和低層偏南暖濕氣流輸送水汽。制作中衛站水汽通量散度剖面圖（圖4），發現自19日8：00起，中衛站上空（700 hPa以下）存在較大的水汽通量散度負值區，一直持續到降水結束。尤其20日白天到夜間，中衛站水汽通量散度負值區一直延伸到接近500 hPa，這與較強降水時段相對應[1-3]。與天氣圖的分析一致，該時段700 hPa中衛境內存在水汽通量大值區，是由于700 hPa偏南急流而產生的，從中低層的水汽通量散度可以看出，這次過程水汽主要集中在底層（700 hPa以下）。分析中衛站相對濕度剖面圖，對比23日清晨及夜間香山地區出現凍雨和降雪的2個時段，發現在凍雨和降雪出現前后850 hPa以上始終維持在92%以上的相對濕度大值區。表明此次香山地區出現凍雨和降雪天氣是在中空充沛的水汽輸送及近飽和狀態中產生的。

2.4 大氣垂直溫度結構與降水相態的關系

3月22日夜間中衛市香山地區出現凍雨。分析距離中衛站最近的銀川探空站資料可以看到：22日20：00，銀川站上空氣溫隨高度遞減，地面氣溫7 ℃，0 ℃層高度在2 233 m（銀川站海拔1 110.9 m）。中衛站海拔1 225.7 m，此時中衛站地面氣溫6 ℃，反映出中衛站與銀川站上空氣團性質基本相似。從探空圖中可以看出，此次降水過程云中形成冰晶層的高度在7～500 hPa之間，780 hPa以下有明顯的暖層，而此時香山風電場地面氣溫下降到2 ℃，翌日清晨氣溫徘徊在 -1～0 ℃。由此可以看出，香山地區上空呈冷的冰晶層，低層有氣溫>0 ℃的暖層可使冰晶融化，近地面層有氣溫<0 ℃的冷層，同時地面氣溫<0 ℃，這種大氣溫度的垂直結構具備了產生凍雨的天氣條件[4-5]。23日夜間香山地區出現降雪，是由于受冷平流影響，原來的大氣垂直溫度結構受到破壞，暖層減弱或消失，大氣環境溫度下降，近地面氣溫<0 ℃的冷層也加厚，香山地區地面氣溫降至-3～-2 ℃，出現降雪。

2.5 山地作用分析

此次連陰雨過程中衛市平原地區一直為降雨，而香山地區分別出現一次凍雨和降雪天氣，主要受山地的影響。中衛市香山地處中衛城區南邊，海拔為1 700～2 300 m，香山風電場海拔約1 900 m，距中衛氣象站直線距離約30 km。對比發現，近2年香山風電場3月月平均氣溫比中衛站同期偏低2.5 ℃左右。挑選近2年3月4次全市性降水天氣過程，發現香山風電場日平均氣溫比中衛站同期偏低5 ℃左右，且時較差比無天氣狀況時要更穩定。因此，當3月出現降水天氣過程，且預測中衛站氣溫降至5 ℃左右時，需注意香山地區降水相態是否會發生變化，出現冰凍雨雪災害。

3 結論

（1）500 hPa“東高西低”的環流形勢是此次天氣過程產生的背景條件；低層的偏南暖濕氣流輸送和低值系統的共同作用是產生降水的根本條件。

（2）高原東移擴散冷空氣是前期降水和23日清晨香山地區出現凍雨的主要冷空氣來源；東北冷渦后部偏北冷空氣是后期降水及香山地區出現降雪的主要冷空氣來源。

（3）此次香山地區出現凍雨和降雪天氣是在中空充沛的水汽輸送及近飽和狀態中產生的。

（4）凍雨產生時段大氣溫度垂直結構上、中、下層呈冷、暖、冷分布，中層有溫度>0 ℃的暖層，近地面層為0 ℃或以下；中層冷平流對暖層會有破壞作用，垂直溫度結構改變，降水相態隨之發生變化。

（5）在同一降水過程中，山地和川區大氣垂直結構存在明顯差別，需關注降水相態是否一致；在3月降水天氣過程期間，香山風電場地面氣溫比中衛站低5 ℃左右。

4 參考文獻

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