內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，劉夢迪

（1.內蒙古氣象臺，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古氣象服務中心，內蒙古 呼和浩特 010051；3.通遼市氣象臺，內蒙古 通遼 028000）

雨雪相態轉換是一個復雜的科學問題，也一直是天氣預報的難點，凍雨是＜0℃的過冷卻液態水滴降落到0℃以下裸露的物體上形成的一層冰層，是一種高影響災害性天氣。目前國內對2008年南方凍雨研究較多，楊貴明等[1]認為冷暖氣團長期對峙是“低溫雨雪冰凍”天氣持續的主要原因，指出華南地區上空靜止少動的鋒生中心，正是低溫雨雪冰凍期間準靜止鋒長期穩定的原因之一。楊貴明等[2]從凍雨災害持續原因，初步分析了2008年初“低溫雨雪冰凍”天氣的主要特點和環流特征，指出南方凍雨形成逆溫層穩定，融化層厚度較厚，是長時間凍雨天氣的主要原因之一。王凌等[3]對2008年南方低溫雨雪冰凍天氣與同期歷史進行了比較，得出與日最高氣溫異常偏低和持續低溫日有關。高輝等[4]對2008年1月我國南方大范圍低溫雨雪冰凍天氣從氣候角度進行成因分析，得出逆溫層不斷加強并長時間維持是大范圍凍雨持續出現的主要原因。馬曉剛等[5]對南方凍雨進行了診斷分析，指出地面準靜止鋒是冰凍雨雪主要天氣系統，逆溫層、西南暖濕氣流及北方強冷空氣的不斷補充是凍雨形成條件。王東海等[6]利用新型衛星CloudSat的星載云廓線雷達（CPR）資料分析了凍結、凝華和冰霧粒子的附著增長的物理過程和對流層極渦變化及伴隨的強天氣事件的先期信號，是中長期預報的研究方向。江楊等[7]對2008年初中國南方地區凍雨的溫度層結進行數值模擬，指出較大的逆溫梯度是凍雨區別于降水相態垂直溫度場的明顯特征。多位專家[8-13]對南方凍雨氣候規律和形成機制進行了研究，主要是對南方凍雨形成和持續機制、凍雨的冰晶物理過程和數值模擬的研究，指出南方凍雨的形成與冷空氣持續補充、干濕層結等特征相關。

2020年11月17日08時—20日08時，受較強暖濕氣流和冷空氣共同影響，內蒙古全區大部出現了入冬以來影響范圍最廣、降水（尤其降雪）強度最大的雨雪天氣過程。共有15站出現極端降雪事件，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個站突破歷史極值，出現極端暴雪事件。本次暴雪天氣伴有復雜的雨雪相態轉換，加之雪后強烈的寒潮大風使得災害異常嚴重。特別是處于暴雪中心的通遼市南部地區，降雪前出現凍雨天氣，進一步加大了災害影響。本次強降雪對當地交通運輸、電路通訊、城市運行、糧食管護、牧區牲畜管理等造成重大影響。據統計，赤峰市10個旗縣區、通遼市6個旗縣區、錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗出現雪災，致使房屋、大棚、棚圈、鋼化結構廠棚等垮塌受損，牛羊死亡等，直接經濟損失超30 000萬元。此外，受強風雪天氣影響，全市中小學停課，部分企業停工。

在雨雪轉換季節，大雪暴雪背景下凍雨的出現往往加重了災害的影響。目前針對我國北方凍雨特征和成因研究不多，本文針對內蒙古東南部這次高影響凍雨天氣過程進行研究，以提高對我國北方凍雨發生發展規律的認識，為雨雪轉換重大氣象災害的預警服務工作提供科技支撐。

1 災情分析

2020年11月18日08時—19日08時，內蒙古錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市出現大范圍極端暴雪、特大暴雪氣象災害。赤峰市、通遼市有7個旗縣突破暴雪歷史極值，赤峰市阿魯科爾沁旗連續2 d突破歷史極值，最大降水量出現在通遼市開魯縣保安農場站，為69.0 mm。最大小時降雪出現在通遼市奈曼旗青龍山，為5.9 mm。大暴雪區域積雪深度達20 cm以上，通遼市最大積雪深度達28 cm。此次暴雪天氣過程伴隨復雜的雨雪相態轉換，出現雨、凍雨、霰、雨夾雪、雪等天氣現象。另外，18日20時—19日20時暴雪后期，強冷空氣南下，大部地區出現風雪寒潮天氣。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-25.9℃，24 h降溫達16.3℃，極大風速達28.9 m/s（11級），伴隨暴風雪等惡劣天氣，使得這次暴雪災害極為嚴重。

值得關注的是，此次極端暴雪中心的通遼市南部地區，在18日13—20時，出現了持續性凍雨天氣（表1），內蒙古庫倫旗持續時間長達7.5 h。凍雨出現在大興安嶺東側和吉林市西南部的平原地區，呈東北西南走向的帶狀分布，從內蒙古東南部一直延伸到吉林西南部（圖1），凍雨發生時段該區域地面盛行偏東或東東北風，風力不大。凍雨形成結冰現象，隨后地面氣溫快速下降轉為暴雪天氣，風雪寒潮天氣加重了災害。

表1 各站凍雨持續時間

圖1 2020年11月18日凍雨區域（藍線）

2 天氣形勢分析

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的西南暖濕氣流的共同影響，我國華北和東北大部產生超歷史極值強降雪天氣過程。18日08—20時500 hPa（圖2a）高緯度地區不斷有橫槽南壓，有冷空氣滲透補充（冷中心為-40℃），低緯度副熱帶高壓擺動，逐步東移北上。108°E西風槽與南支槽形成南北階梯槽同位相疊加，東移影響內蒙古中東部大部；槽前西南急流強盛深厚，凍雨區位于旺盛的西南暖濕氣流頂端。700 hPa（圖2b）110°E低渦配合西風槽發展東移，低緯度北伸的西南暖濕急流強盛，凍雨區位于暖濕氣流頂端、暖切變北端約2個緯距、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加強北伸，偏東急流帶來的冷空氣使得在內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生區。地面（圖2d）為北高南低形勢，北部冷高壓向南入侵，與北上加強的江淮氣旋頂部交匯，形成地面靜止鋒，凍雨區恰好位于地面靜止鋒區一線、地面冷高壓控制、對流層低層暖濕氣流爬升區域中。由于系統穩定少動，這一天氣形勢配置一直持續到夜間，入夜后環境溫度整體下降，凍雨結束轉為降雪。

圖2 2020年11月18日14時高度場（黑色等值線，單位：dagpm）、溫度場（紅色等值線，單位：℃）、風場（單位：m·s-1）

中緯度西風槽與南支槽同位相疊加并東移，使得來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，低渦前側存在強的西南急流，低渦和地面氣旋在高空槽引導下向東北方向移動。低渦和地面氣旋異常偏強是產生歷史極端降水條件的大尺度背景特征。在有利的降水形勢中，地面強冷高壓南侵，與對流層中低層西南暖濕氣流疊置，構建了凍雨形成的重要條件“冷—暖—冷”垂直結構。北方強盛的地面冷高壓，從小興安嶺東側東北平原向南侵入至燕山北和長白山以西受阻堆積，形成冷墊，是凍雨形成的重要條件之一。對流層中低層低渦前強盛的暖濕急流頂端到達冷墊并爬升，持續的暖平流在冷墊上形成一個暖層即融化層，是凍雨形成的另一重要條件，對北方來講暖層建立這一條件更為重要。此外，需要有基礎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生相態變化。18日入夜凍雨轉為降雪并非系統配置變化所致，而是因為入夜環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，預報難度很大。

3 凍雨觀測特征

3.1 地面氣象要素演變特征

為了認識凍雨發生的基本環境條件，分析地面氣象要素觀測數據及其演變特征。選取了凍雨發生區的科左后旗（圖3a），凍雨發生時段為13—20時，從降水量看，基本是降水初始階段，地面氣溫穩定在-0.7～-1.0℃，波動很小，降水量較小，雪強在1.2 mm/h以下，累計降水量為5.4 mm。20時轉為降雪后，氣溫開始驟降，降雪強度和量級也明顯增大，出現3.4 mm/h的雪強。過程中溫度露點差＜4℃，濕度大，氣壓一直持續下降。23時氣壓達到最低值，此時雪強最大。選取了同為暴雪區未出現凍雨的赤峰站，全降雪過程中，地面氣溫變化波動較大，沒有穩定時段，且均＜-2℃。溫度露點差＜4℃，濕度大，氣壓一直持續下降，低值系統移來，氣壓達到最低值對應雪強最大，具有典型的降水要素特征。

通過分析凍雨發生區沿線的科左后旗、庫倫旗、青龍山、長春、雙遼對比無凍雨的赤峰（圖3b）等地面氣象站逐小時氣象要素和降水量變化特征表明，凍雨發生時段，各站地面氣溫穩定、波動較小，基本維持在-1～-2℃，可能與雨滴釋放熱量成為過冷雨滴和地面冷高壓南侵降溫平衡相關。同我國北方預報指標與南方的“當中低空存在逆溫層時，地面0℃線就是凍雨發生的標志線[6]”略有差異。轉雪后，氣溫均出現快速下降。各站溫度露點波動幅度不大且溫度露點差均＜4℃，空氣濕度越大，水汽越飽和，凍雨持續的有利條件與降水相同。地面氣壓呈現持續下降趨勢，降水強度增大，在出現最強降水前凍雨結束。本次凍雨發生在主體降水過程的開始時段，降水量和降水強度較小，降水量約占總量的25%（表1）、強度在2 mm/h以下。

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

3.2 高空探測特征

分析凍雨發生區18日08時長春探空T-lnP（圖4a）及模式探空可見，與通遼相似，550～450 hPa存在干區，濕層深厚到達550 hPa，存在雙逆溫層結。近地層940 hPa（-2℃）～910 hPa（4℃）存在強逆溫；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℃以下兩個層結在探空T-lnP圖中面積相當，0℃以上暖區略大。對比分析無凍雨發生的赤峰探空T-lnP（圖4b）及模式探空可知，濕層深厚到達400 hPa，高層無明顯的干冷空氣侵入，近地層860 hPa（-4℃）～800 hPa（0℃）存在強逆溫；750～840 hPa為暖層，最高氣溫為0℃；840～930 hPa為冷層，最低氣溫為-4℃，關鍵是冷暖層都在0℃以下，沒有融化層存在。進一步分析18日14時凍雨發生時段各站模式探空具有相同的結論。

通過對比發生凍雨的長春探空站與未發生凍雨的赤峰探空站的T-lnP圖可知，凍雨發生前與發生階段長春探空主要特征相似，表現為：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（圖4a）。分別在550 hPa和近地層900 hPa存在雙逆溫層結，近地層逆溫更強。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，干暖空氣有利于穩定層結，抑制低層濕空氣向上擴散，對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散，對凍雨天氣的出現和維持起到了關鍵作用。近地層930 hPa（-4℃）～860 hPa（3℃）存在強逆溫，層結是“冷—暖—冷”。上層冷區濕度大，水汽形成雪花飄落，進入中層暖區溫度＞0℃，使雪（過冷水）在下落的過程中融化為雨滴，下落進入下層冷區溫度＜0℃，雨滴成為過冷水滴，降落到地面或物體表面立即凍結，形成凍雨?？梢姀娔鏈貙邮莾鲇晏鞖庵饕拇怪碧卣?，其關鍵在于中間的暖區融化層，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℃。另一個關鍵在于下層冷凍層，層厚100 hPa左右，層次在地面至900 hPa上下，最低氣溫在-2～-4℃。兩個層結在探空T-lnP圖中面積相當。對比沒有出現凍雨的赤峰探空（圖4b），具備深厚濕層的強降水特征，近地層雖然有逆溫層結構存在，但溫度整層都＜0℃，沒有融化層，出現暴雪天氣。可見，“冷—暖—冷”垂直結構特征是凍雨形成的重要指標，在深厚濕層的降水有利條件下，高層冷區是常態，預報的關鍵在于中層的暖區、近地層的冷墊結構的形成和維持。另外要關注基礎溫度狀況和氣溫日變化特征的預報。

圖4 2020年11月18日08時T-lnP探空圖

4 凍雨成因分析

凍雨形成的必要條件是“冷—暖—冷”垂直結構特征，且需要持續較長時間，這一垂直結構特征的形成條件是預報凍雨天氣的關鍵。

4.1 近地層冷墊

近地層冷墊是凍雨形成的重要層結，在融化層形成的雨滴進入冷墊后形成過冷雨滴，環境溫度需要在0℃以下，且不能過低，層厚適中。由18日08時地面圖可知，地面冷高壓中心位于貝加爾湖以東，中心強度為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，從小興安嶺東側東北平原向南侵入至燕山北和長白山西，受到江淮氣旋（冷暖氣團邊緣為鋒區）和地形阻擋，在平原地區堆積形成冷墊（可見高壓倒脊），北方不斷有冷空氣補充到高壓邊緣，直至20時長時間穩定維持，成為凍雨形成的重要條件。

由沿122°E和43°N溫度、相對濕度剖面圖可見，在近地層925 hPa存在明顯的低溫冷墊層，冷中心達-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，特別是凍雨發生的平原地區為冷平流中心（圖6），強度達-15×10-5℃·s-1，冷平流的存在對近地層冷墊的維持起到關鍵作用。從溫度平流垂直時間演變及700、850 hPa平面圖可見，凍雨發生時段，近地層925 hPa存在明顯的冷平流長時間維持的現象。隨后，冷平流上升至850 hPa，凍雨結束轉為降雪，后期出現整層的冷平流，爆發寒潮天氣。

圖5 2020年11月18日溫度（等值線，單位：℃）、相對濕度（填色，單位：%）、風場（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，并不斷有冷空氣補充，且持續穩定少動。冷空氣不能太強，厚度適中且不能過厚，否則冷空氣將快速南下移過，則無法形成近地層冷墊。

4.2 中層暖區（融化層）

中層暖區融化層是凍雨形成的關鍵層結，高空冷區形成的雪進入融化層后成為雨滴，環境溫度需要在0℃以上，且層高不能過低，層厚適中。由18日08時700、850 hPa高空圖可知，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，持續的暖濕氣流使得融化層長時間穩定持續。

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

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

中層暖區的形成和維持是凍雨形成的必要條件，主要是由對流層中低層的暖濕低空急流持續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特征

形成“冷—暖—冷”垂直結構的冷墊與融化層疊置，是不同性質的氣團交匯，具備鋒區特征。由沿122°E和43°N垂直風切變剖面圖可見，對流層低層的風切變很大，以850 hPa為界，由850 hPa以下近地面層盛行的NNE風，風速為10 m·s-1，轉為850 hPa以上的SSE風，風速為8 m·s-1。其分別對應地面冷高壓控制的冷氣團冷墊和上層的暖濕氣團?？梢姀婏L切變反應了兩類不同性質的氣團疊置，是層結特征的重要標準和指標。分析沿122°E和43°N假相當位溫剖面圖及隨時間演變（圖7）可見，在冷暖氣團交界層次有密集的假相當位溫線，鋒區特征明顯。在地面冷墊與融化層存在明顯的鋒區特征，是凍雨發生有利層結條件的重要特征。

圖7 2020年11月18日14時假相當位溫（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—19日20時假相當位溫（等值線，單位：K）隨時間變化垂直剖面

4.4 雷達觀測特征

18日15：50在2.4°仰角強度圖出現0℃層亮帶（圖8a），出現時間為13：43—16：38，持續3 h左右，對應凍雨出現的時間。不排除因為秋冬季0℃層較低導致雷達站靠近0℃層，較低仰角觀測時出現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雷達反射率因子0.5°仰角強度圖（圖8b）可知，回波明顯分成南北兩部分，北面邊緣模糊，強度分布均勻，是典型的穩定性降水回波；南部在大片均勻分布的回波中夾有較強單體回波，是典型的絮狀回波，并且有＞45 dBZ的回波，最強回波達55 dBZ，說明融化層中有雨水的反射率貢獻，因此凍雨區對應的回波強于雪的回波。反射率因子＞45 dBZ、最強回波達55 dBZ、且有絮狀回波，是凍雨出現的特征。而無凍雨出現的暴雪區是層云穩定性降水回波，反射率一般在15～30 dBZ。

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

5 結論

利用常規觀測資料、地面自動站資料、NCEP 1°×1°再分析資料及雷達資料等對2020年11月18—19日發生在內蒙古東南部罕見特大暴雪事件背景下的通遼市凍雨災害天氣成因進行分析，得出如下主要結論：

（1）凍雨天氣地面氣象要素演變特征：凍雨發生時段，各站地面氣溫穩定，波動較小，基本維持在-1～-2℃。轉雪后，氣溫均出現快速下降，溫度露點差＜4℃，空氣濕度越大，水汽越飽和。地面氣壓呈現持續下降趨勢，降水強度增大。凍雨降水量和降水強度較小，占總量的25%，強度＜2 mm/h。

（2）大氣探空層結特征：在550 hPa和近地層900 hPa存在雙逆溫層結構。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℃）存在強逆溫層，存在典型的“冷—暖—冷”凍雨形成的有利層結特征。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圖中兩層的正負氣溫面積相當。

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

預報著眼點：地面冷高壓強度、移動，冷空氣不能過強，與南支低值系統的相互作用，保持穩定對峙。天氣關鍵區是冷高壓與暖倒槽邊緣的鋒區強度。地形對冷高壓移動路徑和停留堆積的影響，關鍵點是冷空氣沿山谷低洼處流動，受山脈地形阻擋形成停留堆積。冷墊層厚100 hPa左右，不能過厚，氣溫達到0℃以下，中心氣溫為-2～-4℃，地面氣溫為-1～-2℃，要關注環境氣溫的日變化影響。冷空氣不斷補充，存在明顯的近地層冷平流，使冷墊長時間維持，冷平流中心強度為-10×10-5～-20×10-5℃·s-1。

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

預報著眼點：暖濕低空急流足夠強盛，達到低空急流標準，并穩定持續，其頂端到達冷墊上空。有持續的暖平流，850 hPa達到10×10-5～20×10-5℃·s-1，存在深厚的暖濕層，配合強烈的上升運動。暖層＞0℃的層次要達到100 hPa左右，暖舌中心達到2～4℃，同時關注環境氣溫的日變化影響。

（5）“冷—暖—冷”垂直結構中冷墊與融化層具有明顯的鋒區特征。對流層低層的風切變大，925～700 hPa風切矢量達到20～30 m·s-1。對流層低層具有明顯的等位溫線密集區。這一鋒區特征是很好的預報指標，關鍵點是鋒區持續穩定，并對應凍雨層結條件。

（6）通過雷達反射率強度可以區分凍雨區和降雪區域，凍雨區回波強度明顯較強。本次凍雨區對應的回波強度＞45 dBZ，最強達到55 dBZ，明顯大于降雪區的回波強度，而純降雪雷達反射率一般在15～30 dBZ。