中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析.pdf

王宁,云天,布和朝鲁,等.2023.中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析 J.大气科学,47(4):12671282.WANGNing,YUNTian,BUEHCholaw,etal.2023.ComparativeAnalysisoftheTwoUnusualFreezingRainEventsinNortheastChinaJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):12671282.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2304.22068中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析王宁1云天1布和朝鲁2王承伟3刘实41吉林省气象台,长春1300622中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心,北京 1000293黑龙江省气象台,哈尔滨1500304吉林省气象局,长春130062摘要2020 年 11 月 1720 日（过程 1）和 2021 年 11 月 711 日（过程 2）在中国东北地区发生了两场历史罕见的冻雨事件，给吉林和黑龙江两省造成了异常严重的灾害。本文利用 NCEP/NCAR 和 EC-ERA5 再分析资料、地面气象要素实况和探空资料，对这两次冻雨过程进行了诊断分析。结果表明，地面关键影响系统均为北上发展加强的江淮气旋，冻雨区均位于地面暖锋北部冷空气一侧的等压线密集带中。冻雨形成过程存在差异，过程 1 主要表现为先有地面降温形成“冷垫”，之后气旋携带的暖空气在“冷垫”上爬升并配合 850hPa 暖锋维持；过程2 则表现为大量暖湿空气向北输送，地面气温回升，850hPa 暖舌发展，被抬升的暖湿空气降落在前期较冷的下垫面上形成冻雨。冻雨发生时，水汽条件丰沛，并伴有上升速度和锋区的明显加强。温度层结呈现“冷暖冷”三明治型垂直分布特征，即低空有逆温层且有融化层和近地面有冻结层同时存在。两次过程均符合多数北方冻雨的“冰相融化”机制。过程 1 逆温层顶高度、逆温强度及最大融化层厚度均强于过程 2，且逆温持续时间长，导致电线积冰厚度差异明显。地形对冻雨有一定的影响。最后提炼出一个东北冻雨天气的三维结构模型。关键词冻雨江淮气旋逆温层冷垫三维概念模型文章编号1006-9895(2023)04-1267-16中图分类号P458文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2304.22068Comparative Analysis of the Two Unusual Freezing Rain Eventsin Northeast ChinaWANGNing1,YUNTian1,BUEHCholaw2,WANGChengwei3,andLIUShi41Jilin Meteorological Observatory,Changchun 1300622International Center for Climate and Environment Sciences,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000293Heilongjiang Meteorological Observatory,Harbin 1500304Jilin Meteorological Bureau,Changchun 130062AbstractThereweretwounusualfreezingraineventsinNortheastChinaduring1720November2020(Process1),and711November2021(Process2),whichcausedsubstantialdamageinJilinandHeilongjiangprovinces.ThesetwoeventswerediagnosedandanalyzedusingtheNCEP/NCARandEC-ERA5reanalysisdata,surfaceobservations,andsoundingdata.Theanalysissuggeststhatthedeveloping,northward-movingJiangHuaicyclonesarethekeyinfluencing收稿日期2022-04-17；网络预出版日期2023-04-02作者简介王宁，女，1966 年出生，正研级高级工程师，主要从事天气预报和环境气象预报技术研究。E-mail:通讯作者云天，E-mail:资助项目国家自然科学基金项目 41975072Funded byNationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant41975072)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023systemsonthesurfaceforbothevents.Theregioncorrespondingtofreezingrainislocatedintheintensivebeltoftheisobaricline,whichisonthesideofthecoldairsideandnorthofthewarmfrontclosetotheground.Furthermore,therearedifferentprocessesfortheformationoffreezingrain.InProcess1,a“coldwedge”iscausedbythedownturnofsurfaceairtemperatures,followedbythewarmairfromthecycloneclimbingoverthe“coldwedge,”whilethewarmfrontismaintainedat850hPa.InProcess2,asubstantialamountofwarm,moistairistransportednorthwardwiththeupturnofsurfaceairtemperaturesandthedevelopmentofawarmtongueat850hPa.Theformationofthefreezingrainiscausedbythewarmmoistairdescendingontothecoldunderlyingsurface.Boththesefreezingrainprocessesoccurredwith favorable vapor conditions,namely,strong upward winds and a front zone.A“coldwarmcold”verticaltemperaturestratificationisdeveloped,resultinginboththemeltinglayerandtemperatureinversionlayerbeinglocatedintheloweratmosphereandthefreezinglayerclosetothesurface.Thetypical“icemelting”mechanismcharacterizesmostofthefreezingraininNorthChina.TheheightofthetopofthetemperatureinversionlayerinProcess1ishigherthanthatinProcess2.Additionally,theintensityandthicknessofthetemperatureinversionlayer,aswellasthedurationofthetemperatureinversionlayer,arealsolargerinProcess1.Thesedifferencesinthetemperatureinversionlayersforthetwoprocessesleadtotheobserveddifferencesiniceaccretionthicknessonelectricwires.Thetopographyhassomeinfluenceonfreezingrain.The3-DmodelforfreezingrainweatherinNortheastChinaisprovidedafterthediagnosticanalysis.KeywordsFreezingrain,JiangHuaicyclones,Temperatureinversionlayer,Coldwedge,Threedimensionalschematicmodel 1 引言地处东亚中高纬度的中国东北地区很少出现冻雨天气，年平均日数一般少于 1 天（赵珊珊等,2010;汪卫平等,2020）。以吉林为例，全省大部的冻雨日数在 0.5 天以下（王惠清等,1997），因此对该区域冻雨天气的研究鲜见报道。2020 年 11 月中旬，东北地区出现罕见冻雨天气，吉林省是主要灾区。时隔一年，2021 年 11 月上旬，东北地区再次发生异常冻雨天气，其主灾区在黑龙江省。两场冻雨天气造成了吉林和黑龙江两省机场关闭、航班取消、铁路列车和客车停运，也导致树木折断、电线积冰严重、电力设施损坏，给两省交通、电力、城市运行、企业生产和居民生活等方面带来十分严重的不利影响。冻雨是一种过冷却水滴与温度低于 0C 的物体碰撞后立即冻结的降水现象，或者说，冻雨是地面 0C 温度线附近（或雨雪分界线附近）出现的一类特殊降水现象（Zerr,1997;Bernstein,2000）。国内外一些学者针对冻雨天气典型个例，围绕冻雨过程的影响系统、温度垂直结构特征、形成机制及预报技术等方面开展了深入研究，并得出一些有益的结果。Stewart（1985）最早提出了冻雨的温度廓线结构，后来称其为冰相融化机制（或三层模式）。其中，固体冰晶或雪花首先在冰晶层（温度T0C）中降落，然后在暖层（T0C）中充分融 化 为 液 体，最 后 过 冷 却 水 滴 进 入 冰 冻 层（T0C），并与地面或其他物体碰撞后立即冻结，成为覆冰或雨凇。HuffmanandNorman（1988）也提出了一种称之为过冷暖雨机制，这一机制中，大气温度垂直廓线上没有 T0C 的暖层，整层均为 T0C，雨滴以过冷却水滴形式降落，到达地面后成为冻雨。在中国，一般认为北方冻雨的大气层结为“冰晶层暖层冷层”（史昀和史永强,2019;马利柱和张靖,2019;韩冬,2019;刘娜等，2021）；南方冻雨也普遍存在“冷暖冷”的层结特征（孙建华和赵思雄,2008a,2008b;杜小玲等,2010;甘文强等,2018;杨寅等,2018）；而在浙江省以及广西、广东和福建三省（自治区）北部的地形起伏较大的地区，则具有“暖冷暖冷”的层结特点（康丽莉等,2021）。在冻雨形成的机制方面，通常认为南方地区存在“冰相融化”和“过冷暖雨”两种机制（欧建军等,2011;陶玥等,2012;杨寅等,2018;雷之雨等,2018;王传辉等,2020）；暖雨机制在中国贵州较为常见，与地形的关系十分密切，贵州预报员称这种冻雨模式为一层模式，其降雨云为对流层低层的层状云，云顶平均在 2km 以下。与之相比，以冰相机制为特征的冻雨，其逆温强烈，降水出现在发展很高、很厚的雨层云中，云顶在暖层上面，平均在 3km 以上（HuffmanandNorman,1988）。北方地区（30N 以北）发生冻雨的机制比较单一，主要是冰相机制（欧建军等,大气科学47卷1268ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.472011），但也有研究认为，华北冻雨同样有暖雨机制或两类机制并存的情况（柳贵钧等,2018）。冻雨现象与锋面逆温结构相联系，因此也经常根据锋面系统进行分类。研究表明，我国南方冻雨经常与准静止锋相联系（孙建华和赵思雄,2008a;Pengetal.,2021）。例如，2008 年 1 月 10 日至 2月 3 日我国南方大范围持续性冻雨事件中，除贵州以外，湘、鄂、赣、皖、浙等地区的温度廓线都具有冻雨三层模式的特点，主要天气系统为华南准静止锋（孙建华和赵思雄,2008a）。有意思的是，冻雨准静止锋天气模型在北美地区很少出现。相反，北美地区冻雨通常与暖锋相伴出现，因此将对应的模型称为冻雨暖锋天气模型。例如，Rauberetal.（1994）在伊利诺伊斯州上佩恩市观测到了著名的“情人节冰暴”（发生在 1990 年 2 月 1415 日），这次冻雨中暖锋暖湿空气“凌驾”于近地面冰冻冷空气上空，所以暖锋系统是冻雨发生的关键影响系统。在冻雨暖锋天气模型中，冻雨落区通常位于暖锋锋面冷空气一侧。与此相反，冻雨暖锋天气模型在中国则很少出现。特别有意思的是，2020 年 11 月 1720 日和 2021 年 11 月 711 日在中国东北发生的两场历史罕见的冻雨事件就属于冻雨暖锋天气模型，这将在后文分析中加以讨论。冻雨天气的预报技术方面，马晓刚等（2010）研制了由大气逆温水平分布区、高空湿区、地面气温 0C 线、逆温层极值点 0C 线构成的冻雨落区的基本概念模型；也有研究认为，北方区域低空冷层温度露点差、700hPa 风速以及地面气温是甄别冻雨和冰粒天气的特征量（漆梁波,2012）；针对贵州冻雨发生的大气背景和天气特点，探索性地提出了利用动力因子和预报场的单站探空资料，建立“动力因子”和“三步判别法”相结合的预报方法（高守亭等,2014）；湖南建立了由 700hPa、850hPa、1000hPa 的温度、厚度及其二者组合因子构成的冬季冻雨预报技术指标（姚蓉等,2014）；江西通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系，建立了冻雨相关判别指标、自动诊断方法及预报流程（郑婧等,2014）。冻雨经常发生在降水相态复杂转化的过程中，既可由降雨转为冻雨，也可由降雪转为冻雨，或者表现为混合相态降水。有气象学者通过研究冻雨下落末速度的粒径谱来区分同时期的降水类型（黄钦等,2018）。冻雨还常常与低温、干雪、冰粒、冻毛毛雨和冻雾相伴产生组合性灾害事件，围绕冻雨区别于其他灾害天气的不同特征，相关研究得出了一些关键技术指标（李杰等,2015;陈媛等,2022;宗海锋等,2022），但今后仍有许多工作要做。以往的研究区域主要集中在中国南方冻雨多发区，而中国东北地区冻雨的温度层结特征、冻雨形成机制以及预报方法等涉猎较少。本文将针对两个历史罕见的冻雨天气过程进行对比分析，探讨其冻雨天气形成的物理成因及可能机制，以期加深对东北区域冻雨天气过程的认识；建立东北冻雨预报指标和天气概念模型，从而为冻雨预报预警提供技术支撑。2 资料本文采用的资料为：2020 年 11 月 17 日 20 时（北京时，下同）至 20 日 14 时和 2021 年 11 月 7日 08 时至 11 日 08 时 NCEP/NCAR 再分析资料（时间分辨率为 6h，空间分辨率为 11、垂直层次为 41 层），用于分析冻雨发生的天气尺度环流，并计算低空急流、整层大气可降水量、假相当位温、温度平流等；同时采用 EC-ERA5 再分析资料（时间分辨率为 1h，空间分辨率为 0.250.25、垂直层次为 137 层），计算气温垂直分布、固态水含量、液态水含量等，用于冻雨发生的环境场的精细化分析；吉林省 55 个自动站和黑龙江省 84 个自动站（图 1）地面逐小时风、温度、压强、湿度等气象要素实况资料和探空资料。地面实况及探空资料来源于吉林省气象信息网络中心、黑龙江省气象数据中心，其他资料来源于国家气象信息中心。选取长春和哈尔滨作为两次冻雨过程的代表站。3 天气实况和背景场分析 3.1 天气实况2020 年 11 月 17 日 12 时至 20 日 11 时，吉林省出现明显雨雪、冻雨及大风天气（简称过程 1）；2021 年 11 月 7 日 08 时至 11 日 08 时，黑龙江省同样出现了极端暴雪、冻雨及大风天气（简称过程 2）。两次强雨雪冰冻天气过程主要共性表现为：一是降水量级大、范围广、持续时间长。过程 1 累计降水量超过 25mm 的有 43 站，占全省 78.2%，降水量最大为通化县（66.7mm），中北部共 12 站出现暴雪或大暴雪，东南部共 12 站出现暴雨，暴雨、暴雪同时出现，持续时间约 71h。过程 2 累计4期王宁等：中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析No.4WANGNingetal.ComparativeAnalysisoftheTwoUnusualFreezingRainEventsinNortheastChina1269降水量超过 25mm 的有 28 站，占全省 33.3%，降水量最大为汤原（46.8mm），持续时间约 96h。二是极端性强，降水量突破多项同期历史极值。两次过程降水量各有 20 多站突破 11 月同旬降水量历史极值，30 多站突破 11 月同旬单日降水极值。三是降水相态变化复杂，两省中部均出现了雨或冻雨转大到暴雪。此外，积雪深度大、伴有明显的大风降温天气也是两次过程的主要特点。本文重点关注的是两次过程均出现的历史罕见冻雨天气。过程 1 主要分布在吉林中部的长春、伊通、双阳和东部敦化等地，时间为 18 日 15 时 30分到 19 日 10 时，持续时间约 18 小时 30 分，其中敦化电线积冰直径最大达 50mm，长春 42mm。过程 2 集中出现在黑龙江中东部的哈尔滨、佳木斯、双鸭山西部、七台河、鸡西西部等地，时间为 8日 9 时到 17 时，持续时间约 8h，其中尚志电线积冰直径最大达 23mm，哈尔滨 15mm。整体看，代表站长春冻雨持续时间明显长于哈尔滨，且电线积冰直径也较大。3.2 背景场分析图 2 给出了两次过程的 500hPa 环流形势。2020 年 11 月 18 日 14 时（图 2a），在东亚中高纬度地区有南北两个低槽，一个位于贝加尔湖西部，与40C 冷中心相伴，另一个位于河套附近，槽后冷平流明显，贝加尔湖为一个相对弱脊，脊前大量冷空气在西北气流作用下向中低纬度地区输送，温压场斜压性较大，低槽在东移过程中不断发展加强，环流经向度加深，有利于槽前暖湿气流向北输送，冷暖空气在吉林省上空交汇；19 日 02 时（图 2b），槽前西南引导气流进一步加强，吉林上空西南急流增至 2830ms1，引导地面低值系统不断移向东北而产生强降水，同时受日本海高压脊的阻挡，低槽东移缓慢，有利于降水系统长时间维持。2021 年 11 月 7 日 14 时（图 2c），500hPa 东亚中高纬度环流呈现倒“”型，贝加尔湖和日本海附近各有一个暖性高压脊，在两脊之间的河套地区出现切断低涡，中心强度为 5440gpm，与32C 冷中心相伴。随着低涡不断发展加强，环流经向度加大。8 日 14 时（图 2d），500hPa 低涡中心强度增强至 5240gpm，过去 24h 低涡中心位势高度下降约 200gpm，高空槽前西南急流增至3640ms1，不断向东北推进，降水开始加强。9 日 08 时中心强度进一步降至 5200gpm，并一直维持至 10 日 20 时，期间气压场和温度场基本重合，冷涡处于成熟阶段，在东北滞留时间较长。受低涡和阻塞高压强烈发展的共同影响，东北地区出现了持续性强雨雪天气。两次冻雨发生时，在吉林中部和黑龙江中东部 850hPa 均有“人”字形切变线存在，并先后有偏南和偏东风两支急流从黄渤海、东海、日本海等地向冻雨区输送水汽，多方水汽来源提供了丰沛的水汽供应，风速一般为 2024ms1，最强可达图1（a）2020 年 11 月 17 日 12 时（北京时，下同）至 20 日 11 时吉林省、（b）2021 年 11 月 7 日 08 时至 11 日 08 时黑龙江省累计降水量分布。红五角星和圆点代表冻雨发生地点Fig.1The cumulated precipitation in(a)Jilin Province from 1200 BJT(Beijing time)17 November to 1100 BJT 20 November 2020,(b)HeilongjiangProvincefrom0800BJT7Novemberto0800BT11November2021.Theredfivepointedstarandrounddotrepresentthelocationofthefreezingrain大气科学47卷1270ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.472832ms1。两次冻雨过程差异在于 850hPa 冷空气路径有所不同：过程 1 冷空气来自北部，偏南风和偏东风急流在吉林中部交遂，锋区持续时间较长；过程 2 冷空气来自西部，系统的斜压性引发低涡发展，其前部暖脊发展并向西向北伸展，持续时间相对较短。两次冻雨发生期间，地面均受江淮气旋（或倒槽）北上影响，低值系统在高空槽前正涡度平流作用下，沿着槽前西南引导气流方向移向东北，强度不断发展加强。过程 1 强降水发生时（图 3 左列），17 日 20时江淮气旋已经形成，中心强度为 1002.5hPa，此时在贝加尔湖东部有一个高压，中心强度最强值可达 1035.0hPa，其底部偏北风携带冷空气不断入侵吉林，冷锋基本位于吉林中部，地面气温开始缓慢下降；18 日 08 时江淮气旋东北移至山东中部，中心强度为 1007.5hPa，之后气旋开始强烈发展，贝加尔湖东部的高压稳定维持，其底部冷空气引发地面持续降温，形成“冷垫”；18 日 14 时，气旋中心值加强至 1002.5hPa，暖锋伸至吉林中部，暖空气在“冷垫”上爬升，开始出现冻雨；19 日 02 时气旋中心值达 1000hPa，同时贝加尔湖东部冷高压中心强度一直维持在 1032.5hPa 以上且稳定少动，冷暖空气在吉林中部交汇，锋区强度进一步加强，导致降水强度明显加强并维持至 19 日 10 时，冻雨发生在暖锋北部冷空气一侧的等压线密集带中。19 日 12 时以后冷空气继续南侵，降水相态也转换成纯雪。过程 2 表现为江淮倒槽在东北移过程中，强度也不断发展加强（图 3 右列）。7 日 0820 时，中心强度由 1015.0hPa 发展至 1012.5hPa，河套地区高压稳定维持，中心值最强可达 1037.5hPa，其前部偏北风不断提供冷空气诱发江淮气旋发展加强；8 日 08 时气旋中心强度达 1002.5hPa，24 小时中心气压值下降了 12.5hPa，大量暖湿空气输送至黑龙江，地面气温开始回升，被抬升的暖湿空气降落在前期较冷的下垫面上形成冻雨；8 日 14 时，低压位于吉林东部，中心强度维持在 997.5hPa，此时黑龙江中东部冻雨明显增强，冻雨区同样位于暖锋北部冷空气一侧的等压线密集带中。8 日 17 时至 9 日 02 时，中心气压最低值一直维持在 1000hPa并移至黑龙江中东部，降水持续，但由于西部冷空图22020 年 11 月（a）18 日 14 时、（b）19 日 02 时，2021 年 11 月（c）7 日 14 时、（d）8 日 14 时 500hPa 位势高度（黑色实线，单位：gpm）、温度（黑色虚线，单位：C）及风速24ms1的急流（阴影）Fig.2Geopotentialpotentialheight(blacksolidlines,units:gpm),temperature(blackdashedlines,units:C),andjetstreamwithwindspeed24ms1(shadings)at500hPaat(a)1400BJT18November,(b)0200BJT19November2020and(c)1400BJT7November,(d)1400BJT8November20214期王宁等：中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析No.4WANGNingetal.ComparativeAnalysisoftheTwoUnusualFreezingRainEventsinNortheastChina1271气不断侵入，降水相态快速转换成纯雪。综上所述，第一次冻雨过程主要表现为先有地面降温形成“冷垫”，之后气旋携带的暖空气在“冷垫”上爬升并配合 850hPa 锋区维持；第二次冻雨过程则表现为大量暖湿空气输送至黑龙江，850hPa 暖舌发展，近地面气温回升，被抬升的暖湿空气降落在前期较冷的下垫面上形成冻雨。进一步分析两次冻雨过程逐小时地面气温、降水和风速的变化特征，可知，过程 1 经历了雨冻雨雪的相态变化过程（图 4a）。17 日 20 时至18 日 10 时，地面气温较高，长春以小雨为主，风速一般为 1.54.3ms1。18 日 1114 时，长春基本无降水，风速增至 5ms1以上，此时气温由正变负。18 日 15 时至 19 日 10 时，长春出现冻雨，地面气温在波动中逐渐下降，从0.8C 下降至5.5C。18 日 20 时之后地面气压下降至 1015hPa以下，最低达 1003hPa（19 日 04 时），降水明显增强，最大小时雨强为 4.1mmh1（19 日 02 时），风速也开始减小。19 日0207 时，风速降为0ms1，期间也正是冻雨发生的较强时段，云中固态水或液图32020 年 11 月 17 日 20 时、18 日 08 时、18 日 14 时、19 日 02 时（左列）和 2021 年 11 月 7 日 08 时、7 日 20 时、8 日 08 时、8 日14 时（右列）地面气压（黑实线，单位：hPa）。红、蓝色线分别表示暖锋、冷锋。红色点表示长春和哈尔滨站位置，下同Fig.3Thesurfacepressure(blacksolidlines,units:hPa)at2000BJT17November,0800BJT18November,1400BJT18November,0200BJT19November2020(left)and0800BJT7November,2000BJT7November,0800BJT8November,1400BJT8November2021(right).Theredandthebluelinesrepresentwarmfrontandcoldfront,respectively.TheredpointsrepresentthelocationsofChangchunandHarbinstations,thesamebelow大气科学47卷1272ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47态水在降落过程中经过融化层，附着在冷的下垫面上，形成冻雨。19 日 1220 时，地面气温下降至6.0C 以下，云中融化层消失，转为纯雪。过程 2 经历了雪冻雨雪的相态变化过程（图 4b）。7 日 20 时至 8 日 08 时，地面气温一直在2C 以下，代表站哈尔滨以小雪为主，风速一般为 3.67.0ms1，随着地面倒槽的发展加强、暖锋不断向北推进，气温缓慢回升。8 日 08 时，地面气压下降至 1000hPa 以下，最低可达 984hPa（8 日 21 时），降水加强。8 日 1117 时，哈尔滨出现冻雨，期间气温在0.1C0.6C 之间小幅波动，此时正是冻雨发生的集中时段，小时雨强为35mmh1，风速也有所下降，一般为35.5ms1，云中固态水或液态水在降落过程中经过融化层，附着在前期较冷的下垫面上，形成冻雨。8 日 18 时以后，整个大气层结气温均为负值，降水相态由冻雨变成纯雪，雪强明显减弱。比较两次过程的差异可知，在中国东北地区，冻雨发生在降水相态转化的过程中，既可由降雨转为冻雨，也可由降雪转为冻雨，第一次冻雨发生期间伴随着地面气温缓慢下降，从0.8C 下降至5.5C，第二次冻雨发生期间气温小幅回升，在0.1C0.6C 之间小幅波动，冻雨过后因降温一般转为纯雪，后文还对冻雨气温的空间分布特征进行补充分析。4 冻雨的形成成因 4.1 低空急流与水汽输送冻雨发生时，850hPa 上吉林中部均有“人”字形切变线存在，并先后有偏南和偏东风两支急流向冻雨区输送水汽（图 5 左列）。过程 1 冻雨发生时，先有一条冷式切变线移过吉林，之后“人”字形切变线移至吉林中部，偏南风急流最大风速可达 2832ms1，主要从黄渤海、东海等地向吉林输送水汽，后期偏东风急流增强，最大风速可达2024ms1，主要从日本海等地向吉林输送水汽，两支水汽输送通道汇集在吉林中部，使强冻雨区850hPa 比湿可达 58gkg1，水汽供应充足。过程 2 冻雨发生时，偏南急流不断增强，黑龙江东南部最大风速达 2832ms1，之后偏东风急流也不图4（a）2020 年 11 月 17 日 20 时至 19 日 20 时长春和（b）2021 年 11 月 7 日 20 时至 9 日 20 时哈尔滨逐小时地面气温（单位：C）、降水量（单位：mm）和风速（单位：ms1）时间序列Fig.4Hourlyvariationsofsurfaceairtemperature(units:C),precipitation(units:mm),andwindspeed(units:ms1)at(a)Changchunfrom2000BJT17Novemberto2000BJT19November2020and(b)Harbinfrom2000BJT7to2000BJT9November20214期王宁等：中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析No.4WANGNingetal.ComparativeAnalysisoftheTwoUnusualFreezingRainEventsinNortheastChina1273图52020 年 11 月（a、e）18 日 14 时、（b、f）19 日 02 时，2021 年 11 月 8 日（c、g）08 时、（d、h）20 时 850hPa 比湿（黑色实线，单位：gkg1）、温度（红色线，实、虚线表示正、负值，单位：C）、风（风向杆，单位：ms1）和低空急流（彩色阴影，风速12ms1）（左列）及整层大气可降水量（单位：kgm2，右列）。棕色粗实线表示 850hPa 切变线Fig.5Specifichumidity(blacksolidlines,units:gkg1),temperature(redlines,solidanddashedlinesrepresentpositiveandnegativevalues,respectively,units:C),wind(barbs,units:ms1),andlow-leveljet(colorshadings,windspeed12ms1)(leftcolumn)at850hPaandatmosphericprecipitablewater(units:kgm2,rightcolumn)at(a,e)1400BJT18November,(b,f)0200BJT19November2020and(c,g)0800BJT8November,(d,h)2000BJT8November2021.Thebrownboldlinesrepresentshearlinesat850hPa大气科学47卷1274ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47断增强，最大风速达 2024ms1，主要从黄海、东海、日本海等地向黑龙江输送水汽，强冻雨区850hPa 比湿可达 46gkg1。分析整层大气可降水量（图 5 右列），进一步证实了水汽主要来源于黄渤海、东海和日本海等地，多条水汽通道从不同方向向吉林、黑龙江两省输送水汽，整层大气水汽也比较丰沛。两次冻雨发生时，吉林和黑龙江两省整层大气可降水量分别为 2030kgm2和 1520kgm2，整体来看，过程 1 水汽输送强于过程 2。4.2 能量锋区及垂直运动图 6 展示了经过冻雨代表站所在经度的假相当位温（se）及垂直速度的纬度气压剖面。可以看出，两次过程 se锋区随高度增加或变化不大，大气层结处于稳定或中性状态。过程 1 强冻雨发生时，18 日 14 时，9501000hPa 之间，/p 0，大气图62020 年 11 月 18 日 14 时、18 日 20 时、19 日 02 时经过 125E（左列）和 2021 年 11 月 8 日 08 时、14 时、20 时经过 127E（右列）假相当位温（黑色实线，单位：K，锋区加粗）、温度（0C，红色实线，0C 线加粗）、水平风场（风向杆，单位：ms1）及垂直速度（黑色虚线，单位：Pas1）的垂直剖面。红色虚线为长春和哈尔滨站所在位置Fig.6Verticalsectionsofpseudo-equivalentpotentialtemperature(blacksolidlines,units:K,boldlinesshowfrontzone),temperature(0C,redsolidlines,boldlineis0C),horizontalwind(barbs,units:ms1),andverticalvelocity(blackdottedlines,units:Pas1)along125Eat1400BJT18November,200018November,0200BJT19November2020(left)andalong127Eat0800BJT,1400BJT,2000BJT8November2021(right).ThereddashedlinerepresentsthelocationofChangchunandHarbin4期王宁等：中国东北地区两场罕见冻雨过程的对比分析No.4WANGNingetal.ComparativeAnalysisoftheTwoUnusualFreezingRainEventsinNortheastChina1275层结近似中性层结，950hPa 以上/p0，大气层结处于稳定状态，随着地面气旋暖锋北上和北部冷空气交遂，锋区不断发展加强；18 日 20 时，最大上升速度增强至2.4Pas1，向上伸展高度可达500hPa，降水开始加强；19 日 02 时，锋区继续加强，最大上升速度可达2.7Pas1，但高度下降至700hPa，此时降水达到最强（强降水位于 4244N 间）。长春 6h 降水 8.3mm（以冻雨为主），吉林省南部有 8 站 6h 降水量25mm（以雨为主），最强为伊通站（33mm）。分析过程 2 也可得出类似的结论，950hPa 以下近似为中性层结，以上为稳定层结。8 日0814 时，锋区明显加强，最大上升速度增强至2.7Pas1，高度向上伸展至 600hPa，位于哈尔滨上空（46N），降水开始加强；至 8 日 20 时，最大上升速度中心仍为2.7Pas1，但高度下降至650hPa 以下，并有所北移，此时降水达到最强，在 4447N 间。黑龙江省多数测站 6h 降水量在620mm 之间，哈尔滨为 20mm。由此可见，两次过程的强降水均出现在上升速度和锋区达到最强之后的 6h 内，这对于冻雨强度的预报有一定的指示意义。4.3 温度层结分析冻雨的形成需要满足三个温度条件：（1）低空有逆温层存在；（2）低空有温度0C 的融化层；（3）地面有气温0C 的冻结层，在“冷垫”上冻凝，即形成“冷暖冷”三明治型的温度垂直分布。两次冻雨过程的温度垂直分布（图 6 中红实线为0C 等温线）均满足冻雨形成的三个条件，但又有所差异，过程 1 这种特定的温度垂直分布持续时间长于过程 2。进一步分析逐小时温度层结的变化特征，可知：过程 1 冻雨发生期间（图 7a），逆温层均在 750hPa 以