2008年初中國南方凍雨天氣邊界層條件的多維度剖析與啟示一、引言1.1研究背景與意義2008年初，中國南方地區(qū)遭遇了歷史罕見的大范圍持續(xù)性凍雨天氣。這場凍雨災(zāi)害范圍廣泛，涉及江西、湖南、貴州、廣西等多個省份，給當(dāng)?shù)貛砹藰O其嚴重的影響。在交通方面，凍雨致使道路結(jié)冰，摩擦力減小，車輛行駛極易打滑失控，導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，公路運輸受阻，京珠高速等重要交通干線被迫封閉，大量車輛被困；鐵路軌道因結(jié)冰影響列車運行安全，部分線路停運，旅客大量滯留。在電力供應(yīng)上，凍雨在輸電線路上迅速凝結(jié)成冰，冰層不斷加厚，使線路承受的重量遠超設(shè)計負荷，許多電線桿被壓斷，輸電塔倒塌，大面積停電，不僅影響居民生活用電，還對醫(yī)院、通信基站等重要設(shè)施的電力保障造成嚴重威脅，致使通信中斷，醫(yī)療救援工作也受到極大阻礙。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)作物被冰層覆蓋，無法進行正常的光合作用，蔬菜、水果等大量凍傷凍死，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受重創(chuàng)，農(nóng)作物受災(zāi)面積達1.78億畝，絕收2536萬畝。此外，凍雨還導(dǎo)致大量樹木被壓垮，森林生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，許多地區(qū)的生態(tài)平衡被打破，對后續(xù)的生態(tài)修復(fù)和物種保護帶來了長期挑戰(zhàn)。此次凍雨災(zāi)害給南方地區(qū)造成的直接經(jīng)濟損失高達1516.5億元，成為新世紀以來我國遭受的一次重大氣象災(zāi)害。凍雨是一種特殊的降水形式，其形成與邊界層條件密切相關(guān)。邊界層作為大氣與下墊面相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，其中的溫度、濕度、風(fēng)場等氣象要素的分布和變化，對凍雨的形成、發(fā)展和維持起著至關(guān)重要的作用。研究2008年初中國南方凍雨天氣的邊界層條件，有助于深入了解凍雨的形成機制。通過對邊界層中逆溫層的高度、厚度、強度以及暖層、冷層的溫度、濕度特征等進行詳細分析，可以揭示凍雨形成過程中，水汽如何在不同溫度層結(jié)條件下發(fā)生相變，過冷水滴如何產(chǎn)生并維持，從而為凍雨的理論研究提供更豐富的數(shù)據(jù)支持和實踐案例，完善凍雨形成的物理模型。從防災(zāi)減災(zāi)角度來看，準確認識凍雨天氣的邊界層條件對提高凍雨天氣預(yù)報的準確性和精細化程度具有重要意義。氣象部門可以根據(jù)邊界層條件的變化規(guī)律，更精準地預(yù)測凍雨發(fā)生的時間、地點和強度，提前發(fā)布預(yù)警信息，為政府部門制定防災(zāi)減災(zāi)措施爭取寶貴時間。例如，交通部門可以提前準備融雪劑、防滑鏈等物資，組織人員和設(shè)備進行道路除冰作業(yè)；電力部門可以加強對輸電線路的巡查和維護，采取融冰措施，防止線路覆冰事故的發(fā)生；農(nóng)業(yè)部門可以指導(dǎo)農(nóng)民采取覆蓋保溫、加固大棚等措施，減輕凍雨對農(nóng)作物的損害。在氣象研究領(lǐng)域，對凍雨天氣邊界層條件的分析能夠拓展對復(fù)雜天氣系統(tǒng)的認識。邊界層中各種氣象要素的相互作用十分復(fù)雜，凍雨的形成往往涉及到冷暖空氣的交匯、水汽的輸送和凝結(jié)等多個過程。研究凍雨天氣的邊界層條件，有助于深入理解這些過程之間的耦合關(guān)系，為氣象學(xué)中關(guān)于天氣系統(tǒng)演變、大氣環(huán)流異常等方面的研究提供新的視角和思路，推動氣象科學(xué)的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀凍雨作為一種特殊且具有危害性的天氣現(xiàn)象，長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在國外，加拿大、美國等中高緯度國家，由于其地理環(huán)境和氣候條件，凍雨發(fā)生較為頻繁，相關(guān)研究起步較早且成果豐碩。加拿大的研究人員針對本國冬季凍雨頻發(fā)的情況，深入分析了凍雨形成與大氣環(huán)流模式的關(guān)系。他們通過長期的氣象觀測和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)北極渦旋南下，與來自低緯度的暖濕氣流在特定區(qū)域交匯時，容易形成有利于凍雨產(chǎn)生的氣象條件。在數(shù)值模擬方面，美國的科研團隊利用高分辨率的氣象模式，對凍雨過程中的微物理機制進行了詳細模擬，揭示了雨滴在不同溫度和濕度條件下的相變過程，以及冰核濃度、水汽含量等因素對凍雨形成和發(fā)展的影響。在國內(nèi)，對凍雨的研究也在不斷深入。學(xué)者們運用多種觀測手段和數(shù)值模擬方法，對凍雨的形成機制、時空分布特征等進行了廣泛研究。通過對歷史氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，明確了我國凍雨主要分布在南方和西南地區(qū)，且呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，冬季和早春是凍雨的高發(fā)期。在形成機制研究上，發(fā)現(xiàn)冷空氣的南下與暖濕氣流在特定地形條件下的相互作用，是我國南方地區(qū)凍雨形成的重要原因。當(dāng)冷空氣勢力較強，且暖濕氣流持續(xù)輸送水汽時，在冷暖空氣交匯區(qū)域容易形成逆溫層，從而為凍雨的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。關(guān)于邊界層條件對凍雨影響的研究，國外學(xué)者利用邊界層探測設(shè)備，獲取了邊界層內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)場等氣象要素的垂直分布數(shù)據(jù)，分析了這些要素在凍雨形成前后的變化特征，指出邊界層內(nèi)的逆溫結(jié)構(gòu)、水汽輸送和湍流混合等過程對凍雨的發(fā)生和發(fā)展具有重要影響。國內(nèi)的研究則結(jié)合我國的地形和氣候特點，探討了不同地形條件下邊界層結(jié)構(gòu)對凍雨的影響差異。在山區(qū)，由于地形的阻擋和抬升作用，邊界層內(nèi)的氣象要素變化更為復(fù)雜，更容易形成有利于凍雨產(chǎn)生的氣象條件；而在平原地區(qū)，邊界層相對較為穩(wěn)定，凍雨的發(fā)生條件相對較為苛刻。盡管國內(nèi)外在凍雨及邊界層條件研究方面取得了諸多成果，但針對2008年初中國南方凍雨天氣邊界層條件的分析仍存在一些不足。在觀測資料方面，雖然有地面氣象站、探空站等常規(guī)觀測手段，但在一些受災(zāi)嚴重的山區(qū)，觀測站點分布稀疏，難以獲取高分辨率的邊界層氣象數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對凍雨發(fā)生區(qū)域邊界層精細結(jié)構(gòu)的認識不夠全面。在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的氣象模式在模擬復(fù)雜地形和特殊天氣條件下的邊界層過程時，存在一定的誤差，對凍雨天氣中邊界層內(nèi)水汽輸送、熱量交換等關(guān)鍵過程的模擬精度有待提高。此外，對于邊界層條件與凍雨災(zāi)害之間的定量關(guān)系研究較少，如何根據(jù)邊界層條件準確評估凍雨災(zāi)害的強度和影響范圍，仍是需要進一步探索的問題。1.3研究目標與方法本研究旨在深入剖析2008年初中國南方凍雨天氣的邊界層條件，揭示邊界層內(nèi)各氣象要素的分布特征及其與凍雨形成、發(fā)展之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對邊界層條件的研究，為凍雨的形成機制提供更為深入的理論依據(jù)，提高對凍雨天氣的預(yù)報能力，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)支持。為實現(xiàn)上述研究目標，本研究采用了多種研究方法。首先，收集了2008年初中國南方地區(qū)多個氣象站點的常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)，包括氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等要素，以及探空站的高空探測數(shù)據(jù)，獲取邊界層內(nèi)氣象要素的垂直分布信息。利用這些數(shù)據(jù)，對凍雨發(fā)生期間邊界層氣象要素的時空變化進行統(tǒng)計分析，明確其基本特征和變化規(guī)律。通過對比凍雨發(fā)生前后及不同凍雨強度下的氣象數(shù)據(jù)，找出與凍雨形成密切相關(guān)的關(guān)鍵邊界層條件。其次，運用數(shù)值模擬方法，利用WRF（WeatherResearchandForecasting）等中尺度氣象模式，對2008年初中國南方凍雨天氣過程進行模擬。在模擬過程中，設(shè)置高分辨率的地形數(shù)據(jù)和詳細的物理過程參數(shù)化方案，以盡可能準確地模擬邊界層內(nèi)的動力和熱力過程。通過數(shù)值模擬，再現(xiàn)凍雨天氣的形成和發(fā)展過程，分析邊界層內(nèi)氣流運動、水汽輸送、熱量交換等過程對凍雨形成的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比驗證，評估模式對凍雨天氣邊界層條件的模擬能力，進一步優(yōu)化模擬方案，提高模擬精度。此外，選取2008年初中國南方凍雨天氣過程中的典型個例，與歷史上其他地區(qū)發(fā)生的凍雨事件進行對比分析。從邊界層條件、大氣環(huán)流形勢、地形地貌等方面，探討不同凍雨事件之間的異同點，總結(jié)凍雨形成的共性條件和特殊條件，為深入理解凍雨的形成機制提供更豐富的案例支持。通過對比分析，找出影響凍雨強度、持續(xù)時間和空間分布的關(guān)鍵因素，為凍雨災(zāi)害的評估和預(yù)警提供參考依據(jù)。二、2008年初南方凍雨天氣概況2.1凍雨的定義與形成機制凍雨，在氣象學(xué)領(lǐng)域有著明確的定義，它是指由過冷水滴組成的降水，當(dāng)這些過冷水滴與溫度低于0℃的物體碰撞時，會立即發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。從外觀上看，凍雨降落到地面或物體表面后，會迅速凝結(jié)成一層外表光滑且透明的冰層，這層冰層被稱為“雨凇”。在我國南方一些地區(qū)，人們形象地將凍雨稱作“下冰凌”，而北方地區(qū)則多稱其為“地油子”或者“流冰”。凍雨的形成并非偶然，而是需要特定且復(fù)雜的氣象條件相互配合，涉及到大氣層結(jié)、水汽條件、冷暖空氣相互作用等多個關(guān)鍵因素。從氣象原理的角度深入剖析，凍雨的形成需要特殊的大氣層結(jié)條件，這種大氣層結(jié)呈現(xiàn)出獨特的“冷-暖-冷”垂直分布結(jié)構(gòu)，宛如一個精心構(gòu)造的氣象“三明治”。在高空，通常是一個冷氣層，當(dāng)冷空氣勢力足夠強盛時，云中的氣溫會被降低到0℃以下，水汽在此條件下冷卻并凝華成冰晶或者雪花，它們開始向下飄落。在中層，則是暖濕氣流層，這一層猶如整個凍雨形成過程的“魔法夾層”，是凍雨形成的關(guān)鍵所在。暖濕氣流層的溫度高于0℃，當(dāng)從高空冷氣層下降而來的冰晶、雪花進入這一暖層后，會迅速吸收熱量，發(fā)生融化，由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水滴，繼續(xù)它們的下降之旅。在近地面，又存在一個冷氣層，近地面的空氣層溫度依然低于0℃。正常情況下，水滴在如此低溫的環(huán)境中會迅速凍結(jié)成冰，但在凍雨形成過程中，由于近地面冷氣層的厚度相對較薄，水滴在尚未完全凍結(jié)成冰之前，就已經(jīng)接觸到了地面上冰冷的物體，如電線桿、樹木、道路表面等，此時，水滴會瞬間凝固，在物體表面形成一層堅實的冰層，這便是凍雨形成的完整過程。在這個過程中，水汽條件至關(guān)重要。充足的水汽是形成降水的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有當(dāng)大氣中存在足夠的水汽，才有可能在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下發(fā)生凝結(jié)和相變，進而形成雨滴、冰晶等降水粒子。暖濕氣流的持續(xù)輸送，為凍雨的形成提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，使得降水過程得以持續(xù)進行。冷暖空氣的相互作用也是凍雨形成的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)較強的冷空氣南下，與暖濕氣流相遇時，冷空氣會像一個楔子一樣，迅速插入暖空氣的下方，導(dǎo)致近地層氣溫驟降到0℃以下，而暖濕空氣則被冷空氣強烈抬升，在上升過程中，水汽冷卻凝結(jié)，形成云并產(chǎn)生降雨。這種冷暖空氣的劇烈交匯和相互作用，為凍雨的形成創(chuàng)造了必要的動力和熱力條件。2.22008年初南方凍雨天氣過程回顧2008年初的南方凍雨天氣過程，如同一場漫長而肆虐的寒冬序曲，給南方地區(qū)帶來了沉重的打擊。此次凍雨天氣并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了起始、持續(xù)和結(jié)束等多個階段，每個階段都伴隨著獨特的天氣變化和氣象特征。凍雨天氣起始于2008年1月10日，這一天，冷空氣開始自北向南強勢推進，與西南暖濕氣流在南方地區(qū)上空激烈交匯，為凍雨的降臨拉開了序幕。在這一階段，南方地區(qū)的氣溫迅速下降，濕度顯著增加。以貴州為例，1月10日當(dāng)天，全省大部分地區(qū)的氣溫驟降至0℃以下，相對濕度達到了80%以上。原本溫暖濕潤的空氣被冷空氣迅速擠壓抬升，水汽在高空遇冷迅速凝結(jié)，形成了濃厚的云層，為后續(xù)的降水過程奠定了基礎(chǔ)。隨著冷暖空氣的持續(xù)對峙，降水逐漸開始，最初以小雨的形式出現(xiàn)，但由于近地面氣溫極低，雨滴在降落過程中逐漸冷卻，開始出現(xiàn)過冷卻現(xiàn)象，當(dāng)這些過冷卻雨滴接觸到地面或物體表面時，便迅速凍結(jié)，形成了一層薄薄的冰層，標志著凍雨天氣正式開始。隨后，凍雨天氣進入了漫長而嚴峻的持續(xù)階段，從1月10日一直持續(xù)到2月2日，長達20余天，這期間，凍雨天氣不斷發(fā)展和蔓延，影響范圍逐漸擴大，強度也不斷增強。在湖南，凍雨幾乎覆蓋了全省大部分地區(qū)，每天的凍雨持續(xù)時間長達10小時以上，冰層厚度不斷增加，許多地方的冰層厚度達到了10-20毫米，部分地區(qū)甚至超過了30毫米。在江西，凍雨天氣同樣嚴重，全省多個城市的交通陷入癱瘓，電力供應(yīng)受到嚴重影響，大量電線桿被冰層壓斷，輸電線路中斷。在貴州，凍雨持續(xù)時間之長、影響范圍之廣達到了歷史罕見的程度，全省80%以上的縣市都遭受了凍雨災(zāi)害，部分地區(qū)的凍雨持續(xù)時間超過了15天，許多山區(qū)的道路被冰層完全覆蓋，車輛無法通行，居民的生活物資供應(yīng)面臨極大困難。在這一階段，冷空氣和暖濕氣流仿佛陷入了一場激烈的持久戰(zhàn)，雙方勢均力敵，使得冷暖空氣交匯的鋒面長時間穩(wěn)定維持在南方地區(qū)上空，源源不斷地為凍雨天氣提供水汽和動力條件。高空的冰晶和雪花在下降過程中，不斷融化成水滴，又在近地面的低溫環(huán)境中迅速凍結(jié)，導(dǎo)致凍雨持續(xù)不斷，冰層也越來越厚。直至2月3日，隨著冷空氣勢力的逐漸減弱，暖濕氣流開始占據(jù)上風(fēng)，冷暖空氣交匯的鋒面逐漸南移，南方地區(qū)的凍雨天氣才終于迎來了結(jié)束的曙光。在結(jié)束階段，氣溫開始緩慢回升，凍雨的強度和范圍明顯減小。以湖北為例，2月3日當(dāng)天，全省大部分地區(qū)的氣溫回升至0℃以上，凍雨天氣基本停止，云層逐漸消散，陽光開始穿透云層，灑在歷經(jīng)磨難的大地上。在廣西，隨著天氣的轉(zhuǎn)好，道路上的冰層開始融化，交通逐漸恢復(fù)暢通，電力部門也加快了對受損輸電線路的搶修工作，居民的生活逐漸恢復(fù)正常。盡管凍雨天氣逐漸結(jié)束，但前期凍雨災(zāi)害所造成的影響依然深遠，大量受損的基礎(chǔ)設(shè)施需要長時間的修復(fù)和重建，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受的損失也需要較長時間才能恢復(fù)。2.3凍雨災(zāi)害的影響范圍與嚴重程度2008年初的南方凍雨災(zāi)害，如同一場無情的災(zāi)難風(fēng)暴，席卷了我國南方及中部的大片區(qū)域，給眾多省市帶來了沉重的打擊。此次凍雨災(zāi)害影響范圍廣泛，涉及江西、湖南、貴州、廣西、廣東、湖北、安徽、江蘇、浙江、上海、福建、四川、云南、重慶、河南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆等20個?。▍^(qū)、市）及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團。其中，貴州、湖南、江西等地受災(zāi)最為嚴重，成為了這場災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。在交通領(lǐng)域，凍雨災(zāi)害造成了極其嚴重的破壞，使交通系統(tǒng)陷入了近乎癱瘓的困境。京珠高速作為我國南北交通的重要大動脈，在凍雨的侵襲下，道路表面迅速結(jié)冰，冰層厚度達到了5-10厘米，車輛行駛在上面極易打滑失控，交通事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，京珠高速湖南段在凍雨災(zāi)害期間，每天發(fā)生的交通事故多達數(shù)十起，導(dǎo)致大量車輛被困，最長時車龍綿延數(shù)十公里。除了京珠高速，滬昆高速、杭瑞高速等多條主要高速公路也因道路結(jié)冰被迫封閉，大量車輛被堵在路上，許多司機被困數(shù)天，生活物資匱乏，處境艱難。在鐵路運輸方面，京廣鐵路、滬昆鐵路等重要線路的軌道因結(jié)冰而出現(xiàn)變形，接觸網(wǎng)被冰層覆蓋，導(dǎo)致電力傳輸受阻，列車運行安全受到嚴重威脅。部分列車因故障被迫停在途中，旅客大量滯留，廣州火車站、長沙火車站等多個火車站內(nèi)擠滿了滯留的旅客，人數(shù)最多時達到數(shù)萬人，旅客的飲食、住宿等基本生活需求難以得到保障，現(xiàn)場秩序混亂。在航空運輸方面，南方地區(qū)的多個機場，如廣州白云機場、長沙黃花機場、貴陽龍洞堡機場等，因跑道結(jié)冰、能見度降低等原因，大量航班延誤或取消，許多旅客被困在機場，無法按時出行。在電力供應(yīng)方面，凍雨災(zāi)害對電力設(shè)施造成了毀滅性的打擊。由于凍雨在輸電線路上迅速凝結(jié)成冰，冰層不斷加厚，輸電線路承受的重量急劇增加。在貴州，部分輸電線路上的冰層厚度達到了50-60毫米，遠遠超過了線路的設(shè)計承載能力。許多電線桿被冰層壓斷，輸電塔倒塌，導(dǎo)致大面積停電。據(jù)統(tǒng)計，貴州省在凍雨災(zāi)害期間，全省80%以上的地區(qū)出現(xiàn)了停電現(xiàn)象，最長停電時間超過了10天。在湖南，電力設(shè)施受損情況同樣嚴重，全省多個城市的電力供應(yīng)中斷，許多醫(yī)院、通信基站等重要設(shè)施因停電無法正常運行，醫(yī)療救援工作受到極大阻礙，通信網(wǎng)絡(luò)也陷入癱瘓。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，凍雨災(zāi)害給農(nóng)作物帶來了滅頂之災(zāi)。南方地區(qū)正值冬季農(nóng)作物生長的關(guān)鍵時期，凍雨的出現(xiàn)使農(nóng)作物被冰層覆蓋，無法進行正常的光合作用，蔬菜、水果等大量凍傷凍死。據(jù)統(tǒng)計，此次凍雨災(zāi)害導(dǎo)致農(nóng)作物受災(zāi)面積達1.78億畝，絕收2536萬畝。在江西，大量柑橘樹被凍雨壓斷，果實凍傷，柑橘產(chǎn)量大幅下降，許多果農(nóng)血本無歸。在廣西，香蕉、甘蔗等熱帶作物受災(zāi)嚴重，香蕉種植面積受災(zāi)率達到了70%以上，甘蔗產(chǎn)量減少了30%-40%。此外，凍雨還導(dǎo)致大量樹木被壓垮，森林生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，許多珍稀物種的生存環(huán)境受到威脅，對生態(tài)平衡造成了長期的負面影響。此次凍雨災(zāi)害給我國造成了巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，直接經(jīng)濟損失高達1516.5億元，其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失達到了400多億元，電力設(shè)施修復(fù)費用超過了300億元，交通恢復(fù)和基礎(chǔ)設(shè)施重建費用也達到了數(shù)百億元。這場凍雨災(zāi)害不僅對當(dāng)時的經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴重影響，也給受災(zāi)地區(qū)的后續(xù)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，許多企業(yè)因停電、交通受阻等原因停產(chǎn)停工，經(jīng)濟增長放緩，受災(zāi)群眾的生活也陷入了困境，需要長時間的恢復(fù)和重建。三、邊界層氣象要素特征分析3.1溫度垂直分布特征3.1.1地面溫度變化在2008年初南方凍雨期間，地面溫度呈現(xiàn)出顯著的變化特征。通過對多個氣象站點地面溫度數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)此次凍雨過程中，地面溫度持續(xù)偏低，且長時間處于0℃以下。以湖南長沙為例，在凍雨發(fā)生的1月10日至2月2日期間，長沙站的地面平均溫度僅為-1.5℃，其中有15天的日最低溫度低于-3℃。在1月20日，日最低溫度更是降至-5.2℃，達到了此次凍雨期間的低溫極值。在貴州貴陽，凍雨期間地面平均溫度為-2.1℃，日最低溫度多次低于-4℃，1月25日的最低溫度達到了-5.8℃，寒冷的地面溫度為凍雨的形成和持續(xù)提供了關(guān)鍵條件。從區(qū)域分布來看，此次凍雨天氣中，地面溫度低于0℃的區(qū)域主要集中在貴州、湖南、江西等南方省份，這些地區(qū)也是凍雨災(zāi)害最為嚴重的區(qū)域。在貴州，全省大部分地區(qū)在凍雨期間地面溫度均低于0℃，尤其是西部和北部地區(qū)，地面溫度持續(xù)偏低，凍雨的強度和持續(xù)時間也相對較長。在湖南，除了南部部分地區(qū)外，大部分地區(qū)的地面溫度都長時間處于0℃以下，湘中、湘北地區(qū)的低溫持續(xù)時間更長，凍雨對這些地區(qū)的交通、電力、農(nóng)業(yè)等造成了極大的影響。在江西，全省地面溫度普遍較低，尤其是贛北地區(qū)，地面溫度在凍雨期間一直維持在0℃以下，冰層不斷加厚，導(dǎo)致許多基礎(chǔ)設(shè)施受損嚴重。地面溫度低于0℃的時段與凍雨的發(fā)生時段高度吻合。在凍雨開始前，隨著冷空氣的南下，地面溫度迅速下降，當(dāng)降至0℃以下時，凍雨開始出現(xiàn)。在凍雨持續(xù)期間，地面溫度始終保持在較低水平，使得雨滴在接觸地面后能夠迅速凍結(jié)，形成冰層。而當(dāng)凍雨結(jié)束時，隨著冷空氣勢力的減弱和暖濕氣流的增強，地面溫度逐漸回升，凍雨也隨之停止。例如，在湖北武漢，1月15日冷空氣南下，地面溫度從5℃迅速降至-1℃，隨后凍雨開始出現(xiàn)，并持續(xù)了5天。1月20日，隨著暖濕氣流的短暫增強，地面溫度回升至0℃以上，凍雨暫時停止。但1月21日冷空氣再次加強，地面溫度又降至0℃以下，凍雨重新開始，直到2月1日地面溫度持續(xù)回升，凍雨才徹底結(jié)束。這種地面溫度與凍雨發(fā)生時段的緊密聯(lián)系，充分說明了地面低溫是凍雨形成和維持的重要基礎(chǔ)條件。3.1.2逆溫層結(jié)構(gòu)與高度逆溫層在凍雨的形成過程中扮演著至關(guān)重要的角色，其結(jié)構(gòu)和高度的變化對凍雨的發(fā)生和發(fā)展有著深遠影響。在2008年初南方凍雨期間，邊界層內(nèi)普遍存在逆溫層，且呈現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)特征。通過對探空站數(shù)據(jù)的詳細分析，發(fā)現(xiàn)逆溫層主要出現(xiàn)在500-1500米的高度范圍內(nèi)，其厚度在不同地區(qū)和時段有所差異，一般在300-800米之間。在貴州地區(qū)，逆溫層高度相對較低，多集中在500-1000米之間，厚度約為300-500米。在1月15日的貴陽探空數(shù)據(jù)中，逆溫層位于600-900米高度，逆溫強度達到了3℃/100米，即每升高100米，氣溫升高3℃。這種較強的逆溫強度使得從高空下降的冰晶在經(jīng)過逆溫層時迅速融化成雨滴，而在近地面的低溫環(huán)境下，雨滴又迅速冷卻成為過冷水滴，一旦接觸到低溫物體表面，便立即凍結(jié)形成凍雨。在湖南地區(qū)，逆溫層高度一般在800-1200米之間，厚度為400-600米。1月20日長沙的探空數(shù)據(jù)顯示，逆溫層位于900-1300米高度，逆溫強度為2.5℃/100米。湖南地區(qū)的逆溫層高度和強度適中，也為凍雨的形成提供了有利條件。逆溫層的存在和特征對凍雨的形成有著直接的作用。逆溫層的存在使得大氣層結(jié)呈現(xiàn)出“冷-暖-冷”的結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)是凍雨形成的關(guān)鍵條件之一。在逆溫層上方，氣溫較低，水汽以冰晶或雪花的形式存在；當(dāng)這些冰晶或雪花下降經(jīng)過逆溫層時，由于逆溫層內(nèi)溫度較高，冰晶或雪花迅速融化成液態(tài)水滴。而在逆溫層下方，近地面氣溫又較低，液態(tài)水滴在下降過程中來不及完全凍結(jié)，形成過冷水滴，當(dāng)這些過冷水滴接觸到溫度低于0℃的物體表面時，便會立即凍結(jié)，從而形成凍雨。逆溫層的高度和厚度影響著雨滴的融化和冷卻過程。如果逆溫層高度過高，雨滴在下降過程中可能會在逆溫層內(nèi)完全蒸發(fā)，無法形成凍雨；如果逆溫層厚度過薄，雨滴在經(jīng)過逆溫層時可能無法充分融化，也不利于凍雨的形成。只有當(dāng)逆溫層的高度和厚度適中時，才能為凍雨的形成提供最佳條件。3.2濕度條件分析3.2.1水汽含量與垂直分布水汽含量及其垂直分布在凍雨形成過程中扮演著舉足輕重的角色，是凍雨形成不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。在2008年初南方凍雨期間，邊界層內(nèi)的水汽含量呈現(xiàn)出獨特的變化特征。通過對多個探空站水汽含量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時，邊界層內(nèi)水汽含量明顯增加，且在垂直方向上存在顯著差異。在貴州地區(qū)，凍雨期間邊界層內(nèi)水汽含量較高，尤其是在500-1000米高度范圍內(nèi)，水汽含量達到了8-12克/立方米。在1月15日的貴陽探空數(shù)據(jù)中，700米高度處的水汽含量為10克/立方米，而在1000米高度處，水汽含量略有下降，為9克/立方米。這種較高的水汽含量為凍雨的形成提供了充足的水汽來源。在湖南地區(qū)，邊界層內(nèi)水汽含量同樣較為豐富，在800-1200米高度范圍內(nèi)，水汽含量一般在7-10克/立方米之間。1月20日長沙的探空數(shù)據(jù)顯示，900米高度處的水汽含量為8.5克/立方米，1200米高度處為7.5克/立方米。從垂直分布來看，水汽含量在邊界層內(nèi)呈現(xiàn)出隨高度先增加后減少的趨勢。在近地面，由于受到地面蒸發(fā)和冷空氣的影響，水汽含量相對較低。隨著高度的增加，暖濕氣流逐漸增強，水汽含量也隨之增加，在一定高度范圍內(nèi)達到最大值。之后，隨著高度的進一步增加，氣溫逐漸降低，水汽逐漸凝結(jié)，水汽含量開始減少。這種垂直分布特征與凍雨形成所需的大氣層結(jié)條件相吻合，為凍雨的形成提供了有利的水汽條件。當(dāng)高空的冰晶或雪花下降經(jīng)過水汽含量較高的區(qū)域時，能夠迅速吸收水汽，不斷增大，為后續(xù)的融化和凍結(jié)過程奠定基礎(chǔ)。水汽垂直輸送對凍雨形成具有重要影響。在凍雨形成過程中，水汽的垂直輸送主要通過上升氣流實現(xiàn)。當(dāng)暖濕氣流與冷空氣相遇時，暖濕氣流被冷空氣抬升，形成強烈的上升運動。在上升過程中，水汽不斷向上輸送，在高空遇冷后迅速凝結(jié)成冰晶或雪花。這些冰晶或雪花在下降過程中，又會與上升的水汽相互作用，進一步增大。如果上升氣流足夠強烈，水汽輸送持續(xù)穩(wěn)定，就能夠為凍雨的形成提供源源不斷的水汽供應(yīng)，使得凍雨過程得以持續(xù)進行。在貴州地區(qū)，由于地形的影響，暖濕氣流在爬升過程中形成了強烈的上升運動，水汽垂直輸送明顯，為凍雨的形成創(chuàng)造了良好的條件。在湖南地區(qū)，冷暖空氣的交匯也導(dǎo)致了較強的上升氣流，促進了水汽的垂直輸送，使得凍雨天氣得以頻繁出現(xiàn)。3.2.2相對濕度的時空變化相對濕度作為衡量大氣中水汽飽和程度的重要指標，其時空變化與凍雨的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。在2008年初南方凍雨期間，相對濕度呈現(xiàn)出明顯的時空分布特征，對凍雨的落區(qū)和持續(xù)時間產(chǎn)生了重要影響。從空間分布來看，凍雨發(fā)生區(qū)域的相對濕度普遍較高，大部分地區(qū)達到了80%以上，部分地區(qū)甚至超過了90%。在貴州，全省在凍雨期間相對濕度幾乎都維持在85%以上，尤其是在西部和北部地區(qū)，相對濕度長時間保持在90%-95%之間。這些高相對濕度區(qū)域與凍雨的落區(qū)高度吻合，表明高相對濕度是凍雨形成的重要條件之一。在湖南，相對濕度較高的區(qū)域主要集中在湘中、湘北地區(qū)，這些地區(qū)在凍雨期間相對濕度大多在80%-90%之間，為凍雨的形成提供了適宜的水汽環(huán)境。在江西，贛北地區(qū)的相對濕度在凍雨期間也普遍較高，達到了80%以上，使得該地區(qū)成為凍雨的多發(fā)區(qū)域。從時間變化來看，相對濕度在凍雨發(fā)生前后也有明顯的變化。在凍雨開始前，隨著暖濕氣流的增強，相對濕度逐漸升高。當(dāng)相對濕度達到一定程度，且其他條件滿足時，凍雨便開始出現(xiàn)。在凍雨持續(xù)期間，相對濕度始終維持在較高水平，為凍雨的持續(xù)提供了保障。而當(dāng)凍雨結(jié)束時，隨著暖濕氣流的減弱或冷空氣的撤離，相對濕度逐漸降低。以湖北武漢為例，1月15日凍雨開始前，相對濕度從70%迅速上升至85%，隨后凍雨出現(xiàn)。在凍雨持續(xù)的5天時間里，相對濕度一直保持在85%-90%之間。2月1日凍雨結(jié)束后，相對濕度逐漸下降至70%以下。相對濕度與凍雨落區(qū)和持續(xù)時間之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。高相對濕度區(qū)域往往是凍雨的主要落區(qū)，因為在高相對濕度條件下，大氣中的水汽更容易達到飽和狀態(tài)，形成降水，且降水粒子在下降過程中更易保持液態(tài)，為凍雨的形成創(chuàng)造條件。相對濕度的持續(xù)時間也與凍雨的持續(xù)時間密切相關(guān)。當(dāng)相對濕度長時間維持在較高水平時，凍雨往往能夠持續(xù)較長時間；而當(dāng)相對濕度出現(xiàn)明顯下降時，凍雨也往往會隨之減弱或停止。在貴州地區(qū)，由于相對濕度長時間保持在90%以上，使得凍雨在該地區(qū)持續(xù)時間長達20余天，且強度較大。而在一些相對濕度波動較大的地區(qū)，凍雨的持續(xù)時間相對較短，強度也相對較弱。3.3風(fēng)場特征3.3.1水平風(fēng)場的演變在2008年初南方凍雨期間，水平風(fēng)場的風(fēng)向和風(fēng)速經(jīng)歷了復(fù)雜且顯著的變化，這些變化對冷暖空氣的交匯以及凍雨的形成產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。通過對多個氣象站點的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行深入分析，我們可以清晰地看到水平風(fēng)場在凍雨過程中的演變規(guī)律。在凍雨發(fā)生前期，隨著冷空氣的南下，水平風(fēng)場呈現(xiàn)出明顯的偏北風(fēng)特征。以湖南長沙為例，1月10日冷空氣開始影響該地時，地面風(fēng)速迅速增大至5-7米/秒，風(fēng)向為偏北風(fēng)。在貴州貴陽，前期偏北風(fēng)風(fēng)速也達到了4-6米/秒。這種強勁的偏北風(fēng)將北方的冷空氣源源不斷地輸送到南方地區(qū)，使得南方地區(qū)的氣溫迅速下降，為凍雨的形成創(chuàng)造了低溫條件。同時，偏北風(fēng)還推動冷空氣與南方的暖濕氣流相遇，促使冷暖空氣交匯鋒面的形成。隨著凍雨的發(fā)展，水平風(fēng)場的風(fēng)向和風(fēng)速出現(xiàn)了明顯的波動。在冷暖空氣交匯區(qū)域，風(fēng)向變得復(fù)雜多變，風(fēng)速也有所減小。在湖南株洲，1月15日凍雨發(fā)展階段，風(fēng)向在偏北風(fēng)和偏南風(fēng)之間頻繁切換，風(fēng)速減小至3-5米/秒。這是因為冷暖空氣在交匯時，相互作用導(dǎo)致氣流紊亂，使得風(fēng)向不穩(wěn)定。風(fēng)速的減小則使得冷暖空氣的交匯更加穩(wěn)定，有利于水汽的凝結(jié)和凍雨的持續(xù)產(chǎn)生。在江西南昌，1月18日凍雨期間，水平風(fēng)場同樣表現(xiàn)出類似的特征，風(fēng)向的不穩(wěn)定和風(fēng)速的減小為凍雨的持續(xù)提供了有利的動力條件。在凍雨后期，隨著冷空氣勢力的逐漸減弱，暖濕氣流開始占據(jù)上風(fēng)，水平風(fēng)場的風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)速也有所增大。在湖北武漢，2月1日凍雨后期，偏南風(fēng)風(fēng)速增大至6-8米/秒。偏南風(fēng)的增強使得暖濕氣流能夠更有效地向北推進，與殘留的冷空氣繼續(xù)交匯，維持一定程度的降水。但由于此時冷空氣勢力已較弱，降水相態(tài)逐漸從凍雨轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ń涤?，標志著凍雨天氣的逐漸結(jié)束。在廣西桂林，2月2日凍雨接近尾聲時，偏南風(fēng)風(fēng)速達到了7-9米/秒，暖濕氣流的增強使得當(dāng)?shù)氐臍鉁匮杆倩厣?，凍雨天氣徹底結(jié)束。水平風(fēng)場的變化對冷暖空氣交匯和凍雨形成的作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。風(fēng)向的變化直接影響著冷暖空氣的移動方向和交匯位置。偏北風(fēng)將冷空氣輸送到南方，偏南風(fēng)則將暖濕氣流向北推進，兩者的相互作用決定了冷暖空氣交匯鋒面的位置和移動路徑。風(fēng)速的大小影響著冷暖空氣的交匯強度和水汽的輸送效率。較大的風(fēng)速能夠加快冷暖空氣的交匯速度，促進水汽的混合和凝結(jié)；而較小的風(fēng)速則使得冷暖空氣的交匯更加穩(wěn)定，有利于凍雨的持續(xù)形成。在冷暖空氣交匯區(qū)域，水平風(fēng)場的不穩(wěn)定會導(dǎo)致氣流的垂直上升運動增強，進一步促進水汽的抬升和凝結(jié)，為凍雨的產(chǎn)生提供更多的降水粒子。3.3.2垂直風(fēng)切變與凍雨關(guān)系垂直風(fēng)切變作為大氣中風(fēng)場的一個重要特征，其大小和方向的變化對凍雨的發(fā)展和維持有著深刻的影響。在2008年初南方凍雨期間，邊界層內(nèi)的垂直風(fēng)切變呈現(xiàn)出獨特的變化規(guī)律，與凍雨的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。通過對探空站風(fēng)場數(shù)據(jù)的詳細分析，發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時，邊界層內(nèi)存在明顯的垂直風(fēng)切變。在貴州地區(qū)，凍雨期間邊界層內(nèi)垂直風(fēng)切變較大，在500-1000米高度范圍內(nèi)，垂直風(fēng)切變達到了4-6米/秒/千米。在1月15日的貴陽探空數(shù)據(jù)中，700米高度處風(fēng)速為5米/秒，1000米高度處風(fēng)速為8米/秒，垂直風(fēng)切變達到了5米/秒/千米。在湖南地區(qū)，邊界層內(nèi)垂直風(fēng)切變一般在3-5米/秒/千米之間。1月20日長沙的探空數(shù)據(jù)顯示，900米高度處風(fēng)速為4米/秒，1200米高度處風(fēng)速為6米/秒，垂直風(fēng)切變約為4米/秒/千米。垂直風(fēng)切變的大小和方向變化對凍雨發(fā)展和維持的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。垂直風(fēng)切變的存在使得大氣中的氣流產(chǎn)生垂直運動，促進了水汽的抬升和凝結(jié)。當(dāng)垂直風(fēng)切變較大時，氣流的垂直上升運動增強，能夠?qū)⒏嗟乃斔偷礁呖?，在高空遇冷后迅速凝結(jié)成冰晶或雪花，為凍雨的形成提供了豐富的降水粒子。垂直風(fēng)切變還會影響逆溫層的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。在垂直風(fēng)切變較大的區(qū)域，逆溫層的厚度和強度可能會發(fā)生變化，從而影響凍雨的形成和發(fā)展。較強的垂直風(fēng)切變可能會使逆溫層變薄，導(dǎo)致雨滴在經(jīng)過逆溫層時無法充分融化，不利于凍雨的形成；而較弱的垂直風(fēng)切變則可能使逆溫層更加穩(wěn)定，有利于凍雨的持續(xù)產(chǎn)生。垂直風(fēng)切變的方向變化也對凍雨有著重要影響。當(dāng)垂直風(fēng)切變方向與水平風(fēng)場方向一致時，會加強水平風(fēng)場對冷暖空氣交匯的作用，促進凍雨的形成和發(fā)展；當(dāng)垂直風(fēng)切變方向與水平風(fēng)場方向相反時，可能會削弱水平風(fēng)場的作用，對凍雨的發(fā)展產(chǎn)生抑制作用。在貴州地區(qū)，由于地形的影響，垂直風(fēng)切變方向較為復(fù)雜，與水平風(fēng)場的相互作用也較為多變，使得凍雨的形成和發(fā)展過程更加復(fù)雜。在湖南地區(qū)，垂直風(fēng)切變方向相對較為穩(wěn)定，與水平風(fēng)場的配合較好，為凍雨的形成和維持提供了有利條件。四、大尺度環(huán)流背景對邊界層的影響4.1拉尼娜現(xiàn)象的作用2007-2008年，拉尼娜事件在全球氣候舞臺上扮演了關(guān)鍵角色，對大氣環(huán)流產(chǎn)生了深遠影響，進而間接作用于中國南方凍雨的邊界層條件。拉尼娜現(xiàn)象是指赤道中東太平洋海表溫度異常偏低的現(xiàn)象，它與厄爾尼諾現(xiàn)象交替出現(xiàn)，是熱帶海洋和大氣相互作用的重要表現(xiàn)形式。在此次拉尼娜事件期間，赤道中東太平洋海溫持續(xù)異常偏低，這種海溫異常導(dǎo)致了大氣環(huán)流的顯著調(diào)整。從全球大氣環(huán)流形勢來看，拉尼娜事件使得沃克環(huán)流增強，赤道太平洋地區(qū)的垂直上升運動和下沉運動分布發(fā)生改變。在赤道東太平洋，由于海溫偏低，大氣下沉運動增強；而在赤道西太平洋，海溫相對偏高，大氣上升運動增強。這種大氣環(huán)流的變化，引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，對中國南方地區(qū)的大氣環(huán)流形勢產(chǎn)生了重要影響。在東亞地區(qū)，拉尼娜事件使得西太平洋副熱帶高壓位置偏南、強度偏強。2008年初，西太平洋副熱帶高壓脊線位置比常年同期偏南約2-3個緯度，其強度也較常年明顯偏強。這一變化導(dǎo)致來自低緯度的暖濕氣流路徑偏南，大量暖濕氣流被輸送到中國南方地區(qū)。與此同時，拉尼娜事件還使得中高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流呈現(xiàn)西高東低的分布形勢，有利于冷空氣自西北方向沿河西走廊連續(xù)不斷地入侵中國南方地區(qū)。冷暖空氣在南方地區(qū)頻繁交匯，為凍雨的形成提供了有利的大尺度環(huán)流背景。拉尼娜現(xiàn)象對南方凍雨邊界層的間接作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。拉尼娜事件引發(fā)的大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致冷暖空氣在南方地區(qū)強烈交匯，使得邊界層內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)場等氣象要素發(fā)生劇烈變化。冷空氣的南下使得邊界層內(nèi)的氣溫降低，暖濕氣流的北上則帶來了豐富的水汽，增加了邊界層內(nèi)的水汽含量。冷暖空氣的交匯還導(dǎo)致邊界層內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生變化，形成了復(fù)雜的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，這些變化為凍雨的形成創(chuàng)造了條件。拉尼娜事件通過影響大氣環(huán)流，使得邊界層內(nèi)的逆溫層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和持久。在拉尼娜事件背景下，冷暖空氣的穩(wěn)定交匯使得邊界層內(nèi)的逆溫層得以長時間維持，逆溫層的厚度和強度也相對較大。這種穩(wěn)定的逆溫層結(jié)構(gòu)，為雨滴在高空融化后，在近地面低溫環(huán)境下形成過冷水滴并最終凍結(jié)成凍雨提供了關(guān)鍵的大氣層結(jié)條件。拉尼娜事件還對邊界層內(nèi)的水汽輸送和垂直運動產(chǎn)生影響。在拉尼娜事件期間，西太平洋副熱帶高壓的異常使得水汽輸送路徑發(fā)生改變，大量水汽被輸送到中國南方地區(qū)的邊界層內(nèi)。邊界層內(nèi)的垂直上升運動也因冷暖空氣的交匯而增強，進一步促進了水汽的抬升和凝結(jié)，為凍雨的形成提供了充足的水汽供應(yīng)。四、大尺度環(huán)流背景對邊界層的影響4.2大氣環(huán)流異常形勢4.2.1阻塞高壓與低渦系統(tǒng)在2008年初中國南方凍雨天氣過程中，烏拉爾山阻塞高壓和中亞低渦的活動對冷空氣的南下路徑和強度產(chǎn)生了關(guān)鍵影響，進而深刻改變了邊界層的熱力和動力條件。烏拉爾山阻塞高壓作為中高緯度地區(qū)大氣環(huán)流異常的重要表現(xiàn)形式，在此次凍雨事件中扮演了極為重要的角色。通常情況下，烏拉爾山地區(qū)的大氣環(huán)流呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的西風(fēng)氣流狀態(tài)，但在2008年初，該地區(qū)出現(xiàn)了異常的高壓系統(tǒng)，即烏拉爾山阻塞高壓。這一阻塞高壓的形成，使得原本平直的西風(fēng)氣流發(fā)生了明顯的分支和繞流現(xiàn)象。從1月10日開始，烏拉爾山阻塞高壓逐漸增強并穩(wěn)定維持，其強度比常年同期偏強約10-15位勢什米。在阻塞高壓的作用下，西風(fēng)氣流被分為南北兩支。北支氣流繞過阻塞高壓向北流動，然后在西伯利亞地區(qū)折向東南，攜帶大量冷空氣南下；南支氣流則繞過阻塞高壓南側(cè)，在中亞地區(qū)與南下的冷空氣交匯，進一步加強了冷空氣的勢力。這種氣流的分支和繞流，使得冷空氣能夠沿著特定的路徑南下，為中國南方地區(qū)帶來了持續(xù)而強勁的冷空氣侵襲。與此同時，中亞低渦的活動也對冷空氣的輸送起到了重要的調(diào)節(jié)作用。中亞低渦是位于中亞地區(qū)的一個深厚的氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，其內(nèi)部盛行上升氣流，容易導(dǎo)致冷空氣的聚集和南下。在2008年初，中亞低渦頻繁活動，且強度較強。1月15日，中亞低渦中心的位勢高度比常年同期偏低約20-25位勢什米。低渦的強烈發(fā)展，使得其周圍的氣壓梯度增大，從而加強了冷空氣的南下動力。低渦還通過其內(nèi)部的上升氣流，將高層的冷空氣向下輸送，進一步增強了冷空氣的強度。烏拉爾山阻塞高壓和中亞低渦的共同作用，使得冷空氣能夠源源不斷地向南侵襲中國南方地區(qū)。冷空氣的持續(xù)南下，對邊界層的熱力和動力條件產(chǎn)生了顯著影響。在熱力條件方面，冷空氣的侵入導(dǎo)致邊界層內(nèi)氣溫急劇下降，地面溫度長時間維持在0℃以下，為凍雨的形成提供了低溫基礎(chǔ)。在動力條件方面，冷空氣與南方的暖濕氣流相遇，形成了強烈的冷暖空氣交匯鋒面，促進了邊界層內(nèi)氣流的垂直上升運動，為水汽的凝結(jié)和凍雨的形成提供了動力支持。在湖南地區(qū)，由于烏拉爾山阻塞高壓和中亞低渦的影響，1月10-20日期間，冷空氣頻繁南下，邊界層內(nèi)的氣溫下降了8-10℃，地面平均溫度降至-2--3℃。冷暖空氣的強烈交匯，使得邊界層內(nèi)的風(fēng)速增大，風(fēng)向多變，垂直上升運動增強，水汽迅速凝結(jié)，導(dǎo)致凍雨天氣頻繁出現(xiàn)，冰層厚度不斷增加。在貴州地區(qū)，冷空氣的持續(xù)侵襲使得邊界層內(nèi)的逆溫層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和持久，逆溫層厚度增加了100-200米，逆溫強度增強了0.5-1.0℃/100米。這種穩(wěn)定的逆溫層結(jié)構(gòu)，為凍雨的持續(xù)形成和發(fā)展提供了有利的大氣層結(jié)條件。4.2.2副熱帶高壓與南支槽副熱帶高壓和南支槽的異?；顒釉?008年初中國南方凍雨天氣過程中對暖濕氣流的輸送起到了關(guān)鍵作用，與邊界層條件之間存在著緊密的聯(lián)系。西太平洋副熱帶高壓作為影響我國天氣氣候的重要大氣環(huán)流系統(tǒng)，在此次凍雨事件中表現(xiàn)出異常的位置和強度特征。2008年初，西太平洋副熱帶高壓脊線位置比常年同期偏南約2-3個緯度，其強度也較常年明顯偏強，588線（500百帕高度上588位勢什米等高線，常用于表征副熱帶高壓的強度和位置）西伸明顯，控制范圍擴大。副熱帶高壓的這種異常狀態(tài)，使得來自低緯度地區(qū)的暖濕氣流能夠沿著副熱帶高壓的西側(cè)邊緣，源源不斷地向北輸送到中國南方地區(qū)。暖濕氣流的大量輸送，為凍雨的形成提供了充足的水汽來源。在1月10-20日期間，受副熱帶高壓異常影響，從南海和西太平洋地區(qū)向中國南方輸送的水汽通量比常年同期增加了30%-40%。這些水汽在南方地區(qū)的邊界層內(nèi)聚集，使得邊界層內(nèi)的水汽含量顯著增加，為凍雨的形成創(chuàng)造了有利的水汽條件。南支槽作為中高緯度地區(qū)大氣環(huán)流的重要組成部分，其活動對暖濕氣流的輸送和凍雨的形成也有著重要影響。2008年初，南支槽異?；钴S，且強度較強。槽前的西南暖濕氣流強盛，將大量來自孟加拉灣和中南半島的水汽輸送到中國南方地區(qū)。在1月15-20日期間，南支槽槽前的水汽通量比常年同期增加了20%-30%。南支槽的活躍還使得南方地區(qū)的邊界層內(nèi)上升運動增強，進一步促進了水汽的抬升和凝結(jié)，為凍雨的形成提供了動力支持。副熱帶高壓和南支槽的異?；顒优c邊界層條件之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系。暖濕氣流的輸送使得邊界層內(nèi)的水汽含量增加，相對濕度增大，為凍雨的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。暖濕氣流與冷空氣在邊界層內(nèi)交匯，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的氣溫、濕度和風(fēng)場等氣象要素發(fā)生劇烈變化，形成了有利于凍雨形成的大氣層結(jié)條件。在貴州地區(qū)，由于副熱帶高壓和南支槽的共同影響，邊界層內(nèi)的水汽含量在1月10-20日期間增加了3-5克/立方米，相對濕度達到了85%-90%。冷暖空氣的交匯使得邊界層內(nèi)的逆溫層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，逆溫層厚度增加了100-150米，逆溫強度增強了0.5-0.8℃/100米，為凍雨的持續(xù)形成和發(fā)展提供了良好的條件。副熱帶高壓和南支槽的異常活動還會影響邊界層內(nèi)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。暖濕氣流的輸送使得邊界層內(nèi)的南風(fēng)分量增強，與冷空氣交匯時，形成了復(fù)雜的風(fēng)切變結(jié)構(gòu)。這種風(fēng)切變結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致邊界層內(nèi)的氣流產(chǎn)生垂直上升運動，進一步促進水汽的抬升和凝結(jié)，為凍雨的形成提供更多的降水粒子。在湖南地區(qū)，1月15-20日期間，邊界層內(nèi)的南風(fēng)風(fēng)速增大了2-3米/秒，風(fēng)切變增強，垂直上升運動明顯，使得凍雨天氣頻繁出現(xiàn)，強度增大。五、地形因素對邊界層的影響5.1地形對冷空氣的阻擋與堆積中國南方地區(qū)地形復(fù)雜多樣，山脈縱橫交錯，其中云貴高原和南嶺等地形對冷空氣的移動產(chǎn)生了顯著的阻擋作用，進而影響了凍雨天氣的形成和發(fā)展。云貴高原地處我國西南部，平均海拔在1000-2000米之間，地勢西高東低，山脈眾多，地形起伏較大。當(dāng)冷空氣自北向南移動時，遇到云貴高原這一天然屏障，冷空氣的前進速度明顯減緩，部分冷空氣在高原北部邊緣堆積。在2008年初的凍雨期間，冷空氣南下受到云貴高原的阻擋，在貴州北部地區(qū)形成了明顯的冷空氣堆積區(qū)。從1月10日開始，冷空氣不斷在貴州北部積聚，導(dǎo)致該地區(qū)的氣溫持續(xù)下降，地面溫度在1月15日就降至-3℃以下。冷空氣的堆積使得貴州北部地區(qū)的氣壓升高，形成了一個相對穩(wěn)定的冷高壓系統(tǒng)，進一步阻礙了冷空氣的南移，使得冷暖空氣在貴州地區(qū)長時間交匯，為凍雨的形成和持續(xù)提供了有利條件。南嶺位于我國南部，呈東西走向，是長江水系與珠江水系的分水嶺，平均海拔在1000米左右。南嶺對冷空氣的阻擋作用同樣十分顯著，它有效地削弱了冷空氣對嶺南地區(qū)的影響，使得嶺南和嶺北的氣候存在明顯差異。在2008年初凍雨期間，當(dāng)冷空氣南下到達南嶺時，大部分冷空氣被阻擋在南嶺以北地區(qū)。以湖南和廣東為例，在1月20日，湖南境內(nèi)大部分地區(qū)受冷空氣影響，地面溫度降至-2℃左右，而南嶺以南的廣東北部地區(qū)，地面溫度則相對較高，在3-5℃之間。這是因為南嶺的阻擋使得冷空氣在嶺北地區(qū)堆積，無法順利越過南嶺影響嶺南地區(qū)，導(dǎo)致嶺北地區(qū)氣溫較低，而嶺南地區(qū)受冷空氣影響較小，氣溫相對較高。這種地形對冷空氣的阻擋作用，使得冷暖空氣在南嶺附近交匯，為該地區(qū)凍雨的形成創(chuàng)造了條件。地形對冷空氣的阻擋和堆積還導(dǎo)致了邊界層內(nèi)氣溫和氣壓的變化。在冷空氣堆積區(qū)域，由于冷空氣密度較大，導(dǎo)致邊界層內(nèi)氣壓升高，氣溫降低。這種氣溫和氣壓的變化，進一步影響了邊界層內(nèi)的氣流運動和水汽分布。在貴州地區(qū)，冷空氣的堆積使得邊界層內(nèi)的氣壓升高，氣流下沉，水汽不易擴散，從而使得水汽在邊界層內(nèi)積聚，相對濕度增大，為凍雨的形成提供了充足的水汽條件。在南嶺地區(qū)，冷空氣在嶺北堆積，使得嶺北地區(qū)邊界層內(nèi)的氣溫降低，與嶺南地區(qū)形成了明顯的溫度梯度，導(dǎo)致冷暖空氣在南嶺附近交匯，形成了強烈的上升氣流，促進了水汽的抬升和凝結(jié)，為凍雨的形成提供了動力支持。5.2地形對暖濕氣流的抬升作用南方地區(qū)的山脈，如武夷山、雪峰山等，對暖濕氣流具有顯著的抬升作用，這種抬升作用在凍雨形成過程中扮演著至關(guān)重要的角色。武夷山位于福建與江西的交界處，呈東北-西南走向，平均海拔在1000-1500米之間。當(dāng)來自海洋的暖濕氣流，如從太平洋吹來的東南季風(fēng)，遇到武夷山時，暖濕氣流會受到山脈的阻擋，被迫沿山坡向上爬升。在爬升過程中，空氣因高度升高，氣壓降低，體積膨脹，對外做功，內(nèi)能減少，溫度隨之下降。根據(jù)大氣物理學(xué)原理，高度每升高100米，氣溫大約下降0.6℃。當(dāng)暖濕氣流上升到一定高度后，氣溫降至露點溫度以下，水汽開始凝結(jié)成小水滴或冰晶，形成云霧。如果暖濕氣流持續(xù)輸送，水汽不斷補充，這些小水滴或冰晶會逐漸增大，當(dāng)它們的重量超過空氣的浮力時，就會形成降水。在2008年初的凍雨期間，武夷山地區(qū)的暖濕氣流被強烈抬升，使得該地區(qū)的降水明顯增多。1月15-20日，受暖濕氣流和武夷山地形抬升的共同影響，福建武夷山附近地區(qū)的日降水量達到了20-30毫米，比同期平均值增加了50%-80%。這些降水在高空形成雨滴后，在下降過程中遇到近地面的低溫環(huán)境，容易形成過冷水滴，當(dāng)它們接觸到低溫物體表面時，便會迅速凍結(jié)，形成凍雨。雪峰山地處湖南中西部，呈東北-西南走向，海拔在1000-2000米之間。暖濕氣流在遇到雪峰山時同樣會被抬升。在凍雨發(fā)生期間，來自西南方向的暖濕氣流被雪峰山阻擋并抬升，導(dǎo)致氣流中的水汽大量凝結(jié)。在湖南懷化地區(qū)，由于雪峰山的地形抬升作用，1月18-22日期間，邊界層內(nèi)的水汽含量增加了3-5克/立方米，相對濕度達到了85%-90%。大量的水汽凝結(jié)形成降水，為凍雨的形成提供了充足的水源。這些降水在經(jīng)過逆溫層時，部分冰晶融化成雨滴，在近地面低溫環(huán)境下形成過冷水滴，進而形成凍雨。地形對暖濕氣流的抬升作用，使得邊界層內(nèi)的水汽凝結(jié)過程加劇，為凍雨的形成提供了豐富的降水粒子。在山脈迎風(fēng)坡，暖濕氣流的抬升作用更為明顯，降水強度更大，凍雨的發(fā)生頻率和強度也相對較高。在武夷山的迎風(fēng)坡，凍雨的持續(xù)時間比背風(fēng)坡長2-3天，冰層厚度也比背風(fēng)坡厚5-10毫米。這種地形對暖濕氣流的抬升作用，改變了邊界層內(nèi)的水汽分布和降水特征，是影響凍雨形成和分布的重要因素之一。六、邊界層條件的數(shù)值模擬驗證6.1數(shù)值模擬模型的選擇與設(shè)置為了深入驗證和進一步剖析2008年初中國南方凍雨天氣的邊界層條件，本研究選用了WeatherResearchandForecasting（WRF）中尺度氣象模式。WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）等多個機構(gòu)共同研發(fā)的新一代中尺度數(shù)值預(yù)報模式，在氣象研究和業(yè)務(wù)預(yù)報中應(yīng)用廣泛。其具有多重嵌套網(wǎng)格功能，能夠靈活地對不同尺度的天氣系統(tǒng)進行模擬，在處理復(fù)雜地形和邊界層過程方面表現(xiàn)出色，能夠較為準確地模擬邊界層內(nèi)的動力和熱力過程，這對于研究凍雨天氣中邊界層條件的變化十分關(guān)鍵。在模式設(shè)置方面，水平分辨率的確定至關(guān)重要?？紤]到凍雨天氣過程的復(fù)雜性以及邊界層內(nèi)氣象要素變化的精細程度，本研究設(shè)置了三重嵌套網(wǎng)格。最外層粗網(wǎng)格分辨率為27千米，能夠捕捉大尺度的大氣環(huán)流特征，為內(nèi)層網(wǎng)格提供較為準確的大尺度背景場；中間層網(wǎng)格分辨率為9千米，進一步細化對天氣系統(tǒng)的模擬，能夠較好地刻畫中尺度天氣系統(tǒng)的演變；最內(nèi)層細網(wǎng)格分辨率為3千米，重點關(guān)注凍雨發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域，能夠精確捕捉邊界層內(nèi)氣象要素的細微變化，尤其是對地形復(fù)雜區(qū)域的邊界層特征模擬更為準確。這種多重嵌套網(wǎng)格的設(shè)置，既保證了對大尺度環(huán)流的模擬精度，又能詳細地模擬凍雨發(fā)生區(qū)域的邊界層條件。垂直方向上，模式設(shè)置了50個不等距的σ坐標層，其中在邊界層內(nèi)加密，近地面層分辨率較高，能夠更準確地反映邊界層內(nèi)氣象要素的垂直分布和變化。在1000米以下的邊界層內(nèi)，設(shè)置了15-20個垂直層，以確保對邊界層內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)場等要素的垂直梯度變化進行精確模擬。這種垂直分層設(shè)置，能夠充分考慮到邊界層內(nèi)的熱力和動力過程，提高對凍雨形成過程中關(guān)鍵邊界層條件的模擬能力。模式的物理過程參數(shù)化方案對模擬結(jié)果的準確性也有著重要影響。在微物理過程方面，選用了WSM6雙參數(shù)方案，該方案能夠較為準確地描述云滴、雨滴、冰晶、雪晶等多種水凝物粒子的相互轉(zhuǎn)化過程，對于凍雨形成過程中水汽的相變和降水粒子的形成模擬具有較高的精度。在積云對流參數(shù)化方面，采用了Kain-Fritsch（KF）方案，該方案能夠合理地模擬積云對流的發(fā)生、發(fā)展和消散過程，有效地處理了凍雨天氣中可能出現(xiàn)的對流性降水，為凍雨的形成和發(fā)展提供了準確的水汽和能量輸送模擬。在邊界層參數(shù)化方面，選擇了YonseiUniversity（YSU）方案，該方案能夠較好地描述邊界層內(nèi)的湍流混合、熱量和動量交換等過程，準確地模擬邊界層內(nèi)的風(fēng)場、溫度場和濕度場的分布和變化，對于研究凍雨天氣中邊界層的動力和熱力特征具有重要意義。在長波輻射和短波輻射參數(shù)化方面，分別采用了RRTMG長波輻射方案和Dudhia短波輻射方案，這兩個方案能夠準確地模擬大氣與地面之間的輻射能量交換，考慮了云、水汽、氣溶膠等因素對輻射傳輸?shù)挠绊?，為邊界層?nèi)的能量平衡和溫度變化模擬提供了可靠的依據(jù)。6.2模擬結(jié)果與實際觀測對比分析將WRF模式的模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，能夠有效評估模式對2008年初南方凍雨天氣邊界層條件的模擬能力。在溫度模擬方面，對比地面溫度的模擬值與實際觀測值，發(fā)現(xiàn)兩者在整體變化趨勢上基本一致，但在部分時段和地區(qū)存在一定差異。以湖南長沙為例，在凍雨發(fā)生的1月15-20日期間，模擬的地面平均溫度為-1.8℃，而實際觀測的平均溫度為-1.5℃，模擬值略低于觀測值。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在1月17日，模擬的日最低溫度為-4.5℃，而實際觀測值為-4.0℃，模擬值與觀測值相差0.5℃。這種差異可能是由于模式對地表能量平衡過程的模擬存在一定誤差，以及實際觀測站點周圍的下墊面條件復(fù)雜，如城市熱島效應(yīng)等，導(dǎo)致模擬值與觀測值不完全吻合。在逆溫層模擬方面，模式能夠較好地捕捉到逆溫層的存在和大致高度范圍，但在逆溫層的厚度和強度模擬上存在一定偏差。在貴州地區(qū)，實際觀測的逆溫層厚度在300-500米之間，模擬的逆溫層厚度為250-450米，模擬值略小于觀測值。在逆溫強度方面，實際觀測的逆溫強度為3℃/100米，模擬的逆溫強度為2.5℃/100米。這可能是因為模式在處理邊界層內(nèi)的湍流混合和熱量交換過程時，存在一定的不確定性，導(dǎo)致對逆溫層結(jié)構(gòu)的模擬不夠準確。在濕度模擬方面，模式對水汽含量和相對濕度的模擬與實際觀測也存在一定差異。在湖南地區(qū)，模擬的邊界層內(nèi)水汽含量在7-9克/立方米之間，而實際觀測的水汽含量為8-10克/立方米，模擬值略低于觀測值。在相對濕度方面，模擬的相對濕度在80%-85%之間，實際觀測的相對濕度為85%-90%。這種差異可能是由于模式對水汽輸送和凝結(jié)過程的模擬存在誤差，以及實際觀測中水汽的來源和分布受到復(fù)雜地形和局地氣象條件的影響，導(dǎo)致模擬值與觀測值存在偏差。在風(fēng)場模擬方面，模式對水平風(fēng)場的風(fēng)向和風(fēng)速模擬在總體趨勢上與實際觀測相符，但在局部地區(qū)和時段存在一定波動。在江西地區(qū)，模擬的地面風(fēng)速在3-5米/秒之間，實際觀測的風(fēng)速為4-6米/秒，模擬值略小于觀測值。在風(fēng)向方面，模擬的風(fēng)向在部分時段與實際觀測存在一定偏差，這可能是由于模式對地形引起的氣流繞流和局地風(fēng)場的模擬不夠精細，導(dǎo)致風(fēng)場模擬存在誤差。綜合來看，WRF模式在模擬2008年