我国南方冻雨的云物理形成机理研究

在2008年1月我国南方出现的历史上罕见的冰冻灾害中冻雨起着关键作用，但对冻雨形成的物理过程仍然不清楚，有必要从云物理的角度研究冻雨形成机理。本项目针对此次冰冻天气，利用含有详细微物理过程的高分辨率中尺度模式的数值模拟，结合地面、高空、卫星、雷达等观测资料分析，研究冻雨云系中冻雨区大气温湿层结特征、云的宏微观结构，分析冻雨形成的物理过程及云物理机制，提出反映云系中冻雨区宏微观结构特征和冻雨形成的环境条件的云的概念模型。

2008年初我国南方出现的历史罕见冰冻灾害中冻雨起着关键作用，但对冻雨形成的物理过程仍不清楚，有必要从云物理的角度研究冻雨形成机理。本项目针对2008年初南方罕见的四次冰冻天气及2009～2010年典型南方冰冻天气，利用含有详细微物理过程的中尺度模式的数值模拟，结合地面、高空、卫星、雷达等观测资料分析，研究了冻雨云系中冻雨区大气层结特征、云的宏微观结构，分析冻雨形成的物理过程及云物理机制，提出了反映云系中冻雨区宏微观结构特征和冻雨形成的环境条件的云概念模型。结果表明，（1）逆温层的存在是冻雨发生的必要条件，低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关。冻雨的发生还与水汽、风向风速、地面特征有关。（2）冻雨形成需要满足三个主要的大气层结条件: 在对流层中高层存在冻结层, 冻结层下要有暖层和逆温层, 近地层有一个温度在0 ℃以下的冷却层，并且低层的冷却层相对湿度比较高。中高层冻结层主要产生冰相降水粒子，中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水。这样，雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴，当过冷却雨滴接触到0℃以下的地面或者其他物体表面时，迅速冻结形成冻雨。（3）不同冻雨区上空存在两种不同类型的云，对应云中有两种明显不同的温度层结：混合相云中的“冷－暖－冷”层结和水云中的“暖－冷”层结。具有两种不同层结特征的不同冻雨区云系，对应两种不同的微物理结构，具有两种不同的冻雨形成的云物理机制。第一类为混合相云中的冰相降水粒子经过“冷-暖-冷”层结，主要通过“冰相融化机制”形成冻雨。云顶温度较低，在云发展过程中，高空冷层中产生冰晶、雪和霰；雪和霰从高空落入暖层，融化后形成雨滴；雨滴继续下落到近地面冷却层成为过冷雨滴；最终过冷雨滴接触温度低于0℃的地面，快速冻结形成冻雨。第二类为水云中的液态降水粒子经过“暖-冷”层结，主要通过“暖雨机制”形成冻雨。云顶温度较高，冰相降水过程基本不起作用，在对流层中低层的水汽辐合中心内，经过冷却凝结成云滴，通过云滴碰并形成的雨滴下落到低空冷层，形成的过冷却雨滴直接冻结，形成冻雨。（4）同一类天气系统中不同冻雨区，可以存在不同的云中温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的云物理机制；不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区，即冻雨区云中的温度层结、云微物理结构和冻雨形成的云物理机制都相同。