文摘

冰雨的气候特征和温度资料进行分析的基础上,在中国观测数据在从2000年到2015年在中国650个车站。中国的冻雨stripe-shape空间分布一般。车站与冰雨超过100 station-hours主要集中在中国西南和东南地区海拔较高的山区,中国东部。主要有两种类型的冻雨温度资料,包括single-warm-layer概要和double-warm-layer概要。冰雨的概要文件中国西南山区和城市地区相似,和中国中部和东部的冻雨股类似single-warm-layer概要文件。华南中的概要文件显示的特点,冰雨的形象在中国西南和中部/华东站的位置。PA冻雨的概要文件和NA负相关,相关系数从0.36−−0.70。弱冷/暖层的配置(小于150°C·hPa)是主要原因之一,造成频繁的冰雨在中国西南的山区。NA的变化越明显变化的PA,越可能出现冻雨。

1。介绍

冻雨基本上是一个沉淀的过程,液体的雨滴到达地面之前处于过冷状态,立即变成了冻结的雨滴,当他们接触对象小于0°C。冰雨更可能发生在初冬或冬天和春天之间的转折时期当寒湿气团的融合是频繁。冰冷的雨滴接触对象时,它将导致密度(0.8 - -0.9 g厘米⁻³)、困难、透明的冰层表面上的对象。冰雨是一种严重的灾难性天气,发生的频率相对较低。冰雨在山区可以严重影响正常运行的各种设施,如输电线路塔、通讯塔,和风力驱动发电机,甚至引起这些设施的损坏和崩溃(1- - - - - -3]。冰雨是自然灾害造成的事故66 kV及以上电压输电线路,其数量第二的雷电危害。从2005年到2012年,每年的架空线路事故引起的冻雨是725年。特别是2008年,交通事故的数量,如塔倒塌和线断裂,造成冻雨高达3169,造成不可估量的社会经济损失(4]。发生在城市地区的冻雨将导致冰层的形成表面上的人行道上,道路,高架桥,从而严重影响人们的日常旅游,生产、生活。2016年11月22日,冰雨的夜间发生在武汉和持续了几个小时,导致道路交通事故的一百多,关闭多个高方面,轮渡暂停,和交通控制和许多高架桥跨河大桥在白天的第二天,极大地影响人们的出差。

冰雨持续相对较短的时间,是不可能对冰雨的天数进行统计分析。因此,以前的研究主要集中在天的釉和霜的分布。釉和霜是广泛分布在中国。除了四川东部,云南大部分地区,广东南部,广西南部,海南ice-freezing几乎从未发生,中国其他地区都经历过釉和雾凇天气(5]。值得注意的是,釉几乎是在中国的南部,而结晶主要是在中国的北部。山区发生频率的釉和霜高于平原地区(6]。随着高度的增加,寒冷的天气是越来越严重7]。的日子ice-freezing、釉和霜在中国正在减少,而这些天气的强度增加,较厚的糖衣(8]。釉主要发生在贵州、湖南、江西、云南地区,等等,通常由于冻雨的出现,这是高等catastrophability和更难形成霜。然而,很少有统计研究冻雨持续很短的时间,但会导致严重的伤害。

通常有两种形成机制的冻雨:熔化过程和过冷暖雨过程。熔化过程可以被描述为,当有一个温暖层大于0°C躺在寒冷的空气,雪或冰晶体通过温暖层瀑布和融化成液滴。随后,液体滴失败近地表冷层,变成过冷状态,并立即冻结contacting-object表面。熔化过程主要发生在暖锋[9]。温暖的存在层大于0°C和逆温层熔化过程的主要特点10]。过冷暖雨过程是指,当没有温暖层大于0°C,过冷云滴的大小(直径大于40μ米)增加collision-coalescence,冰冷的细雨的形成的主要机制。过冷暖雨过程主要发生在高空或山区,这是主要原因之一飞机结冰(11,12]。霍夫曼和诺曼13]以及Bocchieri [14]的冰雨在美国进行了统计分析,指出,超过60%的冰冷的雨是由融化形成的过程。此外,“融化过程”普遍存在于冻雨过程观察到气象站主要位于平原地区(15];因此,冷与热层的分层特征共同决定的主要因素影响降水类型。0.5°C的变化可能会导致降水形式的转换(16,17],显示一点点改变温度会导致降水的变换形式。

在科学研究中,降水类型的判断通常是通过物理模型实现各种微观物理学的过程组成。然而,这样的方法主要为案例研究设计的,因为它需要大量的计算资源和花更多的时间,也很容易受当地环境。相比之下,判断降水类型的方法使用大气分层的主要特性概要总结历史数据获得的主要因素是冻雨的概要文件在各领域,拥有良好的当地的适用性,可以申请multifield气候操作服务。关于不同降水类型的分层特点,学者在北美的高频冻雨进行了许多研究。Derouin [18)确定降水类型基于冻结层高度。然而,这种方法没有考虑垂直分层分布。Cantin和巴尚德19]使用两层的平均温度在850 - 700 1000 - 850 hPa和hPa预测和考虑垂直运动强度和天气情况,尽管这类方法主要适用于加拿大东部和实用性较低的其他地区特别是山区。ram (20.)提出了以温度、相对湿度和湿球温度作为索引来确定不同的等压面降水类型。休斯顿和Changnon [21)指出,干球温度和露点温度的概要文件是为判断降水类型的关键因素。然而,这些方法可行性差由于低实用性研究不同区域,不清楚地说明不同的物理意义不同的温度集中降水粒子的影响。因此,我们的研究方法应用Bourgouin [22),相信各层的平均温度和降水粒子的停留时间在各层的主要因素是降水类型,和产品的两个指标可以作为预测判断降水类型。

以前的研究主要集中在分布的釉,霜,和气候特征在中国不同的省份23- - - - - -27),统计分析在整个中国是冻雨(相对较少5],研究分布规律,气候特征,定量判断冻雨少得多。关于这个问题,本文提出了一个全面和详细的分析空间分布,气候统计特征,和定量判断中国在各领域的冻雨,希望提供某些帮助气象和电力部门面临着冻雨灾害,提高objective-forecasting冻雨能力提供理论依据。

2。数据和方法

2.1。数据

受到的数据质量控制和到达率选择,包括测深数据收集从112年中国探空站在喂饲,20:00 BST以及地面气象要素数据(气压、温度、风向、风速、和天气现象)收集来自中国650站在02:00,凌晨,喂饲,11:00,14:00,17点,20:00 BST从2000年到2015年。56的天气现象代码24日,57岁的66年,或者67年代表目前冻雨出现在这个站(28),它将被表示为一个station-hour冰雨在以下分析。station-hour可能的应用识别短周期冻雨过程,准确位置时的时间点可能出现冻雨,和地面进行更好的研究气象因素和分层配置文件对应时刻的特征。

2.2。方法

如前所述,温度垂直剖面的主要决定因素是降水类型。当降水粒子经过不同温度集中,温度和阶段的降水粒子主要是受温度影响的温暖与寒冷层表面附近,以及相应的分层的停留时间。此外,粒子的停留时间可以间接反映分层厚度的分层,这是由气压的差异观察到两个海拔。这是由于降水粒子穿过温暖层时,它会吸收热量温度或增加甚至融化;虽然经过冷层,它将发出的热量来降低温度或甚至冻结。的吸收/释放热量由热/冷层的强度决定。温暖层的强度是指环绕这个概要文件的区域温度高于0°C和0°C等温线,也就是说,积极的能量区域(PA)。同样,在外环路冷层强度指的是配置文件与温度低于0°C和0°C等温线,也就是说,负能量区域(NA)。通过分析PA和NA的分布,这两个值之间的关系在中国不同地区的冻雨事件,定量判断方法可以提出了冻雨。

3所示。结果

3.1。冰雨的时空分布

3.1.1。空间分布

中国有广阔的领土与各种地形和气候特征在不同的地区。冰雨是受到这些因素的影响;中国分为7个地区包括中国西北、华北、东北、西南、华中、华东和华南根据常见的地理分区方法在我们的论文。图1显示了冻雨的空间分布在中国从2000年到2015年。7可以看出,所有地区有冻雨的发生,在冻雨更频繁的中国西南部,华中和华东地区。冰雨偶尔发生在中国西北,华北,东北,只出现在桂林(25°19′N, 110°18′E)和Hexian (24°25′N, 111°31′E)在华南北部边界的定位。冰雨的分布显示了一个在中国“strip-shaped”功能,这与温度的空间分布是一致的。三个地区的低温中国北部的冻雨不大可能发生,也过度高温的原因冻雨不会发生在南部中国南部的一部分。三个核心区域的冻雨事件是由于交换温暖和寒冷的空气质量,特别是对于周边地区26°N纬度。全中国有175个车站的冻雨,占总额的26.9%的观察。其中,有113个车站0 ~ 10 station-hours,主要分布在中国西北的西北地区,华北、东北南部地区,中国中部,中国东部和中部和北部地区;有37个站10 ~ 50 station-hours,主要分布在北部和南部地区中部和西南和华东地区的近中部;有10台50 ~ 100 station-hours,主要分布在南部地区和附近地区的中国中部; there are 10 stations with 100~300 station-hours, which mainly distribute at southeast areas of Southwest China and high-elevation mountainous areas (Mount Huang (30°8′N, 118°9′E) and Jinggang Mountains (26°35′N, 114°10′E)) of Eastern China; there are 4 stations with 300~500 station-hours, which are mainly distributed at southeast areas of Southwest China and high-elevation mountainous areas (Mount Lu (29°35′N, 115°59′E)) of Eastern China. Locating at altitude as high as 2236 m, Weining (26°52′N, 104°17′E) of Guizhou province observes the longest station-hours of freezing rain (1848 station-hours), which is significantly longer than that of the nearby stations.

值得注意的是,站超过100 station-hours主要集中在中部和南部地区的贵州(24°37′N-29°13′N, 103°36′E - 109°35′E),云南东南部地区(21°8′N-29°15′N, 97°31 11′′E - 106°E)邻近贵州和海拔较高的山区,如黄山、庐山和井冈山。冰雨的空间分布表明,该地区位于106°E经度和纬度26°N高发区域。气候条件和高海拔使贵州冻雨受影响最严重的省份。

3.1.2。时间分布

冰雨是少的气象灾害发生频率有很大影响。图2显示的变化从2000年到2015年在中国冻雨。冰雨的年变化station-hour特色的小波动,突然上升(图2(一个))。每年,大约300 station-hours冰雨是正常情况下的年际变化。2008年、2011年和2012年,冰雨的频率超过500 station-hours,值为1671,921,和510 station-hours,分别。的增强气候变化背景下,极端天气和危险事件增加(8],冰雨的变化范围在2008 - 2015年期间显著强于2000 - 2007。

通过进一步分析冻雨(图的日变化2 (b)),冰雨的出现频率最低的14时许当气温最高的一天,只有548 station-hours。随着时间的推移,冰雨的发生频率逐渐增加;特别是在午夜之后,气温较低和逆温层可能会发生在冬季导致冻雨的发生频率明显增加。冰雨是1278和1502的station-hours 02:00,凌晨,分别达到1619年的最高价值station-hours八点。冰雨的station-hours 20:00 ~喂饲的2.7倍在11点~ 17点。station-hours的日变化冻雨展出的分布规律”在夜间和白天,“类似于冰雨在北美的统计结果29日],它妨碍有关政府采取措施克服严重次生灾害,因此极大地影响人们的生产和生活。

3.2。冰雨的气象条件

图3显示了气象要素的统计特征在不同地区在冰雨的事件。冰雨发生时,空气温度在2米高度范围内−8 ~ 2°C,和平均温度大约是−1°C,这是在中国西北相对较低(−2.5°C),但在中国南方相对较高(0°C附近)。在中国西北和东北、温度分布范围是最大的,达到9°C,而温度的变化范围在其他领域大约是3.5°C。值得注意的是,在中国西南地区,中国中部和东部中国大station-hour冻雨,温度都低于1°C,和空气温度大于−3°C占近90%,这也是一个温度范围内,冰雨是可能发生在中国。

关于相对湿度,当发生冻雨范围明显大于在结晶过程。冰雨可能发生没有大气饱和或雾的发生,而冷/暖层的配置在中低水平更重要。在中国南方地区,相对湿度相对较小的平均值低于80%时发生了冻雨。然而,近75%的冻雨事件发生在相对湿度85%以上在其他领域。这是由于冻雨主要集中在山区的同时出现雾和雨在过冷状态是造成冰冻灾害的主要原因(30.,31日,过冷雾的发生占高相对湿度。风速相对集中在冰雨的事件。他们主要是在1 ~ 6米/秒,平均约为3 m / s近80%的冻雨事件。风向的变化规律。近80%的事件的冻雨,风从北东方向。主导风向北,东是二级主导风提供足够的水蒸汽发生冻雨,符合冻雨的特点在中国民航机场(32]。

3.3。冰雨的边界层特征

冰雨的形成不仅是由地表气象因素决定的,但更与温度的变化相关的配置文件(33]。一般来说,形成冰雨温暖的雨过冷机制形成的条件更加严格,雨滴的形成云滴的collision-coalescence通常发生在天空或山脉的顶部,在环境恶劣和几个电台(34]。这种类型的冻雨只占总量的6.1%观察冷冻降雨统计分析的研究。此外,正如整个气氛冷层在温暖的雨过冷形成的冻雨机制,pn结温度的匹配层次并不存在。所以这种类型的冻雨将不会在这一节中讨论。

图4显示平均大气温度的分布概况冻雨发生时在中国四个区域(中国西北、华北和东北不包括由于缺乏冻雨测深数据)。通过分析温度冻结在不同地区降雨资料,我们可以发现,尽管融化冰冷的雨,机制是占主导地位的形成机制仍有显著差异在位置和温暖层厚度在不同冻结降雨。主要有两种类型的冻雨温度资料,包括single-warm-layer概要和double-warm-layer概要。在double-warm-layer概要文件,是一种特殊的分层,温暖层存在于附近地面和高空。在此我们讨论不同类型的平均温度资料当冻雨发生在不同的地区和调查影响因素(位置、厚度和强度的冷/热层)阶段的降水粒子的状态。在中国西南,威宁和贵州省贵阳选为山区和城市的典型车站面积进行比较,分别。威宁观察最长的station-hours冻雨,显著长于附近的车站。贵阳有冻雨的第二大部分发生在威宁但最发生冻雨在中国的省会城市。其形象特征的分类的研究将有效地揭示之间的相似性和差异在典型的分层分布两个环境(城市和山区)在中国西南。

温度的冰雨在威宁可以分为4个类型:典型single-warm-layer概要文件与现有温暖层在680 hPa高度(59%)、single-warm-layer概要文件与现有温暖层在560 hPa高度(25%)、double-warm-layer概要文件(11%)与现有温暖层在靠近地面层和560 hPa高度(11%),和double-warm-layer概要文件与现有温暖层600 hPa高度和700 hPa (5%)。总之,从580 hPa - 700 hPa高度为暖层的位置在威宁地区可能出现冻雨。是主要的温度剖面威宁的冰雨和温暖的高度和强度层显示冻雨形象的典型特征(35- - - - - -38]。和相同的厚度,这是65 hPa,但有非常不同的强度。温暖的层表现较低的高度和强度较弱,最高温度只有1.3°C,这是远远低于最高温度(3.1°C)。此外,厚度和强度冷层都低于明显冷层,冷层的最低温度是−2.5°C和−4.9°C,分别。这表明当冷层厚和强大,温暖层的厚度和强度需要增加降水粒子达到过冷状态。类似于但薄层与温暖 ,这表明这两个层600 hPa冷暖温暖层两层造成过冷沉淀颗粒的形成,随着降水粒子的“正能量”,促进固体降水粒子的熔化过程,弥补不足的“正能量”降水粒子由于薄暖层的厚度39,40]。4中类型的配置文件,有厚的和最温暖的层。冰雨的形成主要是由于完全融化的更坚实的雨滴,的补充足够的“正能量”的影响下(41]。

三种类型的冻雨概要文件在贵阳,靠近地面的温暖层定位在大约740 hPa高度。(84%)是主要的温度曲线在贵阳的出现冻雨,温暖层的最高温度是1.4°C,和温暖的层的厚度大约是90 hPa,类似于典型的温度曲线的冰雨在山区。然而,城市冻雨的分层分布更普通,和典型的冻雨的发生比例配置文件是84%,远高于价值在山区(59%)。具有相似的分布和最温暖的层在贵阳三种配置文件中。靠近地面的热层的强度最低,多温暖的薄层的存在在530 hPa ~ 650 hPa高度可以提供足够的“正能量”固体降水粒子的融化42]。

在中国中部和东部,冰雨是由类似single-warm-layer格式化配置文件(和),温暖层位于760 hPa和780 hPa高度,厚度110 hPa和130 hPa,最高温度是2°C和4.5°C,分别。同样,这两个地区的冷层的厚度都是210 hPa,而最低温度−5.1°C和−6.2°C,分别。这两个地区的温暖和寒冷的层都比那些中国西南部,没有发生冻雨的多个温暖层配置文件。在中国南部,那里不仅是single-warm-layer概要文件(69%),而且double-warm-layers概要文件(31%)包括靠近地面的热层。这可能是由于站的位置与冰雨事件。这些站主要定位在中国南方的北边界,靠近西南部,中部、东部和中国,分享一些冻雨在这三个地区的剖面特征。展示一些冻雨的特点在中国中部和东部,在温暖和寒冷的层都是厚的,显示类似的特征冻雨的概要文件在中国西南部,与double-warm层的存在。

3.4。Quantitative-Judgment冻雨的方法

平均气温资料的比较分析不同区域的冻雨以上部分,我们定性说明暖和/冷层的分布导致冻雨,发现有一些关系在热/冷层的厚度和强度在冰雨的事件。因此,我们进行了考评的值的比较分析和NA在不同地区获得温暖和寒冷的层之间的定量关系有利于冻雨的发生。

图5介绍了分布和考评的关系和NA在冻雨事件在中国的不同地区。温暖冰冷的雨事件与多个层,当降水粒子穿过温暖温暖层之间的层和冷层,加热/冷却过程是一个累积的过程。此外,上述定性分析的部分,我们可以看到的影响多温暖层阶段降水粒子的状态。因此,累计计算法的PA和NA冻雨概要文件与多个温暖层。一般来说,冰雨概要文件的PA与NA负相关,相关系数从0.36−−0.70和拟合曲线的斜率从−0.26−0.61,和曲线的截距是10²秩序。值得注意的是,PA的增加,NA将减少在冰雨的事件,这并不符合理论角度:如果巴勒斯坦权力机构增加,NA还需要增加保证PA和NA之间的关系不会改变的发生冻雨。这种现象的出现主要是因为warm-layer区域的增加将压缩领域的冷层在实际大气中,这通常发生在这个过程中当冷空气进入暖气团深(43,44]。

此外,它还可以说明NA的下降速度是最快的PA中国西南部和中部的增加影响最为严重冻雨,斜率的绝对值超过0.5,虽然NA的减少速度相对较慢的在中国东部和南部冻雨灾害是第二严重的影响,与斜率的绝对值从0.3到0.4不等。中国西北、华北和东北很少受冻雨,NA的下降率是最小的。这表明地区遭受冻雨,越频繁越敏感的PA和NA之间的影响。NA的变化越明显变化的PA,越可能出现冻雨。

PA和NA冰雨事件的分布在不同地区的调查如下。在中国西南山区,PA和NA的分布可分为两种类型:PA和NA都小于150°C·hPa和PA或NA大于150°C·hPa。中国西南的山区是唯一的地方冻雨经常发生在热/冷的薄层。这样的配置通常暖和/冷层发生弱天气系统的影响下或在冷锋的边缘。相对宽松的条件是导致的原因之一在这个地区频繁发生的冻雨。当PA和NA都小于150°C·hPa,温暖和寒冷的配置层满足公式 ,他们都是大于20°C·hPa,冻雨将会发生。然而,当PA或NA大于150°C·hPa,温暖和寒冷的配置层满足公式 ,他们都是小于1000°C·hPa,冻雨将会发生。爸和NA的范围在这个领域比其他地区最大的冻雨时发生。这进一步表明,这样的配置弱冷和热层是主要原因之一,造成频繁的冰雨在中国西南的山区。此外,PA和NA的分布在市区是类似于在中国西南的山区。PA和NA不会小的值由于城市热岛的影响在冻雨事件(45]。当PA或NA大于150°C·hPa暖和/冷层的配置满足的公式 ,PA和NA定位的范围0 ~ 600°C·hPa和100 ~ 1000°C·hPa,分别。当冻雨发生在中国中部和东部,PA位于的范围0 ~ 900°C·hPa和0 ~ 600°C·hPa和NA位于300 ~ 1200°C·hPa的范围和450 ~ 1000°C·hPa的公式 和 ,分别。在中国南方,PA和NA的冻雨满足公式 的范围,主要集中在100 ~ 1200°C·hPa和300 ~ 8000°C·hPa,显著小于其他地区,表明分层配置的条件在中国南方冻雨的发生相对较严格。冰雨是一种罕见的事件西北部,北和东北;因此,分布的分析PA和NA不进行了。

4所示。结论

(1)会发生冻雨总7在中国地区。其中,西南、中部和东部中国遭受冻雨。中国的冻雨通常在stripe-shape空间分布,在该地区(106°E, 26°N)最常见的冻雨。冰雨的站号所观察到的占总数的26.9%,与0 ~ 10 station-hours占64.6%的电台,冰雨可以观察到的地方。车站与冰雨超过100 station-hours主要集中在东南地区的西南和华东地区海拔较高的山区。贵州省威宁的最频繁发生的冻雨,1848 station-hours。

(2)变异冻雨station-hour的突然崛起的小波动、和冻雨的变化在2008年- 2015年期间显著强于2000 - 2007。冰雨的日变化station-hour遵循的法则”在白天多在夜间少。“冰雨的频率已是最低的,虽然它在喂饲达到最高的价值。冰雨的station-hour 20:00 ~喂饲的2.7倍,在11点~ 17点。温度范围从−3比1°C,相对湿度从85%到100%不等,风速范围从1到6米⁻¹,风从北东方向;这些有利条件的发生冻雨。

(3)冻雨的温度曲线可分为两种类型,包括single-warm-layer概要和double-warm-layer概要,存在两个温暖层在高空或一个高空和其他表面附近。单在西南山区暖层的高度是最高的,这是大约560 hPa,而单一的温暖层的高度一般在750 hPa在其他地区。他们两个之间的温暖层和冷层造成过冷雨滴的形成。西南山区的冻雨概要和市区是相似;然而,冰雨概要文件在城市区域的分布规律比较常规,84%的冻雨事件会议single-warm-layer概要文件类型的特点。冰雨股票类似的温度曲线在中国中部和东部,它都是表现为典型的single-warm-layer概要文件,和温度曲线在中国南方是类似于西南和中部/中国东部,即表现为典型的single-warm-layer概要和double-warm-layer概要。

(4)PA与NA负相关,相关系数从0.36−−0.70,拟合曲线斜率的变化范围从0.26−−0.61,和曲线的截距是10²秩序。更严重的地区遭受冻雨,PA和NA之间的影响更敏感。越明显的调整NA PA的变化是,越可能出现冻雨。中国西南的山区是唯一的地方冻雨发生在热/冷的薄层(PA和NA都低于150°C·hPa)。宽松的条件可能会导致频繁的主要原因发生冻雨在这个区域,而分层配置的发生在中国南方冻雨严格。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号41505121,41375138,41375138,41375137),和湖北省自然科学基金(2016 cfb347)。