解读冻雨、雨凇和雾凇
来源:中国气象报社   发布时间:2008-02-19
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  期,我国南方数省发生了严重的持续性冰冻灾害,在对这种特殊的气象现象形成过程的解释中,比较多的强调了逆温层的作用,而忽视了过冷却水瞬间冰晶化(冻结)与地面物体温度和丰富的过冷却水层温度配置的关系。

  雨凇与雾凇形成的条件非常苛刻,一般只能形成在气温为0℃到10℃的雨、雾天气中。由于大气中凝结核较为充足而冻结核常常短缺,受曲率约束飘浮在空中的雾滴和下落的雨滴常可低至-40℃也不冻结,称为过冷却雾滴与过冷却雨滴,通称为过冷却水,两者的区别仅仅在于过冷却水滴的大小不同,雾滴的大小在3~100微米之间,而雨滴的大小介乎于0.1~8毫米之间。虽然它们在大气中可以保持液态,一旦接触到温度低于零度的任何物体,就会在其上迅速冻结,形成千姿百态的凇结体,并迎风生长;又因为冻结的水量多寡、方式不同,因而雾凇和雨凇形成的色泽、形态各异。但雾凇和雨凇常常同时发生或交替出现,对供电线路造成极大伤害,形成严重的气象灾害。

  现代气象学对冻结现象的观测始于十九世纪六十年代,当时仅仅观测雾凇和雨凇(也曾称为雨冰),而后逐渐对物体上的冻结现象霜、雾凇、雨凇等进行定量观测。

  雾凇可分为两种,晶状雾凇是过冷却雾滴在温度低于0℃的物体迎风面撞冻而形成的,呈半透明毛玻璃状,密度比较大,形成时风速较大;粒状雾凇是由于冰面与水面的饱和水汽压差,使得过冷却雾滴蒸发,雾凇凝华增长而形成的,呈乳白色松脆粒状起伏,密度比较小,形成时风速不大。过冷却水比较充足一般形成晶状雾凇,过冷却水比较少一般形成粒状雾凇。

  雨凇是过冷却雨滴或毛毛雨滴在温度低于0℃的物体上撞冻而形成的,在物体任何表面均可形成,雨量不大时在迎风面增长较快,雨量较大时反而在背风面快速增长,风速较大时有一定交角,呈透明玻璃状或半透明毛玻璃状,坚硬光滑或略有隆突,密度很大。

  这次我国南方数省发生的严重持续性冰冻灾害,雨凇和晶状雾凇混合积冰是其成灾的主要原因,冻雨在短时间内大量过冷却水撞冻形成的雨凇,与过冷雾滴长时间的撞冻形成的雾凇交替出现,在物体,尤其是输电线路和塔架上形成了复合积冰,导致了建国以来最严重的冰冻灾害。

  关于雨凇和雾凇复合积冰的成因,最关键的有两点:一是下垫面物体温度低于0℃(0℃至-10℃),二是低空(3000米以下)有丰富的过冷却水,气层温度主要在0℃至-15℃,有丰富的凝结核和水汽供应,而缺乏冻结核(成冰核)。雨滴在下落时温度一般比环境温度低2℃~4℃,由于曲率约束,可低至零下40℃而保持液态,一旦碰到有冻结核,或者落在曲率减小的表面,可以瞬间冻结,而形成雨凇和雾凇,这是典型的云降水物理理论中的成冰过程。也是人工影响天气技术中冷云催化的理论基础。

  影响积冰强度的两个主要因子是大气中过冷却水的含量和输送过冷却水滴的速度—风速(对雾凇而言),其次还涉及物体对过冷却水滴的捕获系数和冻结系数。

  逆温层是锋区、锋面等典型层状云降水普遍存在的低空层结,不是一定发生冻雨的充分条件,只要近地层(3000米以下)有丰富的过冷却水,气层温度在0℃至-15℃之间,有丰富的凝结核和水汽供应,而缺乏冻结核(成冰核)就可以形成冻雨,这时大气层结是湿饱和递减的,还是等温的,乃至于存在逆温层,都能形成冻雨。

  冻雨的形成,只能是在1000米至3000米的云层中含有丰富的过冷却水,通过国内大量观测,通常在典型降水性层状云中0℃至-10℃层有丰富的过冷却水,大量的过冷却水才能形成冻雨,进而撞冻到物体上形成雨凇。这次我国南方数省发生的严重持续性冰冻灾害持续这么长时间,如果需要苛刻的暖锋逆温层条件(我国这次黔、桂、湘、赣等地区的冻雨不是暖锋影响的),很难维持10多天,而在大环流天气背景稳定的条件下,经常有过冷却水丰富的过冷云过境产生冻雨形成雨凇,才有可能,尤其是这次过程覆冰量这么大,也说明必须有大量的过冷却水才行。 (来源于2008年2月19日《中国气象报》作者:吴兑)