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Scientific Journal of Earth Science Month 2013, Volume *, Issue *, PP.11-18

Study on the Reason of Freezing Rain and Snow

Storm Disaster over Middle and Lower Reaches

of Yangtze River and South China during 2008 Yanyan Xu

1, Jiahua Zhang

#1, Liping Li

2, Hai Zhi

2

1. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China

2. The Department of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 21044, China

Abstract

Freezing rain is a weather phenomenon in early winter or end of winter/ beginning of spring. When strong cold air southward

confronts with a warm and moist air, cold air inserts below the warm air, and near-surface air temperatures declines abruptly to

below 0 ° C (but not too low), warm and moist air is upraised and give rise to rain or snow. In mid-January to early February 2008,

large-scale of middle and lower reaches of Yangtze River and South China region experienced a process of continuous rain and

snow. In this paper, after analyzing physical fields of the second process, there are several reasons for the formation of freezing

rain disaster are found: (1) The basic condition for freezing rain occurrence: provision of water vapor. (2) An important condition

for freezing rain occurrence: the strong upward motion. (3) The favorable conditions for freezing rain occurrence: the conditions

of the existence of temperature inversion, and warm with the nose and is conducive to the emergence of freezing rain. (4) The

supplement condition for freezing rain occurrence: moisture atmosphere frontogenesis. Because of cloud physics, micro-

meteorology and many other effects of the distribution of freezing rain with some areas of local nature, and therefore, accurate

prediction of its need for more research.

Keywords: Snow Disaster; Freezing Rain; Physical Field; Temperature Inversion Layer; Middle and Lower Reaches of Yangtze

River and South China

2008年长江中下游及华南冰雪冻雨灾害成因分析* 徐岩岩 1，张佳华 1，李丽平 2，智海 2

1.中国气象科学研究院，北京 100081

2.南京信息工程大学 大气科学系，江苏 南京 210044

摘 要：2008 年 1 月中旬至 2 月初，我国长江中下游及华南地区出现大范围持续性雨雪天气过程。本文通过对第二次过

程 1 月 18～21 日物理场的研究，分析得出了此次冻雨灾害形成的几个重要条件：(1) 冻雨出现的基础条件：充足的水汽。

（2）冻雨出现的重要条件：强烈的上升运动。（3）冻雨出现的有利条件：条件存在逆温层，并有暖鼻的配合，有利于冻

雨的出现。（4）冻雨出现的补充条件：湿大气锋生过程。由于涉及云物理、微气象学等诸多影响，冻雨区的分布带有一

定的局地性特征，因而，对其精确预报尚需作更多的研究。

关键词：冰雪灾害；冻雨；物理场；逆温层；长江中下游及华南

引言

2008 年 1 月中旬至 2 月初，我国长江中下游及华南地区出现 50 年一遇（部分地区百年一遇）的大范围

*基金项目：全球变化研究国家重大科学研究计划课题(No.2010CB951302); 公益类行业(气象)专项(GYHY201106027)，中国气象

科学研究院创新经费资助.

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持续低温雨雪冰冻灾害天气[1]。1 月 10 日～2 月 2 日，豫、鄂、湘、桂、黔及陕甘宁等地的气温比常年偏低

4℃以上，为历史同期最低值。江淮流域及西北大部的降水量较常年同期偏多 2 倍多。这次持续性低温雨雪

冰冻灾害性天气对春运期间的公路、铁路和航空交通运输以及能源供应、电力传输、通讯设施农业和人民群

众生活造成了严重影响和损失，其中湖南、安徽、江西、广西和贵州等省受灾最为严重[2]。冻雨是初冬或冬

末春初时的一种天气现象。当较强冷空气南下遇到暖湿气流时，冷空气像楔子一样插入暖空气下方，近地面

气温骤降至 0℃以下（但又不能太低），暖湿空气被抬升，成云致雨，甚至成雪花。而雪花落下经暖层被融化

（或低层毛毛雨直接落下），再至地表，由于其上气温低而再冻结成冰[3]。我国冻雨在冬季多有发生。

近百年来，国外对冻雨天气及其形成机理有较多的研究，在 20 世纪初即有学者注意到了冻雨天气并对

其进行了研究[4]。Stewart 等(1992)[5]对冬季的降雨类型及其形成条件进行了研究，分析了过渡带不同降水形

态形成的机理，并给出了过渡带降水形态分布的结构模型。美国学者对凝冻天气有较细致的划分，分为冻毛

毛雨(Freezing drizzle)、冻雨(Freezing rain)和小冰粒(Ice pellet)，对每类降水的形成天气条件和机理进行了较系

统研究[6,7]，Berstein(2000)[8]对美国冻雨的分布和其发生条件进行了总结，指出地形和水汽对冻雨的形成有关

键作用，在冻雨的预报中应考虑天气系统、局地因素、过冷却水的厚度和层结廓线等。Rauber 等[9]对冬季产

生冻雨的天气尺度系统和中尺度系统也进行了分析和模拟研究，这些研究中采用中尺度数值模式可在一定程

度上模拟出冻雨。国外的冻雨天气研究中，主要考虑欧美的锋面气旋模型，尤其强调暖锋和输送带的作用，

这对于我国的冻雨，尤其是像 2008 年这样持续性的冻雨难于完全适用[10]。

2008 年初的长江流域及华南暴雪、冻雨灾害天气，大约始于 1 月 10 日，而于 2 月 2 日结束，其间又分

为 4 次天气过程：即 1 月 10～16 日，降水主要为长江中游地区；1 月 18～21 日，强降水中心位于长江中下

游地区；1 月 25～29 日，强降水中心位于华南—长江流域一带；1 月 31 日～2 月 2 日，强降水中心主要集中

于江南。其中影响最大的为第二和第三阶段。本文主要通过对第二阶段水汽条件、垂直运动条件、温度垂直

分布等物理场特征分析，讨论冻雨灾害的成因。

1 资料和方法

本文利用中国气象局气象信息中心 2008 年全国一月份的逐日 500hPa、850hPa 的风场，T-Td（露点温度

差）的 Micaps 资料，以及 NCEP/NCAR 的逐日各层的温度场资料。在天气学中一般通过 ω 方程判断垂直运

动，对 L＜3000km 在 ω 方程中 ω 以涡度平流随高度变化项 [ ( )]g gV fz

为主。当涡度平流随高度变化

项随高度增加或随气压减小时，有上升运动 ω＜0；当涡度平流随高度减小或随气压增加时，有下沉运动 ω＜0[11]。

2 结果分析

2008 年 1 月 18～21 日为第二阶段雨雪、冰冻天气。这一阶段雨雪天气主要出现在长江流域和中部地

区，且出现了严重的冻雨，使灾情大大加重。一般降雨产生的条件有上升运动、水汽条件，但冻雨又不同

于一般降雨。冻雨降至地面会再冻结成冰，这就要求逆温层的存在。本文通过第二阶段冻雨过程物理场体

分析这些条件。

2.1 水汽条件

T-Td（露点温度差）能反映大气的干湿程度。 图 1a～1d 给出了 1 月 18～21 日 850hPa 的 T-Td 的图像，

一般认为只要 T-Td＜ 4℃就可认为水汽含量大。1 月 18～21 日是一次完整的雨雪天气过程，由图 1a 可以明

显的看出在起始阶段长江中下游以及中部省份的 T-Td＜4℃，较为湿润，山东半岛和河南、安徽等地的 T-Td

甚至＜2℃，而全国其他地方 T-Td＞4℃，东北一些地区甚至＞20℃，较为干燥。由图 1b 可以看出除东北和

华北以及山东半岛外，全国大部分地区 T-Td＜4℃，水汽含量进一步增加。在图 1c 中，湿区范围进一步扩大，

只剩下东北地区 T-Td＞4℃，吉林等地 T-Td 甚至达到 20℃全国其他地方都为明显的湿区。在图 1d 中全国 T-Td

的值突然变大，尤其是长江中下游和中部地区，这些地区 T-Td 普遍＞12℃，长江中下游一些地方甚至达到了

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32℃，说明水汽含量急剧下降。

(a)18 日；(b)19 日；(c)20 日；(d)21 日

图 1 2008 年 1 月 18～21 日 850hPa 的 T-Td；单位:℃，等值线间隔:4

由上面的分析可以看出在雨雪冰冻灾害的爆发前期会有充足的水汽，为大范围雨雪冰冻灾害的爆发奠定

基础，如图 1a 所示，长江中下游以及中部地区都有较充足的水汽。随着大范围雨雪天气的爆发，通过大气环

流会有源源不断的水汽向发生雨雪天气的地区输送，以保持这些地区水汽的充足，使大范围雨雪天气过程能

(a)

(b)

(c)

(d)

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够持续，如图 1b 和 1c，在这两幅图中雨雪天气的集中地区长江中下游以及中部地区 T-Td＜4℃，都保持着较

高的水。在雨雪天气的末期，由于水汽都通过雨雪等形式降落到地面，大气中水汽含量会急剧下降，在图 1d

中，长江中下游以及中部地区 T-Td＞12℃，水汽含量急剧下降，这一雨雪天气过程同时也宣告结束。

2.2 上升运动

图 2a～2d 是 2008 年 1 月 18～21 日 850hPa 的地转涡度平流图，图 3a～3d 是 1 月 18～21 日 500hPa 的地

转涡度平流图。在图 2a 中，长江中下游的广大地区、中部省份以及华南地区为正的涡度平流，且其值小于

10；在 500hPa 即图 3a 中长江中下游地区及华南地区为负的涡度平流，且在浙江东部沿海有个负低值中心，

中心值为-30。随着过程的发展，在图 2b 中，长江中下游地区和华南地区逐渐发展为负的涡度平流，而图 3b

中，除了浙江大部和福建的一部分地区为正的涡度平流，长江中下游地区和华南都为负的涡度平流。到了 20

日，过程发展到成熟阶段，在图 2c 中除了湖南和贵州的少部分地区外，南方大部分地区涡度平流为负值，而

到了高层在图 3c 中南方大部分地区涡度平流为正值。到了 21 日，雨雪灾害过程逐渐减弱，低层如图 2d 所示，

长江中下游以及华南大部分地区又发展为正的涡度平流；到了高层如图 3d 所示，南方大部分地区除了湖南、

江西的少部分地区外都为负的涡度平流，有些地区甚至达到了-50 的低值，涡度平流随高度变化不大甚至减

小，上升运动逐渐减弱。

(a)

(b)

(c)

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(a)18 日；(b)19 日；(c)20 日；(d)21 日

图 2 2008 年 1 月 18～21 日 850hPa 的地转涡度平流；单位 10-7 km/s2

根据 ω 方程，垂直速度与涡度平流随高度变化项 [ ( )]g gV fz

有关。当涡度平流随高度变化项随

高度增加或随气压减小时，有上升运动 ω＜0；当涡度平流随高度减小或随气压增加时，有下沉运动 ω＜0。

在雨雪天气过程的初始阶段即 18 日，如图 2a 和 3a 所示在长江中下游和中部省份低层为负的涡度平流，而高

层为正的涡度平流，涡度平流随着高度变化项随高度增加，有上升运动，在充足的水汽条件下，雨雪天气逐

渐发生。随着雨雪天气的发展，等到了 20 日，如图 2c 和 3c 所示，在长江中下游和中部省份涡度平流明显随

高度增加，上升运动发展到最大，雨雪天气也达到最强。等到 21 日，如图 2d 和图 3d 所示，在长江中下游

和中部省份涡度平流明显随高度减小，上升运动明显减弱，雨雪天气过程也临近尾声。

尽管水汽是决定降水量的基本因子，但在许多情况下并非最重要因子。特别是在强烈的雨雪天气过程，

低层水汽大致为 10-20kg，变化只不过一倍。然而上升速度可以从 0.01cm/s 到 1000cm/s，呈数万倍地变化。

它不仅可以使下层未饱和空气抬升冷却达到饱和，而且可以触发中小尺度系统，把低层有的或从周围辐合来

的水汽输送到大气上层。如图 1b 和 1c 所示，全国大部分都有充足的水汽，但雨雪冰冻天气只发生在长江中

下游和中部省份，就是因为这些地区有强烈的上升运动，而全国其他地方没有明显的上升运动，因此就没有

发生雨雪天气，由此可见垂直运动是产生雨雪天气的非常重要的因子。

(d)

(a)

(b)

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(a)18 日；(b)19 日；(c)20 日；(d)21 日

图 3 2008 年 1 月 18～21 日 500hPa 的地转涡度平流；单位 10-7km/s2

2.3 逆温层和地面温度特征

在水汽含量充足和有剧烈的上升运动，冻雨有可能发生，但不是绝对的。因为冻雨的出现还涉及到诸多

的其他条件，如逆温层和近地面层温度等。我们注意到此次冻雨过程主要发生在贵州、湖南等，这能否从资

料分析中找到一定的答案。分析表明：除了大尺度与天气尺度的有利环境外，温度廓线的垂直分布和近地面

温度的特征有重要影响，且十分敏感[12]。

(c)

(d)

(a)

(b)

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(a)18 日；(b)19 日；(c)20 日；(d)21 日

图 4 2008 年 1 月 18～21 日沿 27.5°N 的垂直温度廓线；单位: ℃，等值线间隔: 1

地面温度是冻雨形成的一个非常敏感的参数。冻雨发生时地面温度一般为 0～3℃，如图 4b 和图 4c 所示。

如果地面温度太低，表明其相关的低层冷空气垫的气温偏低，以至于落入低层中的过冷却水滴过早地凝结，

并再次以固态降水的形式到达地面，反而不利于地面冻雨的出现。这也许是为何地面温度不是越低越有利于

冻雨形成的原因[9]。

除了地面条件，对流层中下层的层结条件对冻雨的形成也非常重要。我们仍以第二次过程为例，在图 4c

和图 4d 中，对流层低层浅薄的冷空气层上，均有一逆温层存在，此逆温层的存在至关重要，即当对流层中

层的雪花下落至该逆温层时，即开始融化成为云水或雨水，而当液态水再向下落入近地面的冷气层时，特别

是到达地面和地物之上时，如地面温度低于 0℃，则可使过冷却水滴再次冻结，而出现冻雨。产生冻雨时不

但要有逆温层而且暖鼻非常清楚，所谓暖鼻即是温度廓线上＞0℃的那部分暖区，但该暖区也不可太高太厚，

否则也不利于冻雨的形成。另外，如逆温层所在的高度太高暖层太高，也难出现冻雨，大量的过冷却水存在

于空中，可能反而会对飞机的航行构成威胁，出现飞机结冰等重大事故。

不同类型的降水对地面或地物的温度非常敏感，冻雨区见于低于 0℃处，以及出现冻雨时的温度垂直廓

线，多数应有逆温层存在，且有适当高度与厚度的暖层（高于 0℃的区域）相配合，近地面冷层不可太厚等。

2.4 湿大气锋生和雨雪过程

这次雨雪冰冻天气实际上也是一次湿大气锋生过程。从 1 月 13 日开始，锋面和雨雪天气才向南移动到

沿江-江南地区（图略），而在 1 月 15-18 日雨雪强度呈现减弱趋势，并且锋区位置于 1 月 17 日南移到华南

沿海。1 月 18 日开始雨雪再次增强，到 21 日减弱。1 月 22-24 日，雨雪带和封面均有所减弱但仍活动于江南

地区（图略）。1 月 25-18 日雨雪区和锋区进入 1 月份最为强盛的时段。1 月 29 日封面和雨雪带再一次南移。

1 月 30 日开始，他们又开始向北移动，并且 24h 雨雪量于 2 月 1 日达到最大，2 月 3 日整个雨雪过程结束。

3 结论与讨论

本文对 2008 年发生于中国长江中下游及华南的低温雨雪冰冻灾害天气的第二个过程的物理场作了分析，

(c)

(d)

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得出造成这次严重冰冻灾害的主要原因为：

（1）充足的水汽，是产生雨雪天气的基础。只有在大气的饱和比湿达到相当大的数值，有源源不断的

水汽供应，才有可能形成降雨。本文通过对 T-Td 的分析，得出 T-Td＜4℃即湿区才有可能再其它因素作用下

进而产生冻雨。

（2）上升运动，上升运动是产生大规模雨雪冰冻灾害的重要条件。本文利用 w 方程判断垂直运动，即

通过判断涡度平流的垂直变化来判断是否有上升运动，上升运动强烈的地区也就是冰雪灾害严重的地区。

（3）温度垂直廓线与暖鼻的分布，逆温层是冻雨产生的原因。此次雨雪冰冻过程中，我们已经注意到，

主要的冻雨区集中于贵州和湖南等地。对探空资料的分析已揭示，在对流层低层有逆温层长期存在，逆温层

的作用非常重要，但不是唯一条件。此外，同时还必须有“暖鼻”相配合。没有暖鼻，上层的雪花下落过程

中难于融化，可以一直降落到地面。但是，在冬季低层出现毛毛细雨的情况下，没有暖层也可能有冻雨，当

然难以达到此次过程的严重程度。

（4）各种微物理过程、微气象因素的作用及反馈的影响。各种降水（尤其是固态降水）在上述逆温层

中及暖层中融化后，会引起云滴、雨滴的碰并，自动转换，以及由于相变引起冷却，反过来会对暖层产生负

反馈的影响。此外，温度日变化对逆温层也有影响，白天午后升温，夜间凌晨降温。因此，要对逆温层和暖

层作为一个动态的随时间而变的结构特征来加以考虑。只看一个时刻的探空尚难以对未来的变化作出定论。

近地面及地物的温度对冻雨的产生也是至关重要。降水物经逆温层和暖层而成为过冷却水下降时，如果地面

温度太低，则其上冷空气层气温也低，一旦低于 0℃则在进入冷层后，立即冻结，降落地面时为固态降水，

无法形成冻雨。地面温度以 0～-3℃为宜，温度露点差以＜2℃更佳。这些都可能改变冻雨形成的环境条件。

关于冰冻灾害的精细预报问题。要较准确地预报出温度垂直廓线，逆温层及暖鼻的结构与时空变化特征。

需发展适合于我国冬季的云物理过程的参数化方案。发展精细的陆面过程模式，以更好地预报地面温度及描

写过冷却水冻结时对地面温度的反馈影响，还要进一步开展我国冻雨形成机理的深入研究。

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【作者简介】

1 徐岩岩（1986-），男， 中国气象科学研究院研究生，研究方向：冰雪灾害与遥感。

2#张佳华（1966-），男，中国气象科学研究院研究员，博士生导师。主要从事卫星遥感及其在气象、灾害、环境与生态中的应

用、全球变化的区域响应、城市生态遥感、气候-植被相互作用过程及模拟等方面的研究。Email: zhangjh@cams.cma.gov.cn