2016年3月中卫市香山风电场冰冻雨雪灾害天气分析

张德有++高杰

摘要 为了研究中卫市香山地区冻雨天气成因并提高该地区冻雨天气的预报能力，本文利用常规观测资料、加密气象观测资料、MICAPS资料和香山风电场工作日志资料，对2016年3月中卫香山风电场出现的一次冰冻雨雪灾害天气过程进行天气学分析，并对冻雨发生的物理量场、大气垂直结构和地形作用进行分析。结果表明，500 hPa“东高西低”的环流形势是此次天气过程产生的背景条件，低层的偏南暖湿气流输送和低值系统的共同作用是产生降水的根本条件；冻雨产生时段大气温度垂直结构上、中、下层呈冷、暖、冷分布，中层有温度>0 ℃的暖层，近地面层为0 ℃或以下，中层冷平流对暖层会有破坏作用，垂直温度结构改变，降水相态随之发生变化；在同一降水过程中，山地和川区大气垂直结构存在明显差别，需关注降水相态是否一致。

关键词 冰冻雨雪灾害；天气过程；宁夏中卫；香山风电场；2016年3月

中图分类号 P429 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）19-0218-02

冻雨是初冬或冬末春初出现的一种灾害性天气。冻雨天气发生时，会对交通、农业及电力等行业造成极大影响。中卫市地处西北，兼具平原与山地2种地形，冻雨天气时有发生。2010年，中卫市香山地区建成了宁夏境内规模最大的风力发电产业带，使中卫市经济发展更加多元化和可持续性。2016年3月，中卫市出现本年度首场透雨，香山地区出现冻雨和降雪天气，香山风电场受冻雨和降雪影响故障频发，设备大面积瘫痪，损失严重。目前，中卫市对香山地区出现冻雨的研究和冻雨预报仍是空白。此外，国内对大范围冻雨天气的研究较多，而对局地冻雨天气研究较少。因此，本文利用常规观测资料、加密气象观测资料、MICAPS资料和香山风电场工作日志资料，对2016年3月中卫市香山风电场出现的一次冰冻雨雪灾害天气过程从形势场和影响系统、冷空气来源、水汽条件、大气垂直温度结构及地形作用进行分析，以期为中卫市香山地区冻雨天气预报提供理论依据。

1 天气实况及影响

2016年3月中旬，受高原扩散冷空气和偏南暖湿气流共同影響，中卫市出现2016年首场全市性透雨，香山及以北地区累计降水量超25 mm。与历史同期相比，2016年首场透雨出现时间早、范围广、持续时间长、累计雨量大，时间较常年提前了50～70 d。香山地区受山地影响，出现冻雨及降雪，香山风电场受冰冻雨雪灾害影响出现大面积设备故障。3月20日至23日夜间，中卫市出现连阴雨天气。23日6：00前，全市以降水为主；23日清晨，地面气温持续下降，香山风电场地面气温降至0 ℃左右，香山风电场出现冻雨，输电线路及外露设备出现大面积结冰，电线积冰直径达9 mm；23日10：00，香山风电场地面气温开始回升，电线积冰开始融化，风电场出现大面积线路故障；23日20：00后，香山风电场地面气温再次降至0 ℃以下，开始出现降雪，输电线路及外露设备再次开始积冰；24日6：00，电线积冰直径达18 mm，大部分光纤敷冰严重，光纤下垂过度，随着大风吹拉，光纤下垂弧度加大，导致部分光芯拉断。24日降水结束天气转晴，气温回升，电线积冰开始融化，风电场再次出现大面积线路故障。经调查，这次冰冻雨雪灾害所造成的影响是香山风电场自2010年建成以来最为严重的一次（图1）。

2 雨雪天气分析

2.1 环流形势及影响系统

此次过程发生前500 hPa欧亚中高纬环流为两槽一脊型，乌拉尔山附近、我国东北地区附近各为一低槽，及两槽之间贝加尔湖附近的高压脊区。随着乌拉尔山低压槽东移，槽底不断有冷空气扩散东移，在青藏高原维持宽广的低压槽区，南支槽东移发展，到19日8：00中卫市处于槽前脊后偏南暖湿气流里，“东高西低”的环流形势有利于降水的形势建立与维持；同时在16—18日我国东北地区的冷低压主体在旋转过程中有所西退南压，也是“东高西低”降水形势建立与维持的有利条件（图2）。

700 hPa高空图上，19日我国东北附近为高压控制，巴尔喀什湖到贝加尔湖一带为宽槽区，槽底部青藏高原附近有低值系统生成并东移，19日20：00低涡移动到甘肃南部与北部的槽相结合形成“北槽南涡”的有利降水形势，低涡移动所经之处低层辐合加强，水汽集中聚集，为降水天气的发生发展提供了大量的水汽、热力、动力条件。

2.2 冷空气来源

冻雨产生的条件之一是地面气温在0 ℃以下。这次香山风电场冻雨及降雪天气出现前，中卫市受地面低压控制，气温异常偏高，3月18—19日中卫站最高气温均达20～25 ℃（香山风电场最高气温18～20 ℃）。20日至23日夜间，受冷空气影响，气温逐渐下降，全市出现连阴雨。23日清晨及23日夜间，香山地区地面气温降至0 ℃及以下，出现冻雨及降雪天气（图3）。

造成此次中卫地区连阴雨及香山地区冰冻雨雪天气过程的冷空气是由2股来源构成。23日20：00之前，中卫市主要受高原东移扩散冷空气影响，配合较好的南支暖湿气流输送，由于东北冷涡的阻挡作用，形势比较稳定，全市范围出现了连阴雨天气，在此期间，850 hPa一直为偏南风。因此，经历了刚开始的降温后，连阴雨期间地面气温下降缓慢，但相对比较稳定，维持在5～10 ℃之间。23日清晨，中卫站地面气温降至6 ℃，香山地区地面气温降至-1～0 ℃，出现冻雨。23日20：00以后，东北冷涡进一步南压，南支位置偏南，中卫市受东北冷涡后部偏北气流影响，850 hPa转为偏北风，出现明显冷平流，地面气温迅速下降，气温12 h下降7 ℃左右，香山地区地面气温降至-3～-2℃，出现降雪，中卫市其他地区地面气温仍>0 ℃，降水相态为雨。

2.3 水汽条件

此次降水天气过程水汽主要来自孟加拉湾和南海，主要依靠南支和低层偏南暖湿气流输送水汽。制作中卫站水汽通量散度剖面图（图4），发现自19日8：00起，中卫站上空（700 hPa以下）存在较大的水汽通量散度负值区，一直持续到降水结束。尤其20日白天到夜间，中卫站水汽通量散度负值区一直延伸到接近500 hPa，这与较强降水时段相对应[1-3]。与天气图的分析一致，该时段700 hPa中卫境内存在水汽通量大值区，是由于700 hPa偏南急流而产生的，从中低层的水汽通量散度可以看出，这次过程水汽主要集中在底层（700 hPa以下）。分析中卫站相对湿度剖面图，对比23日清晨及夜间香山地区出现冻雨和降雪的2个时段，发现在冻雨和降雪出现前后850 hPa以上始终维持在92%以上的相对湿度大值区。表明此次香山地区出现冻雨和降雪天气是在中空充沛的水汽输送及近饱和状态中产生的。

2.4 大气垂直温度结构与降水相态的关系

3月22日夜间中卫市香山地区出现冻雨。分析距离中卫站最近的银川探空站资料可以看到：22日20：00，银川站上空气温随高度递减，地面气温7 ℃，0 ℃层高度在2 233 m（银川站海拔1 110.9 m）。中卫站海拔1 225.7 m，此时中卫站地面气温6 ℃，反映出中卫站与银川站上空气团性质基本相似。从探空图中可以看出，此次降水过程云中形成冰晶层的高度在7～500 hPa之间，780 hPa以下有明显的暖层，而此时香山风电场地面气温下降到2 ℃，翌日清晨气温徘徊在 -1～0 ℃。由此可以看出，香山地区上空呈冷的冰晶层，低层有气温>0 ℃的暖层可使冰晶融化，近地面层有气温<0 ℃的冷层，同时地面气温<0 ℃，这种大气温度的垂直结构具备了产生冻雨的天气条件[4-5]。23日夜间香山地区出现降雪，是由于受冷平流影响，原来的大气垂直温度结构受到破坏，暖层减弱或消失，大气环境温度下降，近地面气温<0 ℃的冷层也加厚，香山地区地面气温降至-3～-2 ℃，出现降雪。

2.5 山地作用分析

此次连阴雨过程中卫市平原地区一直为降雨，而香山地区分别出现一次冻雨和降雪天气，主要受山地的影响。中卫市香山地处中卫城区南边，海拔为1 700～2 300 m，香山风电场海拔约1 900 m，距中卫气象站直线距离约30 km。对比发现，近2年香山风电场3月月平均气温比中卫站同期偏低2.5 ℃左右。挑选近2年3月4次全市性降水天气过程，发现香山风电场日平均气温比中卫站同期偏低5 ℃左右，且时较差比无天气状况时要更稳定。因此，当3月出现降水天气过程，且预测中卫站气温降至5 ℃左右时，需注意香山地区降水相态是否会发生变化，出现冰冻雨雪灾害。

3 结论

（1）500 hPa“东高西低”的环流形势是此次天气过程产生的背景条件；低层的偏南暖湿气流输送和低值系统的共同作用是产生降水的根本条件。

（2）高原东移扩散冷空气是前期降水和23日清晨香山地区出现冻雨的主要冷空气来源；东北冷涡后部偏北冷空气是后期降水及香山地区出现降雪的主要冷空气来源。

（3）此次香山地区出现冻雨和降雪天气是在中空充沛的水汽输送及近饱和状态中产生的。

（4）冻雨产生时段大气温度垂直结构上、中、下层呈冷、暖、冷分布，中层有温度>0 ℃的暖层，近地面层为0 ℃或以下；中層冷平流对暖层会有破坏作用，垂直温度结构改变，降水相态随之发生变化。

（5）在同一降水过程中，山地和川区大气垂直结构存在明显差别，需关注降水相态是否一致；在3月降水天气过程期间，香山风电场地面气温比中卫站低5 ℃左右。

4 参考文献

[1] 马晓刚.2008年1月我国南方罕见冰冻雨雪灾害性天气诊断分析[J].气象与环境学报，2009，25（1）：23-26.

[2] 崔洋.2008年我国南方冰冻雨雪天气大气环流异常分析[J].黑龙江气象，2016，33（2）：5-7.

[3] 赖鑫，卞林根，江燕如.贵州一次严重冰冻雨雪过程环境场分析[J].气象科技，2011，39（2）：190-196.

[4] 邹海波，刘熙明，吴俊杰，等.定量诊断2008年初南方罕见冰冻雨雪天气[J].热带气象学报，2011，27（3）：345-356.

[5] 秦成云，王永红，顾善齐，等.江苏省一次低温冰冻雨雪雷电冰雹复杂天气成因分析[J].现代农业科技，2012（22）：235-237.