引言

2008年我国南方地区出现的大范围冰冻雨雪天气引起社会的极大关注，许多学者从多个角度对这次冻雨过程进行了全面分析，得出了很多有意义的研究结论(丁一汇等，2008；黎惠金等，2011)。由于常规气象观测中冻雨是用地面气象站观测的雨凇记录来判识的，因此，国内现有关于冻雨落区的研究结论均基于气象站观测的雨凇数据，即只有在气象站观测到雨凇才能确定该区域出现了冻雨(宗志平等，2013；索渺清等，2018；汪卫平等，2020)。然而有些地区的地面气象站在冬季常常观测不到雨凇，但附近海拔较高的山区往往能出现雨凇天气现象。例如，2008年1月浙江省只有个别气象站有少量雨凇现象记录，但据浙江省电网覆冰灾情调查统计表明，1月27日至2月1日期间，出现了全省范围的严重输电线路雨凇覆冰灾情，线路杆塔事故点主要分布在海拔高度为400~800 m的山区(顾骏强等，2010)。可见，仅仅利用地面气象站的雨凇观测记录分析冻雨落区，在地形起伏度较大的地区，可能出现冻雨落区范围被严重低估的情况。

许爱华等(2011)分析江西的冻雨气候特征后发现，山区出现冻雨的概率明显高于其他地区，这一现象也在安徽南部(王传辉等，2020)、广西东北部(唐熠等，2011)、广东西北部(毛先胤等，2012)的观测事实中被证实。虽然这些研究中提到冻雨多发生在山区的事实，但均未进行深入的成因分析及机理探讨，因为目前只能在常规地面气象站开展雨凇观测，还无法实现对山区冻雨的有效自动观测。冻雨之所以被关注，主要在于其导致的覆冰灾害。强冻雨过程所致的雨凇覆冰会对交通、输电线路、通讯线路、林业和农业等造成较大的影响，也因而有较多的灾情调查资料。冻雨灾情资料反映了冻雨的分布和强度，可以作为地面观测站雨凇数据的补充，尤其是山区的冻雨灾情资料，可以填补山区冻雨观测资料的空白。冻雨灾情中，输电线路覆冰灾情最有使用价值(杨靖波等，2008；李庆峰等，2008)，一是因为电网规模增长迅速，覆盖面比较广；二是由于用地紧张等因素，输电走廊多选择在山区，正好是冻雨多发的区域；三是冻雨对电网影响很大，电力公司非常重视，灾情记录比较详细。从目前冻雨影响的文献记载来看，冻雨对输电线路的影响分析也是最多的。如：黄子平等(2005)指出2005年华中电网冰闪事故中输电线路覆冰超过50 mm；王凌等(2008)评估2008年冻雨灾害对我国南方电力运行造成的灾难性影响；胡艳楠等(2017)在2009—2013年华中电网线路覆冰在线观测系统对湖北省500 kV高压输电线路的实时观测中发现，2010年2月、2011年1月、2012年1月和12月都观测到了线路积冰。所以，利用输电线路覆冰灾情记录作为地面气象站观测的雨凇数据的补充来确定冻雨落区是比较可行的。

数量丰富且较为准确的冻雨灾情数据，可以被应用于构建合适的冻雨落区判识模型。目前的大多数研究较为一致地认为冻雨与逆温层有很好的相关性。如：宗志平和马杰(2011)指出逆温层强度与冻雨强度变化之间存在明显关系；陶玥等(2012)揭示了逆温区范围和冻雨落区的差异，并把冻雨的形成条件总结为：高层存在冻结层，中低层存在一个融化层(温度高于0℃)和一个贴近地面的冷冻层(温度低于0℃)，即出现冻雨的区域上空有明显“冷-暖-冷”的层结特征；孙建华和赵思雄(2008)研究指出，最有利于冻雨产生的层结条件应当有中层冻结层、暖层、逆温层, 且这些层结的强度和厚度要适当，最有利于冻雨出现的地面温度在-3~-1℃；罗海波等(2010)强调除了有利的层结条件，还需具备地面在0℃以下的条件和少量的降水；马晓刚等(2010)提出的冻雨落区概念模型中也是利用冻雨的层结特点，结合地面0℃线作为判断条件之一。可见，利用“冷-暖-冷”的层结特点判断冻雨落区是诸多研究的共识，有些还附加了地面有少量降水和地面气温在0℃以下的判识条件。但在实际分析中发现，冻雨期间的降水会直接冻结在雨量桶上而不能及时体现在降水量的实时监测数据上，因此考虑地面降水可能会造成冻雨漏报；而以地面气象站气温在0℃以下为条件也会遗漏只出现在海拔较高地区的冻雨。因此，本文认为在冻雨判识时仅用层结分析法更为合适。康丽莉等(2017)基于欧洲中心的全球再分析资料ERA-Interim(0.5°×0.5°)，采用每个格点向上计算层结的方法推算出浙江省2008年的冻雨落区和出现高度，合理地解释了出现在较高海拔区域的输电线路雨凇覆冰，但是未对冻雨多发的贵州、湖南等地的冻雨进行推算和分析，且研究的冻雨个例也偏少。本文将针对我国34°N以南的地区2008年以来的几次严重冻雨过程，首先采用地面测站的雨凇数据，结合输电线路覆冰灾情资料分析冻雨落区。然后，基于欧洲中心的全球再分析资料ERA-Interim(0.25°×0.25°)，采用“冷-暖-冷”层结判断的推算方法进行冻雨落区推算，并利用前面分析得到的冻雨落区对推算结果进行验证。最后，给出我国南方地区冻雨分布的空间分布特点。

1 资料和方法 1.1 资料

本文用到的资料有：(1)全国2 000多个地面气象站2008—2019年的雨凇日数。将日雨凇站数超过100站且持续3 d及以上的冻雨过程作为一次强冻雨过程。2008年从1月10日至2月2日出现了4次强冻雨过程(孙建华和赵思雄，2008)，选择第三次最为严重的过程作为分析对象。随后选择了2011年1月2—6日、2013年1月3—7日、2018年1月25—27日以及2019年2月9—11日。(2)为了进行冻雨落区推算，本文匹配了强冻雨个例同期的欧洲中心的全球再分析资料ERA-Interim(0.25°×0.25°)，垂直分层有37层，每日有4次数据(00、06、12和18时；世界时，下同)。(3)收集了强冻雨个例期间的各类覆冰灾情数据，包括文献记载的各省输电线路覆冰灾情，以及电网系统统计的覆冰灾情资料等。

1.2 冻雨推算方法

冻雨落区推算的思路为：分析逐时逐格点温度层结情况，如果满足冻雨出现的条件，就认为该时次该格点出现了一次冻雨，再分析资料逐日4次数据中有一次满足冻雨出现的条件就将之判识为冻雨日。具体的推算方法是，每个格点从最底层开始垂直向上计算是否满足“冷-暖-冷”层结，并对中间暖层和底层冷层厚度设定一定的阈值。由图 1可知，5次冻雨过程上空均对应有“冷-暖-冷”的层结结构，但是中间暖层高度差异较大，如2008年冻雨过程的中间暖层在700 hPa左右(图 1b)，2011年(图 1c)、2018年(图 1e)和2019年(图 1f)冻雨过程的中间暖层在750 hPa左右，而2013年冻雨过程的中间暖层在850 hPa左右(图 1d)。因此，业务中不宜简单地采用850 hPa和700 hPa两层的0℃等温线判断冻雨落区。5次冻雨过程中，2008年的冻雨过程具有非常典型的“冷-暖-冷”的层结特点(图 1a)，底层冷层厚度在500~3 000 m，中间暖层厚度大致在500~3 600 m。其他4次冻雨过程的底层冷层厚度和中间暖层厚度均比2008年的浅薄。因此这里以2008年个例来确定的阈值区间，也可以满足其他4次冻雨过程。在马晓刚等(2010)的研究中，雨滴从暖层进入底层冷层变成过冷雨滴，底层冷层厚度至少在430 m以上。因此本研究中底层冷层厚度最低取400 m，冷层厚度上限取3 000 m；中间暖层厚度也取大于400 m，暖层厚度上限取3 600 m。根据设定的阈值，对每个格点进行计算，如果满足条件，就认为该格点出现了一次冻雨。从图 1d和1f也可以看出，2013年和2019年的2次冻雨过程近地面层气温在0℃以上，而往上几百米则出现低于0℃的冷层，形成“暖-冷-暖-冷”的层结特点，在该层结特点背景下，出现地面台站未观测到雨凇而山区出现覆冰灾情的情况。在这里，本文将底层冷层出现的底部高度，作为冻雨出现的最低海拔高度。

另外，黄山、庐山、南岳、峨眉山，以及贵州一些海拔高度在1 000 m以上的高山气象站，每年都有较多的雨凇日数。李登文等(2009)利用威宁和贵阳两站的多年探空观测记录分析发现贵州西部高海拔地区以没有融化层的“单层结构”为主，其他大部分地区则为“两层结构”。这说明海拔高度在1 000 m以上的高山气象站与一般的低海拔气象站雨凇的形成过程有很大区别(张昕等，2015)。鉴于华南地区较低海拔区域经济活动更多，受冻雨天气影响更大，为获取我国34°N以南区域大范围冻雨落区特征，本文重点关注海拔高度1 000 m以下的冻雨，采用典型的“冷-暖-冷”层结进行推算，在实际处理过程中去掉底层冷层出现高度大于1 000 m的格点，同时也剔除地面气象站海拔高度高于1 000 m的站点的雨凇数据。

2 基于观测的南方地区冻雨落区分析 2.1 2008年冻雨落区分析

2008年1月10日至2月2日共出现了4次强冻雨过程。其中，1月25—29日的冻雨过程是最强的1次，期间气象站观测的雨凇分布如图 2所示，贵州、湖南、江西，湖北和安徽南部，观测到雨凇天气的站数较多，且大部分测站观测到4~5 d的雨凇天气，体现出此次冻雨过程之强、影响之广，实属罕见。图 2中也可以看到，浙江省气象站观测到的雨凇天气相对较少，而且集中在浙北区域。然而，从此次冻雨期间浙江电网覆冰的倒塔点分析，浙江省大部分地区都出现了电网覆冰倒塔的事故，尤其在浙江省中部分布最多，一直延伸到近海区域。图 3中浙江电网覆冰倒塔点的海拔高度集中在400~700 m，而浙江省90%以上的气象站海拔高度在200 m以下，因此事故点邻近的地面气象站也未获取相应程度的冻雨观测结果，所以在分析冻雨落区时电网覆冰灾情即成为重要的补充材料。此外，在没有雨凇地面观测数据的广东北部(刘平原等，2010)、闽西北山区(林敏，2009)均在高海拔山区出现了严重的冻雨覆冰灾害。总的来说，2008年1月25—29日，强冻雨实际落区范围应包括：贵州、湖南、江西、浙江大部，重庆、湖北、安徽的南部，广西、广东和福建北部，以及其他一些省份的局部区域。

2.2 强冻雨个例实际落区分析

表 1为2008—2019年5次强冻雨过程期间观测的雨凇分布情况和同期电网覆冰灾情的补充资料。2008年的电网覆冰灾情补充资料表明，在雨凇出现日数较少的浙江省大部、福建省西北部和广东省北部也出现严重的电网覆冰。2011年的电网覆冰灾情补充资料显示，广西出现雨凇的站数较少，但覆冰灾情较严重。2013年1月3—8日，浙江省地面气象站未观测到雨凇，但在局部山区出现严重冻雨灾情，其中，宁波北仑地区输电线路覆冰厚度达20~30 mm。2018年1月江西出现雨凇的站数也较少，但电网覆冰灾情显示江西省海拔高度300 m以上的山区出现较大范围的覆冰过载事故，严重程度仅次于2008年。2019年观测到的雨凇站数较少，但在湖北、安徽和浙江的高海拔山区出现20 mm以上的电网覆冰。

从分析的5次冻雨过程的落区来看，2008年1月25—29日是冻雨最严重的一次过程，其后的几次冻雨出现范围大致在2008年冻雨落区的范围之内。2008年整个冻雨区都出现了严重的冻雨覆冰，但后面的几次强冻雨过程，只在部分冻雨区出现严重的冻雨覆冰。

3 我国南方冻雨落区的推算 3.1 冷层和暖层厚度取值

底层冷层厚度和中间暖层厚度的阈值取值，对冻雨落区推算是有直接影响的，本文选择最为典型的2008年1月25—29日的冻雨过程进行试验。当底层冷层厚度取400~3 000 m、中间暖层厚度取400~3 600 m时，分析结果表明北部冻雨范围略偏小，而南部冻雨范围略偏大，其余部分与冻雨落区吻合得较好。之后，再对冷层和暖层厚度阈值取值调整也未见改善(图 4a)。刘朝茹等(2015)、欧建军等(2011)、余金龙等(2017)分析冻雨的层结特点时，指出存在两种逆温层结构，一是有暖层(即“冷-暖-冷”层结)，二是无暖层(存在逆温层结构，但中间暖层气温小于0℃的情况)。层结结构中有无暖层是根据每日两个时次的探空资料判断的，因此不可避免地会存在每日两个时次的探空资料中无大于0℃暖层，但在两个时次的间隔期间有可能出现大于0℃暖层的情形。本文采用的再分析资料也是每日只有四个时次的数据，同样存在类似的情况。因此，在实际操作中把中间暖层的最低温度取为-1.0℃，可以较好地考虑四个时次间隔期间可能出现大于0℃暖层的情形，推算结果最佳(篇幅限制，具体结果未列出)。另外，图 1中25°N以南的底层冷层较薄，在500~1 000 m；而其上的暖层深厚，且暖层中心最高气温可达7~10℃，导致从暖层下落到浅薄冷层的雨滴未能成为过冷雨滴，落到地面不能形成雨凇。所以在冻雨落区判识中将暖层温度高于7℃且底层冷层厚度低于1 000 m的格点判识为非冻雨格点。经过上述两个改进后，推算获取的冻雨落区(图 4b)显示北部冻雨和南部冻雨范围都有明显改进，与实际情况更为吻合。推算的落区不仅覆盖了地面观测多雨凇的站点，也涵盖了地面气象站无雨凇观测但出现严重覆冰的区域，推算效果较好，可以用于日常气象业务的冻雨落区分析。

3.2 冻雨落区推算结果分析

图 4b为利用再分析资料推算的2008年1月25—29日的冻雨出现日数，其推算结果与罗海波等(2010)的结论基本一致，贵州、湖南、江西中南部地区出现5 d的冻雨，浙江中部也有5 d，推算结果与冻雨实际落区是吻合的。图 5是推算的该时段冻雨出现的最低海拔高度。湖南大部、江西北部、湖北、安徽，冻雨出现的海拔高度最低，在200 m以下。这些地区是观测到雨凇日数站点最密的地区，各观测站观测到的雨凇日数也最多，说明运用该方法获取的冻雨落区分布可以从地面观测站的雨凇数据得到很好的辅助证明。广西、广东、福建三省(自治区)的北部和浙江省全省，冻雨出现的海拔高度较高，基本在300 m以上，与之匹配的地面观测站雨凇日数相对较少，但高海拔山区出现的严重的冻雨灾情结合事故发生地海拔高度，很好地解释了地形起伏度较大的区域，低海拔地面测站无法获取冻雨观测数据，但附近山区却实际存在冻雨现象的事实。

利用同样的方法推算出另外4次冻雨过程的落区。2011年地面观测雨凇主要分布在贵州和湖南地区，推算结果显示(图 6a)湖南和贵州确实出现了严重的冻雨，冻雨频次很高。与地面测站的雨凇分布不同的是，推算结果中江西和浙江也出现了较多的冻雨日数。从冻雨出现的海拔高度来看(图 6b)，江西和浙江冻雨出现的海拔高度较高，基本在海拔400 m以上。江西和浙江的冻雨与湖南和贵州相比，冻雨日数少且出现海拔较高，所以这次冻雨在湖南和贵州造成严重的影响，对江西和浙江的影响较小。

2013年1月3—7日，在贵州、湖南和江西观测到较多的雨凇日数，但从推算的冻雨范围和日数来看(图 7a)，不仅涵盖了有雨凇的区域，还包括了没有观测到雨凇的浙江省。此次冻雨过程中心的雨凇日数虽然也达到了5 d，但该区域实际的电网覆冰灾情并不严重，如浙江省中部的金华、绍兴山区出现了10 mm左右的输电线路覆冰。然而，在推算的冻雨日数只有3 d的宁波北仑却有10多条输电线路出现厚度30 mm以上的严重覆冰，分布在海拔高度300~400 m以上的山区(图 7b)。由此可见，冻雨持续日数与冻雨强弱并不完全一致，持续2~3 d的强冻雨也可以造成严重的雨凇覆冰，需要对这种强冻雨进一步开展专门的研究。

在2018年的冻雨过程中，江西省电网覆冰统计资料显示：江西电网在300 m的山区出现严重的输电线路覆冰灾情，上百条输电线路出现雨凇覆冰，最大覆冰厚度达40~50 mm。而地面气象站观测的雨凇主要分布在贵州、湖南、江西北部，以及湖北南部和安徽南部。推算的冻雨分布则包含了江西省大部分区域(图 8a)，与江西电网的覆冰灾情更为符合。从覆冰出现的海拔高度(图 8b)来看，江西中南部区域冻雨出现的海拔高度在300 m以上，也与电网覆冰的实际海拔高度吻合。因此，运用本文方法推算的冻雨落区分布一方面可以辅助地面观测，提供更加精细化的冻雨空间分布特征情况；另一方面可以体现出冻雨现象出现的海拔高度差异，更好地描述复杂地形条件下冻雨的实际分布。

2019年2月这次冻雨过程，观测的雨凇的站数较少，主要出现在湖南中北部、湖北和安徽南部。浙江省没有雨凇数据，但在浙江中部出现了较明显的电网覆冰，甚至在湖州德清海拔高度500 m以上的莫干山还出现了输电线路覆冰致倒塔的事故，观测的覆冰厚度达24 mm。推算的冻雨范围包括了观测到雨凇的站点，也包括了出现覆冰事故的浙江中北部(图 9a)。可见推算的结果也很符合实际的冻雨分布。图 9b显示的冻雨出现高度表明，浙江省冻雨出现的海拔较高，与湖州德清地区发生实际灾情的海拔高度是一致的。总的来说，这次过程的冻雨落区推算结果与地面资料分析的冻雨落区吻合较好，还能比较准确地描述冻雨出现的海拔高度。

4 冻雨的空间分布特点 4.1 冻雨水平分布特点

本文将5次强冻雨过程推算的冻雨日数进行逐格点的累加，分析南方地区冻雨落区的水平分布特点。宗志平等(2013)通过分析1978—2008年62次低温雨雪冰冻过程事件得出，冻雨主要分布在贵州、湖南、江西、湖北和河南等省份。而本文补充输电线路覆冰灾情补充资料后，认为中国南方地区存在一条从贵州、湖南、江西到浙江的冻雨带。由再分析资料推算的5次强冻雨累加后的分布来看(图 10)，中国南方地区确实存在一条从贵州、湖南、江西到浙江的冻雨带，其中贵州最严重，湖南次之，江西和浙江略轻。但相比其他省份，这四个省份的冻雨最为严重，有些年份可能会往北扩展到四川、重庆、湖北、安徽南部；有些年份会往南扩展到云南、广西、广东、福建北部。其中，位于东南沿海的浙江省，广东北部，福建北部等东南丘陵地带，由于其地形起伏度较大，且在冻雨期间低海拔地面站气温往往略高于0℃而观测不到雨凇天气，但在海拔较高的山区常常出现冻雨灾情。

4.2 冻雨垂直分布特点

前面的分析表明，冻雨在某些区域多出现在海拔较高的地区，而在另一些区域，冻雨出现的海拔高度变化很大。这里以2008年第三次最强的冻雨过程为例，分别沿113°E、116°E、120°E三个经度绘制0℃等温线的垂直剖面图，分析不同经度冻雨的垂直分布特点(图 11)。图中红线为沿113°E经过长沙附近的0℃等温线的垂直分布，蓝线为沿116°E经过南昌附近的0℃等温线的垂直分布，绿线为沿120°E经过杭州附近的0℃等温线的垂直分布。可以看到，三个经度的0℃等温线垂直分布最大的不同，在于向南发展的程度不同。沿120°E的冻雨受到浙南到闽北高山的阻挡，只到达27°N的福建北部。沿116°E的冻雨可以向南发展到25°N，因为冬季冷空气从江西北部平原灌入后，一直向南发展，直到受到江西南部和广东北部交界区域的山脉阻挡，才停滞在25°N以北区域。沿113°E的冻雨可以发展到更南的24°N，主要是因为湖南省北部是平坦的洞庭湖平原，冬季冷空气大举进入湖南并南下，一直影响到湖南、广西和广东交界区域，导致广西和广东北部出现冻雨覆冰灾情。

沿120°E的0℃等温线表明，27°~30°N的地面层气温在0℃以上，而海拔高度400~1 800 m左右的山区气温低于0℃，符合“暖-冷-暖-冷”层结分布，说明该区域冻雨主要出现在海拔高度400 m以上的山区(图 11中绿色双箭头)，随着冷暖空气的强弱变化，有些年份出现的海拔高度高一些，有些年份出现的海拔高度低一些，这一现象与浙江省和福建北部的冻雨特点吻合。沿116°E的0℃等温线表明，25°~27°N也符合“暖-冷-暖-冷”层结分布，与浙江省的冻雨特点相似；27°N以北的江西中北部、湖北南部和安徽南部则易在低海拔区域出现雨凇(图 11中蓝色双箭头)。沿113°E的剖面中，24°~25°N亦符合“暖-冷-暖-冷”层结分布，但其中间暖层更为深厚，25°N以南区域冷空气基本被压缩在海拔高度1 300 m以下，1 300 m以上受暖湿气流影响，气温高于0℃。因此该区域冻雨主要出现在海拔高度300~1 300 m范围内(图 11中红色双箭头)。周绍毅等(2010)在分析广西导线覆冰特征时发现，桂北东部猫儿山500~1 300 m的海拔高度为主要结冰区，500 m以下和1 300~1 800 m较轻，1 800 m以上基本无冰。这说明广西北部和广东北部山区的确存在冻雨主要出现在山腰的垂直分布特点。

5 结论与讨论

综合以上分析，得到以下结论：

(1) 由地面气象站的雨凇数据结合电网灾情资料确定的中国南方地区的冻雨分布显示：从贵州、湖南、江西，直到浙江，存在一条自西向东，频次由高到低的冻雨带。随着冷暖空气强度的变化，有些年份冻雨带向北移动到达四川、重庆、湖北、安徽南部，有些年份向南移动抵达云南、广西、广东和福建北部。

(2) 本文在底层冷层厚度和中间暖层厚度阈值的取值，以及中间暖层判识的气温阈值的取值两个方面对层结分析法进行了改进。改进后的层结分析法较好地推算出了我国南方地区海拔高度在1 000 m以下区域的冻雨落区及冻雨出现的海拔高度。推算的自2008年以来5次严重冻雨过程的冻雨落区，不仅涵盖了观测到雨凇的站点，也涵盖了无雨凇数据但有电网覆冰灾情的区域。推算方法给出的冻雨出现的海拔高度，较好地解释了山区无雨凇观测但出现严重冻雨覆冰灾害的情形。该方法计算简单，基于现有的数值预报模式结果即可实施，在实际业务中有较大的应用价值。

(3) 由于受我国南部各大山脉的阻挡，冻雨最南可以发展到广西、广东和福建的北部。浙江省，广西、广东和福建三省(自治区)的北部，出现冻雨时常具有“暖-冷-暖-冷”的层结特点，即冻雨多出现在海拔高度为300~400 m以上的山区。其中，广西和广东的北部，由于还受到深厚暖层的影响，冻雨多出现在海拔高度为300~1 300 m的山腰。

(4) 无论是实际观测的雨凇日数分布，还是推算的冻雨日数分布，基本能反映出一次冻雨过程的强弱。但在一些特殊的区域，也有冻雨日数不多但出现严重覆冰灾情的情况。如2013年1月出现在宁波北仑的严重覆冰灾情，冻雨只持续了2~3 d，并不是冻雨日数最多的区域。因此，后续需要对这些特殊区域的冻雨进行深入的研究，提出适合这些特殊区域的冻雨强弱的判识方法。