引言

冻雨和冰粒天气是我国冬季的主要灾害性天气之一。冻雨主要出现在贵州地区，在湖北、湖南、江西、安徽和辽东半岛也时有出现(曾明剑等，2008)；冰粒天气发生次数较少，且持续时间较短，主要集中在中纬度的黄河下游和长江中下游地区(Gibson and Stewart, 2007；李杰等，2016)。

冻雨产生分为两种机制：一种为暖云机制，另一种为冰相机制(融化机制)(Ohtake，1963；Huffman and Norman, 1988；陶玥等，2013)。暖云机制是指云滴通过碰并过程增长成雨滴，雨滴下落到过冷层后，成为过冷水滴，落到地面冻结(Hanesiak and Stewart, 1995)。冰相机制是经典的“冰晶层-暖层-过冷却层”的模式，指暖空气在向上爬升的过程中，在逆温层顶形成大于0℃的暖层，高空的雪花在降落的过程中进入暖层融化，之后继续下降到低层冷层形成过冷水滴，最终形成“冰包水”物质并在地面冻结(Okada，1914；Szeto et al，1999)。这两种机制的主要区别在于中层是否存在大于0℃的暖层，暖层和冷层的强度不同，会引发降水相态的转变，可能伴随有雨、雪和冰粒的出现(杨成芳等，2013)。冰粒的形成机制与冻雨类似，也是分为两种机制。一种是经典的融化机制(Hanesiak and Stewart, 1995)：多数情况下，冰粒融化层较冻雨弱，雪花未完全融化便进入过冷层；也有少数情况，中层融化层和低层冷层均较强，雪花完全融化后又再次冻结为冰粒。另一种是暖雨直接冻结机制(漆梁波，2012；Kajikawa and Heymsfield, 1989)，指高层没有雪花或冰晶，由毛毛雨直接冻结为冰粒。

冻雨和冰粒天气的长时间维持，会对农业、交通运输、电力、航空等造成严重不利影响(Bernstein, 2000；刘朝茹等，2015)，2008年初，我国南方受到冰冻雨雪天气的袭击，给交通、电力、通讯和农业等方面造成了严重的损失(丁一汇等，2008；马宗晋，2009；江杨等，2017)。针对其严重的灾害性，不同降水相态的区分和预报显得更加重要，漆梁波(2012)对冬季我国不同区域(北方、江南、华南、西南)的冻雨和冰粒天气形成的物理过程进行对比分析研究，总结出了甄别冻雨和冰粒天气的特征量。陈天锡等(1993)分析了冻雨发生的天气形势和温度的垂直分布特征，陈双等(2019)对地面气温位于0~2℃时我国降雪的时空分布及其与降雨的垂直热力特征进行了研究，引入了决策树判别方法对雨雪相态进行了判别分析。多源资料在降水相态的研究过程中也发挥了重要作用，多位学者利用自动气象站、双偏振雷达、毫米波云雷达、温度廓线仪和雨滴谱等，对北京、山东和江苏等地的降雨、雨夹雪和雪等不同相态降水天气特征进行了分析研究(李峰和施红蓉，2014；孙莎莎等，2023；温静等，2023)。

在鲁南地区，冻雨和冰粒天气通常作为一种雨转雪的中间相态，冬季时有发生，一般持续时间较短。2024年2月20—21日鲁南地区发生了一次大范围的冻雨和冰粒转雪天气过程，同时期全国出现了大范围强寒潮雨雪冰冻天气并伴随强对流发生(俞小鼎等，2024)。20日下午到夜间，山东大部地区出现冻雨和冰粒天气，其中鲁南地区多个站持续时间长达12 h以上，范围广、时间长，较为罕见。由于当时气温较低，本次过程形成明显道路结冰，对交通运输和设施农业带来较大危害。以往针对鲁南冻雨和冰粒的研究较少，预报经验不足，缺乏可参考的具体预报指标。本文以临沂为代表，分析山东南部地区长时间冻雨和冰粒转雪过程成因，结合风廓线雷达、雨滴谱等多源资料分析降水过程中相态转换的时空分布特征，尝试凝练冻雨和冰粒的一些可参考指标，以提高预报员对冻雨和冰粒天气过程认识，为今后北方地区此类天气预报提供参考。

1 资料来源及可用性

本文采用的实况资料为2024年2月20日14时至21日20时(北京时，下同)冻雨和冰粒转雪的过程中，临沂国家级自动气象观测站(简称临沂站)观测的降水量、2 m气温和10 m风等气象要素，以及风廓线雷达、雨滴谱观测资料、徐州站探空资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料(0.25°×0.25°)。雨滴谱资料包括32个尺度通道(0.125~26 mm)和32个速度通道(0.1~22.4 m·s^-1)。

为了确定ERA5再分析资料在本次过程中的可用性，利用20日08时(图 1)和21日08时(图略)徐州站实测探空数据(图 1a)与ERA5再分析资料绘制的邻近格点(34.25°N、117.25°E)T-lnp图(图 1b)进行对比分析。可以看出，两者整体形态接近，1000~700 hPa基本一致，925~700 hPa为逆温层结且呈现近饱和状态，中层存在0℃以上的暖层；风场均表现为低层为东北风，850 hPa以上风向随高度顺转。温度层结参数对比发现(表 1)，再分析资料各特征高度值与实际探空观测基本一致，暖层和冷层厚度与实况误差范围在50~185 m，最高气温和最低气温分别偏高0.2~0.4℃和0.8~1.0℃。综合来看，本次过程中，再分析资料具有客观反映各高空气象要素的能力，且较实际探空资料时间、空间精度更高。

2 天气实况

2024年2月20—21日，临沂市出现了罕见的长生命史的冻雨、冰粒转雪的天气过程。20日14—16时，临沂市自西南向东北陆续出现冻雨; 17—20时，临沂北部为冰粒，中部冻雨逐渐转为冰粒，而南部仍为冻雨; 21日00—02时逐渐减弱结束; 11时，再次出现冰粒，伴随系统向北推进，温度下降，迅速转雪，过程持续至21日20时。

根据降水时间和相态，本次过程主要分为四个阶段(图 2)：Ⅰ和Ⅱ阶段为20日下午到夜间，其中Ⅰ阶段为20日14—19时，降水相态为冻雨，Ⅱ阶段为20日19时至21日03时，降水相态以冰粒为主，冻雨和冰粒整体持续时间长达12 h，强度较小，临沂站累计降水量为1.7 mm；Ⅲ阶段开始于21日12时，降水相态为冰粒混合雪；Ⅳ阶段为21日14—20时，降水相态以雪为主，最大小时降水量达3.2 mm，累计降水量为7.7 mm。在20—21日降水过程中，2 m气温维持在-6~-2℃，同时偏北风持续较强，极大风力维持在7级左右，21日午后降雪开始，阵风减弱到5~6级。整体来看，本次过程具有相态复杂、冻雨冰粒持续时间长、阶段性明显等特点，历史上较为少见。

3 天气背景 3.1 环流形势

本次过程发生前，2月18日(图略)亚洲中高纬地区受高空冷涡控制，位于乌拉尔山和鄂霍次克海附近的高压脊有利于低涡维持和冷空气堆积，500 hPa和850 hPa相应的冷中心分别达-48℃和-32℃以下(许先煌和张芳华，2024)，山东处于低涡底部偏西气流当中，多短波槽活动；西伯利亚地面冷高压中心强度达1050 hPa以上，山东受冷高压前部东北气流影响，48 h降温达10℃，形成冷垫。

2月20日20时，500 hPa(图 3a)上西风槽东移发展，受沿海高压脊阻挡，槽前西南气流加强，由08时的16 m·s^-1迅速增强到28 m·s^-1，鲁南地区风速辐合明显。21日凌晨开始风力逐渐减弱，Ⅰ和Ⅱ阶段冻雨和冰粒天气逐渐结束。700 hPa(图 3b)低槽经向度加大，鲁南地区受槽前西南气流影响，低空急流加强至18 m·s^-1，比湿达6 g·kg^-1, 鲁南地区处于西南急流轴左前方的辐合区，21日08时减弱至10 m·s^-1。850 hPa(图 3c)鲁南地区受自西南地区伸向黄淮的切变线北侧与北方冷性反气旋前侧的东—东北气流影响之下。925 hPa(图 3d)上持续受北方冷性反气旋前侧东北气流控制，风力达12 m·s^-1以上，有利于低层冷垫的长时间维持。同时地面冷高压位于贝加尔湖以南，中心气压增强至1062.5 hPa，鲁南仍处于其前部的偏北气流当中(图略)。

从环流垂直配置来看，20日冻雨和冰粒过程发生的天气背景为典型回流形势，500 hPa和700 hPa长时间盛行西南暖湿气流，低层至地面为东北气流，造成近地层明显的降温，高空槽前西南暖湿气流沿着低层冷垫滑升，共同组成了“冷—暖—冷”的垂直温度结构，从而形成冻雨和冰粒天气。同时，20日自西北地区发展的短波槽已东移至河套附近(图 3a)，携带新一股冷空气于21日下午影响鲁南地区，中层暖层逐渐减弱，Ⅲ阶段降水开始后快速转雪。

3.2 风场特征

从临沂站风廓线雷达风场资料(图 4)来看，2月18日白天，从地面到高空为一致的西南气流，18日夜间开始，低层1 km以下转为偏北风，风向随高度逆转，形成冷平流结构，此时低层冷空气开始影响临沂，气温随之下降；19日，冷空气持续向上扩展至2 km高度，之上仍以西—西南风为主。20日08时近地层东北风逐渐增强，在1 km附近达到12 m·s^-1，1 km以上风速开始减小，风向随高度顺转，中层暖平流结构形成，到2 km基本转为西南风，风速较小，之后风速随高度迅速增大，到3 km左右达到急流强度。16时，2 km高度附近西南气流和1 km附近东北气流均达12 m·s^-1，冻雨逐渐开始；20时，近地层东北气流再次加强，冷空气更加强盛，伴随低层气温进一步降低，冻雨转为冰粒。21日02时之后，低层东北风和中高层西南风均明显减弱，Ⅰ和Ⅱ阶段冻雨和冰粒天气结束，低层东北风开始向上扩展，04时发展到2 km高度。21日中午前后，受短波槽和低层补充南下的冷空气共同影响，槽前西南气流和低层东北气流再次加强，Ⅲ阶段降水开始并迅速转为纯雪。

综上，18日夜间至19日，低层偏北风的出现和发展，为本次过程提供近地层冷垫；20日中层暖湿层和低层冷层的增强共同造成冻雨和冰粒天气。中层西南急流和低层强东北气流的长时间维持，为本次过程提供充足的水汽、长时间的冷垫和冷垫之上的强烈逆温，使“冷—暖—冷”的垂直温度结构得以长时间维持，从而导致本次过程冻雨和冰粒天气长达12 h。

4 层结特征分析 4.1 冰相融化机制

本次降水过程中，从温度垂直分布(图 5a)来看，在35°N附近700 hPa以上温度均低于0℃且温度随高度降低，为冰晶层；融化层(暖层)位于800~700 hPa，温度高于0℃，将下降粒子融化为液态水；800 hPa至地面为冷层，其中900 hPa以下温度维持在-5℃左右，使液态水迅速冷却或冻结，到达地面形成冻雨或冰粒，自上而下构成“冰晶层—融化层—冷层”的垂直结构，属于典型的冰相融化机制(Ohtake，1963；Huffman and Norman, 1988；陶玥等，2013)。

从风场和比湿场的垂直分布(图 5b)可以看出，20日白天到夜间，700 hPa附近持续受西南急流控制，比湿达6 g·kg^-1，暖湿平流持续输送保证了融化层中源源不断的水汽和热量供应；900 hPa以下受东北气流控制，低温低湿，为干冷层，使近地层出现低温并得以维持。21日08时以后，虽然中层仍存在逆温，但是0℃以上的融化层逐渐消失，随着西南气流增强，再次出现降水并迅速转雪。

4.2 冻雨向冰粒演变的层结特征

为进一步研究不同相态降水过程中的层结特征，选取临沂站邻近格点(35.25°N、118.5°E)的2月20日不同时刻探空图进行对比分析(图 6)，对应冻雨、冰粒、冰粒即将结束和纯雪相态。可以看出：(1)低层和近地面气温较低，925~700 hPa有明显逆温层。在20日15时和20时，0℃以上的融化层从850 hPa附近扩展至700 hPa或以上，结合表 2可以看出，随着低层干冷空气入侵，临沂站冷层厚度明显增加，最低气温下降，暖层起始高度在15—20时逐渐升高，厚度变薄，暖层最高气温下降，对应着冻雨逐渐转为冰粒的过程。21日02时，暖层进一步增高变薄，最高气温仅为0.7℃，仍旧维持冰粒状态，Ⅰ和Ⅱ阶段降水基本结束。21日14时，临沂站上空仍旧存在逆温，但是整层气温处于0℃以下，降水相态为纯雪。(2)低层和近地面存在温度露点差较大的干层，且随着过程推进，温度露点差逐渐减小；而中层温度露点差始终接近0℃，为近饱和层或饱和层。(3)本次过程当中，冻雨和冰粒的东北风发展高度均接近850 hPa，区别体现在，20时冰粒时期925 hPa以下的东北风更强，风速达到了12 m· s^-1，表明此时近地层冷空气更加强盛。而在21日14时降雪时，东北风已经发展到850 hPa以上。

4.3 冻雨和冰粒的层结对比

根据上文描述，冻雨和冰粒的过程中均存在中层融化层，为更好地区分两种不同降水相态的温度层结特征，根据实际观测的冻雨和冰粒现象，选取2月20日15时和20时沂水、临沂和郯城站点(均为国家级自动气象观测站)的特征量(表 2)进行冻雨和冰粒的对比。其中沂水站位置接近鲁中，山区多且海拔较高，在本次降水开始后迅速转为冰粒，冰粒持续时间长达11 h；临沂站位于鲁南的中间区域，有明显的冻雨转冰粒的相态转变过程；郯城站作为山东的最南端，在20日下午到夜间的降水过程中为纯冻雨。对比发现，冻雨的2 m气温为-4~-1℃，暖层起始高度低于800 hPa，暖层厚度为1000~1300 m，最高气温为3~5℃，冷层厚度为1400~1500 m，最低气温为-8~-6℃；而冰粒的2 m气温为-6~-4℃，暖层起始高度位于775 hPa及以上，暖层厚度为800~1000 m，最高气温低于3℃，冷层厚度为1600~2000 m，最低气温为-10~-8℃。随着降水过程发展，地面湿度逐渐增大，2 m露点温度差逐渐减小，但是在本次冻雨和冰粒的相态上未体现出明显指示意义。

综合以上分析，冻雨的地面气温明显高于冰粒，冻雨的暖层起始高度低并且暖层厚度和强度均大于冰粒，而冷层的厚度和强度均小于冰粒。

5 雨滴谱特征分析

从降水粒子谱(图 7)可以看出，2月20日的冻雨冰粒阶段与21日的降雪期间的降水粒子谱呈现明显区别。对比发现，20日下午到夜间的冻雨(Ⅰ)、冰粒为主(Ⅱ)阶段，具有粒子直径小、数浓度小、降水强度小、下落速度大的特征：粒子直径分布范围在0.1~2.0 mm，下落速度在3~8 m·s^-1，对应小于1 mm·h^-1降水强度，粒子数浓度约在1~3 mm^-1·m^-3。21日12—13时(Ⅲ)，降水强度小，粒子直径和数浓度均较小，下落速度较大，与前一天的粒子谱接近，说明此时降水相态不是纯雪，仍伴有冰粒或冻雨。14时以后，粒子直径和数浓度明显增大，速度明显减小，粒子谱拓宽，为纯雪阶段(Ⅳ)。对比冻雨和冰粒阶段，雪具有粒子直径大、数浓度大、降水强度大、速度小的特征：粒子直径分布范围在0.1~8.0 mm，下落速度小于5 m·s^-1，对应1~4 mm·h^-1降水强度，粒子数浓度约在2~4 mm^-1·m^-3。

据人工观测结果，20日15—19时，临沂站以冻雨为主，20时以后主要为冰粒，但从粒子谱上，冻雨和冰粒特征没有明显区别。为进一步区分不同降水粒子，分析粒子直径和数浓度关系(图 8)，可以看出，在冻雨和冰粒阶段粒子直径和数浓度均较小，冻雨(空心圆)的粒子直径平均值为0.89 mm，数浓度平均值为1.75 mm^-1·m^-3，而冰粒(空心三角)阶段分别为0.75 mm和1.9 mm^-1·m^-3，表明冻雨比冰粒的粒子略偏大，但是粒子数偏少。在纯雪(实心圆)阶段(Ⅳ)对应的粒子直径和数浓度均明显增大，谱宽展宽，最大粒子直径接近6 mm，有大粒子(雪花)出现，粒子直径平均值为1.65 mm，数浓度平均值为3.02 mm^-1·m^-3。

为更加细致地研究不同降水相态的下落速度，绘制了粒子下落速度和粒子直径关系(图 9)，可以看出，冻雨(图 9a，红线)和冰粒(图 9b，红线)接近Brandes et al(2002)的降雨经验曲线(图 9a, 9b;黑线)，具有粒子直径小、下落末速度大的特征。对比三种相态拟合曲线的斜率发现，冻雨和冰粒的粒子直径普遍小于雨，且当粒子直径小于1 mm时，冻雨和冰粒的下落速度接近，均大于雨；当粒子直径超过1 mm时，冻雨下落速度明显减小，而冰粒接近降雨略偏大。纯雪阶段，粒子直径分布较宽，2~4 mm粒子明显增多，雪花的下落速度较冻雨和冰粒明显下降，针对不同的降雪粒子形态，Lee et al(2015)、Locatelli and Hobbs(1974)以及陶然亭(2020)给出了针状雪(蓝色实线)、凇附聚并雪(黑色实线)和未凇附聚并雪(黑色虚线)以及江苏省高速型降雪(平均降雪强度为1.65 mm·h^-1，绿色实线)的不同的粒子直径-下落速度经验公式(图 9c)，对比发现本次过程的速度曲线与凇附聚并雪、未凇附聚并雪和高速型降雪基本平行，位于最上方。当粒子直径小于3 mm时，本次过程的速度最大，当粒子直径大于3 mm时，针状雪的下落速度明显增大，而本次降水粒子下落速度逐渐接近高速型降雪，初步判断与本次降雪雪强相对较大以及雪的形态有关，具体原因需进一步研究。

综上，对比分析雨滴谱仪在本次过程中各阶段降水粒子的粒子直径、数浓度和下落速度等方面特征可见，本次过程中冻雨和冰粒均具有粒子直径小、数浓度小、降水强度小和下落速度大的特征，冻雨比冰粒的粒子略偏大，粒子数偏少，冻雨和冰粒的速度曲线均接近于降雨。降雪相比于冻雨冰粒，具有粒子直径大、数浓度大、降水强度大和下落速度小(＜5 m· s^-1)的特征，但本次过程中雪的下落速度大于凇附聚并雪、未凇附聚并雪和高速型降雪的经验公式，粒子直径越大，越接近于高速型降雪。

6 结论与讨论

本文综合各种气象常规观测资料、风廓线雷达资料、雨滴谱资料以及ERA5再分析资料，对2024年2月20—21日鲁南一次长生命史冻雨和冰粒转雪过程进行分析，得到以下结论：

(1) 此次冻雨和冰粒发生的天气背景为回流形势，具有降水相态复杂、冻雨和冰粒持续时间长、阶段性明显等特点。500 hPa和700 hPa盛行西南风急流，850 hPa以下为东北气流。高空槽前西南暖湿气流沿着低层强冷空气造成明显降温的冷垫滑升，中层暖湿气流与低层东北气流相互作用形成强烈逆温，使“冷—暖—冷”的垂直温度结构得以长时间维持，导致出现罕见的长生命史冻雨和冰粒天气。

(2) 冻雨和冰粒均具有典型冰相融化特征，差异主要体现在地面气温、暖层起始高度和厚度、冷层的高度和厚度。冻雨的地面气温明显较高，近地层的东北风较弱，冻雨的暖层起始高度低并且暖层厚度和强度均大于冰粒，冷层的厚度和强度均小于冰粒。冻雨的2 m气温在-4~-1℃，暖层起始于800 hPa以下，厚度在1000~1300 m，最高气温为3~5℃；冷层厚度在1400~1500 m，最低气温为-8~-6℃。冰粒的2 m气温在-6~-4℃，暖层起始于775 hPa及以上，暖层厚度小于1000 m，最高气温为0~3℃；冷层厚度为1600~2000 m，最低气温在-10~-8℃。

(3) 本次过程降水粒子的雨滴谱特征表现为：冻雨和冰粒的粒子谱特征没有明显区别，均具有粒子直径小、数浓度小、降水强度小和下落速度大的特征，粒子直径分布在0.1~2.0 mm，粒子数浓度约在1~3 mm^-1·m^-3，下落速度在3~8 m·s^-1。但冻雨比冰粒的粒子略偏大，粒子数偏少；二者的速度曲线均接近于降雨，仅当粒子直径超过1 mm时，冻雨下落速度低于冰粒；降雪阶段，粒子谱拓宽，具有粒子直径大、数浓度大、降水强度大和下落速度小的特征。

由于鲁南地区冻雨和冰粒天气过程较少，基于一次过程的多源资料特征分析结论对北方类似过程的层结分布状况和雨滴谱特征的适用性还需要进一步研究。