T-InP图在冬季降水类型判别中的应用

参考阅读： https://www.nssl.noaa.gov/education/svrwx101/winter/types/

从云中降落到地面各类水汽凝结（华）物统称为降水。按照相态可以分为液态降水和固态降水。我国东部地区冬季降水类型主要包括雨、雪、雨夹雪、冰粒、冻雨等。对降水相态的正确预报非常重要。假如24小时累计降水量为5mm，若相态是雨，则只是小雨，对城市运行和生活生产不会造成多大影响；若相态是雪，则5mm是大雪量级，对社会的影响就非常大。如果降水相态是冰粒或者冻雨时，则对交通、电力、通讯、建筑等造成严重危害。2008年1月底到2月初中国南方发生的持续性冰冻雨雪过程，其影响范围之广，强度之大，持续时间之长为历史罕见，给我国国民经济造成了严重损失。下面首先简要介绍各种相态降水的形成机制，然后说明T-InP在雨、雪、冰粒和冻雨判别中的应用。

不同相态降水的概念及形成机制

不同相态降水的生成涉及云物理学知识，这里只做简单介绍。

云中水滴和冰晶

在纯水汽环境中，相对湿度需要达到百分之几百，水汽才开始凝结形成水滴（同质核化）。实验指出，相对湿度达到700-800%时，才能在纯净空气中形成十分微小的水滴胚胎，这些小胚滴在相对湿度小于700%时迅速蒸发消失。而实际大气中，由于总是有足够的凝结核存在，所以相对湿度刚刚超过100%，就会发生凝结现象（成云）。若具有凹面，即使不饱和（相对湿度小于100%）情况下也会形成小水滴。

一般认为，水温降低到0℃以下就会结冰，但是云中冰晶生成，温度降到0℃这一个条件是不够的。对于纯水微滴，温度一直降到-40℃以前不会产生同质冻结，而存在合适的核时，只要低于零下几度就可以产生冻结。大气中的冰核很少，远不如凝结核那么丰富，因此水滴处于过冷却状态很常见，-15℃或更低的过冷水也不少见。冰核浓度随时空变化很大，当温度为-20℃时，典型的冰核浓度为每升1个。

雨

雨是从云中降落到地面的液态水滴。云中的云滴增长为雨滴，有两种过程。

一种是云中有冰晶和过冷水同时共存，在同一温度下（-10℃到-20℃最有利），冰晶的饱和水汽压小于水滴的饱和水汽压，致使水滴蒸发并向冰晶上凝华，这一过程被称为“冰晶效应”，冰晶效应促使云滴迅速增长而产生降水。在中高纬度，云内的“冰晶效应”非常重要，当云层发展很厚，云顶温度低于-10℃时，云的上部具有冰晶结构（如As,Ns，Cb等）时，就会产生强烈的降水。其中上层（约-20℃）的冰晶作为低层降水所需的胚胎，云的中层（约-15℃）提供迅速扩散增长的良好环境，低层（-10℃到0℃之间）降水快速增长。

另一种是云滴的碰并增长（简称碰并）作用。在云顶温度高于0℃的云内，碰并作用起了非常重要的作用（暖云降水），在低纬度和中纬度夏季，因为-10℃较高，有些云往往发展不到这个高度，云中只有水滴，不含冰晶。当云层较厚时，在云滴碰并作用下也能产生较强的雨。而当云层较薄时，当云内完全有水滴组成（如St,Sc等）时，只能降毛毛雨或小雨。

雪

雪是由冰晶组成的降水，到达地面时大多是雪花而不是一个个的冰晶。雪花的大小不均，一个雪花所含的冰晶随着雪花增大而增加，一个雪花往往有多达几十个冰晶组成。一个下落的冰晶，通过过冷却水滴和冰晶组成的云中，将因水滴碰冻或冰晶碰连而增长，其中碰冻增长会形成淞附结构的霰，而碰连增长则形成雪花。明显的碰连现象仅在温度高于-10℃条件下，才可能发生。

图 当从云底到地面的温度都保持在0℃以下时，降水类型为雪（取自NSSL）

冻雨

冻雨也被称为雨凇，是指低于0℃的雨滴在略低于0℃的空气中保持过冷状态（过冷雨滴），外观为一般雨滴形态，当它落到温度低于0℃的地面（包括地物）上时，立即冻结为外表光滑而透明的冰层。冻雨的形成机制可分为两种。

一种是暖雨机制，即雨滴的形成过程中，基本无冰相例子参与，云滴通过碰并增长为雨滴，雨滴下落到过冷层后，称为过冷水滴，落地地面冻结。

一种是经典的融化机制（冰晶层-暖层-冷层模式），云中的雪花或冰晶形成后（云顶伸展到-10℃以上），先下落到中层融化层变为雨滴，然后下落到过冷层成为过冷水滴，最后落到地面冻结。我国北方地区的冻雨形成机制以经典的融化机制为主，而南方地区则两种机制都存在，以暖云机制为主。

图 当雪花在到达地面前完全融化为雨滴，在达到地面前称为过冷水滴，当接触等于或低于0℃地面再次冻结，形成冻雨（取自NSSL）

冰粒

冰粒是指透明的丸状或不规则的固态降水，质地较硬，着硬地一般反弹，直径通常小于5mm。有时冰粒内部还有未冻结的水，如被碰碎，只剩下破碎的冰壳。冰粒的形成机制也分为两种。

一种是经典的融化机制，类似冻雨，区别在于融化层较弱，雪花或冰晶只是部分融化，进入冷层后重新冻结，最后以固态粒子落地。少数个例中由于融化层较强，雪花完全融化，进入深厚的冷层中重新冻结。

另一种是暖雨直接冻结机制，云中无雪花或冰晶，毛毛雨直接在冷层中冻结为冰粒落到地面。

我国冰粒天气形成机制主要以融化机制为主。冰粒天气的云顶高度普遍高于冻雨天气，冰粒天气的暖层厚度和强度均小于冻雨天气，有利于冰晶和雪花只是部分融化，从而在过冷层中完全冻结，以固态落到地面。

图 融化机制，雪花下落时部分融化，在达到地面前再次冻结，形成冰粒（取自NSSL）

不同相态降水的探空特征

对于预报员而言，不可能在预报是深究降水过程的微物理过程。生成何种类型的降水与垂直温度特征有密切的关系。不管是哪种类型的降水，都需要满足水汽条件和垂直运动条件，在此基础上，若能结合探空反映的垂直温度特征，可以更好做好相态的预报。Raisa等(2016)将雪、雨、冰粒、冻雨的温度廓线做了对比（下图），可以看到，雪的整层温度低于0℃；雨在中高层的温度低于0℃，低层的温度均高于0℃；冰粒和冻雨的中低层均出现了逆温，并且近地面及地表温度均小于0，相比而言，冰粒的暖层厚度和强度均小于冻雨。需要注意的是，上述只是简化的对比四种降水类型的垂直温度特征，并且是国外的，模型，实际情况会比这个复杂。

图 不同类型冬季降水探空模型（取自Raisa L et al, 2016）