冻雨，冰雹和冰球对地方和区域的影响外文翻译资料

 2022-12-03 14:37:12

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冻雨，冰雹和冰球对地方和区域的影响

BEN·C·BERNSTEIN

摘要：通过美国大陆6个探测场从气象学方面深入研究了区域和局部对冻雨(冻雨、冰雹和冰球)频率和类型的影响。将出现该降水类型的站点的风玫瑰图与美国大陆其他站点的风玫瑰进行比较。确定了各降水类型长期以来发生时的天气情景和探测结构，并讨论了其可能的形成机制。相对高度小于1公里的站点的地形特征、从海洋到小海湾不同的水体大小以及冬季风暴的主要路径在确定每个地点冻结降水的频率和类型方面发挥了主要作用。研究结果有助于解释美国大陆冰冻降水的区域极大值和极小值，以及某些降水类型在不同部分的主导地位和形成机制。了解这些差异对于正确开发用于诊断和预测地面降水类型的技术，以及了解与高空冻结降水相关的飞机结冰危险事件的发生条件是必要的。

1.介绍

冻结降水已被充分证明是造成财产、公用事业服务线路广泛损坏和地面运输中断的原因。首先从表面现象来看，冻雨和冰雹可从地表延伸到距地面10000英尺或更高的高度，最高可达20000英尺，而且它对飞机来说也同样危险。冻雨和冰雹都会对飞机性能产生显著影响，这可能是最近几次商用飞机坠毁事件发生的一个促成因素。

这些沉淀类型以及冰粒的形成机理已被详细记录。它们的结构和垂直范围已经用遥感探测器进行了检查，使它们的地理分布有了很好的描述。地理研究表明，在邻近美国和加拿大的区域存在最大冻结降水(FZPCP)。这些最大值与主要风暴路径、地形特征和水汽来源有关。斯特拉普等人(1996年)通过最近的高空气象学以及劳伯等人(2000年)通过检查云顶温度(CTT）和高空潜在融化带的存在，证明了最大冻结降水发生的区域差异和可能的形成机制。

为了更密切地研究形成最大冻结降水过程中的区域差异，对美国各地的6个站点的地面风观测、天气尺度天气模式和无线电探空仪数据从气象学方面进行了深入研究，以了解冰冻毛毛雨(FZDZ)、冻雨(FZRA)、冰粒(PL)及其混合物长时间(5小时或更长时间)发生的事件。之所以选择这些地点，是因为它们每年平均发生至少10h的最大冻结降水，并且是在易于获得地面图供研究的时期(1975-90年)定期探测的地点。为了突出局部效应，将1961-90年期间发生冰冻毛毛雨、冻雨和冰粒附近站点的风向分布和所有美国大陆站点的分布相比较。冰粒的形成机制与冻雨和冰冻毛毛雨的形成机制非常相似，表面冰粒的出现意味着冻雨和冰冻毛毛雨的存在。

杨(1978)指出，在最大冻结降水期间，各站的地面风变化很大，考虑到位置和地形的影响，地面风向的差异可能很重要。斯图亚特和艾萨克(1999年)通过揭示哈得孙湾和大西洋对加拿大最大冻结降水的局部影响的重要性来证明这一点，但他们只是简要地推测了其原因。斯特拉普等人(1996年)显示了来自这些湿气源以及波弗特海的类似影响。科尔蒂纳斯(2000年)观察到，几个大湖区的风似乎通过将低水平的高于冰点的空气平流输送到紧接顺风的站来抑制冻雨的发生。本文将更系统地探讨地面风与最大冻结降水增强或抑制的关系及其他潜在关系。

  1. 形成机制

最终确定为最大冻结降水原因的两种机制是碰并过程(CC，或“暖雨”)和“经典”融化过程。碰并过程通常发生在云主要由液态水组成的情况下，高于和/或低于冻结温度。为了实现这一点，云顶温度通常大于-10℃，在这种情况下，预计不会产生显著的降水量。拉斯穆森等人（1995）注意到低浓度的云凝结核和显著的液态水含量(gt;0.25g·m-3)在通过碰并过程将云雾大小的液滴生长成毛毛雨大小中可能是重要的。

经典的融化过程发生在雪落入温度高于冰点的一层大气中，融化形成雨或毛毛雨时，然后落入温度低于冰点的一层空气中变成冻雨或冰冻毛毛雨（FZRA或FZDZ）。人们普遍认为大部分的冻雨都是通过融化过程形成的，霍夫曼和诺曼（1988）发现大约62%的冻雨与高空暖层有关。劳伯等人（2000年)发现，在许多情况下，碰并可能是冻雨的形成过程，因为云顶温度大于-10℃。他们说，在他们研究的所有最大冻结降水案例中，融化过程可能仅占24%。

冰粒也显示可以通过两种方法中的任一方法来形成。哈尼西亚克和斯图尔特（1985年)和泽尔（1997年）对每种方法都使用观测和模拟研究来确定冰粒的主要形成机制，似乎是由于经典融化过程中雪屑的不完全融化。他们得出的结论是，融化区太冷和/或太浅，无法完全融化雪片，冰粒仍然悬浮在雨滴中，随后的过冷导致水滴冻结并形成冰粒。在下面的亚冻结区中完全融化的液滴的冻结则被认为是第二机制。冰粒也可以通过冷冻在碰并过程中形成的过冷毛毛雨液滴来形成。

3.数据集和分析技术

本研究使用的地面数据取自国家气候数据中心太阳和气象地面观测网络数据集。该数据集包括当前天气的每小时和3小时观测，包括降水类型和强度、风速和风向、最高、最低温度和国家气象局观测中出现的其他标准字段。虽然数据涵盖了1961-90年所有时间段，但某些台站的某些年份数据出现了误差，在降水报告方面也存在一些矛盾之处。本研究中使用的207个站点(位置见图1）拥有30年期间完整或接近完整的数据。由于数据中存在一些空白，因此，可以通过将所有观测数据中的最大冻结降水出现次数利用外推法来填充这些空白。这种方法的微小误差仅影响在讨论开始时提到的每个站的最大冻结降水的平均年计数，对讨论的其余主题影响很小或没有影响。

从覆盖1946-92年期间的国家气候变化中心数据库中获得了探测结果。压力、温度（T）、露点、风速和风向等数据在标准和其他重要的层次可用。为了更容易地识别融化区、过冷区和再冻结区以及它们的特征，本文绘制了观测值与高度的关系图。只有在探测器飞行期间对冰冻毛毛雨、冻雨或冰粒进行观测时才能检查观测值。使用0点和12点 世界标准时的国家气象局传真图来分析最大冻结降水事件期间出现的天气尺度地面天气模式。

4.区域气象学

在这一节中，向区域气象学方向延伸，为区域讨论提供一个参考框架。利用所有207个美国大陆观测站的数据，发现了10多万次最大冻结降水观测。其中约44%为冰冻毛毛雨，32%为冻雨，24%为冰粒（图2）。对于出现冻结降水的所有站，冰冻毛毛雨、冻雨和冰粒随风向(每10°)的分布被绘制成图(图3）。这些分布的参差不齐的性质是由于在地面观测中报告的不规则风向的结果。不管天气如何，风向报告的数量也显示出参差不齐的性质。由于这些观测是手动进行的，因此似乎有些人倾向于报告某些风向。例如，170°和190°的风的报告频率大约是180°的一半。可以对这些总体偏差进行调整，但由于它们不太可能在站与站之间保持一致，因此每个降水类型对风向的原始计数保持不变。如果观测时风速较小，则按没有风向计算。

总的来说，最大冻结降水发生时常伴随的风是东北风，不常伴随有南-西南风和西-西北风。这大致与图3b所示的一般风向趋势相反。冻雨风玫瑰图有一个明显的主风向，为东北风到偏北风之间。冻雨值随西南风和西风逐渐减小到接近零，随西北风逐渐增大，随东北风急剧增大。冰粒的模式和冻雨非常相似，但主风向的范围较宽，涵盖了偏北风和偏东风之间的风向。对于比冻雨主风向范围宽的冰粒而言，风向稍偏北的偏移与冰粒事件期间过冷层和/或融化层中稍冷的空气相一致。此外，当冻雨和冰粒同时出现在给定区域中时，冰粒趋于更依赖表面冷空气源，这时风可能具有更多的北向分量。

冰冻毛毛雨最常见的是偏北风，并且在东北风上分布有一个广泛的最大值。随着地面风从东风到南风的顺时针变化，冰冻毛毛雨的出现量逐渐下降，当风从西南偏南风到西北偏西风时，冰冻毛毛雨的出现量最小，当风从西北偏西风到正北风时，冰冻毛毛雨的出现量急剧增加。西南风和西风的最低值较弱，这表明虽然冰冻毛毛雨在这些风向出现的情况较少，但它仍然比冻雨或冰粒更常见。这些结果与伯恩斯坦等人（1998）的结果进行了比较。伯恩斯坦等人指出，冰冻毛毛雨、冻雨和冰粒最常出现在静止锋面和暖锋面的冷面上，位于低压中心的东北侧，在那里，北风和东南风往往占主导地位。该研究表明，相对于天气系统，冰冻毛毛雨发生在更广泛的位置，包括北极高压区的深处，并紧邻低压中心。波利托维奇（1989年)还确定了各种云类型和导致其上升运动的相关因素。冰冻毛毛雨在风向上的较宽分布证实了这些早期研究的结论。

与冻雨和冰粒相比，冰冻毛毛雨对饱和层相对深度的需求可能是其更常发生在有西南风和西风时的一部分原因。由于冰冻毛毛雨的主要形成机制是碰并过程，它可以形成相对温暖的(云顶温度gt;-10℃)，有时小于1000m深的浅云。局部地形和/或湿气源可有助于在它们不会形成或达到产生降水的足够深度的环境中形成或增强这种云。无论冻雨是通过融化过程还是碰并过程形成的，它通常需要更大的云深，当表面风是西南风到偏西风时，这在大多数美国大陆的案例中是罕见的。如果碰并是冰冻毛毛雨的形成过程，则液滴生长到冻雨尺寸需要更长的停留时间。如果融化是冰冻毛毛雨的形成过程，那么通常需要更深的云来覆盖在高空形成雪时所需的温度范围，随后落入融化层，然后是基于表面的过冷层。

  1. 指定地区的冻结降水

在本节中，将检查国家气象局地面图和探空数据中在选定的站点观测的最大冻结降水达5小时或更长时间的案例。在选定的案例中，最大冻结降水最多允许2小时的中断。对于要考虑的情况，最大冻结降水必须在探测器飞行期间（11点、12点、23点或0点 世界标准时）发生。本节讨论的“纯”冻结降水是指在探测时间plusmn;3小时内仅发生一种最大冻结降水类型的案例。其他降水类型，如雪，可以混合成纯事件。讨论了各站点的冰冻毛毛雨、冻雨、冰粒出现时风向的分布情况，并与美国大陆其他站点的总体分布情况进行比较。对于常见的最大冻结降水方案，给出了从几个案例中汇编的典型地表图和探测结果。表1列出了所有场地的探测统计数据。

a.科罗拉多州丹佛市

美国中西部的平原有最多的最大冻结降水案例发生。丹佛位于其西部，每年会有约13h的最大冻结降水，其中94%为冰冻毛毛雨，3%为冻雨，3%为冰粒（图2和4）。丹佛发生冰冻毛毛雨时的风玫瑰图(图5a）表明，几乎所有的地面风都是北风到东风之间。这种分布与丹佛位于落基山脉以东和帕尔默分水岭以北，以及其南面存在一个700米高的高地有关(图6）。风向在南风到西北风之间倾向于造成低空干燥，而风向在北风和东风之间则是上坡，更可能形成云和冰冻毛毛雨。除了一次冰冻毛毛雨案例外其他所有案例，丹佛都在北极冷锋通过之后发生了冰冻毛毛雨，当时高压中心在大平原北部上空(图7a、b）。在大约40%的事件中，科罗拉多州南部的一个低压中心与大平原高压中心共同作用，产生上坡气流(图7c）。

西北偏北风的冰冻毛毛雨的出现有时与“丹佛气旋”有关，这是一种局部气旋性环流，当地面高压中心向南移动到中原各州或低压位于南方时形成(图7b、图7c)。丹佛气旋已经在丹佛地区已经有几个记录完整的冰冻毛毛雨案例。探空资料表明，由于不存在融化层，三个主要天气系统中的所有冰冻毛毛雨都是通过碰并过程形成的。过冷云层的深度为300-1800米，最低温度（Tmin）为-14℃到-5℃(表1），通常由干燥空气和上面的下坡风覆盖。这些结果与杰克（1996）和斯特拉普等人（1996年)的结果一致，他们也发现了类似的探测结构，并注意到冰冻毛毛雨在丹佛的主导地位。

已经提出了通过碰并过程增强冰冻毛毛雨形成几率的几种机制。库珀（1989）和波班兹等人（1994）提出，云顶处的不均匀混合可能有助于增大这种云中的液滴尺寸。提出云顶风切变可以增强这种混合过程，可能导致冰冻毛毛雨的形成。伯恩斯坦和波列托维奇（1996）发现，在一次丹佛冰冻毛毛雨事件中，位于云顶下方的类似剪切层与液滴尺寸的显著增加有关。科伯等人（1996）还在含有冰冻毛毛雨的层状云内发现切变线。他们指出，气溶胶浓度低时有利于碰并过程的发生，因为它提供的云滴分布较少，包括一些直径大于40微米的云滴在云顶没有遇到，但在距云顶100米范围内存在半径为100微米的液滴。拉斯穆森等人（1995）注意到切变线可能也会促进冰冻毛毛雨的发生，但强调了暖云顶（云顶温度gt;-10℃)的重要性，该暖云顶抑制了云顶冰晶的形成、低浓度云凝结核的存在以及0.25g·m-3或更高的液态水含量。目前，尚未就这一问题达成共识，还不清楚提高液滴尺寸的主要机制是什么。

通过比较丹佛和科罗拉多州泉的风玫瑰图(图5b和6），证实了帕尔默分水岭对于冰冻毛毛雨在该区域发生的重要性。科罗拉多州温泉位于帕尔默分水岭的南侧，东南方向的风是上坡风，而北向或西向的风是下坡风。这种差异在风玫瑰图中非常明显，这表明几乎所有的冰冻毛毛雨都发生在那里的东南风中。显然，地形对丹佛地区冰冻毛毛雨的形成起着重要作用。丹佛位于一条常见的冬季风暴路线的西北侧，这条路线从科罗拉多州东南部附近一直延伸到五大湖中部。丹佛位于低压中心东北部扇形之内的地理位置并不常见，在本文研究的15个案例中，也有3个案例发生了最大冻结降水，尤其是通过融化过程形成的最大冻结降水。这也可以部分解释最大冻结降水在堪萨斯州和科罗拉多州发生的强烈梯度，以及最大冻结降水类型是冰冻毛毛雨降落在平原的高百分比(图4b），因为相对于天气尺度天气系统，冰冻毛毛雨降落在比冻雨和冰粒更广泛的不同位置。

冻雨和冰粒在丹佛极为罕见，尽管偶尔会有风暴，它将南部或西南部的强大低压与北部的北极气流相结合。虽然这种系统有时会给丹佛地区带来显著降雪，但却很少带来冻雨和冰粒天气。除哥伦比亚盆地外，冻雨和冰粒，以及可能的经典融化过程，一般很少发生在经度100°以西。劳伯等人（2000年)支持这一说法，因为他们所研究的高平原观测中只有极少数同时具有云顶温度lt;-10℃和潜在的融化区。他们的研究表明，在整个大平原上，融化过程的发生存在明显的由西向东的梯度。

b.华盛顿斯波坎

斯波坎位于哥伦比亚盆地区域最大冻结降水最大值内，正好位于其西南部；2公里高的比特鲁山脉范围内[图8；斯波坎机场位于平均海平面（MSL）732米以上的位置]。该场地每

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