1. 引言
我国西南地区地势西北高东南低，靠近地球上最大的高原——青藏高原，具有典型的低纬度高原特征。云贵准静止锋是冬季影响我国西南地区的最主要天气之一，与该地区的降雨、降雪、冻雨等天气具有密切的联系 [1] 。低温雨雪冰冻天气是我国低纬度高原地区冬季多发灾害性天气，而贵州是我国出现冻雨最频繁的省份，占总数的84% [2] [3] 。严小冬等指出，贵州冬季冻雨时空分布受海拔、静止锋和不同冷空气厚度等因素影响，主要表现为西部多、东部少、中部多、南北少 [4] ，位于贵州中部的贵阳龙洞堡机场也是南方地区为数不多的易受到冻雨影响的机场之一。雨雪天气能使跑道结冰，影响飞机起降，飞机起降穿过富含过冷水的云层时，常常造成飞机积冰，严重影响飞行安全。
现阶段对于雨雪凝冻灾害已有许多研究。雨雪天气是中高纬度和低纬度天气系统相互作用的结果，高守亭等研究发现，中高纬乌拉尔山阻高、低纬印缅槽、高层的副热带高空急流、锋区、低层的云贵准静止锋以及中低层的西南低空急流是造成贵州冻雨最直接主要的影响系统 [5] 。早在1973年，冻雨的“三层模式”就已经被中央气象台提出。而曾莉萍等在后续的研究中发现，“冷–暖–冷”的温度垂直结构并不是冻雨发生的必要条件，降雪和冻雨发生时的温度垂直分层可以同为“三层模式” [6] 。温湿垂直结构是对降水相态的关键因素之一，冻雨与融化层厚度、温度和相对湿度的增加有密切关系，次冻结层厚度增加或温度降低有利于冰粒形成，较高的云顶高度及云下温度 < −5℃有利于过冷雨滴再冻结为冰粒或雨夹雪 [7] 。
目前，对贵阳机场雨雪天气过程个例的分析还较少，本文通过对贵阳机场一次雨雪过程的发生发展、影响的天气系统、各气象要素的变化情况、雨雪相态转换进行诊断分析，以期为后续雨雪差异化研究积累预报经验。
2. 资料与方法
本文利用中国地面气象台站2400站的常规观测资料、ERA5分辨率为0.25˚ × 0.25˚的逐小时大气再分析资料、贵阳机场的自动气象观测数据、57816贵阳站的探空数据，采取插值、逐步订正、统计分析的方法，探讨了环流形势、垂直结构以及一些云中物理量特征。
3. 实况概要
2023年1月15日开始至1月18日，贵阳机场出现长达4 d的低温雨雪天气。从贵阳机场实况观测资料(表1)来看，降水类型涉及雨夹雪、冻雨等，降水相态复杂多变，出现多次转换，可以将其分为3个阶段：其中15日早晨、17及18日夜晨(北京时，下同)为混合型降水，15日白天为固态降水，16日夜间为过冷降水，整个过程降水量较少，仅0.5 mm。从气温变化来看(图1)，14日夜间起受强冷空气影响气温骤降，15日16时跌破0℃，其后仅16日夜间短时高于0℃，24小时最大降温11℃，最低温−2.9℃出现在17日早晨，达到我国冷空气等级国家标准中的寒潮标准，18日以后温度回升，雨雪过程结束。运行方面，由于剧烈降温和雨雪影响，贵阳机场对航班进行调时，15日出港航班193架次全部除冰，16~18日对部分出港航班除冰。
Table 1. Summary of observations and statistics of rain and snow weather processes at Guiyang Airport from January 15~18, 2023 (Beijing time, the same below)
表1. 贵阳机场2023年1月15~18日雨雪天气过程观测统计一览表(北京时，下同)
Figure 1. Schematic diagram of hourly temperature changes at Guiyang Airport from 20:00 on the 14th to 20:00 on the 18th (unit: ˚C)
图1. 贵阳机场14日20时~18日20时逐小时实况温度变化示意图(单位：℃)
4. 天气形势分析
2023年1月14日20时，欧亚中高纬度呈现一槽一脊(图2(a))，有明显的阻塞形势，阻塞高压位于乌拉尔山附近向北隆起挤压西风带，使得径向环流增强，形成倒“Ω”环流形势。阻塞高压前部存在一条正在转竖的横槽，并配合较强的温度槽，槽后西北气流强盛。同时，西西伯利亚有一冷涡中心，深厚的低压槽自冷涡中心呈东北–西南方向伸出，延伸至我国西北地区。二者相互配合引导冷空气大举南下。中低纬可见南支槽活动明显，西南气流强盛，建立了良好的水汽通道。中低层上，从700 hPa来看(图2(b))，川渝北部有切变存在且缓慢南压，贵州受西南低空急流影响，16日急流中心最大风速达20 m/s，较强的暖湿气流的输送有利于加大低空逆温梯度，利于低空水汽辐合。影响贵州地区的急流先增强后减弱，这可能是造成此次过程雨雪相态多次转换的主要原因之一；温度变化上，14日夜间0℃等温线已到达贵州中部，15日夜间−4℃线影响贵阳。从850 hPa来看(图2(c))，贵州位于冷高压底前部，盛行东北气流，云贵之间有等温线密集带，为准静止锋区，冷空气以东北路径渗透入侵，0℃等温线抵达贵州北部并持续南进。地面冷高压主体位于我国新疆以北(图2(d))，中心强度达1055 hPa，从移动来看，冷空气南下过程迅速，在48 h内冷锋由河套平原推至长江以南，等温线密集，锋面特征明显，冷空气受横断山脉阻挡在云贵之间形成了较强的准静止锋，贵州处于准静止锋后，东北冷空气输送维持稳定，被低温雨雪天气控制。
(a) 500 hPa (b) 700 hPa
(c) 850 hPa (d) 地面注：(a)~(c)实线等值线：位势高度，单位：dagpm；虚线等值线：温度，单位：℃；风杆：风矢量，单位：m∙s−1；五角星：贵阳机场；(d)等值线：海平面气压，单位：hPa；虚线等值线：温度，单位：℃；风杆：风矢量，单位：m∙s−1；五角星：贵阳机场。
Figure 2. (a) Schematic diagram of the altitude, temperature, and wind fields at 20:00, 500 hPa on January 14, 2023; (b) Schematic diagram of the altitude, temperature, and wind fields at 20:00, 700 hPa on January 14, 2023; (c) Schematic diagram of the altitude, temperature, and wind fields at 20:00, 850 hPa on January 14, 2023; (d) Schematic diagram of the ground sea level pressure and wind field at 20:00 on January 14, 2023
图2. (a) 2023年1月14日20时500 hPa高度场、温度场和风场示意图；(b) 2023年1月14日20时700 hPa高度场、温度场和风场示意图；(c) 2023年1月14日20时850 hPa高度场、温度场和风场示意图；(d) 2023年1月14日20时地面海平面气压场和风场示意图
5. 物理量诊断分析
5.1. 水汽分布
西南暖湿气流和由高纬南下变性的大陆冷气团在云贵高原由于地形阻滞而形成的云贵准静止锋是冬季最常影响贵州的天气系统。根据14日20时相对湿度及风温场发现，700 hPa西南气流和850 hPa东北回流冷空气及以下是贵阳机场本次雨雪过程的主要水汽来源通道(图3(a)~(b))，杨凤婷等在对比贵阳机场3次雨雪天气中指出，深厚的湿层往往对应较强的雨雪过程 [8] ，而本次过程的水汽集中在低层(图3(d))，这也解释了为何过程降水量仅有0.5 mm。15日开始，低层冷垫明显增厚，700 hPa下降到−4℃，随着温度降低，贵阳机场的降水相态由雨夹雪转为雪。16日夜间700 hPa西南气流加强为西南急流(图3(c))，暖湿水汽通道增强，预示相对融化层的增强，这是降水相态向冻雨发生转换的关键因素。17、18日700 hPa急流虽然维持，但冷空气进一步补充以后相对融化层被有所削弱，混合降水成为降水的主要相态。
(a) (b)
(c) (d)注：绿色阴影：相对湿度，单位：%；等值线：温度，单位：℃；风杆：风矢量，单位：m∙s−1。
Figure 3. (a) Schematic diagram of relative humidity and wind temperature fields at 20:00, 700 hPa on January 14, 2023; (b) Schematic diagram of relative humidity and wind temperature fields at 20:00, 850 hPa on January 14, 2023; (c) Schematic diagram of relative humidity and wind temperature field at 23:00, 700 hPa on January 16, 2023; (d) Schematic diagram of the vertical profile time series of relative humidity and wind temperature at Guiyang Airport from January 14th to 19th, 2023
图3. (a) 2023年1月14日20时700 hPa相对湿度和风温场示意图；(b) 2023年1月14日20时850 hPa相对湿度和风温场示意图；(c) 2023年1月16日23时700 hPa相对湿度和风温场示意图；(d) 2023年1月14~19日贵阳机场相对湿度和风温垂直剖面时序示意图
5.2. 云物理分析
冬季层状云降水中的混合层状云(水–冰混合云)降水是造成冻雨雪主要的降水云型。曾莉萍等研究发现，冻雨与雪之间的相态转换与温度的垂直分布、云系高低及云顶温度的高低有密不可分的关系 [6] 。冻雨期间水汽的辐合中心集中在中低层，而降雪期间高湿区向上发展的高度远高于冻雨 [9] 。由于静止锋坡度小，层结又是下冷上暖，因此，气层相当稳定，云内上升气流弱，汇集于逆温层下的水汽(云)在空中碰撞合并的机会很少，所以云中水汽分布呈现明显的分层现象。高的云水含量往往对应冻雨，而降雪开始后云水含量会逐渐减弱消失，整层出现云冰含量区并维持 [10] 。通过分析各时段云中冰、水相态分布可以对降水相态的转换有更进一步的认识。
15日凌晨冷空气加入后，云中温度低于0℃，850 hPa云中水汽相态开始由液态水转换为冰晶(图4(a))，同时大气中的雪水含量显著增加(图4(c))，云顶高度在600 hPa附近，云中粒子呈现水滴高、冰晶低的分层明显，700 hPa是冰晶与液态水的分界线，该层以上二者以混合物的形式共同存在。液态水含量在15日早晨达到大值，随着冷空气的逐渐加入，液态水滴向冰晶发生转换，这与15日早晨——白天的雨夹雪转雪有很好的一致性。
16日夜间至17日早晨，云中液态水、冰晶以及大气雪水无论是含量还是高度分布都相较15日有明显所下降(图4(d)~(f))，二者混合集中于700 hPa附近，水滴分布略高于冰晶。16日20至17日00时，受增强的西南急流融化层影响，云中液态水含量增加，雨滴在下落的过程中来不及冻结，对应了零星冻雨的出现。后半夜随着冷空气的继续加入和700 hPa西南急流稍有减弱，液态水开始向冰晶转换，很好地解释了17日早晨冻雨夹雪的发生机理。
(a) 
(b) 
(c) 
(d) 
(e) 
(f) 
(g) 
(h) 
(i)注：((a)、(d)、(g))蓝色阴影：比云冰含量，单位：kg∙10−6∙kg−1；红色虚线：温度，单位：℃；((b)、(e)、(h))蓝色阴影：比云中液态水含量，单位：kg∙10−4∙kg−1；红色虚线：温度，单位：℃；((c)、(f)、(i))蓝色阴影：比大气雪水含量，单位：kg∙10−7∙kg−1；红色虚线：温度，单位：℃。横坐标为时间，单位为日、时(1720代表17日20时)。
Figure 4. (a) Schematic diagram of the vertical distribution time series of ice water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 14, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 15, 2023; (b) Schematic diagram of the vertical distribution time series of liquid water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 14, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 15, 2023; (c) Schematic diagram of the vertical distribution time series of atmospheric snow water content and temperature at Guiyang Airport on January 14, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 15, 2023; (d) Schematic diagram of the vertical distribution time series of ice water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 16, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 17, 2023; (e) Schematic diagram of the vertical distribution time series of liquid water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 16, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 17, 2023; (f) Schematic diagram of the vertical distribution time series of atmospheric snow water content and temperature at Guiyang Airport on January 16, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 17, 2023; (g) Schematic diagram of the vertical distribution time series of ice water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 17, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 18, 2023; (h) Schematic diagram of the vertical distribution time series of liquid water content and temperature in the clouds at Guiyang Airport on January 17, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 18, 2023; (i) Schematic diagram of the vertical distribution time series of atmospheric snow water content and temperature at Guiyang Airport on January 17, 2023, from 20:00 to 20:00 on January 18, 2023
图4. (a) 2023年1月14日20时~15日20时贵阳机场比云中冰水含量及温度垂直分布时序示意图；(b) 2023年1月14日20时~15日20时贵阳机场比云中液态水含量及温度垂直分布时序示意图；(c) 2023年1月14日20时~15日20时贵阳机场比大气雪水含量及温度垂直分布时序示意图；(d) 2023年1月16日20时~17日20时贵阳机场比云中冰水含量及温度垂直分布时序示意图；(e) 2023年1月16日20时~17日20时贵阳机场比云中液态水含量及温度垂直分布时序示意图；(f) 2023年1月16日20时~17日20时贵阳机场比大气雪水含量及温度垂直分布时序示意图；(g) 2023年1月17日20时~18日20时时贵阳机场比云中冰水含量及温度垂直分布时序示意图；(h) 2023年1月17日20时~18日20时贵阳机场比云中液态水含量及温度垂直分布时序示意图；(i) 2023年1月17日20时~18日20时贵阳机场比大气雪水含量及温度垂直分布时序示意图
17日夜间至18日凌晨的水汽分布与17日早晨情况类似(图4(g)~(i))，云中冰、水仍然混合存在，而大气中雪水含量的增加与该时段的冻雨夹雪时段也基本一致。18日以后冷空气及水汽都趋于减弱，温度回升，降水过程结束。
5.3. 大气垂直结构分析
贵阳机场降雪、雨夹雪温度层结整层均为冷性结构，冻雨存在逆温层，呈“冷–暖–冷”分布 [11] 。根据1月15~18日过程期间贵阳实况探空资料来看，温度层结具有冷性结构，虽存在逆温，但其没有超过0℃，只存在理论意义上的“相对融化层”，为“非典型冻雨”结构。
对比分析三个降水阶段的垂直探空图(图5)，整个过程的湿层高度呈现逐渐降低的趋势，15日白天的湿层高度达到600 hPa附近，云顶温度至−10℃以下，是15日白天产生降雪的关键温度条件。16日后随着湿层高度的逐渐降低，水汽更集中在700 hPa以下，而逆温底气温大多为−8℃左右，这是过冷水与冰晶粒子共存的环境温度，配合地面气温持续低于0℃，降水相态可表现为冻雨/冻雨夹雪。
(a) 15日08时 (b) 16日20时 (c) 17日08时注：蓝线：层结曲线；绿线：露点曲线；红线：状态曲线。
Figure 5. Schematic diagram of the T-logP of Guiyang Station
图5. 贵阳站实况T-logP示意图
6. 结论
2023年1月15~18日，贵阳机场出现持续4 d的低温雨雪天气。该过程持续时间较长、降水相态复杂。本文按照雨雪特点将其分为三个阶段，对各阶段雨雪成因开展了诊断分析，主要结论如下：
1) 1月14日起的强冷空气活动影响及锋区南进西推，在云贵之间形成了较强的准静止锋，处于准静止锋后是贵阳机场出现低温雨雪天气的重要原因。
2) 700 hPa西南气流和850 hPa及以下东北回流冷空气是贵阳机场本次雨雪过程的主要水汽来源通道。中高层水汽含量少，湿层浅薄，是使整个过程以弱降水为主，降水量仅0.5 mm的原因。
3) 14日夜间起，强冷空气南下影响贵阳机场，冷平流发展强烈，各层温度迅速降低，是导致15日白天降水相态由雨夹雪转换为雪的重要原因。
4) 系统性冷空气侵入到对流层低层是导致15日降水从雨夹雪转变成降雪的主要机制。16日以后影响贵阳机场的700 hPa急流先增强后减弱，配合850 hPa以下温度持续下降是产生雨雪相态多次转换的关键。
5) 700 hPa是云中冰晶与液态水的分界线，云中水汽相态分布呈现明显的分层，16日以后云中冰雪层变薄，云冰、云水含量共存且有阶段性变化是导致降水相态多次转换的直接原因。