冻雨的气象学研究

2008年发生在中国南方罕见的冰冻雪灾，使全国大范围的铁路停运,航班取消 ，道路阻塞
，而更严重的是湖南、广西 、贵州的高压输电线因冰冻不堪重负，塔倒线断 ，造成大面积停电
，究其原因有两种可能性：

1) 在冻雨荷载作用下，输电线的拉力有可能超过其极限拉应力 ，致使输电线被拉断；

2) 电线塔的设计强度不够,可能在输电线的张拉力下产生很大的顶端位移
，从而产生失稳破坏。

输电线的跨中挠度与跨度设计值一般满足f / L ≤0. 125 的条件，因此输电塔—导线模型可以简化为具有柔性支承的微斜索模型进行计算 。

选取某一110 kV 输电线路中的一段进行算例分析
。塔高34 m,为钢桁架结构,导线跨度400 m,两端等高
、铰接支座 ，导线采用数根分裂导线等价为一根索的简化方法。导线的材料参数如下：L GJ2240/ 40,水平跨度400 m,垂度6. 128 m,自重0. 96 kg/ m,直径21. 66 mm,弹性模量76 000 N/ mm2,初始张力为31. 47 kN 。导线的冻雨质量计算方法采用文献[ 6 ]中的方法，取导线冻雨质量为mi = 7. 19 kg/ m
。冻雨重量可以简单的看成是以静载的形式加于导线上
，成为导线自重的一部分。

计算时取n = 1,2,3 三阶进行计算 。

从统计结果可以看出，冻雨荷载作用下输电线的动力响应远远大于无冻雨荷载作用的情况 ，这种张力的增大使冻雨荷载作用时输电线的张力较无冻雨荷载时易达到其破坏应力
。同时
，冻雨情况下塔架顶端的位移也出现大幅度增长，最大值可以达到约1 m。这么大的位移会使塔中产生很大的弯矩和剪力 ，使输电塔产生失稳破坏 。还可以看出
，塔—线体系中导线较单导线的位移增长了21. 8 %,张力增加了18. 8 %,塔顶位移增长了18. 79 %,这表明塔—线体系对导线以及塔的动力响应有不可忽略的影响。 结论：

1) 冻雨荷载作用下输电线的动张力较无冻雨荷载时大，这种增长幅度可以达到4 倍～5 倍
。初步解释了输电线在冻雨荷载作用下拉断的原因。

2) 冻雨荷载作用下的张拉力会使塔顶产生比无冻雨荷载时大的位移 ，进而引起塔中弯矩和剪力的增大
，从而增大输电塔产生失稳倒塌的几率 。

3) 塔线体系对导线以及输电塔的动力响应有不可忽略的影响
。 冻雨和雾凇、雨凇比较

形成条件

冻雨过后一般会形成雨凇或雾凇的景观。雨凇与雾凇形成的条件非常苛刻，一般只能形成在气温为0～ - 10 ℃的雨 、雾天气中；由于大气中凝结核较充足而冻结核常常短缺 ，受曲率约束飘浮在空中的雾滴和下落雨滴常可低至- 40 ℃也不冻结
，称为过冷却雾滴与过冷却雨滴，通称为过冷水,两者的区别仅仅在于过冷却水的大小不同 ，雾滴的大小在3～100μm,而雨滴的大小介乎于0. 1～8 mm;虽然它们在大气中可以保持液态，一旦接触到温度低于0 ℃的任何物体
，就会在其上迅速冻结，形成千姿百态的凇结体 ，并迎风生长；又因为冻结的水量多寡
、方式不同
，其色泽、形态各异，使周围的一切披上了冰清玉洁的外衣 ，造就了一个水晶宫般的童话世界 。雾凇和雨凇常常同时发生或者交替出现,对供电线路造成极大伤害
，形成严重的气象灾害
。如果飞机飞行在过冷云中，不慎进入过冷却水丰水区后 ，以60～100 m / s的高速度撞冻大量过冷却水
，机身大量覆冰后，极易酿成机毁人亡的空难。

雾凇 、雨凇简介

雾凇可以分为两种 ，晶状雾凇是过冷却雾滴在温度< 0 ℃的物体迎风面撞冻而形成的
，呈半透明毛玻璃状,密度比较大，形成时风速较大；粒状雾凇是由于冰面与水面的饱和水汽压差 ，使得过冷却雾滴蒸发，雾凇凝华增长而形成的
，呈乳白色松脆粒状起伏，密度比较小 ，形成时风速不大 。过冷却水比较充足一般形成晶状雾凇
，过冷却水比较少一般形成粒状雾凇
。雾凇还可以分为叶形
、毛耸形、针形 、扇形、片形等亚类。

雨凇是过冷却雨滴或毛毛雨滴在温度< 0 ℃的物体上撞冻而形成的,在物体任何表面均可形成，雨量不大时在迎风面增长较快 ，雨量较大时反而在背风面快速增长
，风速较大时有一定交角，呈透明玻璃状或半透明毛玻璃状 ，坚硬光滑或略有隆突
，密度很大 。雨凇也可以分为梳状
、椭圆状、匣状 、波状等亚类
。

雾凇
、雨凇成因

关于雨凇和雾凇复合积冰的成因，根据云雾物理学原理,我个人认为最关键的有两点：一是下垫面物体温度< 0 ℃ （0～ - 10 ℃） ，二是低空（3 000 m以下）有丰富的过冷却水
，气层温度主要在0～ - 15 ℃，有丰富的凝结核和水汽供应 ，而缺乏冻结核（成冰核）。雨滴在下落时温度一般比环境温度低2～4 ℃，由于受曲率约束
，可低至-40 ℃而保持液态，一旦碰到有冻结核 ，或者落在曲率减小的表面,可以瞬间冻结
，而形成雨凇和雾凇，这是典型的云降水物理理论中的成冰过程 。也是人工影响天气技术中冷云催化的理论基础。

影响积冰强度的两个主要因子是大气中过冷却水的含量和输送过冷却水滴的速度 ，对雾凇而言是风速
，对雨凇而言是雨滴下落末速度，其次还涉及物体对过冷却水滴的捕获系数和冻结系数
。此外 ，如果近地层在长期低温阴雨的情况下维持较高的湿度
，虽然对于水面是不饱和的，但如果对冰面是饱和的 ，水汽就会在原有凇结体上凝华凇附
，如果这样的条件持续时间长，凝华凇附量会非常惊人 ，这次冰冻灾害中见到的输电线外包裹近乎同心圆的覆冰，就是这样形成的。

冻雨与逆温层

逆温层是锋区、锋面等典型层状云降水普遍存在的低空层结
，不是一定发生冻雨的充要条件，只要近地层（3 000 m以下）有丰富的过冷却水 ，气层温度在0 ～- 15 ℃
，有丰富的凝结核和水汽供应 。 前苏联科学家柴莫尔斯基在1940年代提出过欧洲高纬度冻雨形成的，当时对云降水物理过程的了解还非常朦胧,用云降水物理知识来理解
。

高层雪花冰晶进入融化层融化成雨滴 ，再进入负温层冷却至过冷却状态的可能性。首先
，雪花冰晶融化成雨滴后，下落速度比较快 ，典型雨滴（直径1～3 mm）的下落末速度在1～5 m / s,左右
，雨滴在下落过程中有保持高层较低温度的倾向（热滞后效应），在绝热递减层结大气中下落2 000 m的雨滴 ，由于与环境的热交换来不及
，因而雨滴温度通常比环境温度低，对于3 mm的雨滴温度可以比环境温度低4～5 ℃ ，对于1 mm的雨滴温度可以比环境温度低1～2 ℃ 。因而，在冻雨形成解释的逆温层概念模型中
，假想3 000～2 000 m是由雪花冰晶组成的云，2 000～1 000 m是逆温层,环境温度可以有2 ℃ ，雪花与冰晶融化成雨滴；通过前面的讨论
，由于雨滴线到来之前，从底层到高空基本上是持续的“ND ”区
。

飑线经过测站时 ，中层的“ND
”区很快消失
，底层和高层的“ND”区都逐渐抬升萎缩，直至消失 ，表明测站周围大气中的水汽含量随着飑下落过程中与环境热交换不平衡,有保持高层温度倾向的热滞后效应
，在逆温层中下落的雨滴温度将比环境高，即便地面温度低 ，也不会瞬间冻结。另外
，雪花冰晶融化成雨滴后，雨滴中有成冰核 ，一旦进入负温区会马上在空中冻结成冰丸，而不会形成冻雨,也不会撞冻到物体上形成雨凇 。

因而
，冻雨的形成，只能是在1 000～3 000 m的云层中含有丰富的过冷却水 ，通过国内大量观测
，通常在典型降水性层状云中0～ - 10 ℃层有丰富的过冷却水，大量的过冷却水才能形成冻雨 ，进而撞冻到物体上形成雨凇
，从这次我国南方数省发生的严重持续性冰冻灾害来看,持续这么长时间，如果需要苛刻的暖锋逆温层条件（我国这次黔 、桂
、湘、赣等地区的冻雨不是暖锋影响的） ，很难维持10多天
，而在大环流天气背景稳定的条件下，经常有过冷却水丰富的过冷云过境产生冻雨形成雨凇 ，才有可能
，尤其是这次过程覆冰量这么大，也说明必须有大量的过冷却水才行
。

北京的天气舞台上演了一出降水“大杂烩 ” ，雨夹雪 、雪
、冰粒、冻雨竞相出现。市气象台专家指出，北京出现冻雨较少见
，造成的“地穿甲
”对交通出行影响极大 。据统计，截至昨天上午11时 ，122接到事故报警2000余起
，早8时到9时一小时内发生三起多车追尾重大交通事故，死亡3人 ，包括一名仅8岁的男童
。

市气象台昨天下午预报
，后半夜，冷空气抵达北京 ，带来四级左右北风
，预计今天持续5天的雾霾天气将彻底退出京城，空气质量转为二级良 ，适合开窗通风和外出活动。

雾霾 风雪赶走重污染

“下雪了
，但是颜色有点灰 。”昨天的小雪让京城空气质量略微好转，全市由此前的六级严重污染转至五级重污染。不过 ，在雾霾笼罩已达四天的空气质量下，即使污染物浓度下降也不能让人体感觉到舒适
。

市环保监测中心监测信息显示
，从昨日凌晨起，污染物扩散条件有较大改善 ，各监测站点PM2.5小时浓度持续下降。9时
，城区站小时浓度降至150微克/立方米左右，19时 ，城区所有站点的空气质量指数降至200左右
，空气质量级别为五级重污染，污染程度较前天有所减轻 。

在大风的作用下 ，预计今天雾霾天气将彻底告别北京
，空气质量将转为二级良
。

呼吁 冻雨预警提前一点

昨天清晨，冷空气前锋与北京上空暖湿气流相互作用带来降水 ，但降水形态可谓“丰富 ”。雨下到地面落地成冰
，京城地面被一层薄冰覆盖，也就是俗称的“地穿甲
” 。

昨天 ，大雾和霾**预警一直没有解除
。市气象台还在8时发布了道路结冰**预警，“目前大部分地区已出现降水
，且地表气温低于0℃，道路将出现结冰现象 ，请注意防范。”但清晨出行的上班族还是有不少摔倒的
，有人自嘲“我一路溜冰溜到单位 ” 。郑渊洁也在微博上统计说：“路面结冰，交通事故随处可见
。我走了三公里 ，见到十二起机动车交通事故
，非机动车滑倒也不少。”

有市民呼吁，气象部门能否针对突如其来的冻雨天气启动有效应急预警 ，更提前一点 、更广泛一点地让市民得知冻雨的危害
、道路湿滑的严重程度
，“也许就不会有这么多摔伤的人了 。
”

成因 逆温层酿出冻雨天

中央气象台首席预报员马学款介绍说，昨天北京及河北部分地区出现了一次明显的冻雨天气 ，以往
，北京地区很少出现冻雨
。

马学款解释，北京的地表温度为0℃或低于0℃ ，近地层的气温低于0℃；在低空有暖平流，形成一个气温高于0℃的气层
，即“逆温层”。此时，高空坠落的冰晶经过这层逆温层时就会融化形成水滴 ，而水滴到达近地面时会被冷却
，形成过冷却水滴（温度到0℃以下，但仍保持液体状态） ，过冷却水滴与温度低于0℃的地面或物体碰撞就会立即冻结
，这就形成了冻雨 。

市气象台专家表示，冻雨在中国南方多、北方少。贵州是全国出现冻雨最多的省份 ，威宁更被称为“冻雨之乡 ”
。

减排 应急措施今日解除

根据空气质量预报
，今天空气质量将达到优良，市重污染日应急工作协调机构办公室昨天公告称 ，北京市大气污染应急减排措施今日0时终止
，并向支持减排 、宣传工作的各企事业单位、广大市民和新闻媒体表示衷心感谢。

晚间，本市启动重污染日应急预案 ，并成立重污染日应急工作协调机构办公室 。连续两天，市政府三组联合督查队兵分三路
，分别对施工工地
、道路保洁以及锅炉房、电厂等工厂企业排污进行监督检查
。

摘要

冻雨是由过冷水滴组成的，与温度低于0℃的物体碰撞立即冻结的降水。

冻雨概述

雨滴与地面或地物 、飞机等物相碰而即刻冻结的雨称为冻雨 。

冻雨是过冷雨滴或毛毛雨落到温度在冰点以下的地面上 ，水滴在地面和物体上迅速冻结而成的透明或半透明冰层
，这种冰层可形成“千崖冰玉里，万峰水晶中’的壮美景象
。如遇毛毛雨时 ，则出现粒凇
，粒凇表面粗糙，粒状结构清晰可辨；如遇较大雨滴或降雨强度较大时 ，往往形成明冰凇
，明冰凇表面光滑，透明密实 ，常在电线
、树枝或舰船上一边流一边冻
，形成长长的冰挂。

冻雨成因

冻雨出现时地面往往不太寒冷（0℃～3℃），上空为逆温 ，有一层温度高于0℃的暖层 。降水在暖层里为雨滴，下落到近地面大气中就成为过冷却的冻雨
，往往会造成一些危害
。如果雨滴不断地打落在这些结了冰的物体表面时，就慢慢地形成一条条冰柱。

冻雨危害

电线结冰后 ，遇冷收缩
，加上冻雨重量的影响，就会绷断 。有时 ，成排的电线杆被拉倒
，使电讯和输电中断
。公路交通因地面结冰而受阻。冻雨厚度一般可达10～20毫米，最厚的有30～40毫米 。

当西北气流和西南气流都很强 ，地面有冷空气侵入
，1500至3000米上空又有暖气流北上，大气垂直结构呈上下冷、中间暖的状态 ，自上而下分别为冰晶层 、暖层和冷层。即3000米以上高空大气温度往往在－10℃以下
，2000米左右高空，大气温度一般为0℃左右 ，而2000米以下温度又低于0℃，就容易出现冻雨
。江淮地区的冻雨大多出现在1月上旬至2月上
、中旬的一个多月内
，起始日期具有北早南迟，山区早、平原迟的特点 ，结束日则相反。

地势较高的山区
，冻雨开始早，结束晚 ，冻雨期略长 。沿淮淮北2～3年一遇
，淮河以南7～8年一遇
。但在山区，山谷和山顶差异较大 ，山区的部分谷地几乎没有冻雨
，而山势较高处几乎年年都有冻雨发生。冻雨是一种灾害性天气，它大量冻结积累后能压断电线和电话线 ，严重的冻雨会把房子压坍
，飞机在有过冷水滴的云层中飞行时，机翼 、螺旋桨会积水 ，影响飞机空气动力性能造成失事 。

冻雨预防

消除冻雨灾害的方法，主要是在冻雨出现时
，发动输电线沿线居民不断把电线上的雨凇敲刮干净；冻雨落在电线杆上，形成冰柱
。在飞机上安装除冰设备或干脆绕开冻雨区域飞行。

冻雨实例

1972年2月底 ，我国出现一次大范围的冻雨
，广州
、长沙、南京 、昆明
、重庆、成都 、贵阳等地至北京的电信一度中断，造成的经济损失极其严重 。

关于冻雨和雨凇、雾凇

一般只能形成在气温为0～-10℃的雨
、雾天气中；由于大气中凝结核较充足而冻结核常常短缺 ，受曲率约束飘浮在空中的雾滴和下落雨滴常可低至-40℃也不冻结,称为过冷却雾滴与过冷却雨滴
，通称为过冷水，两者的区别仅仅在于过冷却水的大小不同 ，雾滴的大小在3～100μm
，而雨滴的大小介乎于0.1～8mm；虽然它们在大气中可以保持液态，一旦接触到温度低于0℃的任何物体 ，就会在其上迅速冻结,形成千姿百态的凇结体
，并迎风生长;又因为冻结的水量多寡、方式不同，其色泽 、形态各异 ，使周围的一切披上了冰清玉洁的外衣，造就了一个水晶宫般的童话世界
。雾凇和雨凇常常同时发生或者交替出现,对供电线路造成极大伤害,形成严重的气象灾害。如果飞机飞行在过冷云中,不慎进入过冷却水丰水区后,以60～100m/s的高速度撞冻大量过冷却水
，机身大量覆冰后,极易酿成机毁人亡的空难 。

凝冻
、凌冻、冰冻辨析

“凝冻
”“凌冻”是我国部分地区给“冻雨 ”这种天气现象起的别名
。当天气比较冷时，雨滴落下来 ，掉到任何低于0°C的物体上
，会立刻结成冰，并且附着在这个物体上。气象上把这种冻结现象称为“冻雨
” 。

老百姓给“冻雨”起了很多形象的俗称——结在树上的冰叫“树挂 ” ，结在电线或屋檐上的冰叫“冰挂
”
，结在地面上的冰叫“凝冻”。我国南方一些地区还把这些现象叫做“下冰凌 ” 、“天凌
”或“牛皮凌”
。

冻雨是导致冰冻灾害发生的重要天气现象之一。冬季或初春时节，持续的低温
、降雨或降雪使冰雪长时间附着在物体上久不融化 ，造成电线被压断、树木被摧毁 、农作物被冻死
、交通通讯受阻等严重后果
，形成冰冻灾害 。

冻雨与逆温层

只要近地层（3000m以下）有丰富的过冷却水，气层温度在0～-15℃ ，有丰富的凝结核和水汽供应
，而缺乏冻结核(成冰核)就可以形成冻雨，这时大气层结是湿饱和递减的 ，还是等温的，乃至于存在逆温层
，都能形成冻雨
。