2013—2018 年天山北坡短時強降水中小尺度特征

于碧馨，王 勇，張金霞，張云惠，武泳柏

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆生態氣象與衛星遙感中心，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆防雷減災中心，新疆 烏魯木齊830002）

短時強降水具有突發性強、局地性強等特點，其精細化預報和臨近預警一直是預報難點。我國專家學者對短時強降水做了較細致的研究[1-3]，為短時強降水研究提供了理論基礎和預報預警基本思路。孫繼松[4]研究指出對于對流性降水，降水持續時間取決于對流系統的尺度、移動速度和傳播特征。近年來，諸多專家[5-8]針對短時強降水建立了不同區域流型配置、概念模型，給出了環境參數及雷達參數預警閾值，并對其機理的研究表明短時強降水是由中尺度對流系統造成，且二者日變化特征基本一致。張之賢等[9]統計隴東南地區短時強降水雷達回波強度≥20 dBZ發現，75%個例的尺度不足20 km，70%個例的面積在100 km以下，因此應用區域自動氣象站資料才可滿足精細化預報的要求。李德俊等[10]在分析短時強降水天氣雷達特征及臨近預警時總結了恩施山區站點及其鄰近地區短時強降水臨近預警指標，即反射率因子、40 dBZ強回波伸展高度、垂直累積液態水含量VIL密度等平均值分別達43.7 dBZ、7.0 km、1.1 g/m3，且雷達基本速度有如逆風區等的輻合特征，經檢驗成功率高達81%。郝瑩等[11]研究安徽省短時強降水多尺度及臨近預警指出，短時強降水和低空急流關系密切且強降水出現在急流軸的左側，中小尺度輻合的穩定維持是持續強降水的主要原因，輻合多表現為正速度靠近雷達一側的正負速度對，強降水出現在輻合的一側。

新疆雖為干旱區氣候，但近年來極端暴雨事件，多數都包含短時強降水過程[12-14]，局地短時強降水雨強大、來勢猛，易引發山洪、泥石流、山體滑坡、城市內澇等災害。例如2018年7月31日哈密市伊州區沁城鄉小堡村短時間內突降特大暴雨，1 h最大降雨量達到29.2 mm，造成20人遇難、8人失蹤，8700多間房屋及部分道路、電力和通信設施受損。新疆氣象專家通過對阿勒泰地區、烏魯木齊市和南疆地區等地短時強降水統計分析[15-17]給出了流型配置、環境特征及概念模型，均提出500 hPa影響系統有西西伯利亞低槽、中亞低值系統和西北氣流，中尺度系統有低空切變線、低空急流等。一些學者[18-19]對中亞低渦背景下的短時強降水開展了相關研究，表明短時強降水在中亞低渦成熟期發生最多，且T-lnP圖溫濕廓線呈“上下干、中間濕”的個例最多。隨著新疆區域自動站及觀測手段的提高，針對短時強降水中尺度系統及對流風暴特征的研究也逐漸增多，但都僅為某次個例的分析。楊蓮梅等[20]分析2015年6月9日傍晚烏魯木齊極端短時強降水表明，此次天氣是由多個中-γ尺度對流單體沿著低空西北急流以“列車效應”形式造成；而2次天山北坡短時強降水個例研究表明[21-22]，短時強降水的發生需要強回波長時間存在且維持一定強度，其直接觸發和維持因子是低層切變、氣旋式輻合及地面中尺度輻合線，強降水是在“低質心”的線狀多單體右移傳播過程中產生。這些研究對新疆短時強降水的多尺度天氣系統及其作用有了進一步的認識，也可以看出中尺度系統和對流風暴在短時強降水天氣過程中起著關鍵作用，因此對其進行系統性研究十分必要。本文在統計2013—2018年6—8月天山北坡短時強降水過程基礎上，重點分析中尺度系統及對流風暴特征，歸納總結其臨近預警指標，以期為短時強降水預報預警技術提供參考。

1 研究區域、資料與方法

1.1 研究區域概況

天山北坡地形復雜，地勢北低、南高，北連準噶爾盆地，有高山丘陵、河流洪溝、沙漠戈壁及綠洲等。研究區域站點分布西起博州精河縣經塔城地區烏蘇市、沙灣縣、石河子市、烏魯木齊市，東至昌吉州木壘縣，共有22個縣（市）231個氣象觀測站（國家站26個和區域自動站205個）。從圖1可以看出絕大多數觀測站在沿山地區，海拔高度在108.5～3 539.0 m。

1.2 短時強降水過程定義

圖1 天山北坡231個氣象觀測站點（圓點）分布

目前，國家氣象中心和中國中東部地區氣象部門均將1 h降水量≥20 mm的降水記為短時強降水。根據新疆多年的預報服務實踐、暴雨洪水成災事實和干旱半干旱地區暴雨特點，氣象部門將該標準調整為1 h降水量≥10 mm（如16：00—16：59 BTC降水量記為17：00 BTC降水量）。為了與實際業務保持一致，本文短時強降水過程定義為：（1）某降水日（以20：00 BTC為日界）1 h內有2個及2個以上相鄰的測站雨強均≥10 mm/h；（2） 同一測站連續2 h 雨強≥10 mm/h；（3）滿足上述條件1條或以上的短時強降水，即為一次短時強降水過程。

1.3 資料與方法

采用新疆氣象信息中心提供的2013—2018年6—8月天山北坡小時降水數據，經過篩選、整理、檢測和嚴格的質量控制，按照上述定義篩選出短時強降水過程73次。利用常規觀測、地面加密自動站和ERA-interim再分析等資料分析地面至700 hPa中尺度系統特征。另外，利用克拉瑪依、石河子、烏魯木齊等3站（圖1）新一代多普勒天氣雷達資料，對雷達有效探測范圍內的短時強降水過程的反射率因子、徑向速度、回波頂高ET、垂直累積液態水含量VIL等進行箱線圖參數統計分析，并以各參數25%百分位作為臨近預警最低閾值的初猜值[7，17]。雷達主要參數見表1。

2 中尺度系統

按照500 hPa影響系統分類，造成73次天山北坡短時強降水過程的影響系統可分為中亞槽前型、中亞低渦型、西西伯利亞低槽（渦）型、西北氣流型等4類。統計短時強降水過程發生前700 hPa風場、850 hPa風場、地面氣壓場及風場可知，天山北坡中尺度系統有切變線（主要為低空切變線）、輻合線（包括低空輻合線和地面輻合線）及低空急流（850 hPa或700 hPa西北急流）3類。

表1 天山北坡3部新一代多普勒天氣雷達主要參數

統計2013—2018年6—8月天山北坡短時強降水中尺度系統可見（表2），中亞槽前型以低空切變線或輻合線居多；其他3型中，低空急流和地面輻合線更為常見。其中，西北氣流型、中亞低渦型分別有88.9%、77.8%個例伴有低空急流，西西伯利亞低槽（渦）型有60.9%存在850 hPa急流，中亞槽前型最少，不足58%。低空切變線或輻合線除西北氣流型（僅有1次）外，其它3類均超過45%，其中中亞低渦型達66.7%。而地面輻合線各型均有50%以上，中亞低渦型最多為88.9%，中亞槽前型最少為50%。

表2 2013—2018年6—8月天山北坡短時強降水中尺度系統統計 次

2.1 低空西北急流

低槽進入北疆后表現為“后傾槽”結構，即冷空氣從低層開始先進入北疆，塔城北部—克拉瑪依—天山中部出現低空西北急流（圖2），急流不斷增強并維持，其攜帶冷濕空氣東南下，天山以北區域位于低空西北急流出口區。

天山北坡短時強降水過程低空西北急流極為重要，主要作用表現在：一是其前方為速度和質量輻合，可以是天氣尺度的，也可以是中小尺度的；二是遇天山地形強迫抬升，增強上升運動，將暖濕空氣不斷抬升至高空；三是與來自于不同方向氣流冷暖空氣垂直切變，加劇大氣層結不穩定并觸發不穩定能量；四是有利于低層水汽輸送與輻合，尤其是低層的水汽輻合機制，極大地提高降水效率。在天山北坡短時強降水過程中均有西北急流或10 m·s-1左右顯著氣流，強降水出現在低空急流（大風速軸）出口區的前方或左前方。

圖2 700 hPa西北急流

2.2 低空切變線或輻合線

天山北坡700 hPa或850 hPa主要表現為冷式切變線或輻合線，一是西北（偏北）風和西南（偏南）風的切變（圖3a），短時強降水關鍵區多出現在石河子市及其以西的沿天山一帶；二是西北低空急流前部風速輻合區（圖3b），在天山北坡均有強降水發生；三是偏北風和偏南風的切變（圖3c），強降水區多位于烏魯木齊附近、昌吉州及其以東的地區。在天氣尺度背景場下分析出的低空切變線或輻合線多屬于中-β尺度系統，冷暖空氣對峙明顯，斜壓性強，短時強降水多出現在低空冷式切變線靠暖區一側。

2.3 地面輻合線

在天山北坡短時強降水發生前幾乎都會有一個水平尺度在400～800 km的地面中-α尺度高壓舌伸向天山北坡，地面冷高壓中心位于中亞地區巴爾喀什湖附近，在中低層冷平流強迫作用下地面加壓，冷高壓舌沿著天山地形進入北疆，高壓舌氣壓值為1006～1012 hPa（圖3d），3 h內有3～5 hPa加壓。這種中尺度高壓舌伴隨的迅速加壓作用與中尺度鋒相似，觸發了不穩定能量，該輻合線在短時強降水前0～2 h增強，對短臨預警有一定的指示意義。

3 對流單體特征

3.1 雷達回波特征

在挑選的73次天山北坡短時強降水過程中，有59次在雷達有效探測范圍內。根據雷暴的生成發展機制、生命史和新疆短時強降水過程的關系，參照俞小鼎等[1-2]和孫繼松等[3-4]對流風暴的分類方法，通過分析短時強降水發生時反射率因子回波演變形態及方式，將這59次的對流單體主要分為3類：合并加強型、列車效應型、孤立對流型。

圖3 700 hPa切變線或輻合線

（1）合并加強型：表現為從多方向（至少1個方向）移入的1個及以上的對流單體進入影響地區后，受中尺度系統輻合等影響，其回波與本地塊狀回波聚合加強，特點是回波強度較強，雨強較大，范圍較小。

（2）列車效應型：由相對獨立的多個對流單體沿著高空引導氣流或低空急流的方向傳播，在移動過程中相繼影響同一地區造成短時強降水；其傳播方向與降水落區的夾角較小，常造成區域性的短時強降水過程，生命史較長。

（3）孤立對流型：一類為雷達回波孤立發展的對流單體，另一類為層狀云降水回波中存在孤立的中尺度對流云團，呈準靜止狀態；具有面積大、強度弱、質心低、生命史較短等特點。

統計發現，合并加強型、列車效應型、孤立對流型分別為20次（占33.9%）、23次（占39.0%）、16次（占27.1%），合并加強型和列車效應型居多，孤立對流型較少。

3.1.1 最大反射率因子強度

由天山北坡短時強降水及其3類對流風暴型的雷達最大反射率因子強度箱線分布圖可見（圖4a），天山北坡、合并加強型、列車效應型值分布比較集中，孤立對流型箱體寬于其他兩型及天山北坡，分布較分散。天山北坡、合并加強型、列車效應型和孤立對流型的中位數依次為52、51、52 dBZ和46.5 dBZ，平均值分別為50、51.4、51.7 dBZ和46.6 dBZ（均＞45 dBZ），最小到最大值分別為35～63 dBZ、39～63 dBZ、39.5～61.5 dBZ和35～62 dBZ；25%~75%百分位值分別為46.5～54.5 dBZ、47.5～55.6 dBZ、48.8～55.3 dBZ和37～53.5 dBZ?？梢?，孤立對流型中位值和平均值均明顯小于其他兩型和天山北坡。各類最小值在35～39.5 dBZ，有15.25%個例，最大值為61.5～63 dBZ（僅有4次），其中63 dBZ的個例是合并加強型，小時雨強28.6 mm·h-1。雨強＞24.0 mm·h-1的最大反射率因子強度均超過50 dBZ。孤立對流型25%百分位值明顯小于其他2類，而合并加強型75%百分位值和列車效應型相當。按照前文設定，以25%百分位最低值≥46.5 dBZ作為天山北坡短時強降水臨近預警最低閾值。

3.1.2 強回波中心（40 dBZ）頂高

圖4b是天山北坡及合并加強型、列車效應型和孤立對流型3類對流風暴的雷達強回波中心（40 dBZ）頂高箱線圖，其中位數依次為6.0、6.0、6.3 km和6.0 km，平均值分別為5.9、5.8、6.1 km和5.9 km，最小到最大值范圍分別是3.0～10.5 km、3.0～10.5 km、3.0～10 km和3.0～9.0 km，25%~75%百分位值分別為4.0～7.5 km、4.0～7.5 km、4.0～7.5 km和4.5～7.5 km。各類箱線分布差別不大，最小值均為3.0 km，最大值在9.0～10.5 km，僅有10%個例，其中強回波中心頂高達10.5 km的個例為合并加強型，雨強為33.8 mm·h-1。根據短時強降水雷達回波強度垂直剖面分析，雷達回波有“低質心”和“高質心”兩種結構類型，前者占多數且生命史長，后者生命史短。雨強＞24.0 mm/h的強回波中心頂高為4.0 km左右的低質心回波或強回波中心頂高＞7.0 km的高質心回波，因而設定強回波中心頂高≥4.0 km為天山北坡短時強降水臨近預警最低閾值。

圖4 天山北坡短時強降水及其3類對流風暴型最大反射率因子強度（a，單位：dBZ）和強回波中心（40 dBZ）頂高（b，單位：km）箱線分布

3.2 平均徑向速度圖識別特征

天山北坡短時強降水雷達平均徑向速度圖上中尺度輻合表現形式主要為逆風區。逆風區可以用來準確預報暴雨落區并發布暴雨預警[23]。在逆風區周邊或其移動路徑上時常將要出現或者正在出現暴雨[24]。有些個例也能夠識別出徑向速度輻合，但中氣旋僅出現1次，可見由超級單體造成的短時強降水為小概率事件。根據雷達平均徑向速度圖，分析對流風暴逆風區有無情況，有81%個例可以識別出逆風區，其中合并加強型、列車效應型分別有95%、91%，而孤立對流型有50%（圖5）。逆風區個例中列車效應型最多。雨強＞24.0 mm/h的有8次，一半都是合并加強型。一般在強降水發生前30 min內出現逆風區。

3.3 其他導出雷達產品

3.3.1 回波頂高ET

圖5 天山北坡短時強降水及其3類對流風暴型逆風區有無比例分布

圖6a是天山北坡短時強降水及其3類對流風暴型的雷達回波頂高ET箱線圖，列車效應型箱體寬于其他兩型，ET值分布較分散，合并加強和孤立對流型比較集中。天山北坡、合并加強型、列車效應型和孤立對流型的中位數和平均值相差不大，均＞10.0 km；最小到最大值范圍分別為4.7～14.5 km、7.9～14.5 km、4.7～14.1 km和6.7～12.5 km，25%～75%百分位值分別為8.6 ～11.9 km、9.5～11.9 km、7.8 ～12.1 km 和9.3 ～11.8 km。88.1%以上短時強降水最大ET都超過8.0 km，雨強＞24.0 mm/h的最大ET大多數超過10.0 km?？梢?，天山北坡短時強降水對流系統內部均有較強的上升運動，最小到最大值范圍列車效應型最小、合并加強型最大；列車效應型25%百分位值較其他兩型偏低，而75%百分位值略大于其他兩型。因此≥8.6 km可作為天山北坡短時強降水臨近預警的ET閾值。

3.3.2 垂直累積液態水含量VIL

圖6 天山北坡短時強降水及其3類對流風暴型回波頂高（a，單位：km）和垂直累積液態水含量（b，單位：kg/m2）箱線分布

圖6b是天山北坡短時強降水及其3類對流風暴的垂直累積液態水含量VIL箱線圖，合并加強型、列車效應型和孤立對流型3類箱體寬度差別不大，VIL值分布均比較集中。天山北坡及3型中位數依次為9.0、11.8、11.3 kg/m2和10.0 kg/m2；平均值分別為11.2、9.6、9.1 kg/m2和8.1 kg/m2，其中孤立對流型小于其他兩型；去掉極值點，VIL最小到最大值范圍分別是5.0～20.6 kg/m2、6.0～18.0 kg/m2、5.0～20 kg/m2和5.0～20.6 kg/m2，可見3類差別較小，VIL最小值為5～6 kg/m2，最大值為18～20.6 kg/m2，極值點32.1 kg/m2的個例（列車效應型）雨強為15.2 mm/h；25%~75%百分位值分別為7.0～12.5 kg/m2、8.2～12.5 kg/m2、7.0～12.5 kg/m2和6.5～12.2 kg/m2，孤立對流型25%百分位值較其他兩型偏低，而75%百分位值3類相當。因此，天山北坡短時強降水臨近預警的VIL閾值為≥7.0 kg/m2。

4 典型個例

4.1 合并加強型

2015年7月1日塔城地區烏蘇市局地出現短時強降水，1日23：00 BTC西大溝鎮烏木克站、西大溝鎮站1 h降水量分別為11.6、10.5 mm。本次短時強降水過程是在中亞低渦底部產生，中尺度影響系統為地面輻合線，其對流風暴屬于合并加強型。

石河子站雷達0.5°仰角基本反射率因子圖上，21：53 BTC（圖7a）在西大溝鎮烏木克站西側有3個對流單體呈西西南—東東北向帶狀排列，主體自西向東移動時，3個對流單體自南向北合并發展迅速增強（圖7b）。22：05 BTC（圖7c）強回波中心發展增強到50～60 dBZ，對應強回波中心的剖面圖上（圖7g），回波為低質心結構的對流單體，50～60 dBZ的強回波在4 km以下并接地，≥40 dBZ的回波頂高度達7 km；對應徑向速度圖上（圖7h），強回波對應有明顯的逆風區。

圖7 2015年7月1日21：53—22：23 BTC（紅點為西大溝鎮烏木克站）石河子站雷達0.5°仰角基本反射率因子（a~f，白線為剖面處，單位：dBZ）及其剖面（g）和徑向速度（h，單位：m·s-1，白色方框內為逆風區）

22：11BTC（圖7d）回波繼續合并東移面積擴大并移近西大溝鎮烏木克站；22：17—22：35 BTC（圖7e，7f）合并的強回波在Y5471站上空維持，中心強度維持在45 dBZ左右，≥40 dBZ的回波持續影響，22：41 BTC減弱東移，強降水結束。

4.2 列車效應型

2015年6月27日16：00—19：00 BTC塔城地區烏蘇市境內出現短時強降水，27日17：00 BTC西大溝鎮烏木克站1 h降水量23.1 mm。本次短時強降水過程是在中亞低渦前部產生，中尺度影響系統為700 hPa切變線和地面輻合線，其對流風暴屬于列車效應型。

16：08 BTC（圖8a）在該站西部有3個回波單體呈東西向排列，回波自西向東移動，測站左側的對流單體原地發展起來回波較強，中心強度達40 dBZ。16：14—16：20 BTC（圖8b，8c）離該站較遠的西側的兩個對流單體合并，經歷了發展—減弱的過程，而測站左側的對流單體回波緩慢東移過程中影響該站。16：26 BTC原測站西側合并的對流單體加強，東移至測站左側（圖8d），對應強回波中心的剖面圖上（圖8f）該回波為低質心結構的普通對流單體，40～50 dBZ的強回波在4.5 km以下并接地，≥30 dBZ的回波頂高度達6 km。同時，離該站較遠的西側又有對流單體發展，直徑也較大。16：38 BTC（圖8e）測站西側發展的對流單體強回波中心達50 dBZ，在東移過程中繼續影響測站產生強降水?？梢?，此站的短時強降水是由孤立對流單體不斷合并發展，以列車效應方式經過測站造成的。

4.3 孤立對流型

2018年7月2日20：00 BTC塔城地區烏蘇市巴音溝牧場站1 h降水量11.3 mm。本次短時強降水過程的500 hPa影響系統為西西伯利亞低槽，中尺度影響系統為700 hPa西北急流、850 hPa輻合線和地面輻合線，其對流風暴屬于孤立對流型。

18：50 BTC（圖9a）在該站東北側有孤立對流單體回波發展，西退南下過程中發展加強；18：56 BTC（圖9b）強回波中心達57 dBZ，該站正位于強回波單體南緣的高反射率因子梯度大值區，對應強回波中心的剖面圖上（圖9c），回波為低質心結構的普通對流單體，40～50 dBZ的強回波頂高達6 km并接地。19：02—19：14 BTC（圖9d~f）回波南移至測站上空有所加強；19：20—19：26 BTC（圖9g~h）降水回波單體減弱東南移，該站一直處于強反射率因子中心附近。由此可見，此站最大累積降水是在不到30 min內產生，由本地發展的孤立對流單體直接影響造成。

5 結論

統計分析天山北坡短時強降水的中尺度影響系統和對流風暴特征，得到一些對預報預警有意義的結論：

（1）天山北坡短時強降水的中尺度系統有低空急流、低空切變線或輻合線和地面中尺度高壓前的輻合線。低空急流主要為850 hPa或700 hPa西北急流，其在動力、熱力、水汽等方面起重要作用，強降水出現在低空急流（大風速軸）出口區的前方或左前方；低空切變線主要是西北（偏北）風與西南（偏南）風的切變、偏北風與偏南風的切變，強降水多出現在低空切變線靠暖區一側；輻合線主要為低空急流前部風速輻合區及地面冷高壓前沿輻合線，以上均為中-β尺度系統。

圖8 2015年6月27日16：08—16：38 BTC（紅點為西大溝鎮烏木克站）石河子站雷達1.5°仰角基本反射率因子（a~e，白線為剖面處，單位：dBZ）及其剖面（f）

圖9 2018年7月2日18：50—19：26 BTC（紅點為巴音溝牧場站）石河子站雷達1.5°仰角基本反射率因子（a~c、e~h，白線為剖面處，單位：dBZ）及其剖面（d）

（2）短時強降水雷達回波形態有合并加強型、列車效應型和孤立對流型3種類型，前兩者居多，后者較少。雷達回波垂直剖面有“低質心”和“高質心”兩種結構，前者占多數且生命史長，后者生命史短。天山北坡最大反射率因子強度、強回波中心（40 dBZ）頂高、回波頂高ET、垂直累積液態水含量VIL的25%～75%百分位值分別為46.5～54.5 dBZ、4.0～7.5 km、8.6～11.9 km、7.0～12.5 kg·m-2。因此，臨近預警閾值為：最大反射率因子強度≥46.5 dBZ，強回波中心（40 dBZ）頂高≥4.0 km，ET≥8.6 km，VIL≥7.0 kg·m-2。

（3）雷達速度圖上81%的短時強降水過程可以識別出逆風區，但中氣旋僅出現1次，說明由超級單體造成的短時強降水為小概率事件。