2013—2018 年天山北坡短时强降水中小尺度特征

于碧馨，王 勇，张金霞，张云惠，武泳柏

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆防雷减灾中心，新疆 乌鲁木齐830002）

短时强降水具有突发性强、局地性强等特点，其精细化预报和临近预警一直是预报难点。我国专家学者对短时强降水做了较细致的研究[1-3]，为短时强降水研究提供了理论基础和预报预警基本思路。孙继松[4]研究指出对于对流性降水，降水持续时间取决于对流系统的尺度、移动速度和传播特征。近年来，诸多专家[5-8]针对短时强降水建立了不同区域流型配置、概念模型，给出了环境参数及雷达参数预警阈值，并对其机理的研究表明短时强降水是由中尺度对流系统造成，且二者日变化特征基本一致。张之贤等[9]统计陇东南地区短时强降水雷达回波强度≥20 dBZ发现，75%个例的尺度不足20 km，70%个例的面积在100 km以下，因此应用区域自动气象站资料才可满足精细化预报的要求。李德俊等[10]在分析短时强降水天气雷达特征及临近预警时总结了恩施山区站点及其邻近地区短时强降水临近预警指标，即反射率因子、40 dBZ强回波伸展高度、垂直累积液态水含量VIL密度等平均值分别达43.7 dBZ、7.0 km、1.1 g/m3，且雷达基本速度有如逆风区等的辐合特征，经检验成功率高达81%。郝莹等[11]研究安徽省短时强降水多尺度及临近预警指出，短时强降水和低空急流关系密切且强降水出现在急流轴的左侧，中小尺度辐合的稳定维持是持续强降水的主要原因，辐合多表现为正速度靠近雷达一侧的正负速度对，强降水出现在辐合的一侧。

新疆虽为干旱区气候，但近年来极端暴雨事件，多数都包含短时强降水过程[12-14]，局地短时强降水雨强大、来势猛，易引发山洪、泥石流、山体滑坡、城市内涝等灾害。例如2018年7月31日哈密市伊州区沁城乡小堡村短时间内突降特大暴雨，1 h最大降雨量达到29.2 mm，造成20人遇难、8人失踪，8700多间房屋及部分道路、电力和通信设施受损。新疆气象专家通过对阿勒泰地区、乌鲁木齐市和南疆地区等地短时强降水统计分析[15-17]给出了流型配置、环境特征及概念模型，均提出500 hPa影响系统有西西伯利亚低槽、中亚低值系统和西北气流，中尺度系统有低空切变线、低空急流等。一些学者[18-19]对中亚低涡背景下的短时强降水开展了相关研究，表明短时强降水在中亚低涡成熟期发生最多，且T-lnP图温湿廓线呈“上下干、中间湿”的个例最多。随着新疆区域自动站及观测手段的提高，针对短时强降水中尺度系统及对流风暴特征的研究也逐渐增多，但都仅为某次个例的分析。杨莲梅等[20]分析2015年6月9日傍晚乌鲁木齐极端短时强降水表明，此次天气是由多个中-γ尺度对流单体沿着低空西北急流以“列车效应”形式造成；而2次天山北坡短时强降水个例研究表明[21-22]，短时强降水的发生需要强回波长时间存在且维持一定强度，其直接触发和维持因子是低层切变、气旋式辐合及地面中尺度辐合线，强降水是在“低质心”的线状多单体右移传播过程中产生。这些研究对新疆短时强降水的多尺度天气系统及其作用有了进一步的认识，也可以看出中尺度系统和对流风暴在短时强降水天气过程中起着关键作用，因此对其进行系统性研究十分必要。本文在统计2013—2018年6—8月天山北坡短时强降水过程基础上，重点分析中尺度系统及对流风暴特征，归纳总结其临近预警指标，以期为短时强降水预报预警技术提供参考。

1 研究区域、资料与方法

1.1 研究区域概况

天山北坡地形复杂，地势北低、南高，北连准噶尔盆地，有高山丘陵、河流洪沟、沙漠戈壁及绿洲等。研究区域站点分布西起博州精河县经塔城地区乌苏市、沙湾县、石河子市、乌鲁木齐市，东至昌吉州木垒县，共有22个县（市）231个气象观测站（国家站26个和区域自动站205个）。从图1可以看出绝大多数观测站在沿山地区，海拔高度在108.5～3 539.0 m。

1.2 短时强降水过程定义

图1 天山北坡231个气象观测站点（圆点）分布

目前，国家气象中心和中国中东部地区气象部门均将1 h降水量≥20 mm的降水记为短时强降水。根据新疆多年的预报服务实践、暴雨洪水成灾事实和干旱半干旱地区暴雨特点，气象部门将该标准调整为1 h降水量≥10 mm（如16：00—16：59 BTC降水量记为17：00 BTC降水量）。为了与实际业务保持一致，本文短时强降水过程定义为：（1）某降水日（以20：00 BTC为日界）1 h内有2个及2个以上相邻的测站雨强均≥10 mm/h；（2） 同一测站连续2 h 雨强≥10 mm/h；（3）满足上述条件1条或以上的短时强降水，即为一次短时强降水过程。

1.3 资料与方法

采用新疆气象信息中心提供的2013—2018年6—8月天山北坡小时降水数据，经过筛选、整理、检测和严格的质量控制，按照上述定义筛选出短时强降水过程73次。利用常规观测、地面加密自动站和ERA-interim再分析等资料分析地面至700 hPa中尺度系统特征。另外，利用克拉玛依、石河子、乌鲁木齐等3站（图1）新一代多普勒天气雷达资料，对雷达有效探测范围内的短时强降水过程的反射率因子、径向速度、回波顶高ET、垂直累积液态水含量VIL等进行箱线图参数统计分析，并以各参数25%百分位作为临近预警最低阈值的初猜值[7，17]。雷达主要参数见表1。

2 中尺度系统

按照500 hPa影响系统分类，造成73次天山北坡短时强降水过程的影响系统可分为中亚槽前型、中亚低涡型、西西伯利亚低槽（涡）型、西北气流型等4类。统计短时强降水过程发生前700 hPa风场、850 hPa风场、地面气压场及风场可知，天山北坡中尺度系统有切变线（主要为低空切变线）、辐合线（包括低空辐合线和地面辐合线）及低空急流（850 hPa或700 hPa西北急流）3类。

表1 天山北坡3部新一代多普勒天气雷达主要参数

统计2013—2018年6—8月天山北坡短时强降水中尺度系统可见（表2），中亚槽前型以低空切变线或辐合线居多；其他3型中，低空急流和地面辐合线更为常见。其中，西北气流型、中亚低涡型分别有88.9%、77.8%个例伴有低空急流，西西伯利亚低槽（涡）型有60.9%存在850 hPa急流，中亚槽前型最少，不足58%。低空切变线或辐合线除西北气流型（仅有1次）外，其它3类均超过45%，其中中亚低涡型达66.7%。而地面辐合线各型均有50%以上，中亚低涡型最多为88.9%，中亚槽前型最少为50%。

表2 2013—2018年6—8月天山北坡短时强降水中尺度系统统计 次

2.1 低空西北急流

低槽进入北疆后表现为“后倾槽”结构，即冷空气从低层开始先进入北疆，塔城北部—克拉玛依—天山中部出现低空西北急流（图2），急流不断增强并维持，其携带冷湿空气东南下，天山以北区域位于低空西北急流出口区。

天山北坡短时强降水过程低空西北急流极为重要，主要作用表现在：一是其前方为速度和质量辐合，可以是天气尺度的，也可以是中小尺度的；二是遇天山地形强迫抬升，增强上升运动，将暖湿空气不断抬升至高空；三是与来自于不同方向气流冷暖空气垂直切变，加剧大气层结不稳定并触发不稳定能量；四是有利于低层水汽输送与辐合，尤其是低层的水汽辐合机制，极大地提高降水效率。在天山北坡短时强降水过程中均有西北急流或10 m·s-1左右显著气流，强降水出现在低空急流（大风速轴）出口区的前方或左前方。

图2 700 hPa西北急流

2.2 低空切变线或辐合线

天山北坡700 hPa或850 hPa主要表现为冷式切变线或辐合线，一是西北（偏北）风和西南（偏南）风的切变（图3a），短时强降水关键区多出现在石河子市及其以西的沿天山一带；二是西北低空急流前部风速辐合区（图3b），在天山北坡均有强降水发生；三是偏北风和偏南风的切变（图3c），强降水区多位于乌鲁木齐附近、昌吉州及其以东的地区。在天气尺度背景场下分析出的低空切变线或辐合线多属于中-β尺度系统，冷暖空气对峙明显，斜压性强，短时强降水多出现在低空冷式切变线靠暖区一侧。

2.3 地面辐合线

在天山北坡短时强降水发生前几乎都会有一个水平尺度在400～800 km的地面中-α尺度高压舌伸向天山北坡，地面冷高压中心位于中亚地区巴尔喀什湖附近，在中低层冷平流强迫作用下地面加压，冷高压舌沿着天山地形进入北疆，高压舌气压值为1006～1012 hPa（图3d），3 h内有3～5 hPa加压。这种中尺度高压舌伴随的迅速加压作用与中尺度锋相似，触发了不稳定能量，该辐合线在短时强降水前0～2 h增强，对短临预警有一定的指示意义。

3 对流单体特征

3.1 雷达回波特征

在挑选的73次天山北坡短时强降水过程中，有59次在雷达有效探测范围内。根据雷暴的生成发展机制、生命史和新疆短时强降水过程的关系，参照俞小鼎等[1-2]和孙继松等[3-4]对流风暴的分类方法，通过分析短时强降水发生时反射率因子回波演变形态及方式，将这59次的对流单体主要分为3类：合并加强型、列车效应型、孤立对流型。

图3 700 hPa切变线或辐合线

（1）合并加强型：表现为从多方向（至少1个方向）移入的1个及以上的对流单体进入影响地区后，受中尺度系统辐合等影响，其回波与本地块状回波聚合加强，特点是回波强度较强，雨强较大，范围较小。

（2）列车效应型：由相对独立的多个对流单体沿着高空引导气流或低空急流的方向传播，在移动过程中相继影响同一地区造成短时强降水；其传播方向与降水落区的夹角较小，常造成区域性的短时强降水过程，生命史较长。

（3）孤立对流型：一类为雷达回波孤立发展的对流单体，另一类为层状云降水回波中存在孤立的中尺度对流云团，呈准静止状态；具有面积大、强度弱、质心低、生命史较短等特点。

统计发现，合并加强型、列车效应型、孤立对流型分别为20次（占33.9%）、23次（占39.0%）、16次（占27.1%），合并加强型和列车效应型居多，孤立对流型较少。

3.1.1 最大反射率因子强度

由天山北坡短时强降水及其3类对流风暴型的雷达最大反射率因子强度箱线分布图可见（图4a），天山北坡、合并加强型、列车效应型值分布比较集中，孤立对流型箱体宽于其他两型及天山北坡，分布较分散。天山北坡、合并加强型、列车效应型和孤立对流型的中位数依次为52、51、52 dBZ和46.5 dBZ，平均值分别为50、51.4、51.7 dBZ和46.6 dBZ（均＞45 dBZ），最小到最大值分别为35～63 dBZ、39～63 dBZ、39.5～61.5 dBZ和35～62 dBZ；25%~75%百分位值分别为46.5～54.5 dBZ、47.5～55.6 dBZ、48.8～55.3 dBZ和37～53.5 dBZ。可见，孤立对流型中位值和平均值均明显小于其他两型和天山北坡。各类最小值在35～39.5 dBZ，有15.25%个例，最大值为61.5～63 dBZ（仅有4次），其中63 dBZ的个例是合并加强型，小时雨强28.6 mm·h-1。雨强＞24.0 mm·h-1的最大反射率因子强度均超过50 dBZ。孤立对流型25%百分位值明显小于其他2类，而合并加强型75%百分位值和列车效应型相当。按照前文设定，以25%百分位最低值≥46.5 dBZ作为天山北坡短时强降水临近预警最低阈值。

3.1.2 强回波中心（40 dBZ）顶高

图4b是天山北坡及合并加强型、列车效应型和孤立对流型3类对流风暴的雷达强回波中心（40 dBZ）顶高箱线图，其中位数依次为6.0、6.0、6.3 km和6.0 km，平均值分别为5.9、5.8、6.1 km和5.9 km，最小到最大值范围分别是3.0～10.5 km、3.0～10.5 km、3.0～10 km和3.0～9.0 km，25%~75%百分位值分别为4.0～7.5 km、4.0～7.5 km、4.0～7.5 km和4.5～7.5 km。各类箱线分布差别不大，最小值均为3.0 km，最大值在9.0～10.5 km，仅有10%个例，其中强回波中心顶高达10.5 km的个例为合并加强型，雨强为33.8 mm·h-1。根据短时强降水雷达回波强度垂直剖面分析，雷达回波有“低质心”和“高质心”两种结构类型，前者占多数且生命史长，后者生命史短。雨强＞24.0 mm/h的强回波中心顶高为4.0 km左右的低质心回波或强回波中心顶高＞7.0 km的高质心回波，因而设定强回波中心顶高≥4.0 km为天山北坡短时强降水临近预警最低阈值。

图4 天山北坡短时强降水及其3类对流风暴型最大反射率因子强度（a，单位：dBZ）和强回波中心（40 dBZ）顶高（b，单位：km）箱线分布

3.2 平均径向速度图识别特征

天山北坡短时强降水雷达平均径向速度图上中尺度辐合表现形式主要为逆风区。逆风区可以用来准确预报暴雨落区并发布暴雨预警[23]。在逆风区周边或其移动路径上时常将要出现或者正在出现暴雨[24]。有些个例也能够识别出径向速度辐合，但中气旋仅出现1次，可见由超级单体造成的短时强降水为小概率事件。根据雷达平均径向速度图，分析对流风暴逆风区有无情况，有81%个例可以识别出逆风区，其中合并加强型、列车效应型分别有95%、91%，而孤立对流型有50%（图5）。逆风区个例中列车效应型最多。雨强＞24.0 mm/h的有8次，一半都是合并加强型。一般在强降水发生前30 min内出现逆风区。

3.3 其他导出雷达产品

3.3.1 回波顶高ET

图5 天山北坡短时强降水及其3类对流风暴型逆风区有无比例分布

图6a是天山北坡短时强降水及其3类对流风暴型的雷达回波顶高ET箱线图，列车效应型箱体宽于其他两型，ET值分布较分散，合并加强和孤立对流型比较集中。天山北坡、合并加强型、列车效应型和孤立对流型的中位数和平均值相差不大，均＞10.0 km；最小到最大值范围分别为4.7～14.5 km、7.9～14.5 km、4.7～14.1 km和6.7～12.5 km，25%～75%百分位值分别为8.6 ～11.9 km、9.5～11.9 km、7.8 ～12.1 km 和9.3 ～11.8 km。88.1%以上短时强降水最大ET都超过8.0 km，雨强＞24.0 mm/h的最大ET大多数超过10.0 km。可见，天山北坡短时强降水对流系统内部均有较强的上升运动，最小到最大值范围列车效应型最小、合并加强型最大；列车效应型25%百分位值较其他两型偏低，而75%百分位值略大于其他两型。因此≥8.6 km可作为天山北坡短时强降水临近预警的ET阈值。

3.3.2 垂直累积液态水含量VIL

图6 天山北坡短时强降水及其3类对流风暴型回波顶高（a，单位：km）和垂直累积液态水含量（b，单位：kg/m2）箱线分布

图6b是天山北坡短时强降水及其3类对流风暴的垂直累积液态水含量VIL箱线图，合并加强型、列车效应型和孤立对流型3类箱体宽度差别不大，VIL值分布均比较集中。天山北坡及3型中位数依次为9.0、11.8、11.3 kg/m2和10.0 kg/m2；平均值分别为11.2、9.6、9.1 kg/m2和8.1 kg/m2，其中孤立对流型小于其他两型；去掉极值点，VIL最小到最大值范围分别是5.0～20.6 kg/m2、6.0～18.0 kg/m2、5.0～20 kg/m2和5.0～20.6 kg/m2，可见3类差别较小，VIL最小值为5～6 kg/m2，最大值为18～20.6 kg/m2，极值点32.1 kg/m2的个例（列车效应型）雨强为15.2 mm/h；25%~75%百分位值分别为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，孤立对流型25%百分位值较其他两型偏低，而75%百分位值3类相当。因此，天山北坡短时强降水临近预警的VIL阈值为≥7.0 kg/m2。

4 典型个例

4.1 合并加强型

2015年7月1日塔城地区乌苏市局地出现短时强降水，1日23：00 BTC西大沟镇乌木克站、西大沟镇站1 h降水量分别为11.6、10.5 mm。本次短时强降水过程是在中亚低涡底部产生，中尺度影响系统为地面辐合线，其对流风暴属于合并加强型。

石河子站雷达0.5°仰角基本反射率因子图上，21：53 BTC（图7a）在西大沟镇乌木克站西侧有3个对流单体呈西西南—东东北向带状排列，主体自西向东移动时，3个对流单体自南向北合并发展迅速增强（图7b）。22：05 BTC（图7c）强回波中心发展增强到50～60 dBZ，对应强回波中心的剖面图上（图7g），回波为低质心结构的对流单体，50～60 dBZ的强回波在4 km以下并接地，≥40 dBZ的回波顶高度达7 km；对应径向速度图上（图7h），强回波对应有明显的逆风区。

图7 2015年7月1日21：53—22：23 BTC（红点为西大沟镇乌木克站）石河子站雷达0.5°仰角基本反射率因子（a~f，白线为剖面处，单位：dBZ）及其剖面（g）和径向速度（h，单位：m·s-1，白色方框内为逆风区）

22：11BTC（图7d）回波继续合并东移面积扩大并移近西大沟镇乌木克站；22：17—22：35 BTC（图7e，7f）合并的强回波在Y5471站上空维持，中心强度维持在45 dBZ左右，≥40 dBZ的回波持续影响，22：41 BTC减弱东移，强降水结束。

4.2 列车效应型

2015年6月27日16：00—19：00 BTC塔城地区乌苏市境内出现短时强降水，27日17：00 BTC西大沟镇乌木克站1 h降水量23.1 mm。本次短时强降水过程是在中亚低涡前部产生，中尺度影响系统为700 hPa切变线和地面辐合线，其对流风暴属于列车效应型。

16：08 BTC（图8a）在该站西部有3个回波单体呈东西向排列，回波自西向东移动，测站左侧的对流单体原地发展起来回波较强，中心强度达40 dBZ。16：14—16：20 BTC（图8b，8c）离该站较远的西侧的两个对流单体合并，经历了发展—减弱的过程，而测站左侧的对流单体回波缓慢东移过程中影响该站。16：26 BTC原测站西侧合并的对流单体加强，东移至测站左侧（图8d），对应强回波中心的剖面图上（图8f）该回波为低质心结构的普通对流单体，40～50 dBZ的强回波在4.5 km以下并接地，≥30 dBZ的回波顶高度达6 km。同时，离该站较远的西侧又有对流单体发展，直径也较大。16：38 BTC（图8e）测站西侧发展的对流单体强回波中心达50 dBZ，在东移过程中继续影响测站产生强降水。可见，此站的短时强降水是由孤立对流单体不断合并发展，以列车效应方式经过测站造成的。

4.3 孤立对流型

2018年7月2日20：00 BTC塔城地区乌苏市巴音沟牧场站1 h降水量11.3 mm。本次短时强降水过程的500 hPa影响系统为西西伯利亚低槽，中尺度影响系统为700 hPa西北急流、850 hPa辐合线和地面辐合线，其对流风暴属于孤立对流型。

18：50 BTC（图9a）在该站东北侧有孤立对流单体回波发展，西退南下过程中发展加强；18：56 BTC（图9b）强回波中心达57 dBZ，该站正位于强回波单体南缘的高反射率因子梯度大值区，对应强回波中心的剖面图上（图9c），回波为低质心结构的普通对流单体，40～50 dBZ的强回波顶高达6 km并接地。19：02—19：14 BTC（图9d~f）回波南移至测站上空有所加强；19：20—19：26 BTC（图9g~h）降水回波单体减弱东南移，该站一直处于强反射率因子中心附近。由此可见，此站最大累积降水是在不到30 min内产生，由本地发展的孤立对流单体直接影响造成。

5 结论

统计分析天山北坡短时强降水的中尺度影响系统和对流风暴特征，得到一些对预报预警有意义的结论：

（1）天山北坡短时强降水的中尺度系统有低空急流、低空切变线或辐合线和地面中尺度高压前的辐合线。低空急流主要为850 hPa或700 hPa西北急流，其在动力、热力、水汽等方面起重要作用，强降水出现在低空急流（大风速轴）出口区的前方或左前方；低空切变线主要是西北（偏北）风与西南（偏南）风的切变、偏北风与偏南风的切变，强降水多出现在低空切变线靠暖区一侧；辐合线主要为低空急流前部风速辐合区及地面冷高压前沿辐合线，以上均为中-β尺度系统。

图8 2015年6月27日16：08—16：38 BTC（红点为西大沟镇乌木克站）石河子站雷达1.5°仰角基本反射率因子（a~e，白线为剖面处，单位：dBZ）及其剖面（f）

图9 2018年7月2日18：50—19：26 BTC（红点为巴音沟牧场站）石河子站雷达1.5°仰角基本反射率因子（a~c、e~h，白线为剖面处，单位：dBZ）及其剖面（d）

（2）短时强降水雷达回波形态有合并加强型、列车效应型和孤立对流型3种类型，前两者居多，后者较少。雷达回波垂直剖面有“低质心”和“高质心”两种结构，前者占多数且生命史长，后者生命史短。天山北坡最大反射率因子强度、强回波中心（40 dBZ）顶高、回波顶高ET、垂直累积液态水含量VIL的25%～75%百分位值分别为46.5～54.5 dBZ、4.0～7.5 km、8.6～11.9 km、7.0～12.5 kg·m-2。因此，临近预警阈值为：最大反射率因子强度≥46.5 dBZ，强回波中心（40 dBZ）顶高≥4.0 km，ET≥8.6 km，VIL≥7.0 kg·m-2。

（3）雷达速度图上81%的短时强降水过程可以识别出逆风区，但中气旋仅出现1次，说明由超级单体造成的短时强降水为小概率事件。