阿克蘇地區(qū)一次強對流天氣衛(wèi)星云圖及雷達特征分析

曲良璐，譚甜甜，周雪雁

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心,烏魯木齊 830001；2.阿克蘇地區(qū)氣象臺，新疆阿克蘇 843000)

曲良璐，譚甜甜，周雪雁. 阿克蘇地區(qū)一次強對流天氣衛(wèi)星云圖及雷達特征分析[J].陜西氣象，2017(5)：6-12.

1006-4354(2017)05-0006-07

2017-06-13

曲良璐(1991—)，女，河南南陽人，本科，助理工程師，主要從事中短期預(yù)報服務(wù)。

中亞大氣科學(xué)研究基金課題(CASS201723)

阿克蘇地區(qū)一次強對流天氣衛(wèi)星云圖及雷達特征分析

曲良璐1,2，譚甜甜2，周雪雁2

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心,烏魯木齊 830001；2.阿克蘇地區(qū)氣象臺，新疆阿克蘇 843000)

利用常規(guī)氣象資料、FY-2F/G云圖和CINRAD/CC雷達等資料對2016年7月8日阿克蘇地區(qū)強對流天氣的衛(wèi)星云圖及雷達特征進行了分析。結(jié)果表明：(1)鋒區(qū)短波配合中層濕冷、低層干暖的大氣層結(jié)，加之中低層較大的垂直風(fēng)切變及地面中尺度觸發(fā)(輻合線、干線)機制，有利于對流系統(tǒng)的生成、發(fā)展及維持；(2)探空物理量表現(xiàn)出一定的短時大風(fēng)、冰雹等對流天氣潛勢；(3)V型云、楔形云、弧狀云線、下風(fēng)方向卷云羽及上沖云頂、褶皺及暗影表明對流云垂直發(fā)展高，垂直風(fēng)切變大、上升氣流強；(4)水汽云圖上，頭邊界西南側(cè)有晴空大氣湍流發(fā)生，對流云沿干濕空氣邊界不斷發(fā)展合并，最強天氣出現(xiàn)TBB亮溫梯度大值區(qū)；(5)影響溫宿縣、柯坪縣產(chǎn)生大風(fēng)的系統(tǒng)分別為脈沖風(fēng)暴和陣風(fēng)鋒；(6)雷達圖上表現(xiàn)出了三體散射、弱回波區(qū)、強回波偏移、徑向速度輻合等特征。

強對流天氣；中尺度分析；衛(wèi)星云圖特征；雷達特征

阿克蘇地區(qū)地處天山南麓的背風(fēng)坡，由于地形影響，雷暴災(zāi)害具有局地性和地域性特征，影響各市(縣)的主要氣象災(zāi)害類別也有所不同[1-2]。其中雹暴是阿克蘇地區(qū)主要的氣象災(zāi)害，每年因冰雹造成的經(jīng)濟損失上億元。不少學(xué)者對阿克蘇地區(qū)雷暴天氣開展了相關(guān)研究，艾力·買買提明[3]對阿克蘇地區(qū)雷暴時空變化特征進行了研究；張俊蘭[4]、買合皮熱提·吾拉木[5]、曹立新[6]等對阿克蘇雹暴天氣的環(huán)流形勢分型及氣候特征開展了研究，總結(jié)出影響阿克蘇地區(qū)冰雹的四種天氣環(huán)流系統(tǒng)，統(tǒng)計了冰雹發(fā)生頻次時空分布特征。馬禹[7]、楊蓮梅[8]、彭江良[9]等針對新疆及阿克蘇冰雹的衛(wèi)星云圖特征做了研究。張俊蘭[10]、張磊[11]、劉進新[12]通過個例對阿克蘇冰雹的多普勒雷達特征做了分析，并得出一些預(yù)報指標。本文在專家對冰雹天氣特征相關(guān)研究[11-13]的基礎(chǔ)上，利用阿克蘇區(qū)域自動站資料、FY-2F/G云圖資料、阿克蘇CINRAD/CC雷達資料對2016年7月8日影響阿克蘇地區(qū)強對流天氣的中小尺度系統(tǒng)的衛(wèi)星及雷達特征進行了研究，加深預(yù)報員對強對流天氣發(fā)生發(fā)展的認識。

1 天氣實況

2016年7月8日16—22時，阿克蘇地區(qū)柯坪、阿瓦提、阿拉爾、溫宿、阿克蘇市氣象站相繼出現(xiàn)短時強降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等強對流天氣 (表1)。后期調(diào)查顯示上述縣市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)也遭受了雷雨大風(fēng)、冰雹襲擊，冰雹直徑普遍在10～40 mm，降雹持續(xù)時間為1～20 min。此次強對流天氣自西向東傳播，影響范圍廣，持續(xù)時間長，造成的災(zāi)害嚴重。

2 環(huán)流背景及對流潛勢

500 hPa天氣圖上，7日08：00(強對流發(fā)生前)，伊朗副熱帶高壓位于阿拉伯海以北，西太平洋副熱帶高壓與大陸暖性高壓合并控制我國東部地區(qū)，同時副熱帶鋒區(qū)北抬至50°N以北，烏拉爾山高壓脊較前期減弱南退，并不斷有弱冷空氣從高緯地區(qū)向中緯度地區(qū)輸送，里?！毯！陆喽滩ú刍顒??？κ病⒖颂K—巴州為偏南風(fēng)，風(fēng)速達12 m/s；且喀什—阿克蘇西部t-td≤2 ℃，可以看出此時南疆西部中層暖濕，環(huán)流形勢有利于出現(xiàn)降水天氣。

表1 2016-07-08T08—09T08阿克蘇地區(qū)部分測站監(jiān)測信息

從中尺度強對流潛勢(圖1，見第11頁)來看：500 hPa位于巴爾喀什湖中亞低槽分裂的短波槽影響南疆西部，阿克蘇受槽前西南氣流影響，將來自阿拉伯海的水汽沿青藏高原輸送至北疆北部；同時西伯利亞—青藏高原西部為深厚溫度槽，溫度槽穿過阿克蘇地區(qū)，阿克蘇測站24小時負變溫超過3 ℃，中高層受冷濕空氣控制。700 hPa天氣圖上，阿克蘇—巴州存在切變線，阿克蘇受西北氣流影響，南疆西部處于溫度脊區(qū)；喀什—阿克蘇存在干線；孟加拉灣—新疆東部有一條暖濕水汽輸送帶，水汽及熱量源源不斷的向南疆西部供應(yīng)，水平干濕分布不均勻，層結(jié)不穩(wěn)定增強。850 hPa南疆盆地受低壓環(huán)流控制，南疆西部處于溫度脊區(qū)，500 hPa至850 hPa溫差大于28 ℃，有較強的熱力不穩(wěn)定。地面上，阿克蘇位于冷高壓東南部，受此冷高壓影響阿克蘇氣壓升高。由于地面干冷平流的入侵，在喀什—阿克蘇形成風(fēng)場輻合線及干線，輻合線及干線有利于觸發(fā)中小尺度對流；從高低空配合來看，中層濕冷低層干暖，較大的垂直風(fēng)切變增強了南疆盆地的動力及熱力不穩(wěn)定條件，同時地面存在一定的中尺度觸發(fā)機制，有利于對流系統(tǒng)在本地的生成、發(fā)展及維持。

從7日08時阿克蘇站探空曲線(圖略)來看，露點曲線呈現(xiàn)為上濕下干型，溫度曲線表現(xiàn)出底層逆溫。探空物理量表現(xiàn)出一定的對流潛勢，較低抬升凝結(jié)高度 (LCL為845 m)，較大的對流有效位能(CAPE為566.7 J/kg)，低層存在一定的下沉有效位能(DCAPE值為625.03 J/kg)及抑制能量(CIN為311 J/kg)，但對流溫度為27.4 ℃，午后升溫明顯，很容易破壞對流抑制，有產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的可能。K指數(shù)為29 ℃、SI指數(shù)為0.19 ℃、LI指數(shù)為-3.36 ℃，K指數(shù)與SI指數(shù)表現(xiàn)不理想可能是由于低層濕度以及逆溫引起的，但LI指數(shù)較好。綜合來看，當?shù)蛯幽鏈仄茐模瑢α靼l(fā)展高度在500 hPa以上時，有利于出現(xiàn)強風(fēng)暴。根據(jù)阿克蘇地區(qū)預(yù)報員統(tǒng)計，當0 ℃高度為3～4 km，-20 ℃高度為6～7 km時有利于冰雹產(chǎn)生[4]。本次過程0 ℃高度為4 296 m，-20 ℃高度為7 144.5 m，比較有利于冰雹的產(chǎn)生。根據(jù)風(fēng)向來看，低層存在暖平流，高層存在冷平流，冷暖平流增強了中低層熱力不穩(wěn)定。

圖1 2016-07-08T08:00影響阿克蘇地區(qū)強對流天氣的中尺度分析

A、B、C、D、E、F、G、H為不同時刻單體，紅色圈內(nèi)表示外流云線,加號表示單體合并圖2 2016-07-08影響阿克蘇地區(qū)強對流天氣的可見光云圖動態(tài)

圖4 2016-07-08T16:12—T16:29阿克蘇CINRAD/CC雷達反射率因子及其垂直剖面圖(紅色線條為剖面位置)

圖5 2016-07-08T16:46—T17:09阿克蘇CINRAD/CC雷達0.5°仰角基本反射率因子及徑向速度(紅色圓圈為陣風(fēng)鋒；黃色三角為陣風(fēng)鋒激發(fā)的新生單體)

圖6 2016-07-08T18:28—T18:34阿克蘇CINRAD/CC雷達組合反射率因子、反射率因子垂直剖面圖及0.5°仰角基本反射率因子及徑向速度演變

3 衛(wèi)星云圖特征

3.1 可見光云圖

可見光圖像的分辨率高，能夠更好的反應(yīng)強對流天氣發(fā)生發(fā)展特征。8日12：00，新疆北部地區(qū)存在大范圍渦旋云系。阿合奇縣(A)、烏什縣北部山區(qū)(B)有積云發(fā)展,柯坪縣南部存在帶狀云線(C)，渦旋云系南部積云D位于阿克蘇北部山區(qū)。13：30積狀云A、B、D發(fā)展增強，且范圍擴大，帶狀云線C東移。從圖2(見第11頁)可以看出，14：30(圖2a)，積云A、B快速增長東移至柯坪縣—烏什縣，兩塊積云有所合并，其東側(cè)下風(fēng)方向云體尾部出現(xiàn)薄霧狀的卷云羽；同時積云D向西南側(cè)甩出一條云線，帶狀云線C東移至阿瓦提縣境內(nèi)。15：30，積云A、B合并，積云D甩出弧狀云線逐漸脫離母體，柯坪縣、溫宿縣、阿瓦提縣、阿拉爾市境內(nèi)出現(xiàn)多塊細胞狀云團E、F、G。16：00合并后的積云AB繼續(xù)東移發(fā)展；弧狀云線脫離母體后與積云E合并增強；南部細胞云C、F、G在向東北移動的過程中不斷發(fā)展，積云發(fā)展高度較高，云頂有明顯的褶皺和暗影區(qū)。17：00(圖2b)積云AB與積云G合并，云體呈楔形，楔型的頂點有明顯的上沖云頂周圍可見暗影；細胞云C、F、H云體呈V型，而V型云常常發(fā)生在對流層中上層的強風(fēng)環(huán)境中；同時積云E又產(chǎn)生一條向四周擴散的弧狀云線。楔形云及V型云表明有強的垂直風(fēng)切變。上沖云頂及弧狀云線表明高空的動量隨強的下沉氣流傳送到地面，并帶來地面破壞性強風(fēng)[14]；且由于高空與地面垂直風(fēng)切變較大，同時也可能產(chǎn)生冰雹等強對流天氣。17：30(圖2c)與18：00(圖2d)積云不斷增長東移，逐漸合并為大的積云，云系主體位于柯坪縣、阿克蘇市、溫宿縣及阿瓦提縣，云體下風(fēng)方向卷云羽清晰，高空強風(fēng)維持。此時對流云仍處于發(fā)展階段，與之相對應(yīng)上述縣市出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流天氣。19：00各積云東移合并成對流復(fù)合體并達到最強階段，結(jié)構(gòu)完整，云體東南側(cè)凸起和褶皺明顯；其東側(cè)有明顯的暗影區(qū)，表明整個云體發(fā)展高度較高；云體尾部有纖維狀卷云，表明高空風(fēng)仍然比較強勁，這應(yīng)該和200 hPa高空急流的存在有關(guān)。

從12：00積云單體東移發(fā)展至19：00成為對流復(fù)合體，可見光云圖上出現(xiàn)了一些明顯的對流天氣特征，如V型云、楔形云、弧狀云線、下風(fēng)方向卷云羽等表明高空風(fēng)強，整層垂直風(fēng)切變大；上沖云頂、褶皺及暗影表明對流云垂直發(fā)展高，上升氣流強勁且持續(xù)時間長。這些因素影響阿克蘇地區(qū)西部產(chǎn)生了大范圍的雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流天氣。

3.2 紅外云圖

3.2.1 水汽云圖 水汽是大氣運動的示蹤物。水汽圖上的暗區(qū)及水汽邊界為水汽不連續(xù)處，由于水汽不連續(xù)，造成溫度等氣象要素不連續(xù)，通過這些來分析對流云初生和發(fā)展特征[15]。

12:00新疆北部為大片水汽區(qū)，南疆盆地為相對暗區(qū)，西部國境線以外存在西北—東南向的水汽羽。水汽區(qū)的西側(cè)出現(xiàn)較為整齊的邊界，向上游一側(cè)凸起，它的一側(cè)為冷的濕區(qū)和高云區(qū)；另一側(cè)為一狹窄的干黑帶，形成了明顯的頭邊界。14:00—20:00水汽區(qū)一邊逆時針旋轉(zhuǎn)一邊向西南方發(fā)展，同時暗區(qū)隨著時間越來越暗，在變暗過程的同時被拉長；而干濕空氣之間下游的邊界隨時間越來越清晰，在邊界處不斷發(fā)展出許多團塊狀水汽區(qū)位于阿克蘇上空；這些團塊狀水汽區(qū)合并發(fā)展，阿克蘇出現(xiàn)強對流天氣。由水汽圖可以看出，影響阿克蘇的強對流云團是從雷暴云的西南邊界、水汽暗帶的前沿、卷云北界的晴空區(qū)內(nèi)發(fā)展起來，其形成與晴空大氣湍流有關(guān)。觀測表明，晴空大氣湍流與高空氣流的波有關(guān)，當水汽圖上的暗帶變暗達3 h以上時，大氣湍流發(fā)生，這種水汽圖上變暗表示高層有冷平流導(dǎo)致的強輻合下沉運動，出現(xiàn)強風(fēng)速垂直切變，產(chǎn)生湍流運動[15-16]；在水汽圖上暗區(qū)變暗最快的地方往往是湍流發(fā)生最頻繁和最強烈的地方。

3.2.2 長波紅外云圖及TBB 柯坪站及溫宿站出現(xiàn)小時雨強大于10 mm的時次分別為16：00—17：00、17：00—18：00。由圖3(見第11頁)可以看出，16：00(圖3a)對流云團呈西南—東北向，對流云團中心云頂溫度最低為237 K，對流云西南方呈V型結(jié)構(gòu)，說明高空風(fēng)強，輻散抽吸有利于垂直運動加強。此時柯坪位于對流云團東部，TBB值為249 K。從亮溫及亮溫梯度分布來看，柯坪處于TBB梯度區(qū)，有利于產(chǎn)生短時強降水[13,15]。從TBB等值線分布來看，未來對流云團將向東北方向移動并有所發(fā)展。17：00(圖3b)，對流云東移發(fā)展影響范圍擴大，主體移入柯坪城區(qū)，柯坪城區(qū)降水持續(xù)但有所減弱。從圖3c、圖3d可以看出，影響溫宿的強對流云團向東南方向發(fā)展，對流云團中心最低云頂溫度為237 K，17：00溫宿處于云團東南部邊緣TBB值為278 K處，溫宿站熱力條件好，有利于云團東移發(fā)展加強；同時測站與對流云主體亮溫差值為40 K，亮溫梯度大，此時溫宿出現(xiàn)短時降水。18：00，主體云與西南部對流云合并，影響范圍擴大，溫宿站降水持續(xù)但有所減弱。由此可以看出短時強降水出現(xiàn)在云團逼近時的TBB亮溫梯度大值區(qū)，此次對流云團最低云頂亮溫為237 K(-36.5 ℃)，對流發(fā)展高度和強度都不很強。

4 雷達特征

4.1 雷暴大風(fēng)

由表1可以看出，16：00—17：00柯坪縣、溫宿縣先后產(chǎn)生了6級以上的陣風(fēng)，利用阿克蘇CINRAD/CC雷達資料分析此次雷暴大風(fēng)的雷達特征。

從圖4(見第12頁)可以看出，16：12柯坪縣西部有一條帶狀回波，回波中存在多個強回波中心。對靠近柯坪縣城的一個強回波單體做反射率因子垂直剖面可以看出，此回波為初始發(fā)展階段，多個回波中心強度都不大(為35 dBz左右)，強回波中心離地高度為5～6 km。16：17北部單體發(fā)展，強回波范圍擴大且強度增強至40 dBz；同時可以看出此單體較周圍回波伸展高度高，說明其上升氣流強盛。16：23北部單體繼續(xù)發(fā)展加強，中心回波強度達45～50 dBz，強回波高度在6 km左右。16:29強回波迅速減弱同時開始接地，強回波中心高度由16：23的6 km突降至4 km；同時單體向東北方向移動到達柯坪縣城，此時柯坪產(chǎn)生大風(fēng)天氣。通過對比分析可知，影響柯坪的單體風(fēng)暴具有以下特點：(1)初始回波高度在6 km左右；(2)強回波中心值為45～50 dBz，高度在6 km左右；(3)大風(fēng)產(chǎn)生時強回波強度迅速減弱，高度迅速降低。此風(fēng)暴具有典型的脈沖風(fēng)暴特征[16]。

圖5(見第12頁)為0.5°仰角時的基本反射率因子及徑向速度圖。16：46溫宿縣西北部發(fā)展強盛的回波帶，中心回波強度為55 dBz并不斷向東南方向移動；強回波中心距溫宿縣為30 km左右，且強回波向東南部甩出一條弧狀窄帶回波，強度為5～10 dBz。與之相對應(yīng)的徑向速度圖可以看到強回波中心移動速度達20 m/s,而弧狀窄帶回波速度值較小，且存在一定的速度輻合。16：57—17：03，對流云進一步發(fā)展，同時弧狀窄帶回波不斷遠離強回波母體，并距離溫宿縣15 km左右；同時在此窄帶回波西側(cè)出現(xiàn)一個新的對流單體，新生單體與窄帶回波并未分離。17：09強回波母體繼續(xù)東移南下，弧狀窄帶回波到達溫宿縣內(nèi)，與之相對應(yīng)的速度圖上表現(xiàn)為5～10 m/s的正速度，隨后溫宿縣城出現(xiàn)了6級左右陣風(fēng)。分析可知，影響溫宿縣產(chǎn)生大風(fēng)天氣的系統(tǒng)為發(fā)展強盛的對流單體前沿的陣風(fēng)鋒,具體表現(xiàn)為強回波前部回波強度為5～10 dBz的弧狀窄帶回波。

綜上可知，溫宿縣、柯坪縣產(chǎn)生大風(fēng)的中小尺度系統(tǒng)并不相同，分別為脈沖風(fēng)暴以及強回波前部產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒。在以后的預(yù)報預(yù)警中可以通過分析強回波前部的窄帶回波配合低仰角徑向速度圖，強回波初始發(fā)展高度和強度初步判斷強對流類型以及連帶產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣，發(fā)布短時臨近預(yù)報預(yù)警。

4.2 冰雹

此次強對流天氣過程中，多個市(縣)遭受冰雹襲擊，其中18：00—19：00阿克蘇市的冰雹主要集中在喀拉塔勒鎮(zhèn)。

18：28(圖6，見第12頁)在喀拉塔勒鎮(zhèn)，有一新的對流單體生成，其回波中心強度為40 dBz左右，從剖面圖來看此單體在初始階段就存在強回波隨高度向強回波中心右側(cè)偏移的現(xiàn)象，且其下方存在弱回波區(qū)，并存在明顯的回波強度梯度，表明上升氣流強烈。同時強回波中心左側(cè)有明顯的云砧，表明高空風(fēng)速較大，垂直風(fēng)切變大。同一時刻速度圖上正負速度對表現(xiàn)出了氣旋式輻合的特征。由此可以看出，單體在初始時刻就表現(xiàn)出了一定的冰雹特征。18：34(圖6，見第12頁)對流單體進一步發(fā)展，回波中心強度達55 dBz，2.4°仰角基本反射率因子圖中可以看出明顯的三體散射結(jié)構(gòu)，速度圖上喀拉塔勒鎮(zhèn)處為輻合區(qū)，加之剖面圖中的有界弱回波區(qū)、回波懸垂、強回波中心偏移以及在2～7 km的強回波高度都預(yù)示了冰雹的發(fā)生。而08時探空曲線上0 ℃層高度與-20 ℃高度分別為4 296 m及 7 144.5 m，對應(yīng)0 ℃高度及-20 ℃高度處回波強度分別為55 dBz和40～45 dBz，一定程度限制了冰雹直徑的增長[14,17]，所以此次降雹以小雹為主。18：39—18：45(圖略)，回波強度減弱，強回波高度降低，回波懸垂消失，速度圖中輻合消失。此時上升氣流開始減弱，單體成熟逐漸消散，降雹趨于停止。

5 結(jié)論

利用FY-2F/G衛(wèi)星云圖、CINRAD/CC雷達、常規(guī)氣象資料等對2016年7月8日阿克蘇地區(qū)強對流天氣的衛(wèi)星云圖及雷達特征進行了綜合分析，得到如下特征。

(1)鋒區(qū)短波配合中層濕冷、低層干暖的大氣層結(jié)，整層較大的垂直風(fēng)切變，增強了南疆盆地的動力及熱力不穩(wěn)定條件，同時地面存在一定的中尺度觸發(fā)機制，有利于對流系統(tǒng)的生成、發(fā)展及維持。從探空物理量的表現(xiàn)來看,有利于短時大風(fēng)和冰雹的產(chǎn)生。

(2)V型云、楔形云、弧狀云線、下風(fēng)方向卷云羽都表明高空風(fēng)強，整層垂直風(fēng)切變大；上沖云頂、褶皺及暗影表明對流云垂直發(fā)展高，上升氣流強勁且持續(xù)時間長是阿克蘇地區(qū)西部大范圍雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流天氣的云圖特征。

(3)水汽云圖上頭邊界西南側(cè)暗區(qū)變暗表明晴空大氣湍流的發(fā)生，干濕空氣邊界不斷發(fā)展出現(xiàn)許多團塊狀水汽區(qū)，從而對流云發(fā)生發(fā)展；強降水出現(xiàn)在云團逼近區(qū)，且TBB亮溫梯度大值區(qū)。

(4)雷達圖上，影響溫宿縣、柯坪縣的分別為脈沖風(fēng)暴、陣風(fēng)鋒；此次降雹雷達圖上表現(xiàn)出了三體散射、有界弱回波區(qū)、強回波偏移、徑向速度輻合等冰雹特征。

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