2013—2018 年天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水中小尺度特征

于碧馨，王 勇，張金霞，張?jiān)苹?，武泳?/p>

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

短時(shí)強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，其精細(xì)化預(yù)報(bào)和臨近預(yù)警一直是預(yù)報(bào)難點(diǎn)。我國(guó)專家學(xué)者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水做了較細(xì)致的研究[1-3]，為短時(shí)強(qiáng)降水研究提供了理論基礎(chǔ)和預(yù)報(bào)預(yù)警基本思路。孫繼松[4]研究指出對(duì)于對(duì)流性降水，降水持續(xù)時(shí)間取決于對(duì)流系統(tǒng)的尺度、移動(dòng)速度和傳播特征。近年來(lái)，諸多專家[5-8]針對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水建立了不同區(qū)域流型配置、概念模型，給出了環(huán)境參數(shù)及雷達(dá)參數(shù)預(yù)警閾值，并對(duì)其機(jī)理的研究表明短時(shí)強(qiáng)降水是由中尺度對(duì)流系統(tǒng)造成，且二者日變化特征基本一致。張之賢等[9]統(tǒng)計(jì)隴東南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波強(qiáng)度≥20 dBZ發(fā)現(xiàn)，75%個(gè)例的尺度不足20 km，70%個(gè)例的面積在100 km以下，因此應(yīng)用區(qū)域自動(dòng)氣象站資料才可滿足精細(xì)化預(yù)報(bào)的要求。李德俊等[10]在分析短時(shí)強(qiáng)降水天氣雷達(dá)特征及臨近預(yù)警時(shí)總結(jié)了恩施山區(qū)站點(diǎn)及其鄰近地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警指標(biāo)，即反射率因子、40 dBZ強(qiáng)回波伸展高度、垂直累積液態(tài)水含量VIL密度等平均值分別達(dá)43.7 dBZ、7.0 km、1.1 g/m3，且雷達(dá)基本速度有如逆風(fēng)區(qū)等的輻合特征，經(jīng)檢驗(yàn)成功率高達(dá)81%。郝瑩等[11]研究安徽省短時(shí)強(qiáng)降水多尺度及臨近預(yù)警指出，短時(shí)強(qiáng)降水和低空急流關(guān)系密切且強(qiáng)降水出現(xiàn)在急流軸的左側(cè)，中小尺度輻合的穩(wěn)定維持是持續(xù)強(qiáng)降水的主要原因，輻合多表現(xiàn)為正速度靠近雷達(dá)一側(cè)的正負(fù)速度對(duì)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在輻合的一側(cè)。

新疆雖為干旱區(qū)氣候，但近年來(lái)極端暴雨事件，多數(shù)都包含短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程[12-14]，局地短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)大、來(lái)勢(shì)猛，易引發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡、城市內(nèi)澇等災(zāi)害。例如2018年7月31日哈密市伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)小堡村短時(shí)間內(nèi)突降特大暴雨，1 h最大降雨量達(dá)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(shè)施受損。新疆氣象專家通過(guò)對(duì)阿勒泰地區(qū)、烏魯木齊市和南疆地區(qū)等地短時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)分析[15-17]給出了流型配置、環(huán)境特征及概念模型，均提出500 hPa影響系統(tǒng)有西西伯利亞低槽、中亞低值系統(tǒng)和西北氣流，中尺度系統(tǒng)有低空切變線、低空急流等。一些學(xué)者[18-19]對(duì)中亞低渦背景下的短時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)展了相關(guān)研究，表明短時(shí)強(qiáng)降水在中亞低渦成熟期發(fā)生最多，且T-lnP圖溫濕廓線呈“上下干、中間濕”的個(gè)例最多。隨著新疆區(qū)域自動(dòng)站及觀測(cè)手段的提高，針對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水中尺度系統(tǒng)及對(duì)流風(fēng)暴特征的研究也逐漸增多，但都僅為某次個(gè)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(shí)強(qiáng)降水表明，此次天氣是由多個(gè)中-γ尺度對(duì)流單體沿著低空西北急流以“列車效應(yīng)”形式造成；而2次天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例研究表明[21-22]，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生需要強(qiáng)回波長(zhǎng)時(shí)間存在且維持一定強(qiáng)度，其直接觸發(fā)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(qiáng)降水是在“低質(zhì)心”的線狀多單體右移傳播過(guò)程中產(chǎn)生。這些研究對(duì)新疆短時(shí)強(qiáng)降水的多尺度天氣系統(tǒng)及其作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，也可以看出中尺度系統(tǒng)和對(duì)流風(fēng)暴在短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，因此對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性研究十分必要。本文在統(tǒng)計(jì)2013—2018年6—8月天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析中尺度系統(tǒng)及對(duì)流風(fēng)暴特征，歸納總結(jié)其臨近預(yù)警指標(biāo)，以期為短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)提供參考。

1 研究區(qū)域、資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

天山北坡地形復(fù)雜，地勢(shì)北低、南高，北連準(zhǔn)噶爾盆地，有高山丘陵、河流洪溝、沙漠戈壁及綠洲等。研究區(qū)域站點(diǎn)分布西起博州精河縣經(jīng)塔城地區(qū)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(gè)縣（市）231個(gè)氣象觀測(cè)站（國(guó)家站26個(gè)和區(qū)域自動(dòng)站205個(gè)）。從圖1可以看出絕大多數(shù)觀測(cè)站在沿山地區(qū)，海拔高度在108.5～3 539.0 m。

1.2 短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程定義

圖1 天山北坡231個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)（圓點(diǎn)）分布

目前，國(guó)家氣象中心和中國(guó)中東部地區(qū)氣象部門均將1 h降水量≥20 mm的降水記為短時(shí)強(qiáng)降水。根據(jù)新疆多年的預(yù)報(bào)服務(wù)實(shí)踐、暴雨洪水成災(zāi)事實(shí)和干旱半干旱地區(qū)暴雨特點(diǎn)，氣象部門將該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)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(shí)際業(yè)務(wù)保持一致，本文短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程定義為：（1）某降水日（以20：00 BTC為日界）1 h內(nèi)有2個(gè)及2個(gè)以上相鄰的測(cè)站雨強(qiáng)均≥10 mm/h；（2） 同一測(cè)站連續(xù)2 h 雨強(qiáng)≥10 mm/h；（3）滿足上述條件1條或以上的短時(shí)強(qiáng)降水，即為一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)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(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)篩選、整理、檢測(cè)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，按照上述定義篩選出短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程73次。利用常規(guī)觀測(cè)、地面加密自動(dòng)站和ERA-interim再分析等資料分析地面至700 hPa中尺度系統(tǒng)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(dá)資料，對(duì)雷達(dá)有效探測(cè)范圍內(nèi)的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的反射率因子、徑向速度、回波頂高ET、垂直累積液態(tài)水含量VIL等進(jìn)行箱線圖參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，并以各參數(shù)25%百分位作為臨近預(yù)警最低閾值的初猜值[7，17]。雷達(dá)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2 中尺度系統(tǒng)

按照500 hPa影響系統(tǒng)分類，造成73次天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的影響系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生前700 hPa風(fēng)場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、地面氣壓場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)可知，天山北坡中尺度系統(tǒng)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(dá)主要參數(shù)

統(tǒng)計(jì)2013—2018年6—8月天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水中尺度系統(tǒng)可見(jiàn)（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(jiàn)。其中，西北氣流型、中亞低渦型分別有88.9%、77.8%個(gè)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(guò)45%，其中中亞低渦型達(dá)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(shí)強(qiáng)降水中尺度系統(tǒng)統(tǒng)計(jì) 次

2.1 低空西北急流

低槽進(jìn)入北疆后表現(xiàn)為“后傾槽”結(jié)構(gòu)，即冷空氣從低層開(kāi)始先進(jìn)入北疆，塔城北部—克拉瑪依—天山中部出現(xiàn)低空西北急流（圖2），急流不斷增強(qiáng)并維持，其攜帶冷濕空氣東南下，天山以北區(qū)域位于低空西北急流出口區(qū)。

天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程低空西北急流極為重要，主要作用表現(xiàn)在：一是其前方為速度和質(zhì)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(qiáng)迫抬升，增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，將暖濕空氣不斷抬升至高空；三是與來(lái)自于不同方向氣流冷暖空氣垂直切變，加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定并觸發(fā)不穩(wěn)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(jī)制，極大地提高降水效率。在天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中均有西北急流或10 m·s-1左右顯著氣流，強(qiáng)降水出現(xiàn)在低空急流（大風(fēng)速軸）出口區(qū)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(xiàn)為冷式切變線或輻合線，一是西北（偏北）風(fēng)和西南（偏南）風(fēng)的切變（圖3a），短時(shí)強(qiáng)降水關(guān)鍵區(qū)多出現(xiàn)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(fēng)速輻合區(qū)（圖3b），在天山北坡均有強(qiáng)降水發(fā)生；三是偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的切變（圖3c），強(qiáng)降水區(qū)多位于烏魯木齊附近、昌吉州及其以東的地區(qū)。在天氣尺度背景場(chǎng)下分析出的低空切變線或輻合線多屬于中-β尺度系統(tǒng)，冷暖空氣對(duì)峙明顯，斜壓性強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水多出現(xiàn)在低空冷式切變線靠暖區(qū)一側(cè)。

2.3 地面輻合線

在天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前幾乎都會(huì)有一個(gè)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(qū)巴爾喀什湖附近，在中低層冷平流強(qiáng)迫作用下地面加壓，冷高壓舌沿著天山地形進(jìn)入北疆，高壓舌氣壓值為1006～1012 hPa（圖3d），3 h內(nèi)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(fā)了不穩(wěn)定能量，該輻合線在短時(shí)強(qiáng)降水前0～2 h增強(qiáng)，對(duì)短臨預(yù)警有一定的指示意義。

3 對(duì)流單體特征

3.1 雷達(dá)回波特征

在挑選的73次天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，有59次在雷達(dá)有效探測(cè)范圍內(nèi)。根據(jù)雷暴的生成發(fā)展機(jī)制、生命史和新疆短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的關(guān)系，參照俞小鼎等[1-2]和孫繼松等[3-4]對(duì)流風(fēng)暴的分類方法，通過(guò)分析短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)反射率因子回波演變形態(tài)及方式，將這59次的對(duì)流單體主要分為3類：合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型、孤立對(duì)流型。

圖3 700 hPa切變線或輻合線

（1）合并加強(qiáng)型：表現(xiàn)為從多方向（至少1個(gè)方向）移入的1個(gè)及以上的對(duì)流單體進(jìn)入影響地區(qū)后，受中尺度系統(tǒng)輻合等影響，其回波與本地塊狀回波聚合加強(qiáng)，特點(diǎn)是回波強(qiáng)度較強(qiáng)，雨強(qiáng)較大，范圍較小。

（2）列車效應(yīng)型：由相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)對(duì)流單體沿著高空引導(dǎo)氣流或低空急流的方向傳播，在移動(dòng)過(guò)程中相繼影響同一地區(qū)造成短時(shí)強(qiáng)降水；其傳播方向與降水落區(qū)的夾角較小，常造成區(qū)域性的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，生命史較長(zhǎng)。

（3）孤立對(duì)流型：一類為雷達(dá)回波孤立發(fā)展的對(duì)流單體，另一類為層狀云降水回波中存在孤立的中尺度對(duì)流云團(tuán)，呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)；具有面積大、強(qiáng)度弱、質(zhì)心低、生命史較短等特點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型、孤立對(duì)流型分別為20次（占33.9%）、23次（占39.0%）、16次（占27.1%），合并加強(qiáng)型和列車效應(yīng)型居多，孤立對(duì)流型較少。

3.1.1 最大反射率因子強(qiáng)度

由天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴型的雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度箱線分布圖可見(jiàn)（圖4a），天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型值分布比較集中，孤立對(duì)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(qiáng)型、列車效應(yīng)型和孤立對(duì)流型的中位數(shù)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。可見(jiàn)，孤立對(duì)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(gè)例，最大值為61.5～63 dBZ（僅有4次），其中63 dBZ的個(gè)例是合并加強(qiáng)型，小時(shí)雨強(qiáng)28.6 mm·h-1。雨強(qiáng)＞24.0 mm·h-1的最大反射率因子強(qiáng)度均超過(guò)50 dBZ。孤立對(duì)流型25%百分位值明顯小于其他2類，而合并加強(qiáng)型75%百分位值和列車效應(yīng)型相當(dāng)。按照前文設(shè)定，以25%百分位最低值≥46.5 dBZ作為天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警最低閾值。

3.1.2 強(qiáng)回波中心（40 dBZ）頂高

圖4b是天山北坡及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和孤立對(duì)流型3類對(duì)流風(fēng)暴的雷達(dá)強(qiáng)回波中心（40 dBZ）頂高箱線圖，其中位數(shù)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(gè)例，其中強(qiáng)回波中心頂高達(dá)10.5 km的個(gè)例為合并加強(qiáng)型，雨強(qiáng)為33.8 mm·h-1。根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波強(qiáng)度垂直剖面分析，雷達(dá)回波有“低質(zhì)心”和“高質(zhì)心”兩種結(jié)構(gòu)類型，前者占多數(shù)且生命史長(zhǎng)，后者生命史短。雨強(qiáng)＞24.0 mm/h的強(qiáng)回波中心頂高為4.0 km左右的低質(zhì)心回波或強(qiáng)回波中心頂高＞7.0 km的高質(zhì)心回波，因而設(shè)定強(qiáng)回波中心頂高≥4.0 km為天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警最低閾值。

圖4 天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴型最大反射率因子強(qiáng)度（a，單位：dBZ）和強(qiáng)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(shí)別特征

天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)平均徑向速度圖上中尺度輻合表現(xiàn)形式主要為逆風(fēng)區(qū)。逆風(fēng)區(qū)可以用來(lái)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)并發(fā)布暴雨預(yù)警[23]。在逆風(fēng)區(qū)周邊或其移動(dòng)路徑上時(shí)常將要出現(xiàn)或者正在出現(xiàn)暴雨[24]。有些個(gè)例也能夠識(shí)別出徑向速度輻合，但中氣旋僅出現(xiàn)1次，可見(jiàn)由超級(jí)單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水為小概率事件。根據(jù)雷達(dá)平均徑向速度圖，分析對(duì)流風(fēng)暴逆風(fēng)區(qū)有無(wú)情況，有81%個(gè)例可以識(shí)別出逆風(fēng)區(qū)，其中合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型分別有95%、91%，而孤立對(duì)流型有50%（圖5）。逆風(fēng)區(qū)個(gè)例中列車效應(yīng)型最多。雨強(qiáng)＞24.0 mm/h的有8次，一半都是合并加強(qiáng)型。一般在強(qiáng)降水發(fā)生前30 min內(nèi)出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)。

3.3 其他導(dǎo)出雷達(dá)產(chǎn)品

3.3.1 回波頂高ET

圖5 天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴型逆風(fēng)區(qū)有無(wú)比例分布

圖6a是天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴型的雷達(dá)回波頂高ET箱線圖，列車效應(yīng)型箱體寬于其他兩型，ET值分布較分散，合并加強(qiáng)和孤立對(duì)流型比較集中。天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和孤立對(duì)流型的中位數(shù)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(shí)強(qiáng)降水最大ET都超過(guò)8.0 km，雨強(qiáng)＞24.0 mm/h的最大ET大多數(shù)超過(guò)10.0 km?？梢?jiàn)，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部均有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，最小到最大值范圍列車效應(yīng)型最小、合并加強(qiáng)型最大；列車效應(yīng)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(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警的ET閾值。

3.3.2 垂直累積液態(tài)水含量VIL

圖6 天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴型回波頂高（a，單位：km）和垂直累積液態(tài)水含量（b，單位：kg/m2）箱線分布

圖6b是天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及其3類對(duì)流風(fēng)暴的垂直累積液態(tài)水含量VIL箱線圖，合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和孤立對(duì)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(shù)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(duì)流型小于其他兩型；去掉極值點(diǎn)，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(jiàn)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(diǎn)32.1 kg/m2的個(gè)例（列車效應(yīng)型）雨強(qiáng)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(duì)流型25%百分位值較其他兩型偏低，而75%百分位值3類相當(dāng)。因此，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警的VIL閾值為≥7.0 kg/m2。

4 典型個(gè)例

4.1 合并加強(qiáng)型

2015年7月1日塔城地區(qū)烏蘇市局地出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，1日23：00 BTC西大溝鎮(zhèn)烏木克站、西大溝鎮(zhèn)站1 h降水量分別為11.6、10.5 mm。本次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程是在中亞低渦底部產(chǎn)生，中尺度影響系統(tǒng)為地面輻合線，其對(duì)流風(fēng)暴屬于合并加強(qiáng)型。

石河子站雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子圖上，21：53 BTC（圖7a）在西大溝鎮(zhèn)烏木克站西側(cè)有3個(gè)對(duì)流單體呈西西南—東東北向帶狀排列，主體自西向東移動(dòng)時(shí)，3個(gè)對(duì)流單體自南向北合并發(fā)展迅速增強(qiáng)（圖7b）。22：05 BTC（圖7c）強(qiáng)回波中心發(fā)展增強(qiáng)到50～60 dBZ，對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波中心的剖面圖上（圖7g），回波為低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的對(duì)流單體，50～60 dBZ的強(qiáng)回波在4 km以下并接地，≥40 dBZ的回波頂高度達(dá)7 km；對(duì)應(yīng)徑向速度圖上（圖7h），強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)有明顯的逆風(fēng)區(qū)。

圖7 2015年7月1日21：53—22：23 BTC（紅點(diǎn)為西大溝鎮(zhèn)烏木克站）石河子站雷達(dá)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(nèi)為逆風(fēng)區(qū)）

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

4.2 列車效應(yīng)型

2015年6月27日16：00—19：00 BTC塔城地區(qū)烏蘇市境內(nèi)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，27日17：00 BTC西大溝鎮(zhèn)烏木克站1 h降水量23.1 mm。本次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程是在中亞低渦前部產(chǎn)生，中尺度影響系統(tǒng)為700 hPa切變線和地面輻合線，其對(duì)流風(fēng)暴屬于列車效應(yīng)型。

16：08 BTC（圖8a）在該站西部有3個(gè)回波單體呈東西向排列，回波自西向東移動(dòng)，測(cè)站左側(cè)的對(duì)流單體原地發(fā)展起來(lái)回波較強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)40 dBZ。16：14—16：20 BTC（圖8b，8c）離該站較遠(yuǎn)的西側(cè)的兩個(gè)對(duì)流單體合并，經(jīng)歷了發(fā)展—減弱的過(guò)程，而測(cè)站左側(cè)的對(duì)流單體回波緩慢東移過(guò)程中影響該站。16：26 BTC原測(cè)站西側(cè)合并的對(duì)流單體加強(qiáng)，東移至測(cè)站左側(cè)（圖8d），對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波中心的剖面圖上（圖8f）該回波為低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的普通對(duì)流單體，40～50 dBZ的強(qiáng)回波在4.5 km以下并接地，≥30 dBZ的回波頂高度達(dá)6 km。同時(shí)，離該站較遠(yuǎn)的西側(cè)又有對(duì)流單體發(fā)展，直徑也較大。16：38 BTC（圖8e）測(cè)站西側(cè)發(fā)展的對(duì)流單體強(qiáng)回波中心達(dá)50 dBZ，在東移過(guò)程中繼續(xù)影響測(cè)站產(chǎn)生強(qiáng)降水。可見(jiàn)，此站的短時(shí)強(qiáng)降水是由孤立對(duì)流單體不斷合并發(fā)展，以列車效應(yīng)方式經(jīng)過(guò)測(cè)站造成的。

4.3 孤立對(duì)流型

2018年7月2日20：00 BTC塔城地區(qū)烏蘇市巴音溝牧場(chǎng)站1 h降水量11.3 mm。本次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的500 hPa影響系統(tǒng)為西西伯利亞低槽，中尺度影響系統(tǒng)為700 hPa西北急流、850 hPa輻合線和地面輻合線，其對(duì)流風(fēng)暴屬于孤立對(duì)流型。

18：50 BTC（圖9a）在該站東北側(cè)有孤立對(duì)流單體回波發(fā)展，西退南下過(guò)程中發(fā)展加強(qiáng)；18：56 BTC（圖9b）強(qiáng)回波中心達(dá)57 dBZ，該站正位于強(qiáng)回波單體南緣的高反射率因子梯度大值區(qū)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波中心的剖面圖上（圖9c），回波為低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的普通對(duì)流單體，40～50 dBZ的強(qiáng)回波頂高達(dá)6 km并接地。19：02—19：14 BTC（圖9d~f）回波南移至測(cè)站上空有所加強(qiáng)；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(qiáng)反射率因子中心附近。由此可見(jiàn)，此站最大累積降水是在不到30 min內(nèi)產(chǎn)生，由本地發(fā)展的孤立對(duì)流單體直接影響造成。

5 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度影響系統(tǒng)和對(duì)流風(fēng)暴特征，得到一些對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)警有意義的結(jié)論：

（1）天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度系統(tǒng)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(dòng)力、熱力、水汽等方面起重要作用，強(qiáng)降水出現(xiàn)在低空急流（大風(fēng)速軸）出口區(qū)的前方或左前方；低空切變線主要是西北（偏北）風(fēng)與西南（偏南）風(fēng)的切變、偏北風(fēng)與偏南風(fēng)的切變，強(qiáng)降水多出現(xiàn)在低空切變線靠暖區(qū)一側(cè)；輻合線主要為低空急流前部風(fēng)速輻合區(qū)及地面冷高壓前沿輻合線，以上均為中-β尺度系統(tǒng)。

圖8 2015年6月27日16：08—16：38 BTC（紅點(diǎn)為西大溝鎮(zhèn)烏木克站）石河子站雷達(dá)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(diǎn)為巴音溝牧場(chǎng)站）石河子站雷達(dá)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(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波形態(tài)有合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和孤立對(duì)流型3種類型，前兩者居多，后者較少。雷達(dá)回波垂直剖面有“低質(zhì)心”和“高質(zhì)心”兩種結(jié)構(gòu)，前者占多數(shù)且生命史長(zhǎng)，后者生命史短。天山北坡最大反射率因子強(qiáng)度、強(qiáng)回波中心（40 dBZ）頂高、回波頂高ET、垂直累積液態(tài)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(yù)警閾值為：最大反射率因子強(qiáng)度≥46.5 dBZ，強(qiáng)回波中心（40 dBZ）頂高≥4.0 km，ET≥8.6 km，VIL≥7.0 kg·m-2。

（3）雷達(dá)速度圖上81%的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程可以識(shí)別出逆風(fēng)區(qū)，但中氣旋僅出現(xiàn)1次，說(shuō)明由超級(jí)單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水為小概率事件。