2010—2018年天山北坡短時強(qiáng)降水環(huán)境參數(shù)特征及閾值初探

洪 月，王 勇，張?jiān)苹?，華 燁，黃 艷

（1.新疆氣象臺，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.和田地區(qū)氣象臺，新疆 和田848000）

短時強(qiáng)降水是夏季災(zāi)害性天氣之一，其引發(fā)的山洪、泥石流、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害來勢猛、災(zāi)害重[1-3]。探空資料分析是強(qiáng)對流天氣環(huán)境參數(shù)潛勢預(yù)報的重要手段之一，多年來我國學(xué)者對此做過很多研究，葉篤正[4-5]早在20世紀(jì)70年代就初步探討利用探空資料尋找對流天氣發(fā)展的有利條件；俞曉鼎[6]在分析短時強(qiáng)降水臨近預(yù)報的思路及方法指出，降水效率與環(huán)境條件關(guān)系密不可分，對流層相對濕度越大，垂直風(fēng)切變越小，降水效率越高。何立富等[7]分析國家級強(qiáng)對流潛勢預(yù)報業(yè)務(wù)進(jìn)展表明，選取探空資料敏感動力熱力參數(shù)，可構(gòu)建強(qiáng)對流潛勢預(yù)報指數(shù)參數(shù)；孫繼松等[8]總結(jié)不同類型強(qiáng)對流天氣的探空參數(shù)特征，指出K指數(shù)、A指數(shù)和MK指數(shù)對強(qiáng)對流天氣具有較好的指示意義。雷蕾等[9-10]計(jì)算北京地區(qū)CAPE、DCAPE、PW、低層垂直風(fēng)切變等探空物理參量，表明其可以較好地甄別冰雹和暴雨天氣。

近些年來，隨著新疆區(qū)域自動站建設(shè)及觀測手段的提高，很多專家在暴雨動力機(jī)制、水汽輸送等機(jī)理研究基礎(chǔ)上，闡明了短時強(qiáng)降水對暴雨的主要貢獻(xiàn)[11-14]，而探空物理參數(shù)是短時強(qiáng)降水潛勢預(yù)報指標(biāo)之一，莊曉翠等[15]分析阿勒泰地區(qū)短時強(qiáng)降水環(huán)境參數(shù)特征表明，對流層低層濕度較大，抬升凝結(jié)高度低，CAPE值較小，除T850-500和抬升指數(shù)比我國中東部地區(qū)偏大外，其余參數(shù)均偏小。張超等[16]統(tǒng)計(jì)分析烏魯木齊市短時強(qiáng)降水過程物理參數(shù)指出，K指數(shù)為30～33℃、SI指數(shù)和抬升指數(shù)均＜0℃，對短時強(qiáng)降水預(yù)報有較好指示意義。楊蓮梅等[17]分析烏魯木齊一次短時強(qiáng)降水的探空參數(shù)顯示，午后K指數(shù)增大、SI指數(shù)減小，CAPE值明顯增大，表明層結(jié)不穩(wěn)定明顯發(fā)展，對流有效位能發(fā)展顯著，有利于短時強(qiáng)降水發(fā)生。黃艷等[18]分析南疆短時強(qiáng)降水環(huán)境參數(shù)表明，短時強(qiáng)降水發(fā)生前大氣水汽含量充沛、存在一定的CAPE、較明顯的垂直風(fēng)切變及0℃層高度偏低、暖云層厚度偏厚等特征，而合適的CIN有利于對流不穩(wěn)定能量的積聚和爆發(fā)。天山北坡是短時強(qiáng)降水多發(fā)區(qū)之一，但對其環(huán)境參數(shù)特征研究較少，因此，有必要進(jìn)行分析研究。本文通過分析2010—2018年6—8月天山北坡探空物理參數(shù)特征，總結(jié)各參數(shù)閾值，以期為短時強(qiáng)降水預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 資料和方法

1.1 短時強(qiáng)降水過程定義

根據(jù)新疆多年的預(yù)報服務(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)，結(jié)合新疆預(yù)報業(yè)務(wù)，定義短時強(qiáng)降水為1 h降水量≥10 mm。本文將短時強(qiáng)降水過程定義為：（1）1 h內(nèi)有2個或以上相鄰測站的雨強(qiáng)均≥10 mm/h；（2）同一測站連續(xù)2 h（或以上）降水量≥10 mm/h；同時滿足上述條件之一，為一次短時強(qiáng)降水過程。

1.2 資料選取

在統(tǒng)計(jì)2010—2018年6—8月天山北坡26個國家站和205個區(qū)域自動站86次短時強(qiáng)降水過程基礎(chǔ)上，利用烏魯木齊、克拉瑪依2部GFE（L）型高空氣象探測雷達(dá)站逐日08時、20時（北京時，下同）資料，篩選最接近短時強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域100 km范圍的探空站及短時強(qiáng)降水發(fā)生前的最近時次，統(tǒng)計(jì)出71次短時強(qiáng)降水有效探空數(shù)據(jù)。

1.3 探空參數(shù)及閾值計(jì)算方法

基于強(qiáng)對流天氣構(gòu)成要素預(yù)報方法中[5-9]，本文用T850-500即ΔT85來表示靜力不穩(wěn)定，溫差越大，則表示存在條件不穩(wěn)定的可能越大；水汽條件用地面至700 hPa露點(diǎn)溫度的平均值代表水汽絕對量；K指數(shù)、SI指數(shù)、抬升指數(shù)（LI）、A指數(shù)、對流有效位能CAPE和對流抑制CIN來表示強(qiáng)對流天氣發(fā)生的潛勢（可能性），由于大多數(shù)對流發(fā)生在午后，對流有效位能CAPE和對流抑制CIN為訂正后的數(shù)據(jù)；深層垂直風(fēng)切變則采用0～6 km的風(fēng)矢量差來代表。通過分析各關(guān)鍵參數(shù)集合箱線圖數(shù)據(jù)（剔除奇異值），考慮到若用箱線圖中最低值作為預(yù)報預(yù)警閾值，則出現(xiàn)虛報的概率可能較大，故采用25%百分位作為預(yù)報最低閾值的初猜值[19]。

2 時空分布特點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)2010—2018年6—8月天山北坡短時強(qiáng)降水平均頻次空間分布（圖1a）可以看出，其分布極為不均，主要發(fā)生在沿山、山麓丘陵、山地迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，其中昌吉州沿山（海拔1000～1500 m）的淺山區(qū)、臨近湖和水庫的站（海拔在470～650 m）年平均發(fā)生頻次最多達(dá)4～5次，其次是烏蘇市—沙灣縣—石河子市及烏魯木齊市的沿山一帶（海拔1000～2000 m）迎風(fēng)坡年平均最多2～3次，而靠近準(zhǔn)噶爾盆地南緣少于1次。

圖1 2010—2018年6—8月天山北坡短時強(qiáng)降水平均頻次空間分布（a）和月分布（b）

天山北坡短時強(qiáng)降水平均頻次月分布表明（圖1b），6月出現(xiàn)最多，平均65次，其次7月和8月均為42次。

3 環(huán)境參數(shù)特征

3.1 溫濕廓線形態(tài)分類

統(tǒng)計(jì)分析天山北坡71次（6月31次，7月28次，8月12次）短時強(qiáng)降水環(huán)流形勢，主要影響系統(tǒng)為中亞或西西伯利亞低槽（渦）及其分裂的短波；探空T-lnP溫濕廓線，參考黃艷等[18]對T-lnP溫濕廓線分型，分為4種類型（圖2）：I型（整層濕）有8次（圖2a），多發(fā)生在6月下旬和7月，短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在平原、淺山山麓和山區(qū)地帶，傍晚和清晨較易發(fā)生。II型（上干下濕）只有3次（圖2b），主要在7月上旬和8月，短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在平原和沿山地帶，午后較易發(fā)生。III型（上濕下干）有27次（圖2c），6月、7月下旬和8月上旬多發(fā)，大多出現(xiàn)在沿山及山區(qū)地帶，午后至傍晚多發(fā)。IV型（干絕熱）有33次（圖2d），此型是天山北坡最多的類型，也說明短時強(qiáng)降水是通過水汽迅速集中實(shí)現(xiàn)，主要出現(xiàn)在平原及淺山地帶，6月中下旬和7月中下旬頻發(fā)，午后至夜間較易發(fā)生。

圖2 天山北坡短時強(qiáng)降水T-lnP溫濕廓線分型（a為I型，b為II型，c為III型，d為IV型）

3.2 關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征

3.2.1 主要環(huán)境參數(shù)氣候特點(diǎn)

表1是2010—2018年6—8月天山北坡主要環(huán)境參數(shù)的平均值。由于夏季天山北坡多為晴空少云天氣，ΔT85為24.8～30.3℃，接近干絕熱層結(jié)，這與天山北坡東西向地形有關(guān)。6—7月ΔT85值較高，為29.2～30.3℃，8月為24.8℃，說明6—7月大氣條件不穩(wěn)定度高，發(fā)生強(qiáng)對流天氣的可能性高于8月。地面至700 hPa露點(diǎn)溫度的平均值呈逐月增大趨勢，6月為4.1℃，7月為6.4℃，8月為9.5℃，說明低層水汽條件6月較好、7月次之。CAPE平均值7月最大為245.6 J/kg，其次是6月為210.3 J/kg，8月最小為68.7 J/kg。CIN分布7月最大為120.5 J/kg，其次是6月為93.2 J/kg，8月較小為82.4 J/kg，說明7月對流不穩(wěn)定能量釋放最多，對流天氣最易發(fā)生。0～6 km垂直風(fēng)切變呈逐漸增大趨勢，8月風(fēng)切變最大為15 m/s，6～7月較小為9～10 m/s。

3.2.2 靜力不穩(wěn)定

研究表明[18-19]夏季干絕熱層結(jié)ΔT85為38～39℃，濕中性層結(jié)（假絕熱曲線）ΔT85約20～21℃；一般對流性天氣在21～39℃，其值越大，代表?xiàng)l件性不穩(wěn)定越強(qiáng)。夏季天山北坡ΔT85平均28.1℃（表1），滿足靜力不穩(wěn)定條件。圖3是天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)探空溫濕度廓線ΔT85箱線圖，中位值分別為24、30、31、30℃；平均值分別為24.1、29.8、31.2、29.5℃；25%～75%百分位值的范圍分別為23～25℃、28～32℃、30～33℃、28～32℃；最小到最大值范圍分別為20～28℃、24～36℃、26～35℃、23～36℃?？梢奍II和IV型值均大于I型，且IV型值總體較大，呈明顯的條件不穩(wěn)定層結(jié)，而總次數(shù)箱體值與III型很相近。因此，I、III、IV型ΔT85的25%百分位值分別是23、28、30℃，可以作為天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型靜力不穩(wěn)定的閾值，而其25%百分位最低值23℃可作最低閾值。

表1 2010—2018年6—8月天山北坡主要環(huán)境參數(shù)月平均

圖3 ΔT85箱線圖

3.2.3 水汽條件

水汽是深厚濕對流生成的另一個要素，圖4是天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)探空溫濕度廓線地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值的箱線圖，中位值分別為11.6、6.1、4.8、6.0℃；平均值分別為10.6、6.0、4.2、5.7℃；25%~75%百分位值的范圍分別為9～12.2℃、3.4～8.5℃、1.5～7.1℃、3.0～8.2℃；最小到最大值范圍分別為8～12.3℃、1～13.5℃、-2.6～9℃、-2.6～13.5℃?？梢姷孛嬷?00 hPa露點(diǎn)溫度均值I型值最大，III型次之，IV型最小，說明I型所需要的水汽條件低于其它兩型，總次數(shù)箱體值與III型相近。因此，I、III、IV型地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值25%百分位值9.0、3.4、1.5℃可分別作為天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型水汽條件閾值，而其25%百分位最低值1.5℃可作為最低閾值。

圖4 地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值箱線圖

3.2.4 CAPE和CIN

靜力不穩(wěn)定（條件不穩(wěn)定）與水汽條件結(jié)合所表征的對流參數(shù)有很多，比較綜合的對流指數(shù)是對流有效位能CAPE和對流抑制CIN。對流有效位能CAPE反映了大氣環(huán)境中是否能發(fā)生深厚對流的熱力變量，通常與對流抑制CIN結(jié)合在一起作為判斷深厚濕對流發(fā)生潛勢和潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一[5-10]。圖5a是天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)對流有效位能CAPE箱線圖，可見I型值較大箱體明顯寬于其它兩型，說明CAPE值的區(qū)間范圍較大，而III、IV型及總次數(shù)的CAPE值接近且分布比較集中。I、III、IV型及總次數(shù)中位值分別為800、363、280、307 J/kg；平均值分別 為774、361、408、390 J/kg；25%～75%百分位值的范圍分別為436～1120 J/kg、110～582 J/kg、133～599 J/kg、152～536 J/kg；最小到最大值的范圍分別為172～1329 J/kg、64～708 J/kg、71～1292 J/kg、64～911 J/kg，CAPE最大值出現(xiàn)在2015年6月28日，昌吉州東部17站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。因此，I、III、IV型CAPE的25%百分位值436 J/kg、110 J/kg、133 J/kg分別可作為天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型的閾值，而其25%百分位最低值110 J/kg可作為最低閾值。

對流抑制CIN的物理意義是指抬升力必須克服負(fù)浮力才能將氣塊抬升到自由對流高度，即深厚濕對流形成所需要的抬升觸發(fā)強(qiáng)度由CIN決定。圖5b為天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)CIN值箱線圖，I、III、IV型及總次數(shù)中位值分別為68、198、268、195 J/kg；平均值分別為77、218、260、221 J/kg；25%～75%百分位值的范圍分別為30～130 J/kg、83～290 J/kg、160～356 J/kg、87～332 J/kg；最小到最大值的范圍分別為29～139 J/kg、61～565 J/kg、59～434 J/kg、29～565 J/kg?？梢奍型值最小，與CAPE值呈明顯反相關(guān)，IV型值整體較大，III型與總次數(shù)箱體接近。因此，I、III、IV型CIN的25%百分位值分別是30、83、160 J/kg，可作為天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型的閾值，而25%百分位最低值30 J/kg可作為最低閾值。

圖5 對流有效位能CAPE（a）和對流抑制CIN（b）箱線圖

3.2.5 深層垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變（Vertical Wind Shear）是風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化。在給定水汽、靜力不穩(wěn)定性及抬升觸發(fā)的條件下，對流性風(fēng)暴組織和特征決定于垂直風(fēng)切變的大小，是強(qiáng)對流天氣預(yù)報的重要參數(shù)[4-10]。通常用地面至6 km高度的風(fēng)矢量差來表示深層垂直風(fēng)切變，參考新疆短時強(qiáng)降水有關(guān)文獻(xiàn)[13-18]，將0～6 km垂直風(fēng)切變劃分為3類，即＜12 m/s定為弱垂直風(fēng)切變，12～20 m/s為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，≥20 m/s為強(qiáng)垂直風(fēng)切變。

圖6為天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)探空0～6 km垂直風(fēng)切變箱線圖，可見I型箱體明顯寬于其它兩型，總次數(shù)箱體值與III型很相近，I、III、IV型及總次數(shù)中位值分別為10、11.5、10、10 m/s；平均值分別為12.1、10.3、9.8、10.5 m/s；25%～75%百分位值的范圍分別為6.5～17.5 m/s、6.8～13.2 m/s、7.0～12.8 m/s、7.0～13.8 m/s；最小到最大值的范圍分別為5～22 m/s、1～23 m/s、1～19 m/s、1～23 m/s。上述3類垂直風(fēng)切變中位和平均值均在10～12 m/s，屬于弱垂直風(fēng)切變，說明天山北坡多數(shù)短時強(qiáng)降水發(fā)生在弱垂直風(fēng)切變下，而75%百分位值在12.8～17.5 m/s，為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，≥20 m/s的強(qiáng)垂直風(fēng)切變僅有2次，其最大值23 m/s出現(xiàn)在2014年7月5日，當(dāng)日塔城地區(qū)烏蘇市4站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。因此，I、III、IV型0～6 km垂直風(fēng)切變25%百分位值分別是6.5、6.8、7.0 m/s，可作天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型的閾值，而25%百分位最低值6.5 m/s可作為最低閾值。

圖6 0～6 km垂直風(fēng)切變箱線圖

3.2.6 暖云層厚度

強(qiáng)降水產(chǎn)生的有利環(huán)境條件除了具備靜力不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)外，還有一個條件即暖云層厚度，將抬升凝結(jié)高度到0℃層之間的高度差定義為暖云層厚度。暖云層厚度越大，降水效率越高，越有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。圖7為天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型探空溫濕度廓線的暖云層厚度箱線圖，可以看到I型暖云層厚度明顯高于III、IV型，而III、IV型箱體接近。I、III、IV型及總次數(shù)中位值分別為3.0、1.5、1.6、1.7 km；平均值分別為3.0、1.6、1.6、1.8 km；25%～75%百分位值的范圍分別為2.8～3.1 km、1.1～2.1 km、1.1～2.2 km、1.2～2.3 km；最小到最大值的范圍分別為2.3～3.7 km、0.6～2.7 km、0.3～3.5 km、0.3～3.7 km。最大值3.7 km出現(xiàn)在2016年7月30日，當(dāng)日石河子市附近5站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。因此，I、III、IV型暖云層厚度25%百分位值分別是2.8、1.1、1.1 km，可作為天山北坡短時強(qiáng)降水3種類型的閾值，而25%百分位最低值1.1 km可作為最低閾值。上述分析也表明天山北坡短時強(qiáng)降水暖云層厚度明顯低于我國中東部[7-10]，這可能是造成短時強(qiáng)降水量級及強(qiáng)度偏弱的原因之一。

圖7 暖云層厚度箱線圖

3.2.7 其他敏感參數(shù)

圖8為天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型及總次數(shù)探空參數(shù)K指數(shù)、SI指數(shù)、抬升指數(shù)（LI）、A指數(shù)的箱線圖，可以看出3型及總次數(shù)25%～75%百分位值的范圍K指數(shù)分別為31.0～37.0℃、31.0～36.0℃、24.3～30.8℃、27.3～33.0℃（圖8a）；SI指數(shù)分別為-1.3～2.2℃、-0.2～2.4℃、-0.2～2.6℃、-0.4～2.4℃（圖8b）；抬升指數(shù)（LI）分別為-3.9～1.8℃、-2.5～1.5℃、-1.5～1.1℃、-1.6～1.4℃（圖8c）；A指數(shù)分別為3.0～18.0、2.5～15.0、-9.8～3.8、-4.8～12.0（圖8d）。

圖8 各型其它敏感參數(shù)箱線圖

綜上所述，天山北坡短時強(qiáng)降水I、III、IV型K指數(shù)、SI指數(shù)、抬升指數(shù)（LI）、A指數(shù)25%百分位最低閾值分別為24.3℃、-1.3℃、-3.9℃和-9.8。

4 結(jié)論與閾值探討

4.1 結(jié)論

（1）統(tǒng)計(jì)2010—2018年6—8月天山北坡探空參數(shù)月平均表明，ΔT85呈逐月減小趨勢，且干絕熱層結(jié)特征明顯；地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值、0～6 km垂直風(fēng)切變呈逐月增大趨勢；對流有效位能CAPE和對流抑制CIN均7月最大，6月次之，8月較小。

（2）天山北坡短時強(qiáng)降水主要受中亞或西西伯利亞低槽（渦）及其分裂短波影響，主要發(fā)生在沿山、山麓丘陵、山地迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，6月出現(xiàn)最多，其次是7月和8月，午后至夜間發(fā)生概率較大。T-lnP溫濕廓線形態(tài)主要可分為整層濕（I型）、上干下濕（II型）、上濕下干（III型）和干絕熱（IV型）等4型，其中，IV型為最多，占總次數(shù)的46.5%；其次是III型，占總次數(shù)的38%；第三是I型，占總次數(shù)的11.3%；II型最少，僅占總次數(shù)的4.2%。

（3）I型、II型短時強(qiáng)降水發(fā)生前低層大氣濕潤、水汽含量充沛、存在一定的對流有效位能、較大暖云層厚度、中低層有中等或偏弱的垂直風(fēng)切變等特征，而合適的對流抑制，有利于對流不穩(wěn)定能量的積聚和爆發(fā)，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水。III型中高層有較深厚的濕度層結(jié)，暖云層厚度和對流有效位能較小，垂直風(fēng)切變?nèi)?，低層對流抑制能量（CIN）大。IV型與其它3型不同，大氣層結(jié)干、ΔT85大，暖云層厚度、對流有效位能（CAPE）和對流抑制（CIN）均較小。

4.2 閾值探討

（1）以集合箱線圖25%百分位作為建議預(yù)警最低閾值，天山北坡短時強(qiáng)降水關(guān)鍵物理參數(shù)總體閾值為T850-500≥23℃，地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值≥1.5℃，CAPE≥110 J/kg，CIN≥30 J/kg；0～6 km垂直風(fēng)切變≥6.5 m/s，暖云層厚度≥1.1 km，K指數(shù)≥24.3℃，SI指數(shù)≥-1.3℃，抬升指數(shù)（LI）≥-3.9℃及A指數(shù)≥-9.8。

（2）考慮到實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，分析表明天山北坡短時強(qiáng)降水總體關(guān)鍵物理參數(shù)組合為ΔT85、地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值、0～6 km、暖云層厚度、K指數(shù)、SI指數(shù)等，而CAPE、CIN、抬升指數(shù)（LI）、A指數(shù)等變化較大，具有不確定性。對于4種不同溫濕廓線形態(tài)物理參數(shù)，除了IV型與總體關(guān)鍵物理參數(shù)組合相同，I、II、III型共性的物理參數(shù)為ΔT85、地面至700 hPa露點(diǎn)溫度平均值、0～6 km、暖云層厚度、K指數(shù)、SI指數(shù)、抬升指數(shù)（LI）、A指數(shù)等，其閾值可作為關(guān)鍵組合。

（3）天山北坡短時強(qiáng)降水多發(fā)生在午后到夜間，且區(qū)域自動氣象站出現(xiàn)次數(shù)較多，探空站的時空分辨率有限，因此，本文分析方法尚有一定的局限性，關(guān)鍵物理參數(shù)閾值及各型物理參數(shù)組合還需在應(yīng)用中不斷完善，對其觸發(fā)機(jī)制也需進(jìn)行細(xì)致分析研究。