六盤(pán)山區(qū)一次降水天氣過(guò)程分析

鄧佩云，穆建華，舒志亮，李進(jìn)玉，田 磊，楊 勇

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，寧夏銀川 750002；4.涇源縣氣象局，寧夏固原 756400）

六盤(pán)山區(qū)是重要的水源涵養(yǎng)林基地及雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，也是海洋暖濕氣流進(jìn)入西北內(nèi)陸的門(mén)戶，維系西北內(nèi)陸地區(qū)空中水汽輸送的關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)于陜、甘、寧三省區(qū)水源地供水有著重要作用。作為中國(guó)氣象局精準(zhǔn)扶貧行動(dòng)計(jì)劃示范區(qū)，其干旱少雨、災(zāi)害性天氣多、區(qū)域降水差異大等氣候特征嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[1—2]。陳豫英等[3]發(fā)現(xiàn)近50 年來(lái)西北地區(qū)可利用降水總體呈東部減少趨勢(shì)（六盤(pán)山區(qū)尤甚），因此，明晰六盤(pán)山區(qū)降水過(guò)程的空間分布成因、水汽源地以及云-降水的宏觀特征，有利于評(píng)估區(qū)域空中水資源的利用潛力，為區(qū)域降水預(yù)測(cè)以及人工增雨作業(yè)方案提供可參考性依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。已有研究表明，山地上空的云量較周邊區(qū)域偏多[4]，空氣的上升運(yùn)動(dòng)在較低海拔山脈可產(chǎn)生對(duì)流云[5]。崔洋等[6]發(fā)現(xiàn)六盤(pán)山地形對(duì)西北地區(qū)東部降水分布有著重要的影響。劉黎平等[7]用EOF（經(jīng)驗(yàn)正交分解法）和相關(guān)分析方法研究了平?jīng)龅貐^(qū)的對(duì)流云和降水的日、月變化規(guī)律及地理分布，得到了這些量與地形高度及坡度的關(guān)系，并揭示了六盤(pán)山對(duì)本地區(qū)云和降水影響的規(guī)律。李強(qiáng)等[8]對(duì)寧夏六盤(pán)山地區(qū)的一次區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，得出該區(qū)域低層輻合高層輻散，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展和維持。楊文海等[9]從環(huán)流背景、水汽動(dòng)力等條件對(duì)固原地區(qū)出現(xiàn)的局地暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)六盤(pán)山山脈地形輻合及地形抬升作用，加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)并引起了降水量的增幅。云作為地球大氣系統(tǒng)中氣候的重要影響因子，與降水的關(guān)系密切，二者的分布也可改變區(qū)域輻射狀況，進(jìn)而影響大氣環(huán)流與天氣氣候[10—11]。劉屹岷等[12]基于衛(wèi)星資料對(duì)青藏高原上云宏觀和微觀結(jié)構(gòu)特征、云與降水相關(guān)性、云輻射效應(yīng)以及模式中的云-輻射問(wèn)題等方面進(jìn)行研究，指出高原上較少的水汽對(duì)云層厚度和層數(shù)有顯著壓縮作用，云對(duì)總降水的貢獻(xiàn)隨著云層數(shù)增多而減少。王亞敏等[13]研究指出，低云量與降水、相對(duì)濕度等呈顯著正相關(guān)。王小勇等[14]利用2005—2007年春季降水和MODIS 云資料對(duì)祁連山東部云參數(shù)特征與降水的關(guān)系進(jìn)行分析，得出降雨（雪）量與低云量、低云冰水路徑、低云云頂-云底氣壓差呈明顯正相關(guān)。目前，有關(guān)降水天氣過(guò)程的雷達(dá)觀測(cè)相對(duì)較少，特別是利用高時(shí)空分辨率的垂直定向雷達(dá)研究降水天氣過(guò)程發(fā)生發(fā)展時(shí)云系的垂直結(jié)構(gòu)與特征更為匱乏，針對(duì)六盤(pán)山區(qū)降水天氣過(guò)程的水汽源地及空間分布差異的成因以及云-降水宏觀特征的系統(tǒng)分析還鮮有研究?；诤撩撞ǘ嗥绽赵评走_(dá)具有體積小、穿透性強(qiáng)、空間分辨力高等特點(diǎn)[15]，本文利用布設(shè)在六盤(pán)山站的Ka 波段毫米波云雷達(dá)資料，結(jié)合地面、高空資料、ERA-Interim 高時(shí)空分辨率的再分析資料，對(duì)2019 年8 月30—31 日發(fā)生在六盤(pán)山區(qū)的一次降水天氣過(guò)程的天氣背景和Ka 波段毫米波云雷達(dá)反演的云系宏觀特征進(jìn)行研究，以期明晰此次降水天氣過(guò)程的成因，初步探討六盤(pán)山區(qū)云的宏觀參數(shù)特征與降水的相關(guān)性，為后續(xù)云和降水物理過(guò)程參數(shù)化方案等相關(guān)研究和應(yīng)用提供可參考性依據(jù)。

1 資料及降水實(shí)況

1.1 資料來(lái)源

本文使用的資料包括2019 年8 月30—31 日HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達(dá)資料以及同期區(qū)域自動(dòng)站（西吉站、隆德站、六盤(pán)山站、涇源站、固原站、彭陽(yáng)站）逐時(shí)降水量觀測(cè)資料、探空資料、ERA-Interim 高分辨率再分析資料。具體說(shuō)明如下：

（1）HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達(dá)，設(shè)置于寧夏六盤(pán)山氣象站（簡(jiǎn)稱(chēng)LPS，35.67°N，106.20°E，海拔2 842 m），數(shù)據(jù)采集頻率為5 s/次，垂直分辨率為30 m，探測(cè)范圍可達(dá)10 km 以上高空，主要包含云底高度、云頂高度、云層數(shù)、云厚度、回波強(qiáng)度、垂直速度以及速度譜寬氣象數(shù)據(jù)。

（2）地面實(shí)測(cè)逐時(shí)降水資料來(lái)自寧夏地面基礎(chǔ)氣象資料服務(wù)平臺(tái)，探空資料使用的MICAPS 4.0 高空實(shí)況資料。

（3）ERA-Interim 高分辨率再分析資料來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF），空間分辨率為0.125°×0.125°，垂直分為16 層等壓面。具體包括：位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度、表面氣溫、海平面氣壓場(chǎng)和垂直速度等。

1.2 降水實(shí)況

六盤(pán)山位于青藏高原東部，黃土高原的西北邊緣，近似南北走向，與南北向夾角近30°，范圍約在105.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，本文以六盤(pán)山站（2 872 m）為基準(zhǔn)，向東至寧夏東部邊緣范圍為六盤(pán)山東坡區(qū)域，即106.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，西坡區(qū)域?yàn)榱P(pán)山站至寧夏西部邊緣范圍，即105.2°E～106.2°E，34.7°N～36.5°N，其中，西吉、隆德站位于六盤(pán)山的西坡，涇源、固原、彭陽(yáng)站位于六盤(pán)山的東坡。

2019 年8 月30 日16:00 至31 日14:00，受東移冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，六盤(pán)山區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的降水天氣過(guò)程，見(jiàn)圖1。此次降水過(guò)程主要集中在六盤(pán)山區(qū)南部，累積雨量較大值集中在六盤(pán)山系附近，山系東坡的累積降水量高于西坡，此次降水過(guò)程六盤(pán)山區(qū)大部分區(qū)域降水量級(jí)以小到中雨（涇源、隆德兩縣及西吉縣南部）為主，其中六盤(pán)山氣象站降水量級(jí)達(dá)到了大雨，且出現(xiàn)的時(shí)間最早、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)（降水起止時(shí)間為30 日16:00—31 日14:00）、單站累積降水量最高（30.2 mm）。進(jìn)一步由紅外云圖演變來(lái)看（圖略），此次降水過(guò)程云系整體由西北向西南方向移動(dòng)，云圖色調(diào)均勻，云系覆蓋范圍大，屬于穩(wěn)定性層狀云降水，此次降水過(guò)程在六盤(pán)山區(qū)具有代表性，且大雨或?qū)⒂绊懺撋较瞪襟w滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

圖1 2019 年8 月30 日16:00—8 月31 日14:00 六盤(pán)山區(qū)累積降水量分布圖

2 天氣背景分析

2.1 大尺度環(huán)流背景分析

2019 年8 月30 日08:00 500 hPa 歐亞范圍中高緯度環(huán)流形勢(shì)總體為“兩槽（巴爾喀什湖、東北地區(qū)）一脊（新疆到蒙古國(guó)西部）”，寧夏處于脊前西北氣流中，有冷空氣不斷從巴爾喀什湖槽底部穿脊東移，在脊區(qū)形成多個(gè)小波動(dòng)，其中甘肅中東部到青海東南部有一短波槽，受脊前西北氣流引導(dǎo)，自西北向東南方向移動(dòng)。30 日20:00，短波槽向東南方向移動(dòng)，主體位于寧夏海原到青海東部一帶，短波槽前部開(kāi)始影響六盤(pán)山區(qū)，受此影響，六盤(pán)山區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降水，30 日21:00 至31 日07:00，受短波槽過(guò)境影響，六盤(pán)山區(qū)各站出現(xiàn)了第一次降水峰值。31 日08:00，短波槽移出，降水明顯減弱，此時(shí)在寧夏西北部地區(qū)又出現(xiàn)一短波橫槽，移速較快，主體于31 日10:00至13:00 影響寧夏六盤(pán)山區(qū)，造成六盤(pán)山區(qū)再次出現(xiàn)一次小的降水峰值，14:00 以后，橫槽移出，對(duì)六盤(pán)山地區(qū)影響結(jié)束，降水也趨于結(jié)束。

8 月30 日08:00 700 hPa 上河北—山西—陜西—寧夏南部有一明顯橫槽，六盤(pán)山區(qū)位于橫槽尾部，四川東部—陜西南部—寧夏南部—河西走廊一帶存在一支東南暖濕氣流，為此次降水提供了必要的水汽條件和熱力條件。30 日20:00，橫槽東移南壓，在六盤(pán)山區(qū)出現(xiàn)一東北風(fēng)與東南風(fēng)的切變，造成低層暖濕氣流的輻合抬升，配合500 hPa 短波槽，30 日后半夜六盤(pán)山區(qū)出現(xiàn)了明顯降水。31 日08:00，寧夏中南部地區(qū)繼續(xù)受一偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的切變影響，有較好的低層水汽輸送和輻合條件，配合500 hPa橫槽，31 日中午前后，六盤(pán)山區(qū)再次出現(xiàn)一次小量降水過(guò)程（圖略）。

綜上所述，此次降水發(fā)生在“兩槽一脊”的環(huán)流背景下，主要的影響系統(tǒng)為500 hPa 短波槽和700 hPa切變，500 hPa 短波槽主要提供了冷空氣條件，低層切變和偏南氣流提供了水汽條件和輻合條件，在其共同影響下，六盤(pán)山區(qū)出現(xiàn)了明顯的降水。

2.2 動(dòng)力、水汽和熱力條件分析

取此次六盤(pán)山區(qū)降水強(qiáng)盛階段對(duì)應(yīng)的較強(qiáng)降水時(shí)刻（2019 年8 月31 日00:00），從水汽通量散度場(chǎng)的高低層配置對(duì)六盤(pán)山區(qū)此次降水過(guò)程的動(dòng)力條件進(jìn)行分析（圖2）。由圖2 可知，500 hPa 六盤(pán)山區(qū)整層的水汽通量散度在0.1～1 g/（s·hPa·cm2）范圍內(nèi)，區(qū)域平均水汽通量散度值為0.53 g/（s·hPa·cm2），水汽輻散，其中，東坡區(qū)域整層的水汽通量散度在0.2～1 g/（s·hPa·cm2）范圍內(nèi)，東坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.41 g/（s·hPa·cm2），西坡區(qū)域整層的水汽通量散度在0.1～0.9 g/（s·hPa·cm2）范圍內(nèi)，西坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.53 g/（s·hPa·cm2）。而在800 hPa 六盤(pán)山的東坡范圍內(nèi)水汽通量散度在-1～2 g/（s·hPa·cm2）范圍內(nèi)，東坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.87 g/（s·hPa·cm2），尤其在六盤(pán)山東部南部區(qū)域，為負(fù)值區(qū)或弱正值區(qū)，為弱輻散或輻合，800 hPa水汽通量散度正值的大值區(qū)集中在六盤(pán)山系西坡，水汽通量散度在0.9～3.9 g/（s·hPa·cm2）范圍內(nèi)，西坡區(qū)域平均水汽通量散度值為1.46 g/（s·hPa·cm2），水汽輻散降水偏少，受地形的抬升作用在東坡引起的低層輻合或弱輻散、高層輻散的動(dòng)力場(chǎng)[16]，使東坡相較于西坡有著更為有利的較強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展條件，這種現(xiàn)象在六盤(pán)山區(qū)南部更為明顯，這也是此次降水過(guò)程中，降水發(fā)展以及東坡的降水量大于西坡降水量的重要成因之一。

圖2 2019 年8 月31 日00：00 水汽通量散度圖

六盤(pán)山區(qū)700 hPa 的水汽通量值在1～3 g/（s·hPa·cm），區(qū)域平均水汽通量為2.50 g/（s·hPa·cm），較周邊臨近平地區(qū)域具有更大的水汽通量值，為明晰此次降水過(guò)程的水汽來(lái)源，對(duì)2019 年8 月31 日00:00 的水汽通量進(jìn)行分析（圖3）。由圖3 可知，此次降水過(guò)程的水汽主要來(lái)源于孟加拉灣、南海，孟加拉灣至南海有明顯的西南風(fēng)水汽輸送帶，經(jīng)云南、四川轉(zhuǎn)為向西北輸送，六盤(pán)山區(qū)處在青藏高原以及四川盆地的交界帶，在地形的影響下，水汽輸送帶經(jīng)峽口地帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶，六盤(pán)山區(qū)的水汽較為充沛。進(jìn)一步分析表明，六盤(pán)山區(qū)在700 hPa 以西南風(fēng)水汽輸送為主，750 hPa 以下以東南風(fēng)水汽輸送為主（圖略），六盤(pán)山東側(cè)為東南風(fēng)迎風(fēng)坡，受六盤(pán)山地形強(qiáng)迫影響，東南暖濕氣流在東坡抬升，加之700 hPa 西南風(fēng)水汽輸送，造成此次六盤(pán)山系降水呈“東高西低”的分布特征。

3 Ka 毫米波云雷達(dá)宏觀特征分析

圖3 2019 年8 月31 日00:00 700 hPa 水汽通量圖

云垂直結(jié)構(gòu)反映了云體內(nèi)部熱力和動(dòng)力以及微物理過(guò)程，在輻射收支、能量平衡、水汽循環(huán)等方面對(duì)地氣系統(tǒng)起著重要作用。為了分析此次降水過(guò)程六盤(pán)山站云系的垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)六盤(pán)山站Ka 波段毫米波云雷達(dá)的云底高、頂高、云層數(shù)等云宏觀特征進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并與對(duì)應(yīng)降雨時(shí)段中區(qū)域自動(dòng)站的逐時(shí)雨量進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4a、圖4b。其中圖4b 統(tǒng)計(jì)的為六盤(pán)山基準(zhǔn)站（2 872 m）以上的云高，Ka 波段云雷達(dá)距地300 m，故海拔高度為3 172 m 時(shí)即認(rèn)定為云系接地。對(duì)比分析圖4a 和圖4b 可知，從30 日02:00 開(kāi)始，六盤(pán)山站出現(xiàn)高云，隨著云系的發(fā)展，云層數(shù)呈波動(dòng)性增加，于30 日08:00 云層數(shù)發(fā)展至3 層，隨后云系發(fā)展為以中低云為主的雙層云，30 日16:00，在降水過(guò)程發(fā)生時(shí)，云系底高開(kāi)始接地，變?yōu)樵祈敻邽? 102 m，云厚度為3 930 m 的深厚的單層中云，隨著降水過(guò)程的發(fā)展，云厚度逐漸增大，小時(shí)降水量也增大，最大云厚出現(xiàn)在31 日00:00，即小時(shí)雨量最大值（4.7 mm/h）出現(xiàn)的前1 h，為5 760 m；此后，云頂高波動(dòng)性下降，云厚度變薄至900 m，31日13:00，即降水過(guò)程結(jié)束前1 h，云層數(shù)由單層云變?yōu)殡p層云，此時(shí)小時(shí)雨量?jī)H為0.1 mm/h，至31 日14:00，降水過(guò)程結(jié)束，此時(shí)云系變得淺薄，云系底高增高，隨著降水過(guò)程的結(jié)束，云系波動(dòng)性消散。

綜上分析可見(jiàn)，此次降水前后云層數(shù)呈雙峰型，在降雨發(fā)生前，云系不斷發(fā)展，以多層云為主，降雨發(fā)生時(shí)，云系發(fā)展為云厚為3 930 m 的深厚單層云，在小時(shí)雨量最大值出現(xiàn)的前1 h，云系達(dá)最大云厚，為5 760 m。這一云的宏觀特征可為降雨的預(yù)測(cè)預(yù)警提供重要的參考依據(jù)。

進(jìn)一步對(duì)小時(shí)降水量與低云云厚的相關(guān)性進(jìn)行分析（圖5）可知，小時(shí)降水量與低云云厚的相關(guān)系數(shù)為0.55，通過(guò)了α=0.01 的信度檢驗(yàn)，可見(jiàn)降水量與低云云厚呈正相關(guān)關(guān)系。云霧粒子在長(zhǎng)大成降水粒子的過(guò)程中受到了多種因子的綜合作用，例如凝結(jié)增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)等的影響，而降水是多種因子起作用的復(fù)雜物理過(guò)程，低云云厚越大表明低云發(fā)展越旺盛，為降水過(guò)程提供了更多的水汽，伴隨著上升運(yùn)動(dòng)，使水汽凝結(jié)為液態(tài)水，以降水形式降落到地面，因此，低云云厚的發(fā)展有利于促進(jìn)降水過(guò)程的形成。對(duì)于高云而言，其云層較薄，且高度較高，對(duì)降水天氣過(guò)程影響不大。

圖4 2019 年8 月30—31 日六盤(pán)山站云宏觀特征圖

圖5 2019 年8 月30—31 日六盤(pán)山站小時(shí)雨量-低云云厚散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

本文利用2019 年8 月30—31 日區(qū)域自動(dòng)站逐時(shí)降水量觀測(cè)資料、探空資料、ERA-Interim 高分辨率再分析資料以及同期HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達(dá)資料，對(duì)六盤(pán)山區(qū)一次降水天氣過(guò)程的天氣形勢(shì)及云宏觀特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）此次降水天氣過(guò)程中，六盤(pán)山區(qū)處于“兩槽一脊”的環(huán)流背景下，主要的影響系統(tǒng)為500 hPa 短波槽和700 hPa 切變。

（2）六盤(pán)山區(qū)降水強(qiáng)盛階段，水汽通量散度在六盤(pán)山系東坡地區(qū)存在低層輻合（水汽通量散度：-1～0 g/（s·hPa·cm2））或弱輻散（區(qū)域平均水汽通量散度值為0.06 g/（s·hPa·cm2））、高層輻散（0.41 g/（s·hPa·cm2））的動(dòng)力場(chǎng)，使東坡相較于西坡有著更為有利的降水發(fā)生發(fā)展條件。

（3）此次降水過(guò)程的水汽主要來(lái)源于孟加拉灣、南海，六盤(pán)山區(qū)處在青藏高原以及四川盆地的交界帶，在地形的影響下，水汽輸送帶經(jīng)峽口地帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶，加之低層切變和偏南氣流，六盤(pán)山區(qū)的水汽較為充沛。

（4）此次降水前后云層數(shù)呈雙峰型，在降雨發(fā)生前，云系不斷發(fā)展，云層數(shù)最多達(dá)3 層云，降雨發(fā)生時(shí)，云系從雙層云變?yōu)樵坪駷? 930 m 的深厚單層云，且在小時(shí)雨量最大值出現(xiàn)的前1 h，云系達(dá)最大云厚，為5 760 m，降水過(guò)程結(jié)束前1 h，云系又從單層云變?yōu)殡p層云；進(jìn)一步分析表明，低云云厚的發(fā)展有利于促進(jìn)降水過(guò)程的形成。