新疆短時(shí)強(qiáng)降水天氣雷達(dá)回波特征*

莊曉翠 張?jiān)苹?周雪英 楊蓮梅 祝小梅 黃 艷 羅 繼

1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002 2 新疆阿勒泰地區(qū)氣象局，阿勒泰 836500 3 新疆氣象臺,烏魯木齊 830002 4 新疆巴音郭楞蒙古自治州氣象局，庫爾勒 841000 5 新疆伊犁哈薩克自治州氣象局，伊犁 835000 6 新疆和田地區(qū)氣象局，和田 848000 7 新疆阿克蘇地區(qū)氣象局，阿克蘇 843000

提 要： 利用新疆8部多普勒天氣雷達(dá)資料，對其有效探測范圍內(nèi)2010—2018年暖季出現(xiàn)的229次不伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)主要回波參數(shù)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并與中國中東部地區(qū)對比。結(jié)果表明，影響新疆短時(shí)強(qiáng)降水的對流風(fēng)暴主要有合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型三類，合并加強(qiáng)型最多(占45%)，列車效應(yīng)型最少(占20%)，且因天山地形作用主要發(fā)生在天山北坡。凝練出各區(qū)域各類型雷達(dá)主要回波參數(shù)閾值，總體而言：南疆短時(shí)強(qiáng)降水閾值小于北疆,伊犁河谷最大，阿克蘇地區(qū)最??；伊犁河谷短時(shí)強(qiáng)降水以低質(zhì)心回波為主；北疆和巴州北部短時(shí)暴雨的最大回波強(qiáng)度大于50 dBz，南疆西部和阿克蘇地區(qū)分別大于45 dBz、40 dBz；徑向速度圖上大多數(shù)個(gè)例能夠監(jiān)測到強(qiáng)輻合，受特殊地形影響，南疆西部和天山北坡監(jiān)測到的強(qiáng)輻合較多；由超級單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水在阿克蘇地區(qū)發(fā)生相對較多，在其他區(qū)域?yàn)樾「怕适录?。新疆伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水為小概率事件。新疆短時(shí)強(qiáng)水和短時(shí)暴雨最大回波強(qiáng)度閾值總體上高于中國中東部地區(qū)。

引 言

短時(shí)強(qiáng)降水是強(qiáng)對流天氣的一種，多發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，由中小尺度天氣系統(tǒng)直接造成，具有持續(xù)時(shí)間短，雨強(qiáng)大，來勢迅猛，局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，極易導(dǎo)致山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和次生災(zāi)害，且常伴有冰雹、強(qiáng)風(fēng)等災(zāi)害性天氣，使農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)損失嚴(yán)重。如2018年7月31日哈密市局地特大暴雨過程主要集中在2～3 h，暴雨中心附近突破歷史極值；短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)局地洪水，造成水庫潰壩和人員傷亡等，損失慘重(莊曉翠等，2020)；2016 年9 月1—6日南疆5地(州)59站次先后發(fā)生了短時(shí)暴雨，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近7億元(黃艷等，2018)。因此，對短時(shí)強(qiáng)降水準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警是地方政府防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)主要的決策依據(jù)。由于受諸多因素影響，目前對短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警是業(yè)務(wù)工作中的難點(diǎn)，引起了國內(nèi)外許多學(xué)者廣泛關(guān)注(Doswell Ⅲ,1994；Doswell Ⅲ et al,1996；俞小鼎等,2006；俞小鼎，2012；孫繼松，2005；孫繼松等，2014；劉璐等，2015；楊波等，2016；李彥霖等，2018；楊蓮梅等，2017；莊曉翠等，2014;2017;2018；黃艷等，2018；曾勇和楊蓮梅，2018；曾勇等，2019;張家寶和鄧子鳳，1987)。馮晉勤等(2014)、謝玉華等(2018)指出，福建短時(shí)暴雨的雷達(dá)回波按降水類型可分為大陸型和熱帶海洋型強(qiáng)降水，當(dāng)?shù)蛯臃瓷渎室蜃釉?0～55 dBz 時(shí)兩類雨強(qiáng)相當(dāng)，55～60 dBz時(shí)熱帶海洋型雨強(qiáng)較大，大于40 dBz時(shí)，熱帶海洋型降水的雨強(qiáng)即能達(dá)到暴雨(50 mm·h-1)級別。張崇莉等(2011)、何鈺等(2021)指出，滇西高原短時(shí)強(qiáng)降水反射率因子為大于35 dBz的低質(zhì)心回波，徑向速度圖上出現(xiàn)強(qiáng)輻合區(qū)，垂直累積液態(tài)水含量>3 kg·m-2。蘇俐敏等(2014)分析表明，宜春短時(shí)強(qiáng)降水主要有帶狀、塊狀、絮狀回波和短帶回波4種類型，是由大于45 dBz的回波單體造成。吳建秋等(2014)研究表明，常州短時(shí)強(qiáng)降水反射率因子強(qiáng)度大于45 dBz，回波頂高大于8 km。吳杞平等(2012)研究指出，大連短時(shí)暴雨多由大于35 dBz的β中尺度回波造成。雷蕾等(2020)對北京一次特大暴雨研究指出，大于50 dBz的帶狀和線狀雷達(dá)回波及列車效應(yīng)是造成北京短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。這些成果為中國中東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水短時(shí)臨近預(yù)警提供了參考依據(jù)。

近年來，新疆氣象工作者也對短時(shí)強(qiáng)降水開展了較多研究(孫穎姝等，2019；劉晶等，2019)。對南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水研究表明，雷達(dá)回波具有高質(zhì)心和低質(zhì)心特征，具有中低層輻合、高層輻散、旋轉(zhuǎn)等特征(張?jiān)苹莸?2013；曾勇和楊蓮梅，2017a；2017b)。曾勇和楊蓮梅(2020)對新疆西部一次短時(shí)強(qiáng)降水研究表明，孤立對流單體組合反射率因子(combined reflectivity factors，CR)最大為40 dBz,在暴雨區(qū)維持少動，是造成暴雨中心的主要原因；呈準(zhǔn)南北向的線狀多單體CR達(dá)50 dBz,在向東移動過程中造成多站依次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。楊蓮梅等(2017)對烏魯木齊一次短時(shí)強(qiáng)降水研究指出，沿西北低空急流出現(xiàn)多個(gè)γ中尺度對流單體以列車效應(yīng)形式依次影響烏魯木齊造成短時(shí)強(qiáng)降水，對流單體CR最強(qiáng)達(dá)45～50 dBz。趙俊榮(2012)、趙俊榮等(2009)研究指出，多個(gè)γ中尺度對流單體在天山北坡合并加強(qiáng)是局地強(qiáng)降水天氣落區(qū)形成的主要原因；強(qiáng)降水區(qū)發(fā)生在回波強(qiáng)度大于50 dBz、回波頂高度大于5 km和垂直累積液態(tài)水含量大于45 kg·m-2以及中氣旋的重合區(qū)域內(nèi)。上述研究對新疆不同地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，但缺乏系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征研究。那么新疆雷達(dá)回波參數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水有何關(guān)系？各參數(shù)在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警中是否存在閾值？其在南、北疆有何不同？以及與中國中東部有何不同？這些研究有利于新疆短時(shí)臨近預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展，也是亟待解決的問題。因此，本文采用新疆8部多普勒天氣雷達(dá)回波資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，針對上述問題進(jìn)行較詳細(xì)的研究，為提高新疆短時(shí)臨近預(yù)警水平提供參考依據(jù)，為提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)決策服務(wù)提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況、資料及方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于歐亞大陸腹地，中國西北部。其南部是有名的阿爾金山和帕米爾高原，北部是阿爾泰山脈，最具代表性的當(dāng)屬天山山脈，它橫亙新疆中部，將新疆分為南北兩大部分，形成了有名的塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地(圖1)。新疆面積占中國總面積的六分之一，僅有8部多普勒天氣雷達(dá)(圖1)，雷達(dá)站稀疏。

1.2 資料及方法

目前，中央氣象臺和中國中東部地區(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)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)，結(jié)合新疆預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),新疆氣象部門將該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為1 h降水量≥10 mm(黃艷等，2018；莊曉翠等，2018)。本研究采用經(jīng)過新疆氣象信息中心篩選、整理、檢測，并剔除不完整及錯(cuò)誤資料，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的2010—2018年5—9月(暖季)國家站和區(qū)域自動站逐時(shí)降水資料，篩選出滿足上述條件的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。由于新疆雷達(dá)站稀疏，地形復(fù)雜,因此，在選取短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例時(shí)，要求在雷達(dá)站有效探測范圍內(nèi)具有完整的雷達(dá)基數(shù)據(jù)。也就是說，剔除由于山地的遮擋作用使某些個(gè)例的雷達(dá)回波失真及強(qiáng)降水位于雷達(dá)探測有效范圍外的資料，選用能夠真實(shí)、完整地反映短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生發(fā)展的雷達(dá)資料，共篩選出233個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。根據(jù)冰雹個(gè)例及災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)中有關(guān)冰雹災(zāi)情，篩選出短時(shí)強(qiáng)降水中伴有冰雹的共4例，不伴有冰雹的共229個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，本文主要對后者進(jìn)行研究(沒有特殊說明的均為此類)。造成短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)暴中最大反射率因子強(qiáng)度(最大回波強(qiáng)度)、強(qiáng)回波中心頂高(≥40 dBz的強(qiáng)回波頂所能到達(dá)的最大高度)、回波頂高(ET，>18 dBz的回波所能到達(dá)的最大高度)、垂直累積液體水含量(VIL)等參數(shù)的值均來源于SCIT算法輸出的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)屬性。

本文對伊犁河谷(伊犁雷達(dá)站)、天山北坡(克拉瑪依、石河子和烏魯木齊雷達(dá)站)、南疆西部(喀什、和田雷達(dá)站)和阿克蘇地區(qū)(阿克蘇雷達(dá)站)及巴音郭楞蒙古自治州(簡稱巴州)北部(庫爾勒雷達(dá)站)等地短時(shí)強(qiáng)降水天氣的雷達(dá)回波特征，運(yùn)用箱形圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定雷達(dá)探測參數(shù)閾值。用伊犁、天山北坡、南疆西部、阿克蘇、巴州分別代表相應(yīng)區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)暴類型的總和，如伊犁表示伊犁河谷3種類型的合計(jì)，依次類推。

2 結(jié)果分析

利用2010—2018年暖季新疆8部多普勒雷達(dá)產(chǎn)品，通過對229個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生前及過程中反射率因子回波形態(tài)和演變方式的分析，表明新疆短時(shí)強(qiáng)降水事件的雷達(dá)回波反射率因子基本為強(qiáng)單體或多單體風(fēng)暴合并加強(qiáng)的帶狀、片狀積云、積層混合云回波。因此，按影響方式可分為：①合并加強(qiáng)型(圖2a)，表現(xiàn)為從多方向(至少2個(gè)方向)移入的多個(gè)對流單體進(jìn)入影響地區(qū)后，受中尺度系統(tǒng)輻合等影響，多個(gè)回波(或與本地塊狀回波)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??；②列車效應(yīng)型(圖2b)，相對獨(dú)立的多個(gè)對流單體沿著高空引導(dǎo)氣流或低空急流方向傳播，在移動過程中相繼影響同一地區(qū)造成短時(shí)強(qiáng)降水；③本地發(fā)展型(圖2c)，表現(xiàn)為受環(huán)境流場輻合影響，局地或?qū)訝钤平邓夭ㄖ醒杆偕蓪α髟茍F(tuán)，點(diǎn)狀回波在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大為塊狀回波。此類回波生成發(fā)展速度快，一般短時(shí)強(qiáng)降水范圍較小，持續(xù)時(shí)間較短，但由于其突發(fā)性和局地性強(qiáng)，預(yù)警的提前時(shí)間短，因此常給降水地區(qū)造成較大影響。

圖2 2010—2018年新疆短時(shí)強(qiáng)降水對流風(fēng)暴雷達(dá)回波分類 (a)合并加強(qiáng)型，(b)列車效應(yīng)型，(c)本地發(fā)展型 (小點(diǎn)表示短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū))Fig.2 Classification of radar echoes of convective storms of short-time severe precipitation in Xinjiang from 2010 to 2018 (a) merged-enhanced type， (b) train-effect type， (c) locally developing type (Small dots represent the area with the short-term severe precipitation)

由表1可知，近9年滿足上述要求的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中阿克蘇地區(qū)最多(73個(gè))，巴州北部最少(17個(gè))，其他區(qū)域大于40個(gè)(表1)。除巴州北部外，本文統(tǒng)計(jì)所得各區(qū)域回波閾值都具有氣候統(tǒng)計(jì)意義，在新疆短時(shí)臨近預(yù)警中具有一定參考價(jià)值。新疆合并加強(qiáng)型出現(xiàn)最多為103次(占45%)，其次是本地發(fā)展型，出現(xiàn)81次(占35%)，列車效應(yīng)最少，只有45次(占20%)。就各區(qū)域而言，天山北坡列車效應(yīng)最多(占該型的51%)，伊犁河谷和南疆西部及巴州北部合并加強(qiáng)型最多，阿克蘇地區(qū)本地發(fā)展型最多(表1)。天山北坡由于其特殊的地形，使得大多數(shù)短時(shí)強(qiáng)降水的高低空都呈“后傾槽”結(jié)構(gòu)，即冷空氣從低層先進(jìn)入北疆，850～700 hPa塔城—克拉瑪依—天山北坡出現(xiàn)西北低空急流(氣流)，急流(氣流)不斷增強(qiáng)并維持，其攜帶濕冷空氣東南下，天山北坡位于低空西北急流(氣流)出口區(qū)，由于天山地形阻擋，使得多個(gè)回波單體沿西北低空急流，以列車效應(yīng)形式影響該區(qū)域。因此，新疆多數(shù)列車效應(yīng)型發(fā)生在天山北坡。

在各區(qū)域各類型樣本中，只有阿克蘇地區(qū)本地發(fā)展型個(gè)例滿足氣候統(tǒng)計(jì)要求(表1)，但為了進(jìn)一步了解各區(qū)域各類型雷達(dá)回波特征，本文對≥10次及以上的類型和相應(yīng)區(qū)域風(fēng)暴類型總和進(jìn)行箱形圖分析。

表1 新疆各區(qū)域?qū)α黠L(fēng)暴雷達(dá)回波分類(單位：次)Table 1 Classification of convection storm radar echoes in Xinjiang (unit: time)

2.1 最大回波強(qiáng)度

圖3為新疆各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水對流風(fēng)暴最大回波強(qiáng)度箱形圖，圖中線段的最高點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)最大值，最低點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)最小值，箱形的上部框線為上四分位值，下部框線為下四分位值，箱內(nèi)線為中位線，“×”為平均值(下同)。中位線(該線不一定位于箱形正中間)表示包含樣本總數(shù)50%個(gè)例的樣本數(shù)值，從最小值到上四分位值、下四分位值分別表示包含樣本總數(shù)的75% 和25%(下同)。圖中空心圓點(diǎn)為異常值(李京校等，2017)。

2.1.1 伊犁河谷

由圖3a可知，伊犁最大回波強(qiáng)度箱體略寬于合并加強(qiáng)型，說明最大回波強(qiáng)度值較分散；除2個(gè)異常極小值外，伊犁、合并加強(qiáng)型回波值域分別在40～60 dBz、49～60 dBz,25%～75%四分位值分別為49～55 dBz、51～56 dBz，中位數(shù)為53 dBz、54 dBz，平均值為52 dBz、53 dBz。近9年伊犁河谷極值回波強(qiáng)度為60 dBz，造成3個(gè)縣共14個(gè)站出現(xiàn)雨強(qiáng)超過10 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)為22.2 mm·h-1。雨強(qiáng)超過24 mm·h-1的短時(shí)暴雨(新疆暴雨標(biāo)準(zhǔn))最大回波強(qiáng)度均超過50 dBz，而>49 dBz的強(qiáng)回波占80%，因此可以將伊犁最大回波強(qiáng)度25%四分位值49 dBz作為伊犁河谷短時(shí)強(qiáng)降水閾值，該閾值強(qiáng)于中國中東部地區(qū)(馮晉勤等，2014；蘇俐敏等，2014；吳建秋等，2014；謝玉華等，2018；張崇莉等，2011；吳杞平等，2012)。

2.1.2 天山北坡

由圖3b可知，天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型短時(shí)強(qiáng)降水箱體較窄，最大回波強(qiáng)度值分布比較集中，本地發(fā)展型箱體寬于其他兩型及天山北坡，強(qiáng)回波值較分散。天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型的最大回波強(qiáng)度中位數(shù)依次為52、51、52和47 dBz，平均值分別為50、51、52和47 dBz，最小到最大值分別為35～63、39～63、40～62和35～62 dBz；25%～75%四分位值分別為47～55、48～56、49～55和37～54 dBz，本地發(fā)展型25%四分位值明顯小于其他兩類，而合并加強(qiáng)型75%四分位值和列車效應(yīng)型相當(dāng)，本地發(fā)展型略偏小。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，和伊犁河谷相同該區(qū)域短時(shí)暴雨最大回波強(qiáng)度也超過50 dBz。因此，除本地發(fā)展型閾值較小外，其他兩類相差不大。

2.1.3 南疆西部

由圖3c可知，短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度南疆西部和列車效應(yīng)型所對應(yīng)的箱體寬于合并加強(qiáng)型，最大回波強(qiáng)度值較分散。南疆西部及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型的最大回波強(qiáng)度平均值分別為50、51、50 dBz，中位數(shù)依次為50、50、52 dBz；25%～75%四分位值分別為45～56、48～56、45～56 dBz，最小到最大值范圍分別為35～61、35～61、40～57 dBz，因此，南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水的最大回波強(qiáng)度閾值為≥45 dBz，和宜春相似(蘇俐敏等，2014)，但高于中國中東部的其他地區(qū)(馮晉勤等，2014；蘇俐敏等，2014；吳建秋等，2014；謝玉華等，2018；張崇莉等，2011；吳杞平等，2012)。而短時(shí)暴雨最大回波強(qiáng)度均超過45 dBz，小于北疆。

2.1.4 阿克蘇地區(qū)

由圖3d可知，阿克蘇地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度合并加強(qiáng)型比較集中，阿克蘇及本地發(fā)展型箱體略寬，值較分散。阿克蘇及合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型最大回波強(qiáng)度的中位數(shù)依次為45、47和43 dBz，平均值分別為43、46和42 dBz，本地發(fā)展型最小，回波強(qiáng)度明顯小于合并加強(qiáng)型。除異常極值外，阿克蘇及合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型最大回波強(qiáng)度的值域分布分別為30～54、36～52、25～54 dBz；25%～75%四分位值分別為40～48、44～50和37～47 dBz，本地發(fā)展型25%四分位值明顯偏小，75%四分位值合并加強(qiáng)型略高。有79%的短時(shí)暴雨最大反射率因子強(qiáng)度>40 dBz，小于北疆和南疆西部。由于阿克蘇地區(qū)本地發(fā)展型個(gè)例較多，因此，取37 dBz為該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度的閾值(占81%;指大于等于閾值的情況，下同)。

圖3 2010—2018年新疆(a)伊犁河谷，(b)天山北坡，(c)南疆西部，(d)阿克蘇， (e)巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度箱形分布Fig.3 Box distribution map of maximum echo intensity of short-term severe precipitation in (a) Ili Valley, (b) the north slope of Tianshan Mountain, (c) the west of southern Xinjiang, (d) Aksu, and (e) northern Bazhou of Xinjiang from 2010 to 2018

2.1.5 巴州北部

由圖3e可知，巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度箱體略寬于合并加強(qiáng)型，說明最大回波值較分散。巴州、合并加強(qiáng)型最大回波強(qiáng)度值域分布分別是43～59 dBz、50～59 dBz，中位數(shù)為57 dBz、58 dBz，高于平均值54 dBz、56 dBz，25%～75%四分位值是50～59 dBz、51～59 dBz，二者相差不大。短時(shí)暴雨最大回波強(qiáng)度均大于50 dBz，和北疆一致，大于南疆其他地區(qū)。因此，以≥50 dBz為巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水最大回波強(qiáng)度閾值(占81%)。

2.2 強(qiáng)回波中心頂高

2.2.1 伊犁河谷

圖4為新疆各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水對流風(fēng)暴雷達(dá)強(qiáng)回波中心頂高箱形分布。由圖4a可知，伊犁、合并加強(qiáng)型箱體均較窄，說明強(qiáng)回波頂高較集中。中位數(shù)依次為4.0 km、3.9 km，平均值分別為4.2 km、4.0 km，二者相差較小。剔除異常極大值和異常極小值，伊犁及合并加強(qiáng)型短時(shí)強(qiáng)降水對流風(fēng)暴強(qiáng)回波中心頂高最小值均為3.6 km，最大值分別為4.8 km、 4.4 km；25%～75%四分位值分別為3.7～4.2 km、3.7～4.0 km。因此，伊犁河谷暖季短時(shí)強(qiáng)降水大多為低質(zhì)心回波的高效率降水(黃小燕等，2017；曹艷察等，2020)，與滇西高原短時(shí)強(qiáng)降水類似(張崇莉等，2011)。異常極大值強(qiáng)回波中心頂高達(dá)8.2 km的個(gè)例雨強(qiáng)為21.8 mm·h-1，短時(shí)暴雨的強(qiáng)回波中心頂高為4 km左右的低質(zhì)心回波。因此，伊犁河谷短時(shí)強(qiáng)降水≥40 dBz強(qiáng)回波中心頂高取3.7 km為閾值。

圖4 同圖3，但為強(qiáng)回波中心頂高Fig.4 Same asFig.3, but for the peak height of echo center

2.2.2 天山北坡

由圖4b可知，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)強(qiáng)回波中心頂高,本地發(fā)展型箱體最窄，值較集中，其他三類箱體較寬，值較分散。天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型強(qiáng)回波中心頂高的中位數(shù)依次為6.0、6.0、6.3和6.0 km，平均值分別為5.9、5.8、6.1和5.9 km，可見差別不大。天山北坡及三類對流風(fēng)暴短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)回波中心頂高最小值均為3.0 km；而最大值為9.0～10.5 km，僅為個(gè)例總數(shù)的10%，其中強(qiáng)回波中心頂高達(dá)10.5 km個(gè)例雨強(qiáng)為33.8 mm·h-1(所有個(gè)例中的次強(qiáng)雨強(qiáng))。天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型強(qiáng)回波中心頂高值域分布分別為3.0～10.5、3.0～10.5、3.0～10.0和3.0～9.0 km；25%～75%四分位值分別為4.0～7.5、4.0～7.5、4.0～7.5和4.5～7.5 km，基本一致。而短時(shí)暴雨強(qiáng)回波中心頂高為4.0 km左右的低質(zhì)心回波或強(qiáng)回波中心頂高超過5.0 km的高質(zhì)心回波。天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)回波中心頂高取4.0 km為閾值。

2.2.3 南疆西部

由圖4c可知，南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水三類對流風(fēng)暴的雷達(dá)強(qiáng)回波中心頂高，合并加強(qiáng)型箱體較窄，回波值較集中，南疆西部和列車效應(yīng)型箱體較寬，值相對較分散。南疆西部及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型強(qiáng)回波中心頂高的中位數(shù)均為4.0 km，平均值分別為4.4、4.4、4.7 km，差別較小。各類型對流風(fēng)暴強(qiáng)回波中心頂高最小值為2.0～3.0 km；而最大值為7.0～8.0 km，強(qiáng)回波中心頂高達(dá)8.0 km的個(gè)例雨強(qiáng)為25.2 mm·h-1；25%～75%四分位值為3.0～6.0、3.0～5.5、3.0～6.3 km。而短時(shí)暴雨強(qiáng)回波中心頂高為3.0 km左右的低質(zhì)心回波或強(qiáng)回波中心頂高超過5 km的高質(zhì)心回波。因此，南疆西部強(qiáng)回波中心頂高的閾值取3.0 km。

2.2.4 阿克蘇地區(qū)

由圖4d可知，阿克蘇地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)強(qiáng)回波中心頂高，箱體合并加強(qiáng)型最窄，回波值較集中，本地發(fā)展型和阿克蘇箱體較寬，回波值較分散。阿克蘇、合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型強(qiáng)回波中心頂高中位數(shù)依次為5.0、7.0、4.5 km，平均值分別為5.3、6.7、4.6 km，本地發(fā)展型最低。除異常極值點(diǎn)外，阿克蘇及各類對流風(fēng)暴短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例強(qiáng)回波中心頂高最小值為1.0～4.0 km，最大值均在10.0 km。強(qiáng)回波中心頂高超過8.0 km占總個(gè)例數(shù)的19.2%。阿克蘇、合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型強(qiáng)回波頂高范圍分別為1.0～10.0、4.0～10.0、1.0～10.0 km；25%～75%四分位值分別為3.0～7.0、5.8～8.0、2.8～6.0 km，本地發(fā)展型最小。因此，阿克蘇地區(qū)強(qiáng)回波中心頂高閾值為取3.0 km(占86%)。

2.2.5 巴州北部

由圖4e可知，巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)回波中心頂高箱體巴州較寬，值較分散。巴州、合并加強(qiáng)型最小到最大值均為1.0～7.0 km，中位數(shù)值為4.0 km、4.3 km，平均值為4.2 km、4.5 km，25%和75%四分位值分別是2.8～6.5 km、3.1～6.8 km，二者相差較小。因此，巴州北部強(qiáng)回波中心頂高閾值為取2.8 km(占75%)。

2.3 回波頂高(ET)

2.3.1 伊犁河谷

由圖5a可知，合并加強(qiáng)型箱體較窄，ET值較集中，伊犁ET值分布相對較分散。合并加強(qiáng)型有1個(gè)異常極小值7.1 km。伊犁、合并加強(qiáng)型ET中位數(shù)依次為9.4 km、9.5 km，平均值分別為9.3 km、9.7 km。最小到最大的ET值分別為6.1～11.8 km、8.2～11.5 km，25%～75%四分位值分別為8.4～10.5 km、9.2～10.6 km。短時(shí)暴雨的回波頂高大多數(shù)超過9.4 km，也超過所有個(gè)例回波頂高平均態(tài)(9.3 km)。以8.4 km作為伊犁州短時(shí)強(qiáng)降水ET閾值(占78%)。

2.3.2 天山北坡

圖5b為天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水三類對流風(fēng)暴ET值箱形分布圖，列車效應(yīng)型箱體寬于其他三型，ET值分布較分散，合并加強(qiáng)和本地發(fā)展型ET比較集中。天山北坡、合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型ET中位數(shù)依次為10.7、10.2、10.8和11.3 km，平均值分別為10.4、10.5、10.1和10.6 km，ET范圍分別為4.7～14.5、7.9～14.5、4.7～14.1和6.7～12.5 km，可見，列車效應(yīng)型的ET最小，合并加強(qiáng)型最大，且此個(gè)例的ET高達(dá)10.5 km；25%～75%四分位值分別為8.7～11.9、9.5～11.9、7.8～12.1和9.3～11.8 km，本地發(fā)展型25%四分位值較天山北坡和合并加強(qiáng)型兩型偏低，而75%四分位值略大于其他兩型，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水ET閾值為8.7 km。短時(shí)暴雨ET值大多數(shù)超過10.0 km，也超過所有個(gè)例ET平均態(tài)。

2.3.3 南疆西部

由圖5c可知，南疆西部和合并加強(qiáng)型箱體較列車效應(yīng)型寬，ET值較分散，列車效應(yīng)型ET分布比較集中。南疆西部及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型ET的中位數(shù)均為8.0 km，平均值分別為7.7、7.8、8.0 km。ET范圍分別為4.0～10.0、6.0～10.0、8.0～9.0 km，25%～75%四分位值分別為7.0～9.0、7.0～9.0、8.0～9.0 km，可見， 25%四分位值ET相差不大，而75%四分位值一致,因此，南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水回波頂高閾值為取7.0 km。短時(shí)暴雨的ET大多數(shù)超過8.0 km，也超過所有個(gè)例ET平均值。

2.3.4 阿克蘇地區(qū)

由圖5d可知，阿克蘇箱體較寬，ET分布較分散，合并加強(qiáng)型ET分布最集中。阿克蘇及合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型ET中位數(shù)依次為9.0、9.0、8.0 km，平均值分別為8.3、9.1、7.9 km，本地發(fā)展型最低。ET范圍分別為4.0～12.0、8.0～10.0、4.0～11.0 km，25%～75%四分位值分別為7.0～10.0、9.0～10.0、6.7～9.0 km，可見，25%四分位值本地發(fā)展型最低，75%四分位值相差不大，本地發(fā)展型略低。短時(shí)暴雨的對流風(fēng)暴平均ET值為8.4 km，其中64%回波頂高超過9.0 km。因此，阿克蘇地區(qū)ET閾值取6.8 km。

2.3.5 巴州北部

由圖5e可知，巴州短時(shí)強(qiáng)降水ET值箱體較寬，ET值較分散，合并加強(qiáng)型ET值較集中。巴州、合并加強(qiáng)型ET范圍為6.0～12.5 km、6.0～10.0 km，中位數(shù)值為9.1 km、9.3 km，高于平均值8.4 km、9.0 km ，25%～75%四分位值分別為7.0～9.7 km、8.1～9.8 km。因此，巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水ET的閾值取7.0 km。

圖5 同圖3，但為ETFig.5 Same asFig.3, but for ET

2.4 最大垂直累積液態(tài)水含量

2.4.1 伊犁河谷

圖6a為伊犁河谷短時(shí)強(qiáng)降水對流風(fēng)暴的雷達(dá)VIL箱形分布圖，合并加強(qiáng)型箱體寬度較寬，且存在兩個(gè)異常極大值(44.5 kg·m-2、45.0 kg·m-2)，伊犁箱體較窄。伊犁、合并加強(qiáng)型VIL的中位數(shù)依次為9.7 kg·m-2、14.0 kg·m-2，平均值分別為12.6 kg·m-2、15.3 kg·m-2。去掉異常極值點(diǎn)，VIL范圍分別為1.6～24.7 kg·m-2、3.3～24.6 kg·m-2。異常極值點(diǎn)個(gè)例的雨強(qiáng)為27.5 mm·h-1，3 h累計(jì)雨量為52.3 mm；VIL的25%～75%四分位值分別為6.0～16.4 kg·m-2、6.4～19.7 kg·m-2。以伊犁短時(shí)強(qiáng)降水VIL的25%分位值(6.0 kg·m-2)為閾值，可包含個(gè)例的75%，明顯大于滇西高原(張崇莉等，2011)。

2.4.2 天山北坡

由圖6b可知，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水VIL值箱體合并加型最窄，VIL值較集中，天山北坡及其他兩型較寬，VIL值較分散。天山北坡及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型的VIL平均值依次為11.2、11.8、11.3和10.0 kg·m-2；中位值分別為9.0、9.6、9.1和8.1 kg·m-2，其中本地發(fā)展型小于其他2型；去掉極值點(diǎn)，VIL范圍分別為5.0～20.6、6～17.6、5.0～20.1和5.0～20.6 kg·m-2，可見3類差別較小，VIL最小值為5.0～6.0 kg·m-2，最大值為18.0～20.6 kg·m-2，而極值點(diǎn)32.1 kg·m-2的個(gè)例雨強(qiáng)為15.2 mm·h-1；25%～75%四分位值分別為7.0～12.5、8.2～12.5、7.0～12.5和6.5～12.2 kg·m-2，本地發(fā)展型25%四分位值較其他兩型偏低，而75%四分位值三類相當(dāng)。因此，天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水VIL閾值為6.5 kg·m-2，明顯大于滇西高原(張崇莉等，2011)。

2.4.3 南疆西部

由圖6c可知，南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水兩類及南疆西部箱體基本一致。南疆西部及合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型VIL中位數(shù)依次為11.0、12.0、12.5 kg·m-2；平均值分別為12.0、 12.8、13.9 kg·m-2，去掉異常極值點(diǎn)，VIL范圍分別為2.0～26.0、2.0～26、3.0～32.0 kg·m-2，VIL最小值為2.0～3.0 kg·m-2，各類相差不大；最大值為26.0～32.0 kg·m-2。25%～75%四分位VIL值分別為5.3～15.8、5.5～16.5、8.3～18.0 kg·m-2，可見，南疆西部VIL值25%～75%分位值列車效應(yīng)型較大，南疆西部和合并加強(qiáng)型相差較小。南疆西部VIL的閾值為5.3 kg·m-2，高于滇西高原(張崇莉等，2011)。

2.4.4 阿克蘇地區(qū)

由圖6d可知，合并加強(qiáng)型較本地發(fā)展型箱體窄，VIL值分布比較集中。阿克蘇及合并加強(qiáng)型、本地發(fā)展型的VIL中位數(shù)依次為5.2、7.6、2.4 kg·m-2；平均值分別為5.8、8.3、4.5 kg·m-2，本地發(fā)展型明顯偏??；VIL范圍分別為0.5～17.0、2.5～15.4、0.5～12.8 kg·m-2， 25%～75%四分位值分別為1.8～8.1、5.7～10.2、1.7～6.2 kg·m-2。本地發(fā)展型VIL強(qiáng)度最低，尤其是25%四分位VIL值。取1.7 kg·m-2為阿克蘇地區(qū)VIL的閾值，小于滇西高原(張崇莉等，2011)。

2.4.5 巴部北部

由圖6e可知，合并加強(qiáng)型和巴州箱體基本一致。巴州及合并加強(qiáng)型VIL范圍分別為2.0～43.2 kg·m-2、6.2～36.3 kg·m-2，中位數(shù)值為16.0 kg·m-2、16.7 kg·m-2， 平均值為19.2 kg·m-2、20.9 kg·m-2；25%～75%四分位值分別為10.0～25.7 kg·m-2、10.3～26.6 kg·m-2，二者相差較小。取10.0 kg·m-2為巴州北部VIL的閾值(占87.5%)。

圖6 同圖3，但為VILFig.6 Same asFig.3, but for VIL

2.5 徑向速度圖識別特征

在新疆短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生前雷達(dá)徑向速度圖上主要存在徑向速度輻合，少數(shù)個(gè)例可以觀測到中氣旋。徑向速度輻合是風(fēng)速的不連續(xù)線，靠近雷達(dá)的一側(cè)為離開雷達(dá)的正速度區(qū)，遠(yuǎn)離雷達(dá)的一測為向著雷達(dá)的負(fù)速度區(qū)，稱一般徑向速度輻合(簡稱輻合)；在雷達(dá)徑向速度圖上，同一種方向的速度區(qū)中出現(xiàn)方向相反的速度區(qū)，即一種方向的速度區(qū)中包圍著另一種方向的速度區(qū)，兩者不能跨越雷達(dá)原點(diǎn)，這種輻合為強(qiáng)徑向速度輻合(簡稱強(qiáng)輻合)。分析新疆229個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生前的雷達(dá)徑向速度圖可知(圖略)，新疆多數(shù)短時(shí)強(qiáng)降水中低層徑向速度圖上都觀測到強(qiáng)輻合和輻合，有24例(占10%)能識別出中氣旋，其中阿克蘇地區(qū)最多(19例)，占該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水總個(gè)例的26%，伊犁河谷2例，南疆西部、巴州北部、天山北坡各1例。說明由超級單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水在新疆大部地區(qū)為小概率事件。下面主要針對強(qiáng)輻合對各區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由表2新疆各區(qū)域雷達(dá)徑向速度圖上強(qiáng)輻合占比可知，巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中強(qiáng)輻合占比最小，占巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水總數(shù)的29%，阿克蘇地區(qū)次小，占該區(qū)域的55%；南疆西部最大，占該區(qū)域的83%，其次是天山北坡，占該區(qū)域的78%。就各區(qū)域各類型而言，合并加強(qiáng)型南疆西部占比最高(92%)，天山北坡次之(85%)，伊犁河谷最小(32%)；列車效應(yīng)型天山北坡占比最高(91%)，其次是南疆西部(80%)。可見，南疆西部和天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前雷達(dá)徑向速度圖上易觀測到強(qiáng)輻合，其主要原因是：受地形影響，冷空氣從低層開始進(jìn)入南疆，850～700 hPa自河西走廊—哈密—巴州有支偏東急流(顯著氣流)建立，急流不斷增強(qiáng)并維持，偏東急流攜帶著濕冷空氣灌入，南疆西部位于低空偏東急流(氣流)出口區(qū)的左側(cè)，由于西天山、帕米爾高原及昆侖山地形阻擋，偏東急流前端與地形幾乎垂直，增強(qiáng)輻合抬升，因此在雷達(dá)徑向速度圖上易監(jiān)測到較強(qiáng)輻合；而天山北坡多強(qiáng)輻合的原因同第2節(jié)第二段，在此不再贅述。

表2 新疆各區(qū)域雷達(dá)徑向速度圖上強(qiáng)輻合占比及中氣旋發(fā)生情況Table 2 Proportion of strong convergence and the occurrence of mesocyclone on radar radial velocity map in Xinjiang

3 伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波特征

在研究時(shí)段范圍內(nèi)新疆伴有冰雹短時(shí)強(qiáng)降水的有4例。由表3可知，在其發(fā)生前最大回波強(qiáng)度大于60 dBz,回波頂高大于9 km,強(qiáng)回波中心頂高大于5 m，垂直累積液態(tài)水含量大于32 kg·m-2，徑向速度圖具有強(qiáng)輻合和中氣旋特征。上述雷達(dá)回波特征明顯強(qiáng)于(大于)不伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水。

表3 新疆伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波特征Table 3 Radar echo characteristics of short-time severe precipitation with hail in Xinjiang

4 新疆短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波閾值

根據(jù)上述對各區(qū)域雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水主要回波參數(shù)的箱形圖分析，概括出新疆各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水及各類風(fēng)暴回波閾值(表4～表6)。對比分析南疆和北疆短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)探測回波閾值可知，總體而言，北疆大于南疆，伊犁河谷最大，阿克蘇最小，都高于中國中東部地區(qū)(馮晉勤等，2014；蘇俐敏等，2014；吳建秋等，2014；謝玉華等，2018；張崇莉等，2011；吳杞平等，2012)。巴州北部的最大回波強(qiáng)度和最大垂直累積液態(tài)水含量為全疆最大，其他回波參數(shù)閾值小于北疆,這可能是巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少的原因之一。在徑向速度圖上大多數(shù)個(gè)例能夠監(jiān)測到強(qiáng)輻合，與中國中東部地區(qū)相似(馮晉勤等，2014；蘇俐敏等，2014；吳建秋等，2014；謝玉華等，2018；張崇莉等，2011；吳杞平等，2012)；就各區(qū)域而言，巴州北部能識別出強(qiáng)輻合的比率最低，其次是阿克蘇地區(qū)；南疆西部、天山北坡能監(jiān)測到強(qiáng)輻合的比率較高,達(dá)78%以上。由超級單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水在阿克蘇地區(qū)發(fā)生較多，在其他區(qū)域?yàn)樾「怕适录?/p>

表4 天山北坡短時(shí)強(qiáng)降水及各類風(fēng)暴回波閾值Table 4 Various echo thresholds of short-time severe precipitation on the north slope of Tianshan Mountain

表5 阿克蘇地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水各類風(fēng)暴回波閾值Table 5 Various echo thresholds of short-time severe precipitation in Aksu Area

表6 伊犁河谷、巴州北部及南疆西部短時(shí)強(qiáng)降水各類風(fēng)暴回波閾值Table 6 Echo thresholds of various kinds of storms during short-time severe precipitation in Ili Valley, northern Bazhou and western South Xinjiang

另外，雨強(qiáng)超過24 mm·h-1的短時(shí)暴雨最大反射率因子強(qiáng)度，北疆和巴州北部均大于50 dBz，南疆西部大于45 dBz，阿克蘇地區(qū)則有79%的個(gè)例大于40 dBz。

5 結(jié) 論

綜合以上分析得到以下結(jié)論：

(1)影響新疆短時(shí)強(qiáng)降水的對流風(fēng)暴主要有合并加強(qiáng)型、列車效應(yīng)型和本地發(fā)展型三類。合并加強(qiáng)型最多(占45%)，其次是本地發(fā)展型(占35%)，列車效應(yīng)型最少(占20%)，且因地形作用主要發(fā)生在天山北坡。就各區(qū)域而言：天山北坡合并加強(qiáng)、列車效應(yīng)、本地發(fā)展型均較多，伊犁河谷和南疆西部及巴州北部以合并加強(qiáng)型為主，阿克蘇地區(qū)以本地發(fā)展型為主。

(2)通過對各區(qū)域及各型短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)探測參數(shù)箱形圖分析，得到主要回波參數(shù)的閾值：總體而言，南疆短時(shí)強(qiáng)降水閾值小于北疆,其中，伊犁河谷最大，阿克蘇最小，均大于中國中東部；巴州北部最大回波強(qiáng)度和VIL均為全疆最大，其他參數(shù)閾值小于北疆,這可能是巴州北部短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最少的原因之一。另外，伊犁河谷短時(shí)強(qiáng)降水以低質(zhì)心回波為主，其他區(qū)域低質(zhì)心和高質(zhì)心均有發(fā)生；短時(shí)暴雨最大反射率因子強(qiáng)度，北疆和巴州北部均>50 dBz，南疆西部>45 dBz，阿克蘇地區(qū)大多數(shù)個(gè)例>40 dBz，高于中國中東部。

(3)徑向速度圖上，大多數(shù)個(gè)例能夠監(jiān)測到強(qiáng)輻合，巴州北部能監(jiān)測的比率最低，其次是阿克蘇；天山北坡、南疆西部能監(jiān)測到強(qiáng)輻合的比率較高，在78%以上，與滇西高原類似。由超級單體造成的短時(shí)強(qiáng)降水，阿克蘇地區(qū)發(fā)生相對較多，其他區(qū)域?yàn)樾「怕适录Ａ硗?，在新疆伴有冰雹的短時(shí)強(qiáng)降水天氣為小概率事件。