阿克蘇地區(qū)短時強降雨時空分布和衛(wèi)星云圖特征

曲良璐，譚甜甜，王雨思

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；2.阿克蘇地區(qū)氣象局，新疆阿克蘇 843000；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，烏魯木齊 830002)

我國每年由于暴雨、山洪等氣象災(zāi)害給國家和人民造成了很大的經(jīng)濟損失。隨著氣象事業(yè)的發(fā)展，尤其是近十年來自動氣象站已基本覆蓋人跡可去的絕大部分區(qū)域，因此，對降雨特征的研究也豐富起來。陳春艷等[1]、楊蓮梅等[2]研究發(fā)現(xiàn)新疆降雨在量級、持續(xù)時間及區(qū)域分布上差異明顯。唐冶等[3]、趙克明等[4]、熱孜瓦古等[5]分析了南北疆不同區(qū)域短時強降雨的變化特征。根據(jù)暴雨的形成特點可分為持續(xù)時間長、平均雨量小的長歷時降雨過程，以及短時強降雨造成的暴雨。短時強降雨造成的暴雨有著突發(fā)性強、局地雨量大、持續(xù)時間短，致災(zāi)性強的特點，如何準(zhǔn)確快速監(jiān)測、預(yù)報短時強降雨是對氣象預(yù)報工作者的要求與挑戰(zhàn)。陳炯等[6]、李萍云等[7]、王玉龍等[8]通過分析自動站逐小時資料，詳細(xì)的闡述了當(dāng)?shù)囟虝r強降雨的時空分布特征,秦賀等[9]在對新疆暖季降雨的研究中發(fā)現(xiàn)，南疆短時強降雨頻次少于北疆，但是其降雨貢獻(xiàn)率卻大于北疆。楊蓮梅[10]在研究新疆極端降雨時指出阿克蘇地區(qū)極端降雨量和頻次自20世紀(jì)80年代以來有顯著增多趨勢。隨著最新氣候資料的不斷累積，更有必要詳細(xì)分析阿克蘇地區(qū)短時強降雨的時空變化特點。

在對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測與預(yù)警中，地球靜止衛(wèi)星獲得的多通道云圖資料已成為重要的信息來源。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測強對流具有速度快、信息量大的優(yōu)勢，可以監(jiān)測局地小尺度對流云團至行星尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演變，因此準(zhǔn)確識別強對流天氣系統(tǒng)所在位置，對預(yù)測其發(fā)展、移動趨勢，應(yīng)對短時災(zāi)害性天氣的工作有很大幫助[11-12]。梁立為等[13]根據(jù)元胞自動機的基本原理，結(jié)合云圖發(fā)展、移動、衰減的特征，通過制定云圖像素點的移動、發(fā)展和衰減的轉(zhuǎn)換規(guī)則，預(yù)測短時(12 h內(nèi))的云圖。周曉麗等[14]通過構(gòu)建多通道多閾值判識方法，分析強對流云團在紅外通道、水汽通道的變化特征，識別和監(jiān)測對流云團的活動。李延江等[15]、曲良璐等[16]結(jié)合天氣形勢對產(chǎn)生暴雨的衛(wèi)星云圖空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，得出紅外云圖的云頂溫度、溫度梯度等與云的降雨強度有著明顯的對應(yīng)關(guān)系。目前新疆對于衛(wèi)星云圖資料研究應(yīng)用較少，只是作為天氣過程分析的輔助手段，但由于衛(wèi)星資料高時空分辨率、連續(xù)性的特性，可以通過衛(wèi)星資料同化應(yīng)用，結(jié)合雷達(dá)與地面資料，進(jìn)一步提高強對流天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率和預(yù)警時間提前量。

1 資料與方法

所用資料包括2012—2018年高空、地面常規(guī)觀測資料，F(xiàn)Y系列衛(wèi)星云圖(紅外圖像、水汽圖像、紅外衛(wèi)星黑體亮度溫度(TBB)產(chǎn)品0.1×0.1°)。衛(wèi)星云圖資料下載自中國氣象局衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http://satellite.com.gov.cn，分辨率為0.1°×0.1°經(jīng)緯度網(wǎng)格)。短時強降雨取1 h降雨量≥10.0 mm的樣本，短時強降雨過程為相鄰區(qū)域站同一時刻出現(xiàn)短時強降雨或同一站相鄰兩個時刻出現(xiàn)短時強降雨。從阿克蘇地區(qū)195個自動氣象站(含城區(qū)測站)2012—2018年5—9月逐小時降水量數(shù)據(jù)中挑出735個短時強降雨樣本，97個短時強降雨過程。利用概率分布、統(tǒng)計檢驗等方法對發(fā)生短時強降雨站點的分布、頻次及最大小時降雨量、降雨日變化等特征進(jìn)行分析，利用天氣學(xué)方法對短時強降雨過程進(jìn)行分類，給出其時空分布及衛(wèi)星云圖特征。

2 短時強降雨時間變化特征

阿克蘇地區(qū)共有區(qū)域自動站195個，其中185個區(qū)域站在2015年前完成建設(shè)并開始使用，2016年后建設(shè)站點僅為10個。通過分析逐年短時強降雨出現(xiàn)頻次，2017年出現(xiàn)最多為164次，其次是2018年的156次，2016年152次，2013年101次，2014年82次，2015年63次，2012年最少，僅出現(xiàn)17次，近年短時強降雨出現(xiàn)頻次有增多的跡象。6—8月(夏季)為短時強降雨高發(fā)期，出現(xiàn)頻次占總數(shù)的89.7%。其中8月出現(xiàn)最多達(dá)239站次，6月214站次，7月206站次。阿克蘇地區(qū)短時強降雨也有明顯的日變化特征。短時強降雨多發(fā)時段一般集中在午后16—20時，最多時次在18時，其次為19時(圖1)。小時最大降雨量發(fā)生于2016年8月18日烏什北部山區(qū)的英阿瓦提北，22時小時降雨量63.2 mm，其次在2012年7月20日烏什北部山區(qū)的英阿特，18時小時降雨量達(dá)56.9 mm。

圖1 2012—2018年阿克蘇地區(qū)短時強降雨發(fā)生頻次與小時最大降雨量日變化

夏季午后升溫快，近地面最高氣溫一般出現(xiàn)在16—18時，此時近地層空氣受熱氣溫上升迅速，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時若有天氣系統(tǒng)配合，可產(chǎn)生初始抬升力，潮濕空氣上升、遇冷凝結(jié)成云；同時在高層較冷的空氣會下降，遇熱后繼續(xù)上升，由此循環(huán)，即可形成成片的對流云。對流云會產(chǎn)生短時強降水(即對流雨)，有時伴有大風(fēng)、雷暴、冰雹甚至龍卷風(fēng)等中小尺度災(zāi)害性天氣。不同于系統(tǒng)性降雨過程，對流云的能量主要來自于地表受熱不均勻，具有尺度小、時間短、強度強，日變化明顯等特征。從圖中得知，短時強降雨日變化與典型的夏季午后對流天氣出現(xiàn)特征相吻合。

3 短時強降雨空間分布特征

3.1 累計頻次

阿克蘇地區(qū)位于天山南麓，塔里木盆地北緣，短時強降雨空間分布為北多南少，強降雨多沿山分布，強降雨分布特征與地形分布相關(guān)明顯。阿克蘇地區(qū)7縣2市及兵團第一師阿拉爾市的站點分布自北向南為：阿克蘇地區(qū)北部靠山區(qū)縣市為烏什縣、拜城縣；西部縣市包括柯坪縣、阿瓦提縣、溫宿縣、一師阿拉爾市、阿克蘇市；東部縣市包括庫車市、新和縣、沙雅縣。從發(fā)生短時強降雨的站點數(shù)及累計頻次來看，阿克蘇地區(qū)北部靠山區(qū)的縣市出現(xiàn)頻次最多，西部縣市次之、南部縣市最少。從短時強降雨累計發(fā)生頻次的空間分布(圖2)可以看出：北部山區(qū)最多、淺山區(qū)次之、平原及南部沙漠地區(qū)最少。強降雨高發(fā)區(qū)主要集中在溫宿北部山區(qū)，發(fā)生頻次多于12次；其次是淺山區(qū)的烏什北部山區(qū)、柯坪北部山區(qū)，發(fā)生頻次多于10次；平原及南部沙漠地區(qū)僅1～5次。全區(qū)出現(xiàn)6～10次的區(qū)域自動站站點有36個，占22.2%；68.5%的區(qū)域站不超過5次。

圖2 2012—2018年阿克蘇地區(qū)短時強降雨累計發(fā)生頻次空間分布(審圖號為新S(2019)085號)

3.2 最大小時雨強

阿克蘇地區(qū)處于暖溫帶大陸性氣候，氣候干燥，降水量小，蒸發(fā)量大，年降水量為53.2～120.6 mm，夏季暴雨多由局地短時強降水引起，一次短時強降雨天氣就可達(dá)到甚至超過年降雨量。分析自動站小時降雨量數(shù)據(jù)獲得站點雨強，得到短時強降雨小時最大降雨量，從圖3可以看出，烏什縣北部山區(qū)小時雨強可達(dá)到50～60 mm/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他站點。溫宿縣、拜城縣、庫車市北部站點小時降雨量也達(dá)32.8～40.0 mm，平原地區(qū)站點小時雨強多為15～20 mm/h。

圖3 2012—2018年阿克蘇地區(qū)短時強降雨最大小時雨強空間分布(審圖號為新S(2019)085號)

4 短時強降雨的衛(wèi)星云圖特征

4.1 環(huán)流分型

所有天氣均發(fā)生在一定的大氣環(huán)流條件下，從735個短時強降雨樣本中篩選出97個短時強降雨過程，并基于大尺度天氣環(huán)流背景，分析其影響系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)造成阿克蘇地區(qū)短時強降雨過程的主要天氣系統(tǒng)為200 hPa副熱帶高空急流、500 hPa的高空槽、850 hPa切變線及地面輻合線。200 hPa副熱帶高空急流北抬并維持在天山山脈，中心風(fēng)速超過40 m/s。從500 hPa影響系統(tǒng)來分析，主要分為兩大類：西南氣流型和西北氣流型。根據(jù)個例篩選和分析，97個個例共有69例為西南氣流型，28例為西北氣流型。西南氣流影響的短時強降雨影響范圍大，降雨強度強，造成的天氣災(zāi)害性強；西北氣流類型的短時強降雨多以局地性、突發(fā)性為主，強度較西南氣流偏弱。

4.2 衛(wèi)星云圖特征

利用常規(guī)氣象資料結(jié)合氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對影響阿克蘇地區(qū)短時強降雨天氣過程的云系發(fā)生、發(fā)展、移動、消亡等特點進(jìn)行分析，初步得到短時強降雨衛(wèi)星云圖的統(tǒng)計學(xué)特征。

4.2.1 紅外云圖 阿克蘇地區(qū)短時強降雨局地性較強，多出現(xiàn)在山區(qū)，主要出現(xiàn)于午后至夜間。通過對2012—2018年夏季阿克蘇地區(qū)的紅外云圖和降雨云團的相互關(guān)系進(jìn)行分析可以得出，影響阿克蘇地區(qū)出現(xiàn)短時強降雨的云系分為低槽鋒面云系和雷暴云團(圖4)。低槽鋒面云系主要是由大尺度系統(tǒng)(低渦、低槽以及鋒面)進(jìn)入阿克蘇，產(chǎn)生大范圍、持續(xù)性降雨，主要特點是尺度大、影響范圍廣、低層到地面可分析出中尺度輻合線，出現(xiàn)時間由高空系統(tǒng)決定。低槽鋒面云系以層云為主，中間夾雜中小尺度對流單體，多在上游地區(qū)生成逐漸東移影響阿克蘇。雷暴云團多以單體云團或多個單體云團合并而成，產(chǎn)生小范圍、突發(fā)性降雨，主要特點是尺度小、影響范圍小、出現(xiàn)時間多在12時以后，14—16時云團快速增長并產(chǎn)生顯著降雨。雷暴云團多為積云，并以本地生成為主。

圖4 阿克蘇地區(qū)短時強降雨的主要云系(a 雷暴云團；b 低槽鋒面云系)

統(tǒng)計2012—2018年短時強降雨個例與云團配合關(guān)系可以得出，低槽鋒面云系共有36例， 雷暴云團發(fā)展61例，影響阿克蘇地區(qū)的主要云系為本地生成的雷暴云團。分析雷暴云團的發(fā)生發(fā)展，可以看出雷暴云團形成類型主要有低渦外圍、多雷暴云單體兩類(圖5)。當(dāng)?shù)蜏u外圍不斷分裂冷空氣,而中低層為西南氣流控制,此時沿低渦槽前不斷有小尺度積云產(chǎn)生，隨著積云合并發(fā)展成熟，形成中尺度對流云系，從而造成短時強降雨。此型云系特點為，組織性強，持續(xù)時間長，影響范圍相對較大，產(chǎn)生的降雨強度較強。多雷暴云單體生成方式為：由于中低層弱干冷空氣入侵，多在沿山地帶受地形抬升，產(chǎn)生多個小尺度積云，并沿山排列，有時隨中層引導(dǎo)氣流向下游移動，有時產(chǎn)生降雨后逐漸本地消亡。此型云系特點為組織性弱、持續(xù)時間相較短，影響多為局地性、突發(fā)性，產(chǎn)生的降雨強度較弱。影響阿克蘇地區(qū)的雷暴云單體的生成源地主要有四個：溫宿北部山區(qū)、拜城北部山區(qū)、烏什山區(qū)以及克州生成移入，以拜城北部山區(qū)以及溫宿縣北部山區(qū)兩地較多。

圖5 阿克蘇地區(qū)雷暴云團形成方式(a 低渦外圍；b 多雷暴云單體)

雷暴云團生成時間及移動路徑：雷暴云團生成時間集中在12—16時(61次)，形狀大多呈團狀，主要路徑隨高空引導(dǎo)氣流(多為偏西或西南氣流)向東移或東北移。對比自動站短時強降雨統(tǒng)計特征，可發(fā)現(xiàn)短時強降雨出現(xiàn)時段多為雷暴云團最強時段后1～2 h之內(nèi)。以2016年5月30日為例(圖6)，對流云生成時間為12：30，16時達(dá)到最強。地面共有7個自動雨量站監(jiān)測到短時強降雨，強降雨起止時間為18—20時，小時降雨量為11.9～34.1 mm。

4.2.2 水汽圖像 降雨產(chǎn)生需要水汽的聚集和輻合，水汽圖像表現(xiàn)的是對流層中上層的水汽情況，可以通過分析水汽云圖大致追蹤水汽的路徑，了解產(chǎn)生短時強降雨水汽的輸送和輻合。按照《衛(wèi)星氣象學(xué)》[17]對于水汽圖像的分類，對阿克蘇地區(qū)強降雨個例進(jìn)行分析，主要分為兩類(圖7)。①斜壓葉急流邊界。其主要特征是：水汽邊界形成于急流的左側(cè)，“S”型凸起的地方，邊界較模糊，在該處，沒有急流出現(xiàn)。在邊界凹的下游地方，邊界清楚，急流穿過邊界，凹的上游處，急流與邊界平行重合。與環(huán)流分型中的西南氣流型相對應(yīng)。②底涌邊界，其主要特征是：暗黑的干區(qū)向南凸起，就是下沉運動區(qū)南邊界，急流呈氣旋性彎曲的邊界。當(dāng)高空脊前或槽后的偏北氣流突然加大而形成，并伴有急流自北向南指向邊界。在低渦東南部逆時針旋轉(zhuǎn)的水汽羽的后邊界出現(xiàn)水汽暗帶，當(dāng)?shù)蜏u云系隨著高空引導(dǎo)氣流向東移動時，不斷有干冷空氣卷入，在水汽羽經(jīng)過的區(qū)域產(chǎn)生多個團狀對流單體，產(chǎn)生強對流天氣。與環(huán)流分型中的槽后西北氣流型相對應(yīng)。

4.2.3 相當(dāng)黑體亮度溫度 分析阿克蘇短時強降雨的相當(dāng)黑體亮度溫度(TBB)云圖特征可以發(fā)現(xiàn)，強降雨多出現(xiàn)在兩個區(qū)域。(1)TBB邊緣密集帶(圖8a)。在TBB邊緣密集帶產(chǎn)生短時強降雨的特征為降雨點較為零散，降雨持續(xù)性較差。從對流云最強中心至降雨點TBB梯度值統(tǒng)計來看，在20 km范圍內(nèi)有6～8 K的TBB梯度值。(2)TBB中心溫度最低區(qū)域(圖8b)。此類型的特征為降雨點較為集中，降雨有一定的持續(xù)性，中心TBB值多為220～230 K，阿克蘇地區(qū)的短時強降雨多為此類型。

圖8 阿克蘇短時強降雨TBB特征(a TBB邊緣密集帶；b TBB中心溫度最低區(qū)域；黑點和數(shù)值為短時強降雨發(fā)生地和小時降雨量)

5 結(jié)論

(1)阿克蘇地區(qū)短時強降雨發(fā)生頻次年際變化比較大并呈增多趨勢。6—8月為短時強降雨的高發(fā)期,其中8月出現(xiàn)最多，6、7月次之。短時強降雨多發(fā)時段一般集中在午后16—20時，18時最多，19時次之。

(2)阿克蘇地區(qū)短時強降雨累計出現(xiàn)頻次北部山區(qū)最多、淺山區(qū)次之、平原及南部沙漠地區(qū)最少。強降雨高發(fā)區(qū)主要集中在溫宿北部山區(qū)，其次是烏什北部山區(qū)、柯坪北部山區(qū)，烏什北部山區(qū)小時雨強遠(yuǎn)高于其他站。發(fā)生短時強降雨的站數(shù)及累計頻次為北部縣市最多、西部縣市次之、南部縣市最少。

(3)影響阿克蘇地區(qū)產(chǎn)生短時強降雨的云系為低槽鋒面云系和雷暴云團(以此為主)。雷暴云團主要生成方式為低渦外圍分裂以及多雷暴云單體；雷暴云團主要生成于拜城縣北部山區(qū)、溫宿縣北部山區(qū)，其次為烏什縣以及克州移入；雷暴云團生成時間段集中在13—16時，形狀大多呈團狀，移動路徑為自西向東；強降雨時段發(fā)生于云團發(fā)展的中期至消亡的初期，而在云團發(fā)展的初期和衰減期降雨對應(yīng)的強度較弱。

(4)從水汽圖像來看，影響阿克蘇地區(qū)短時強降雨的水汽邊界主要為：斜壓葉急流邊界和底涌邊界，分別對應(yīng)于西南氣流型和西北氣流型。

(5)從TBB云圖特征來看，阿克蘇地區(qū)短時強降雨多出現(xiàn)在TBB邊緣密集帶和云圖中心TBB最低溫度區(qū)域。