石河子地區(qū)夏季降雨過程探空資料和雷達產(chǎn)品特征分析

劉曉初 徐臘梅 李瀟瀟 趙胡笳

（1大連市氣象臺，遼寧大連 116001；2石河子氣象臺，新疆石河子 832000；3中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧沈陽 110116）

強對流天氣是造成汛期氣象災害的重要天氣類型[1-2]。行業(yè)內(nèi)普遍認為落地直徑不小于2 cm的冰雹、陣風風速達到17 m/s的對流性大風和雨強達到20 mm/h的短時強降水和任何強度的龍卷風均稱為強對流天氣[3-4]。石河子位于少雨內(nèi)陸地區(qū)，短時強降雨標準為2個級別，分別為5和10 mm/h。因此，對流天氣伴隨的降雨為大陸型對流降雨，有必要從潛勢預報和臨近雷達產(chǎn)品對降雨過程進行分析，提升本地對流天氣預報預警水平[5-6]。6～24 h的強對流潛勢預報對落區(qū)和類型有一定指示作用[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，純粹的短時強降雨天氣與雷暴大風、冰雹天氣的探空資料參數(shù)特征值存在明顯差異[9-10]。李瀟瀟等[11]分析大連地區(qū)短時暴雨過程發(fā)現(xiàn)，某些探空參數(shù)對短時強降水有一定指示作用。另外，對流潛勢分析有一些值得注意的問題，CAPE值對抬升氣塊的溫濕狀況和水汽變化都非常敏感[12-13]。實際分析中要動態(tài)地看待穩(wěn)定度的變化[14]。對流降水過程中，大氣一般處于中性熱力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時，大氣處于穩(wěn)定層結(jié)。除了潛勢預報，0～2 h的臨近預報對更加精細化的預報預警作用不可代替。不同類型強對流天氣有對應的雷達產(chǎn)品參數(shù)特征[15-16]，天氣雷達中降水估測產(chǎn)品與實況的偏差主要由不適當?shù)腪-R關系造成[17-18]。新疆作為西部內(nèi)陸地區(qū)，汛期降雨過程顯示出大陸型強對流回波特征[19-20]。沿海地區(qū)短時暴雨的雷達回波多為介于穩(wěn)定性和對流性之間的混合性降雨回波，呈現(xiàn)低質(zhì)心特征[21-22]，且不同地區(qū)有獨特變化規(guī)律[23-24]。以上研究對石河子地區(qū)汛期降雨過程預報預警有一定借鑒意義。

夏季降雨有突發(fā)性強，持續(xù)時間短，落區(qū)范圍小等特點，容易致災，另外，即使量級較低的降水對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定幫助，因此，準確預報預警有非常重要的價值。本文利用常規(guī)觀測資料和天氣雷達資料，對石河子地區(qū)夏季降水過程做中尺度分析，發(fā)現(xiàn)特征參數(shù)，對當?shù)氐慕涤旰蛯α魈鞖忸A報預警提供一定參考指標，幫助預報員識別本地強對流天氣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及演變，促進強對流短臨預警系統(tǒng)的本地化應用。

1 分析資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石河子位處北疆中段，東南高西北低，山地、沙漠、平原為石河子的主要地貌形態(tài)，全年降水稀少，氣候干燥，屬于溫帶大陸性干旱氣候。石河子地區(qū)為灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm。

1.2 資料選取及分析方法

該研究所用資料包括常規(guī)氣象觀測資料，即石河子地區(qū)地面觀測資料和克拉瑪依探空資料，探空資料時間分別為08：00和20：00；石河子C波段多普勒天氣雷達資料，時間分辨率為6 min。按照石河子地區(qū)降水量等級業(yè)務規(guī)定，該研究劃分如下，24 h降水量在6 mm以下為小雨，6～12 mm為小到中雨，＞12～24 mm為中到大雨，24 mm以上為暴雨。小時雨強分為5和10 mm 2個檔次。關于落區(qū)，一共4個業(yè)務站，分別為石河子本站（356）、炮臺（352）、莫索灣（353）、烏蘭烏蘇（358）。24 h內(nèi)，2個站及以下出現(xiàn)小雨，劃為局部小雨；3個站及以上出現(xiàn)小雨，劃為全區(qū)小雨；3個站出現(xiàn)降雨，1個站及以上出現(xiàn)中雨量級，劃為小到中雨，以此類推，直到全區(qū)出現(xiàn)降雨，1個站出現(xiàn)暴雨，劃為暴雨過程。關于探空資料，石河子地區(qū)上游最近的探空站位于克拉瑪依，與石河子直線距離160 km左右，海拔400 m，且周邊為戈壁荒漠。

2 降水過程發(fā)生規(guī)律

對地面觀測降水量實況統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2018—2020年6—8月石河子地區(qū)共有53次降水過程。其中，局部小雨過程22次，約占42%；全區(qū)小雨過程21次，約占40%。由此可見，小雨過程占全部過程的82%。小到中雨過程5次，中到大雨過程4次，暴雨過程僅有1次。另外，從發(fā)生時段來看，發(fā)生在傍晚到夜間（17：00—次日08：00）的過程有43次，占81%，其中中雨以上量級僅有一次中到大雨過程發(fā)生在白天。

3 探空資料分析

3.1 能量參數(shù)

K指數(shù)是最常用的識別對流的參數(shù)之一，其定義為850與500 hPa溫度差，加上850 hPa露點溫度，減去700 hPa的溫度露點差。通常，K指數(shù)小于25，不容易產(chǎn)生雷暴；25～30，雷暴概率較小；30以上，雷暴概率較大。從定義看，低層水汽（850 hPa露點溫度）越大，層結(jié)越不穩(wěn)定（850和500 hPa溫差），以及700 hPa飽和度越大，K指數(shù)越大。53次降雨過程整體的K指數(shù)中位數(shù)為29（表1），按照降雨量級分類，各個量級過程的中位數(shù)都小于等于30。只有2019年7月10日暴雨過程，K指數(shù)為32。K指數(shù)對降水過程有一定指示作用。全部個例的850與500 hPa溫差（T85）都達到28℃以上（表1），層結(jié)較為不穩(wěn)定，指示作用強?？死斠罏榛哪军c，低層大氣水汽飽和度較低，850 hPa露點溫度（Td850）較低，中位數(shù)全部小于5℃，并且700 hPa溫度露點差較大，與東部沿海地區(qū)區(qū)別較大，降水指示作用不強。

CAPE值對抬升氣塊的溫濕狀況敏感，抬升氣塊的溫度或者露點溫度升高1℃，CAPE值分別平均增加200和500 J/kg，因此，當大多數(shù)降水過程發(fā)生在傍晚到夜間，而直接用08：00探空資料分析時，由于白天荒漠地區(qū)地表加熱作用顯著，傍晚近地面溫度（Ts）和露點溫度（Tds）與08：00的有明顯差別，CAPE值發(fā)生較大變化，無法有效表征對流降水發(fā)生前的周圍大氣環(huán)境。從各量級降水過程的CAPE值中位數(shù)（表2）也能看到，指示對流降雨作用不大。

3.2 溫濕狀況參數(shù)

探空最底層位于海拔400 m左右。探空底層溫度（Ts）中位數(shù)在23～27℃，露點溫度（Tds）中位數(shù)在8～11℃（表1），表明探空最底層大氣飽和度較差；而作為東部沿海平原地區(qū)的有利于降雨的低空水汽條件特征量，850 hPa露點溫度（Td850）應該較大，850 hPa溫度露點差（T-Td850）應該較小，此特征在西北地區(qū)概率很小。從各個量級降雨過程的中位數(shù)（表2）看，東部地區(qū)夏季降水前，850 hPa露點溫度可能達到12℃，甚至16℃，但是石河子地區(qū)該特征量的中位數(shù)僅為2～5℃，850 hPa溫度露點差中位數(shù)為12～20℃，表明探空底層400～1 500 m大多數(shù)為干層，對降雨指示作用不大。作為所在高度大氣實際水汽含量的參數(shù)，各個量級降雨過程探空底層比濕（Q5）中位數(shù)為7.0～8.6 g/kg（表1），700 hPa在東部平原地區(qū)已是降水過程水汽頂層，其高度的比濕（Q700）中位數(shù)為5.4～7.8 g/kg，具體到每個過程的探空資料，53次過程中有27次700 hPa比濕（Q700）直接大于探空底層比濕（Qs）或者大于按照正常遞減率到700 hPa的比濕，占比51%，表明特征濕層在700 hPa附近的指示作用更大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，600～500 hPa的溫度露點差（T-Td600）小于4℃的過程有50次，占94%。與降雨過程有非常好的對應關系。

表2 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)各量級降雨過程前探空資料的部分物理量

高低空的溫差反映了大氣垂直溫度梯度。700和500 hPa溫差（T75）中位數(shù)在14.0～17.5℃，850和500 hPa溫差（T85）中位數(shù)在28～32℃。與東部地區(qū)對流潛勢特征值基本一致。

3.3 動力穩(wěn)定度參數(shù)

中等強度以上的0～6 km深層垂直風切變（SHR0-6）與大冰雹、對流性強陣風和龍卷等強對流天氣密切相關。另外，強對流天氣系統(tǒng)如多單體強風暴、超級單體和颮線等也產(chǎn)生在較強的深層垂直風切變環(huán)境中。中等強度（大于10 m/s）以上過程31次，強垂直風切變過程(大于19 m/s）6次，分別占比58%和11%。由此可見，降水可能只是對流天氣現(xiàn)象中的其中一種。環(huán)境潛勢也有利于雷雨大風等災害性強對流天氣發(fā)生。

當0℃層高度附近大氣飽和度較低時，濕球0℃層高度（H0）與0℃層高度差別較大。H0中位數(shù)在3.7～4.2 km（表1），很多過程干球0℃和濕球0℃的高度有較大差別，需要訂正后使用。抬升凝結(jié)高度（HLCL）是未飽和濕空氣塊干絕熱上升、剛開始凝結(jié)的高度。高度較低有利于強對流的發(fā)生和發(fā)展。HLCL中位數(shù)為0.8 km（表1）。

表1 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)降雨過程前探空資料的部分物理量中位數(shù)

探空應用較好的例子是2019年7月27日過程（圖1b）。K指數(shù)達到28；CAPE值為920 J/kg，接近中等強度；850與500 hPa溫差高達32℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定；0～6 km垂直風切變?yōu)?0 m/s，強度較大，溫濕廓線呈上干下濕的“喇叭”形狀，有利于強對流發(fā)生。降雨發(fā)生在22：00左右，從雷達回波上看，多單體對流風暴呈南北帶狀排列。潛勢預報中探空特征參數(shù)指示作用較好。另外，2019年7月10日暴雨過程（圖1a），K指數(shù)達到32，并且在600 hPa附近濕層相對深厚，對短時對流性降雨有一定指示作用。另外，分析各個過程的溫濕廓線發(fā)現(xiàn)，近地面為西北風，大氣飽和度較低，中層為西南風，大氣飽和度較高。

圖1 2019年7月10日08：00（a）和27日20：00（b）克拉瑪依探空圖

4 雷達產(chǎn)品特征分析

夏季對流降水的量級大小取決于降水效率和持續(xù)時間。較高的降水效率與暖云層厚度有關，另外，還需要低層水汽的持續(xù)輸送。對流降雨通常分為大陸型和熱帶型，石河子地區(qū)明顯屬于大陸型。從圖1的2個個例探空圖看出，地面到850 hPa甚至700 hPa水汽飽和度都較差，600 hPa附近大氣才接近飽和，并且濕層厚度比東部沿海地區(qū)更小。大陸型對流降水的特征是強回波發(fā)展高度較高，質(zhì)心較高，大粒子較多（大雨滴、霰和冰雹），密度小。因此，降水效率不高，天氣雷達中的降水估測產(chǎn)品與地面降水量實況的偏差就比較大。一般情況下，雷達有效的測雨范圍不超過150 km。結(jié)合到石河子地區(qū)的實際情況，炮臺和莫索灣測站位置相近，偏北；石河子和烏蘭烏蘇相近，相對偏南。一次降雨過程影響到各個站點的回波演變是不同，需要單獨分析。因此，53次降雨過程對應142次雷達回波演變。

4.1 組合反射率和徑向速度特征

組合反射率（CR）表示的是一個體掃中，定常仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上；優(yōu)勢是不用查看每個仰角就能快速查看到風暴中的最大反射率因子；缺點是無法識別某個仰角上的有用特征。如表3，同樣按照降雨量級劃分，最大強度的中位數(shù)為25～35 dBz，一般強度在35 dBz以上才達到對流強度，按此標準，局部小雨、全區(qū)小雨過程一般僅為層云降水，中雨以上才有對流特征。從整體上看，降雨過程最大強度中位數(shù)為30 dBz，與冰雹、雷暴大風等強對流天氣有明顯差異。

表3 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)降雨過程雷達資料部分參數(shù)的中位數(shù)

徑向速度（V）一般用來識別中小尺度速度對，中層高度具有一定速度的旋轉(zhuǎn)、中氣旋，或者不同仰角上大范圍的輻散幅輻合鋒面過境，判斷系統(tǒng)的發(fā)展；或者可通過最低仰角上雷達站附近的入流和出流速度判斷地面大風。雷達站附近距離地面1 km高度范圍內(nèi)，風速達到15 m/s的案例僅為7次，占比5%，表明到達地面產(chǎn)生8級以上大風的情況很少，降雨與地面大風的伴隨關系也不強。

4.2 垂直累積液態(tài)水、回波頂高和雨量估測特征

垂直累積液態(tài)水（VIL）表示將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價的液態(tài)水值。它的假設是所有的反射率因子返回都是由液態(tài)水滴引起的經(jīng)驗導出的關系，其實質(zhì)是反射率因子的垂直累積，代表了雷暴的總體強度。VIL數(shù)值的突然增大對冰雹預警有較好的指示作用。全部降雨過程的VIL中位數(shù)為0～0.5 kg/m2，總體上降雨不會伴隨冰雹。僅有2018年7月13日過程的VIL值達到20 kg/m2（表4），有可能伴隨冰雹。

回波頂高（ETPPI）與0℃層高度比較，0℃層高度的中位數(shù)在3.7～4.2 km。夏季-20℃層高度一般在6 km左右，如果對流風暴發(fā)展旺盛，45或50 dBz以上的強回波高度達到-20℃層高度，容易出現(xiàn)災害性冰雹，該研究的大部分降雨過程對應的回波頂高中位數(shù)都在6 km以下，只有中到大雨過程的回波頂高中位數(shù)達到7 km（表3），有可能出現(xiàn)強冰雹。

雨量估測中，如果降水粒子中的固態(tài)粒子（冰雹顆粒）較多，而不是密度較大、顆粒較小的暖云產(chǎn)生的液態(tài)水滴占多數(shù)，那雷達降水估測產(chǎn)品中的Z-R關系就偏差較大。在全部142次降雨實況與雷達產(chǎn)品的對比中，有19次回波頂高超過0℃層高度2 km以上，接近或超過-20℃層高度，占比13%，而近似于暖云降雨的回波占87%。因此，大部分產(chǎn)生降雨的雷達回波中，降水估測結(jié)果還是有參考價值的。從按照雨量劃分的1 h降雨量估測產(chǎn)品看（表3），局部小雨的中位數(shù)為0.5 mm/h，按照量級依次增大，降雨估測產(chǎn)品中位數(shù)也大致增大，變化趨勢基本一致，有一定參考價值。另外，產(chǎn)生暴雨不僅要有較長的持續(xù)時間，雨強也相對其他量級降雨過程更大。

以2019年7月10日的暴雨過程（圖2和表4）為例，影響石河子（356）和莫索灣（358）的回波最大強度為40 dBz，所在高度最高僅為3～4 km，回波頂高為7 km，對流發(fā)展并不旺盛，VIL最大值僅為0.5 kg/m2，沒有冰雹特征。從降水估測產(chǎn)品看，雨強達到6 mm/h，所有過程中最大，天氣現(xiàn)象以短時強降雨為主，雷達站西側(cè)上游不斷有回波東移經(jīng)過測站，降雨持續(xù)時間較長，造成局地暴雨。

表4 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)各量級降雨過程雷達資料的部分參數(shù)

續(xù)表4 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)部分降雨過程雷達參數(shù)

圖2 石河子雷達2019年7月10日21∶51(a)和11日00∶15(b)0.5°基本反射率

從雷達產(chǎn)品特征上看，總體上，短時強降雨為主過程并不伴隨冰雹和雷暴大風。

5 結(jié)論與討論

石河子位于北疆中段，屬于溫帶大陸性干旱氣候。夏季降雨突發(fā)性強、持續(xù)時間短、落區(qū)范圍小，有明顯的大陸型對流降雨特征。該研究通過對石河子地區(qū)夏季降雨過程的探空和天氣雷達資料研究發(fā)現(xiàn)：①53次降雨過程絕大多數(shù)量級為小雨，并且發(fā)生在傍晚到夜間。②探空資料上，K指數(shù)、850和500 hPa溫差是對流降雨可靠指示參數(shù)。探空底層和850底層大氣飽和度較差，指示作用不強。③600 hPa附近濕層為當?shù)鬲毺刂笜藚?shù)；600～500 hPa的溫度露點差小于4℃的過程有50次，占94%。與降雨過程有非常好的對應關系。④短時強降雨過程通常不伴隨冰雹和雷暴大風。⑤1 h降雨估測產(chǎn)品可靠度較高。西北內(nèi)陸地區(qū)降雨效率不高，但是降雨持續(xù)時間較長，累積降雨量仍然有可能達到暴雨量級。

不足之處為大多數(shù)降雨過程發(fā)生在傍晚到夜間，08：00探空代表性較差。在現(xiàn)有條件基礎上，結(jié)合實況和模式預報，對08：00探空資料進行訂正，再檢驗預報預警的提升效果，可作為未來研究方向。