一次青藏高原低渦影響下的云-降水宏微觀特征研究

張浩然,鄭佳鋒,車玉章

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610225)

0 引言

高原渦是一種常出現(xiàn)在青藏高原500 hPa左右的低壓渦旋系統(tǒng)。高原渦是青藏高原及周邊地區(qū)最重要的天氣系統(tǒng)之一,在適宜的天氣形勢(shì)下,高原渦會(huì)東移,造成中國(guó)中東部地區(qū)的暴雨等災(zāi)害性天氣[1-2]。因此對(duì)高原渦及其云-降水的觀測(cè)和研究具有重要價(jià)值和意義。

20世紀(jì)70年代至今,許多學(xué)者都對(duì)高原渦的形成演變機(jī)理和特征進(jìn)行了相關(guān)研究。葉篤正等[3]指出,高原低渦的水平尺度約500 km,垂直厚度約2～3 km。羅四維等[4]研究發(fā)現(xiàn),高原渦生成源地主要在羌塘、松潘、那曲和柴達(dá)木;高原渦在5月活動(dòng)最頻繁,8月活動(dòng)最少;高原渦分為暖性低渦和冷渦,均為暖濕和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。第二次青藏高原科學(xué)實(shí)驗(yàn)期間,衛(wèi)星監(jiān)測(cè)在很大程度上彌補(bǔ)了常規(guī)資料的不足。陳隆勛等[5]利用日本GMS 衛(wèi)星提供的TBB 資料和NOAA 衛(wèi)星提供的OLR 資料對(duì)青藏高原對(duì)流云的變化特征進(jìn)行了研究,并通過(guò)TBB 低值中心確定低渦渦源。

郁淑華等[6]利用GMS 衛(wèi)星的水汽觀測(cè)資料,對(duì)1998年8月高原低渦東移期間的水汽云圖進(jìn)行研究,認(rèn)為水汽灰度值≥223 的水汽渦旋能很好指示高原低渦的活動(dòng)過(guò)程。何光碧等[7]利用TRMM 衛(wèi)星資料統(tǒng)計(jì)分析了2000-2007年的高原低渦和切變線,結(jié)果表明高原低渦和切變線通常不易移出高原,低渦移出常伴隨低渦切變線過(guò)程的東移。Fu 等[8]對(duì)TRMM 衛(wèi)星資料的研究發(fā)現(xiàn),青藏高原降水云團(tuán)在水平方向上多呈零散塊狀分布,在鉛直方向上多呈塔狀分布;夏季青藏高原雖然對(duì)流降水頻繁,但降水量與其他地區(qū)同期相比較小。

地基雷達(dá)等觀測(cè)進(jìn)一步揭示了高原渦云-降水的特征。劉黎平等[9]分析夏季青藏高原對(duì)流云降水的雷達(dá)回波特征,發(fā)現(xiàn)夏季高原對(duì)流云降水具有明顯的日變化,雷達(dá)回波和降水量在13 時(shí)(北京時(shí),下同)開(kāi)始顯著增強(qiáng)、增大。Yang 等[10]對(duì)那曲風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,指出邊界層內(nèi)的對(duì)流于09 時(shí)開(kāi)始發(fā)展,到15 時(shí),邊界層可發(fā)展到最高。常祎等[11]利用地面雨滴譜儀資料研究那曲降水微觀特征的日變化,發(fā)現(xiàn)白天雨滴譜的中大粒子濃度比夜間高,雨滴譜更寬;而夜間雨滴譜的中小粒子濃度更高。張濤等[12]利用毫米波云雷達(dá)資料研究那曲地區(qū)一次熱力對(duì)流過(guò)程,發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)的降霰對(duì)流云具有和低海拔地區(qū)冰雹云相類似的結(jié)構(gòu),對(duì)流云中冰晶和霰的融化出現(xiàn)在環(huán)境零度層上方300 m區(qū)域內(nèi)。

盡管過(guò)去許多學(xué)者應(yīng)用統(tǒng)計(jì)、診斷分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)高原渦及其影響進(jìn)行了大量研究。但目前對(duì)高原低渦過(guò)境造成的云-降水的垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)和微物理特征分析還較為少見(jiàn)。本文利用第三次青藏高原大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)TIPEX-Ш 中的Ka 波段毫米波云雷達(dá)和激光雨滴譜儀,結(jié)合地面降水資料和探空資料、FY-2G衛(wèi)星紅外云圖和ERA-5 再分析資料,對(duì)那曲地區(qū)2015年8月17-19日一次高原渦天氣影響下的云-降水宏微觀結(jié)構(gòu)和微物理特征進(jìn)行分析,旨在進(jìn)一步認(rèn)識(shí)高原渦云-降水的結(jié)構(gòu)和物理特征。

1 資料和方法

1.1 設(shè)備與資料介紹

本文使用的Ka 波段毫米波云雷達(dá)和激光雨滴譜儀在TIPEX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)期間,安裝在那曲氣象局(92°06′E,32°19′N,海拔4507 m)。該Ka 波段毫米波雷達(dá)是一部脈沖多普勒體制的單發(fā)雙收雷達(dá),工作頻率為33.4 GHz,脈沖重復(fù)功率為8333 Hz,天線直徑為2 m,距離庫(kù)長(zhǎng)30 m,時(shí)間分辨率為8.8 s。雷達(dá)采用垂直定向的掃描方式,可以實(shí)時(shí)獲取0.12～15.3 km高度范圍的反射率因子Ze(dBZ)、平均多普勒速度VM(m/s)、譜寬σv(m/s)和線性退極化比LDR(dB)等相關(guān)物理量[13]。使用德國(guó)OTT 公司研制的Parsivel 2 型激光雨滴譜儀,該設(shè)備以光電技術(shù)為基礎(chǔ),當(dāng)降水粒子穿過(guò)儀器內(nèi)部激光束時(shí),雨滴造成的激光束遮擋會(huì)引起電壓減小,通過(guò)測(cè)定電壓減小幅度實(shí)現(xiàn)對(duì)降水粒子直徑D(mm)的測(cè)量;通過(guò)測(cè)量降水粒子穿過(guò)激光束的時(shí)間,來(lái)計(jì)算得到粒子的下落速度Vt(m/s)。該設(shè)備的時(shí)間分辨率為60 s,探測(cè)資料為32 個(gè)直徑通道和32 個(gè)速度通道的雨滴個(gè)數(shù),D和Vt的測(cè)量范圍為0.2～25 mm和0.2～20.0 m/s[14]。

本文還用到那曲站2015年8月17-19日的地面氣象觀測(cè)資料、探空資料、FY-2G 衛(wèi)星紅外云圖資料和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA-5 0.25°×0.25°再分析資料。

1.2 雷達(dá)觀測(cè)量的計(jì)算方法含義

利用Ka 波段毫米波云雷達(dá)計(jì)算反射率因子Ze、平均多普勒速度VM、譜寬σv和線性退極化比LDR 的公式如下:

式中:D為粒子直徑(mm),n(D)為粒子數(shù)濃度(m-3/mm),Z主要反映云降水的粒子大小[15]。Vs(m/s)和Ve(m/s)分別為起始位置和終點(diǎn)位置的多普勒速度,Ps(dBm)為信號(hào)功率,Pn(dBm)為噪聲電平。若VM＞0,則表明該時(shí)段內(nèi)上升氣流較強(qiáng);若VM＜0,則表明該時(shí)段內(nèi)可能同時(shí)存在下沉氣流和上升氣流,但整體以下沉氣流為主。譜寬σv反映云降水內(nèi)的湍流強(qiáng)度或粒子譜的分布。由于Ka 波段毫米波云雷達(dá)可以同時(shí)接收平行和交叉極化返回的多普勒信號(hào),故利用位于交叉通道的反射率因子計(jì)算出雷達(dá)線性退極化比LDR,ZHV為正交偏振量,ZHH為水平偏振量。LDR 大小與粒子相態(tài)有關(guān),冰晶粒子的LDR 較大,液態(tài)雨滴的LDR 較小。

2 天氣背景和云-降水發(fā)展演變特征

2.1 天氣實(shí)況概述

此次高原渦天氣過(guò)程于2015年8月17-19日影響青藏高原地區(qū)。17日08 時(shí)-18日08 時(shí),降水主要集中在青藏高原中北部地區(qū),其中班戈、索縣、丁青、拉薩等地的日降雨量均達(dá)到中雨級(jí)別。18日08 時(shí)-19日08 時(shí),降水區(qū)域擴(kuò)大至高原東側(cè),高原東南部地區(qū)的日降雨量均達(dá)到中雨級(jí)別,其中拉薩、波密、丁青、林芝等地日降雨量達(dá)到大雨級(jí)別。

2.2 高原渦天氣背景分析

圖1 為2015年8月17-19日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng),圖中三角形標(biāo)記了那曲測(cè)站的位置。由圖1 可見(jiàn),17日20 時(shí)(北京時(shí)間BST,下同),那曲西北側(cè)有低壓中心出現(xiàn);18日08 時(shí),低渦中心分裂為兩個(gè),低渦中心風(fēng)速略有增大;18日20 時(shí),高原渦向東南方向移動(dòng),中心強(qiáng)度略有減弱,但低渦影響范圍增大;19日08 時(shí),低渦強(qiáng)度減弱并移至那曲東南部。19日20 時(shí)后,低渦中心逐漸在原地消散,高原渦天氣過(guò)程結(jié)束。

圖2 為2015年8月17-19日高原渦天氣過(guò)程的水汽通量散度圖,圖中負(fù)值代表水汽輻合,正值表明水汽輻散。由圖2 可見(jiàn),17日20 時(shí)-18日08 時(shí),那曲地區(qū)基本為水汽輻合區(qū)。其中,17日20 時(shí),觀測(cè)站點(diǎn)附近為水汽輻合區(qū)中心;18日08 時(shí)和20 時(shí),觀測(cè)站點(diǎn)仍然為水汽輻合區(qū),但已脫離中心,且水汽輻合強(qiáng)度有所減弱;19日08 時(shí),那曲地區(qū)水汽輻合已經(jīng)不明顯。整體來(lái)看,在低壓系統(tǒng)的影響下,那曲地區(qū)的水汽條件較為充沛。

圖2 2015年8月17-19日500 hPa 水汽通量散度

2.3 云圖特征和降水實(shí)況

利用FY-2G 衛(wèi)星黑體輻射亮溫TBB 資料,對(duì)此次高原渦天氣形成的云-降水宏觀特征和演變過(guò)程進(jìn)一步分析。圖3 為2015年8月17-19日4 個(gè)典型時(shí)刻,包括17日20 時(shí)、18日18 時(shí)、19日03 時(shí)和19日10時(shí)的云圖。從圖3(a)可見(jiàn),與500 hPa水汽通量散度輻合中心對(duì)應(yīng),在17日20 時(shí)測(cè)站上空有團(tuán)狀對(duì)流云團(tuán),對(duì)流發(fā)展旺盛,云頂高度高,TBB 達(dá)-80 ℃以下。18日18 時(shí)(圖3b),對(duì)流云圖整體有所減弱,少部分合并,測(cè)站上空對(duì)流云團(tuán)的亮溫有所增高,對(duì)流強(qiáng)度有所減弱。19日03 時(shí)和10 時(shí)(圖3c 和圖3d),對(duì)流云系向東移動(dòng),那曲測(cè)站上空的對(duì)流進(jìn)一步減弱,亮溫增高,云頂降低,甚至變?yōu)閷訝钤葡悼刂啤?/p>

圖3 2015年8月17-19日FY-2G 黑體輻射亮溫TBB

在高原渦天氣影響下,2015年8月17日08 時(shí)-19日20 時(shí)那曲自動(dòng)站測(cè)量的6 h降水量時(shí)序圖如圖4所示。可見(jiàn),降水主要集中在17日20-18日02 時(shí),累計(jì)雨量達(dá)到6 mm。此后,在18日午后有2 mm降水;19日凌晨至14 時(shí),有6 mm的顯著降水。隨后,因高原渦強(qiáng)度逐漸減弱并消散,降水逐漸停止。

圖4 2015年8月17日08 時(shí)-19日20 時(shí)那曲觀測(cè)站地面6 h 降水量

3 高原渦云降水垂直結(jié)構(gòu)和變化特征

普查此次高原渦云-降水過(guò)程經(jīng)過(guò)那曲站的整體雷達(dá)反射率因子回波,并結(jié)合地面降水強(qiáng)度及變化,發(fā)現(xiàn)此次過(guò)程分別于17日23 時(shí)-18日02:30(階段一)、18日10 時(shí)-14 時(shí)(階段二)、18日22 時(shí)-23 時(shí)(階段三)和19日04:30-10:30(階段四)經(jīng)過(guò)站點(diǎn)上空并產(chǎn)生較明顯的降水。階段一和階段二的云降水結(jié)構(gòu)和降水變化表現(xiàn)為對(duì)流性,而階段三和階段四的云降水結(jié)構(gòu)和降水變化表現(xiàn)為積層混合性。對(duì)于同類的云降水,選擇較為典型的階段一和階段四進(jìn)一步分析。

3.1 對(duì)流云-降水階段

圖5 為2015年8月17日23 時(shí)-次日02 時(shí)30 分的對(duì)流云-降水階段,圖5 為Ka 波段毫米波云雷達(dá)觀測(cè)的Ze、VM、σv和LDR。由圖5(a)可知,在23:00-02:30,對(duì)流云強(qiáng)烈發(fā)展,最高可達(dá)8 km,其中包含回波強(qiáng)度較強(qiáng)的積雨云和回波強(qiáng)度較弱的積云砧。在00:00-01:48,中低層積雨云對(duì)流發(fā)展十分旺盛,回波強(qiáng)度達(dá)到30 dBZ及以上。積云砧發(fā)展高度較高,但是回波強(qiáng)度在10 dBZ以下,對(duì)降水的貢獻(xiàn)較小。圖5(b)表明,雷達(dá)多普勒速度以負(fù)值為主,大小位于-2～0 m/s;正速度值通常出現(xiàn)在對(duì)流云頂,最大達(dá)到3 m/s,表明較顯著的上升氣流主要出現(xiàn)在云的中上部。從圖5(c)可見(jiàn),對(duì)流云譜寬大值與回波強(qiáng)度大值區(qū)相對(duì)應(yīng),最大可達(dá)2.8 m/s,主要集中在低層融化層以下和對(duì)流云發(fā)展階段。圖5(d)的LDR 表明,在離地1 km處存在一個(gè)較大值帶,表明粒子在此處相態(tài)發(fā)生變化,由冰晶粒子融化為液態(tài)粒子。盡管青藏高原夏季降水多為對(duì)流性,但整體對(duì)流強(qiáng)度相較于平原地區(qū)小,因此經(jīng)常可觀測(cè)到圖5 中的亮帶結(jié)構(gòu)。

圖5 2015年8月17日23:00-8月18日02:30 對(duì)流云-降水階段的Ka 波段雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步分析對(duì)流云-降水的垂直結(jié)構(gòu)和微物理特征,統(tǒng)計(jì)該階段Ze、VM、σv和LDR 回波平均和各分位數(shù)廓線(圖6)。從廓線由高層到低層的變化可以看出,整體上,Ze隨著高度降低而逐漸增大、σv隨高度降低而逐漸減小,表明冰晶粒子通過(guò)聚并、凇附等過(guò)程逐漸增大,粒子譜逐漸增寬;云層從中上部弱的上升氣流逐漸轉(zhuǎn)為中下部受下沉氣流控制。尤其下降到1 km左右,因冰晶融化效應(yīng),4 個(gè)物理量均表現(xiàn)出亮帶特征,即數(shù)值均有明顯突增或突降現(xiàn)象。零度層亮帶以下,σv有略微增大趨勢(shì),表明冰晶融化成雨滴后,在沉降過(guò)程中有一定碰并增長(zhǎng);但Ze則無(wú)增大趨勢(shì),這可能是低層雷達(dá)靈敏度較高,使統(tǒng)計(jì)值反而有所減小的原因。與其他3 個(gè)量不同,LDR 在亮帶位置最大,亮帶上下部則快速減小,其對(duì)亮帶特征的指示較其他量更為顯著。

圖6 對(duì)流云-降水階段物理量的平均值廓線和5%～95%分位數(shù)廓線(粉色實(shí)線為物理量的平均值廓線,其他顏色線條從左到右依次代表5%、25%、50%、75%、95%分位數(shù))

3.2 層積云-降水階段

圖7 為2015年8月19日04:30-10:30 的層積云-降水階段的毫米波雷達(dá)觀察結(jié)果。觀測(cè)結(jié)果表明,該階段的云頂高度整體降低至7 km以下,在5:00-9:30,層積云有所發(fā)展,云頂高度略有增加。圖7(a)中,整體的雷達(dá)回波強(qiáng)度較弱,低層有連續(xù)的較強(qiáng)回波。圖7(b)中,VM整體為負(fù)值,少數(shù)小的正速度出現(xiàn)在云頂。圖7(c)中,σv隨高度的減小呈增大趨勢(shì)。圖7(d)中,LDR 在低層也存在一條迅速增大的亮帶,粒子在該處發(fā)生相態(tài)的轉(zhuǎn)變,由冰相粒子轉(zhuǎn)化為雨滴。

圖7 2015年8月19日04:30-10:30 層積云-降水階段的毫米波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果

圖8 為該階段的雷達(dá)觀測(cè)量廓線圖。整體來(lái)看,4個(gè)雷達(dá)觀測(cè)量的隨高度變化趨勢(shì)與對(duì)流云-降水階段相似,但不同的是,層積云-降水由于對(duì)流性更弱,云內(nèi)混合和冰相過(guò)程活躍程度更低,廓線隨高度的變化速率更小,云內(nèi)幾乎沒(méi)有顯著的上升氣流,冰晶譜的寬度變化也非常小。此外發(fā)現(xiàn),層積云-降水階段的零度層亮帶高度有所減低,約為500 m左右,LDR 觀測(cè)到的特征在亮帶以下也沒(méi)有出現(xiàn)突降的現(xiàn)象。

圖8 層積云-降水階段物理量的平均值廓線和5%～95%分位數(shù)廓線(粉色實(shí)線為物理量的平均值廓線,其他顏色線條從左到右依次代表5%、25%、50%、75%、95%分位數(shù))

4 不同階段降水的強(qiáng)度和雨滴譜變化

4.1 對(duì)流云-降水階段

圖9(a)、(b)為2015年8月18日00:00-02:30對(duì)流云-降水期間地面雨滴譜儀觀測(cè)的雨強(qiáng)和雨滴譜時(shí)間序列圖?？梢钥闯?此次降水約持續(xù)1.5 h,降水時(shí)間短,但強(qiáng)度較大。雨強(qiáng)隨時(shí)間變化出現(xiàn)了多次峰值,在01:10 和01:37 降水強(qiáng)度分別達(dá)到最強(qiáng),此后降水迅速減小直至結(jié)束。地面降水粒子的直徑在0.1～1.4 mm的雨滴數(shù)濃度最高,對(duì)降水起主要貢獻(xiàn)。該階段降水出現(xiàn)少部分較大的粒子,最大可達(dá)3.8 mm,雨滴譜變化與雨強(qiáng)相對(duì)應(yīng),雨強(qiáng)越大,雨滴數(shù)濃度越高、粒子越大,譜越寬。

圖9 2015年8月18日00:00-02:30 對(duì)流云-降水階段的雨滴譜儀觀測(cè)到的雨強(qiáng)和雨滴譜

4.2 層積云-降水階段

圖10 為2015年8月19日04:30-10:30 層積云-降水期間雨滴譜儀觀測(cè)出的雨強(qiáng)和雨滴濃度的時(shí)間序列圖。該階段的降水持續(xù)約6 h,降水強(qiáng)度相對(duì)更小,但持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。從雨滴譜分布來(lái)看,層積云降水的粒子直徑均在2.5 mm以內(nèi),相較對(duì)流云降水階段而言,粒子直徑更小,主要集中在直徑小于1 mm區(qū)間,雨滴譜的寬度與對(duì)流云降水相比也更窄。

圖10 2015年8月19日04:30-10:30 層狀云-降水階段的雨滴譜儀觀測(cè)到的雨強(qiáng)和雨滴譜

5 結(jié)論

本文對(duì)2015年8月17-19日一次青藏高原低渦影響下的云-降水過(guò)程的宏微觀結(jié)構(gòu)和微物理特征進(jìn)行分析,得到如下主要結(jié)論。

(1)此次高原渦從高原西側(cè)生成,最后在高原上消失,為高原帶來(lái)間歇性降水。高原渦在18日凌晨發(fā)展達(dá)到最強(qiáng),那曲上空對(duì)流云發(fā)展旺盛,并帶來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水。那曲上空先為對(duì)流性陣性降水,后轉(zhuǎn)化為層積云連續(xù)性降水。

(2)雷達(dá)回波圖上,對(duì)流云-降水階段回波多為火焰狀的上沖結(jié)構(gòu),對(duì)流較強(qiáng),發(fā)展高度較高,但持續(xù)時(shí)間短。層積云-降水階段回波多為層狀或片狀,云層高度較對(duì)流云階段高度有所降低,但降水持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

(3)對(duì)流云-降水的云頂高度最高可達(dá)8 km,正速度值通常出現(xiàn)在云頂,最大達(dá)到3 m/s,表明較顯著的上升氣流主要出現(xiàn)在云的中上部。中低層積雨云對(duì)流發(fā)展旺盛,反射率因子的雷達(dá)回波強(qiáng)度可達(dá)30 dBZ。在層積云主導(dǎo)階段,云頂高度有所下降,一般在7 km附近,上升速度的最大值位于0～2 m/s,反射率因子的雷達(dá)回波在20 dBZ 以下。在靠近地面附近出現(xiàn)明顯的反射率因子亮帶,此處粒子由冰晶粒子轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)雨滴。

(4)對(duì)流云和層積云的雨滴譜也存在一定差異,對(duì)流云階段降水粒子直徑更大,譜寬也比層狀云降水更寬。

致謝:感謝大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(202010621005);成都信息工程大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目(KYTZ201728)對(duì)本文的資助