青海一次短時強降水中FY-4A 云型特征分析

謝天蓉，祁彩虹，張寧瑾

青海省氣象局，青海西寧 810000

青海高原位于青藏高原東北部，年平均降水量不足700 mm且地域差異大，呈東多西少、南多北少的空間格局，屬于高原大陸性氣候。近十幾年來，青海高原暖濕化現(xiàn)象愈加顯著，夏季局地對流災(zāi)害頻發(fā)，極端降水和雷擊死亡事件增多，而大冰雹和對流性大風(fēng)事件減少[1-6]。盡管當(dāng)?shù)囟虝r強降水的地方標(biāo)準(zhǔn)較我國東部地區(qū)偏弱，但與大尺度降水配合下經(jīng)常造成較嚴(yán)重的積澇，沖毀山地或農(nóng)田等。由于青海生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)條件較為脆弱，高原大部分地區(qū)被指定為“重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點”[7-8]。

青海省面積為72萬km2，位居全國第四，但全省僅有3部雷達(dá)。雷達(dá)責(zé)任區(qū)覆蓋范圍以青海東北部農(nóng)業(yè)區(qū)為主，對于出現(xiàn)在責(zé)任區(qū)以外的強對流，尤其是短時強降水的監(jiān)測預(yù)報預(yù)警，衛(wèi)星云圖資料具有明顯優(yōu)勢[2]。汛期，我國最新的高分辨率地球同步軌道衛(wèi)星—風(fēng)云四號A星(FY-4A)加密觀測模式能提供高時空分辨率的云圖資料(每4 min更新1次云圖資料)，這對雷達(dá)多盲區(qū)的青海高原意義重大。因此，為做好防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)報服務(wù)，有必要利用FY-4A，對青海短時強降水云團(tuán)的云圖特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。并根據(jù)天氣形勢系統(tǒng)配置，結(jié)合風(fēng)云四號A星云圖云型演變特征，總結(jié)提煉出青海省短時強降水典型云型特征，提高預(yù)報員對氣象衛(wèi)星資料的應(yīng)用能力[9-12]。

1 天氣概況

2020 年6 月30 日08:00—7 月1 日08:00，青海省自西向東出現(xiàn)一次降水天氣過程。西寧、海東、海南、黃南、果洛、玉樹出現(xiàn)中雨(24 h降水量≥10 mm，272站次)，海南北部、黃南南部、果洛南部、玉樹南部出現(xiàn)大雨(24 h降水量≥25 mm，18站次)，降水中心在果洛州達(dá)日縣建設(shè)鄉(xiāng)，降水量為40.8 mm；國家站為河南，降水量為38.0 mm。同時，青南地區(qū)雷電活動密集，并伴有短時強降水、大風(fēng)、冰雹(達(dá)日地區(qū)出現(xiàn)最大直徑10 mm的冰雹)。從降水性質(zhì)來看，青海省北部以穩(wěn)定性降水為主，南部以對流性降水為主。

2 災(zāi)情統(tǒng)計

根據(jù)中國氣象局氣象災(zāi)情管理系統(tǒng)，6月30日17:00～19:00，興海因暴雨引發(fā)洪水導(dǎo)致230 m攔河壩沖毀，直接經(jīng)濟(jì)損失約43.4萬元。

3 天氣形勢分析

2020年6月30日08:00，在500 hPa高空環(huán)流形勢上，亞洲中高緯為兩槽一脊型，青海大部受弱脊584位勢米線控制，玉樹北部至唐古拉山區(qū)有東北—西南走向的高原切變線，20:00高原切變線東移至海東—玉樹南部一線(圖1a)。6月30日08:00 700 hPa高空環(huán)流形勢上，亞洲中高緯為兩槽一脊型，柴達(dá)木盆地有高原控制，青海西部地區(qū)主要受冷平流影響，東部地區(qū)主要受暖平流影響，冷、暖平流交匯加上高原地形的抬升作用，有利于低層輻合抬升(圖1c)。從30日14:00地面圖分析可見，14:00青海北部受冷空氣影響，其中，冷空氣主力已達(dá)柴達(dá)木盆地(圖1d)。

圖1 2020年6月30日08:00(a)與20:00(b)500 hPa高空圖，08:00 700 hPa高空圖(c)與14:00地面圖(d)

4 短時強降水云團(tuán)特征分析

從FY-4A紅外圖像演變分析來看(圖2)，這次短時強降水天氣過程是由高原切變線附近的中尺度對流云團(tuán)發(fā)展而來的。以達(dá)日建設(shè)鄉(xiāng)短時強降水為例。

圖2 MCS從形成到減弱各階段中尺度云團(tuán)≤-52 ℃冷云蓋面積、最大降水強度(多要素自動氣象站資料)、TBB最低溫度隨時間的演變

(1)形成階段(30日11:00～14:00)：在500 hPa高原切變線東側(cè)、玉樹北部上空有對流云團(tuán)A生成，尺度由MγCS發(fā)展至MβCS。TBB≤-52 ℃冷云蓋面積即將達(dá)到2 100 km2，對流云團(tuán)A中最低TBB為-73 ℃，最大小時降水強度7.9 mm。

(2)發(fā)展階段(30日15:00～17:00)：對流云團(tuán)A于16:00分裂為尺度均為MβCS的A1、A2，順著200 hPa南亞高壓北側(cè)偏西風(fēng)緩慢東移過程中，MβCS發(fā)展為MαCS。此時MαCSA1中TBB≤-52 ℃冷云蓋面積迅速擴(kuò)大，由6 000 km2發(fā)展至16 000 km2，呈橢圓形，-52 ℃線較為光滑，最大TBB梯度位于西側(cè)；最低TBB為-78 ℃，最大小時降水強度34.9 mm，出現(xiàn)在其西側(cè)、TBB梯度大值區(qū)。

(3)成熟階段(30日18:00～19:00)：從MαCSA1≤-52 ℃冷云蓋面積達(dá)到最大到MαCSA1≤-52 ℃冷云蓋面積即將＜5 000 km2。18:00 MαCSA1、A2、E三者接觸融合呈帶狀排列。此階段MαCSA1呈橢圓形，≤-52 ℃冷云蓋面積于19:00達(dá)到最大28 500 km2，之后逐漸減小，尺度也隨之減小為MβCS；-52 ℃線開始出現(xiàn)鋸齒狀，說明對流減弱，邊界變得不光滑，TBB各個方向變得均勻；最低TBB為-77 ℃，最大小時降水強度11.0 mm，仍出現(xiàn)在其西側(cè)、TBB梯度大值區(qū)。

(4)減弱階段(30日20:00開始)：從MβCSA1≤-52 ℃冷云蓋面積＜5 000 km2開始。此階段≤-52 ℃冷云蓋面積迅速縮小，向東移動加快，TBB梯度各個方向均勻，β中尺度特征消失，最低TBB為-57 ℃，21:00降水強度已降至3.0 mm以下。

從各個階段的云圖和降水特征可以看出，MCS是由1個γ中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展而來的，最終形成了α中尺度對流系統(tǒng)。MCS在500 hPa高原切變線東側(cè)生成，發(fā)展過程中與多個MCS接觸融合，呈帶狀排列。MCS形成、發(fā)展、成熟和減弱階段，中尺度對流云團(tuán)的長軸始終呈西北—東南向。

從FY-4A6.25 μm水汽圖來看(圖略)，至6月30日20:00，干帶前沿到達(dá)河西走廊及海西西部，青南牧區(qū)無明顯干帶配合，由此判定此次短時強降水以暖區(qū)降水為主，高空干冷平流作用并不明顯。

從圖2可以看出，(1)≤-52 ℃冷云蓋面積從形成到發(fā)展階段增加較為平緩，最大達(dá)到6 000 km2；成熟階段前期冷云蓋面積迅速擴(kuò)大，后期開始，冷云蓋面積迅速縮小。

(2)云頂亮溫，形成階段，MCS迅速發(fā)展，云頂不斷增高，TBB迅速下降；從發(fā)展到成熟階段前期，TBB呈高低震蕩，≤-70 ℃，15:00達(dá)最低(-78 ℃)；成熟階段后期，TBB開始迅速升高。

(3)最大降水強度，從形成到發(fā)展階段前期，強度變化較小，為2～9 mm，發(fā)展階段后期迅速增大，最大降水強度34.9 mm；成熟到減弱階段呈減小趨勢。最大降水強度出現(xiàn)在MCS中TBB≤-77 ℃覆蓋的區(qū)域，在≤-52 ℃冷云蓋面積達(dá)到最大之前2 h，TBB最低-78 ℃出現(xiàn)在發(fā)展階段，次低-77 ℃出現(xiàn)在成熟階段，主要降水出現(xiàn)在MCS的發(fā)展和成熟階段。

5 短時強降水云型特征分析

此次短時強降水過程發(fā)生在500 hPa高原切變線附近，現(xiàn)將其定義為“高原低渦切變線型”，其云型特征：由多個MαCS、MβCS排列而成的東北—西南走向帶狀云團(tuán)，與高原切變線位置重合，隨著高原切變線的發(fā)展移動而變化。組成帶狀云團(tuán)的MCS外形有的近似圓形，有的近似橢圓，云系稠密，面積相差較大，在3 500～93 000 km2之間。帶狀云團(tuán)后部為下沉的西北氣流對應(yīng)的無云區(qū)，前部為高原切變線右側(cè)西南氣流，為強正渦度平流區(qū)，對應(yīng)強的上升運動。MCS形成階段，TBB較高，≥-61 ℃；發(fā)展和成熟階段，TBB為-78～-70 ℃，根據(jù)對流云分類方法，可將其歸為“穿越對流層頂?shù)膹妼α髟啤薄CS形成、發(fā)展、成熟和減弱階段，中尺度對流云團(tuán)的長軸始終呈西北—東南向。后期多個MαCS接觸融合，最終形成具有東北—西南走向長軸的橢圓MαCS，面積最大可達(dá)228 000 km2。水汽圖像上，高原切變線附近無明顯干帶配合。

6 短時強降水概念模型

高原低渦切變型短時強降水過程天氣形勢特征：青海大部受弱脊584位勢米線控制，玉樹上空有東北—西南走向的高原切變線，切變線西北側(cè)為500 hPa冷平流，東南側(cè)為500 hPa暖平流，同時青南牧區(qū)有濕舌，中心比濕為7 g/kg。500 hPa冷暖平流強烈交匯有利于對流不穩(wěn)定能量釋放，并啟動抬升運動，是此類的主導(dǎo)因素。

7 結(jié)論

(1)此次短時強降水天氣過程是由高原切變線附近產(chǎn)生的中尺度對流云團(tuán)發(fā)展而來的，由γ中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展形成了α中尺度對流系統(tǒng)。MαCS在500 hPa高原切變線東側(cè)生成，發(fā)展過程中與多個MCS接觸融合呈帶狀排列。MαCS形成、發(fā)展、成熟和減弱階段，中尺度對流云團(tuán)的長軸始終呈西北—東南向。

(2)短時強降水出現(xiàn)時間：最大降水強度出現(xiàn)在≤-52 ℃冷云蓋面積達(dá)到最大之前2～3 h，為MCS發(fā)展和成熟階段。

(3)青海高原上對流云團(tuán)活動具有顯著的日變化特征：對流云團(tuán)活動主要發(fā)生在午后至午夜，這種變化充分展現(xiàn)了高原加熱對對流活動的決定性作用。