新疆南疆西部干旱地區短時強降水預報方法及指標

王金輝 王東 井立紅 吳海英 楊利鴻 肉孜阿吉

（1 新疆維吾爾自治區克孜勒蘇柯爾克孜自治州氣象局，阿圖什 845350；2 新疆維吾爾自治區塔城地區氣象局，塔城 834700；3 江蘇省氣象臺，南京 830002；4 新疆維吾爾自治區喀什地區氣象局，喀什 844000；5 新疆維吾爾自治區氣象局，烏魯木齊 830000）

0 引言

新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州（以下簡稱“克州”）位于南疆盆地西部，昆侖山北麓和帕米爾西端，全州地跨帕米爾高原東部，90%屬于山地，是我國向西開放的大通道和“橋頭堡”。隨著全球氣候變暖的背景，克州因其地理環境特殊，短時強降水多發、頻發，不均勻性突出，在短時強降水天氣條件下易引發次生災害。據災害數據統計，強對流天氣是近年來僅次于暴雨洪澇造成人員傷亡的第二大類氣象災害。由于短時強降水的預報難度較大，提高克州災害性天氣預報，特別是短時強降水的預報預警，已成為迫在眉睫的工作，也是防災減災所面臨的重大挑戰。

短時強降水是指短時間降水強度較大，其降水量達到或者超過某一量值的天氣現象，屬于強對流天氣的一種，根據《全國短時臨近預報業務規定》規定，將其定義為1 h雨量≥20 mm的降水，且降水總時間不超過6 h，多由中小尺度系統產生，具有突發性強，降水強度大，降水時間集中、可預報時效短的特點。因其突發性強，常造成城市積澇、山區洪水，沖毀公路、鐵路、農田，對市民出行、農牧業生產、公路交通運輸造成嚴重影響，且易引發暴雨山洪、泥石流、山體滑坡等次生地質災害。

許多學者就提高我國各地突發性短歷時強降水預報效果做了多方面的研究，司福意等[1]等對豫中北一次重災強對流天氣過程剖析是在“流型識別”的基礎上，結合分析了強對流天氣4大構成要素的動態演變，得出有助于提高強對流天氣預報能力的結論。曾明劍等[2]引進構建了系列“接近度”指數用于強對流天氣實時預報取得了較好的業務預報效果。王曉峰等[3]認為快速更新同化數值模擬可以有效延長上海局地強對流過程預警時效并為城市強對流業務預報提供新思路，但對短歷時強降水致災閾值探索的研究報道較少。彭芳等[4]統計分析了貴州省汛期短時強降水的時空分布特征。尹承美等[5]對濟南市區短時強降水特征進行了分析。韓寧等[6]對陜西、甘肅、寧夏三?。▍^）的短時強降水進行了統計。鄭媛媛等[7]對安徽省強對流天氣過程的物理機制、中尺度特征進行了分析，認為短時強降水槽前類對流不穩定的建立主要是由于濕度差動平流引起，快速東移的短波槽是短時強降水的主要觸發機制。陳明軒等[8]分析研究了北京一次突發性對流降水的雷達回波特征。孫繼松[9]研究發現，短時強降水中最強回波所在的高度往往很低。李德俊等[10]對強冰雹和短時強降水天氣雷達特征及臨近預警進行了分析研究，找出了適合本地的雷達預警指標。應冬梅等[11]選取了江西8次典型個例對冰雹、雷雨大風和短時強降水進行了對比，得到強對流天氣的特征。楊詩芳等[12]通過個例分析發現，短時強降水時大氣層結不穩定，各個大氣對流參數場中心與短時強降水中心對應較好。廖玉芳等[13]在我國11次強對流事件中499個S波段三體散射樣本雷達資料進行統計分析，認為這一現象可以應用與強冰雹預報輔助預警。環境參數特征研究有助于了解強對流天氣發生的物理過程，許多參數在實際預報中有一定的指示意義。很多專家[14-16]也在這方面進行深入的研究，周后福等[17]在分析了1995—2001年的雷暴、大風、冰雹等強對流天氣過程，計算了不穩定指標、K指數和位勢不穩定指標等，用來作為強對流天氣的短時預報指標；廖曉農等[18]利用CAPE、抬升指數和風切變等一些物理量分析一次嚴重的大雹事件；雷蕾等[19]分析了多種物理量在冰雹、雷暴大風和短時暴雨天氣下的差異，指出0 ℃層高度、?20 ℃層高度、T850?T500、低空風切變等有助于區分北京地區強對流天氣的類別，認為這些參量的時間變化比物理量本身更能體現各種天氣的發生潛勢；李俊等[20]將“配料法”應用于梅雨鋒強降水預報，使用“配料法”的關鍵在于合適因子的選取和對這些因子正確搭配的預測，該思路也可應用于冰雹、雷暴大風等強對流天氣的預報；陳子通等[21]分析了廣州中尺度數值模式，得出模式對溫度的模擬結果比其他物理量好。郝瑩等[22]分析發現了中等強度的對流有效位能和高的K指數有利于高降水效率的產生。

本文在借鑒前人研究理論的基礎上，利用克州境內4個國家氣象站2016—2013年逐時降水實況資料，結合常規資料、探空資料以及喀什新一代天氣雷達資料，分析研究了克州地區短時強降水預報的氣候統計特征、演變規律及環流特征，從中總結歸納出相應的預報因子，得到短時強降水的識別和預報指標。

1 資料與方法

利用2006—2013年克州地區4個氣象觀測站（阿圖什、阿克陶、阿合奇、烏?。?—9月逐日逐小時降雨資料（圖1），將日雨量分為02—08、08—14、14—20和20—02時4個時段（北京時，下同）。

圖1 克州地區三縣一市站點分布圖Fig. 1 Distribution of stations in three counties and one municipal city in Kizilsu Kirgiz Autonomous PrefectureKezhou

依據新疆地區降雨量標準結合本地天氣氣候特點，規定以1 h降水量≥10 mm作為短時強降水的標準。本文結合克州的實際情況和災情分析，找出1 h降水量不小于7 mm，強降水歷時不超過3 h的典型個例進行系統分析，將阿圖什，阿克陶劃分為平原站，烏恰、阿合奇劃分為山區站，選出上述站點20個典型短時強降水的典型天氣過程進行統計分析（表1）。

表1 2006—2013年克州地區短時強降水過程統計Table 1 Statistics of precipitation process during 2006-2013 in Kizilsu Kirgiz Autonomous Prefecture

2 短時強降水時空特征分析

2.1 短時強降水時間分布特征

從圖2a可知，2006—2013年克州地區短時強降水年平均出現24次，且其年代際變化較大，最多出現在2010年，達57次，其次為2013年，達30次，2007年最少，出現12次，對照克州地區年降水資料來看，2010年年降水量明顯偏多，其中阿圖什、阿合奇年降水量分別為219.9 mm、436.7 mm，居1980年以來歷時第一位，可見短時強降水對年降水貢獻率較大。

對克州地區短時強降水日數的月際變化進行分析發現（圖2b），克州地區5月開始出現短時強降水，7月最多（62次），占總數的33%，其次9月（48次），占總數的25%，5月最少（僅22次），占總數的11%；從同期逐月短時強降水次數變化可知，克州地區短時強降水主要出現在6—7月、9月（其中2010年9月出現持續性強降水占14時次），6—7月發生短時強降水頻率較大。

圖2 2006—2013年克州地區短時強降水年（a）、月（b）及時段（c）次數變化Fig. 2 Number of short-term storm event in 2006—2013 at the scale of (a) year, (b) month, and (c) hour in Kizilsu Kirgiz Autonomous Prefecture

對短時強降水日數的旬變化分析來看，最多出現在7月下旬，達26次，其次為7月上旬，達20次，就短時強降水的出現時間而言，平原多出現在6月下旬及7月上中旬，山區多出現在6月中下旬。

對克州地區短時強降水日數逐時變化特點進行分析發現（圖2c），14—20時出現次數最多，達67次，其次為20—02時，達66次，08—14時出現最少，僅27次，即主要出現在午后至前半夜，上午出現最少，這與新疆地區短時強降水分布特點一致。

2.2 短時強降水空間分布特征

統計2006—2013年克州地區出現短時強降水的次數，結果表明（圖略）短時強降水次數分布不均勻，整體上是山區大于平原，高頻中心在北部山區阿合奇，出現了77次，其次為西部山區烏恰66次，阿克陶最少21次。

2.3 克州1 h降水極值分布特征

使用2006—2013年克州地區逐時降水量資料，從中挑選出1 h最大雨強值，為便于比較，同時列出當日24 h降水量及相對誤差。由表2可見，克州地區1 h強降水極值在同日24 h雨量中占比很高，表明日暴雨或特大暴雨多由很短時段內的強降水所致。8年中，克州地區最大1 h降水26.2 mm，出現于阿克陶站（2013年6月16日15—16時），當日日降水量為29.9 mm，相對誤差（即日最大1 h降水量占日降水量的百分數）為12.4%。此外，克州地區小時雨強極值分布表現為平原大于山區，但從日降水量來看，平原持續時間短，山區由于海拔較高，由地形引起的起來爬坡作用明顯，降水強度大于平原。

表2 2006—2013年克州地區極值強降水分布特征Table 2 Distribution characteristics of extreme strong rainfall from 2006-2013 in the Kizilsu Kirgiz Aksu Autonomous Prefecture

3 短時強降水天氣環流分型

短時強降水是一種強對流的重要形式，形成強對流天氣的3個基本條件：水汽、不穩定層結和抬升力條件。水汽和不穩定層結是產生強對流的內在因素，抬升力條件是產生強對流的外在因素，其內在因素和各類天氣系統相聯系。

強對流天氣是否發生離不開大的天氣尺度背景環境條件，天氣系統是預報員在分析天氣時首先考慮的問題。各地發生強對流天氣的天氣系統具有地域性，夏季午后陸地表面受日射而強烈加熱，常常在近地層形成絕對不穩定層結，使對流容易發展。

環流形勢是強降水預報的核心，新疆強降水的天氣尺度影響系統主要是低槽、低渦兩大類。統計分析了2006—2013年5—9月克州地區20個典型短時強降水日（R≥7 mm/h，強降水歷時不超過3 h）。按照500 hPa影響系統造成克州短時強降水時所處位置、移動方向、鋒區強度等特征，選擇短時強降水天氣發生當日08時高空、地面綜合分析得出造成克州短時強降水的4種類型。

3.1 中亞低渦或低槽東移型

克州地區短時強降水天氣多由此種影響系統所致，共出現12例，占總發生次數的60%，其影響系統特征為：高層200 hPa在整個南疆盆地上空有偏西急流，最大達30 m/s；500 hPa圖上，中亞地區有低壓槽，并配合有冷溫度槽，700 hPa在西天山附近有明顯的切變，短時強降水大值位于切變線附近，850 hPa有明顯的暖脊，暖中心為28 ℃，同時南疆盆地東部有明顯的偏東風大值區，最大風速12 m/s；地面圖上（圖3a），地面冷高壓位于北疆北部，中心數值一般為1012.5 hPa，克州地區處于冷高壓底部，高空槽攜帶的弱冷空氣與偏東風在阿圖什上空交匯，為短時強降水的發生提供了有利的條件。從探空資料來看，盆地中西部的SI較低，尤其克州地區上游SI達?3.8。綜合分析南疆喀什及克州地區具有較明顯的強對流潛勢，熱力、動力、穩定度條件均利于觸發強對流天氣。

3.2 巴湖低渦型

此型出現短時強降水的概率較低，僅占1例，占總發生次數的5%。從2011年8月11日08時的中尺度分析可以看出（圖3b），克州上空200 hPa圖上高層有較強急流（最大風速54 m/s），對下有抽吸作用。500 hPa里咸海一帶為高壓脊區，伊朗副高和西太平洋副高活躍，低槽位于巴湖一帶，并配合有冷溫度槽，溫度槽略超前高度槽，槽后強西北風氣流攜帶冷空氣穿越克州，說明垂直風切變較大，另一方面說明阿圖什上空將變得更加干冷；700 hPa、850 hPa在克州阿圖什附近有明顯的風場輻合及切變，850 hPa阿圖什附近的溫度露點差較小，克州處于濕區中；在中亞地區有暖溫度脊，加之輻射增溫，未來低層溫度將進一步升高，同時南疆盆地東部700 hPa從河西走廊到南疆西部存在明顯的大風速帶，850 hPa有明顯的東風急流，最大風速達14 m/s，說明克州低層存在有利的水汽條件，新疆多處于850 hPa和500 hPa的溫差大于25℃的溫度場內，較大的垂直溫度梯度表明阿圖什上空大氣層結不穩定。地面圖上（圖3b），烏拉爾山南下的冷高壓中心位于咸海到巴湖一帶，中心數值為1020.0 hPa，阿圖什處于冷高壓的底部。從喀什站08時探空資料來看，K=31，SI=0.08，同時存在一定的濕對流有效位能，均有利于強對流天氣的出現。

3.3 喀布爾低槽（渦）型

此型下發生的短時強降水為3例，占總發生次數的15%。圖3c給出2010年5月29日08時高空綜合分析圖。從當天08時的中尺度分析可以看出，整層無明顯急流，500 hPa新疆東部脊西伸，低槽位于喀布爾以西地區，主體位置偏南對應中亞一帶為冷槽，中心為?14 ℃，白天隨著溫度槽、脊的東移，會導致槽脊周圍溫度發生變化，致使熱力不穩定，可能觸發強對流天氣。700 hPa在克州周邊地區有明顯的風場輻合及切變，同時東部有一條顯著大風速帶，最大風速為8 m/s，位置偏南，對克州南部若羌影響較大。850 hPa克州上空有48℃的暖中心，在南疆東部有明顯的偏東風急流，最大風速達12 m/s，南部有顯著濕區，在中低層東風的輻合抬升作用下，短時強降水大值區位于克州南部的阿克陶。從喀什站探空資料來看，K=21，SI=0.88，同時存在一定的濕對流有效位能，綜合來看，喀什及克州地區具有一定的強對流潛勢。

圖3 克州地區強降水中尺度環流場分析Fig. 3 Meso-scale circulation of rain field in Kizilsu Kirghiz Autonomous Prefecture

3.4 鋒區南壓型

此型下共出現4例短時強降水天氣，占總發生次數的20%。從中尺度分析可以看出，克州上空200 hPa高層有較強急流（最大風速48 m/s），對下有抽吸作用。500 hPa低槽位于烏拉爾山到咸海、巴湖一帶，該槽主體位置偏北，強鋒區一般位于45°—55°N，鋒區上不斷分裂短波槽，鋒區底部分裂短波東移南下；700 hPa圖上在西天山一帶有明顯的垂直風切變，且850 hPa和700 hPa風切變位置基本重合，有利于動力不穩定加強，同時配合有25℃暖溫度脊，低層盆地有大東風帶，最大風速為10 m/s，高層在整個南疆上空有偏西急流，具備較強的動力條件，850、500 hPa溫度差大值中心說明有強的垂直溫度梯度，大氣層結為不穩定，這種高低空配置容易造成克州地區出現短時強降水天氣；地面圖上（圖3d），地面冷高壓位于里咸海一帶，中心數值為1020.0 hPa，而在喀布爾一帶有明顯的氣旋向北發展，從而加強了輻合上升運動；從探空資料來看，喀什克州上空SI較低，綜合來看，熱力、動力、穩定度條件均有利于喀什及克州強對流的發生。

4 短時強降水物理量閾值統計特征

4.1 動力條件

診斷分析各種物理量場可知，個例中物理量值差別較大，渦度、散度場沒有表現出明顯的低層輻合、高層輻散的特征，比較而言，850 hPa垂直速度、0～6 km垂直風切變分別與克州地區短時強降水出落區和出現時間有較好的對應關系，其中850 hPa垂直速度閾值在?36～?6 Pa/s，0～6 km垂直風切變在5.0～12.0 m·s?2，此種情況下出現短時強降水的個例占總次數的60%。

圖4 喀什站探空位溫分析Fig. 4 Space temperature distribution at the Kashi Station

4.2 水汽條件分析

診斷分析850 hPa水汽通量、700 hPa和850 hPa比濕、850～700 hPa相對濕度、850 hPa風場資料，結果發現這些物理量對克州地區短時強降水有很好的指示意義。分析表明850 hPa水汽通道多來自于河西走廊經北疆、巴州到達南疆西部，水汽通量在3～6 g·cm?1·hPa?1，且滿足這一閾值范圍的個例占總次數的64%；南疆盆地東部有8～16 m/s大風速帶，滿足這一閾值范圍的個例占總次數的85%；850 hPa比濕多在6～12 g·kg?1，700 hPa比濕多在4～8 g·kg?1。通常情況下，低層700、850 hPa相對濕度的大值區（70%～90%）與強降水落區有很好的對應關系，分析表明克州地區出現短時強降水天氣時大多具有充分的水汽條件，水汽輸送明顯。

4.3 熱力不穩定條件分析

利用探空資料及物理量參數對克州地區20個典型短時強降水個例的平均值進行統計分析，將克州地區產生短歷時強降水有利的環境條件歸納如下：

1）K指數≥28（山區≥23），700 hPaT?Td≥9

2）SI或LI≤0 ℃

3）TT總指數≥48 ℃（山區≥45 ℃）

4）θsed（850?500）＞0 ℃

5）ZH零度層高度≥4000（山區≥4200）

6）T850?T500≥27 ℃（山區≥29 ℃）

K、SI、LI、TT、（T?Td）700 hPa等對流參數作為局地強對流天氣發生的有利條件，在短時強降水過程中的變化中不僅能直觀地反映出局地物理特征的演變且在強對流發生前數小時就有一定的反映，因此可作為克州地區預報強對流天氣的指標，在短臨預報預警中加以運用。

對于短時強降水天氣的發生發展并非所有參數都適用，因此，對流參數對于強對流天氣發生的潛勢預測須在大尺度環流背景條件下，根據預報時效選取恰當的對流參數或組合指標進行預測、強度判別或強天氣類型分析?？酥莸貐^的強對流天氣多發生于午后到前半夜，而預報員發精細化預報是在15—16時左右，早上08時的探空，未考慮午后可能發生的加熱變化。因此為使其更具代表性，對午后升溫進行站點的探空訂正。訂正后的指標更能表征強降水的出現。

利用20個典型短時強降水天氣個例，采用喀什站14時最高氣溫和露點溫度進行探空訂正，進一步探討克州地區預報短時強降水天氣的探空指標，以期在夏季短歷時強降水中發揮預報預警作用。結果表明，產生短歷時強降水有利的環境條件歸納如下：K指數≥31 ℃，K指數6 h增幅變化比較明顯；SI≤2.8（山區1.8）、LI≤1.9 ℃，LI越小表明大氣層結越不穩定；CAPE濕對流有效位能訂正前后的差值≥430，從探空訂正樣本個例中發現，降水出現時，CAPE最高為1041.1 J·kg?1（伴有冰雹），最低為68 J·kg?1，但≥0 J·kg?1的占總樣本數的50%，CAPE的6 h變量越大，發生冰雹的概率也越大；Pw大氣可降水量≥2 cm（山區≥1.6 cm），表明大氣中含大量水分，其水分隨上升氣流從低層向高處輸送，Pw值越大，強對流越容易發生。

從2014—2015年4—9月降水個例中挑出平原3個，山區10個進行探空檢驗并進一步訂正，以期在未來提高短臨預報準確率。從7個探空預報指標來看，檢驗結果與預報指標的一致率較高。由于平原檢驗個例只有3個，在未來工作過程中進一步檢驗指標。山區的檢驗10個個例中，檢驗結果中SI和LI與預報指標的一致率較差，其他的均較好。從潛勢的預報指標來看，準確率較高，均大于70%。

4.4 探空分析

V-3θ圖（圖4）是用單站探空資料計算和繪制出的垂直方向上的兩維圖，愈是劇烈的災害性天氣在發生前V-3θ圖上的特征愈明顯。3θ即θ、θsed、θ*，其中θ是位溫，θsed是以露點溫度計算的假相當位溫，θ*是假定飽和狀態下的位溫。V-3θ圖中3條曲線從左向右依此為θ、θsed、θ*。查看了20個典型個例的V-3θ，強降水天氣在V-3θ圖有較為清晰的結構特征，主要體現在：1）明顯的非均勻結構，存在明顯的拐點，表示氣層不穩定，且中低層圍成的面積有明顯的“大肚子”的圖像特征（表示下濕上干的潛在不穩定），3條曲線在對流層頂附近基本重合且線性增加；2）風矢結構為明顯的順滾流。風速一般是高空風速大，低層風小，一致西風和一致南風為順時針滾流，表示氣層有利暖濕平流，有利于上升運動。

5 短時強降水雷達回波統計特征

利用喀什多普勒雷達資料，對2006—2013年克州地區16個典型個例（其中阿合奇不在雷達掃描范圍內）短時強降水的基本反射率、組合反射率、基本速度、回波頂高、垂直積分液態含水量等pup產品的回波特征統計分析，總結出克州短時強降水發生的短臨預報預警指標：

1）回波強度

短時強降水回波強度較大，平均回波強度為56.4 dBz，最大65 dBz，最小45 dBz；

2）回波頂高

短時強降水平均回波頂高7.2 km，最高9.7 km，最低5.0 km；

3）最大垂直積分液態含水量

從最大累積液態含水量統計得出：強降水回波平均最大垂直累積液態含水量達22.2 kg/m2、最大40 kg/m2、最小4 kg/m2。

4）強中心所在高度

短時強降水：平均3.0 km；最高6.9 km，最低1.1 km；

5）≥35 dBz的對流回波能否在本站持續一小時

統計結果表明，≥35 dBz的對流回波能在本站持續一小時的占60%。

6 結論與討論

1） 2006—2013年克州短時強降水天氣主要出現在6—8月下旬，6—7月發生短時強降水頻率較大，且短時強降水多發生于午后到前半夜。

2）從環境條件來分析：地面冷高壓自西向東，中心多位于巴湖一帶，中心數值為1007.5～1027.5 hPa。500 hPa造成短時強降水的主要影響系統有：中亞低渦或低槽東移型，巴湖低渦型，喀布爾低槽（渦）型，鋒區南壓型4類，從天氣形勢上看無論是明顯的天氣系統還是弱鋒區分裂短波，都可能產生短時強降水?？酥莸貐^短時強降水出現時常為200 hPa有高空急流，500 hPa有低槽，中層有切變線，低層有暖高壓脊同時伴有大東風帶，850 hPa與500 hPa溫差多處于25以上的大值區；地面影響系統多為弱冷高壓、輻合線。

3）基于中尺度產品分析，結合多種對流參數總結分析出08時對流參數指標，由于克州午后升溫幅度大，不穩定能量建立快，訂正后的探空比08時對克州地區強對流天氣又更好的指示意義。

4）14時探空訂正后的K指數≥31 ℃、SI≤2.8（山區1.8）LI≤1.9 ℃、CAPE濕對流有效位能訂正前后的差值≥430、Pw大氣可降水量≥2 cm（山區≥1.6 cm），可以作為克州發生短時強降水天氣的預報指標。

5）V-3θ圖是用單站探空資料計算和繪制出的垂直方向上的兩維圖，愈是劇烈的災害性天氣在發生前V-3θ圖上的特征愈明顯。在3θ圖上表現為明顯的大肚子、順滾流等特征。

6）利用喀什多普勒雷達資料，基本反射率、組合反射率、基本速度、回波頂高、垂直積分液態含水量等pup產品的回波統計特征，能夠很好有效地監測強降水的發生、發展以及落區，為短臨預報提供重要的依據，同時也是作為短時強降水預警的一個輔助手段。