藏北地區(qū)午后熱對(duì)流天氣過程特征

旺堆杰布,旦增卓瑪 *,平措桑旦

（1.西藏自治區(qū)那曲市氣象局，那曲 852000；2.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，拉薩 850001）

引言

我國東部地區(qū)夏季西太平洋副熱帶高壓是影響天氣氣候的主要系統(tǒng)之一，而副高中心控制下的地區(qū)盛行下沉氣流，天氣以晴好為主，干燥少雨[1]。然而，許多觀測事實(shí)卻表明，副高控制區(qū)域常常出現(xiàn)由熱對(duì)流引發(fā)的對(duì)流性降水，這種局地?zé)釋?duì)流的突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短，這與降水的水汽來源及其供應(yīng)不足有關(guān)[2]。除降水外，熱對(duì)流可以發(fā)展成深對(duì)流，并造成冰雹、下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣[3-5]。所以，熱對(duì)流是一種局地性強(qiáng)，且危害性不容忽略的局地天氣現(xiàn)象。由于其維持時(shí)間較短，以往高時(shí)空分辨率的觀測資料又相對(duì)缺乏，所以有效的研究成果較少。在國內(nèi)外已有的研究成果中，主要從觀測分析與數(shù)值模擬兩個(gè)方面開展了一些研究，缺乏系統(tǒng)性的研究，且對(duì)熱對(duì)流降水以主觀判別為主，缺乏客觀判別方法[6]。

青藏高原作為隆起的臺(tái)地，通過其熱力和動(dòng)力作用，影響著很大范圍的天氣氣候與環(huán)境變化[7]。那曲市地處西藏高原北部，平均海拔超過4500m，地形復(fù)雜，氣候干燥、日光充足、輻射強(qiáng)、晝夜溫差大、年平均氣溫在-2℃左右，屬于亞寒帶半干旱高原季風(fēng)氣候區(qū)[8]。夏季午后經(jīng)常出現(xiàn)因熱力不穩(wěn)定而引起的局地?zé)釋?duì)流天氣，具有時(shí)空尺度較小、易多發(fā)、預(yù)報(bào)難等特點(diǎn)，往往不能滿足臨近預(yù)報(bào)等氣象服務(wù)工作的需要。已有研究[9]表明，熱對(duì)流降水云團(tuán)水平尺度多為30～40km，平均垂直尺度超過10km。關(guān)于熱對(duì)流降水的成因，李昀英等[10]研究認(rèn)為，非均勻的地表感熱加熱導(dǎo)致低層空氣塊能夠突破環(huán)境下沉氣流而上升，周圍空氣補(bǔ)充形成輻合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到觸發(fā)對(duì)流的作用。探空分析是預(yù)報(bào)午后對(duì)流天氣最常用到的手段，其中的對(duì)流溫度是非常有代表性的一個(gè)物理量。吳洪星等[11]把對(duì)流溫度定義為地面加熱到剛能開始發(fā)展熱對(duì)流的一個(gè)臨界溫度，運(yùn)用對(duì)流溫度預(yù)報(bào)局地?zé)釋?duì)流的常用方法是，把08時(shí)探空氣球的對(duì)流溫度（Tg）與當(dāng)天最高溫度（Tmax）做比較，如果Tmax＞Tg，則預(yù)報(bào)會(huì)產(chǎn)生局地?zé)釋?duì)流。考慮到熱對(duì)流降水的主要特征是午后發(fā)生的局地短時(shí)降水，主要原因是地面輻射受熱之后，因熱力不穩(wěn)定引起的對(duì)流。本文擬從天氣學(xué)角度對(duì)那曲市午后發(fā)生的熱對(duì)流降水進(jìn)行研究，以期為提升高原地區(qū)午后熱對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力提供科學(xué)支撐。

1 資料及研究對(duì)象

所用的資料包括：MICAPS各等壓面觀測資料，那曲站探空觀測資料及常規(guī)地面觀測資料，NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料等。

文中以藏北地區(qū)那曲（55299）為代表站，選取了2017～2019年6～8月08時(shí)500hPa上處于高壓控制或者晴空少云的天空狀況下，僅在午后（13～20時(shí)）出現(xiàn)降水的熱對(duì)流天氣，從天氣學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)其發(fā)生時(shí)的環(huán)流背景及要素場特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 特征分析

2.1 降水的統(tǒng)計(jì)特征

那曲站在近三年夏季期間，總計(jì)有27天出現(xiàn)了因熱力不穩(wěn)定引起的對(duì)流性天氣（圖1）。其中，午后降水最集中的時(shí)段是16～17時(shí)（11次），其次是15～16時(shí)（8次），再次是14～15時(shí)（7次），這段時(shí)間是地面感熱加熱最強(qiáng)時(shí)段。

圖1 2017～2019年夏季那曲地區(qū)熱對(duì)流天氣引發(fā)降水的時(shí)次分布

2.2 要素場特征

為客觀表示地面感熱加熱的程度，用08時(shí)的氣溫、地溫與當(dāng)日最高氣溫與最高地溫進(jìn)行比較，圖2（a）和圖2（b）分別是上述27次樣本的08時(shí)地溫（a）、氣溫（b）與最高地溫、氣溫之差。可以看出，地溫差最高值達(dá)到了52.9℃，最低值為25.5℃，平均值為37.3℃。氣溫差最高值為13.8℃，最低值為6.9℃，平均值為10.4℃。巨大的溫差會(huì)導(dǎo)致地表向大氣邊界層強(qiáng)烈的感熱輸送。

圖2 08時(shí)溫度與當(dāng)日最高溫度之差（a.地溫，b.氣溫）

從熱對(duì)流降水的日最高氣溫來看（圖略），平均的日最高氣溫為17.2℃，最低的日最高氣溫為14.2℃，平均的日最高地溫為44℃，最低的日最高地溫為32℃，即日最高氣溫（地溫）至少要達(dá)到14.2℃（32℃）才有可能出現(xiàn)午后熱對(duì)流降水。

從環(huán)境參數(shù)上來看，對(duì)流有效位能（CAPE）可以很好的表現(xiàn)出對(duì)流發(fā)生前的層結(jié)穩(wěn)定度，不穩(wěn)定能量的儲(chǔ)存狀態(tài)，直接影響著大氣對(duì)流發(fā)生的頻率與強(qiáng)度。由于高原地區(qū)特殊的熱力作用，強(qiáng)烈的太陽輻射使近地層的大氣環(huán)境在早晨與午后有著巨大差別。因此，利用14時(shí)的氣象要素對(duì)探空曲線進(jìn)行訂正尤為必要。通過對(duì)上述27天降水過程的探空曲線進(jìn)行訂正后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生午后熱對(duì)流天氣時(shí)，早晨低層都存在逆溫現(xiàn)象且基本上不存在不穩(wěn)定能量（圖3），而訂正后CAPE值介于800～4270J·kg-1，平均值為1522J·kg-1，CAPE值較早晨有很明顯的上升，所以訂正后的CAPE值至少需要達(dá)到800J·kg-1。

圖3 訂正后14時(shí)CAPE值

從08時(shí)的溫度露點(diǎn)差垂直分布情況（圖4）來看，27次樣本的中低層溫度露點(diǎn)差均較小，其中除1次樣本外，其余均≤5℃。這說明午后有熱對(duì)流發(fā)生時(shí)，早晨中低層的濕度條件很好，最厚的濕層可達(dá)到300hPa，平均濕層在460hPa以下，而高層相對(duì)較干，具有上干下濕的特性，這給午后熱對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

圖4 08時(shí)溫度露點(diǎn)差垂直分布

2.3 預(yù)報(bào)方法

從物理意義上看，對(duì)流溫度可以看成是發(fā)展熱對(duì)流的地面臨界溫度，當(dāng)?shù)孛鏈囟冗_(dá)到對(duì)流溫度后則熱對(duì)流有可能發(fā)展。在運(yùn)用08時(shí)對(duì)流溫度預(yù)報(bào)午后熱對(duì)流時(shí)，前提條件就是假設(shè)Tg沒有日變化。吳洪星等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，事實(shí)也基本如此，這使得Tg在局地?zé)釋?duì)流的預(yù)報(bào)中具有實(shí)際意義。因此，在日常預(yù)報(bào)中應(yīng)用Tg與當(dāng)日最高氣溫（Tmax）的差值也是很常見的一種方法，下面通過對(duì)這27次樣本降水過程的Tmax-Tg閾值進(jìn)行分析，討論熱對(duì)流降水發(fā)生的概率分布。

從圖5可以看出，在27次樣本中Tmax-Tg值均＞0，其中最高值為7.8℃，最低值為1.2℃，平均值為4℃。從Tmax-Tg與熱對(duì)流發(fā)生的關(guān)系（圖6）來看，當(dāng)Tmax-Tg處于（1.5～3.5]℃時(shí)是熱對(duì)流降水出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間，達(dá)到了11次，其次是處于（3.5～5.5]℃時(shí)也達(dá)到了10次。在Tmax-Tg處于（5.5～7.5]℃、（7.5～8.0]℃、（1.0～1.5]℃時(shí)，分別發(fā)生了3次、2次、1次，出現(xiàn)熱對(duì)流降水概率明顯低于平均概率。而當(dāng)Tmax-Tg值＜1℃及＞8℃時(shí)，出現(xiàn)熱對(duì)流天氣的概率為0。由此可見，并非Tmax-Tg值越大，熱對(duì)流降水發(fā)生的概率就越大。

圖5 Tmax-Tg的閾值分布

圖6 熱對(duì)流發(fā)生次數(shù)與Tmax-Tg的變化關(guān)系

3 熱對(duì)流降水個(gè)例的合成分析

通過選取10次對(duì)生產(chǎn)生活影響較嚴(yán)重的降水個(gè)例，利用常規(guī)觀測資料、NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料對(duì)其進(jìn)行合成分析，旨在歸納出熱對(duì)流發(fā)生發(fā)展過程的環(huán)境特點(diǎn)。

3.1 環(huán)流背景

從06時(shí)500hPa位勢高度平均場（圖7a）可以看出，中高緯為兩槽一脊型，副熱帶高壓較強(qiáng)，西伸脊點(diǎn)位于110°E左右，伊朗高壓強(qiáng)度較強(qiáng)，東伸至青海南部。到12時(shí)（圖7b）伊朗高壓強(qiáng)度略微有減弱且西退，那曲市位于高壓邊緣偏北氣流控制區(qū)，結(jié)合衛(wèi)星云圖（圖略）那曲市處于無云或少云狀況。

圖7 10次個(gè)例合成的500 hPa位勢高度場（a.06時(shí)，b.12時(shí)）

3.2 熱力條件

從10次個(gè)例的氣溫及地溫（圖略）來看，08時(shí)開始?xì)鉁亍⒌販氐纳仙俾屎芸臁Ｎ绾筝^08時(shí)氣溫的上升幅度達(dá)到了8.4～9.3℃，地溫上升幅度甚至達(dá)到了34.5～42.7℃。巨大的溫差必然導(dǎo)致低層的空氣受力上升。最高氣溫與對(duì)流溫度的差值在1.5～5.5℃，處于熱對(duì)流降水出現(xiàn)的高頻率區(qū)間。

3.3 動(dòng)力條件

強(qiáng)烈的地表感熱加熱可導(dǎo)致低層空氣突破高壓控制下的下沉氣流而上升，周圍空氣的補(bǔ)充形成輻合運(yùn)動(dòng)。從圖8a中可以發(fā)現(xiàn)，08時(shí)之前整層表現(xiàn)為負(fù)散度，08～12時(shí)空氣表現(xiàn)為輻散，12時(shí)之后低層有弱的輻合，到13時(shí)輻合開始增強(qiáng)，16～17時(shí)達(dá)到了最強(qiáng)階段，低層輻合的厚度也發(fā)展到近450hPa。從垂直速度（圖略）來看，08～12時(shí)那曲市上空主要以下沉氣流為主，從13時(shí)左右開始有上升運(yùn)動(dòng)，14～16時(shí)上升運(yùn)動(dòng)處于最強(qiáng)階段，垂直方向發(fā)展到近400hPa，中心值達(dá)到-1.2Pa·s-1，17時(shí)之后上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。

圖8 10次個(gè)例合成的動(dòng)力和水汽時(shí)空剖面（a.平均散度（填色部分，單位：s-1）及垂直速度（黑色等值線，單位：Pa·s-1），b.平均相對(duì)濕度（填色部分，單位：%）及水汽通量散度（黑色等值線，單位：g·m-2·s-1））

3.4 水汽條件

隨著地表感熱增強(qiáng)，低層空氣的輻合上升引起周圍水汽的匯聚（圖8b），13時(shí)之后低層水汽有明顯的匯聚并逐漸向高層發(fā)展，到16時(shí)左右，水汽匯集情況最為明顯。相對(duì)濕度與水汽通量散度表現(xiàn)較為一致，08時(shí)之前中低層相對(duì)濕度達(dá)到了80%以上，08～14時(shí)低層濕度稍有下降，15～17時(shí)中低層相對(duì)濕度又上升至80%，水汽趨于飽和。而水汽來源究竟是前期平流輸送還是地表蒸發(fā)，這兩者的水汽貢獻(xiàn)率如何，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

夏季藏北地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)午后熱對(duì)流降水，通過對(duì)2017～2019年6～8月的熱對(duì)流降水特征進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）午后熱對(duì)流降水最集中的時(shí)段是15～17時(shí)，并非Tmax-Tg值越大，熱對(duì)流降水發(fā)生的概率就越大。當(dāng)Tmax-Tg處于（1.5～5.5]℃時(shí)，熱對(duì)流降水出現(xiàn)頻率最高。當(dāng)Tmax-Tg值＜1℃及＞8℃時(shí)，出現(xiàn)熱對(duì)流天氣的概率為0。

（2）發(fā)生熱對(duì)流時(shí)，日最高氣溫至少要達(dá)到14.2℃，日最高地溫至少要達(dá)到32℃，早晨Tlog-P圖上均存在逆溫層，且中低層的水汽條件較好，訂正后的CAPE值至少要達(dá)到800J·Kg-1。

（3）從個(gè)例合成分析中可以看出，早上那曲市處于高壓控制或晴空少云狀態(tài)，大概從12時(shí)開始，低層空氣輻合上升，低層的輻合上升引起周圍水汽的匯聚。從各要素場來看，熱對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展高度為450hPa左右。水汽的來源是前期平流輸送或是地表蒸發(fā)有待進(jìn)一步研究。