新疆短時強降水天氣系統環流配置及雷達回波特征

楊 濤，楊蓮梅，張云惠，莊曉翠，黃 艷

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002； 2.新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002； 3.新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆阿勒泰地區氣象臺，新疆 阿勒泰 836500； 5.新疆和田地區氣象臺，新疆 和田 848000)

引 言

短時強降水指歷時短、降水效率高的對流性降水[1]，具有較強的突發性、局地性和致災性，常造成嚴重的洪水、泥石流和城市內澇等災害，是氣象部門預報的重點和難點。短時強降水由中小尺度系統造成，發生在一定的大尺度環流背景下，我國不同區域短時強降水發生的天氣形勢有所差異，如我國100°E以東強對流天氣形勢有冷平流強迫、暖平流強迫、斜壓鋒生、準正壓、高架對流5種基本類型[1-6]。造成短時強降水的對流風暴主要有合并加強型、列車效應型和對流單體型[1,7-8]，短時強降水可分為大陸強對流型和熱帶降水型，前者對流發展旺盛，以冷云降水為主，后者對流發展高度不如前者，以暖云降水為主[1]。短時強降水的發生發展需要熱力不穩定層結、充足的水汽、較強的抬升運動和適當的垂直風切變條件，但不同區域短時強降水發生的環境條件以及各類對流參數閾值有所不同[1,3,7-13]，如華東、華中地區短時強降水大氣可降水量大于28 mm，K指數大于28.1 ℃，對流有效位能CAPE>800 J·kg-1；珠三角850 hPa與500 hPa溫度差較小，一般在21～23 ℃，CAPE>1033 J·kg-1，對流抑制能量CIN≤50 J·kg-1；西北地區短時強降水CAPE一般大于200 J·kg-1。

新疆為干旱半干旱氣候，降水受地形影響分布極不均勻，其中天山山區年降水量為300～900 mm，且天山西部局地迎風坡可達1000 mm[14]，天山山區及其山麓地帶是新疆短時強降水的頻發區[15]，平原和盆地則降水較少。新疆短時強降水具有顯著的區域差異和日變化[15-18]，其主要發生于海拔1000～2500 m的沿山、山地迎風坡、地形陡升區、喇叭口、戈壁湖泊綠洲交界等特殊地形附近，午后至傍晚多發。有關新疆不同區域短時強降水環境參數的研究指出K指數、CAPE、850 hPa與500 hPa溫度差、0～6 km垂直風切變等變化對短時強降水發生有較好指示意義[15,19-20]。造成新疆短時強降水的系統多以β、γ中尺度系統為主[21-26]，尺度小、生命史短、預報難度大。目前，關于新疆短時強降水的天氣系統環流配置和雷達回波特征研究大多為個例分析，樣本數較少，沒有預報預警業務相關的統計指標，因此需要對新疆地區短時強降水發生的天氣系統環流配置和雷達回波特征進行進一步研究。本文利用新疆105個國家站、1240個區域自動站逐時降水資料及8部多普勒天氣雷達資料，對新疆468次短時強降水過程的天氣尺度環流特征、影響系統及其配置以及雷達回波特征進行分析，以期為新疆短時強降水的預報預警提供一定參考。

1 資料和方法

利用2010—2018年新疆105個國家站和1240個區域自動站(圖1)逐時降水資料，數據經過新疆氣象信息中心的嚴格質量控制，以及伊犁、克拉瑪依、石河子、烏魯木齊、喀什、和田、阿克蘇和庫爾勒8部多普勒天氣雷達資料。天山山區及其以北區域為北疆，以南為南疆，北疆暖季為6—8月、南疆暖季為5—9月。

圖1 新疆地形(陰影)及105個國家站和1240個區域自動站分布

中央氣象臺將1 h降水量大于等于20 mm定義為短時強降水[1]，新疆短時強降水標準為1 h降水量大于等于10 mm[15]。本文短時強降水定義為：(1)1 h內有2個或2個以上相鄰站點雨強均大于等于10 mm·h-1；(2)同一測站連續2 h雨強大于等于10 mm·h-1；滿足上述任一條，即為一次短時強降水過程[17]。據此定義，新疆短時強降水可分為局地分散性和系統性，局地分散性短時強降水維持時間短(1～3 h)、局地性強(1～4個站)、影響范圍分散(1～2個不相鄰地區)；系統性短時強降水維持時間長(3～12 h)、系統性強且影響范圍大(5個站以上或2個以上相鄰地區)。

2 短時強降水過程

表1列出2010—2018年新疆不同區域短時強降水發生次數。可以看出，2010—2018年新疆共出現468次短時強降水過程，年平均52.0次，其中系統性短時強降水18.3次，局地分散性短時強降水33.7次，占短時強降水過程的65.0%，可見新疆短時強降水范圍小，持續時間短。北疆年平均短時強降水過程20.7次，其中系統性5.7次、局地分散性15.0次；南疆年平均短時強降水過程31.3次，其中系統性12.6次，局地分散性18.7次。南疆短時強降水過程比北疆明顯偏多，但降水量明顯比北疆偏少[27]。南疆只有阿克蘇地區系統性短時強降水過程較局地性偏多，巴州兩者相差不大，而北疆3個區域和南疆西部區域系統性短時強降水過程較少，尤其伊犁州、阿勒泰地區和南疆西部明顯偏少，表明新疆短時強降水過程區域差異明顯。

表1 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程發生次數

3 短時強降水影響系統

分析新疆468次局地分散性和系統性短時強降水過程的影響系統，500 hPa影響系統主要有中亞低槽(渦)、西西伯利亞低槽(渦)、西北低空急流(表2)，其中中亞低槽是最主要的影響系統，共224次，占所有影響系統的47.9%；中亞低渦和西西伯利亞低槽(渦)相當，分別為88次和87次，占所有影響系統的18.8%和18.6%；西北低空急流影響最少(69次)，僅占14.7%。南疆西部影響系統合計出現159次，占34.0%，與南疆西部短時強降水頻次最多一致，南疆位于天山以南，受西西伯利亞低值系統影響較小，其占比最少。

表2 2010—2018年新疆不同地區短時強降水過程500 hPa不同影響系統發生次數

短時強降水強度和落區與影響系統強度、位置及地形有密切關系。圖2為2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程中亞低槽影響系統的環流配置。可以看出，200 hPa為西南急流，北疆短時強降水發生在急流入口區右側和出口區左側，南疆一般發生在急流入口區右側。500 hPa歐亞范圍呈“兩脊一槽”型，伊朗副熱帶高壓向北發展與里海高壓脊疊加，貝加爾湖為高壓脊，中亞低槽不斷向南加深，并不斷分裂短波槽影響新疆。700 hPa北疆均有飽和濕區及風速輻合區，出現顯著氣流，其中伊犁州為偏西急流，阿勒泰為西南和偏南氣流，且其上游有冷切變線，天山山區及其北坡為西北氣流和冷切變線；700 hPa南疆為偏西與偏東風切變線，并有偏東氣流。850 hPa新疆有暖脊、切變線及飽和濕區；阿勒泰為顯著西南氣流前輻合區；南疆有風場輻合和明顯切變，濕區不明顯，并有偏東氣流。850～500 hPa南北疆均為層結不穩定區。地面圖上，伊犁州、天山山區及其北坡為正變壓區，而南疆和阿勒泰為暖低壓區和輻合線。

圖2 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程中亞低槽影響系統環流配置

圖3為2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程中亞低渦影響系統環流配置。可以看出，200 hPa為偏西(西南)急流，北疆短時強降水在急流入口區右側和出口區左側，南疆一般發生在急流入口區右側。500 hPa低渦有明顯氣旋性風場并配合溫度槽，新疆位于中亞低渦前西南或偏南氣流(急流)上，低溫槽落后于高度槽，低渦前西南或偏南氣流(急流)為暖濕平流。700 hPa新疆均有飽和濕區及風速輻合區；急流出口區北疆伊犁州為偏西急流、阿勒泰為西南氣流、天山山區及其北坡為西北急流，南疆有東西風切變和偏東氣流。850 hPa北疆均有飽和濕區及風速輻合，出現顯著氣流，伊犁州為偏西氣流，阿勒泰為西南氣流，天山山區及其北坡為西北急流；南疆有一定濕區和東西風切變線，冷暖交匯明顯，并有偏東氣流。850～500 hPa南北疆均為層結不穩定區，700～850 hPa北疆低空急流遇山地強迫抬升形成中尺度輻合線，南疆盆地偏東氣流(急流)除了有熱力輸送作用外，還有動力抬升及觸發作用，促使中尺度切變或輻合加強，從而產生短時強降水。地面圖上，南北疆均為冷高壓前正變壓區，阿勒泰有風場輻合、切變線和暖區，南疆有風場輻合和冷池。

圖3 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程中亞低渦影響系統環流配置

圖4為2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程西西伯利亞低槽(渦)影響系統環流配置。可以看出，200 hPa為偏西(西南)急流，北疆短時強降水一般發生在急流出口區左側，南疆一般發生在急流入口區右側和出口區左側。500 hPa歐亞范圍呈“兩脊一槽”或“兩脊一渦”型，中高緯環流經向度較大，西西伯利亞低槽(渦)在60°E—100°E、40°N—70°N區域有明顯溫度槽，里海高壓脊與貝加爾湖高壓脊發展強盛，西西伯利亞大槽穩定維持，低渦底部偏西(西南)氣流影響新疆，鋒區較強，不斷分裂波動影響新疆。由于午后升溫明顯，中層冷空氣侵入使新疆局地環境場更不穩定。700 hPa強降水位于急流出口區前部，存在風速輻合區、切變線和飽和濕區，且冷暖交匯明顯。850 hPa北疆均有風速輻合區、飽和濕區及冷暖交匯；南疆有切變線和暖脊發展，并伴有偏東氣流。850～500 hPa南北疆均為層結不穩定區。地面圖上，伊犁州、天山山區及其北坡和南疆均有正變壓區、輻合或切變線，阿勒泰為負變壓區、暖切變線。

圖4 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程西西伯利亞低槽(渦)影響系統環流配置

圖5為2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程西北低空急流影響系統環流配置。可以看出，200 hPa為偏西(西北)急流，南北疆短時強降水均發生在急流出口區左側。500 hPa歐亞范圍為“兩槽一脊”經向環流，新疆至中西伯利亞為經向度較大的長波脊，烏拉爾山附近和蒙古為寬廣低槽區，北疆處于高壓脊前西北氣流控制，低層有偏西風擾動，西北氣流與偏西風兩者匯合，因前期降水，午后地面加熱增濕明顯，造成局地短時強降水。南疆短時強降水一般出現在500 hPa低槽(渦)后西北氣流中，受槽后西北氣流冷平流強迫產生強對流天氣。700 hPa北疆有西北急流和切變線；南疆有風場輻合、切變線、飽和濕區及偏東(東南)氣流，南疆西部轉為干冷空氣、東部有明顯濕區。850 hPa北疆為西北氣流、切變線和暖區；南疆有東西風切變線、濕度較小，并有偏東氣流。850～500 hPa南北疆均為層結不穩定區。地面圖上，南北疆均為正變壓區，有風輻合和切變線。此類短時強降水突發性強、預報難度大。

圖5 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程西北低空急流影響系統環流配置

表3列出2010—2018年新疆不同地區短時強降水過程4類主要影響系統的環流配置特征。可以看出，共同點為強降水落區位于200 hPa急流入口區右側或出口區左側，500 hPa槽前西南(偏南)急流(氣流)，低空急流(氣流)出口區前、低空切變線及地面輻合或切變線附近重疊區域的上干冷下暖濕不穩定區域，南北疆地形及地理位置不同，使低空急流的風向、風速的輻合及切變熱力性質有明顯差異，造成短時強降水的熱力動力機制也有所不同。

表3 2010—2018年新疆不同地區短時強降水過程4類主要影響系統的環流配置特征

4 短時強降水時雷達回波特征與預警閾值

利用2013—2018年新疆8部多普勒雷達資料，由于阿勒泰地區無天氣雷達，巴州短時強降水過程少，因此選取雷達探測范圍內伊犁州、天山北坡、南疆西部和阿克蘇地區短時強降水過程共233次，分析這些短時強降水過程中雷達回波形態和演變，雷達回波基本為強單體或多單體風暴合并加強的帶狀、片狀積云、積層混合云回波。按影響方式將雷達回波分為：(1)合并加強型，從多方向(至少1個方向)移入1個或以上對流單體進入影響地區后，受中尺度系統輻合等影響，多個回波或與本地塊狀回波聚合加強，回波強度較強，雨強較大，范圍較小；(2)列車效應型，相對獨立的多個對流單體沿高空引導氣流或低空急流方向傳播，在移動過程中相繼影響同一地區造成短時強降水；(3)孤立對流單體型，受環境流場輻合影響，局地或層狀云降水回波中迅速生成對流云團，點狀回波在短時間內擴大為塊狀回波，生成發展速度快，一般短時強降水范圍較小，持續時間較短，由于其突發性和局地性強，預警難度大。圖6為新疆短時強降水時雷達回波合并加強型、列車效應型及孤立對流單體型典型個例。

圖6 新疆短時強降水時雷達回波合并加強型(a、b)、列車效應型(c)及對流單體型(d)石河子多普勒雷達0.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)

表4列出2010—2018年新疆233次短時強降水過程不同區域雷達回波分類統計。可以看出，合并加強型最多(105次)，占比45.1%，孤立對流單體型81次，占34.8%，列車效應型最少僅有47次，占20.2%。天山北坡列車效應型最多(23次)，伊犁州、南疆西部及巴州北部均為合并加強型最多，分別為24、26、13次，阿克蘇孤立單體型最多(50次)，而列車效應型僅1次。天山北坡列車效應型最多，占該型總次數的48.9%，由于天山地形阻擋，高低空呈“后傾槽”結構，冷空氣從低層進入北疆，850～700 hPa塔城—克拉瑪依—天山北坡出現西北低空急流，且不斷增強并維持，攜濕冷空氣東南下，在低空西北急流出口區被天山阻擋，多個回波單體沿西北低空急流以列車效應形式影響該區域。

表4 2010—2018年新疆不同區域短時強降水過程中雷達回波分類統計

分析233次短時強降水過程中最大反射率因子強度(Zmax)、強回波中心頂高(Dmax，大于等于40 dBZ強回波頂到達最大高度)、回波頂高(ET，大于18 dBZ回波到達最大高度)、最大垂直累積液態水含量(VIL)。表5列出2010—2018年新疆不同地區短時強降水過程中各類風暴雷達回波參數預警閾值，閾值取各參數的第25%分位數。伊犁州合并加強型、列車效應型和孤立對流單體型對流風暴的Zmax分別為50～60 dBZ、38～58 dBZ和51～58 dBZ，平均值分別為53、48、54 dBZ，預警閾值分別為50、45、51 dBZ，該閾值強于中國中東部地區[28-30]。三類對流風暴的Dmax分別為3.6～4.4、4.0～4.8、2.0～6.3 km，平均值分別為3.9、4.2、4.0 km，預警閾值分別為3.7、4.0、3.8 km。可見伊犁州夏季短時強降水大多為低質心回波，大于24 mm·h-1短時強降水的Dmax為4 km左右的低質心回波。三類對流風暴的ET分別為8.4～11.5、6.1～9.4、6.3～11.8 km，平均值分別為9.7、7.7、9.6 km，因此列車效應型的ET較低，雨強為10.0～15.0 mm·h-1，且維持時間較長，一般在30 min以上。三類對流風暴ET的預警閾值分別為9.3、6.5、8.5 km，其中列車效應型閾值最低，大于24 mm·h-1短時強降水的回波頂高大多超過9.4 km。三類對流風暴的VIL分別為6.0～24.6、1.6～14.9、6.6～24.7 kg·m-2，平均值分別為16.1、5.7、11.8 kg·m-2，預警閾值分別為6.1、2.3、6.9 kg·m-2，其中列車效應型閾值最小。

表5 2010—2018年新疆不同地區短時強降水過程中各類風暴雷達回波參數預警閾值

天山北坡合并加強型、列車效應型、孤立對流單體型風暴的Zmax分別為39～63、40～62、35～62 dBZ，平均值分別為51、52、47 dBZ，預警閾值分別為48、49和37 dBZ(表5)。三類風暴的Dmax分別為3.0～10.5、3.0～10.0、3.0～9.0 km，最小值均為3.0 km，最大值為9.0～10.5 km，僅為個例總數的10%，平均值分別為5.8、6.1、5.9 km，其中Dmax達10.5 km的風暴造成33.8 mm·h-1短時強降水，預警閾值分別為4.0、4.0、4.5 km，大于24.0 mm·h-1短時強降水的Dmax為4.0 km左右的低質心回波或超過7.0 km的高質心回波。三類對流風暴的ET分別為7.9～14.5、4.7～14.1、6.7～12.5 km，平均值分別為10.5、10.1、10.6 km，均高于10.0 km，說明系統內部有強垂直運動。三類對流風暴ET的預警閾值分別為9.5、7.8、9.3 km，列車效應型最低，大于24 mm·h-1短時強降水的ET大多超過10 km。三類對流風暴的VIL分別為6～17.6、5.0～20.1、5.0～20.6 kg·m-2，最小值為5.0～6.0 kg·m-2，最大值為18.0～20.6 kg·m-2，平均值分別為11.8、11.3、10.0 kg·m-2，預警閾值分別為8.2、7.0、6.5 kg·m-2。

南疆西部合并加強型、列車效應型、孤立對流單體型風暴的Zmax分別為40～68、40～62、40～49 dBZ，平均值分別為51、52、45 dBZ，預警閾值分別為48、45、40 dBZ(表5)。三類對流風暴的Dmax平均值分別為4.5、4.7、4.0 km，最小值為2.0～3.0 km，最大值為7.0～8.0 km，占個例總數的15.0%，其中Dmax達8.0 km的風暴造成25.2 mm·h-1的短時強降水，大于20.0 mm·h-1短時強降水的Dmax為3.0 km左右的低質心回波或超過5 km的高質心回波，三類對流風暴Dmax的預警閾值均為3.0 km。三類對流風暴的ET分別為6.0～10.0、8.0～9.0、4.0～10.0 km，平均值分別為7.9、8.1、6.6 km，均高于6.0 km，說明系統內部有明顯上升運動。三類對流風暴ET的預警閾值分別為7.0、8.0、4.5 km，孤立對流單體型最低，大于20 mm·h-1短時強降水的ET大多超過8.0 km。三類對流風暴的VIL分別為2.0～26、3.0～32.0、3.0～6.0 kg·m-2，平均值分別為14.2、15.5、4.2 kg·m-2，最小值為2.0～3.0 kg·m-2，最大值為6.0～32.0 kg·m-2，孤立對流單體型的VIL明顯小于其他兩種類型，預警閾值分別為5.8、9.0、3.0 kg·m-2。

阿克蘇列車效應型對流風暴僅有1次個例，不具有統計意義，因此未分析其閾值。該區合并加強型和孤立對流單體型風暴的Zmax分別為46～52、25～54 dBZ，平均值分別為46、45 dBZ，預警閾值分別為44、37 dBZ(表5)。二類風暴的Dmax分別為5.0～10.0、1.0～10.0 km，平均值分別為6.8、4.6 km，大于24.0 mm·h-1短時強降水中80%個例的Dmax超過4.0 km，57%個例的Dmax超過6.0 km，預警閾值分別為5.8、2.8 km。二類對流風暴的ET分別為8.0～10.0、4.0～11.0 km，平均值分別為9.1、7.9 km，系統內部有明顯上升運動，預警閾值分別為9.0、6.7 km，大于24 mm·h-1短時強降水的ET達8.4 km。二類對流風暴的VIL分別為3.0～15.4、0.5～12.8 kg·m-2，平均值分別為18.5、4.5 kg·m-2，預警閾值分別為5.7、1.7 kg·m-2。

5 結論與討論

(1)2010—2018年新疆短時強降水局地分散性過程有303次，占總次數的64.7%，系統性過程165次，占總次數35.3%，影響系統主要為中亞低槽、中亞低渦、西西伯利亞低槽(渦)、西北低空急流，其中中亞低槽最多，其次為中亞低渦，西北低空急流最少，中亞低槽(渦)是影響新疆短時強降水天氣的主要系統。各類影響系統環流配置共同點為：新疆短時強降水主要位于200 hPa急流入口區右側或出口區左側，500 hPa槽前西南(偏南)急流(氣流)，低空急流(氣流)出口區前、風速輻合區、低空切變線及地面輻合或切變線附近重疊區域的上干冷下暖濕不穩定區域。

(2)造成新疆短時強降水的對流風暴主要有合并加強型、列車效應型和孤立對流單體型，其中合并加強型最多，占比45.1%，孤立單體型其次，占比34.8%，列車效應型最少，占比20.2%，天山北坡三種類型均較多，伊犁州、南疆西部及巴州北部以合并加強型為主，阿克蘇地區以孤立對流單體型為主。

(3)南疆短時強降水過程中雷達回波參數(Zmax、Dmax、ET、VIL)的預警閾值小于北疆，且伊犁州最大，阿克蘇最小，均大于中國中東部地區[28-30]，伊犁州短時強降水以低質心回波為主，其他區域低質心和高質心回波均有發生。不同區域三類對流風暴雷達回波參數有所不同，但也存在一些共性，北疆短時強降水過程中對流風暴的Zmax為37～51 dBZ，南疆西部為40～48 dBZ，阿克蘇地區37～44 dBZ；Dmax多為3～6 km，天山北坡最大可達9.0～10.5 km，僅占個例總數的10%，南疆西部最大可達7.0～8.0 km，僅占個例總數的15.0%左右，阿克蘇地區約57%的個例Dmax超過6.0 km，除伊犁州以外其他區域大于20 mm·h-1短時強降水的Dmax大多超過8.0 km；各區域各類對流風暴的VIL差異較大，最大約為20～25 kg·m-2，最小約為2～5 kg·m-2，天山北坡的VIL相對較大，伊犁州列車效應型的VIL最小，其他區域則是對流單體型的VIL最小。

本文利用綜合探測網目前能獲得的資料對新疆短時強降水的天氣系統環流配置和雷達回波參數特征進行研究，由于新疆面積大，觀測網稀疏，尤其探空站和雷達站遠不能滿足業務和研究需求，且具有高山冰川、綠洲、沙漠的復雜山盆地形和下墊面，區域氣候差異顯著，對短時強降水的認識，主要依賴于中小尺度天氣動力學理論不斷完善和觀測研究持續進步，目前在這兩方面都存在一些理論瓶頸和認識上的不足。今后迫切需要應用雙偏振天氣雷達等開展針對性的強化觀測試驗，并利用多源觀測結合數值模擬和理論分析，在新疆短時強降水對流生成和演變機制、強對流組織形態以及預警技術等方面開展更加深入的研究。