石河子地區(qū)夏季降雨過(guò)程探空資料和雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

劉曉初 徐臘梅 李瀟瀟 趙胡笳

（1大連市氣象臺(tái)，遼寧大連 116001；2石河子氣象臺(tái)，新疆石河子 832000；3中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧沈陽(yáng) 110116）

強(qiáng)對(duì)流天氣是造成汛期氣象災(zāi)害的重要天氣類型[1-2]。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為落地直徑不小于2 cm的冰雹、陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)到17 m/s的對(duì)流性大風(fēng)和雨強(qiáng)達(dá)到20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水和任何強(qiáng)度的龍卷風(fēng)均稱為強(qiáng)對(duì)流天氣[3-4]。石河子位于少雨內(nèi)陸地區(qū)，短時(shí)強(qiáng)降雨標(biāo)準(zhǔn)為2個(gè)級(jí)別，分別為5和10 mm/h。因此，對(duì)流天氣伴隨的降雨為大陸型對(duì)流降雨，有必要從潛勢(shì)預(yù)報(bào)和臨近雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行分析，提升本地對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警水平[5-6]。6～24 h的強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)對(duì)落區(qū)和類型有一定指示作用[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，純粹的短時(shí)強(qiáng)降雨天氣與雷暴大風(fēng)、冰雹天氣的探空資料參數(shù)特征值存在明顯差異[9-10]。李瀟瀟等[11]分析大連地區(qū)短時(shí)暴雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)，某些探空參數(shù)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水有一定指示作用。另外，對(duì)流潛勢(shì)分析有一些值得注意的問(wèn)題，CAPE值對(duì)抬升氣塊的溫濕狀況和水汽變化都非常敏感[12-13]。實(shí)際分析中要?jiǎng)討B(tài)地看待穩(wěn)定度的變化[14]。對(duì)流降水過(guò)程中，大氣一般處于中性熱力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時(shí)，大氣處于穩(wěn)定層結(jié)。除了潛勢(shì)預(yù)報(bào)，0～2 h的臨近預(yù)報(bào)對(duì)更加精細(xì)化的預(yù)報(bào)預(yù)警作用不可代替。不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣有對(duì)應(yīng)的雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)特征[15-16]，天氣雷達(dá)中降水估測(cè)產(chǎn)品與實(shí)況的偏差主要由不適當(dāng)?shù)腪-R關(guān)系造成[17-18]。新疆作為西部?jī)?nèi)陸地區(qū)，汛期降雨過(guò)程顯示出大陸型強(qiáng)對(duì)流回波特征[19-20]。沿海地區(qū)短時(shí)暴雨的雷達(dá)回波多為介于穩(wěn)定性和對(duì)流性之間的混合性降雨回波，呈現(xiàn)低質(zhì)心特征[21-22]，且不同地區(qū)有獨(dú)特變化規(guī)律[23-24]。以上研究對(duì)石河子地區(qū)汛期降雨過(guò)程預(yù)報(bào)預(yù)警有一定借鑒意義。

夏季降雨有突發(fā)性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，落區(qū)范圍小等特點(diǎn)，容易致災(zāi)，另外，即使量級(jí)較低的降水對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定幫助，因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警有非常重要的價(jià)值。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料和天氣雷達(dá)資料，對(duì)石河子地區(qū)夏季降水過(guò)程做中尺度分析，發(fā)現(xiàn)特征參數(shù)，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕涤旰蛯?duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定參考指標(biāo)，幫助預(yù)報(bào)員識(shí)別本地強(qiáng)對(duì)流天氣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及演變，促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流短臨預(yù)警系統(tǒng)的本地化應(yīng)用。

1 分析資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石河子位處北疆中段，東南高西北低，山地、沙漠、平原為石河子的主要地貌形態(tài)，全年降水稀少，氣候干燥，屬于溫帶大陸性干旱氣候。石河子地區(qū)為灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm。

1.2 資料選取及分析方法

該研究所用資料包括常規(guī)氣象觀測(cè)資料，即石河子地區(qū)地面觀測(cè)資料和克拉瑪依探空資料，探空資料時(shí)間分別為08：00和20：00；石河子C波段多普勒天氣雷達(dá)資料，時(shí)間分辨率為6 min。按照石河子地區(qū)降水量等級(jí)業(yè)務(wù)規(guī)定，該研究劃分如下，24 h降水量在6 mm以下為小雨，6～12 mm為小到中雨，＞12～24 mm為中到大雨，24 mm以上為暴雨。小時(shí)雨強(qiáng)分為5和10 mm 2個(gè)檔次。關(guān)于落區(qū)，一共4個(gè)業(yè)務(wù)站，分別為石河子本站（356）、炮臺(tái)（352）、莫索灣（353）、烏蘭烏蘇（358）。24 h內(nèi)，2個(gè)站及以下出現(xiàn)小雨，劃為局部小雨；3個(gè)站及以上出現(xiàn)小雨，劃為全區(qū)小雨；3個(gè)站出現(xiàn)降雨，1個(gè)站及以上出現(xiàn)中雨量級(jí)，劃為小到中雨，以此類推，直到全區(qū)出現(xiàn)降雨，1個(gè)站出現(xiàn)暴雨，劃為暴雨過(guò)程。關(guān)于探空資料，石河子地區(qū)上游最近的探空站位于克拉瑪依，與石河子直線距離160 km左右，海拔400 m，且周邊為戈壁荒漠。

2 降水過(guò)程發(fā)生規(guī)律

對(duì)地面觀測(cè)降水量實(shí)況統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，2018—2020年6—8月石河子地區(qū)共有53次降水過(guò)程。其中，局部小雨過(guò)程22次，約占42%；全區(qū)小雨過(guò)程21次，約占40%。由此可見(jiàn)，小雨過(guò)程占全部過(guò)程的82%。小到中雨過(guò)程5次，中到大雨過(guò)程4次，暴雨過(guò)程僅有1次。另外，從發(fā)生時(shí)段來(lái)看，發(fā)生在傍晚到夜間（17：00—次日08：00）的過(guò)程有43次，占81%，其中中雨以上量級(jí)僅有一次中到大雨過(guò)程發(fā)生在白天。

3 探空資料分析

3.1 能量參數(shù)

K指數(shù)是最常用的識(shí)別對(duì)流的參數(shù)之一，其定義為850與500 hPa溫度差，加上850 hPa露點(diǎn)溫度，減去700 hPa的溫度露點(diǎn)差。通常，K指數(shù)小于25，不容易產(chǎn)生雷暴；25～30，雷暴概率較小；30以上，雷暴概率較大。從定義看，低層水汽（850 hPa露點(diǎn)溫度）越大，層結(jié)越不穩(wěn)定（850和500 hPa溫差），以及700 hPa飽和度越大，K指數(shù)越大。53次降雨過(guò)程整體的K指數(shù)中位數(shù)為29（表1），按照降雨量級(jí)分類，各個(gè)量級(jí)過(guò)程的中位數(shù)都小于等于30。只有2019年7月10日暴雨過(guò)程，K指數(shù)為32。K指數(shù)對(duì)降水過(guò)程有一定指示作用。全部個(gè)例的850與500 hPa溫差（T85）都達(dá)到28℃以上（表1），層結(jié)較為不穩(wěn)定，指示作用強(qiáng)。克拉瑪依為荒漠站點(diǎn)，低層大氣水汽飽和度較低，850 hPa露點(diǎn)溫度（Td850）較低，中位數(shù)全部小于5℃，并且700 hPa溫度露點(diǎn)差較大，與東部沿海地區(qū)區(qū)別較大，降水指示作用不強(qiáng)。

CAPE值對(duì)抬升氣塊的溫濕狀況敏感，抬升氣塊的溫度或者露點(diǎn)溫度升高1℃，CAPE值分別平均增加200和500 J/kg，因此，當(dāng)大多數(shù)降水過(guò)程發(fā)生在傍晚到夜間，而直接用08：00探空資料分析時(shí)，由于白天荒漠地區(qū)地表加熱作用顯著，傍晚近地面溫度（Ts）和露點(diǎn)溫度（Tds）與08：00的有明顯差別，CAPE值發(fā)生較大變化，無(wú)法有效表征對(duì)流降水發(fā)生前的周圍大氣環(huán)境。從各量級(jí)降水過(guò)程的CAPE值中位數(shù)（表2）也能看到，指示對(duì)流降雨作用不大。

3.2 溫濕狀況參數(shù)

探空最底層位于海拔400 m左右。探空底層溫度（Ts）中位數(shù)在23～27℃，露點(diǎn)溫度（Tds）中位數(shù)在8～11℃（表1），表明探空最底層大氣飽和度較差；而作為東部沿海平原地區(qū)的有利于降雨的低空水汽條件特征量，850 hPa露點(diǎn)溫度（Td850）應(yīng)該較大，850 hPa溫度露點(diǎn)差（T-Td850）應(yīng)該較小，此特征在西北地區(qū)概率很小。從各個(gè)量級(jí)降雨過(guò)程的中位數(shù)（表2）看，東部地區(qū)夏季降水前，850 hPa露點(diǎn)溫度可能達(dá)到12℃，甚至16℃，但是石河子地區(qū)該特征量的中位數(shù)僅為2～5℃，850 hPa溫度露點(diǎn)差中位數(shù)為12～20℃，表明探空底層400～1 500 m大多數(shù)為干層，對(duì)降雨指示作用不大。作為所在高度大氣實(shí)際水汽含量的參數(shù)，各個(gè)量級(jí)降雨過(guò)程探空底層比濕（Q5）中位數(shù)為7.0～8.6 g/kg（表1），700 hPa在東部平原地區(qū)已是降水過(guò)程水汽頂層，其高度的比濕（Q700）中位數(shù)為5.4～7.8 g/kg，具體到每個(gè)過(guò)程的探空資料，53次過(guò)程中有27次700 hPa比濕（Q700）直接大于探空底層比濕（Qs）或者大于按照正常遞減率到700 hPa的比濕，占比51%，表明特征濕層在700 hPa附近的指示作用更大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，600～500 hPa的溫度露點(diǎn)差（T-Td600）小于4℃的過(guò)程有50次，占94%。與降雨過(guò)程有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)各量級(jí)降雨過(guò)程前探空資料的部分物理量

高低空的溫差反映了大氣垂直溫度梯度。700和500 hPa溫差（T75）中位數(shù)在14.0～17.5℃，850和500 hPa溫差（T85）中位數(shù)在28～32℃。與東部地區(qū)對(duì)流潛勢(shì)特征值基本一致。

3.3 動(dòng)力穩(wěn)定度參數(shù)

中等強(qiáng)度以上的0～6 km深層垂直風(fēng)切變（SHR0-6）與大冰雹、對(duì)流性強(qiáng)陣風(fēng)和龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣密切相關(guān)。另外，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)如多單體強(qiáng)風(fēng)暴、超級(jí)單體和颮線等也產(chǎn)生在較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變環(huán)境中。中等強(qiáng)度（大于10 m/s）以上過(guò)程31次，強(qiáng)垂直風(fēng)切變過(guò)程(大于19 m/s）6次，分別占比58%和11%。由此可見(jiàn)，降水可能只是對(duì)流天氣現(xiàn)象中的其中一種。環(huán)境潛勢(shì)也有利于雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。

當(dāng)0℃層高度附近大氣飽和度較低時(shí)，濕球0℃層高度（H0）與0℃層高度差別較大。H0中位數(shù)在3.7～4.2 km（表1），很多過(guò)程干球0℃和濕球0℃的高度有較大差別，需要訂正后使用。抬升凝結(jié)高度（HLCL）是未飽和濕空氣塊干絕熱上升、剛開(kāi)始凝結(jié)的高度。高度較低有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生和發(fā)展。HLCL中位數(shù)為0.8 km（表1）。

表1 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)降雨過(guò)程前探空資料的部分物理量中位數(shù)

探空應(yīng)用較好的例子是2019年7月27日過(guò)程（圖1b）。K指數(shù)達(dá)到28；CAPE值為920 J/kg，接近中等強(qiáng)度；850與500 hPa溫差高達(dá)32℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定；0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?0 m/s，強(qiáng)度較大，溫濕廓線呈上干下濕的“喇叭”形狀，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生。降雨發(fā)生在22：00左右，從雷達(dá)回波上看，多單體對(duì)流風(fēng)暴呈南北帶狀排列。潛勢(shì)預(yù)報(bào)中探空特征參數(shù)指示作用較好。另外，2019年7月10日暴雨過(guò)程（圖1a），K指數(shù)達(dá)到32，并且在600 hPa附近濕層相對(duì)深厚，對(duì)短時(shí)對(duì)流性降雨有一定指示作用。另外，分析各個(gè)過(guò)程的溫濕廓線發(fā)現(xiàn)，近地面為西北風(fēng)，大氣飽和度較低，中層為西南風(fēng)，大氣飽和度較高。

圖1 2019年7月10日08：00（a）和27日20：00（b）克拉瑪依探空?qǐng)D

4 雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

夏季對(duì)流降水的量級(jí)大小取決于降水效率和持續(xù)時(shí)間。較高的降水效率與暖云層厚度有關(guān)，另外，還需要低層水汽的持續(xù)輸送。對(duì)流降雨通常分為大陸型和熱帶型，石河子地區(qū)明顯屬于大陸型。從圖1的2個(gè)個(gè)例探空?qǐng)D看出，地面到850 hPa甚至700 hPa水汽飽和度都較差，600 hPa附近大氣才接近飽和，并且濕層厚度比東部沿海地區(qū)更小。大陸型對(duì)流降水的特征是強(qiáng)回波發(fā)展高度較高，質(zhì)心較高，大粒子較多（大雨滴、霰和冰雹），密度小。因此，降水效率不高，天氣雷達(dá)中的降水估測(cè)產(chǎn)品與地面降水量實(shí)況的偏差就比較大。一般情況下，雷達(dá)有效的測(cè)雨范圍不超過(guò)150 km。結(jié)合到石河子地區(qū)的實(shí)際情況，炮臺(tái)和莫索灣測(cè)站位置相近，偏北；石河子和烏蘭烏蘇相近，相對(duì)偏南。一次降雨過(guò)程影響到各個(gè)站點(diǎn)的回波演變是不同，需要單獨(dú)分析。因此，53次降雨過(guò)程對(duì)應(yīng)142次雷達(dá)回波演變。

4.1 組合反射率和徑向速度特征

組合反射率（CR）表示的是一個(gè)體掃中，定常仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上；優(yōu)勢(shì)是不用查看每個(gè)仰角就能快速查看到風(fēng)暴中的最大反射率因子；缺點(diǎn)是無(wú)法識(shí)別某個(gè)仰角上的有用特征。如表3，同樣按照降雨量級(jí)劃分，最大強(qiáng)度的中位數(shù)為25～35 dBz，一般強(qiáng)度在35 dBz以上才達(dá)到對(duì)流強(qiáng)度，按此標(biāo)準(zhǔn)，局部小雨、全區(qū)小雨過(guò)程一般僅為層云降水，中雨以上才有對(duì)流特征。從整體上看，降雨過(guò)程最大強(qiáng)度中位數(shù)為30 dBz，與冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣有明顯差異。

表3 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)降雨過(guò)程雷達(dá)資料部分參數(shù)的中位數(shù)

徑向速度（V）一般用來(lái)識(shí)別中小尺度速度對(duì)，中層高度具有一定速度的旋轉(zhuǎn)、中氣旋，或者不同仰角上大范圍的輻散幅輻合鋒面過(guò)境，判斷系統(tǒng)的發(fā)展；或者可通過(guò)最低仰角上雷達(dá)站附近的入流和出流速度判斷地面大風(fēng)。雷達(dá)站附近距離地面1 km高度范圍內(nèi)，風(fēng)速達(dá)到15 m/s的案例僅為7次，占比5%，表明到達(dá)地面產(chǎn)生8級(jí)以上大風(fēng)的情況很少，降雨與地面大風(fēng)的伴隨關(guān)系也不強(qiáng)。

4.2 垂直累積液態(tài)水、回波頂高和雨量估測(cè)特征

垂直累積液態(tài)水（VIL）表示將反射率因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水值。它的假設(shè)是所有的反射率因子返回都是由液態(tài)水滴引起的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是反射率因子的垂直累積，代表了雷暴的總體強(qiáng)度。VIL數(shù)值的突然增大對(duì)冰雹預(yù)警有較好的指示作用。全部降雨過(guò)程的VIL中位數(shù)為0～0.5 kg/m2，總體上降雨不會(huì)伴隨冰雹。僅有2018年7月13日過(guò)程的VIL值達(dá)到20 kg/m2（表4），有可能伴隨冰雹。

回波頂高（ETPPI）與0℃層高度比較，0℃層高度的中位數(shù)在3.7～4.2 km。夏季-20℃層高度一般在6 km左右，如果對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展旺盛，45或50 dBz以上的強(qiáng)回波高度達(dá)到-20℃層高度，容易出現(xiàn)災(zāi)害性冰雹，該研究的大部分降雨過(guò)程對(duì)應(yīng)的回波頂高中位數(shù)都在6 km以下，只有中到大雨過(guò)程的回波頂高中位數(shù)達(dá)到7 km（表3），有可能出現(xiàn)強(qiáng)冰雹。

雨量估測(cè)中，如果降水粒子中的固態(tài)粒子（冰雹顆粒）較多，而不是密度較大、顆粒較小的暖云產(chǎn)生的液態(tài)水滴占多數(shù)，那雷達(dá)降水估測(cè)產(chǎn)品中的Z-R關(guān)系就偏差較大。在全部142次降雨實(shí)況與雷達(dá)產(chǎn)品的對(duì)比中，有19次回波頂高超過(guò)0℃層高度2 km以上，接近或超過(guò)-20℃層高度，占比13%，而近似于暖云降雨的回波占87%。因此，大部分產(chǎn)生降雨的雷達(dá)回波中，降水估測(cè)結(jié)果還是有參考價(jià)值的。從按照雨量劃分的1 h降雨量估測(cè)產(chǎn)品看（表3），局部小雨的中位數(shù)為0.5 mm/h，按照量級(jí)依次增大，降雨估測(cè)產(chǎn)品中位數(shù)也大致增大，變化趨勢(shì)基本一致，有一定參考價(jià)值。另外，產(chǎn)生暴雨不僅要有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，雨強(qiáng)也相對(duì)其他量級(jí)降雨過(guò)程更大。

以2019年7月10日的暴雨過(guò)程（圖2和表4）為例，影響石河子（356）和莫索灣（358）的回波最大強(qiáng)度為40 dBz，所在高度最高僅為3～4 km，回波頂高為7 km，對(duì)流發(fā)展并不旺盛，VIL最大值僅為0.5 kg/m2，沒(méi)有冰雹特征。從降水估測(cè)產(chǎn)品看，雨強(qiáng)達(dá)到6 mm/h，所有過(guò)程中最大，天氣現(xiàn)象以短時(shí)強(qiáng)降雨為主，雷達(dá)站西側(cè)上游不斷有回波東移經(jīng)過(guò)測(cè)站，降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，造成局地暴雨。

表4 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)各量級(jí)降雨過(guò)程雷達(dá)資料的部分參數(shù)

續(xù)表4 2018—2020年6—8月石河子地區(qū)部分降雨過(guò)程雷達(dá)參數(shù)

圖2 石河子雷達(dá)2019年7月10日21∶51(a)和11日00∶15(b)0.5°基本反射率

從雷達(dá)產(chǎn)品特征上看，總體上，短時(shí)強(qiáng)降雨為主過(guò)程并不伴隨冰雹和雷暴大風(fēng)。

5 結(jié)論與討論

石河子位于北疆中段，屬于溫帶大陸性干旱氣候。夏季降雨突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、落區(qū)范圍小，有明顯的大陸型對(duì)流降雨特征。該研究通過(guò)對(duì)石河子地區(qū)夏季降雨過(guò)程的探空和天氣雷達(dá)資料研究發(fā)現(xiàn)：①53次降雨過(guò)程絕大多數(shù)量級(jí)為小雨，并且發(fā)生在傍晚到夜間。②探空資料上，K指數(shù)、850和500 hPa溫差是對(duì)流降雨可靠指示參數(shù)。探空底層和850底層大氣飽和度較差，指示作用不強(qiáng)。③600 hPa附近濕層為當(dāng)?shù)鬲?dú)特指標(biāo)參數(shù)；600～500 hPa的溫度露點(diǎn)差小于4℃的過(guò)程有50次，占94%。與降雨過(guò)程有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。④短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程通常不伴隨冰雹和雷暴大風(fēng)。⑤1 h降雨估測(cè)產(chǎn)品可靠度較高。西北內(nèi)陸地區(qū)降雨效率不高，但是降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，累積降雨量仍然有可能達(dá)到暴雨量級(jí)。

不足之處為大多數(shù)降雨過(guò)程發(fā)生在傍晚到夜間，08：00探空代表性較差。在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)況和模式預(yù)報(bào)，對(duì)08：00探空資料進(jìn)行訂正，再檢驗(yàn)預(yù)報(bào)預(yù)警的提升效果，可作為未來(lái)研究方向。