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，青海高原暖濕化現象愈加顯著，夏季局地對流災害頻發，極端降水和雷擊死亡事件增多，而大冰雹和對流性大風事件減少[1-6]。盡管當地短時強降水的地方標準較我國東部地區偏弱，但與大尺度降水配合下經常造成較嚴重的積澇，沖毀山地或農田等。由于青海生態環境和地質條件較為脆弱，高原大部分地區被指定為“重大地質災害隱患點”[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。雷達責任區覆蓋范圍以青海東北部農業區為主，對于出現在責任區以外的強對流，尤其是短時強降水的監測預報預警，衛星云圖資料具有明顯優勢[2]。汛期，我國最新的高分辨率地球同步軌道衛星—風云四號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)，這對雷達多盲區的青海高原意義重大。因此，為做好防災減災和預報服務，有必要利用FY-4A，對青海短時強降水云團的云圖特征進行統計分析。并根據天氣形勢系統配置，結合風云四號A星云圖云型演變特征，總結提煉出青海省短時強降水典型云型特征，提高預報員對氣象衛星資料的應用能力[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一次降水天氣過程。西寧、海東、海南、黃南、果洛、玉樹出現中雨(24 h降水量≥10 mm，272站次)，海南北部、黃南南部、果洛南部、玉樹南部出現大雨(24 h降水量≥25 mm，18站次)，降水中心在果洛州達日縣建設鄉，降水量為40.8 mm；國家站為河南，降水量為38.0 mm。同時，青南地區雷電活動密集，并伴有短時強降水、大風、冰雹(達日地區出現最大直徑10 mm的冰雹)。從降水性質來看，青海省北部以穩定性降水為主，南部以對流性降水為主。

2 災情統計

根據中國氣象局氣象災情管理系統，6月30日17:00～19:00，興海因暴雨引發洪水導致230 m攔河壩沖毀，直接經濟損失約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高空環流形勢上，亞洲中高緯為兩槽一脊型，柴達木盆地有高原控制，青海西部地區主要受冷平流影響，東部地區主要受暖平流影響，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，冷空氣主力已達柴達木盆地(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發展而來的。以達日建設鄉短時強降水為例。

圖2 MCS從形成到減弱各階段中尺度云團≤-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、玉樹北部上空有對流云團A生成，尺度由MγCS發展至MβCS。TBB≤-52 ℃冷云蓋面積即將達到2 100 km2，對流云團A中最低TBB為-73 ℃，最大小時降水強度7.9 mm。

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

(3)成熟階段(30日18:00～19:00)：從MαCSA1≤-52 ℃冷云蓋面積達到最大到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，仍出現在其西側、TBB梯度大值區。

(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中尺度對流系統發展而來的，最終形成了α中尺度對流系統。MCS在500 hPa高原切變線東側生成，發展過程中與多個MCS接觸融合，呈帶狀排列。MCS形成、發展、成熟和減弱階段，中尺度對流云團的長軸始終呈西北—東南向。

從FY-4A6.25 μm水汽圖來看(圖略)，至6月30日20:00，干帶前沿到達河西走廊及海西西部，青南牧區無明顯干帶配合，由此判定此次短時強降水以暖區降水為主，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展階段增加較為平緩，最大達到6 000 km2；成熟階段前期冷云蓋面積迅速擴大，后期開始，冷云蓋面積迅速縮小。

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

(3)最大降水強度，從形成到發展階段前期，強度變化較小，為2～9 mm，發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。最大降水強度出現在MCS中TBB≤-77 ℃覆蓋的區域，在≤-52 ℃冷云蓋面積達到最大之前2 h，TBB最低-78 ℃出現在發展階段，次低-77 ℃出現在成熟階段，主要降水出現在MCS的發展和成熟階段。

5 短時強降水云型特征分析

此次短時強降水過程發生在500 hPa高原切變線附近，現將其定義為“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，與高原切變線位置重合，隨著高原切變線的發展移動而變化。組成帶狀云團的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。帶狀云團后部為下沉的西北氣流對應的無云區，前部為高原切變線右側西南氣流，為強正渦度平流區，對應強的上升運動。MCS形成階段，TBB較高，≥-61 ℃；發展和成熟階段，TBB為-78～-70 ℃，根據對流云分類方法，可將其歸為“穿越對流層頂的強對流云”。MCS形成、發展、成熟和減弱階段，中尺度對流云團的長軸始終呈西北—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，切變線西北側為500 hPa冷平流，東南側為500 hPa暖平流，同時青南牧區有濕舌，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定能量釋放，并啟動抬升運動，是此類的主導因素。

7 結論

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

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

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