巴彥淖爾市一次強(qiáng)降水過程衛(wèi)星水汽圖像上干濕特征分析

孫令東

(內(nèi)蒙古巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古 臨河 015000)

巴彥淖爾市一次強(qiáng)降水過程衛(wèi)星水汽圖像上干濕特征分析

孫令東

(內(nèi)蒙古巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古 臨河 015000)

運(yùn)用Micaps常規(guī)氣象資料，從FY2E衛(wèi)星水汽圖像干濕特征等方面對(duì)2014年4月14—17日發(fā)生在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市一次強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明：①此次降水過程中，水汽帶內(nèi)有一條θse脊軸，其形狀和范圍與水汽帶基本一致，水汽帶所在的區(qū)域是一個(gè)深厚的濕區(qū)，低層有高θse脊軸維持，說明來自低緯的暖濕氣流出現(xiàn)在水汽帶下方，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定出現(xiàn)，由于對(duì)流層中高層的干侵入存在，水汽帶內(nèi)部的θse比外部高5～10℃。②此次降水過程中水汽帶范圍內(nèi)具有較明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，水汽帶位置與200 hPa正散度、負(fù)渦度區(qū)和垂直速度上升運(yùn)動(dòng)區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，西側(cè)邊界與對(duì)流層上層的負(fù)渦度帶近于平行，暗區(qū)的位置出現(xiàn)了很強(qiáng)的正渦度帶。

水汽圖像；干濕特征；水汽帶；強(qiáng)降水

1 引言

衛(wèi)星云圖是氣象衛(wèi)星最早進(jìn)行的觀測項(xiàng)目之一，衛(wèi)星圖像(可見光、紅外云圖和水汽圖像)為天氣預(yù)報(bào)提供云參數(shù)、大氣流場和各種大氣物理過程等重要?dú)庀笮畔⒖梢灾庇^清晰地展示出大氣中發(fā)生的動(dòng)力和熱力過程，而這些過程恰恰是天氣現(xiàn)象產(chǎn)生的原因所在。自從衛(wèi)星云圖出現(xiàn)以來，對(duì)衛(wèi)星云圖的解釋和使用，便成為天氣預(yù)報(bào)工作不可分割組成部分[1]。由于大氣具有三度空間結(jié)構(gòu)，預(yù)報(bào)人員不但關(guān)注對(duì)流層中低層的天氣系統(tǒng)，同時(shí)不要忽略對(duì)流層中高層的系統(tǒng)。由于水汽圖像能夠有效地反應(yīng)出對(duì)流層中上部的天氣系統(tǒng)。水汽圖像表現(xiàn)重要特征是干區(qū)、濕區(qū)和干濕邊界。圖像上暗灰色到近黑色的區(qū)域一般是干區(qū)，中等灰度到白亮色調(diào)的區(qū)域一般是濕區(qū)，干、濕區(qū)和天氣尺度的下沉和上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域相對(duì)應(yīng)。水汽圖像上的干濕邊界變化，對(duì)天氣系統(tǒng)的發(fā)展有明顯的指示意義[2]。近年來，諸多氣象科技工作者，從暴雨的形成機(jī)理到監(jiān)測預(yù)測等理論方法，對(duì)不同地域的暴雨產(chǎn)生進(jìn)行了深入探討，得到了許多有價(jià)值的成果，諸如陶詩言[3]系統(tǒng)總結(jié)了中國暴雨發(fā)生、發(fā)展的天氣尺度和中尺度特征；丁一匯[4]對(duì)暴雨和中尺度氣象學(xué)進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述；侯瑞欽等[5]對(duì)“98·7”特大暴雨過程相關(guān)的700 hPa切變線低渦進(jìn)行了螺旋度診斷分析。但是從衛(wèi)星水汽圖像表現(xiàn)特征方面對(duì)降水過程分析較少。由于巴彥淖爾市地處內(nèi)陸深處的內(nèi)蒙古高原，觀測資料的時(shí)間和空間密度低，衛(wèi)星資料的應(yīng)用對(duì)當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)尤為重要。

本文利用Micaps常規(guī)氣象觀測資料和FY2E衛(wèi)星資料，從衛(wèi)星水汽圖像干濕特征角度，結(jié)合天氣動(dòng)力學(xué)、氣象衛(wèi)星學(xué)等分析方法，對(duì)2014年4月14—17日發(fā)生在巴彥淖爾市強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行分析，尋找水汽圖像上干濕特征變化規(guī)律，提高預(yù)報(bào)人員對(duì)衛(wèi)星水汽圖像在強(qiáng)降水天氣分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用水平。

2 氣候概況及降水實(shí)況

巴彥淖爾市地處內(nèi)陸深處的內(nèi)蒙古高原[6]，全年降水量的分布自西北向東南逐漸增加，由西北部不到80 mm增大到東南部260 mm，其相差近180 mm，西部地區(qū)的海力素、烏后旗、前達(dá)門、杭后旗、磴口、臨河全年降水量僅為127～146 mm；東部的烏蘭、烏中旗、烏前旗、大佘太為全市降水量相對(duì)較多的地區(qū)，雨量在186～225 mm；與降水量形成鮮明對(duì)比的是巴彥淖爾市的蒸發(fā)量，陰山南部為1 992～2 351 mm，北部為2 435～3 305 mm，蒸發(fā)量與降水量的比值分布為：大佘太最小為9.6倍，河套地區(qū)居中為11.1～17.0倍，后山最大為12.2～26.1倍。全市春季(3—5月)降水量分布在15.1～24.4 mm之間，降水量在地域上由西北向東南遞增。1971—2000年30 a中，全市平均降水量≤10 mm的年份共有8 a，依次為1971、1974、1978、1986、1989、1993、1995、2000年，占26.7%；降水量≥25 mm的年份為6 a，分別是1985、1988、1990、1991、1992、1998年，占20%。小于全市平均值的年份多達(dá)20 a，占66.7%，可見春雨少、干旱重是巴彥淖爾市春季降水的最大特點(diǎn)。2014年4月14日夜間—16日夜間巴彥淖爾市大部普降小—中雨(圖1)，巴彥淖爾市127個(gè)雨情站中，3個(gè)站>20 mm，84個(gè)站>10 mm。最大降水量出現(xiàn)在杭錦后旗的沙海新勝達(dá)27.2 mm。此次降水過程發(fā)生在4月份，在當(dāng)?shù)卦撨^程累計(jì)降水量級(jí)達(dá)到強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)。

3 對(duì)流層上部環(huán)流形勢

圖1 2014年4月15日08時(shí)—4月17日08時(shí)巴彥淖爾市降水分布(單位：mm)

大量研究表明[7-10]，暴雨、強(qiáng)對(duì)流等天氣與對(duì)流層上部的環(huán)流密切相關(guān)。由2014年4月15日20時(shí)FY2E氣象衛(wèi)星水汽圖像與300 hPa位勢高度場和風(fēng)場疊加(圖2a)可見：歐亞大陸中高緯呈西低東高型，龐大的低渦從巴爾喀什湖東部一直延伸至新疆南部，蒙古國到河套地區(qū)為高脊區(qū)，巴彥淖爾市受該高壓脊控制，脊線呈西北東南向，受低渦底部分裂高空槽東移影響，上游河西走廊、阿拉善盟西為一致的西南氣流，由于槽前強(qiáng)輻散區(qū)，衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為比較均勻的大片濕區(qū)。隨著高空槽緩慢東移，到16日08時(shí)(圖2b)巴彥淖爾市受高空槽前大片云系控制，該云系呈片狀南北向分布，色白而亮。由于巴彥淖爾市上空有明顯的輻散氣流，有利于低層輻合，產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，造成強(qiáng)降水。蒙古國到阿拉善盟是一弧狀暗邊界，表明北方有冷空氣南下。從以上分析來看，水汽圖像上的干濕特征明顯。

圖2 15日20時(shí)(a)和16日08時(shí)(b)FY2E氣象衛(wèi)星水汽圖像與云導(dǎo)風(fēng)疊加圖(等值線為300 hPa位勢高度場，單位：gpm)

4 水汽圖像的干、濕特征分析

4.1 濕區(qū)特征

由2014年4月14—16日水汽圖像連續(xù)演變得知：沿蒙古國到河套地區(qū)維持一條近于南北向分布的水汽帶，水汽帶上的亮度非均勻分布，云體西部邊界清晰，東部邊界有絲縷狀卷云羽分布，表明水汽帶上空輻散強(qiáng)烈，水汽帶的西南側(cè)有動(dòng)力干點(diǎn)[11-12]，動(dòng)力干點(diǎn)灰度逐漸加深，并自西南向東北方向移動(dòng)，形狀也從條形演變狹長帶狀，說明此次降水過程有干侵入。

能量鋒區(qū)通常以θse的密集帶來表示[11-13]，由于大氣層結(jié)位勢不穩(wěn)定用θse的垂直分布表示，所以通過尋找低空θse脊軸可以斷定大氣層結(jié)明顯不穩(wěn)定區(qū)域，分析θse和水汽帶的關(guān)系可以確定有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)形成和發(fā)展的環(huán)境條件。降水過程中(4月16日08時(shí))，水汽圖像與850 hPa假相當(dāng)位溫的疊加(圖3a)看出，θse的密集帶位于蒙古國南部到阿拉善盟東南部一帶，說明此處正是北方干(冷)空氣與南方濕(暖)空氣交匯處。此次降水過程中，水汽帶的范圍、形狀基本與850 hPa的脊軸近于平行，說明這條水汽帶是一條暖濕輸送帶[10-13]。水汽帶的西部邊界與θse強(qiáng)梯度帶近于平行。

綜合以上分析，在此次降水過程中，水汽帶內(nèi)有一條θse脊軸，其形狀和范圍與水汽帶基本一致，表明水汽帶所在的區(qū)域是一個(gè)深厚的濕區(qū)[12-14]。低層θse脊軸的維持表明來自低緯的暖濕氣流出現(xiàn)在水汽帶下方，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定出現(xiàn)；此次降水過程中，由于對(duì)流層中高層的干侵入存在，水汽帶內(nèi)部的θse比外部高5～10℃。

圖3 16日08時(shí)水汽圖像與850 hPa假相當(dāng)位溫(a)(單位：℃)和700 hPa垂直速度(b)(單位：hPa·s-1)的疊加

水汽是大氣運(yùn)動(dòng)的示蹤物[8-13]，水汽圖像能較好的反映其所在層的大氣環(huán)流和垂直運(yùn)動(dòng)，因此可以通過垂直運(yùn)動(dòng)、渦度和散度來分析水汽帶的動(dòng)力特征[9-14]。由4月16日08時(shí)水汽圖像與700 hPa垂直速度疊加(圖3b)可知，此次降水過程中水汽帶范圍內(nèi)具有較明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，并且云帶的位置與垂直速度上升運(yùn)動(dòng)區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 4月16日08時(shí)水汽圖像與200 hPa散度(a)(單位：10-5 s-1)及渦度(b)(單位：10-5s-1)疊加圖

由4月16日08時(shí)200 hPa散度和渦度與水汽圖像的疊加(圖4)可知，水汽帶與正散度、負(fù)渦度區(qū)相對(duì)應(yīng)，水汽帶的西側(cè)邊界與對(duì)流層上層的負(fù)渦度帶近于平行，暗區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了很強(qiáng)的正渦度帶。200 hPa散度和渦度及700 hPa垂直速度的分布表明，水汽帶所在區(qū)域有大尺度上升運(yùn)動(dòng)。

4.2 干區(qū)特征

眾多研究表明，干侵入活動(dòng)對(duì)降水具有明顯的影響，它在水汽圖像上表現(xiàn)為中等到近黑色灰度，而水汽圖像是監(jiān)測干侵入的有效工具[10-15]，由16日08時(shí)300 hPa相對(duì)濕度≤50%(代表干冷空氣的活動(dòng))、正渦度和風(fēng)場的疊加(圖5)看出，干區(qū)內(nèi)盛行西南氣流，受其影響，干區(qū)向東北方向侵入，干區(qū)的位置與300 hPa的正渦度帶近于重合。高層的正渦度中心則表明暗區(qū)高層有強(qiáng)的輻合下沉，并且正渦度中心由高層向低層輸送(圖略)。而隨著暗區(qū)的減弱消失，降水趨于結(jié)束，這可能與干侵入帶來的下曳氣流中斷有關(guān)[10-17]。由此可見，適度的干侵入對(duì)降水的產(chǎn)生十分有利。

圖5 16日08時(shí)300 hPa相對(duì)濕度≤50%(虛線)、正渦度(實(shí)線)(單位：10-5s-1)與風(fēng)場的疊加圖

5 結(jié)論

①此次降水過程中，水汽帶內(nèi)有一條θse脊軸，其形狀和范圍與水汽帶基本一致，水汽帶所在的區(qū)域是一個(gè)深厚的濕區(qū)，低層有高θse脊軸維持，說明來自低緯的暖濕氣流出現(xiàn)在水汽帶下方，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定出現(xiàn)，由于對(duì)流層中高層的干侵入存在，水汽帶內(nèi)部的θse比外部高5～10℃。

②此次降水過程中水汽帶范圍內(nèi)具有較明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，并且云帶的位置與正散度、負(fù)渦度區(qū)和垂直速度上升運(yùn)動(dòng)區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，西側(cè)邊界與對(duì)流層上層的負(fù)渦度帶近于平行，暗區(qū)的位置出現(xiàn)了很強(qiáng)的正渦度帶

③干區(qū)的位置與300 hPa的正渦度帶近于重合，高層的正渦度中心則表明暗區(qū)高層有強(qiáng)的輻合下沉，并且正渦度中心由高層向低層輸送，隨著暗區(qū)的減弱消失，降水趨于結(jié)束，這可能與干侵入帶來的下曳氣流中斷有關(guān)。

[1] 許健民，方宗義.《衛(wèi)星水汽圖像和位勢渦度場在天氣分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用》導(dǎo)讀[J].氣象，2008，34(5)：38.

[2] 楊軍.氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用(下)[M].北京：氣象出版社，2012，525-540.

[3] 陶詩言.中國之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980，6-10.

[4] 丁一匯.暴雨和中尺度氣象學(xué)問題[J].氣象學(xué)報(bào)，1994，52(3)：274-284.

[5] 侯瑞欽，麟生，馮伍虎.“98·7”特大暴雨低渦的螺旋度和動(dòng)能診斷分析[J].高原氣象，2003，22(2)：203 -208.

[6] 李金田，張喜林.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)氣候資源與區(qū)劃[M].北京：科學(xué)普及出版社，2006，1-6.

[7] 侯青，許健民.衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料所揭示的對(duì)流層上部環(huán)流形勢與我國夏季主要雨帶之間的關(guān)系[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17(2)：138-144.

[8] 巴德，福布斯，J.R.格蘭特，等編.盧乃錳，冉茂農(nóng)，谷松巖，譯.衛(wèi)星與雷達(dá)圖像在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1998，12-82.

[9] 曹麗霞，趙亮，徐懷剛，等.2007年7月9—10日江淮大暴雨的水汽圖像解譯研究[J].氣象，2013，39(5)：605-608.

[10] 于玉斌，姚秀萍.干侵入的研究及其應(yīng)用進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào)，2003，61(6)：769-778.

[11] 桑特里特，等.方翔，譯.衛(wèi)星水汽圖像和位勢渦度場在天氣分析和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008，156.

[12] 覃丹宇，江吉喜，方宗義.2002年6月21-24日梅雨暴雨過程的水汽羽特征[J].氣象學(xué)報(bào)，2004，62(3)：329-337.

[13] 楊貴名，毛冬艷，姚秀萍.梅雨期一次黃淮氣旋發(fā)展的干侵入特征分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2006，22(2)：176-183.

[14] 薛紀(jì)善.1994年華南夏季特大暴雨研究[M].北京：氣象出版社，1999，185.

[15] 金榮花，李維京，張博，等.東亞副熱帶西風(fēng)急流活動(dòng)與長江中下游梅雨異常關(guān)系的研究[J].大氣科學(xué)，2012，36(4)：722-732.

[16] 鄭新江，盧乃錳，羅敬寧，等.“96.8.8”福建成災(zāi)暴雨水汽圖像特征分析[J].海洋預(yù)報(bào)，1997，14(4)：51-58.

[17] 吳迪，姚秀萍，壽紹文.干侵入對(duì)一次東北冷渦過程的作用分析[J].高原氣象，2010，29(5)： 1208-1217.

2015-01-09

孫令東(1984—)，男，工程師，碩士，主要從事災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究工作。

中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2013-011)和內(nèi)蒙古氣象局專家型預(yù)報(bào)員暴雨創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)共同資助。

1003-6598(2015)04-0037-04

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