一次天氣過程中不同尺度降水系統的云圖及雷達圖像特征

彭軍，周雪英，魏勇

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆庫爾勒 841001；2.石河子氣象局，新疆石河子 832000）

一次天氣過程中不同尺度降水系統的云圖及雷達圖像特征

彭軍1，周雪英1，魏勇2

（1.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆庫爾勒 841001；2.石河子氣象局，新疆石河子 832000）

利用常規氣象資料、衛星、雷達及NCEP 1°×1°的6 h再分析資料，對2013年4月發生在巴州北部的一次天氣過程中兩種不同的降水類型進行診斷,對云圖及雷達特征進行詳細分析。結果表明“S”型云西邊界凹處對應系統性降水中心，低渦云系南段對應強對流中心?！癝”凹處的雷達圖中對應有冷式切變，整層上升運動，水汽供應充足，且高層輻散、低層輻合，具備了大降水發生的環境場。雷達分析發現強對流發生在弱垂直風切變及輻散流場環境下，冰雹出現在與風速輻合中心對應的強回波中心下方。低渦云系中低層伴有下沉運動并配合冷平流，而近地面層為鋒前暖平流，強對流發生在θse隨高度降低的區域，是典型的冷鋒鋒面過境觸發的強對流天氣。

云圖特征；雷達圖像特征；強對流；鋒面觸發

巴州地區地形復雜，包含高山、盆地、沙漠等地形地貌。當一次天氣過程影響時，一般涵蓋多種天氣現象，特別是在春季農事活動的關鍵時刻，常伴有大風、降溫、降水、沙塵等多種災害性天氣，嚴重影響了居民生活和農業生產。2013年4月在巴州北部出現了一次降水過程，其中先后出現了系統性降水和強對流，雖然預報難度較大，但不同降水云系均有明顯特征的云圖信息，非常值得深入研究。目前國內外學者對于衛星資料在暴雨、強對流天氣中的應用開展了大量的工作，有研究對新疆降雹云團的衛星云圖特征進行了普查分析并劃分為雷暴云、冷云核、云系邊緣等6類[1]。曹治強[2-5]等發現冷渦云系、斜壓葉狀云系尾部型強對流發生于云帶的尾部、龍卷發生在雷暴云團入流處。郭躍等[6-8]認為與暴雨對應的鋒面云系，靠近冷空氣一側云帶邊界光滑，假相當位溫等參量的分布特征，清楚地解釋了鋒面云帶的移動、發展和分布特征，干冷空氣下傳，大氣不穩定度增大，均有可能是MCC發展的重要信號。關于春季強對流天氣的發生機制、指標研究，國內取得了不少研究成果，李紅波[9]等分析發現低θse高能區、水汽通量大值區、強的輻合上升區和CAPE的高值區等物理量場都對強對流天氣區有較好的對應關系。周后福[10]等研究表明上層干冷空氣下傳侵入引發的對流不穩定層結、較強的垂直風切變、能量鋒區的存在、高低空急流耦合所造成的抽吸作用均有利于觸發強對流天氣的發生。張凌云[11-12]等研究指出鋒面抬升是對流天氣的主要觸發機制之一，干對流是位于地面鋒前暖區的輻合線觸發。魏勇等[13-21]發現新疆春夏季出現冰雹時回波強度一般大于60 dBz。以上研究為系統性降水及強對流天氣預報預警提供了十分重要的參考，因此本文通過對巴州北部春季一次天氣過程中不同降水類型的指標性云圖特征進行分析，并結合雷達、地面及探空觀測資料及NCEP 1°×1°的6 h再分析資料開展深入研究，進而得出云圖特征所反映的物理意義，尋找此類天氣過程預報預警的指標，以期提高春季降水預報的預警能力，提升防災減災水平。

1 天氣實況

2013年4 月17—18日，巴州北部出現了一場以降水、強對流為主的天氣過程。天氣分為兩個階段，第一階段：18日00—06時，巴州北部地區普遍出現了系統性降水，該階段降水連續，各站降水時間維持在3～6 h之間；焉耆盆地是降水中心，普遍出現中到大雨，局部大到暴雨，降水的集中時段在02—05時，其中和靜4 h降水量為17.4 mm，1 h最大降水量8 mm。第二階段：18日16—19時，從輪臺到庫爾勒、焉耆盆地自西向東北先后出現短時強對流天氣；天氣最強時段為18時，和碩、和靜為雷陣雨，1 h降水量分別是8.6 mm和5.3 mm，庫爾勒還出現了局地冰雹，冰雹將剛掛果的香梨打落在地，致使大面積剛出土的棉苗被打斷。此次降水天氣還嚴重影響焉耆盆地番茄、辣椒等幼苗移栽工作，給農業生產造成嚴重損失。

2 環流形勢特征

2.1 高空環流形勢

16日08時500 hPa（圖1a）歐亞中高緯度呈兩槽兩脊型，歐洲和新疆為高壓脊區，中亞和中國東北地區為低渦系統。中亞低渦為此次天氣過程的主要影響系統，其東南部鋒區較強，低層850 hPa巴爾喀什湖到庫爾勒一帶等溫線密集，鋒區北側潮濕并有-8℃的變溫，鋒區南側干燥且普遍升溫，鋒區兩側溫差達20℃以上。17日08時500 hPa（圖1b），歐洲脊受高緯度低值系統影響，略有減弱，中亞低渦分裂的低槽與低緯度低槽同相位疊加，新疆受槽前西南氣流控制，大部地區空氣接近飽和。200 hPa高空急流東移南壓控制天山兩側，低層850 hPa鋒區進一步南壓，北疆沿天山一帶劇烈降溫，南疆出現負變溫，并且天山南側出現了12 m/s以上的偏北急流，高空氣流的抽氣作用有利于上升運動，而低空急流有利于低層的水汽輸送。18日08時（圖1c）歐洲脊東北伸，引導北方冷空氣南下，同時高緯低值系統與中亞低渦同相位疊加，新疆西部各站500 hPa上空均為西南氣流，空氣達到飽和，而此時中亞低渦前期分裂的低槽已經東移到東疆，庫爾勒處于兩個影響系統之間的淺脊控制。700 hPa切變線位于新疆偏西地區，切變線右側為偏南暖濕氣流。850 hPa偏東風在阿克蘇有明顯的風速輻合。低層切變線以及風速輻合出現在巴州上游地區，有利于天氣系統的發展。庫爾勒站上空中高層干燥，低層比較潮濕，同時在淺脊控制下為無云區，這有利于白天地表加熱使氣溫快速回升，加速對流不穩定層結的建立。

通過形勢分析可以發現此次天氣過程中，第一階段是由中亞低渦分裂的低槽與低緯低槽同相位疊加影響新疆，槽前西南氣流有利于水汽的大范圍輸送，高低空急流的出現為降水提供了上升動力及低層水汽供應。第二階段中亞低渦與高緯低值系統同相位疊加成槽后東移影響新疆，在第一階段系統性降水天氣過后，巴州北部高空呈上干下濕，經白天地表加熱，不穩定層結加劇，低槽過境時造成對流天氣爆發。

2.2 地面天氣形勢

16日08時地面冷高壓位于歐洲中部，中心氣壓1 035 hPa，烏拉爾山東南部高空冷渦下方為地面氣旋；伊朗一帶有1 020 hPa的小高壓，南疆為熱低壓，鋒面位于新疆西部國境一帶。至17日08時，小高壓東移到巴爾喀什湖南側，等壓線在天山附近密集，地面冷鋒到達烏魯木齊，而南疆盆地仍為正變溫和負變壓，南北疆的溫差及壓差進一步加大。17日11時一部分冷空氣向南翻越天山，另一部分冷空氣從西邊翻越帕米爾高原，南疆盆地出現正3 h變壓，天山山區出現降水。17日夜間受冷鋒翻越天山南下的影響，巴州北部地區出現系統性降水。18日08時，位于巴爾喀什湖附近的地面高壓中心強度1 022.5 hPa，鋒面位于新疆西部境外，西西伯利亞、南疆有低壓中心，蒙古為地面冷高壓，新疆大部處于鞍型場中。18日14時，隨著鋒面的東移，3 h正變壓從阿克蘇向東逐漸推進，雷暴降水天氣與之相伴而生。至18時，正變壓推進到了巴州北部，自西向東陸續觸發了雷雨天氣。

第一階段表現為地面冷空氣沿西方路徑進入新疆，冷高壓中心強度不強，地面冷鋒向南推進過程中造成巴州北部的系統性降水。第二階段則為地面冷鋒翻越帕米爾高原進入南疆西部，巴州北部出現的雷暴天氣與地面冷鋒東進具有很好的一致性。

3 云圖特征分析

17日08 云圖中（圖2a），低槽前部有斜壓云系A覆蓋在新疆上空，綿延數千千米，云系沒有特別強的冷中心，并且結構松散，在云系的東北頂端呈反氣旋式彎曲。巴爾喀什湖一帶新的低渦云系B生成，云系范圍不大，在A與B云系之間為大范圍的無云區。17日白天云系移速緩慢，A云系結構逐漸趨于密實，在此過程中巴州北部沒有明顯降水出現。至18日03時（圖2b）發展的斜壓云系結構非常清晰，云系在北疆加強，云頂溫度降低，其西邊界十分光滑，且呈“S”型彎曲，巴州北部處于“S”型邊界凹處，云頂冷中心的南緣。此時巴州北部進入了系統性降水的集中期，降水大值區并未出現在云頂亮溫最低區域，而發生在位于“S”型凹處的巴州北部。此時云系B已演變為鋒面云系，范圍擴大了數倍，長度達數千千米，主體位于西部邊境一帶，其東南部已深入南疆，它與云系A之間形成了一條較為均勻的“S”型無云干區，無云區內的急流作用使得云系A左邊界光滑且呈“S”走向，云圖特征典型。在云系B東南部進入南疆的過程中，并沒有造成明顯降水，只有零星降水出現。18日14時（圖2c）云系A東移到東疆一帶，云系B變形東移進入新疆，且略有北上，其南段云系大面積消散，但位于云帶尾部的對流云團開始發展，呈橢圓型且為冷云中心，受干氣流影響，云周圍邊界很光滑。至18時（圖2d）云系B尾部的對流云團加強發展，云團近似圓形，云頂亮溫更低，當對流云團掃過巴州北部的時候造成強對流天氣發生，值得注意的是在對流云團西南角伸出一個“尾巴”，它直接造成庫爾勒以西的冰雹災害。

4 多普勒雷達資料分析

雷達資料重點分析與云圖相對應的天氣時段的雷達強度及風場特征，揭示特征云圖所蘊含的物理意義。本文均采用2.4°仰角數據。

18日03 :01雷達反射率圖中（圖3a），雷達范圍內以層狀云為主，在雷達以西20 km處有30 dBz的回波中心，在雷達的東部以及南部的回波呈絲絮狀分布，回波左邊界與云系A的“S”邊界具有一致性。與云圖顯示稍有不同的是在雷達西南側，有少量云存在，因其云頂溫度不低，所以在紅外云圖中反映不明顯，另外春季紅外云圖中表現的冷云中心在雷達圖中表現的回波強度不強，這與季節因素有直接關系。徑向速度圖中（圖3c）低層為西北急流，中心達到20 m/s，流入速度大于流出速度，同時雷達50 km范圍內負速度面積大于正速度面積，表明低層輻合。高層為西南氣流，流出速度大于流入速度，具有輻散特征。低層輻合、高層輻散有利于上升運動以及低層水汽的積累，另外低層西北風，高層西南風，風隨高度逆轉，說明有冷式切變，有利于降水天氣的觸發。雷達圖非常直觀地反映出云圖中斜壓云A的“S”邊界凹處成為降水中心的原因。

18日18:01分雷達反射率圖中（圖3b），顯示了云系B的尾部特征。雷達回波包括兩部分，集中在雷達的北部，是正北方的近似于扇形的回波和西北偏西方的線形回波，此線形回波與云圖中的"尾巴"相對應。這兩部分回波結構均比較密實，強度回波中心范圍很小，但是達到了45 dBz，前者的強度中心位于焉耆盆地，后者的強度中心位于庫爾勒市偏西地區。由于季節因素影響，云圖中反映的范圍強大的對流云團在雷達回波中反映并沒有想象中的強。徑向速度圖中（圖3d）大范圍回波以西南氣流為主，僅低層有弱的東北氣流，高低空還是存在著弱的風切變，風向切變線附近與強回波中心相對應，另外庫爾勒以西的線性回波均為負速度，其外圍徑向速度較大，最大速度達到了20 m/s以上，但內部風速較小，說明在其內部有明顯的風速輻合，而輻合中心與強回波具有對應關系。雷達范圍內正負速度中心數值相近，但正速度面積明顯大于負速度面積，表明以輻散流場為主。以上分析表明強對流發生在弱的垂直風切變及輻散流場環境下，冰雹出現在與風速輻合中心對應的強回波下方。

5 環境場特征及物理量分析

5.1 探空資料物理量分析

探空資料顯示17日08時與18日08時的高空風場變化不大，中高層為西南氣流，低層850 hPa為東北氣流，且風速大于16 m/s，垂直風切變顯著。K指數均在20以下，Si指數大于2，二者相近，但是18日08時500 hPa以下呈喇叭口狀，濕層淺薄，干對流特征明顯。兩個天氣階段前濕度垂直分布差異明顯，17日08時相對濕度廓線圖中低層相對濕度不大，但是在500～400 hPa相對濕度在80%以上。降水前期20時中層依然保持高濕，并且高層相對濕度也比較大。而18日08時，受前期降水的影響，低層增濕，700 hPa以下相對濕度大于60%，而700 hPa以上相對濕度迅速減小。相對濕度垂直分布的差異說明，第一個階段降水前高層有一個增濕的過程，這與系統性降水中長時間存在的云系具有良好的相關性，而第二個階段對流發生前大氣是上干下濕的狀態，大氣層結不穩定，有利于對流發展。

5.2 NCEP再分析資料物理量分析利用NCEP 1°×1°的6 h再分析資料，通過對系統性降水和對流天氣前環境風場、水汽輸送、垂直運動、溫度平流及CAPE、θse進行診斷（沿42°N制作剖面），分析天氣發生的成因。

從18日02時圖中（圖4a、4c）可以發現，巴州北部（86°～87°E）處于高空低槽前部，中高層為西南氣流，向下逐漸由西北轉變為東北氣流，垂直風切變十分明顯，在切變右側為上升運動區，說明“S”型斜壓葉狀云的西邊界在巴州北部附近有明顯的上升運動，上升運動從低層伸展到高空并逐漸向西傾斜，垂直上升中心在500 hPa附近，位于切變層上方。水汽主要從東部由低層向降水區輸送，水汽通量輸送中心位于700 hPa，達到4 g/（cm·hPa·s）。在上游低渦云系東邊界（79°～80°E）中高層為西南氣流、低層為西北氣流，同時整層存在弱的上升運動，大范圍水汽在700～400 hPa向東輸送?！癝”無云區內以下沉運動為主，200 hPa附近為冷平流中心，冷平流從高空向東一直延伸向降水區地面，這有利于降水區水汽的凝結。

18日14時巴州北部處于高空槽前西南氣流控制，低渦云系南段位于其上空，從圖（4b、4d）分析可以發現與02時整層上升運動不同的是，低層及中高層為上升運動，700～500 hPa出現了下沉運動。85°E附近從地面至850 hPa之間有東西風輻合上升，水汽通量輸送較02時有明顯的減小。地面冷鋒鋒面位于83°E一帶，鋒后為西北氣流，鋒前為西南偏西氣流，冷鋒前部低層暖平流，中層冷平流，不穩定度加大，暖平流被強迫抬升。此時巴州北部從低層到500 hPa之間θse隨高度降低，呈對流不穩定，當冷鋒東移過境時觸發對流天氣。另外從CAPE值的變化情況中可以發現，巴州北部在對流發生前CAPE值從0增加到了76 J/kg，說明存在不穩定能量積累。

通過物理量分析發現，系統性降水前中層垂直上升運動中心處于降水區上空，冷平流自高空伸向降水區，有利于水汽凝結形成系統性降水，同時低層有大量水汽從東部向降水區輸送，水汽條件較好，有利于形成大降水。上游低渦云系東邊界對應整層上升運動，但低渦云系東移到巴州北部上空時，中低層出現下沉運動并配合有冷平流，而低層為鋒前暖平流，靜力不穩定層結加強，此時86°E附近的θse隨高度降低，表現為對流不穩定，同時CAPE值增加出現不穩定能量，冷鋒過境時就觸發了較強對流天氣。

6 結論

（1）此次天氣過程主要影響系統為中亞低渦。第一階段中亞低渦分裂的低槽與低緯度低槽同相位疊加影響新疆，槽前有大范圍上升運動，濕層較深厚，中高層500 hPa西南氣流輸送部分暖濕水汽，低層強鋒區輸送部分冷濕水汽，高低空急流為出現較大降水提供了必要條件。第二階段受中亞低渦與高緯度低值系統同相位疊加成槽后東移影響新疆，由于第一階段系統性降水的出現，巴州北部高空上干下濕，經白天地表加熱，對流不穩定層結增強發展，低槽過境時致使對流天氣爆發。地面圖分析發現系統性降水與地面冷鋒向南推進相伴出現。強對流的出現與從西邊進入南疆盆地的地面冷鋒東進具有很好的一致性。

（2）云圖特征第一階段降水中心與斜壓云系“S”型西邊界凹處對應，雷達探測顯示“S”型凹處對應冷式切變以及高空輻散、低空輻合的流場配置，是大降水發生的有利環境。第二階段強對流發生在低渦云尾部，特別是冰雹發生在南端“尾巴”之下。雷達探測顯示低渦云尾部發生在弱的垂直風切變及輻散流場環境下，冰雹出現在與風速性輻合中心相對應的強回波中心一帶，即“尾巴”之下發生。

（3）系統性降水前有長時間的中高層增濕的過程，中層垂直上升運動中心位于降水區上空，冷平流自高空伸向降水區，有利于水汽的凝結，同時低層有大量水汽從東部向降水區輸送，為出現較大降水提供了充足的水汽。對流降水發生前存在上干下濕的環境，中低層出現下沉運動并配合冷平流，而低層為鋒前暖平流，在θse隨高度降低的區域內，出現了不穩定能量，當與地面冷鋒過境相互配合時觸發了強對流天氣。

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Characteristics of Satellite Image and Radar Features for Different Precipitation Types During a Weather Process

PENG Jun1，ZHOU Xueying1，WEI Yong2
（1.Meteorological Bureau of Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture，Korla 841001，China；2.Shihezi Meteorological Bureau，Shihezi 832000，China）

Using routine meteorological data,satellite images,CINRAD data and NCEP 1°×1° reanalysis data,the system features and cause,especially the characteristics of satellite and radar images for the two different types of rain process at the north part of Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture on April 18,2013 have been diagnostically analyzed.The results show that at the central part of systemic precipitation was the hollow of west borderline in the"S"shape of cloud pattern, the strong convective center was at the south of low vortex clouds.The hollow of"S"clouds corresponding to radar was cold shear,the upward motion,enough water vapor,divergence at high and convergence at low which were the background of occurring strong rain.The strong convective with weak vertical wind shear and divergence airflow,the hail was at the center of wind convergence which were underside the strong radar echo.The low vortex clouds had sinking spot with cold advection in low layer.However there was warm advection before frontal in boundary layer.The strong convective was at the area of pseudo-equivalent potential temperature decreased along with height,which was a typical frontal trigger of the thunder.

characteristics of satellite；radar image feature；severe convection；frontal trigger

S161.6

A

1002-0799（2015）03-0024-07

彭軍,周雪英,魏勇.一次天氣過程中不同尺度降水系統的云圖及雷達圖像特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：24-30.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 004

2014-09-27；

2014-11-23

新疆氣象局科研項目（MS201418）和新疆巴州科學技術研究項目（201405）共同資助。

彭軍（1982-），男，工程師，從事中短期預報工作。E-mail：Pj001982@163.com