基于SWAP平臺的新疆中尺度對流系統判識及應用

張云惠，李建剛，譚艷梅，唐冶

（1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；3.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；4.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆烏魯木齊 830016）

基于SWAP平臺的新疆中尺度對流系統判識及應用

張云惠1，李建剛2，3，譚艷梅4，唐冶1

（1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；3.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；4.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆烏魯木齊 830016）

利用近10 a FY-2系列紅外云圖資料、MICAPS常規資料、新疆105個基本氣象觀測站逐小時降水量資料，參考國內外中尺度對流系統（MCS）標準，給出了新疆區域MCS判識標準。統計分析新疆35次短時強降水過程的MCS空間分布及參數演變特征，總結新疆不同區域MCS預警閾值。基于衛星天氣應用平臺（SWAP）平臺追蹤檢驗短時強降水對應MCS特征參數變化，表明新疆MCS的TBB預警閾值下限偏低4℃，上限偏高2～4℃；天山山區、南疆偏西地區的TBB梯度為0.3℃·km-1，北疆偏西、巴州北部與我國中東部一致。短時強降水發生在引導氣流方向靠近暖區一側的冷云蓋邊緣TBB梯度最大處，TBB梯度圖對云團發展變化表現更清楚。基于SWAP平臺定位追蹤對流云團對下游可能發生的強降水有2～6 h預警時效，且30 min外推預報與實況基本一致，對新疆強降水短臨預報預警有一定的指示意義。

衛星天氣應用平臺（SWAP）；中尺度對流系統（MCS）；短時強降水；應用技術

短時強降水及其造成的災害是我國主要自然災害之一，中尺度對流系統（MCS）是其主要成因[1-2]。衛星在中尺度對流系統的監測和研究方面具有得天獨厚的優勢，可以監測小到單個對流云團、大到行星尺度天氣系統的發生、發展和演變[3]，并且在人煙稀少和地面氣象資料缺乏地區，衛星資料可作為重要補充。FY-2系列靜止衛星可以提供60 min/次（汛期觀測模式為30 min/次）的可見光、紅外和水汽圖像，以及TBB（相當黑體亮溫）產品，可以滿足中尺度監測和分析預報的要求。

對于新疆強降水，楊蓮梅等[4]、史玉光等[5]總結了1960—2009年新疆強降水領域的主要研究成果，從大尺度環流背景、天氣尺度和中尺度系統、水汽特征對新疆強降水進行了分類概括。提出了待解決的問題：引發強降水的中尺度系統特征及其發生、發展的物理機制；造成新疆地區暴雨的水汽源匯結構和接力輸送機制；典型暴雨過程與高、中、低緯大范圍水汽輸送異常之間的關系等問題。曾勇等[6]、張云惠等[7-8]對中亞低渦背景下新疆短時強降水特征分析指出，短時強降水出現在低渦前強西南氣流、低渦底部強鋒區及消亡期低渦后部西北氣流中，這些基礎理論和預報方法的研究，在一定程度推進了新疆短期天氣預報的發展。王鳳梅[9]、王旭等[10]統計新疆中尺度對流系統時空分布特征表明，新疆有兩個明顯的MCS集中區在伊犁河谷東部天山山脈的迎風坡和西天山背風的阿克蘇西南部，張云惠等[11]分析的新疆暴雨、冰雹及雷電氣象災害高發區與其一致。

自國家衛星氣象中心2013年下發衛星天氣應用平臺（SWAP）以來，該平臺為新疆區、地、縣級氣象臺站一線業務人員提供了追蹤強對流交互判識的分析工具，SWAP能夠快速追蹤對流云團并實時自動預警，對新疆強對流短臨預報預警有很好的指導作用。但是因新疆特殊的氣候背景及復雜地形，新疆區域短時強降水的中尺度云團參數特征與我國中東部有一定的差別[12-13]。為此，本文在以往FY-2系列云圖研究基礎上，分析新疆短時強降水的中尺度對流系統（MCS）參數特征，總結基于SWAP平臺的新疆強降水MCS預警指標，為全疆預報人員提供參考。

1 資料與方法

通過國家衛星中心網站下載2005—2016年FY-2系列衛星紅外云圖，空間分辨率為0.1°×0.1°的AWX格式TBB資料和SWAP平臺顯示的HDF格式標稱半球資料，時間間隔均為1 h，并收集整理同期新疆區域105個國家基本氣象站5—9月逐小時降水量等資料。按照中國氣象局規定：對于某個站點小時降水量R≥20 mm為短時強降水，由于新疆地域遼闊，本文界定受同一影響系統產生的短時強降水為一次過程，因此將新疆短時強降水時間限定為24 h之內。對FY-2靜止衛星TBB產品處理方法為：先對云圖進行數值增強處理并選擇合適的底圖以突出其中的對流云團，并根據判定依據對影響強降水的MCS特征進行普查，包括面積、形狀、形心、狀態、移動方向、TBB最低值/平均值/梯度、橢圓率等，在此基礎上，基于SWAP平臺反查追蹤MCS的參數變化。

2 新疆區域MCS判識標準

中尺度對流系統（MCS）按尺度可以細分為中-α系統（200～2000 km）、中-β系統（20～200 km）和中-γ系統（2～20 km）[1-2]。關于MCS的判識，隨著觀測密度及手段的不斷改進和發展，對MCS的認識也在不斷完善中，Maddox[14]、Augustine[15]等在冷云面積、生命史、形狀等對MCS進行了嚴格的定義并在冷云面積大小方面不斷修正，判定標準見表1。

表1 國際MCS的判識標準

鄭永光等[12]在國際標準的基礎上，增加了初生時刻的標準，并增加了“形心”以期追蹤對流云團的路徑，同時略微修訂了-32℃冷云區達到最大面積時，中-α尺度持續伸長型對流系統（PECS）和中-β持續伸長型對流系統（MβECS）的橢圓率為0.2～0.6，MCC和中-β圓形對流系統（MβCCS）的橢圓率≥0.6。

因本文所用衛星數據空間分辨率為0.1°×0.1°，按照一個經（緯）度大致為100 km計算，FY-2系列衛星的分辨率大致為10 km×10 km。對于尺度小于20 km的中-γ尺度MCS，還無法對其進行追蹤和判別，所以主要關注中-β尺度及以上的MCS，類型包括MαCS（MCC、PECS），MβCS（MβECS、MβCCS）。

在統計分析近10 a新疆MCS參數變化的基礎上，根據新疆特殊的地理地形環境，山脈阻擋會造成MCS變形，因此修正中-β對流系統（MβCS）最小尺度的面積定義為＞103km2，考慮新疆地形復雜對云團影響，橢圓率0.6改為0.5，其他標準與MαCS基本一致（表2）。

表2 新疆區域MCS的判識標準

3 基于SWAP平臺的新疆短時強降水預警指標

3.1 新疆短時強降水的MCS區域分布特征

統計近10 a短時強降水資料，有38次降水量R≥20 mm·h-1的短時強降水過程，其中2次無TBB≤-32℃冷云蓋、1次缺云圖資料，分析FY2紅外云圖TBB資料表明，35次強降水中有8個MαCS，27個MβCS，其中有4次過程多站出現短時強降水。

從35次強降水的MCS初生、成熟及消散時期的空間分布可以看到（圖1），影響新疆強降水過程的MαCS主要分布在中天山兩側，MβCS源地在阿拉套山分布最為密集，其次為巴爾魯克山靠近克拉瑪依市的淺山區和阿克蘇地區境內的天山南簏（圖1a）。而成熟時期的MCS較初生期整體向東移動，MβCS主要分布在伊犁河谷、博州及北疆沿天山一帶，MαCS分布比較分散，總體北疆多于天山南簏（圖1b）。消散期的MβCS主要位于準噶爾盆地邊緣戈壁綠洲過渡帶、巴爾魯克山和阿拉套山中間的阿拉山口附近以及阿克蘇地區中西部（圖1c），MαCS則在準噶爾盆地和塔里木盆地靠近天山的一側較為密集，另外還有伊犁河谷的東西兩側。

圖1 新疆短時強降水的MCS空間分布

3.2 新疆短時強降水MCS預警閾值的確定

分析追蹤35次短時強降水對應的MCS初生、成熟及消散的紅外云圖參數變化，得到紅外云圖參數演變數據集，即MCS的形心、面積、圓形度、狀態、方向、TBB最低值/平均值/梯度、橢圓率等。

35次短時強降水的影響系統主要分為4類：槽前西南（西）氣流23次、短波槽5次、低渦4次和脊前西北（偏北）氣流3次。對應表3統計分析35次短時強降水MCS參數變化表明，新疆強降水MCS預警閾值按地域特點可分為4個區域：伊犁河谷—博州—石河子以西沿天山一帶（17次）閾值為TBB-36～-60℃、梯度平均0.4℃·km-1、天山山區（8次）TBB -36～-58℃、梯度平均0.3℃·km-1、南疆偏西地區（9次）TBB-35～-54℃、梯度平均0.3℃·km-1和巴州北部（1次）TBB-36～-58℃、梯度平均0.4℃·km-1。

3.3 基于SWAP平臺的預警閾值檢驗

利用SWAP平臺強對流交互判識功能（圖1），SWAP系統默認TBB閾值為4檔間隔10℃分別為-32℃、-42℃、-52℃、-62℃，TBB梯度為0.4℃km-1，對強對流云團有30～60 min（可自定義）的外推預報，云圖顯示可以以云團亮溫和云團梯度兩種方式顯示，云團路徑包括歷史路徑和外推路徑及區域，同時可以提取追蹤云團信息，顯示目標云團的參數及外推預報變化。

通過檢驗上述35次新疆強降水過程SWAP預警閾值，將系統默認TBB閾值4檔間隔10℃：-32、-42、-52、-62℃，TBB梯度0.4℃·km-1，按照新疆不同區域修訂TBB閾值為北疆4檔間隔8℃：伊犁河谷—博州—石河子以西沿天山一帶和天山山區為-36、-44、-52、-60℃，伊犁河谷—博州—石河子以西沿天山一帶TBB梯度0.4℃·km-1，天山山區梯度0.3℃km-1；南疆TBB閾值4檔間隔6℃：南疆偏西地區為-36、-42、-48、-54℃，梯度0.3℃·km-1，巴州北部為-40、-46、-52、-58℃，梯度0.4℃·km-1。

表3 不同區域SWAP平臺預警閾值

4 基于SWAP平臺的新疆強降水預警技術及應用

4.1 2012年6月4日巴州罕見短時暴雨中尺度對流云團分析

2012年6月4日14 ：00—17：00，巴州北部出現了一次突發性大暴雨過程，強降水主要出現在庫爾勒市和和靜縣，15：00—17：00兩站降水量分別達73.8、75.8 mm，最大雨強分別為46.4、53.2 mm·h-1，突破歷史極值，表現為歷時短，強度大且降水分布極其不均勻的特點。彭軍等[16]對此次暴雨的中尺度特征進行了分析，指出暴雨發生在MCS中TBB＜-55℃且長時間維持的冷云蓋邊緣。

4日08：00500hPa南疆西部至庫爾勒受中亞低槽前西南氣流控制，紅外云圖動畫可以清楚看到，暴雨前4日13：30阿克蘇東部有兩個對流云團，TBB最低達-50℃，15：15兩對流云團發展加強東移至庫爾勒上空，TBB最低達-53℃，15：45兩對流云團合并發展，面積增大，TBB最低達-57℃，雨強明顯增強，隨著TBB＜-55℃的冷云中心消失，強降水趨于結束。暴雨過程中庫爾勒、和靜對應的冷云中心位置基本穩定，但當中心移動時，庫爾勒出現最強降雨，而另一個冷云中心在略有減弱后再次加強的過程中，和靜縣出現了最強降雨。

SWAP平臺修訂閾值追蹤對流云團亮溫演變表明，4日13：00—14：00有兩個對流云團沿中亞低槽前西南氣流自阿克蘇東部向巴州北部移動并發展（圖2a），15：30在庫爾勒和和靜附近發展成兩個MβCS，16：00兩個MβCS的TBB＜-32℃及＜-52℃的云團面積明顯增大并有合并增強的趨勢（圖2b），16：30兩個MβCS合并，TBB＜-32℃及＜-52℃的云團面積達最大，而16：00—16：15是庫爾勒15 min雨強最強時段，降雨量30.1 mm，16：30～16：45和靜15 min降雨量27.7 mm，是和靜雨強最強時段，強降水發生在TBB＜-52℃的冷云蓋東南一側。而云團TBB梯度圖動畫可以清楚看到（圖2c/d），強降水發生在冷云蓋東南側TBB梯度密集的大值區一側。

SWAP顯示阿克蘇東部的兩個對流云團4日13：00開始逐半小時自動預警（圖2e、2f），直至18：00云團減弱東移降水結束，可見修訂的閾值對庫爾勒強降水有2 h的預警時效。

SWAP平臺定位追蹤影響強降水的對流云團可以看到，TBB＜-32℃及＜-52℃的云團面積14：30開始不斷增大，16：30 TBB＜-32℃及＜-52℃的云團面積最大分別達1.4×104km2（圖3a）、1.3×103km2（圖3b），TBB最低值也達-56℃（圖3c）。對比逐30 min、60 min云團參數外推預報表明，30 min外推預報較60 min更接近實況，尤其17：30對流云團發展后期TBB＜-52℃的60 min外推預報偏強，誤差較大。

4.2 2015年6月9日烏魯木齊短時強降水中尺度對流云團追蹤

2015年6月9日18 ：30—20：05烏魯木齊出現短時強降水，95 min累計降水量達20.1 mm，其中19：00—20：00降水量14.7 mm，為烏魯木齊1991年有氣象記錄以來小時降水量極值，此次降雨表現為強度強、歷時短、局地性強、災害重等特點。

9日08時500 hPa新疆90°E以西處于高壓脊控制，烏魯木齊以東處于高壓脊前西北氣流控制，烏魯木齊短時強降水就發生在脊前西北氣流的環流背景下。分析烏魯木齊6月9日08：00、14：00及20：00對流潛勢參數變化表明，08：00Δθse850-500為6℃，14：00明顯增強大到15℃，至20：00強對流發生時為10℃，即午后烏魯木齊層結不穩定顯著發展，K指數也增大到33℃，SI指數由08：00的0.78℃降至14：00的-1.8℃，CAPE值08：00為0，14：00則明顯增大為1141 J·kg-1，表明午后對流有效位能顯著發展，積蓄了大量不穩定能量。云圖分析表明，強降水發生在局地新生中尺度對流云團西南側TBB梯度最大處，TBB最低達-53℃。

SWAP平臺修訂閾值追蹤對流云團演變可以看到，9日17：30烏魯木齊周圍250 km范圍內有2個明顯的中尺度對流云團（圖4a、4c），最強的位于距烏魯木齊西北方向200 km左右的石河子以北區域，該對流云團為不規則的橢圓形MβCS，TBB最低達-50℃，對流云團在高壓脊前西北氣流下，沿引導氣流東移發展。18：30石河子對流云團移動緩慢強度不變但面積增大，其前方在昌吉—米泉—烏魯木齊以東新生一東西向扁圓型MβCS，TBB最低也達-50℃，烏魯木齊位于對流云團西南側，此后約20 min降水開始。19：30烏魯木齊附近的MβCS迅速發展加強成標準橢圓形，烏魯木齊位于該MβCS西南側TBB梯度最大處（圖4b、4d）。云團TBB及其梯度圖動畫顯示可以明顯看到，強降水發生在TBB＜-52℃的冷云蓋西南側且TBB梯度密集區內。

圖2 2012年6月4日巴州北部暴雨對流云團SWAP平臺云圖（紅點為庫爾勒）

圖3 2012年6月4日巴州北部暴雨對流云團SWAP追蹤結果

圖4 2015年6月9日17：30-19：30烏魯木齊對流云團

SWAP顯示在9日17：00開始逐半小時自動預警（圖4e/f），直到兩個對流云團合并加強東移影響烏魯木齊以東地區的強降水。此例說明修訂的閾值對小時雨強＜20 mm的烏魯木齊短時強降水有2 h的預警時效，同時預警也為MCS繼續東移發展造成的下游強降水預報預警提供有效參考和指導。

SWAP對流云團定位追蹤表明（圖5），影響烏魯木齊強降水的對流云團一部分來自局地新生，另一部分來自石河子以北區域的對流云團東移與之合并加強，因此，9日19：00之前追蹤的TBB＜-32℃云團面積為石河子以北區域的對流云團，烏魯木齊局地對流云團19：00開始生成（圖5a），在1 h內快速合并發展影響烏魯木齊短時強降水。20：00 TBB＜-32℃及＜-52℃的云團面積分別達4.3×103km2、150 km2，TBB最低為-54℃，30 min、60 min云團外推預報TBB＜-32℃的云團面積與實況接近（圖5a～5c），而20：00—21：00對流云團發展后期外推預報TBB＜-52℃的面積及TBB最低值均偏強，可見30 min外推預報對短臨預報預警有很好的參考價值。

4.3 2016年6月17日伊犁河谷短時強降水對流云團特征

2016年6月17日伊犁河谷出現短時強降水，小時雨強＞20 mm的有11個雨量站，過程降雨量7站超過96 mm，強降雨時段分散，伊寧麻扎鄉博爾博松區域站最強降水44.3 mm·h-1，降雨主要集中在6月17日00：00—14：00。

圖5 2015年6月9日17∶30—19∶30烏魯木齊對流云團SWAP追蹤結果

圖6 2016年6月17日SWAP平臺伊犁河谷MCS預警判識（紅點為伊犁河谷北部）

16日20 ：00 500 hPa隨著里、咸海高壓脊繼續向北發展，中亞低槽東移，伊犁河谷受槽前西南氣流影響，700 hPa伊寧由西風8 m·s-1轉為西北風4m·s-1，850 hPa伊寧由東南風轉為西風，風速均為6 m·s-1，比濕增大到11 g·kg-1，伊犁河谷開始出現對流性降水。17日08：00中亞低槽受到西西伯利亞低壓外圍冷空氣南下的補充并東移，850 hPa有一支12～16 m·s-1偏西急流攜帶濕冷空氣先進入河谷，700 hPa在4 h后由弱西南風也轉為偏西急流，冷暖交匯劇烈，造成短時強降水。

SWAP平臺修訂閾值追蹤對流云團參數演變可以看到（圖6a～6f），6月16日20：00前后，伊犁河谷上游中亞低槽前西南氣流上就有多個對流云團發展，TBB最低達-45℃。22：00有一個MβCS進入伊犁河谷西南部，強度減弱，TBB由-45℃升至-40℃；23：00開始有4個MβCS沿低槽前西南引導氣流向伊犁河谷北部加強，即4個MβCS形成列車效應不斷影響伊犁河谷北部；24：00開始有2個MβCS合并發展，強度增強，影響伊犁河谷北部的短時強降水。強降水發生在對流云團西南側TBB梯度最大處（圖6e～6f），SWAP平臺16日23：00開始自動預警（圖6g）。

定位追蹤影響伊犁河谷短時強降水的對流云團演變表明（圖7），伊犁河谷強降水時段無TBB＜-52℃的冷云蓋，16日24：00伊犁河谷北部的兩個MβCS合并，開始有云團外推預報，17日01：00云團發展，TBB＜-32℃的云團面積明顯增大到2.2×103km2（圖7a），TBB最低為-45℃（圖7b），17日03：30 TBB＜-32℃的云團面積達3.4×103km2，TBB最低值-52℃，對流云團明顯發展造成伊犁河谷短時強降水。逐30 min、60 min云團外推預報與實況略有偏差，但總體趨勢一致，對短時強降水短臨預報有較好的指導作用。

圖7 2016年6月17日伊犁河谷對流云團追蹤結果

以上個例檢驗表明，修訂的TBB預警閾值及云團外推預報對新疆強對流短時臨近預報預警有較好的參考價值，可提前2～6 h實時自動預警。

4 結論與討論

（1）利用近10 a FY-2系列紅外云圖資料、新疆105個基本氣象觀測逐小時降水量資料，參考國內外中尺度對流系統（MCS）標準，給出了新疆區域MCS判識標準。統計分析新疆35次強降水過程MCS參數演變特征，如生命史、形狀大小、面積、云頂亮溫及梯度等參數變化，給出新疆不同區域MCS預警閾值。

（2）基于SWAP平臺追蹤分析新疆區域35次強降水過程對應的MCS參數演變特征，表明新疆區域MCS的TBB 4檔閾值間隔較我國中東部偏低2～4℃；預警閾值下限偏低4℃，上限偏高2～4℃；TBB梯度天山山區、南疆偏西為0.3℃·km-1，北疆偏西、巴州北部與我國中東部一致；短時強降水發生在引導氣流方向靠近暖區一側的冷云蓋邊緣TBB梯度最大處，TBB梯度圖對云團發展變化表現更清楚。

（3）實踐檢驗表明基于SWAP平臺定位跟蹤目標云團，可以掌握云團參數變化趨勢，自動預警對于下游可能發生的強降水有2～6 h時效，且30 min外推預報與實況基本一致，對短時強降水短臨預警有較好的參考價值，在2016年夏季新疆強降水短臨預報中應用，有一定的指示意義。

由于新疆地域遼闊，地形復雜，本文重點分析新疆天山山區及其兩側強對流多發區域短時強降水的MCS預警閾值，下一步將繼續開展多區域分類型的強對流天氣MCS預報預警研究。另外，新疆尤其是偏西地區對流云團投影的形狀有變形拉長現象，對MCS強度及形狀的判斷有一定影響。

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Early Warning Technology and Application of Short-term Heavy Rainfall in Xinjiang Based on SWAP

ZHANG Yunhui1，LI Jiangang2，3，TAN Yanmei4，TANG Ye1
（1.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China;2.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China;3.Center of Central Asian Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China; 4.Meteorological Center of Xinjiang Air Traffic Management Bureau，Urumqi 830016，China）

Based on infrared cloud image data of FY-2 series nearly 10 years and MICAPS data, hourly precipitation data of 105 basic synoptic stations,as well as the international and domestic standards of mesoscale convective system（MCS）,the corresponding MCS standards of Xinjiang was given in this study.Meanwhile,the level thresholds of TBB over different part of Xinjiang were analyzed on the basis of spacial distribution of MCS and the changing characteristics of relevant parameters during 35 short-time-range heavy rainfall in Xinjiang traced by SWAP.It is showed that four level thresholds of TBB in Xinjiang was 2℃to 4℃lower than the counterpart in the Middle East of China.The low level of warning threshold was less than 4℃,and high level was greater than 2℃to 4℃；TBB gradient was 0.3℃·km-1in Tianshan Mountains and the west region of southern Xinjiang,which is consistent with center China.Tracking the convective cloud cluster by SWAP platform has 2-6 h warning efficiency before the occurrence of possible heavy rain in the down flow, extrapolation forecast in 30 min is almost the same with the truth,which thus has some instruction significance in weather nowcasting in Xinjiang.

SWAP；mesoscale convective system（MCS）；short-term heavy rainfall；warning technology

P445

B

1002-0799（2017）03-0038-09

張云惠，李建剛，譚艷梅，等.基于SWAP平臺的新疆中尺度對流系統判識及應用[J].沙漠與綠洲氣象，2017，11（3）：38-46.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.006

2017-02-04；

2017-03-13

中國氣象局預報員專項（CAMYBY2017-084）；中國沙漠氣象科學研究基金（sqj2014008）；中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目（CMAGJ2015M69）共同資助。

張云惠（1968-），女，高級工程師，主要從事中亞低渦及新疆暴雨（雪）研究。E-mail：715208285@qq.com