阿克蘇地區短時強降雨時空分布和衛星云圖特征

曲良璐，譚甜甜，王雨思

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2.阿克蘇地區氣象局，新疆阿克蘇 843000；3.新疆維吾爾自治區氣候中心，烏魯木齊 830002)

我國每年由于暴雨、山洪等氣象災害給國家和人民造成了很大的經濟損失。隨著氣象事業的發展，尤其是近十年來自動氣象站已基本覆蓋人跡可去的絕大部分區域，因此，對降雨特征的研究也豐富起來。陳春艷等[1]、楊蓮梅等[2]研究發現新疆降雨在量級、持續時間及區域分布上差異明顯。唐冶等[3]、趙克明等[4]、熱孜瓦古等[5]分析了南北疆不同區域短時強降雨的變化特征。根據暴雨的形成特點可分為持續時間長、平均雨量小的長歷時降雨過程，以及短時強降雨造成的暴雨。短時強降雨造成的暴雨有著突發性強、局地雨量大、持續時間短，致災性強的特點，如何準確快速監測、預報短時強降雨是對氣象預報工作者的要求與挑戰。陳炯等[6]、李萍云等[7]、王玉龍等[8]通過分析自動站逐小時資料，詳細的闡述了當地短時強降雨的時空分布特征,秦賀等[9]在對新疆暖季降雨的研究中發現，南疆短時強降雨頻次少于北疆，但是其降雨貢獻率卻大于北疆。楊蓮梅[10]在研究新疆極端降雨時指出阿克蘇地區極端降雨量和頻次自20世紀80年代以來有顯著增多趨勢。隨著最新氣候資料的不斷累積，更有必要詳細分析阿克蘇地區短時強降雨的時空變化特點。

在對災害性天氣的監測與預警中，地球靜止衛星獲得的多通道云圖資料已成為重要的信息來源。利用衛星遙感技術監測強對流具有速度快、信息量大的優勢，可以監測局地小尺度對流云團至行星尺度天氣系統的發生、發展和演變，因此準確識別強對流天氣系統所在位置，對預測其發展、移動趨勢，應對短時災害性天氣的工作有很大幫助[11-12]。梁立為等[13]根據元胞自動機的基本原理，結合云圖發展、移動、衰減的特征，通過制定云圖像素點的移動、發展和衰減的轉換規則，預測短時(12 h內)的云圖。周曉麗等[14]通過構建多通道多閾值判識方法，分析強對流云團在紅外通道、水汽通道的變化特征，識別和監測對流云團的活動。李延江等[15]、曲良璐等[16]結合天氣形勢對產生暴雨的衛星云圖空間結構特征進行了分析，得出紅外云圖的云頂溫度、溫度梯度等與云的降雨強度有著明顯的對應關系。目前新疆對于衛星云圖資料研究應用較少，只是作為天氣過程分析的輔助手段，但由于衛星資料高時空分辨率、連續性的特性，可以通過衛星資料同化應用，結合雷達與地面資料，進一步提高強對流天氣的預報準確率和預警時間提前量。

1 資料與方法

所用資料包括2012—2018年高空、地面常規觀測資料，FY系列衛星云圖(紅外圖像、水汽圖像、紅外衛星黑體亮度溫度(TBB)產品0.1×0.1°)。衛星云圖資料下載自中國氣象局衛星氣象中心的風云衛星遙感數據服務網(http://satellite.com.gov.cn，分辨率為0.1°×0.1°經緯度網格)。短時強降雨取1 h降雨量≥10.0 mm的樣本，短時強降雨過程為相鄰區域站同一時刻出現短時強降雨或同一站相鄰兩個時刻出現短時強降雨。從阿克蘇地區195個自動氣象站(含城區測站)2012—2018年5—9月逐小時降水量數據中挑出735個短時強降雨樣本，97個短時強降雨過程。利用概率分布、統計檢驗等方法對發生短時強降雨站點的分布、頻次及最大小時降雨量、降雨日變化等特征進行分析，利用天氣學方法對短時強降雨過程進行分類，給出其時空分布及衛星云圖特征。

2 短時強降雨時間變化特征

阿克蘇地區共有區域自動站195個，其中185個區域站在2015年前完成建設并開始使用，2016年后建設站點僅為10個。通過分析逐年短時強降雨出現頻次，2017年出現最多為164次，其次是2018年的156次，2016年152次，2013年101次，2014年82次，2015年63次，2012年最少，僅出現17次，近年短時強降雨出現頻次有增多的跡象。6—8月(夏季)為短時強降雨高發期，出現頻次占總數的89.7%。其中8月出現最多達239站次，6月214站次，7月206站次。阿克蘇地區短時強降雨也有明顯的日變化特征。短時強降雨多發時段一般集中在午后16—20時，最多時次在18時，其次為19時(圖1)。小時最大降雨量發生于2016年8月18日烏什北部山區的英阿瓦提北，22時小時降雨量63.2 mm，其次在2012年7月20日烏什北部山區的英阿特，18時小時降雨量達56.9 mm。

圖1 2012—2018年阿克蘇地區短時強降雨發生頻次與小時最大降雨量日變化

夏季午后升溫快，近地面最高氣溫一般出現在16—18時，此時近地層空氣受熱氣溫上升迅速，大氣處于不穩定狀態。此時若有天氣系統配合，可產生初始抬升力，潮濕空氣上升、遇冷凝結成云；同時在高層較冷的空氣會下降，遇熱后繼續上升，由此循環，即可形成成片的對流云。對流云會產生短時強降水(即對流雨)，有時伴有大風、雷暴、冰雹甚至龍卷風等中小尺度災害性天氣。不同于系統性降雨過程，對流云的能量主要來自于地表受熱不均勻，具有尺度小、時間短、強度強，日變化明顯等特征。從圖中得知，短時強降雨日變化與典型的夏季午后對流天氣出現特征相吻合。

3 短時強降雨空間分布特征

3.1 累計頻次

阿克蘇地區位于天山南麓，塔里木盆地北緣，短時強降雨空間分布為北多南少，強降雨多沿山分布，強降雨分布特征與地形分布相關明顯。阿克蘇地區7縣2市及兵團第一師阿拉爾市的站點分布自北向南為：阿克蘇地區北部靠山區縣市為烏什縣、拜城縣；西部縣市包括柯坪縣、阿瓦提縣、溫宿縣、一師阿拉爾市、阿克蘇市；東部縣市包括庫車市、新和縣、沙雅縣。從發生短時強降雨的站點數及累計頻次來看，阿克蘇地區北部靠山區的縣市出現頻次最多，西部縣市次之、南部縣市最少。從短時強降雨累計發生頻次的空間分布(圖2)可以看出：北部山區最多、淺山區次之、平原及南部沙漠地區最少。強降雨高發區主要集中在溫宿北部山區，發生頻次多于12次；其次是淺山區的烏什北部山區、柯坪北部山區，發生頻次多于10次；平原及南部沙漠地區僅1～5次。全區出現6～10次的區域自動站站點有36個，占22.2%；68.5%的區域站不超過5次。

圖2 2012—2018年阿克蘇地區短時強降雨累計發生頻次空間分布(審圖號為新S(2019)085號)

3.2 最大小時雨強

阿克蘇地區處于暖溫帶大陸性氣候，氣候干燥，降水量小，蒸發量大，年降水量為53.2～120.6 mm，夏季暴雨多由局地短時強降水引起，一次短時強降雨天氣就可達到甚至超過年降雨量。分析自動站小時降雨量數據獲得站點雨強，得到短時強降雨小時最大降雨量，從圖3可以看出，烏什縣北部山區小時雨強可達到50～60 mm/h，遠遠高于其他站點。溫宿縣、拜城縣、庫車市北部站點小時降雨量也達32.8～40.0 mm，平原地區站點小時雨強多為15～20 mm/h。

圖3 2012—2018年阿克蘇地區短時強降雨最大小時雨強空間分布(審圖號為新S(2019)085號)

4 短時強降雨的衛星云圖特征

4.1 環流分型

所有天氣均發生在一定的大氣環流條件下，從735個短時強降雨樣本中篩選出97個短時強降雨過程，并基于大尺度天氣環流背景，分析其影響系統，發現造成阿克蘇地區短時強降雨過程的主要天氣系統為200 hPa副熱帶高空急流、500 hPa的高空槽、850 hPa切變線及地面輻合線。200 hPa副熱帶高空急流北抬并維持在天山山脈，中心風速超過40 m/s。從500 hPa影響系統來分析，主要分為兩大類：西南氣流型和西北氣流型。根據個例篩選和分析，97個個例共有69例為西南氣流型，28例為西北氣流型。西南氣流影響的短時強降雨影響范圍大，降雨強度強，造成的天氣災害性強；西北氣流類型的短時強降雨多以局地性、突發性為主，強度較西南氣流偏弱。

4.2 衛星云圖特征

利用常規氣象資料結合氣象衛星數據對影響阿克蘇地區短時強降雨天氣過程的云系發生、發展、移動、消亡等特點進行分析，初步得到短時強降雨衛星云圖的統計學特征。

4.2.1 紅外云圖 阿克蘇地區短時強降雨局地性較強，多出現在山區，主要出現于午后至夜間。通過對2012—2018年夏季阿克蘇地區的紅外云圖和降雨云團的相互關系進行分析可以得出，影響阿克蘇地區出現短時強降雨的云系分為低槽鋒面云系和雷暴云團(圖4)。低槽鋒面云系主要是由大尺度系統(低渦、低槽以及鋒面)進入阿克蘇，產生大范圍、持續性降雨，主要特點是尺度大、影響范圍廣、低層到地面可分析出中尺度輻合線，出現時間由高空系統決定。低槽鋒面云系以層云為主，中間夾雜中小尺度對流單體，多在上游地區生成逐漸東移影響阿克蘇。雷暴云團多以單體云團或多個單體云團合并而成，產生小范圍、突發性降雨，主要特點是尺度小、影響范圍小、出現時間多在12時以后，14—16時云團快速增長并產生顯著降雨。雷暴云團多為積云，并以本地生成為主。

圖4 阿克蘇地區短時強降雨的主要云系(a 雷暴云團；b 低槽鋒面云系)

統計2012—2018年短時強降雨個例與云團配合關系可以得出，低槽鋒面云系共有36例， 雷暴云團發展61例，影響阿克蘇地區的主要云系為本地生成的雷暴云團。分析雷暴云團的發生發展，可以看出雷暴云團形成類型主要有低渦外圍、多雷暴云單體兩類(圖5)。當低渦外圍不斷分裂冷空氣,而中低層為西南氣流控制,此時沿低渦槽前不斷有小尺度積云產生，隨著積云合并發展成熟，形成中尺度對流云系，從而造成短時強降雨。此型云系特點為，組織性強，持續時間長，影響范圍相對較大，產生的降雨強度較強。多雷暴云單體生成方式為：由于中低層弱干冷空氣入侵，多在沿山地帶受地形抬升，產生多個小尺度積云，并沿山排列，有時隨中層引導氣流向下游移動，有時產生降雨后逐漸本地消亡。此型云系特點為組織性弱、持續時間相較短，影響多為局地性、突發性，產生的降雨強度較弱。影響阿克蘇地區的雷暴云單體的生成源地主要有四個：溫宿北部山區、拜城北部山區、烏什山區以及克州生成移入，以拜城北部山區以及溫宿縣北部山區兩地較多。

圖5 阿克蘇地區雷暴云團形成方式(a 低渦外圍；b 多雷暴云單體)

雷暴云團生成時間及移動路徑：雷暴云團生成時間集中在12—16時(61次)，形狀大多呈團狀，主要路徑隨高空引導氣流(多為偏西或西南氣流)向東移或東北移。對比自動站短時強降雨統計特征，可發現短時強降雨出現時段多為雷暴云團最強時段后1～2 h之內。以2016年5月30日為例(圖6)，對流云生成時間為12：30，16時達到最強。地面共有7個自動雨量站監測到短時強降雨，強降雨起止時間為18—20時，小時降雨量為11.9～34.1 mm。

4.2.2 水汽圖像 降雨產生需要水汽的聚集和輻合，水汽圖像表現的是對流層中上層的水汽情況，可以通過分析水汽云圖大致追蹤水汽的路徑，了解產生短時強降雨水汽的輸送和輻合。按照《衛星氣象學》[17]對于水汽圖像的分類，對阿克蘇地區強降雨個例進行分析，主要分為兩類(圖7)。①斜壓葉急流邊界。其主要特征是：水汽邊界形成于急流的左側，“S”型凸起的地方，邊界較模糊，在該處，沒有急流出現。在邊界凹的下游地方，邊界清楚，急流穿過邊界，凹的上游處，急流與邊界平行重合。與環流分型中的西南氣流型相對應。②底涌邊界，其主要特征是：暗黑的干區向南凸起，就是下沉運動區南邊界，急流呈氣旋性彎曲的邊界。當高空脊前或槽后的偏北氣流突然加大而形成，并伴有急流自北向南指向邊界。在低渦東南部逆時針旋轉的水汽羽的后邊界出現水汽暗帶，當低渦云系隨著高空引導氣流向東移動時，不斷有干冷空氣卷入，在水汽羽經過的區域產生多個團狀對流單體，產生強對流天氣。與環流分型中的槽后西北氣流型相對應。

4.2.3 相當黑體亮度溫度 分析阿克蘇短時強降雨的相當黑體亮度溫度(TBB)云圖特征可以發現，強降雨多出現在兩個區域。(1)TBB邊緣密集帶(圖8a)。在TBB邊緣密集帶產生短時強降雨的特征為降雨點較為零散，降雨持續性較差。從對流云最強中心至降雨點TBB梯度值統計來看，在20 km范圍內有6～8 K的TBB梯度值。(2)TBB中心溫度最低區域(圖8b)。此類型的特征為降雨點較為集中，降雨有一定的持續性，中心TBB值多為220～230 K，阿克蘇地區的短時強降雨多為此類型。

圖8 阿克蘇短時強降雨TBB特征(a TBB邊緣密集帶；b TBB中心溫度最低區域；黑點和數值為短時強降雨發生地和小時降雨量)

5 結論

(1)阿克蘇地區短時強降雨發生頻次年際變化比較大并呈增多趨勢。6—8月為短時強降雨的高發期,其中8月出現最多，6、7月次之。短時強降雨多發時段一般集中在午后16—20時，18時最多，19時次之。

(2)阿克蘇地區短時強降雨累計出現頻次北部山區最多、淺山區次之、平原及南部沙漠地區最少。強降雨高發區主要集中在溫宿北部山區，其次是烏什北部山區、柯坪北部山區，烏什北部山區小時雨強遠高于其他站。發生短時強降雨的站數及累計頻次為北部縣市最多、西部縣市次之、南部縣市最少。

(3)影響阿克蘇地區產生短時強降雨的云系為低槽鋒面云系和雷暴云團(以此為主)。雷暴云團主要生成方式為低渦外圍分裂以及多雷暴云單體；雷暴云團主要生成于拜城縣北部山區、溫宿縣北部山區，其次為烏什縣以及克州移入；雷暴云團生成時間段集中在13—16時，形狀大多呈團狀，移動路徑為自西向東；強降雨時段發生于云團發展的中期至消亡的初期，而在云團發展的初期和衰減期降雨對應的強度較弱。

(4)從水汽圖像來看，影響阿克蘇地區短時強降雨的水汽邊界主要為：斜壓葉急流邊界和底涌邊界，分別對應于西南氣流型和西北氣流型。

(5)從TBB云圖特征來看，阿克蘇地區短時強降雨多出現在TBB邊緣密集帶和云圖中心TBB最低溫度區域。