阿勒泰地區夏季短時強降水對流參數特征

李新豫，李博淵，莊曉翠

（阿勒泰地區氣象局，新疆 阿勒泰 836500）

阿勒泰地區位于新疆最北部，北部至東南部是呈西北東南向的阿爾泰山脈，西南部是呈東西向的沙吾爾山，南部是準噶爾盆地北沿。境內有高山、湖泊、戈壁、沙漠等，由于特殊的地形地貌以及位于中高緯度，造成夏季多強對流天氣。據資料統計短時強降水強度和頻次均有所增多，強度較強，災害較重。如2016年6月17日阿勒泰地區青河縣大青河上游出現短時強降水、2017年6月30日阿勒泰地區受中亞低渦的影響，哈巴河縣合孜勒哈克村出現最強的短時強降水（37.5 mm/h），引發山洪，致使農牧業及水利設施等嚴重受損。因此，對短時強降水及時準確的預報預警可為當地政府防災救災提供決策依據，短時強降水預報也是夏季阿勒泰地區氣象工作的重點和難點。近年來，國內外許多氣象工作者[1-6]對短時強降水的環流分型、發生發展機理、氣候特征和環流背景等做了大量的工作，得到了一些有意義的結論。如美國短時強降水一類是高低空急流配合較好，地面暖鋒附近切變強，層結不穩定，該類主要是白天受熱導致不穩定度達最大時發生短時強降水；另一類主要是上干、下濕，干冷空氣疊加于暖濕空氣上，造成對流不穩定[1]。西北地區東部短時強降水分為低渦型、低槽型、兩高切變型和西南氣流型等4類，并總結了其天氣學中尺度概念模型[3]。山西太原短時強降水分為冷渦型、高空槽型、高空槽加副高型、西北氣流型等4類，并對比分析了4類短時強降水的環境參數特征[4]。聊城地區通過探討與強對流天氣相關性顯著對流參數的閾值，確定該地區強對流預報判定指標，建立了夏季強對流天氣預報模型[5]。對中國中東部不同級別短時強降水天氣的環境物理量進行了較詳細的分析，并分析了不同類型短時強降水的大尺度環流背景[6]。

早期，新疆強降水研究主要集中在大尺度環流背景、水汽來源及輸送等方面[7-9]，研究有效提高了新疆強降水預報水平。隨著觀測站網的日益完善，精細化資料日趨豐富以及中尺度數值模式的廣泛應用，許多學者對局地突發性暴雨、致洪暴雨及誘發地質災害暴雨進行了細致分析[10-13]。運用EC細網格資料研究表明，阿勒泰地區短時強降水T-ln P主要具有上干冷下暖濕的特征，并總結了環境參數閾值[14]。也有研究表明，南疆短時強降水T-ln P有4種類型：整層濕、上濕下干、上干下濕、干絕熱型，對其關鍵環境參數也進行了統計分析[15]。烏魯木齊市短時強降水有西西伯利亞低槽型、中亞低渦和西北氣流3種類型，統計了常用環境參數特征[16]。另外，運用新疆105個氣象站資料對該區≥5.1 mm/h的短時強降水特征也進行了研究[17]。阿勒泰地區運用探空站資料研究短時強降水還是空白，因此本文運用阿勒泰探空站資料，對其附近的短時強降水T-ln P和環境參數特征進行研究，為阿勒泰地區短時強降水預報預警提供參考依據。

1 資料和方法

1.1 短時強降水定義

目前我國尚無統一的短時強降水定義標準，在預報業務中，中央氣象臺和我國中東部地區氣象部門均將1 h降水量≥20 mm的降水記為短時強降水[18]。根據多年的預報服務實踐、暴雨洪水成災事實和干旱半干旱地區暴雨特點，結合新疆實際預報業務，新疆氣象部門將短時強降水標準調整為1 h降水量≥10 mm[14-15，19]。短時強降水過程定義為：（1）1 h內有2個或以上相鄰的測站（200 km范圍內）雨強均≥10 mm/h；（2）同一測站連續2 h或以上雨強≥10 mm/h。滿足上述任意一條，即為一次短時強降水過程[14-15，19]。

1.2 資料及方法

采用2010—2018年夏季（6—8月）經新疆氣象信息中心篩選、整理、檢測的小時降水數據，并剔除不完整或錯誤資料，嚴格實現了數據質量控制的國家站及區域自動站逐時降水量資料，以及阿勒泰地區阿勒泰站1部GFE（L）型高空氣象探測雷達站每日08、20時（BT，下同）有效探空數據，選取時次為強對流天氣發生之前最近時次，所選測站為距阿勒泰探空站100 km之內的區域自動站，統計該范圍出現的符合上述標準的短時強降水過程共27次。探討短時強降水T-ln P溫濕廓線特征及對流參數（環境參數）特征；并運用箱形圖確定對流參數閾值，為阿勒泰地區短時降水潛勢預報奠定基礎。

深厚濕對流的發生需要大氣不穩定、水汽和抬升3個基本條件。因此，本文選用預報業務中常用的環境參數，靜力穩定度（850和500 hPa間的溫差T850-500、熱力穩定度（A指數、K指數、SI指數、抬升指數LI）、能量參數（濕對流位能CAPE及對流抑制能CIN）、動力穩定度（垂直風切變（Vertical Wind Shear，VWS，用0～6 km的風矢量差來反映抬升條件的）；水汽條件用地面至700 hPa露點平均值表示（Td），以及反映降水效率的暖云層厚度（Warm Cloud Thickness，WCT）等參數來研究阿勒泰地區短時強降水的對流參數特征。

2 結果與分析

2010—2018年夏季阿勒泰地區短時強降水主要發生在阿爾泰山和沙吾爾山的沿山、山地迎風坡、地形陡升區、喇叭口、戈壁與烏倫古湖交界等特殊地形附近，其中阿爾泰山的沿山、吉木乃縣沙吾爾山的北側迎風坡發生頻次最多，其次是福海縣烏倫古湖南部附近。在月、旬、日分布上均呈單峰型，峰值分別出現在7月、7月上旬和午后至傍晚。因此，本文選取阿勒泰探空站資料來分析其有效探測范圍內區域自動站短時強降水T-ln P圖及其環境參數特征具有一定的參考意義。

2.1 溫濕廓線形態（T-ln P）特征

分析阿勒泰地區27次短時強降水過程發生前最近時次的T-ln P圖可知，該區有2類探空曲線特征：整層濕型，即在T-ln P圖整個對流層濕度都較好，濕層深厚，溫濕廓線基本平行（I型，圖2a）。上干下濕型，即對流層高層較干，中低層或對流層低層濕度較好，溫濕廓線呈漏斗狀（II型，圖2b和圖2c）；它們的共同特征是具有一定的正能量區。I型共有6例，占個例總數的22.2%，主要發生在中亞槽前型和中亞低渦型，沿山、山麓和山區地帶發生頻次較多；6月下旬和8月上旬多發，午后至傍晚較易發生。II型共有21次，占個例總數的77.8%。主要為低槽（渦）前型，大多出現在平原和沿山地帶，6月下旬—7月下旬較頻發，午后至傍晚前后較易發生。

圖2 阿勒泰地區短時強降水T-ln P圖I型（a）和II型（b、c）

2.2 關鍵環境參數特征

2.2.1統計特征

表1是2010—2018年夏季阿勒泰地區短時強降水主要環境參數的各月平均值分布，T850-500在26～27℃。6月T850-500為26℃，其他月份為27℃，說明7—8月大氣條件不穩定度較高，發生強對流天氣的概率高于6月。Td夏季各月平均為10℃，說明阿勒泰地區夏季低層水汽條件充足。CAPE的平均值在6月最小，只有479 J/kg；7月達到最大，為833 J/kg；8月減小。CIN分布與CAPE值一致，說明7月濕對流不穩定能量釋放最多，即對流天氣最易發生。VWS在7月為最大值，說明大氣斜壓性較強，VWS平均值為15 m/s；6月較小，為弱的垂直風切變，7—8月為中等強度垂直風切變。WCT 7月最厚，6月最薄，說明7月更有利于高效率短時強降水的出現。7月SI和LI絕對值均為最大，6月最小，說明7月熱力不穩定層結最強。K指數夏季各月基本相當。因此，從阿勒泰地區夏季主要環境參數月平均值來看，7月更有利于短時強降水的發生。

表1 2010—2018年夏季阿勒泰地區主要環境參數的月平均值

2.2.2靜力穩定度

日常業務中常用850和500 hPa之間的溫差表示大氣靜力穩定度參數，夏季干絕熱層結T850-500約為38～39℃，濕中性層結（假絕熱曲線）T850-500大約為20～21℃。一般地對流性天氣T850-500在21～39℃，其值越大，代表條件不穩定性越強。據統計阿勒泰地區夏季晴空少云天氣較多，T850-500多在27℃附近，即阿勒泰地區夏季極易滿足靜力不穩定條件。由于阿勒泰地區探空曲線只有整層濕I型和上干下濕型II型，且上干下濕型最多，因此，主要對該型的環境參數箱形圖進行分析，I型短時強降水個例較少，沒有統計意義。

圖3是阿勒泰地區短時強降水探空溫濕度廓線類II型T850-500、Td、VWS及K指數箱形圖，圖中線段的最高點為統計最大值，最低點為統計最小值，箱形的上部框線為上四分位值，下部框線為下四分位值，箱內線為中位線，“×”為平均值（下同）。中位線（該線不一定位于箱形正中間）表示包含樣本總數50%個例的樣本數值，從最小值到上四分位值、下四分位值分別表示包含樣本總數的75%和25%（下同）。圖中空心圓點為異常值[20]。由圖3可知，T850-500中位數為26.9℃、平均值為26.8℃，最小到最大值為22.8～32.3℃，都明顯高于濕中性層結的20～21℃，呈現為明顯的條件不穩定層結。該型短時強降水天氣個例T850-500最小值為22.8℃，因當日出現強對流天氣前，以多云到陰的天氣為主，大氣層結接近于濕中性層結，造成T850-500較小的現象。雖然短時強降水天氣的所有個例，850～500 hPa都具有明顯的條件不穩定層結，仍可通過25%~75%百分位值對該類型加以區分，即該型25%~75%百分位值為24.8～28.6℃，因此，以25%百分位值作為阿勒泰地區短時強降水II類型的判斷條件。綜上所述，T850-500的25%百分位值24.8℃可以作為阿勒泰地區短時強降水閾值。

圖3 阿勒泰地區II型短時強降水T850-500、T d、K指數（單位：℃）和VWS（單位：m/s）箱形圖

2.2.3熱力穩定度參數

在預報業務中，K指數預報對流天氣運用較多，當溫度遞減率越大，累積不穩定能量越多，且低空水汽接近飽和時，層結不穩定明顯，K指數越大；SI指數（SI）定性的判斷對流層中層（850～500 hPa）是否存在熱力不穩定層結；抬升指數（LI）是判斷自由對流高度至500 hPa是否存在熱力不穩定層結；SI和LI＜0，表示層結不穩定。阿勒泰地區短時強降水探空溫濕度廓線II型對應的K指數25%~75%百分位之間的范圍為32～35.6℃（圖3）。SI指數25%~75%百分位之間的范圍為-1.6～0.5℃（圖4a）。抬升指數25%~75%百分位之間的范圍為-3.8～-1.5℃（圖4a）。A指數25%~75%百分位之間的范圍為4.7～18.0℃。因此，阿勒泰地區短時強降水K指數、SI指數、抬升指數（LI）、A指數的閾值分別為≥32℃、≤0.5℃、≤-1.5℃和≥4.7℃。

2.2.4能量參數

對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）值是日常業務中判斷深厚濕對流潛勢的重要參數，反映了大氣環境中是否能發生深厚對流的熱力變量，通常與對流抑制能（CIN）結合在一起作為判斷深厚濕對流發生潛勢和潛在強度的重要指標之一。圖4b是探空溫濕度廓線II型短時強降水天氣CAPE的箱形圖，CAPE值分布較比較集中，有一個異常極大值2 104 J/kg，除此之外，最小到最大值127～1 748 J/kg，其中最大值出現在2017年7月2日，造成阿勒泰地區西部中部短時強降水過程。中位值為520 J/kg，25%~75%的范圍為274～892 J/kg。綜上所述，CAPE值分布采用25%百分位值274 J/kg作為最低閾值。

對流抑制能CIN的物理意義是指抬升力必須克服一定大小的浮力才能將氣塊抬升到自由對流高度，即深厚濕對流形成所需要的抬升觸發強度由CIN決定。II型短時強降水的CIN值25%~75%百分位的范圍為8.5～173 J/kg，因此，阿勒泰地區短時強降水CIN的閾值可以設定為≤173 J/kg。

2.2.5動力穩定度參數

垂直風切變是對流能否發展和維持的關鍵因素，是風向風速隨高度的變化，在給定水汽、靜力不穩定性及抬升觸發的條件下，對流性風暴組織的特征決定于垂直風切變的大小，是強對流天氣預報的重要參數。通常用地面到6 km高度的風矢量差來表示深層垂直風切變，俞小鼎等[21]將0～6 km垂直風切變劃分為3類，即＜12 m/s的定為弱的垂直風切變，12～20 m/s為中等強度垂直風切變，≥20 m/s為強的垂直風切變。阿勒泰地區短時強降水探空溫濕度廓線II型0～6 km垂直風切變的25%~75%百分位的范圍在7.4～19 m/s（圖3），中位數為10.7 m/s，屬于中等偏弱的垂直風切變，說明阿勒泰地區多數短時強降水發生在中弱的垂直風切變下。在中弱的垂直風切變情況下出現的強對流天氣，多數由脈沖風暴所產生[22]。0～6 km垂直風切變最大值為28 m/s，出現在2014年7月29日，當日阿勒泰市3站出現≥10 mm/h的短時強降水過程。采用25%百分位值7.4 m/s作為預報阿勒泰地區短時強降水的閾值。

2.2.6水汽特征

水汽是深厚濕對流產生基本條件之一。阿勒泰地區強對流多發的夏季，水汽主要集中在大氣中低層，用探空溫濕度廓線類型地面至700 hPa露點均值代表水汽的絕對量Td。Td的箱體較窄，濕度值較集中（圖3）。II型對應的Td范圍最低5.4℃、最高13.3℃；對應的Td箱形圖中25%~75%百分位的范圍為8.6～11.9℃。因此，阿勒泰地區短時強降水天氣可選擇地面至700 hPa露點溫度8.6℃作為水汽條件閾值。

2.2.7暖云層厚度

當短時強降水天氣具備了不穩定、水汽和抬升觸發條件外，還有一個條件就是暖云層厚度。將抬升凝結高度到0℃層高度之間的高度差定義為暖云層厚度。暖云層厚度越大，降水效率越高，越有利于強降水的產生。由阿勒泰地區短時強降水探空溫濕度廓線II型對應的暖云層厚度的箱形圖（圖4b），可知，WCT箱體較窄，值較集中。II型短時強降水對應的中位數值為2.8 km，最小到最大值為2.2～3.3 km，25%~75%百分位范圍為2.5～3.1 km，阿勒泰地區短時強降水暖云層厚度明顯低于國內其他地區，這可能是造成短時強降水的量級及強度偏弱原因之一。因此，以暖云層厚度的25%百分位值2.5 km作為阿勒泰地區短時強降水閾值。

圖4 阿勒泰地區短時強降水SI、LI、A指數（單位：℃）及對流有效位能CAPE及對流抑制能（單位：J/kg）和暖云層厚度（單位：m）的箱形圖

3 關鍵參數總體特征及閾值

表2給出了阿勒泰地區2010—2018年27次短時強降水天氣過程T850-500、地面至700 hPa露點溫度、對流有效位能CAPE、0～6 km垂直風切變以及暖云層厚度、K指數、SI指數、抬升指數、A指數等各類敏感參數的最小值、25%百分位值、中位數值、75%百分位值和最大值分布。綜合上干下濕型（II型）各參數閾值，以二者最小的25%分位值作為預報阿勒泰地區短時強降水閾值相對較好。因此，綜合閾值為：850和500 hPa溫差預報閾值為24.8℃，地面至700 hPa露點溫度預報閾值為8.3℃，對流有效位能CAPE預報閾值為274 J/kg，0～6 km垂直風切變預報閾值為6.0 m/s、暖云層厚度預報閾值為2.4 km，K指數為32℃，SI指數預報閾值為0.5℃，抬升指數預報閾值為-1.4℃，A指數預報閾值為4.7℃。上述閾值除抬升指數占比為78%外，其他參數占比在81%～85%。

表2 阿勒泰地區短時強降水關鍵環境參數分布特征

4 結論與討論

（1）2010—2018年夏季阿勒泰地區短時強降水主要發生在阿爾泰山和沙吾爾山的沿山、山地迎風坡、地形陡升區、喇叭口、戈壁與烏倫古湖交界等特殊地形附近，其中阿爾泰山的沿山、吉木乃縣沙吾爾山的北側迎風坡發生頻次最多，其次是福海縣烏倫古湖南部附近；6月下旬—7月下旬多發，午后至傍晚較易發生。

（2）從T-ln P的溫濕廓線形態來看，阿勒泰地區短時強降水分為I型（整層濕）、II型（上干下濕），2種類型；I型、II型發生前大氣層結水汽含量充沛、具有一定暖云層厚度及熱力和靜力不穩定層結、中弱的垂直風切變，較小的濕對流有效位能等特征，而合適的對流抑制能，有利于對流不穩定能量的積聚和爆發，促進短時強降水的發生。

（3）夏季阿勒泰地區短時強降水的主要環境參數月平均值Td和K指數各月基本一致，T850-5006月最小，7—8月一致；其他環境參數均表現為7月最大，6月最小，說明7月更有利于短時強降水的發生。

（4）阿勒泰地區短時強降水對應綜合閾值：850和500 hPa間溫差的最低閾值（25%百分位值）≥24.8℃；地面至700 hPa露點溫度的最低閾值≥8.3℃；CAPE值最低閾值≥274 J/kg；0～6 km垂直風切變的最低閾值≥6.0 m/s；暖云層厚度≥2.4 km；K指數≥32℃；SI指數為≤0.5℃，LI抬升指數≤-1.4℃，A指數≥4.7℃。

由于阿勒泰地區探空站100 km范圍內只有一個國家站，其他都是區域自動站，且多數自動站位于無人區，而本文的短時強降水天氣大部出現在區域自動站，無法觀測到是否伴有冰雹等強對流天氣。在討論短時強降水T-ln P圖及關鍵環境參數閾值時沒有討論中尺度觸發機制，有待于進一步研究。