阿克苏地区一次强对流天气卫星云图及雷达特征分析

2017-11-06曲良璐谭甜甜周雪雁

陕西气象 2017年5期

关键词：积云阿克苏地区阿克苏

曲良璐，谭甜甜，周雪雁

(1.中亚大气科学研究中心,乌鲁木齐 830001；2.阿克苏地区气象台，新疆阿克苏 843000)

曲良璐，谭甜甜，周雪雁. 阿克苏地区一次强对流天气卫星云图及雷达特征分析[J].陕西气象，2017(5)：6-12.

1006-4354(2017)05-0006-07

2017-06-13

曲良璐(1991—)，女，河南南阳人，本科，助理工程师，主要从事中短期预报服务。

中亚大气科学研究基金课题(CASS201723)

阿克苏地区一次强对流天气卫星云图及雷达特征分析

曲良璐1,2，谭甜甜2，周雪雁2

(1.中亚大气科学研究中心,乌鲁木齐 830001；2.阿克苏地区气象台，新疆阿克苏 843000)

利用常规气象资料、FY-2F/G云图和CINRAD/CC雷达等资料对2016年7月8日阿克苏地区强对流天气的卫星云图及雷达特征进行了分析。结果表明：(1)锋区短波配合中层湿冷、低层干暖的大气层结，加之中低层较大的垂直风切变及地面中尺度触发(辐合线、干线)机制，有利于对流系统的生成、发展及维持；(2)探空物理量表现出一定的短时大风、冰雹等对流天气潜势；(3)V型云、楔形云、弧状云线、下风方向卷云羽及上冲云顶、褶皱及暗影表明对流云垂直发展高，垂直风切变大、上升气流强；(4)水汽云图上，头边界西南侧有晴空大气湍流发生，对流云沿干湿空气边界不断发展合并，最强天气出现TBB亮温梯度大值区；(5)影响温宿县、柯坪县产生大风的系统分别为脉冲风暴和阵风锋；(6)雷达图上表现出了三体散射、弱回波区、强回波偏移、径向速度辐合等特征。

强对流天气；中尺度分析；卫星云图特征；雷达特征

阿克苏地区地处天山南麓的背风坡，由于地形影响，雷暴灾害具有局地性和地域性特征，影响各市(县)的主要气象灾害类别也有所不同[1-2]。其中雹暴是阿克苏地区主要的气象灾害，每年因冰雹造成的经济损失上亿元。不少学者对阿克苏地区雷暴天气开展了相关研究，艾力·买买提明[3]对阿克苏地区雷暴时空变化特征进行了研究；张俊兰[4]、买合皮热提·吾拉木[5]、曹立新[6]等对阿克苏雹暴天气的环流形势分型及气候特征开展了研究，总结出影响阿克苏地区冰雹的四种天气环流系统，统计了冰雹发生频次时空分布特征。马禹[7]、杨莲梅[8]、彭江良[9]等针对新疆及阿克苏冰雹的卫星云图特征做了研究。张俊兰[10]、张磊[11]、刘进新[12]通过个例对阿克苏冰雹的多普勒雷达特征做了分析，并得出一些预报指标。本文在专家对冰雹天气特征相关研究[11-13]的基础上，利用阿克苏区域自动站资料、FY-2F/G云图资料、阿克苏CINRAD/CC雷达资料对2016年7月8日影响阿克苏地区强对流天气的中小尺度系统的卫星及雷达特征进行了研究，加深预报员对强对流天气发生发展的认识。

1 天气实况

2016年7月8日16—22时，阿克苏地区柯坪、阿瓦提、阿拉尔、温宿、阿克苏市气象站相继出现短时强降水、雷暴大风、冰雹等强对流天气 (表1)。后期调查显示上述县市部分乡镇也遭受了雷雨大风、冰雹袭击，冰雹直径普遍在10～40 mm，降雹持续时间为1～20 min。此次强对流天气自西向东传播，影响范围广，持续时间长，造成的灾害严重。

2 环流背景及对流潜势

500 hPa天气图上，7日08：00(强对流发生前)，伊朗副热带高压位于阿拉伯海以北，西太平洋副热带高压与大陆暖性高压合并控制我国东部地区，同时副热带锋区北抬至50°N以北，乌拉尔山高压脊较前期减弱南退，并不断有弱冷空气从高纬地区向中纬度地区输送，里海—咸海—新疆多短波槽活动。喀什—阿克苏—巴州为偏南风，风速达12 m/s；且喀什—阿克苏西部t-td≤2 ℃，可以看出此时南疆西部中层暖湿，环流形势有利于出现降水天气。

表1 2016-07-08T08—09T08阿克苏地区部分测站监测信息

从中尺度强对流潜势(图1，见第11页)来看：500 hPa位于巴尔喀什湖中亚低槽分裂的短波槽影响南疆西部，阿克苏受槽前西南气流影响，将来自阿拉伯海的水汽沿青藏高原输送至北疆北部；同时西伯利亚—青藏高原西部为深厚温度槽，温度槽穿过阿克苏地区，阿克苏测站24小时负变温超过3 ℃，中高层受冷湿空气控制。700 hPa天气图上，阿克苏—巴州存在切变线，阿克苏受西北气流影响，南疆西部处于温度脊区；喀什—阿克苏存在干线；孟加拉湾—新疆东部有一条暖湿水汽输送带，水汽及热量源源不断的向南疆西部供应，水平干湿分布不均匀，层结不稳定增强。850 hPa南疆盆地受低压环流控制，南疆西部处于温度脊区，500 hPa至850 hPa温差大于28 ℃，有较强的热力不稳定。地面上，阿克苏位于冷高压东南部，受此冷高压影响阿克苏气压升高。由于地面干冷平流的入侵，在喀什—阿克苏形成风场辐合线及干线，辐合线及干线有利于触发中小尺度对流；从高低空配合来看，中层湿冷低层干暖，较大的垂直风切变增强了南疆盆地的动力及热力不稳定条件，同时地面存在一定的中尺度触发机制，有利于对流系统在本地的生成、发展及维持。

从7日08时阿克苏站探空曲线(图略)来看，露点曲线呈现为上湿下干型，温度曲线表现出底层逆温。探空物理量表现出一定的对流潜势，较低抬升凝结高度 (LCL为845 m)，较大的对流有效位能(CAPE为566.7 J/kg)，低层存在一定的下沉有效位能(DCAPE值为625.03 J/kg)及抑制能量(CIN为311 J/kg)，但对流温度为27.4 ℃，午后升温明显，很容易破坏对流抑制，有产生雷暴大风的可能。K指数为29 ℃、SI指数为0.19 ℃、LI指数为-3.36 ℃，K指数与SI指数表现不理想可能是由于低层湿度以及逆温引起的，但LI指数较好。综合来看，当低层逆温破坏，对流发展高度在500 hPa以上时，有利于出现强风暴。根据阿克苏地区预报员统计，当0 ℃高度为3～4 km，-20 ℃高度为6～7 km时有利于冰雹产生[4]。本次过程0 ℃高度为4 296 m，-20 ℃高度为7 144.5 m，比较有利于冰雹的产生。根据风向来看，低层存在暖平流，高层存在冷平流，冷暖平流增强了中低层热力不稳定。

图1 2016-07-08T08:00影响阿克苏地区强对流天气的中尺度分析

A、B、C、D、E、F、G、H为不同时刻单体，红色圈内表示外流云线,加号表示单体合并图2 2016-07-08影响阿克苏地区强对流天气的可见光云图动态

图4 2016-07-08T16:12—T16:29阿克苏CINRAD/CC雷达反射率因子及其垂直剖面图(红色线条为剖面位置)

图5 2016-07-08T16:46—T17:09阿克苏CINRAD/CC雷达0.5°仰角基本反射率因子及径向速度(红色圆圈为阵风锋；黄色三角为阵风锋激发的新生单体)

图6 2016-07-08T18:28—T18:34阿克苏CINRAD/CC雷达组合反射率因子、反射率因子垂直剖面图及0.5°仰角基本反射率因子及径向速度演变

3 卫星云图特征

3.1 可见光云图

可见光图像的分辨率高，能够更好的反应强对流天气发生发展特征。8日12：00，新疆北部地区存在大范围涡旋云系。阿合奇县(A)、乌什县北部山区(B)有积云发展,柯坪县南部存在带状云线(C)，涡旋云系南部积云D位于阿克苏北部山区。13：30积状云A、B、D发展增强，且范围扩大，带状云线C东移。从图2(见第11页)可以看出，14：30(图2a)，积云A、B快速增长东移至柯坪县—乌什县，两块积云有所合并，其东侧下风方向云体尾部出现薄雾状的卷云羽；同时积云D向西南侧甩出一条云线，带状云线C东移至阿瓦提县境内。15：30，积云A、B合并，积云D甩出弧状云线逐渐脱离母体，柯坪县、温宿县、阿瓦提县、阿拉尔市境内出现多块细胞状云团E、F、G。16：00合并后的积云AB继续东移发展；弧状云线脱离母体后与积云E合并增强；南部细胞云C、F、G在向东北移动的过程中不断发展，积云发展高度较高，云顶有明显的褶皱和暗影区。17：00(图2b)积云AB与积云G合并，云体呈楔形，楔型的顶点有明显的上冲云顶周围可见暗影；细胞云C、F、H云体呈V型，而V型云常常发生在对流层中上层的强风环境中；同时积云E又产生一条向四周扩散的弧状云线。楔形云及V型云表明有强的垂直风切变。上冲云顶及弧状云线表明高空的动量随强的下沉气流传送到地面，并带来地面破坏性强风[14]；且由于高空与地面垂直风切变较大，同时也可能产生冰雹等强对流天气。17：30(图2c)与18：00(图2d)积云不断增长东移，逐渐合并为大的积云，云系主体位于柯坪县、阿克苏市、温宿县及阿瓦提县，云体下风方向卷云羽清晰，高空强风维持。此时对流云仍处于发展阶段，与之相对应上述县市出现雷暴大风、短时强降水、冰雹等强对流天气。19：00各积云东移合并成对流复合体并达到最强阶段，结构完整，云体东南侧凸起和褶皱明显；其东侧有明显的暗影区，表明整个云体发展高度较高；云体尾部有纤维状卷云，表明高空风仍然比较强劲，这应该和200 hPa高空急流的存在有关。

从12：00积云单体东移发展至19：00成为对流复合体，可见光云图上出现了一些明显的对流天气特征，如V型云、楔形云、弧状云线、下风方向卷云羽等表明高空风强，整层垂直风切变大；上冲云顶、褶皱及暗影表明对流云垂直发展高，上升气流强劲且持续时间长。这些因素影响阿克苏地区西部产生了大范围的雷暴大风、短时强降水、冰雹等强对流天气。

3.2 红外云图

3.2.1 水汽云图水汽是大气运动的示踪物。水汽图上的暗区及水汽边界为水汽不连续处，由于水汽不连续，造成温度等气象要素不连续，通过这些来分析对流云初生和发展特征[15]。

12:00新疆北部为大片水汽区，南疆盆地为相对暗区，西部国境线以外存在西北—东南向的水汽羽。水汽区的西侧出现较为整齐的边界，向上游一侧凸起，它的一侧为冷的湿区和高云区；另一侧为一狭窄的干黑带，形成了明显的头边界。14:00—20:00水汽区一边逆时针旋转一边向西南方发展，同时暗区随着时间越来越暗，在变暗过程的同时被拉长；而干湿空气之间下游的边界随时间越来越清晰，在边界处不断发展出许多团块状水汽区位于阿克苏上空；这些团块状水汽区合并发展，阿克苏出现强对流天气。由水汽图可以看出，影响阿克苏的强对流云团是从雷暴云的西南边界、水汽暗带的前沿、卷云北界的晴空区内发展起来，其形成与晴空大气湍流有关。观测表明，晴空大气湍流与高空气流的波有关，当水汽图上的暗带变暗达3 h以上时，大气湍流发生，这种水汽图上变暗表示高层有冷平流导致的强辐合下沉运动，出现强风速垂直切变，产生湍流运动[15-16]；在水汽图上暗区变暗最快的地方往往是湍流发生最频繁和最强烈的地方。

3.2.2 长波红外云图及TBB 柯坪站及温宿站出现小时雨强大于10 mm的时次分别为16：00—17：00、17：00—18：00。由图3(见第11页)可以看出，16：00(图3a)对流云团呈西南—东北向，对流云团中心云顶温度最低为237 K，对流云西南方呈V型结构，说明高空风强，辐散抽吸有利于垂直运动加强。此时柯坪位于对流云团东部，TBB值为249 K。从亮温及亮温梯度分布来看，柯坪处于TBB梯度区，有利于产生短时强降水[13,15]。从TBB等值线分布来看，未来对流云团将向东北方向移动并有所发展。17：00(图3b)，对流云东移发展影响范围扩大，主体移入柯坪城区，柯坪城区降水持续但有所减弱。从图3c、图3d可以看出，影响温宿的强对流云团向东南方向发展，对流云团中心最低云顶温度为237 K，17：00温宿处于云团东南部边缘TBB值为278 K处，温宿站热力条件好，有利于云团东移发展加强；同时测站与对流云主体亮温差值为40 K，亮温梯度大，此时温宿出现短时降水。18：00，主体云与西南部对流云合并，影响范围扩大，温宿站降水持续但有所减弱。由此可以看出短时强降水出现在云团逼近时的TBB亮温梯度大值区，此次对流云团最低云顶亮温为237 K(-36.5 ℃)，对流发展高度和强度都不很强。

4 雷达特征

4.1 雷暴大风

由表1可以看出，16：00—17：00柯坪县、温宿县先后产生了6级以上的阵风，利用阿克苏CINRAD/CC雷达资料分析此次雷暴大风的雷达特征。

从图4(见第12页)可以看出，16：12柯坪县西部有一条带状回波，回波中存在多个强回波中心。对靠近柯坪县城的一个强回波单体做反射率因子垂直剖面可以看出，此回波为初始发展阶段，多个回波中心强度都不大(为35 dBz左右)，强回波中心离地高度为5～6 km。16：17北部单体发展，强回波范围扩大且强度增强至40 dBz；同时可以看出此单体较周围回波伸展高度高，说明其上升气流强盛。16：23北部单体继续发展加强，中心回波强度达45～50 dBz，强回波高度在6 km左右。16:29强回波迅速减弱同时开始接地，强回波中心高度由16：23的6 km突降至4 km；同时单体向东北方向移动到达柯坪县城，此时柯坪产生大风天气。通过对比分析可知，影响柯坪的单体风暴具有以下特点：(1)初始回波高度在6 km左右；(2)强回波中心值为45～50 dBz，高度在6 km左右；(3)大风产生时强回波强度迅速减弱，高度迅速降低。此风暴具有典型的脉冲风暴特征[16]。

图5(见第12页)为0.5°仰角时的基本反射率因子及径向速度图。16：46温宿县西北部发展强盛的回波带，中心回波强度为55 dBz并不断向东南方向移动；强回波中心距温宿县为30 km左右，且强回波向东南部甩出一条弧状窄带回波，强度为5～10 dBz。与之相对应的径向速度图可以看到强回波中心移动速度达20 m/s,而弧状窄带回波速度值较小，且存在一定的速度辐合。16：57—17：03，对流云进一步发展，同时弧状窄带回波不断远离强回波母体，并距离温宿县15 km左右；同时在此窄带回波西侧出现一个新的对流单体，新生单体与窄带回波并未分离。17：09强回波母体继续东移南下，弧状窄带回波到达温宿县内，与之相对应的速度图上表现为5～10 m/s的正速度，随后温宿县城出现了6级左右阵风。分析可知，影响温宿县产生大风天气的系统为发展强盛的对流单体前沿的阵风锋,具体表现为强回波前部回波强度为5～10 dBz的弧状窄带回波。

综上可知，温宿县、柯坪县产生大风的中小尺度系统并不相同，分别为脉冲风暴以及强回波前部产生的阵风锋。在以后的预报预警中可以通过分析强回波前部的窄带回波配合低仰角径向速度图，强回波初始发展高度和强度初步判断强对流类型以及连带产生的灾害性天气，发布短时临近预报预警。

4.2 冰雹

此次强对流天气过程中，多个市(县)遭受冰雹袭击，其中18：00—19：00阿克苏市的冰雹主要集中在喀拉塔勒镇。

18：28(图6，见第12页)在喀拉塔勒镇，有一新的对流单体生成，其回波中心强度为40 dBz左右，从剖面图来看此单体在初始阶段就存在强回波随高度向强回波中心右侧偏移的现象，且其下方存在弱回波区，并存在明显的回波强度梯度，表明上升气流强烈。同时强回波中心左侧有明显的云砧，表明高空风速较大，垂直风切变大。同一时刻速度图上正负速度对表现出了气旋式辐合的特征。由此可以看出，单体在初始时刻就表现出了一定的冰雹特征。18：34(图6，见第12页)对流单体进一步发展，回波中心强度达55 dBz，2.4°仰角基本反射率因子图中可以看出明显的三体散射结构，速度图上喀拉塔勒镇处为辐合区，加之剖面图中的有界弱回波区、回波悬垂、强回波中心偏移以及在2～7 km的强回波高度都预示了冰雹的发生。而08时探空曲线上0 ℃层高度与-20 ℃高度分别为4 296 m及 7 144.5 m，对应0 ℃高度及-20 ℃高度处回波强度分别为55 dBz和40～45 dBz，一定程度限制了冰雹直径的增长[14,17]，所以此次降雹以小雹为主。18：39—18：45(图略)，回波强度减弱，强回波高度降低，回波悬垂消失，速度图中辐合消失。此时上升气流开始减弱，单体成熟逐渐消散，降雹趋于停止。