王天義, 朱克云, 張 杰, 戴昌明, 徐 鋮

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.成都軍區(qū)空軍氣象中心,四川成都610041)

0 引言

西藏位于青藏高原,海拔高,地形復雜,由于青藏高原特殊的地形分布,其熱力和動力作用強烈影響其上空的對流活動。喬全明等[1]指出,青藏高原受熱力和動力影響,夏季雷暴活動頻繁,是北半球同緯度地帶雷暴最多的地區(qū)。李國平等[2]研究表明在內(nèi)陸高原地區(qū),隨著海拔高度的增加,近地面大氣變得越不穩(wěn)定,更容易形成強對流。而強對流天氣表現(xiàn)出突發(fā)性強、頻率高、強度大、預報難的特點,尤其是雷暴天氣。雷暴是一種伴有多種天氣現(xiàn)象的中小尺度天氣過程,雷暴天氣不僅產(chǎn)生雷電,還常伴有大風和暴雨,有時甚至出現(xiàn)冰雹等災害性天氣。張翠華[3]研究指出,青藏高原雷暴天氣層結(jié)為整層弱不穩(wěn)定,不穩(wěn)定能量較小,具有高原雷暴的特殊結(jié)構(gòu)。Williams[4]指出,雷暴與氣象要素之間的關(guān)系具有很大的可變性,因為不同的地理位置、氣象條件、海拔高度都可能引起雷暴特征的差異。格央、任景軒、楊斌等[5-7]先后研究表明,西藏地區(qū)各年站雷暴總數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢。次仁德吉、馬虹旭、楊春榮、許薇、居麗玲等[8-12]分別對不同地區(qū)雷暴發(fā)生時雷達回波上的特點做了研究,結(jié)果表明雷達產(chǎn)品對雷暴的持續(xù)時間、移動方向等短臨預報的重要作用。沈宏彬[13]指出,熱雷暴和系統(tǒng)性雷暴在回波參數(shù)、時空分布、初生源地、移動路徑以及演變過程都存在明顯的差異。俞小鼎[14]指出中國需要加強對地形雷暴的個例研究,總結(jié)經(jīng)驗。陳洪賓等[15]指出目前的常規(guī)氣象探測網(wǎng)和衛(wèi)星遙感還難以跟蹤監(jiān)測雷暴,缺乏雷暴生命史的完整測量,尤其是缺乏雷暴促發(fā)機制和環(huán)境要素的精細監(jiān)測,使當前雷暴的短臨預報能力還很低,雷暴冰雹、大風、龍卷風等災害天氣的漏報和虛報率很高。新一代多普勒天氣雷達除了測量雷達的回波強度、徑向速度和速度譜寬外,還可以分析雷暴的詳細結(jié)構(gòu)特征,而這些在天氣圖上無法看到,它不僅為天氣預報,尤其是短時(3～5小時)的天氣預報提供了比較準確客觀的實測資料,并且是監(jiān)測強對流災害性天氣的發(fā)生發(fā)展的重要工具[16],從而提高了短臨天氣預報的精細度。目前關(guān)于青藏高原上利用新一代雷達資料對西藏地區(qū)夏季頻繁旺盛的對流活動的相關(guān)研究仍較少,成了高原氣象研究領(lǐng)域的一個薄弱環(huán)節(jié)。

為了更好的提高對西藏地區(qū)強雷暴的監(jiān)測與預報預警水平,利用高分辨的新一代多普勒天氣雷達C波段資料對西藏高原地區(qū)的雷暴進行研究,分析雷暴的雷達回波特征,為西藏地區(qū)防雷減災提供一定的參考和依據(jù)。

1 資料與方法介紹

所用資料為2010、2011年6～9月Micaps常規(guī)資料和西藏日喀則站、拉薩站雷暴觀測資料以及對應時刻C波段雷達探測資料。李國平[2]指出青藏高原夏季為熱源,熱力作用強,喬全明[1]和任景軒[6]等在研究中指出青藏高原受熱力和動力影響。為了更好的區(qū)別西藏地區(qū)的動力作用和熱力作用下的雷暴特征,根據(jù)西藏地區(qū)氣候特征和天氣動力學觀點,將西藏夏季(6～9月)雷暴分為動力雷暴和熱力雷暴。所謂動力雷暴是指有明顯的天氣系統(tǒng)相配合,如高原切變線、高原低渦、高原低槽和鋒面等。當氣壓場均勻,地面發(fā)生與日變化規(guī)律相關(guān)的雷暴則為熱力雷暴。

統(tǒng)計標準:雷暴發(fā)生前,以日喀則、拉薩站各為中心300km范圍內(nèi),在500hPa高空天氣圖上有切變線、低槽、低渦等天氣系統(tǒng)歸類為動力雷暴;若500hPa高空天氣圖上氣壓場均勻,而地面觀測站有雷暴記錄且發(fā)生在午后的歸類為熱力雷暴。

西藏高原地形簡介:西藏高原地勢高,平均海拔高度在4000m以上,東部三江流域是南北走向的橫斷山脈,地勢北高南低;藏東南是寬大的“∧”形;南部的喜馬拉雅山脈,中部的岡底斯山脈、念青唐古拉山脈,北部的唐古拉山脈,這些東西向的山脈以及山脈之間的高原、湖泊、河谷構(gòu)成西藏高原的主要部分。西藏高原大地形的特點還在于它處在溫帶的緯度,位于孟加拉灣北部大陸。

2 結(jié)果與分析

2.1 西藏熱力雷暴和動力雷暴統(tǒng)計概況

普查2010、2011年6～9月發(fā)生在拉薩和日喀則周邊100km范圍內(nèi)的雷暴,共有108個個例。圖1給出了兩地雷暴發(fā)生頻數(shù),其中,日喀則站觀測到的熱力雷暴出現(xiàn)的頻數(shù)為47次,占日喀則雷暴總數(shù)的83.9%;拉薩站觀測到的熱力雷暴出現(xiàn)的頻數(shù)為44次,占雷暴總次數(shù)的84.6%,這表明西藏日喀則和拉薩地區(qū)的雷暴主要以熱力雷暴為主,動力雷暴較少。

從圖1中看出,就熱力雷暴而言,6月日喀則雷暴發(fā)生頻數(shù)和拉薩相當,7、8月雷暴發(fā)生頻數(shù)明顯增加,為雷暴的高發(fā)期,日喀則的雷暴發(fā)生頻數(shù)要比拉薩高,9月,雷暴頻數(shù)明顯減少,只有拉薩地區(qū)還有雷暴發(fā)生。就動力雷暴而言,6月日喀則地區(qū)雷暴比拉薩地區(qū)多,7月雷暴頻數(shù)增加,拉薩地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)比日喀則高,8月開始,日喀則和拉薩地區(qū)雷暴都開始減少。可見,西藏地區(qū)的熱力雷暴和動力雷暴都有明顯的月變化特征。

整體看,西藏地區(qū)熱力雷暴和動力雷暴在7、8月最多,其中熱力雷暴最多。原因是夏季高原為熱源,太陽輻射強,溫度高,地表熱力作用強,熱對流活動相對旺盛,這說明西藏地區(qū)熱雷暴活動與高原地表熱源有密切的關(guān)系。以上結(jié)論與前人所取得的研究成果[6]相一致。

2.2 西藏熱力雷暴和動力雷暴日變化特征

對日喀則和拉薩站的108次雷暴過程的日變化進行統(tǒng)計,如圖2所示。從圖中可以看出,西藏地區(qū)的熱力雷暴主要發(fā)生在午后14:00～22:00時(北京時,下同),17:00～20:00時雷暴發(fā)生頻率最高,傍晚20:00時以后開始迅速減少,熱力雷暴表現(xiàn)出了非常明顯的日變化特征。日喀則地區(qū)熱力雷暴在15:00～16:00時頻數(shù)達到最大,如圖2(a)所示為13次,拉薩地區(qū)熱力雷暴在19:00～20:00時頻數(shù)達到最大,如圖2(b)所示為15次。這種以午后熱力雷暴為主的原因可能和地面熱源的日變化存在一定的關(guān)系。原因是青藏高原的午后地面熱源強迫使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定,誘導高原雷暴的頻繁發(fā)生。李國平等[2]研究指出:高原地區(qū)的夏季午后近地面高度氣層內(nèi)溫度垂直遞減率經(jīng)常是超絕熱的,強大的溫度垂直遞減率必然伴隨強對流活動。圖2中的動力雷暴白天和夜里都有發(fā)生,日喀則地區(qū)動力雷暴白天多,如圖2(a)所示,拉薩地區(qū)動力雷暴白天夜里頻數(shù)相當,如圖2(b)所示,這是因為動力雷暴多是由于天氣系統(tǒng)引起的。

圖1 2010、2011年6～9月西藏不同類型雷暴月分布

另外從發(fā)生雷暴的持續(xù)時間分布(圖3)可以看出,日喀則和拉薩地區(qū)的一次雷暴過程持續(xù)時間大多數(shù)在40min以內(nèi),其中生命史在0～20min的雷暴最多。日喀則地區(qū)熱力雷暴生命史0～20min占44.6%,但少數(shù)日喀則的熱力雷暴生命史最長可達60～80min,如圖3(a)所示;拉薩的熱力雷暴生命史0～20min占75.1%,之后雷暴隨著持續(xù)時間的增長,雷暴次數(shù)開始減少,如圖3(b)所示。圖3中日喀則和拉薩的動力雷暴生命史變化趨勢不大。張廷龍[17]指出隨著海拔高度的減小,雷暴的平均持續(xù)時間逐漸增加,中川與平?jīng)龅貐^(qū)雷暴持續(xù)時間為120min左右;青海地區(qū)的雷暴持續(xù)時間為101min左右?？芍鞑氐貐^(qū)大部分雷暴的生命史較短,這與內(nèi)陸平原地區(qū)的雷暴有明顯的區(qū)別。

圖2 2010、2011年6～9月日喀則和拉薩雷暴日變化

圖3 2010、2011年6～9月日喀則和拉薩雷暴持續(xù)時間頻率分布

2.3 西藏熱力雷暴和動力雷暴雷達回波特征

2.3.1 雷暴的雷達初始回波位置及回波區(qū)移動路徑

在強對流短臨預報中,強對流系統(tǒng)的移動方向是預報至關(guān)重要的因素。根據(jù)雷達資料對108次雷暴各站點發(fā)生的初始回波位置和移動路徑進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見表1、表2,從表1可知,日喀則地區(qū)大部分熱力雷暴和動力雷暴的初始回波位置主要集中在南部(WS,S,ES),南部地區(qū)發(fā)生的雷暴占日喀則雷暴總數(shù)76.8%。就熱力雷暴而言,日喀則西南地區(qū)(WS)占35.7%,東南地區(qū)(ES)占25.1%,東北方向(EN)占11.5%;日喀則地區(qū)動力雷暴西南方向占7.1%,東部占3.6%。拉薩地區(qū)熱力雷暴和動力雷暴也主要集中在南部(WS,S,ES),占拉薩雷暴總數(shù)61.5%。其中熱力雷暴在拉薩西南方向(WS)占32.7%,東南方向(ES)占19.2%,西面(W)和東北方向(EN)各占9.6%;拉薩地區(qū)動力雷暴東面和西南方向各占5.8%。

表1 雷達初始回波位置出現(xiàn)的次數(shù)

表2 雷達回波區(qū)移動方向出現(xiàn)的次數(shù)

從表2看出,西藏日喀則地區(qū)熱力雷暴主要移動方向是自南(WS、S、ES)向北移動,其中,移動方向自西南向東北居首,占33.9%,位于第二位的是自東南向西北移動,占19.6%,位于第三位的是自南向北占17.8%,第四位的是自東北向西南占10.75%,這種雷暴移動方向有可能與地形分布有關(guān),日喀則位于青藏高原南部,處于喜馬拉雅山系中段與岡底斯-念青唐古拉山中段之間,其間為藏南高原和雅魯藏布江流域,全區(qū)地形復雜多樣,是由高山、寬谷和湖盆組成。日喀則動力雷暴的移動方向主要是自西(W、WS)向東移動,這可能與天氣系統(tǒng)移動方向有關(guān),原因是動力雷暴多是由天氣系統(tǒng)引起,天氣系統(tǒng)的移動引導著雷暴的走向。拉薩地區(qū)熱力雷暴主要移動方向是自南(WS、S)向北移動,占71.2%,拉薩地區(qū)大部分動力雷暴移動方向也主要以自西向東(W-E、WS-NE)為主,占9.6%。因此,在西藏日喀則和拉薩雷暴的預報中,只要在雷達上確定雷暴的初始位置,就可以大致判別出雷暴可能有哪幾種移動方向。

2.3.2 西藏熱力雷暴和動力雷暴雷達回波形狀及強度特征

從表3統(tǒng)計的西藏雷達回波形狀分布來看,西藏地區(qū)雷暴的回波形狀多表現(xiàn)為團狀,其次是孤立的對流云回波。其中日喀則熱力雷暴的回波形狀主要表現(xiàn)為團狀,占日喀則雷暴總數(shù)53.6%,其次是孤立的對流云回波,所占比例達到14.3%以上,剩余的是塊狀回波和帶狀回波,各占10.7%、5.3%左右;日喀則動力雷暴的回波形狀多表現(xiàn)為團狀,占總數(shù)10.7%,其次是帶狀,占5.3%左右。拉薩熱力雷暴回波形狀以團狀為主,占總數(shù)的78.8%,其次是孤立的對流云回波,占5.7%左右;拉薩動力雷暴也主要是團狀和帶狀,分別占13.4%和2%。在西藏夏季,雷暴多由局地熱力作用引起,故多表現(xiàn)為團狀、塊狀和孤立的回波,這與統(tǒng)計結(jié)果相一致。

圖4為日喀則和拉薩地區(qū)雷暴回波強度分布圖,可以看出,西藏日喀則地區(qū)熱力雷暴雷達回波強度大部分在40～50dBz,占雷暴總數(shù)的37.5%,次之是50～70dBz的雷暴,占33.9%,動力雷暴主要位于40～60dBz,占雷暴總數(shù)8.9%,如圖4(a)所示。拉薩地區(qū)的熱力雷暴雷達回波強度主要在30～50dBz,占雷暴總數(shù)的82.7%,拉薩地區(qū)動力雷暴雷達回波強度也主要在30～50dBz,占雷暴總數(shù)的15.4%,如圖4(b)所示。對比日喀則和拉薩地區(qū)的雷暴回波強度,可知拉薩地區(qū)比日喀則地區(qū)雷暴回波強度偏低。

表3 雷達回波形狀的出現(xiàn)次數(shù)

圖4 2010、2011年6～9月日喀則和拉薩雷暴雷達回波強度分布

圖5 2010、2011年6～9月日喀則和拉薩雷暴最大回波強度日變化

圖5給出了2010、2011年6～9月熱力雷暴和動力雷暴整個回波區(qū)最大回波強度平均日變化趨勢,從圖5可以看出,就熱力雷暴而言,日喀則和拉薩都表現(xiàn)出了顯著的日變化特征,最大回波強度午后都有先增加后減小的變化趨勢,日喀則雷暴在17:00達到最大,最大值接近75dBz,到0:00點左右降低到最低點,最弱的回波強度為41dBz,如圖5(a)所示。拉薩熱力雷暴在20:00點達到最大,最大值接近50dBz,24:00左右降到最小,最弱的回波強度為30.5dBz,如圖5(b)所示。日喀則和拉薩動力雷暴的最大回波強度不具有日變化特征。

2.3.3 西藏熱力雷暴和動力雷暴雷達回波頂高特征

回波頂高是雷達觀測到的云區(qū)回波的最大高度,反映了云區(qū)中對流活動的強弱,回波頂高越大,對流活動越旺盛。圖6為日喀則和拉薩地區(qū)熱力雷暴和動力雷暴回波頂高的頻數(shù)分布圖,從圖中可以看出,西藏地區(qū)的的熱力雷暴雷達回波頂高最多出現(xiàn)在5km左右,回波頂高出現(xiàn)很高的幾率較小,大多數(shù)集中在4～7km。日喀則地區(qū)熱力雷暴雷達回波頂高平均5.07km,4～7km的熱力雷暴占雷暴總數(shù)69.6%。拉薩地區(qū)熱力雷暴雷達回波頂高平均4.79km,4～7km的熱力雷暴占雷暴總數(shù)75%。日喀則和拉薩地區(qū)的動力雷暴雷達回波頂高主要集中在6～10km,日喀則動力雷暴雷達回波頂高平均7.43km,拉薩動力雷暴雷達回波頂高平均6.19km?？梢钥闯鑫鞑氐貐^(qū)的熱力雷暴雷達回波頂高比動力雷暴回波頂高偏低。原因是大多數(shù)動力雷暴往往是由大尺度天氣系統(tǒng)引起,雷暴回波頂高偏高,而大多數(shù)熱力雷暴主要是局地熱力作用,雷暴回波頂高較低。因此,在天氣預報中,對于西藏地區(qū)熱力雷暴而言,當回波頂高日喀則地區(qū)大于5.07km、拉薩地區(qū)大于4.79km時,則說明雷暴的對流活動比較旺盛。

圖6 日喀則和拉薩雷暴回波頂高

圖7 日喀則和拉薩雷暴垂直液態(tài)含水量

2.3.4 西藏熱力雷暴和動力雷暴垂直液態(tài)含水量特征

垂直液態(tài)水含量(簡稱VIL)反映降水云體中的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水總量,是判別強降水及降水能力、強對流天氣和冰雹等災害性天氣的最有效的工具之一。圖7給出了西藏日喀則和拉薩雷暴液態(tài)含水量的頻數(shù)分布情況,可以看出,就熱力雷暴而言,日喀則地區(qū)66.1%的熱力雷暴垂直液態(tài)含水量在30kgm-2以下,30～50kgm-2占7.1%,大于50kgm-2占12.5%;拉薩地區(qū)44.2%的熱力雷暴的垂直液態(tài)含水量為0,0～30kgm-2占32.7%。就動力雷暴而言,日喀則8.9%的動力雷暴垂直液態(tài)含水量在30kgm-2以下,30～50kgm-2占3.5%,50～70kgm-2占3.5%,拉薩地區(qū)15.4%的動力雷暴垂直液態(tài)含水量在30kgm-2以下,可知,拉薩地區(qū)雷暴垂直液態(tài)水含量比較小。需要說明的是,普查天氣記錄,日喀則地區(qū)垂直液態(tài)含水量大于50kgm-2的熱力雷暴對應的都是暴雨、冰雹等災害性天氣,因此垂直液態(tài)含水量大于50kgm-2可以作為日喀則地區(qū)暴雨、冰雹等災害性天氣的預報指標之一。

3 結(jié)論

利用2010、2011年6～9月西藏雷暴資料和新一代多普勒天氣雷達資料對西藏地區(qū)雷暴的活動特征進行了分析,得到如下結(jié)論:

(1)西藏高原地區(qū)雷暴類型多樣,時空分布是不均勻的。以熱力雷暴為主,動力雷暴較少。日喀則地區(qū)熱力雷暴占雷暴總數(shù)83.9%;拉薩地區(qū)熱力雷暴占雷暴總數(shù)84.6%;雷暴月際分布以7、8月最多,其次是6月和9月;熱力雷暴的日變化較為明顯,14:00～20:00時雷暴發(fā)生頻率最高,傍晚20時以后開始迅速減少,這可能與地表熱源有關(guān)系。雷暴生命史較短,大多數(shù)在40分鐘以內(nèi),其中0～20min雷暴最多,這與平原雷暴有明顯的區(qū)別。

(2)西藏雷暴天氣雷達回波源地、移動等有一定的規(guī)律性。雷暴的生源地主要在日喀則和拉薩地區(qū)的南面,熱力雷暴的主要移動路徑是西南-東北走向,動力雷暴的主要移動路徑是自西向東。

(3)強度、高度和垂直液態(tài)含水量是判別雷暴回波的主要參數(shù)。西藏地區(qū)雷暴的回波形狀多表現(xiàn)為團狀、塊狀,其次是孤立的對流云回波;日喀則熱力雷暴雷達回波強度大部分在40～50dBz,次之是50～70dBz的雷暴,動力雷暴主要位于40～60dBz,拉薩熱力雷暴雷達回波強度主要在30～50dBz,拉薩動力雷暴雷達回波強度也主要在30～50dBz,拉薩地區(qū)的雷暴回波強度整體比日喀則地區(qū)略低;熱力雷暴雷達回波頂高一般比動力雷暴回波頂高偏低。日喀則地區(qū)熱力雷暴雷達回波頂高平均5.07km,拉薩地區(qū)熱力雷暴雷達回波頂高平均4.79km,日喀則和拉薩地區(qū)的動力雷暴雷達回波頂高主要集中在6～10km;西藏地區(qū)熱力雷暴和動力雷暴的垂直液態(tài)含水量比較低,大部分在30kgm-2以下,但是如果出現(xiàn)比較高的垂直液態(tài)含水量,要注意災害性天氣(暴雨、冰雹等)的出現(xiàn),如日喀則地區(qū)垂直液態(tài)含水量大于50kgm-2可以作為日喀則地區(qū)暴雨、冰雹等災害性天氣的預報指標之一。這些雷達回波統(tǒng)計參數(shù)為以后西藏地區(qū)雷暴的預報預警與監(jiān)測提供了一定的客觀依據(jù)和參考指標,對短臨預報有一定的指示作用。

應用新一代多普勒雷達資料初步得出了西藏雷暴的雷達回波氣候特征,進一步的動力學機制研究以及相關(guān)數(shù)值模擬,是下一步工作的研究內(nèi)容。

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