王清平，彭　軍，茹仙古麗·克里木

(1.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆　烏魯木齊　830016；2.新疆巴州氣象局，新疆　庫爾勒　841001)

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新疆巴州“6.4”罕見短時暴雨的MCS特征分析

王清平1，彭軍2，茹仙古麗·克里木2

(1.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆烏魯木齊830016；2.新疆巴州氣象局，新疆庫爾勒841001)

利用常規(guī)觀測資料、地面加密自動站資料、FY-2D和FY-2E雙星TBB資料、多普勒天氣雷達資料、MODIS衛(wèi)星云圖資料以及NCEP/NCAR FNL再分析資料，對2012年6月4日發(fā)生在新疆巴音郭楞蒙古自治州境內的一次罕見短時暴雨天氣的MCS特征進行分析。結果表明：(1)此次暴雨過程中，出現了2條明顯的中尺度風場輻合線，且風場輻合線的移動與MCS移動方向較為對應；(2)此次暴雨主要是由多個中-β及中-γ尺度對流云團在移動過程中逐漸合并加強造成，暴雨主要發(fā)生在TBB等值線密集區(qū)，TBB≤-52 ℃區(qū)域的形成、發(fā)展、消失與暴雨的發(fā)生、發(fā)展、結束時段對應較好；(3)MCS云團呈現高層輻散、低層輻合的垂直結構，降水區(qū)域出現在“人”型回波的尾部，整個降水過程中MCS云團回波強度>50 dBZ。衛(wèi)星、雷達資料對MCS的發(fā)生、發(fā)展、移動、消亡等過程有較好的監(jiān)測意義；(4)暴雨發(fā)生前，巴州南部地區(qū)不斷有水汽輸送，在天山山區(qū)南側受地形阻擋作用，將水汽和能量不斷抬升至高空，有利于MCS的發(fā)展，為暴雨的發(fā)生提供了水汽和動力條件。

暴雨；中尺度對流系統(tǒng)；TBB；雷達回波

引　言

新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)地貌分屬天山山脈、塔里木盆地和昆侖山、阿爾金山等3個地貌區(qū)，基本格局似一大“U”字型。境內有高山、盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原綠洲。其中，山地面積22.5×104km2，占全州總面積47.7%；平原面積24.66×104km2，占總面積52.3%，其中戈壁和沙漠面積14.3×104km2，占全州總面積30.3%。由于遠離海洋，南部有青藏高原阻擋印度洋暖濕氣流北上，西部與北部有帕米爾高原及天山山脈阻擋極地冷空氣南下，加之幅員遼闊，地形復雜，造成巴州氣候類型復雜多樣。巴州地區(qū)出現暴雨的概率極小，一旦出現暴雨勢必將對農業(yè)、交通運輸等造成很大影響，因此加強干旱區(qū)暴雨天氣的研究十分必要。許多學者對新疆地區(qū)的暴雨開展了研究，陳春艷等[1]研究天山北坡的暴雨發(fā)現，暴雨主要發(fā)生在100 hPa南亞高壓呈雙體型，500 hPa中亞低值系統(tǒng)在天山北坡東段穩(wěn)定維持的環(huán)流背景下；楊霞等[2]研究了新疆深秋季節(jié)的暴雨，指出造成暴雨的中尺度氣旋位置與TBB分布有較好的對應關系，其中心與TBB低值中心的移動方向一致；張云惠等[3]研究了新疆西部罕見暴雨，指出暴雨發(fā)生在南亞高壓雙體型及中亞低槽向南的大環(huán)流形勢下。國內對中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System，MCS)造成的暴雨開展了很多研究[4-12]。陳永仁等[13]研究了四川暴雨的MCS特征，指出暴雨是由MCS深對流特征造成，MCS水平尺度多為中-β尺度或更小尺度。井喜等[14]研究了黃河中下游的中-β尺度對流云團與MCC共同作用的暴雨，表明暴雨是由MCC和中-β尺度強對流云團合并造成的。

新疆地域廣闊，氣象觀測站較稀疏，衛(wèi)星資料在人煙稀少的地區(qū)監(jiān)測暴雨過程更有優(yōu)勢。2012年6月4日，新疆巴州境內庫爾勒市、和靜縣城發(fā)生了一次短時強降水天氣，2 h累計降雨量>70 mm，達到新疆大暴雨標準(日降水量≥48.1 mm)[15]，屬于典型的MCS特征暴雨。本文利用常規(guī)觀測資料、加密自動站資料、國家衛(wèi)星氣象中心網站提供的AWX格式的FY-2D和FY-2E雙星TBB資料、多普勒天氣雷達資料、MODIS衛(wèi)星云圖資料以及NCEP/NCAR FNL(0.5°×0.5°)再分析資料，對此次短時暴雨天氣進行研究分析，試圖揭示造成此次冰雹、短時暴雨天氣的MCS中尺度特征及其對降水的影響，為今后提高該地區(qū)冰雹、短時暴雨天氣預報的準確率提供參考依據。

1　天氣過程及中尺度特征

2012年6月4日14:00—18:00(北京時，下同)，位于塔里木盆地北緣新疆巴州境內的庫爾勒市、和靜縣等地出現有氣象記錄以來的最強短時暴雨天氣。此次降水過程持續(xù)時間短，且分布極不均勻：15:00—17:00，庫爾勒、和靜2站降水量分別為73.8 mm和75.8 mm，均超過年降水量(庫爾勒、和靜的年平均降水量分別為59.2 mm和73.1 mm)，最大小時降水量分別為46.4 mm和53.2 mm，均為歷時極值，而周邊測站的和碩縣和焉耆縣降水僅有幾毫米。此次強降水對農業(yè)、交通等造成較大影響：造成庫爾勒市城區(qū)部分路段嚴重積水，房屋損毀，直接經濟損失約3 700萬；和靜縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 712 hm2農作物受災，數千民房、溫室大棚倒塌，林果業(yè)受災嚴重，絕收面積達337.7 hm2，直接經濟損失共計近億元。

由庫爾勒市、和靜縣的逐分鐘降水演變(圖1a、圖1b)可以看出，和靜縣降水出現3個中尺度雨峰，持續(xù)時間和降水量分別為15:38—16:05，降水量21.9 mm；16:06—16:30，降水量17.2 mm；16:31—17:00，降水量34.1 mm。其中16:42降水量最大為3.3 mm。庫爾勒市降水出現2個中尺度雨峰，持續(xù)時間和降水量分別為15:35—15:56，降水量22.8 mm；15:57—16:37，降水量48.9 mm。其中16:03降水最大為3.0 mm?？梢姡舜伪┯晏鞖庥忻黠@的中尺度對流性降水特征。圖1c為6月4日15:58 MODIS衛(wèi)星可見光云圖，可以看出對流云團色調白亮，云頂凸凹不平，呈花椰菜結構，尾部有明顯卷云氈，屬于典型的MCS云團；而和碩縣、焉耆縣均位于MCS尾部卷云氈處，中尺度對流活動較弱，因此降水分布不均勻。

圖1　2012年6月4日15:00—17:00和靜縣(a)、庫爾勒市(b)逐分鐘降水演變(a，b)和15:58MODIS衛(wèi)星可見光云圖(c)

2　MCS特征演變

2.1地面中尺度特征

6月4日10:00(圖2a)，巴州西部的阿克蘇地區(qū)有零散的中尺度對流云團，地面實況出現零星降水，阿克蘇地區(qū)東部的庫車縣、沙雅縣與巴州地區(qū)西部的輪臺縣、尉犁縣交界處有南北向的風場輻合線L1，L1西部的庫車縣、沙雅縣境內為偏西北風，風速微弱(1～2 m·s-1)，L1南端的巴州中部塔中為偏南風，L1東部的巴州東部大部為偏東南風和東北風。12:00(圖2b)，輻合線L1快速東移至輪臺縣東部，其東西兩側測站風速增大至6 m·s-1，此時在庫車、輪臺縣與和靜縣交界的天山山區(qū)南部有新的風場輻合線L2生成，且呈東西向，L2南部為偏西南風，北部為西北、東北風。13:00(圖2c)，L1繼續(xù)東動，但移速明顯減慢，已移至輪臺縣、庫爾勒市與尉犁縣中部交界處，此時L1西部的MCS邊界整齊，強度加強；L2范圍加大，轉為西北—東南向，且較為平直，其兩側風速增大為2～4 m·s-1。14:00(圖2d)，輻合線L1進一步東移至庫爾勒市中部、尉犁縣中部和若羌縣西北部的交界處，輻合線西部有測站風速加大，最大風速達12 m·s-1，而庫車、輪臺縣與和靜縣交界處的L2東西向加長，且2條輻合線逐漸形成“八”型，同時和靜縣西部至庫爾勒市西部一帶的中尺度對流云團面積增大，強度快速加強。15:00(圖2e)，輻合線L1移至庫爾勒市附近，市區(qū)開始出現冰雹、暴雨；L2向東北移進和靜縣境內，庫爾勒市、和靜縣附近的中尺度對流云團進一步加強，L1和L2相配合的中尺度對流云團連接合并。16:00(圖2f)，L2消失，輻合線L1在庫爾勒市至尉犁縣中部一帶維持，MCS云團邊界整齊，邊界位置與輻合線走向一致，在和靜縣西部有明顯的氣旋性輻合，對應的MCS云團發(fā)展至最強，庫爾勒市、和靜縣分別出現強降水。17:00以后(圖略)，輻合線L1移出境外，庫爾勒市與和靜縣的降水停止，巴州東部僅出現零星降水。

圖2　2012年6月4日10:00(a)，12:00(b)，13:00(c)，14:00(d)，15:00(e)，16:00(f)新疆巴州地區(qū)地面加密自動站風場和FY-2E紅外云圖(黑色粗虛線為中尺度輻合線)

2.2TBB演變特征

云頂亮溫(TBB)可以定量地反映云團中小尺度系統(tǒng)的演變過程，體現強對流天氣與中尺度對流云團的關系。本文中尺度對流系統(tǒng)以-32 ℃為云團邊界，暴雨發(fā)生前的14:00(圖3a)，在沙雅縣、且末縣、輪臺縣、和碩縣境內分別有A、B、C、D、E共5個中尺度對流云團，其中A、E的尺度相對較B、C、D大，屬于中-βMCS，而B、C、D為中-γMCS，以上對流云團的中心TBB<-42 ℃。其中，中尺度云團E位于和靜縣東部并向西移動，和靜縣東部的TBB梯度較密，云團A、D則伴隨著高空西南氣流的引導向東北方向移動，MCS進一步發(fā)展。15:00(圖3b)，中尺度云團B、C合并發(fā)展成F，其TBB≤-42 ℃冷云面積明顯增大，且中心強度加強至-52 ℃以下；A、D、E發(fā)展連為一體，呈東西向，TBB<-42 ℃區(qū)域面積也明顯增加，東西約300km，南北約80km，庫爾勒市上空的TBB梯度進一步加大。15:15(圖3c)，合并的中尺度對流云團A、D、E的TBB中心加強至-52 ℃以下，對流云團由東西向轉為東北—西南向，且在庫爾勒市偏西方向發(fā)展成新的中尺度云團G，其TBB中心強度<-52 ℃；F進一步發(fā)展加強，其TBB中心強度<-52 ℃面積加大，此時和靜縣城處于-52 ℃冷云覆蓋下，庫爾勒市TBB<-42 ℃，TBB等值線最為密集，TBB梯度為0.6 ℃·km-1，庫爾勒市區(qū)已能聽到雷聲。15:35、15:38實況顯示(圖略)，庫爾勒市、和靜縣分別開始出現降水。16:00(圖3d)，F與A、D、E、G云團合并為一體，對流云團呈東北—西南向，其長軸為400 km，短軸為200 km，面積約8×104km2，且G、D中心TBB強度<-52 ℃的面積加大。16:15(圖3e)，合并的云團繼續(xù)加強，G、D中心連為一體。16:00—16:15云團TBB的發(fā)展與庫爾勒市、和靜縣的地面降水較為一致。17:00(圖3f)，中尺度對流云團中心D與G分離，G中心快速減弱，和靜縣處于G中心邊緣，而D仍然維持在和靜縣東北方向。

圖3　2012年6月4日14:00(a)，15:00(b)，15:15(c)，16:00(d)，16:15(e)，17:00(f)新疆巴州地區(qū)FY-2D MCS云頂亮溫(TBB)演變特征(單位：℃)

2.3雷達回波特征

前面分析可見，中尺度對流系統(tǒng)在衛(wèi)星云圖上表現得較好，但其時間分辨率相對雷達較低，雷達資料可以獲得較為細致的中尺度對流系統(tǒng)的內部結構。雷暴系統(tǒng)影響前14:04的1.5°仰角反射率因子強度圖中(圖略)，和靜縣東北部有零散的對流單體，其回波強度為50 dBZ，而在1.5°仰角徑向速度圖上(圖略)，和靜縣東北部有明顯朝向雷達的負速度區(qū)，與高空偏東氣流相對應。在雷達西北300°方向30～120 km范圍有明顯的帶狀回波，回波強度不一，最大回波強度為50 dBZ，與圖3a中的中-γ尺度對流云團D相對應，且?guī)罨夭ㄔ?.5°仰角速度圖中有明顯輻合，與地面輻合線L2(圖2d)位置較為對應；在雷達西南方向100～150 km范圍為層狀云回波，隨著高空系統(tǒng)的移動，和靜東北部的對流性回波向和靜縣城移動，且其中不斷有新的對流單體發(fā)展；在雷達西側50 km距離圈附近也有對流單體不斷生成、加強。由圖4可知，14:35和靜東北側的對流單體距其20km，1.5°和2.4°(圖略)仰角徑向速度圖上負速度區(qū)明顯大于正速度區(qū)，速度輻合，而3.4°和4.3°(圖略)仰角徑向速度圖上正速度區(qū)大于負速度區(qū)，速度輻散，表明低層輻合、高層輻散，這種垂直結構有利于抽吸作用。另外，雷達西側的輪臺與庫爾勒邊界地區(qū)出現大范圍零散的對流單體，在0.5°(圖略)和1.5°仰角徑向速度圖上為輻合，2.4°(圖略)和3.4°仰角徑向速度圖上為輻散，表明低層輻合、高層輻散，與和靜縣附近速度場的垂直結構相同。15:02，和靜東北部的回波連為一片，屬于混合性回波；在雷達附近及其北側20 km處有新的強對流單體生成，其中心強度均為50 dBZ，地面有明顯東南風；雷達西側50～100 km范圍內的對流單體也加強發(fā)展，連成一片，近乎南北向，與15:00的地面輻合線L1(圖2e)相對應。15:34，和靜縣城受“弓”型回波影響，而庫爾勒市處于“人”型對流回波尾部，回波強度50 dBZ，庫爾勒市區(qū)、和靜縣先后出現降水。16:00(圖略)，和靜縣城附近強回波維持，而庫爾勒市附近的“人”型回波消失，但其上空出現新的強回波單體并持續(xù)加強，這與庫爾勒市區(qū)降水第2雨峰相對應。16:48(圖略)，和靜附近對流單體范圍減小，而庫爾勒附近對流強度明顯減弱，回波強度減弱至35 dBZ，2地的地面降水也隨之減弱。此后隨著對流進一步減弱，庫爾勒市、和靜縣降水結束。

圖4　2012年6月4日14:35—15:34庫爾勒站1.5°仰角多普勒雷達反射率因子(上，單位：dBZ)和1.5°仰角(中)、3.4°仰角(下)徑向速度(中，下，單位：m·s-1)

綜上所述，輻合線的移動與中尺度對流云團的移動較為一致。地面輻合線移速減慢，其兩側風速加大有利于中尺度對流云團的發(fā)展及暴雨的發(fā)生。TBB對中尺度對流云團的強度有較好的指示意義，地面降水區(qū)對應于TBB等值線密集區(qū)，TBB密集區(qū)附近溫度變化劇烈。此次暴雨過程強降水落區(qū)的雷達回波強度均在50 dBZ及以上，但雷達回波較分散，與衛(wèi)星云圖中色調亮白的厚實云層不對應。衛(wèi)星TBB資料與MCS的協(xié)同性較好，而雷達回波及徑向速度資料與MCS的協(xié)同性對應不是很好。

3　暴雨形成的水汽及動力條件

利用NCEP/NCAR FNL再分析資料對2012年6月4日14:00的物理量場進行診斷，以研究暴雨形成的水汽、動力及不穩(wěn)定條件，從而揭示暴雨形成原因。為研究暴雨區(qū)物理量的垂直結構，沿暴雨區(qū)庫爾勒站(42°N，86°E)做垂直剖面(圖5)。從水汽通量經向垂直剖面圖(圖5a)中可以發(fā)現，在東西方向上沒有明顯的水汽輸送，僅有少量水汽聚集在800～950 hPa，并向暴雨區(qū)輸送。水汽通量和風矢量緯向垂直剖面圖(圖5b)顯示，暴雨區(qū)南北兩側有水汽通量大值區(qū)，南側的水汽通量大值區(qū)位于巴州南部地區(qū)，且大值中心在低層，達6×10-6g·hPa-1·cm-1·s-1，偏南氣流源源不斷地將水汽向北輸送，偏南風與天山山區(qū)南側(42.5°N—43.5°N)的偏北風在暴雨區(qū)形成輻合。渦度及垂直速度經向垂直剖面圖(圖5c)顯示，在暴雨區(qū)低層為負渦度區(qū)，中高層為正渦度，其中在200 hPa及400 hPa附近分別有>10×10-5s-1和>4×10-5s-1的正渦度中心。高空正渦度中心的出現與維持，有利于MCS的形成與發(fā)展；暴雨區(qū)垂直速度由低層至高層均為上升運動，垂直速度大值區(qū)集中在900～750 hPa，達-0.9 Pa·s-1以上。緯向垂直剖面圖(圖5d)中，渦度的垂直分布情況與經向圖中基本一致，即暴雨區(qū)低層為負渦度，中高層為正渦度；速度場上，天山山區(qū)附近以下沉運動為主，山前為整層的上升運動。偏南氣流向北輸送的過程中，受天山地形阻擋，將水汽和能量向上抬升，有利于MCS的發(fā)展和加強，為暴雨區(qū)形成提供水汽和動力條件。

圖5　2012年6月4日14:00沿42°N(a，c)和86°E(b，d)的水汽通量(等值線，單位：10-6 g·hPa-1·cm-1·s-1)和風矢量(箭頭，單位：m·s-1)(a，b)以及垂直速度(彩色區(qū)，單位：Pa·s-1)和渦度(等值線，單位：10-5 s-1)(b，d)經向(a，c)和緯向(b，d)垂直剖面(灰色陰影區(qū)表示地形，黑色小方塊為庫爾勒站)

4　結　論

(1)此次短時暴雨過程中，降水演變形態(tài)呈現多個中尺度降雨峰值，暴雨云團色調白亮，云頂凸凹不平，呈現花椰菜結構，尾部有明顯卷云氈，屬于典型的MCS云團，暴雨出現在中尺度云團上風方。

(2)此次短時暴雨過程中，出現了2條明顯的中尺度風場輻合線L1和L2，其中L1造成和靜縣城暴雨，L2造成庫爾勒市暴雨；L1和L2的移動方向與MCS云團的移動方向較為對應，且二者移動速度由快減慢，有利于MCS云團的發(fā)展加強，是暴雨形成的有利條件。

(3)此次暴雨主要是由多個中-β、中-γ尺度對流云團在移動過程中逐漸合并、加強所造成，暴雨主要發(fā)生在TBB等值線密集區(qū)，其位置與地面輻合線相對應，TBB≤-52 ℃區(qū)域的形成、發(fā)展、消失與暴雨的發(fā)生、發(fā)展、結束時段對應較好。

(4)雷達資料顯示，MCS云團呈現高層輻散、低層輻合的垂直結構，降水區(qū)域出現在“人”型回波的頭部，且整個降水過程中MCS云團回波強度>50 dBZ。衛(wèi)星、雷達資料對MCS的發(fā)生、發(fā)展、移動、消亡等過程有較好的監(jiān)測意義。

(5)暴雨發(fā)生前，巴州南部地區(qū)不斷有水汽輸送，在天山山區(qū)南側受地形阻擋作用，將水汽和能量不斷抬升至高空，有利于MCS的發(fā)展，為暴雨的發(fā)生提供了水汽和動力條件。

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Characteristics of Mesoscale Convective System About a Rare Short-time Rainstorm in Bayangol Mongol Autonomous Prefecture of Xinjiang on 4 June 2012

WANG Qingping1, PENG Jun2, Ru Xian Gu Li2

(1.MeteorologicalCenterofXinjiangAirTrafficManagementBureau,CAAC,Urumqi830016,China; 2.BayingolMongolAutonomousPrefectureMeteorologicalBureauofXinjiang,Korla841001,China)

Based on the meteorological observation data from weather stations and automatic weather stations, cloud image from MODIS, TBB of FY-2D and FY-2E, reflectivity factor and radial velocity from Doppler weather radar and NCEP/NCAR FNL reanalysis data with 0.5°×0.5° spatial resolution, the characteristics of mesoscale convective system (MCS) during a rare short-time rainstorm in Bayangol Mongol autonomous prefecture of Xinjiang on 4 June 2012 were analyzed. The results are as follows: (1) During the short-time rainstorm, there were two obvious mesoscale convergence lines of wind field, and the moving direction of convergence lines was corresponding to the movement of MCS. (2) The multiple meso-βand meso-γscale convective cloud clusters gradually merged and strengthened to causing the rainstorm during the moving. Rainstorm mainly occurred in dense isoline zone of TBB, and the formation, development and disappearance of area with TBB≤-52 ℃ was corresponding to the start, duration and end of the rainstorm.(3) The vertical structure of MCS was divergence in upper layer and convergence in low layer, and the rainstorm area occurred in the tail of ‘人’ shape echo, the reflectivity factor of MCS cloud clusters was more than 50 dBZ during the rainfall. The satellite and radar data had better monitoring significance for the formation, movement, development and disappearance of MCS. (4) Before the rainstorm, there was constantly water vapor transport in the south of Bayangol Mongol autonomous prefecture of Xinjiang, the water vapor and energy were continually lifted to the upper layer due to the block of terrain in Tianshan mountains, which was beneficial to the development of MCS, and provided vapour and dynamic condition for the rainstrom.

rainstorm; mesoscale convective system; TBB; radar echo

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0685

2016-01-22；改回日期：2016-02-17

新疆少數民族科技人才特殊培養(yǎng)科研項目(201423112)資助

王清平(1985- )，男，工程師，主要從事西北干旱區(qū)航空天氣預測及災害性天氣研究. E-mail:wqp1001@163.com

1006-7639(2016)-04-0685-08DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0685

P458.1+21.1

A

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