李冬梅 李如琦 唐冶 高明華 王媛

（1 新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002；2 新疆氣象臺，烏魯木齊 830002；3 伊犁州氣象局，伊寧 835000）

0 引言

昭蘇縣位于伊犁河谷西南部山間高原盆地，是古絲綢之路要道，邊境線長約220 km，是新疆唯一一個沒有荒漠的縣。昭蘇屬大陸性溫帶山區(qū)半干旱半濕潤冷涼型氣候，冬長夏短，沒有明顯的四季之分，春秋濕潤、寒冷、多霧，盛夏多雷、多雨。全年無霜期平均為96 d，年均降雨量507 mm，4—9月降水量達全年降水量83%，尤其是6月和7月降水日達60%。昭蘇地處山間盆地，三面環(huán)山，東邊為狹長山谷，西邊為開闊盆地，每年5—9月，冷暖空氣交匯頻繁，對流天氣頻發(fā)，夏季每旬有5—6天為雷陣雨，常會出現(xiàn)西邊日落東邊雨的現(xiàn)象，滿足了彩虹出現(xiàn)的條件，為彩虹預(yù)報提供了獨特而有利的條件。彩虹自古以來是美好的象征，彩虹預(yù)報對推進當?shù)匕l(fā)展全域旅游無疑是錦上添花，也是拓展氣象預(yù)報業(yè)務(wù)新領(lǐng)域的一次成功探索。

由于地形原因，昭蘇對流性降水多發(fā)，彩虹主要出現(xiàn)在對流性降水之后。對于對流性降水的研究多集中于短時強降水，Doswell[1]指出大多數(shù)的強降水是對流性的，預(yù)報短時強降水首先要理解其產(chǎn)生的條件；Polston[2]歸納了美國強對流天氣的兩種環(huán)流形勢；孫繼松等[3-4]、俞小鼎[5]總結(jié)了短時強降水預(yù)報的基本原理和主要思路、方法，鄭媛媛等[6]、周后福等[7]、郝瑩等[8]分析了短時強降水的多尺度環(huán)境特征，并給出了預(yù)報預(yù)警指標，樊李苗等[9]對中國短時強降水等強對流天氣的環(huán)境參數(shù)特征進行了分類和對比分析，許愛華等[10]、曾波等[11]提出了中國中東部地區(qū)短時強降水的基本類別和環(huán)境場特征，白曉平等[12]建立了西北地區(qū)東部短時強降水的概念模型，其他學者[13-18]分別對國內(nèi)不同地區(qū)短時強降水的天氣氣候特征、環(huán)流形勢、發(fā)生發(fā)展機理和預(yù)報指標進行了統(tǒng)計和分析，得到了許多重要的結(jié)論。

新疆夏季局地短時強降水多發(fā)，新疆氣象科技工作者對全疆短時強降水的影響系統(tǒng)、相關(guān)物理量方面的研究取得了許多成果，楊蓮梅等[19]認為中亞低渦是造成新疆短時強降水的重要影響系統(tǒng)之一；楊蓮梅等[20]、張云惠等[21]分別分析了烏魯木齊和伊犁河谷短時強降水的中小尺度特征和有利環(huán)境條件；曾勇等[22]、黃艷等[23]對南疆西部短時強降水的中尺度特征和日變化進行了分析，莊曉翠等[24]則統(tǒng)計分析了阿勒泰地區(qū)短時強降水環(huán)流配置和關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征。本文將通過檢驗?zāi)Ｊ綄φ烟K對流性降水的形勢預(yù)報和降水預(yù)報產(chǎn)品，分析昭蘇彩虹的可預(yù)報性。

1 資料

選用昭蘇縣氣象局2017—2019年的虹霓觀測記錄數(shù)據(jù)，提取了3年中出現(xiàn)虹霓的日期和時間。采用1日2次的常規(guī)探空觀測的高度場、風場歷史資料和NCEP/NCAR提供的1日4次、格距2.5°×2.5°的高度場、溫度場、風場和海平面氣壓場再分析資料，分析出現(xiàn)虹霓時的環(huán)流形勢特征。采用ECMWF的3 h對流降水預(yù)報（格距0.125°×0.125°），和中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所的區(qū)域數(shù)值模式DOGRAFS的1 h降水預(yù)報（格距0.1°×0.1°）分析昭蘇彩虹的可預(yù)報性。

2 昭蘇彩虹的特征

彩虹是虹和霓的總稱，出現(xiàn)在早晚雨后斜陽復(fù)出的時刻。在太陽對面的雨幕背景上，正對太陽中心對日點周圍，以對日點為中心的鮮艷奪目的彩色圓弧，有時兩個，有時一個。根據(jù)昭蘇縣氣象局的觀測記錄，2017—2019年共觀測到彩虹現(xiàn)象168次，其中虹121次，霓47次。昭蘇彩虹年均出現(xiàn)約45次。從彩虹的月分布分析（圖1），4—9月都有出現(xiàn)，6月出現(xiàn)最多，約占全年次數(shù)的40%；最早4月12日，最晚9月26日，均出現(xiàn)在2019年。從日分布分析，大多數(shù)彩虹出現(xiàn)在17—22時，早晨僅觀測到1次，出現(xiàn)在昭蘇本站2018年6月7日07時16分，最晚觀測記錄出現(xiàn)在2017年7月18日22時20分。

圖1 2017—2019年昭蘇虹霓觀測次數(shù)的月分布Fig. 1 Monthly distribution of rainbow observation times in Zhaosu from 2017 to 2019

絕大多數(shù)彩虹出現(xiàn)時天空基本上都存在積雨云，地面為偏西風，前一小時內(nèi)出現(xiàn)陣雨或正伴隨有陣雨。當雨后陽光照射空氣中的水珠，一次全反射形成外紅內(nèi)紫的虹，兩次全反射形成內(nèi)紅外紫的霓，也就是說先形成虹后形成霓，出現(xiàn)霓時必然伴隨著虹，因此，選取出現(xiàn)虹的日期記為1個彩虹日，一日出現(xiàn)2次或以上時只記為1個彩虹日，3年共得到昭蘇彩虹日92個。

3 環(huán)流特征及分型

合適的大氣環(huán)流，是形成昭蘇彩虹重要條件之一。昭蘇彩虹主要出現(xiàn)在午后，故以20時的環(huán)流形勢為代表，開展彩虹日環(huán)流特征的分析。對比2019年4—9月28個彩虹日20時的500 hPa平均環(huán)流與6個月的平均環(huán)流（圖略），發(fā)現(xiàn)西西伯利亞至新疆存在明顯的負距平，伊朗高原和中西伯利亞為正距平，表明出現(xiàn)彩虹日西西伯利亞至新疆的低值系統(tǒng)、伊朗副高和西伯利亞脊均偏強，利于昭蘇出現(xiàn)降水，可見彩虹日的環(huán)流具有明顯不同的特征。根據(jù)昭蘇92個彩虹日20時500 hPa的環(huán)流配置，歸納昭蘇彩虹日可分為4種環(huán)流型：西南氣流型、偏西氣流型、脊區(qū)型和西北氣流型。

3.1 西南氣流型

西南氣流型是昭蘇出現(xiàn)彩虹的主要環(huán)流型，有45次，占48.9%。該型也是伊犁河谷夏季形成降水的主要環(huán)流型，中高緯度一般為兩脊一槽形勢，大多數(shù)情況下，伊朗脊發(fā)展北抬至烏拉爾山地區(qū)，新疆大部至蒙古高原為脊區(qū)，中亞為深厚的低渦或低槽活動區(qū)，槽底可以南伸至35°N，昭蘇位于槽前強盛的西南氣流帶上（圖2）；少數(shù)情況下，伊朗脊發(fā)展但向東伸展，與新疆脊疊加向西伯利亞發(fā)展，低渦位置偏西，呈橫槽形勢，中心位于西西伯利亞，底部鋒區(qū)南壓至40°N附近，昭蘇位于新疆脊后部西南鋒區(qū)上。從700 hPa風場上來看，無論多數(shù)情況還是少數(shù)情況，在昭蘇北部均存在較大的風速區(qū)，昭蘇附近有較為明顯的風速切變和輻合。西南暖濕氣流攜帶的豐沛水汽到達昭蘇時，受地形的影響，疊加低層的輻合抬升，對流不穩(wěn)定強烈發(fā)展，促使對流系統(tǒng)生成，易出現(xiàn)強對流天氣。

圖2 西南氣流型500 hPa形勢（●為昭蘇）Fig. 2 500 hPa circulation situation of southwest flow type(● is Zhaosu)

3.2 偏西氣流型

偏西氣流型共出現(xiàn)29次，占31.5%。該型近半數(shù)情況呈現(xiàn)在中緯度為橫槽形勢（圖3），伊朗脊發(fā)展與東歐脊疊加，并向東北方向伸展，西伯利亞低槽南下到巴爾喀什湖以北地區(qū)，并向西發(fā)展，有時會切渦，在45°N的里海、咸海地區(qū)形成橫槽，昭蘇正位于橫槽底部偏西氣流帶上；另外一部分情況中高緯為兩支鋒區(qū)，北方西伯利亞維持較強的低值系統(tǒng)，其外圍形成較強的北支鋒區(qū)，伊朗副高發(fā)展向東歐伸展，40°N附近得中亞至新疆較為平直，形成偏西風的南支鋒區(qū)，昭蘇位于南支鋒區(qū)上，受鋒區(qū)上東移的短波的影響，多出現(xiàn)陣性降雨。700 hPa上多數(shù)情況下在昭蘇北部有風速的切變，南部有西南風形成的風向輻合，而在少數(shù)情況下也存在同樣的情況，但強度明顯偏弱。

圖3 偏西氣流型500 hPa形勢（● 為昭蘇）Fig. 3 500 hPa circulation situation of west flow type(● is Zhaosu)

3.3 脊區(qū)型

脊區(qū)型出現(xiàn)12次，占13.1%。該型多數(shù)情況在新疆天山山區(qū)呈鞍形場形勢（圖4），北支鋒區(qū)略偏北，偏西氣流帶一般位于巴爾喀什湖附近，伊朗脊向東發(fā)展，經(jīng)新疆伸到蒙古高原及貝加爾湖地區(qū)，受北部和東部低槽的影響，脊區(qū)在天山山區(qū)斷開，從而形成鞍形場，昭蘇位于鞍形場脊區(qū)內(nèi)，700 hPa風場上昭蘇附近由東北風轉(zhuǎn)為西北風，存在弱的氣旋性切變；個別情況為兩槽一脊形勢，伊朗脊發(fā)展東擴與新疆脊合并，脊頂北抬至65°N，烏拉爾山和西伯利亞地區(qū)為低槽區(qū)，昭蘇位于脊區(qū)內(nèi)伊朗脊和新疆脊的結(jié)合部，700 hPa風場上昭蘇附近西北風轉(zhuǎn)為西南風，也存在弱的氣旋性切變。脊區(qū)內(nèi)氣壓穩(wěn)定，風速較小，但由于北部氣流帶和西南部副高外圍反氣旋性環(huán)流的共同作用，中高層輻散發(fā)展，疊加地面水汽蒸發(fā)，使上升運動迅速發(fā)展，形成對流性降水。

圖4 脊區(qū)型500 hPa形勢（●為昭蘇）Fig. 4 500 hPa circulation situation of ridge type (● is Zhaosu)

3.4 西北氣流型

西北氣流型出現(xiàn)最少，僅有6次，占6.5%。該型大多數(shù)在中高緯度地區(qū)呈西北向東南傾斜的Ω形勢（圖5），伊朗脊向東北方向強烈發(fā)展，控制中亞至西西伯利亞，東歐槽和新疆槽分別位于脊的兩側(cè)，昭蘇位于脊前槽后西北氣流帶上；個別情況下沒有明顯的Ω形勢，伊朗副高發(fā)展北抬，脊頂?shù)竭_50°N附近，東歐至西伯利亞為寬廣的低槽活動區(qū)，西伯利亞低渦較為強盛，昭蘇位于伊朗脊脊前至西伯利亞低渦底部形成強的西北氣流帶上，受氣流帶上短波槽的影響，北方冷空氣南下與暖氣氣團匯合形成對流性降水。700 hPa風場上來看，在伊犁河谷都存在明顯的西北風帶，東部、北部風速較大，昭蘇附近存在風速的切變。

圖5 西北氣流型500 hPa形勢（●為昭蘇）Fig. 5 500 hPa circulation situation of northwest flow type(● is Zhaosu)

4 可預(yù)報性分析

4.1 彩虹的形成條件

彩虹是太陽光照到水滴上，經(jīng)過折射、分光、全反射、再折射回來的外紅內(nèi)紫的圓形光帶。出現(xiàn)彩虹的最大太陽高度角為42°22′，太陽高度角越小，彩虹越大越高；太陽高度越大，彩虹越低越小；雨滴越大，彩虹越亮。霓則是太陽光照到水滴上，經(jīng)過折射、分光、全反射、再折射回來的外紫內(nèi)紅的圓形光帶，色調(diào)比虹暗，最大太陽高度角為50°24′。

彩虹形成在雨后的雨滴幕上，雨滴幕對面須有太陽光照射，人在太陽一側(cè)可以觀測到彩虹，對流性降水最容易滿足彩虹出現(xiàn)的條件。對流性降水一般尺度（范圍、時間）較小，很快云散，太陽重新出頭，空氣中的水滴含量大，散射太陽光形成彩虹。在地面可視范圍內(nèi)，由于熱力作用，西方日頭，東方降雨，偏東方向易形成彩虹。反之，東方日頭，西方降雨，西方形成彩虹較少見，原因是早上西方出現(xiàn)對流，通常都是較強的典型冷鋒系統(tǒng)東移，一般情況可視天空位于上升運動區(qū)，東方較少見到藍天和太陽。彩虹出現(xiàn)的規(guī)律為：在可視范圍內(nèi)，下午出現(xiàn)彩虹多，早上少，中午太陽高度角＞42°，不能形成可視彩虹。從昭蘇彩虹觀測記錄分析，觀測到虹霓時80%以上伴隨著陣性降水（表1），不到20%觀測時無降水，但前期有降水。

表1 觀測到彩虹時降水情況（單位：次）Table 1 Precipitation when rainbow is observed (unit: times)

4.2 彩虹的可預(yù)報性

夏日午后的對流性降水往往會伴隨彩虹的出現(xiàn)，因此彩虹的預(yù)報也應(yīng)當建立在對流性降水預(yù)報的基礎(chǔ)之上。對流性降水尺度小，演變速度快，時間短，局地性強，對流性降水的預(yù)報一直以來都是氣象研究和業(yè)務(wù)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)之一，高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報模式的應(yīng)用極大地提高了對流性降水定量預(yù)報的準確性。

4.2.1 環(huán)流型與彩虹的統(tǒng)計檢驗

為了分析環(huán)流型與出現(xiàn)彩虹關(guān)系，從環(huán)流的角度檢驗彩虹的可預(yù)報性，普查了2017—2019年4—9月逐日20 h的500 hPa環(huán)流形勢，按照4種環(huán)流型的主要配置，統(tǒng)計了每年各類型的出現(xiàn)次數(shù)及出現(xiàn)彩虹的次數(shù)（表2）。從表中可以看出各環(huán)流類型年出現(xiàn)次數(shù)沒有明顯的規(guī)律，與彩虹觀測也沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，但環(huán)流型與彩虹的出現(xiàn)次數(shù)比約為2∶1，就是說報對了環(huán)流型，預(yù)報彩虹的成功率可達50%以上。

c)當C(px,y)==C(px-1,y)且C(px,y)==C(px,y-1)時， 表示塊px,y和上鄰域塊以及左鄰域塊之間均存在跨塊缺陷， 此時將上鄰域的標號賦值給塊px,y； 另外， 如果Label[x,y-1]≠Label[x-1,y]表明左鄰域和上鄰域的標號存在沖突， 需要將其記錄在等價標號關(guān)系表中。

表2 環(huán)流型和彩虹出現(xiàn)次數(shù)（單位：次）Table 2 Circulation type and rainbow occurrence times(unit: times)

4.2.2 環(huán)流形勢的預(yù)報檢驗

考慮到業(yè)務(wù)應(yīng)用的問題，昭蘇彩虹的中期預(yù)報主要基于ECMWF全球模式的形勢場預(yù)報產(chǎn)品來開展，通過分析數(shù)值模式形勢預(yù)報來判斷昭蘇是否出現(xiàn)對流性降水。因此，本文檢驗了昭蘇彩虹不同類型環(huán)流形勢預(yù)報的穩(wěn)定性。

（1）西南氣流型

選取2018年8月28日作為西南氣流型的典型個例，彩虹觀測時間21：02，方位為131°～133°，最高點仰角為33°，太陽方位為W，云狀為Cu cap、Cu cong、Cu hum，觀測前1小時有陣雨。從當日20時的高度場和風場來看，中高緯度為兩脊一槽形勢，西西伯利亞為低渦，低渦底部低槽南伸至中亞，昭蘇位于槽前西南氣流帶上，受東北上短波槽影響。根據(jù)ECMWF模式24～168 h的500 hPa環(huán)流形勢預(yù)報分析，模式提前7 d即做出了較為準確的預(yù)報，并且在隨后幾天里也沒有明顯的調(diào)整，維持了很好的穩(wěn)定性。

（2）偏西氣流型

選取2018年7月14日作為偏西氣流型的典型個例，彩虹觀測時間18：57，方位為81°～118°，最高點仰角為23°，太陽方位為WSW，云狀為Cb cap、Cu hum，觀測時有陣雨。從20時實況場上可以看到中緯度環(huán)流經(jīng)向度不大，西西伯利亞地區(qū)為低渦，呈東西向橫槽型分布，昭蘇位于低渦底部偏西氣流帶上，受其上短波槽影響形成降水。從ECMWF環(huán)流形勢7 d的預(yù)報發(fā)現(xiàn)，西西伯利亞低渦的位置強度的預(yù)報調(diào)整明顯，變化較大，但偏西氣流帶的預(yù)報相對穩(wěn)定，且都有短波槽影響，表明可以提前7 d做出正確的預(yù)報。

（3）脊區(qū)型

脊區(qū)型選取典型個例為2017年6月22日，彩虹觀測時間20：58，方位為110°～165°，最高點仰角為30°，太陽方位為WSW，云狀為Sc cug、Cu hum，觀測時有陣雨。20時的500 hPa圖上可以看到，環(huán)流形勢為鞍型場，伊朗—新疆—貝加爾湖為脊區(qū)，新疆以北的西伯利亞、青藏高原北部及新疆移動為低渦槽區(qū)昭蘇位于脊區(qū)內(nèi)。從ECMWF形勢場168 h預(yù)報可以發(fā)現(xiàn)鞍型場形勢已經(jīng)基本出現(xiàn)，新疆位于脊區(qū)，隨后幾天的預(yù)報中，僅西伯利亞低槽逐漸加強為低渦，其他系統(tǒng)的預(yù)報變化不大，表明7 d的預(yù)報相對穩(wěn)定。

（4）西北氣流型

西北氣流型的典型個例為2019年7月20日，彩虹觀測時間20：19，方位為70°～120°，最高點仰角為33°，太陽方位為W，云狀為Cb cap，觀測時有陣雨。20時500 hPa環(huán)流場上，北方基本上為低值系統(tǒng)控制，低渦中心位于新疆以北的西伯利亞，伊朗副高控制整個中亞地區(qū)及南疆西部，昭蘇位于低渦底后部、脊前西北氣流帶上。分析7 d的形勢預(yù)報，可以看到伊朗副高的預(yù)報變化不大，西伯利亞低渦的中心位置、強度在7 d中有較多的調(diào)整，但脊前西北氣流帶沒有大的變化。

綜合4個類型典型個例的500 hPa環(huán)流形勢預(yù)報的檢驗分析，ECMWF模式對于昭蘇出現(xiàn)對流性降水的環(huán)流形勢預(yù)報是比較準確的，一般在168 h就可以做出初步的對流性降水預(yù)報，而且在24～168 h內(nèi)預(yù)報維持相對的穩(wěn)定?？梢姡捎肊CMWF模式可以提前7 d得到昭蘇可能出現(xiàn)彩虹的預(yù)報。

4.2.3 降水預(yù)報檢驗

經(jīng)統(tǒng)計，ECMWF對流降水和DOGRAFS預(yù)報昭蘇彩虹日17—22時有降水的比例達85%以上，20時預(yù)報要優(yōu)于08時預(yù)報。

為了進一步了解對于昭蘇對流性降水的預(yù)報準確性，檢驗了ECMWF全球模式的對流性降水預(yù)報和區(qū)域模式DOGRAFS的逐小時降水預(yù)報，結(jié)果為：2019年4—10月ECMWF對流性降水預(yù)報的3 h晴雨預(yù)報準確率為84.4%，DOGRAFS逐小時晴雨預(yù)報準確率為85.1%，如果將預(yù)報時間段擴展到6 h，則晴雨預(yù)報的準確率可以達到90%以上，可見采用模式降水預(yù)報產(chǎn)品來預(yù)報昭蘇對流性降水是可行的。近年來，氣象臺開展了精細化網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的研發(fā)，覆蓋全疆的5 km格點客觀預(yù)報產(chǎn)品已經(jīng)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，經(jīng)初步檢驗，其晴雨預(yù)報的準確率已達95%以上，可基于該產(chǎn)品實現(xiàn)更為精細、準確的彩虹預(yù)報。

5 結(jié)論與討論

本文基于昭蘇彩虹觀測記錄，分析了昭蘇彩虹出現(xiàn)的特征，并根據(jù)500 hPa環(huán)流特征進行了環(huán)流分型，結(jié)合ECMWF環(huán)流預(yù)報、降水預(yù)報和DOGRAFS降水預(yù)報的檢驗，分析了昭蘇彩虹的可預(yù)報性，得到以下結(jié)論：

1）昭蘇觀測到的彩虹4—9月都有出現(xiàn)，絕大多數(shù)出現(xiàn)在下午17—22時，彩虹出現(xiàn)時天空基本上都存在積雨云，地面為偏西風，前1小時內(nèi)出現(xiàn)陣雨或正伴隨有陣雨。觀測到彩虹的太陽高度角＜42°。

2）昭蘇彩虹500 hPa的環(huán)流形勢，可歸納為4種環(huán)流型：西南氣流型、偏西氣流型、脊區(qū)型和西北氣流型，各環(huán)流型700 hPa都存在風的輻合或切變，疊加地形的抬升作用，使對流不穩(wěn)定強烈發(fā)展，對流系統(tǒng)生成，利于對流性降水的出現(xiàn)。

3）ECMWF模式對不同環(huán)流型500 hPa環(huán)流形勢均有較好的預(yù)報性能，預(yù)報時效可達7 d以上，且24～168 h預(yù)報基本維持穩(wěn)定。ECMWF全球模式的對流性降水預(yù)報和區(qū)域模式DOGRAFS的逐小時降水預(yù)報對昭蘇晴雨預(yù)報的準確率可達90%。

4）經(jīng)過實踐檢驗的昭蘇彩虹預(yù)報思路：提前7 d根據(jù)數(shù)值模式形勢預(yù)報判斷是否符合對流性降水形勢，符合則預(yù)報可能出現(xiàn)彩虹，概率約為50%；提前2～7 d根據(jù)數(shù)值模式降水預(yù)報17～22時有降水且將停止時，預(yù)報可能出現(xiàn)彩虹，概率約為60%；提前1 d，判斷太陽高度角＜42°的具體時間是否有對流性降水；臨近時根據(jù)雷達和衛(wèi)星云圖判斷對流云團移動速度和路徑，確定觀測時間和地點，概率約為65%。