2. 中亚大气科学研究中心, 乌鲁木齐 830002;
3. 新疆维吾尔自治区气象台, 乌鲁木齐 830002
2. Center for central Asia Atmosphere Science Research, Urumqi 830002;
3. Xinjiang Meteorological Bureau, Urumqi 830002
新疆为大陆性干旱、半干旱气候,由于“三山夹两盆”的特殊地形,局地冰雹和对流性暴雨天气频发,常给工农业生产和人民的生命财产造成严重损失。研究[1-2]表明新疆冰雹天气与地形密切相关,主要发生在山区,其分布呈"两大中心、6个雹源、9个多雹区域"特征。乌鲁木齐地处中天山北麓,准格尔盆地南缘,属微雹灾区,年均雹灾频次不足1次[3],市区4月冰雹出现频率更少。随着全球变暖,对流天气呈增加趋势,2016年4月24日,乌鲁木齐西南部山区及主城区一线发生短时降水,4 h后出现冰雹,并伴有雷电和阵雨天气,这是近5 a乌鲁木齐主城区首次出现冰雹,对居民的生产生活造成了严重影响。
近年来,随着探测技术的发展,高分辨率探测资料为中小尺度天气系统研究提供了可能,大量研究利用高分辨率云图[4-5]、风廓线雷达[6]、GPS大气可降水量(以下简称PWV)[7-8]等资料对局地对流性天气进行分析,提高了对局地灾害性天气的认识,但所取得的研究结果主要针对100°E以东区域,而对于新疆地区强对流天气的研究相对较少,各类探测新资料的应用处于起步阶段。针对新疆局地暴雨等强对流天气,研究表明微波辐射计反演的温湿度及其随高度变化趋势在降水发生时与探空一致[9-11];风廓线雷达产品能够清楚反映降水开始、结束及降水的强度[12];另外PWV能够为干旱区短期预报提供一个明确的水汽演变指标[13-15]。上述研究大多侧重分析新疆局地暴雨过程中温、湿度及风的演变特征,而针对冰雹天气的研究仍较匮乏。本文利用乌鲁木齐9个区域自动站逐时降水、风廓线雷达、多普勒雷达、微波辐射仪、GPS/met水汽探测仪、FY-2G卫星资料和NCEP再分析资料,对乌鲁木齐2016年4月24日短时降水和冰雹天气过程中的中尺度特征和触发因子进行对比分析,研究中尺度系统被上述新资料所“捕捉”到的物理特征的异同,探究干旱区夏季突发性强对流天气的预报着眼点。
1 资料与方法乌鲁木齐风廓线雷达与地面观测站、探空站同址观测,微波辐射计和地基GPS接收站设立在乌鲁木齐沙漠气象研究所(距离乌鲁木齐地面观测站不足1 km),因而资料具有可比性。
乌鲁木齐风廓线雷达属于CFL-03型边界层风廓线雷达,其雷达波长为0.234 m,最小探测高度60— 120 m,最大探测高度3—6 km;高度分辨率为60 m/层(60—960 m),120 m/层(> 960 m),采集数据频率为1次/ (6 min)。乌鲁木齐MP-3000A型35通道微波辐射计具有51~59 GHz和22~30 GHz二重波段,共计35个通道[14],探测高度从地面开始至10 km共58个反演层,水汽和温度廓线高度分辨率为50 m/层(0—0.5 km),100 m/层(0.5—2 km),250 m/层(2—10 km),时间间隔1 min。地基GPS遥感大气水汽技术是20世纪90年代发展起来的一种大气观测手段,乌鲁木齐站作为基准站可收集、整理和传输本站的GPS资料,具体解算方法参考文献[15]。其采集数据频率为1次/30 min。
通过对比发现,微波辐射计温、湿度廓线与探空站温、湿度廓线变化趋势基本一致(图略),风廓线雷达风随高度的变化趋势也与探空站高、低层风的分布大致一致(图略),因而可作为常规探空资料的补充。
2 天气实况及环流形势 2.1 降水实况图 1给出2016年4月24日08—20时(北京时,下同)乌鲁木齐全区地面自动站累积降水量和09—20时乌鲁木齐站逐时降水量,从中可见,2016年4月24日乌鲁木齐除达坂城外全区出现降水(图 1a),其中城区及西南部山区伴有冰雹、雷电和大风(简称“4.24”过程),降水及冰雹区集中在城区及西南部山区,降水中心乌鲁木齐气象局站(距离乌鲁木齐40 km) 12 h累积降水量为20.5 mm,按照干旱、半干旱的新疆现行降水标准为暴雨。降水分为两个时段(图 1b):24日09—13时的5 h累积降水量为7.1 mm,为一次短时降水天气过程;18—20时测站再次出现1.8 mm降水并伴有冰雹、雷电和大风,冰雹出现在18—19时,冰雹最大直径5 mm。
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图 1 2016年4月24日08—20时乌鲁木齐全区地面自动站累积降水量(a, 红点为乌鲁木齐站)和09—20时乌鲁木齐站逐时降水量演变(b) (单位: mm) Fig. 1 (a) The accumulated precipitation distribution observed by automatic weather stations in Urumqi from 08:00 BT to 20:00 BT (Red dot represents Urumqi station) and (b) variety of hourly precipitation at Urumqi station from 09:00 BT to 20:00 BT on 24 April 2016 (unit: mm). |
分析500 hPa环流形势可知,“4.24”短时降水和冰雹发生在中高纬度经向环流背景下,24日08时(图略) 500 hPa位势高度场上欧亚范围为两槽一脊形势,里海、咸海至西西伯利亚地区形成南北经向度达40°的长波脊,脊顶伸至80°N以北,东西伯利亚地区为极涡活动区,中纬度低值系统快速东移,与极涡后部打通,极地冷空气沿长波脊前强西北急流下滑并不断向低槽补充,槽底南伸至40°N附近,乌鲁木齐处于槽底偏西急流控制,最大风速20 m·s-1。700 hPa和850 hPa为一致的西北气流,风速为8~10 m·s-1,乌鲁木齐地处天山北坡,地形呈向北开口的喇叭口,低空偏北气流在乌鲁木齐地形辐合抬升下逐渐形成气流辐合,为短时降水提供有利的动力抬升条件。
图 2给出2016年4月24日14时500 hPa位势高度场和水平风场,从中可见,24日14时中纬度低槽东移,乌鲁木齐位于槽后西北急流带上,风速增至25 m·s-1,同时中低空急流增强(图略),700 hPa和850 hPa风速分别达到16 m·s-1和20 m·s-1,高、低空为一致的强西北急流,风速垂直切变达9 m·s-1,在纬圈方向上出现切变涡度。同时从垂直速度分布(图略)可见,自西向东上升运动逐渐减小,根据垂直涡度方程可知,在这种情况下垂直涡度将增大,利于上升运动的发展,为降雹提供触发机制及动力抬升条件。分别选取降水期间(11时)、降水间歇期(16时)和冰雹期间(19时)的海平面气压场进行对比分析,乌鲁木齐降水期间受冷空气影响地面出现降水,11时气压为1 021.4 hPa,温度为8.4 ℃;降水间歇期间(15—16时),地面减压升温迅速,气压为1 017.2 hPa,温度为15.5 ℃,加之前期降水影响,近地面暖湿,不稳定能量不断积聚;18—19时在低空急流触发下对流有效位能释放,乌鲁木齐开始出现冰雹,地面气象要素变化不大,气压为1 017.6 hPa,气温为14.6 ℃。以往的研究表明[16-18],南疆地区的雹区往往与地面中尺度低压和切变线有紧密联系,而本次降雹前和降雹期间与中尺度云团相联系的地面中尺度低压系统(图略)一直维持在乌鲁木齐—天池一线,这说明低空急流的动力抬升对乌鲁木齐“4.24”冰雹的产生更加重要,与南疆地区降雹的形势有所不同。
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图 2 2016年4月24日14时500 hPa位势高度场(等值线,单位: dagpm)和水平风场(阴影区风速大于等于12 m·s-1)叠加图 Fig. 2 The 500 hPa geopotential height field (contour, unit: dagpm) and horizontal wind field (Shaded represents wind speed greater or equal to12 m·s-1) at 14:00 BT 24 April 2016. |
综上分析可知,乌鲁木齐短时降水天气主要发生在500 hPa偏西急流、低层偏北气流形势下,而冰雹天气发生在高低空一致西北急流形势下,低空偏北急流的强度与上升气流的强弱有关。
3 中尺度系统发展的环境条件和触发因子 3.1 冰雹环境条件图 3为乌鲁木齐站2016年4月24日08时探空和14时订正探空曲线,从中可见,08时温、湿层结曲线(图 3a)从低层至高层呈“喇叭口”分布,低层暖湿、高层干冷,在650 hPa层次上下有逆温层,这一方面加大了大气层结的温度递减率,另一方面利于对流不稳定能量的积累。从风场上看,500—200 hPa为一致的西南急流,风速变化不大(20~26 m·s-1),700 hPa和850 hPa为西北气流,风速分别为8 m·s-1和10 m·s-1。从对流参数上看,08时对流有效位能(CAPE)为84.8 J·kg-1,K指数为30 ℃,沙氏指数SI为1.39 ℃,此时500 hPa和850 hPa温度分别为-20 ℃和6 ℃,850 hPa与500 hPa温度差(ΔT850-500)达26 ℃,表明850—500 hPa环境温度递减率较大,利于对流发生。以上分析表明,08时乌鲁木齐探空已表现出对流不稳定潜势,对应09—13时乌鲁木齐出现短时降水。14时用地面温度、露点及NCEP再分析资料订正后的探空曲线(图 3b)从低层至高层仍呈“喇叭口”型,ΔT850-500达30 ℃,850—500 hPa环境温度递减率加大,利于对流发生条件的进一步增强,CAPE值迅速增至720.7 J·kg-1,K指数增至36.1 ℃,SI达-2.12 ℃,午后对流潜势强盛发展。前期降水使低层环境中的水汽凝结降落,造成了低层环境相对湿度下降,使得湿球零度层高度低于干球零度层高度(由08时探空可知零度层高度为2 446 m)。水滴在下落过程中蒸发产生的负浮力和其在近地层更倾向于沿湿绝热线下降的路径也增大了冰雹粒子落地的可能性。另外不同于经典大冰雹发生温度场特征的是,冰雹发生前乌鲁木齐探空0 ℃层和-20 ℃层分别位于800 hPa (2.4 km)和500 hPa (5.8 km)附近,0 ℃层高度明显低于经典大冰雹0 ℃层高度(4 km)。另外,该过程中0 ℃层和-20 ℃层间的冻结层厚度为3.4 km,中层较为不稳定,这与以往的研究[19-20]结果较一致,春季发生冰雹天气的0 ℃层高度较低,-20 ℃层高度在利于降雹范围之内。
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图 3 2016年4月24日乌鲁木齐站08时探空(a)和14时订正探空(b)曲线 Fig. 3 Sounding curve at (a) 08:00 BT and revised sounding curve at (b)14:00 BT at Urumqi station on 24 April 2016. |
表 1给出2016年4月24日08时和14时乌鲁木齐站探空对流参数,从中可见,短时降水发生前的各项热力和动力参数与冰雹发生前存在一定的差异。08时850 hPa与500 hPa等压面假相当位温差Δθse 850-500为1.5 ℃,14时明显增强至6 ℃,午后乌鲁木齐不稳定层结显著发展,K指数也增大至36 ℃,SI指数08时为1.39 ℃,到14时变为-2.1℃,08时强热力稳定而14时变为强热力不稳定,CAPE值08时为84.8 J·kg-1,14时增大至720.7 J·kg-1,说明午后对流有效位能迅速发展,积蓄了大量不稳定能量。综上可知,乌鲁木齐短时降水前存在一定的对流不稳定潜势,午后随着短时降水结束,近地层增温增湿,同时高层受槽后冷平流及前期短时降水影响降温降湿,大气层结越来越不稳定,对流潜势强烈发展,为降雹提供对流不稳定能量。前期短时降水也为冰雹的产生提供了必要的水汽条件。
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表 1 2016年4月24日08时和14时乌鲁木齐站探空对流参数 Table 1 Sounding convective parameters at Urumqi station from 08:00 BT to 14:00 BT on 24 April 2016. |
4月22日20时—23日08时(图略),受中纬度低槽前部西南气流影响,乌鲁木齐上空缓慢增湿,850 hPa比湿由1 g·kg-1增至6 g·kg-1;24日08时(图略)中纬度低槽向东南移动,槽底偏西气流将巴尔喀什湖水汽输送至新疆,700 hPa和850 hPa水汽通量矢量上存在一支弱的偏西北水汽输送通道,受其影响乌鲁木齐850 hPa比湿增至7 g·kg-1,这在春季天气过程中是较少见的,随后09—13时乌鲁木齐出现短时降水。14时(图略)700 hPa和850 hPa水汽输送均有所减弱,但在乌鲁木齐附近存在-2×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量辐合中心,受前期短时降水影响,近地面水汽含量较充沛,在强烈的水汽辐合下,乌鲁木齐附近的湿空气迅速汇集,造成18—19时主城区降雹天气。综上分析可知,短时降水过程的水汽来自远距离输送,而冰雹天气的水汽主要是来自雹区低层短时间内迅速聚集的湿空气。
乌鲁木齐4月PWV气候平均值约9.4 mm [21],图 4给出4月22—24日乌鲁木齐站GPS/met反演的逐30 min大气可降水量PWV和逐时降水量演变,从中可见,23日04—21时受中纬度槽前西南气流影响,PWV出现一次快速持续性增长过程,17 h的PWV增幅为9.2 mm,水汽不断聚集;23日20时—24日04时槽前风速明显减小,对应PWV也快速减小至12 mm;24日04—07时低槽东移,乌鲁木齐处于槽底偏西气流控制,PWV出现明显跃升,3 h增幅为4.5 mm,PWV最大值达16.4 mm,接近气候平均值的两倍左右;随后09—13时地面出现短时降水,累积降水量7.1 mm,降水期间PWV维持在14 ~16 mm。随着短时降水的结束,PWV迅速减小至12 mm左右;16—18时,地面升温明显,受前期短时降水影响,近地层水汽密度较大,乌鲁木齐PWV再次出现明显跃升,2 h增幅为3.7 mm,PWV最大值为15.1 mm,水汽在短时间内再次快速聚集,造成18—19时乌鲁木齐降雹天气过程。降雹过程中伴有小量降水,随着降雹和降水过程的开始,PWV迅速下降至13 mm附近。
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图 4 2016年4月22—24日乌鲁木齐站GPS/met反演的逐30 min大气可降水量PWV和逐时降水量演变(单位: mm) Fig. 4 Variations of 30minutes PWV by GPS/met and hourly rainfall at Urumqi station from 22 to 24 April 2016 (unit: mm). |
结合水汽通量和比湿分析(图略)可知,受槽前西南气流和槽底偏西气流影响,乌鲁木齐短时降水前存在增湿过程,降水前水汽输送和水汽快速聚集造成短时降水天气,而18—19时乌鲁木齐降雹和降水天气过程中并无明显的远距离水汽输送,而是在合适的动力条件下水汽短时间内快速聚集造成城区降雹和降水天气。短时降水过程前PWV增湿过程约1 d,而冰雹天气过程的PWV增湿过程仅为2~3 h,短时降水和冰雹过程中PWV峰值约为气候平均值的1.6倍,这与大尺度低槽背景下乌鲁木齐短时强降水PWV研究结果[13]有所不同。
3.3 微波辐射计温湿演变24日08:00—09:00和10:00—11:00,乌鲁木齐1 h降水量分别为2.4 mm和2.6 mm,而09:00—10:00和11:00 —13:00降水量均在1 mm左右。图 5给出24日08:00—20:00乌鲁木齐站温度和水汽密度廓线,从中可见,温度和水汽密度在雨强较大时段出现明显跃升,测站水汽密度达0.4~0.8 g·m-3,0 ℃层由1.5 km上升至5 km附近,一方面是由于降水释放凝结潜热,使得周围大气增温明显,另一方面由于微波辐射计天线罩上的雨水使测得的亮温值偏高,从而导致反演的温度升高。11:00—12:00的0 ℃层高度和水汽密度有所下降,对应雨强也有所减小,13:00—16:00降水结束,温度和水汽密度下降至降水前平均水平。降雹前和降雹期间(16:00—19:00)地面1 km至对流层顶温、湿廓线再次出现明显升降,16:00—17:30温度和水汽密度廓线出现了三次陡升,0 ℃层伸至5 km附近,水汽密度增至0.4 g·m-3,对应地面17时前后出现小量降水;17:30—18:00雹云中强烈的上升气流将低层的感热和潜热向上传输,导致0 ℃层高度由1.5 km跃升至6 km附近,-20 ℃层高度也明显抬高,水汽密度并未因降水下降,增至0.6 g·m-3。降雹前和降雹期间整个对流层内出现明显增温,同时低层水汽也被上升气流向上传输,导致垂直液态水含量、水汽密度快速增长、相对湿度增大,但温度廓线在降雹期间陡升是否仅是由于降雹过程中的潜热释放造成,还需进行进一步研究。水汽被携带至过冷层后,贝吉隆过程和冰晶碰并增长过程使冰晶增大落入0 ℃以上融化区融化,导致液态含水量增加,有一部分形成降水和冰雹,总体上使得液态含水量和水汽密度等减小;随着降水和冰雹结束,各物理量快速降至降水前平均状态。
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图 5 2016年4月24日08:00—20:00乌鲁木齐站温度(a, 单位: ℃)和水汽密度(b, 单位: g·m-3)廓线 Fig. 5 Profiles of (a) temperature (unit: ℃) and (b) vapor density (unit: g·m-3) at Urumqi station from 08:00 BT to 20:00 BT 24 April 2016. |
对比可知,短时降水和冰雹发生期间温度和湿度廓线均出现不同程度的跃升,冰雹期间水汽密度陡升更加剧烈。短时降水后,无明显的水汽输送,局地水汽短时间内快速聚集,降雹前水汽密度由0.1 g·m-3迅速增至0.6 g·m-3,15 min增量达0.5 g·m-3;同时14:00— 16:00地面增温明显,不稳定能量快速聚集,在低空急流和近地层西北急流触发下造成城区降雹。另外短时降水期间温度骤升和水汽聚集是否与雨强有关,还需增大样本数目进行进一步研究。
3.4 触发因子图 6给出2016年4月24日乌鲁木齐风廓线雷达逐6 min水平风场的高度—时间剖面图,从中可见,短时降水期间风廓线雷达探测高度内气流较稳定,4 500 m以下几乎为一致西北气流。08:00—09:00,600 m附近出现16 m·s-1的强西北急流,充沛水汽在超低空急流触发下产生2.4 mm降水;10:00—11:00,60— 300 m风向由西北气流转为偏东气流(6 ~10 m·s-1),2 000 m附近出现20 m·s-1西北急流,垂直风切变迅速增大至30 m·s-1,上升运动得到进一步增强,对应地面小时降水量为2.6 mm;12:00—13:00近地层偏东气流转为西北气流后又转为西南气流,存在明显的西北风和西南风风切变,但由于08时对流有效位能CAPE仅为84.8 J·kg-1,短时降水过程已将对流有效位能释放,因而12:00—13:00降水量仅为0.6 mm。降雹前14:00—15:00风廓线雷达探测3 000 m以下高度几乎为一致西北气流,3 000 m附近西北急流仍维持。16:00—17:00,中空西北急流向下扩展至2 000 m附近,急流厚度达1 000 m,风速由16 m·s-1迅速增至20 m·s-1,中层西北急流动量快速下传,为雹云发展和冰雹产生提供了良好的动力条件,同时600 m附近出现一支强边界层西北气流(风速达16~20 m·s-1),整层迅速增湿,反映大气湍流状况的折射率结构常数Cn2值由-160 dB增至-118 dB(图略),整层高湿区维持30 min (17:30—18:00)。由于降雹导致风廓线雷达探头探测信号衰减,部分资料不能进行反演而缺失,18:00整层大气开始出现强盛的上升运动,垂直速度最大达3.4 m·s-1,随着边界层急流减弱和Cn2值减小,冰雹和降水天气结束(图略)。
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图 6 2016年4月24日乌鲁木齐风廓线雷达逐6 min水平风场的高度—时间剖面图(单位: m·s-1) Fig. 6 Height-time cross section of 6 minutes horizontal wind by wind-profiler radar of Urumqi on 24 April 2016 (unit: m·s-1). |
图 7给出2016年4月24日不同时次700 hPa、850 hPa水平风场,从中可见,24日08时700 hPa风场上(图 7a),乌鲁木齐西北侧出现西北急流,急流中心风速为24 m·s-1,乌鲁木齐处于急流出口区右前侧风速辐合区,同时850 hPa (图 7c)乌鲁木齐西北侧和东南侧分别存在西北急流,最大风速24 m·s-1,乌鲁木齐处于风速辐合区,在低空急流触发下,地面出现短时降水。14时(图 7b),700 hPa西北急流快速东南移动,低空急流贯穿乌鲁木齐南北两侧,850 hPa (图 7d)乌鲁木齐西北侧与东南侧急流叠加,乌鲁木齐风速迅速增大至12 m·s-1,此时乌鲁木齐处于700 hPa和850 hPa西北急流前方,在急流触发下垂直运动增强,激发雹云和中尺度低压(图略)发展,造成乌鲁木齐降雹和降水天气。
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图 7 2016年4月24日08时700 hPa (a), 14时700 hPa (b), 08时850 hPa (c), 14时850 hPa (d)水平风场(单位: m·s-1,阴影区表示风速大于12 m·s-1低空急流区,★代表乌鲁木齐站) Fig. 7 Horizontal wind fields at (a) 08:00 BT on 700 hPa, (b)14:00 BT on 700 hPa, (c) 08:00 BT on 850 hPa, and (d)14: 00 BT on 850 hPa on 24 April 2016 (unit: m·s-1, shaded indicates the low-level jet stream with wind speed greater than 12 m·s-1, and ★ represents Urumqi station). |
图 8给出2016年4月24日不同时次乌鲁木齐多普勒天气雷达组合反射率,从中可见,24日07:52 (图 8a)开始乌鲁木齐西北部50 km处生成中γ尺度对流单体A,随着低空急流逐渐东南移;08:43 (图 8b)对流单体A呈弓形回波状开始影响乌鲁木齐,最强组合反射率为40~ 45 dBz,测站开始出现短时降水。随后西北急流上不断有对流单体生成并向东南移动,强度为35~40 dBz,对应测站雨强减小;10:30 (图 8c)随着低空西北急流进一步加强,西北急流带上乌鲁木齐西北侧30 km再次生成中γ尺度对流单体B,强度为35~40 dBz,并随低空急流向东南移动;10:52 (图 8d)对流单体B移至乌鲁木齐附近,强度迅速增强至45~50 dBz,对应10:00—11:00为雨强较强时段;11:03 (图略)该对流单体南移出城区,降水逐渐减小。造成此次乌鲁木齐18:00—19:00冰雹的中尺度系统是在乌鲁木齐西北部地区生成并逐渐南移,从雷达回波图上(图 8e—h)可见,17:48—18:22和18:56— 19:24两时段内,0.5°~6.6°仰角上均存在大于40 dBz的中尺度对流系统。17:48 (图 8e)乌鲁木齐西北10 km处出现中γ尺度对流单体C,强度45~50 dBz,随后该对流单体沿低空急流快速南移;18:22 (图 8f)对流单体C范围明显扩大,强度仍维持在45~50 dBz并开始影响乌鲁木齐,对应城区开始出现降水和冰雹。18:56 (图 8g)乌鲁木齐西北10 km处再次生成中γ尺度对流单体D,强度为40 dBz,19:24 (图 8h)对流单体D逐渐向东南移动,范围增大,造成乌鲁木齐出现少量降水。
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图 8 2016年4月24日07:52 (a)、08:43 (b)、10:30 (c)、10:52 (d)、17:48 (e)、18:22 (f)、18:56 (g)和19:24 (h)乌鲁木齐多普勒天气雷达组合反射率(单位: dBz) Fig. 8 Combined radar reflectivity from Urumqi radar at (a) 07:52, (b) 08:43, (c)10:30, (d)10:52, (e)17:48, (f) 18:22, (g)18:56, and (h)19:24 on 24 April 2016 (unit: dBz). |
综合分析可知,该次乌鲁木齐短时降水和冰雹期间,在雷达图上均存在中γ尺度对流单体,冰雹发生期间雷达回波为45~50 dBz,且强回波伸展高度不高,在预报预警中认为冰雹发生的可能性较低,这是本次冰雹过程漏报的一个重要原因。因而可知在干旱、半干旱地区,雹云的伸展高度及雷达回波强度与季风区的研究结果[22-24]有所不同,在今后冰雹的预报预警中多元资料的应用必不可少。
4.2 卫星云图特征图 9给出2016年4月24日FY-2G逐小时0.1°×0.1°分辨率云顶亮温TBB,从中可见,低空急流东南移动,在急流轴前方不断有中尺度对流单体生成、合并和东移。24日08时(图 9a)沿天山一带地区带状云系上有不规则椭圆形的中-α尺度云团A和B,云团A的TBB为-36 ℃,乌鲁木齐处于该云团南侧TBB梯度大值区附近,对应地面测站开始出现短时降水;随后该云团随着低空急流东南移,10时(图 9b)中-α尺度云团B逐渐移至乌鲁木齐以北50 km的昌吉地区,TBB为-32 ℃,乌鲁木齐处于云团B南侧TBB梯度大值区,地面降水持续;12时随着低空急流移出乌鲁木齐,云团逐渐消失,城区雨强开始减弱。14时(图略)700 hPa西北急流出口区右侧的云团C逐渐发展,18时(图 9c)该云团东南移至乌鲁木齐南部山区,TBB为-36℃,城区位于云团C北侧TBB梯度大值区,配合午后不稳定能量的积聚及低空西北急流的触发,上升运动强烈发展,在适宜的融化层高度条件下乌鲁木齐城区20 min后开始降雹。19时(图 9d)云团C移动缓慢,TBB为-32 ℃,乌鲁木齐仍位于云团C北侧TBB梯度最大处,由于对流有效位能的释放,因而仅造成乌鲁木齐少量降水,随后云团C逐渐东移,乌鲁木齐降水和冰雹天气结束。
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图 9 2016年4月24日08:00 (a)、10:00 (b)、18:00 (c)和19:00 (d) FY-2G 0.1°×0.1°分辨率云顶亮温TBB(单位:℃, 红点表示乌鲁木齐站) Fig. 9 Hourly FY-2G infrared cloud image TBB (unit: ℃) with 0.1°×0.1° resolution at (a) 08:00 BT, (b) 10:00 BT, (c) 18:00 BT, and (d) 19:00 BT on 24 April 2016 (Red dot indicates Urumqi station). |
综合分析可知,乌鲁木齐短时降水和冰雹天气是低空急流轴前侧不断生成的中尺度云团造成的,短时降水和冰雹与中尺度云团TBB梯度大值区均有较好的对应关系,其中雹云生命史更短,移速更快,且伸展高度低,因而造成冰雹直径较小,这也是实际预报工作中的难点。
5 结论与讨论(1) 中纬度低槽过境前后乌鲁木齐分别发生短时降水和冰雹天气,短时降水发生在500 hPa槽底偏西急流、低层偏北气流形势下;冰雹天气发生在高低空一致西北急流形势下。短时降水发生前受槽前西南气流影响,增湿明显,存在远距离(巴湖地区)水汽输送,在低空急流的触发下产生降水天气;低槽东移后,对流层为“低层暖湿、高层干暖”结构,乌鲁木齐底层水汽迅速聚集,低空急流下传,对流不稳定能量被触发,城区出现冰雹天气。
(2) 大气对流不稳定潜势在短时降水前(08时)已存在,K指数30 ℃、SI指数1.39 ℃、CAPE值84.8 J·kg-1。午后随着地面增温,对流有效位能和各项热力、动力不稳定参数均发生显著变化,14时K指数增大至36 ℃,SI指数为-2.1 ℃,CAPE值迅速增大至720.7 J·kg-1,为雹云的发展积累了大量不稳定能量。
(3) 乌鲁木齐短时降水和冰雹均是低空急流上不断生成的中尺度系统造成的,对应云图上也有中尺度云团出现,其中雹云生命史更短,移速更快,云内上升气流异常强盛,其温度和水汽密度廓线陡升较短时降水期间更加剧烈。短时降水和冰雹与中尺度云团TBB梯度大值区均有较好的对应关系。
在分析本次短时降水、冰雹天气时,微波辐射计资料无法确定温度廓线在降雹期间陡升是否仅是由于降雹过程中的潜热释放造成,因而还需加大样本数量进一步探讨。另外,短时降水和冰雹期间,多普勒雷达回波特征上的回波较弱,因而在干旱、半干旱地区的实际预报工作中,预报员在业务实践中还需要注意,当灾害性天气来临前,应加强对多源资料的应用,以便做出准确的短时临近预报。
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