一次天气过程中不同尺度降水系统的云图及雷达图像特征

彭军，周雪英，魏勇

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆库尔勒 841001；2.石河子气象局，新疆石河子 832000）

一次天气过程中不同尺度降水系统的云图及雷达图像特征

彭军1，周雪英1，魏勇2

（1.巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆库尔勒 841001；2.石河子气象局，新疆石河子 832000）

利用常规气象资料、卫星、雷达及NCEP 1°×1°的6 h再分析资料，对2013年4月发生在巴州北部的一次天气过程中两种不同的降水类型进行诊断,对云图及雷达特征进行详细分析。结果表明“S”型云西边界凹处对应系统性降水中心，低涡云系南段对应强对流中心。“S”凹处的雷达图中对应有冷式切变，整层上升运动，水汽供应充足，且高层辐散、低层辐合，具备了大降水发生的环境场。雷达分析发现强对流发生在弱垂直风切变及辐散流场环境下，冰雹出现在与风速辐合中心对应的强回波中心下方。低涡云系中低层伴有下沉运动并配合冷平流，而近地面层为锋前暖平流，强对流发生在θse随高度降低的区域，是典型的冷锋锋面过境触发的强对流天气。

云图特征；雷达图像特征；强对流；锋面触发

巴州地区地形复杂，包含高山、盆地、沙漠等地形地貌。当一次天气过程影响时，一般涵盖多种天气现象，特别是在春季农事活动的关键时刻，常伴有大风、降温、降水、沙尘等多种灾害性天气，严重影响了居民生活和农业生产。2013年4月在巴州北部出现了一次降水过程，其中先后出现了系统性降水和强对流，虽然预报难度较大，但不同降水云系均有明显特征的云图信息，非常值得深入研究。目前国内外学者对于卫星资料在暴雨、强对流天气中的应用开展了大量的工作，有研究对新疆降雹云团的卫星云图特征进行了普查分析并划分为雷暴云、冷云核、云系边缘等6类[1]。曹治强[2-5]等发现冷涡云系、斜压叶状云系尾部型强对流发生于云带的尾部、龙卷发生在雷暴云团入流处。郭跃等[6-8]认为与暴雨对应的锋面云系，靠近冷空气一侧云带边界光滑，假相当位温等参量的分布特征，清楚地解释了锋面云带的移动、发展和分布特征，干冷空气下传，大气不稳定度增大，均有可能是MCC发展的重要信号。关于春季强对流天气的发生机制、指标研究，国内取得了不少研究成果，李红波[9]等分析发现低θse高能区、水汽通量大值区、强的辐合上升区和CAPE的高值区等物理量场都对强对流天气区有较好的对应关系。周后福[10]等研究表明上层干冷空气下传侵入引发的对流不稳定层结、较强的垂直风切变、能量锋区的存在、高低空急流耦合所造成的抽吸作用均有利于触发强对流天气的发生。张凌云[11-12]等研究指出锋面抬升是对流天气的主要触发机制之一，干对流是位于地面锋前暖区的辐合线触发。魏勇等[13-21]发现新疆春夏季出现冰雹时回波强度一般大于60 dBz。以上研究为系统性降水及强对流天气预报预警提供了十分重要的参考，因此本文通过对巴州北部春季一次天气过程中不同降水类型的指标性云图特征进行分析，并结合雷达、地面及探空观测资料及NCEP 1°×1°的6 h再分析资料开展深入研究，进而得出云图特征所反映的物理意义，寻找此类天气过程预报预警的指标，以期提高春季降水预报的预警能力，提升防灾减灾水平。

1 天气实况

2013年4 月17—18日，巴州北部出现了一场以降水、强对流为主的天气过程。天气分为两个阶段，第一阶段：18日00—06时，巴州北部地区普遍出现了系统性降水，该阶段降水连续，各站降水时间维持在3～6 h之间；焉耆盆地是降水中心，普遍出现中到大雨，局部大到暴雨，降水的集中时段在02—05时，其中和静4 h降水量为17.4 mm，1 h最大降水量8 mm。第二阶段：18日16—19时，从轮台到库尔勒、焉耆盆地自西向东北先后出现短时强对流天气；天气最强时段为18时，和硕、和静为雷阵雨，1 h降水量分别是8.6 mm和5.3 mm，库尔勒还出现了局地冰雹，冰雹将刚挂果的香梨打落在地，致使大面积刚出土的棉苗被打断。此次降水天气还严重影响焉耆盆地番茄、辣椒等幼苗移栽工作，给农业生产造成严重损失。

2 环流形势特征

2.1 高空环流形势

16日08时500 hPa（图1a）欧亚中高纬度呈两槽两脊型，欧洲和新疆为高压脊区，中亚和中国东北地区为低涡系统。中亚低涡为此次天气过程的主要影响系统，其东南部锋区较强，低层850 hPa巴尔喀什湖到库尔勒一带等温线密集，锋区北侧潮湿并有-8℃的变温，锋区南侧干燥且普遍升温，锋区两侧温差达20℃以上。17日08时500 hPa（图1b），欧洲脊受高纬度低值系统影响，略有减弱，中亚低涡分裂的低槽与低纬度低槽同相位叠加，新疆受槽前西南气流控制，大部地区空气接近饱和。200 hPa高空急流东移南压控制天山两侧，低层850 hPa锋区进一步南压，北疆沿天山一带剧烈降温，南疆出现负变温，并且天山南侧出现了12 m/s以上的偏北急流，高空气流的抽气作用有利于上升运动，而低空急流有利于低层的水汽输送。18日08时（图1c）欧洲脊东北伸，引导北方冷空气南下，同时高纬低值系统与中亚低涡同相位叠加，新疆西部各站500 hPa上空均为西南气流，空气达到饱和，而此时中亚低涡前期分裂的低槽已经东移到东疆，库尔勒处于两个影响系统之间的浅脊控制。700 hPa切变线位于新疆偏西地区，切变线右侧为偏南暖湿气流。850 hPa偏东风在阿克苏有明显的风速辐合。低层切变线以及风速辐合出现在巴州上游地区，有利于天气系统的发展。库尔勒站上空中高层干燥，低层比较潮湿，同时在浅脊控制下为无云区，这有利于白天地表加热使气温快速回升，加速对流不稳定层结的建立。

通过形势分析可以发现此次天气过程中，第一阶段是由中亚低涡分裂的低槽与低纬低槽同相位叠加影响新疆，槽前西南气流有利于水汽的大范围输送，高低空急流的出现为降水提供了上升动力及低层水汽供应。第二阶段中亚低涡与高纬低值系统同相位叠加成槽后东移影响新疆，在第一阶段系统性降水天气过后，巴州北部高空呈上干下湿，经白天地表加热，不稳定层结加剧，低槽过境时造成对流天气爆发。

2.2 地面天气形势

16日08时地面冷高压位于欧洲中部，中心气压1 035 hPa，乌拉尔山东南部高空冷涡下方为地面气旋；伊朗一带有1 020 hPa的小高压，南疆为热低压，锋面位于新疆西部国境一带。至17日08时，小高压东移到巴尔喀什湖南侧，等压线在天山附近密集，地面冷锋到达乌鲁木齐，而南疆盆地仍为正变温和负变压，南北疆的温差及压差进一步加大。17日11时一部分冷空气向南翻越天山，另一部分冷空气从西边翻越帕米尔高原，南疆盆地出现正3 h变压，天山山区出现降水。17日夜间受冷锋翻越天山南下的影响，巴州北部地区出现系统性降水。18日08时，位于巴尔喀什湖附近的地面高压中心强度1 022.5 hPa，锋面位于新疆西部境外，西西伯利亚、南疆有低压中心，蒙古为地面冷高压，新疆大部处于鞍型场中。18日14时，随着锋面的东移，3 h正变压从阿克苏向东逐渐推进，雷暴降水天气与之相伴而生。至18时，正变压推进到了巴州北部，自西向东陆续触发了雷雨天气。

第一阶段表现为地面冷空气沿西方路径进入新疆，冷高压中心强度不强，地面冷锋向南推进过程中造成巴州北部的系统性降水。第二阶段则为地面冷锋翻越帕米尔高原进入南疆西部，巴州北部出现的雷暴天气与地面冷锋东进具有很好的一致性。

3 云图特征分析

17日08 云图中（图2a），低槽前部有斜压云系A覆盖在新疆上空，绵延数千千米，云系没有特别强的冷中心，并且结构松散，在云系的东北顶端呈反气旋式弯曲。巴尔喀什湖一带新的低涡云系B生成，云系范围不大，在A与B云系之间为大范围的无云区。17日白天云系移速缓慢，A云系结构逐渐趋于密实，在此过程中巴州北部没有明显降水出现。至18日03时（图2b）发展的斜压云系结构非常清晰，云系在北疆加强，云顶温度降低，其西边界十分光滑，且呈“S”型弯曲，巴州北部处于“S”型边界凹处，云顶冷中心的南缘。此时巴州北部进入了系统性降水的集中期，降水大值区并未出现在云顶亮温最低区域，而发生在位于“S”型凹处的巴州北部。此时云系B已演变为锋面云系，范围扩大了数倍，长度达数千千米，主体位于西部边境一带，其东南部已深入南疆，它与云系A之间形成了一条较为均匀的“S”型无云干区，无云区内的急流作用使得云系A左边界光滑且呈“S”走向，云图特征典型。在云系B东南部进入南疆的过程中，并没有造成明显降水，只有零星降水出现。18日14时（图2c）云系A东移到东疆一带，云系B变形东移进入新疆，且略有北上，其南段云系大面积消散，但位于云带尾部的对流云团开始发展，呈椭圆型且为冷云中心，受干气流影响，云周围边界很光滑。至18时（图2d）云系B尾部的对流云团加强发展，云团近似圆形，云顶亮温更低，当对流云团扫过巴州北部的时候造成强对流天气发生，值得注意的是在对流云团西南角伸出一个“尾巴”，它直接造成库尔勒以西的冰雹灾害。

4 多普勒雷达资料分析

雷达资料重点分析与云图相对应的天气时段的雷达强度及风场特征，揭示特征云图所蕴含的物理意义。本文均采用2.4°仰角数据。

18日03 :01雷达反射率图中（图3a），雷达范围内以层状云为主，在雷达以西20 km处有30 dBz的回波中心，在雷达的东部以及南部的回波呈丝絮状分布，回波左边界与云系A的“S”边界具有一致性。与云图显示稍有不同的是在雷达西南侧，有少量云存在，因其云顶温度不低，所以在红外云图中反映不明显，另外春季红外云图中表现的冷云中心在雷达图中表现的回波强度不强，这与季节因素有直接关系。径向速度图中（图3c）低层为西北急流，中心达到20 m/s，流入速度大于流出速度，同时雷达50 km范围内负速度面积大于正速度面积，表明低层辐合。高层为西南气流，流出速度大于流入速度，具有辐散特征。低层辐合、高层辐散有利于上升运动以及低层水汽的积累，另外低层西北风，高层西南风，风随高度逆转，说明有冷式切变，有利于降水天气的触发。雷达图非常直观地反映出云图中斜压云A的“S”边界凹处成为降水中心的原因。

18日18:01分雷达反射率图中（图3b），显示了云系B的尾部特征。雷达回波包括两部分，集中在雷达的北部，是正北方的近似于扇形的回波和西北偏西方的线形回波，此线形回波与云图中的"尾巴"相对应。这两部分回波结构均比较密实，强度回波中心范围很小，但是达到了45 dBz，前者的强度中心位于焉耆盆地，后者的强度中心位于库尔勒市偏西地区。由于季节因素影响，云图中反映的范围强大的对流云团在雷达回波中反映并没有想象中的强。径向速度图中（图3d）大范围回波以西南气流为主，仅低层有弱的东北气流，高低空还是存在着弱的风切变，风向切变线附近与强回波中心相对应，另外库尔勒以西的线性回波均为负速度，其外围径向速度较大，最大速度达到了20 m/s以上，但内部风速较小，说明在其内部有明显的风速辐合，而辐合中心与强回波具有对应关系。雷达范围内正负速度中心数值相近，但正速度面积明显大于负速度面积，表明以辐散流场为主。以上分析表明强对流发生在弱的垂直风切变及辐散流场环境下，冰雹出现在与风速辐合中心对应的强回波下方。

5 环境场特征及物理量分析

5.1 探空资料物理量分析

探空资料显示17日08时与18日08时的高空风场变化不大，中高层为西南气流，低层850 hPa为东北气流，且风速大于16 m/s，垂直风切变显著。K指数均在20以下，Si指数大于2，二者相近，但是18日08时500 hPa以下呈喇叭口状，湿层浅薄，干对流特征明显。两个天气阶段前湿度垂直分布差异明显，17日08时相对湿度廓线图中低层相对湿度不大，但是在500～400 hPa相对湿度在80%以上。降水前期20时中层依然保持高湿，并且高层相对湿度也比较大。而18日08时，受前期降水的影响，低层增湿，700 hPa以下相对湿度大于60%，而700 hPa以上相对湿度迅速减小。相对湿度垂直分布的差异说明，第一个阶段降水前高层有一个增湿的过程，这与系统性降水中长时间存在的云系具有良好的相关性，而第二个阶段对流发生前大气是上干下湿的状态，大气层结不稳定，有利于对流发展。

5.2 NCEP再分析资料物理量分析利用NCEP 1°×1°的6 h再分析资料，通过对系统性降水和对流天气前环境风场、水汽输送、垂直运动、温度平流及CAPE、θse进行诊断（沿42°N制作剖面），分析天气发生的成因。

从18日02时图中（图4a、4c）可以发现，巴州北部（86°～87°E）处于高空低槽前部，中高层为西南气流，向下逐渐由西北转变为东北气流，垂直风切变十分明显，在切变右侧为上升运动区，说明“S”型斜压叶状云的西边界在巴州北部附近有明显的上升运动，上升运动从低层伸展到高空并逐渐向西倾斜，垂直上升中心在500 hPa附近，位于切变层上方。水汽主要从东部由低层向降水区输送，水汽通量输送中心位于700 hPa，达到4 g/（cm·hPa·s）。在上游低涡云系东边界（79°～80°E）中高层为西南气流、低层为西北气流，同时整层存在弱的上升运动，大范围水汽在700～400 hPa向东输送。“S”无云区内以下沉运动为主，200 hPa附近为冷平流中心，冷平流从高空向东一直延伸向降水区地面，这有利于降水区水汽的凝结。

18日14时巴州北部处于高空槽前西南气流控制，低涡云系南段位于其上空，从图（4b、4d）分析可以发现与02时整层上升运动不同的是，低层及中高层为上升运动，700～500 hPa出现了下沉运动。85°E附近从地面至850 hPa之间有东西风辐合上升，水汽通量输送较02时有明显的减小。地面冷锋锋面位于83°E一带，锋后为西北气流，锋前为西南偏西气流，冷锋前部低层暖平流，中层冷平流，不稳定度加大，暖平流被强迫抬升。此时巴州北部从低层到500 hPa之间θse随高度降低，呈对流不稳定，当冷锋东移过境时触发对流天气。另外从CAPE值的变化情况中可以发现，巴州北部在对流发生前CAPE值从0增加到了76 J/kg，说明存在不稳定能量积累。

通过物理量分析发现，系统性降水前中层垂直上升运动中心处于降水区上空，冷平流自高空伸向降水区，有利于水汽凝结形成系统性降水，同时低层有大量水汽从东部向降水区输送，水汽条件较好，有利于形成大降水。上游低涡云系东边界对应整层上升运动，但低涡云系东移到巴州北部上空时，中低层出现下沉运动并配合有冷平流，而低层为锋前暖平流，静力不稳定层结加强，此时86°E附近的θse随高度降低，表现为对流不稳定，同时CAPE值增加出现不稳定能量，冷锋过境时就触发了较强对流天气。

6 结论

（1）此次天气过程主要影响系统为中亚低涡。第一阶段中亚低涡分裂的低槽与低纬度低槽同相位叠加影响新疆，槽前有大范围上升运动，湿层较深厚，中高层500 hPa西南气流输送部分暖湿水汽，低层强锋区输送部分冷湿水汽，高低空急流为出现较大降水提供了必要条件。第二阶段受中亚低涡与高纬度低值系统同相位叠加成槽后东移影响新疆，由于第一阶段系统性降水的出现，巴州北部高空上干下湿，经白天地表加热，对流不稳定层结增强发展，低槽过境时致使对流天气爆发。地面图分析发现系统性降水与地面冷锋向南推进相伴出现。强对流的出现与从西边进入南疆盆地的地面冷锋东进具有很好的一致性。

（2）云图特征第一阶段降水中心与斜压云系“S”型西边界凹处对应，雷达探测显示“S”型凹处对应冷式切变以及高空辐散、低空辐合的流场配置，是大降水发生的有利环境。第二阶段强对流发生在低涡云尾部，特别是冰雹发生在南端“尾巴”之下。雷达探测显示低涡云尾部发生在弱的垂直风切变及辐散流场环境下，冰雹出现在与风速性辐合中心相对应的强回波中心一带，即“尾巴”之下发生。

（3）系统性降水前有长时间的中高层增湿的过程，中层垂直上升运动中心位于降水区上空，冷平流自高空伸向降水区，有利于水汽的凝结，同时低层有大量水汽从东部向降水区输送，为出现较大降水提供了充足的水汽。对流降水发生前存在上干下湿的环境，中低层出现下沉运动并配合冷平流，而低层为锋前暖平流，在θse随高度降低的区域内，出现了不稳定能量，当与地面冷锋过境相互配合时触发了强对流天气。

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Characteristics of Satellite Image and Radar Features for Different Precipitation Types During a Weather Process

PENG Jun1，ZHOU Xueying1，WEI Yong2
（1.Meteorological Bureau of Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture，Korla 841001，China；2.Shihezi Meteorological Bureau，Shihezi 832000，China）

Using routine meteorological data,satellite images,CINRAD data and NCEP 1°×1° reanalysis data,the system features and cause,especially the characteristics of satellite and radar images for the two different types of rain process at the north part of Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture on April 18,2013 have been diagnostically analyzed.The results show that at the central part of systemic precipitation was the hollow of west borderline in the"S"shape of cloud pattern, the strong convective center was at the south of low vortex clouds.The hollow of"S"clouds corresponding to radar was cold shear,the upward motion,enough water vapor,divergence at high and convergence at low which were the background of occurring strong rain.The strong convective with weak vertical wind shear and divergence airflow,the hail was at the center of wind convergence which were underside the strong radar echo.The low vortex clouds had sinking spot with cold advection in low layer.However there was warm advection before frontal in boundary layer.The strong convective was at the area of pseudo-equivalent potential temperature decreased along with height,which was a typical frontal trigger of the thunder.

characteristics of satellite；radar image feature；severe convection；frontal trigger

S161.6

A

1002-0799（2015）03-0024-07

彭军,周雪英,魏勇.一次天气过程中不同尺度降水系统的云图及雷达图像特征[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（3）：24-30.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 004

2014-09-27；

2014-11-23

新疆气象局科研项目（MS201418）和新疆巴州科学技术研究项目（201405）共同资助。

彭军（1982-），男，工程师，从事中短期预报工作。E-mail：Pj001982@163.com