新疆巴州“6.4”罕见短时暴雨的MCS特征分析

王清平，彭　军，茹仙古丽·克里木

(1.民航新疆空中交通管理局气象中心，新疆　乌鲁木齐　830016；2.新疆巴州气象局，新疆　库尔勒　841001)



新疆巴州“6.4”罕见短时暴雨的MCS特征分析

王清平1，彭军2，茹仙古丽·克里木2

(1.民航新疆空中交通管理局气象中心，新疆乌鲁木齐830016；2.新疆巴州气象局，新疆库尔勒841001)

利用常规观测资料、地面加密自动站资料、FY-2D和FY-2E双星TBB资料、多普勒天气雷达资料、MODIS卫星云图资料以及NCEP/NCAR FNL再分析资料，对2012年6月4日发生在新疆巴音郭楞蒙古自治州境内的一次罕见短时暴雨天气的MCS特征进行分析。结果表明：(1)此次暴雨过程中，出现了2条明显的中尺度风场辐合线，且风场辐合线的移动与MCS移动方向较为对应；(2)此次暴雨主要是由多个中-β及中-γ尺度对流云团在移动过程中逐渐合并加强造成，暴雨主要发生在TBB等值线密集区，TBB≤-52 ℃区域的形成、发展、消失与暴雨的发生、发展、结束时段对应较好；(3)MCS云团呈现高层辐散、低层辐合的垂直结构，降水区域出现在“人”型回波的尾部，整个降水过程中MCS云团回波强度>50 dBZ。卫星、雷达资料对MCS的发生、发展、移动、消亡等过程有较好的监测意义；(4)暴雨发生前，巴州南部地区不断有水汽输送，在天山山区南侧受地形阻挡作用，将水汽和能量不断抬升至高空，有利于MCS的发展，为暴雨的发生提供了水汽和动力条件。

暴雨；中尺度对流系统；TBB；雷达回波

引　言

新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)地貌分属天山山脉、塔里木盆地和昆仑山、阿尔金山等3个地貌区，基本格局似一大“U”字型。境内有高山、盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原绿洲。其中，山地面积22.5×104km2，占全州总面积47.7%；平原面积24.66×104km2，占总面积52.3%，其中戈壁和沙漠面积14.3×104km2，占全州总面积30.3%。由于远离海洋，南部有青藏高原阻挡印度洋暖湿气流北上，西部与北部有帕米尔高原及天山山脉阻挡极地冷空气南下，加之幅员辽阔，地形复杂，造成巴州气候类型复杂多样。巴州地区出现暴雨的概率极小，一旦出现暴雨势必将对农业、交通运输等造成很大影响，因此加强干旱区暴雨天气的研究十分必要。许多学者对新疆地区的暴雨开展了研究，陈春艳等[1]研究天山北坡的暴雨发现，暴雨主要发生在100 hPa南亚高压呈双体型，500 hPa中亚低值系统在天山北坡东段稳定维持的环流背景下；杨霞等[2]研究了新疆深秋季节的暴雨，指出造成暴雨的中尺度气旋位置与TBB分布有较好的对应关系，其中心与TBB低值中心的移动方向一致；张云惠等[3]研究了新疆西部罕见暴雨，指出暴雨发生在南亚高压双体型及中亚低槽向南的大环流形势下。国内对中尺度对流系统(Mesoscale Convective System，MCS)造成的暴雨开展了很多研究[4-12]。陈永仁等[13]研究了四川暴雨的MCS特征，指出暴雨是由MCS深对流特征造成，MCS水平尺度多为中-β尺度或更小尺度。井喜等[14]研究了黄河中下游的中-β尺度对流云团与MCC共同作用的暴雨，表明暴雨是由MCC和中-β尺度强对流云团合并造成的。

新疆地域广阔，气象观测站较稀疏，卫星资料在人烟稀少的地区监测暴雨过程更有优势。2012年6月4日，新疆巴州境内库尔勒市、和静县城发生了一次短时强降水天气，2 h累计降雨量>70 mm，达到新疆大暴雨标准(日降水量≥48.1 mm)[15]，属于典型的MCS特征暴雨。本文利用常规观测资料、加密自动站资料、国家卫星气象中心网站提供的AWX格式的FY-2D和FY-2E双星TBB资料、多普勒天气雷达资料、MODIS卫星云图资料以及NCEP/NCAR FNL(0.5°×0.5°)再分析资料，对此次短时暴雨天气进行研究分析，试图揭示造成此次冰雹、短时暴雨天气的MCS中尺度特征及其对降水的影响，为今后提高该地区冰雹、短时暴雨天气预报的准确率提供参考依据。

1　天气过程及中尺度特征

2012年6月4日14:00—18:00(北京时，下同)，位于塔里木盆地北缘新疆巴州境内的库尔勒市、和静县等地出现有气象记录以来的最强短时暴雨天气。此次降水过程持续时间短，且分布极不均匀：15:00—17:00，库尔勒、和静2站降水量分别为73.8 mm和75.8 mm，均超过年降水量(库尔勒、和静的年平均降水量分别为59.2 mm和73.1 mm)，最大小时降水量分别为46.4 mm和53.2 mm，均为历时极值，而周边测站的和硕县和焉耆县降水仅有几毫米。此次强降水对农业、交通等造成较大影响：造成库尔勒市城区部分路段严重积水，房屋损毁，直接经济损失约3 700万；和静县部分乡镇1 712 hm2农作物受灾，数千民房、温室大棚倒塌，林果业受灾严重，绝收面积达337.7 hm2，直接经济损失共计近亿元。

由库尔勒市、和静县的逐分钟降水演变(图1a、图1b)可以看出，和静县降水出现3个中尺度雨峰，持续时间和降水量分别为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降水量最大为3.3 mm。库尔勒市降水出现2个中尺度雨峰，持续时间和降水量分别为15:35—15:56，降水量22.8 mm；15:57—16:37，降水量48.9 mm。其中16:03降水最大为3.0 mm。可见，此次暴雨天气有明显的中尺度对流性降水特征。图1c为6月4日15:58 MODIS卫星可见光云图，可以看出对流云团色调白亮，云顶凸凹不平，呈花椰菜结构，尾部有明显卷云毡，属于典型的MCS云团；而和硕县、焉耆县均位于MCS尾部卷云毡处，中尺度对流活动较弱，因此降水分布不均匀。

图1　2012年6月4日15:00—17:00和静县(a)、库尔勒市(b)逐分钟降水演变(a，b)和15:58MODIS卫星可见光云图(c)

2　MCS特征演变

2.1地面中尺度特征

6月4日10:00(图2a)，巴州西部的阿克苏地区有零散的中尺度对流云团，地面实况出现零星降水，阿克苏地区东部的库车县、沙雅县与巴州地区西部的轮台县、尉犁县交界处有南北向的风场辐合线L1，L1西部的库车县、沙雅县境内为偏西北风，风速微弱(1～2 m·s-1)，L1南端的巴州中部塔中为偏南风，L1东部的巴州东部大部为偏东南风和东北风。12:00(图2b)，辐合线L1快速东移至轮台县东部，其东西两侧测站风速增大至6 m·s-1，此时在库车、轮台县与和静县交界的天山山区南部有新的风场辐合线L2生成，且呈东西向，L2南部为偏西南风，北部为西北、东北风。13:00(图2c)，L1继续东动，但移速明显减慢，已移至轮台县、库尔勒市与尉犁县中部交界处，此时L1西部的MCS边界整齐，强度加强；L2范围加大，转为西北—东南向，且较为平直，其两侧风速增大为2～4 m·s-1。14:00(图2d)，辐合线L1进一步东移至库尔勒市中部、尉犁县中部和若羌县西北部的交界处，辐合线西部有测站风速加大，最大风速达12 m·s-1，而库车、轮台县与和静县交界处的L2东西向加长，且2条辐合线逐渐形成“八”型，同时和静县西部至库尔勒市西部一带的中尺度对流云团面积增大，强度快速加强。15:00(图2e)，辐合线L1移至库尔勒市附近，市区开始出现冰雹、暴雨；L2向东北移进和静县境内，库尔勒市、和静县附近的中尺度对流云团进一步加强，L1和L2相配合的中尺度对流云团连接合并。16:00(图2f)，L2消失，辐合线L1在库尔勒市至尉犁县中部一带维持，MCS云团边界整齐，边界位置与辐合线走向一致，在和静县西部有明显的气旋性辐合，对应的MCS云团发展至最强，库尔勒市、和静县分别出现强降水。17:00以后(图略)，辐合线L1移出境外，库尔勒市与和静县的降水停止，巴州东部仅出现零星降水。

图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)新疆巴州地区地面加密自动站风场和FY-2E红外云图(黑色粗虚线为中尺度辐合线)

2.2TBB演变特征

云顶亮温(TBB)可以定量地反映云团中小尺度系统的演变过程，体现强对流天气与中尺度对流云团的关系。本文中尺度对流系统以-32 ℃为云团边界，暴雨发生前的14:00(图3a)，在沙雅县、且末县、轮台县、和硕县境内分别有A、B、C、D、E共5个中尺度对流云团，其中A、E的尺度相对较B、C、D大，属于中-βMCS，而B、C、D为中-γMCS，以上对流云团的中心TBB<-42 ℃。其中，中尺度云团E位于和静县东部并向西移动，和静县东部的TBB梯度较密，云团A、D则伴随着高空西南气流的引导向东北方向移动，MCS进一步发展。15:00(图3b)，中尺度云团B、C合并发展成F，其TBB≤-42 ℃冷云面积明显增大，且中心强度加强至-52 ℃以下；A、D、E发展连为一体，呈东西向，TBB<-42 ℃区域面积也明显增加，东西约300km，南北约80km，库尔勒市上空的TBB梯度进一步加大。15:15(图3c)，合并的中尺度对流云团A、D、E的TBB中心加强至-52 ℃以下，对流云团由东西向转为东北—西南向，且在库尔勒市偏西方向发展成新的中尺度云团G，其TBB中心强度<-52 ℃；F进一步发展加强，其TBB中心强度<-52 ℃面积加大，此时和静县城处于-52 ℃冷云覆盖下，库尔勒市TBB<-42 ℃，TBB等值线最为密集，TBB梯度为0.6 ℃·km-1，库尔勒市区已能听到雷声。15:35、15:38实况显示(图略)，库尔勒市、和静县分别开始出现降水。16:00(图3d)，F与A、D、E、G云团合并为一体，对流云团呈东北—西南向，其长轴为400 km，短轴为200 km，面积约8×104km2，且G、D中心TBB强度<-52 ℃的面积加大。16:15(图3e)，合并的云团继续加强，G、D中心连为一体。16:00—16:15云团TBB的发展与库尔勒市、和静县的地面降水较为一致。17:00(图3f)，中尺度对流云团中心D与G分离，G中心快速减弱，和静县处于G中心边缘，而D仍然维持在和静县东北方向。

图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)新疆巴州地区FY-2D MCS云顶亮温(TBB)演变特征(单位：℃)

2.3雷达回波特征

前面分析可见，中尺度对流系统在卫星云图上表现得较好，但其时间分辨率相对雷达较低，雷达资料可以获得较为细致的中尺度对流系统的内部结构。雷暴系统影响前14:04的1.5°仰角反射率因子强度图中(图略)，和静县东北部有零散的对流单体，其回波强度为50 dBZ，而在1.5°仰角径向速度图上(图略)，和静县东北部有明显朝向雷达的负速度区，与高空偏东气流相对应。在雷达西北300°方向30～120 km范围有明显的带状回波，回波强度不一，最大回波强度为50 dBZ，与图3a中的中-γ尺度对流云团D相对应，且带状回波在1.5°仰角速度图中有明显辐合，与地面辐合线L2(图2d)位置较为对应；在雷达西南方向100～150 km范围为层状云回波，随着高空系统的移动，和静东北部的对流性回波向和静县城移动，且其中不断有新的对流单体发展；在雷达西侧50 km距离圈附近也有对流单体不断生成、加强。由图4可知，14:35和静东北侧的对流单体距其20km，1.5°和2.4°(图略)仰角径向速度图上负速度区明显大于正速度区，速度辐合，而3.4°和4.3°(图略)仰角径向速度图上正速度区大于负速度区，速度辐散，表明低层辐合、高层辐散，这种垂直结构有利于抽吸作用。另外，雷达西侧的轮台与库尔勒边界地区出现大范围零散的对流单体，在0.5°(图略)和1.5°仰角径向速度图上为辐合，2.4°(图略)和3.4°仰角径向速度图上为辐散，表明低层辐合、高层辐散，与和静县附近速度场的垂直结构相同。15:02，和静东北部的回波连为一片，属于混合性回波；在雷达附近及其北侧20 km处有新的强对流单体生成，其中心强度均为50 dBZ，地面有明显东南风；雷达西侧50～100 km范围内的对流单体也加强发展，连成一片，近乎南北向，与15:00的地面辐合线L1(图2e)相对应。15:34，和静县城受“弓”型回波影响，而库尔勒市处于“人”型对流回波尾部，回波强度50 dBZ，库尔勒市区、和静县先后出现降水。16:00(图略)，和静县城附近强回波维持，而库尔勒市附近的“人”型回波消失，但其上空出现新的强回波单体并持续加强，这与库尔勒市区降水第2雨峰相对应。16:48(图略)，和静附近对流单体范围减小，而库尔勒附近对流强度明显减弱，回波强度减弱至35 dBZ，2地的地面降水也随之减弱。此后随着对流进一步减弱，库尔勒市、和静县降水结束。

图4　2012年6月4日14:35—15:34库尔勒站1.5°仰角多普勒雷达反射率因子(上，单位：dBZ)和1.5°仰角(中)、3.4°仰角(下)径向速度(中，下，单位：m·s-1)

综上所述，辐合线的移动与中尺度对流云团的移动较为一致。地面辐合线移速减慢，其两侧风速加大有利于中尺度对流云团的发展及暴雨的发生。TBB对中尺度对流云团的强度有较好的指示意义，地面降水区对应于TBB等值线密集区，TBB密集区附近温度变化剧烈。此次暴雨过程强降水落区的雷达回波强度均在50 dBZ及以上，但雷达回波较分散，与卫星云图中色调亮白的厚实云层不对应。卫星TBB资料与MCS的协同性较好，而雷达回波及径向速度资料与MCS的协同性对应不是很好。

3　暴雨形成的水汽及动力条件

利用NCEP/NCAR FNL再分析资料对2012年6月4日14:00的物理量场进行诊断，以研究暴雨形成的水汽、动力及不稳定条件，从而揭示暴雨形成原因。为研究暴雨区物理量的垂直结构，沿暴雨区库尔勒站(42°N，86°E)做垂直剖面(图5)。从水汽通量经向垂直剖面图(图5a)中可以发现，在东西方向上没有明显的水汽输送，仅有少量水汽聚集在800～950 hPa，并向暴雨区输送。水汽通量和风矢量纬向垂直剖面图(图5b)显示，暴雨区南北两侧有水汽通量大值区，南侧的水汽通量大值区位于巴州南部地区，且大值中心在低层，达6×10-6g·hPa-1·cm-1·s-1，偏南气流源源不断地将水汽向北输送，偏南风与天山山区南侧(42.5°N—43.5°N)的偏北风在暴雨区形成辐合。涡度及垂直速度经向垂直剖面图(图5c)显示，在暴雨区低层为负涡度区，中高层为正涡度，其中在200 hPa及400 hPa附近分别有>10×10-5s-1和>4×10-5s-1的正涡度中心。高空正涡度中心的出现与维持，有利于MCS的形成与发展；暴雨区垂直速度由低层至高层均为上升运动，垂直速度大值区集中在900～750 hPa，达-0.9 Pa·s-1以上。纬向垂直剖面图(图5d)中，涡度的垂直分布情况与经向图中基本一致，即暴雨区低层为负涡度，中高层为正涡度；速度场上，天山山区附近以下沉运动为主，山前为整层的上升运动。偏南气流向北输送的过程中，受天山地形阻挡，将水汽和能量向上抬升，有利于MCS的发展和加强，为暴雨区形成提供水汽和动力条件。

图5　2012年6月4日14:00沿42°N(a，c)和86°E(b，d)的水汽通量(等值线，单位：10-6 g·hPa-1·cm-1·s-1)和风矢量(箭头，单位：m·s-1)(a，b)以及垂直速度(彩色区，单位：Pa·s-1)和涡度(等值线，单位：10-5 s-1)(b，d)经向(a，c)和纬向(b，d)垂直剖面(灰色阴影区表示地形，黑色小方块为库尔勒站)

4　结　论

(1)此次短时暴雨过程中，降水演变形态呈现多个中尺度降雨峰值，暴雨云团色调白亮，云顶凸凹不平，呈现花椰菜结构，尾部有明显卷云毡，属于典型的MCS云团，暴雨出现在中尺度云团上风方。

(2)此次短时暴雨过程中，出现了2条明显的中尺度风场辐合线L1和L2，其中L1造成和静县城暴雨，L2造成库尔勒市暴雨；L1和L2的移动方向与MCS云团的移动方向较为对应，且二者移动速度由快减慢，有利于MCS云团的发展加强，是暴雨形成的有利条件。

(3)此次暴雨主要是由多个中-β、中-γ尺度对流云团在移动过程中逐渐合并、加强所造成，暴雨主要发生在TBB等值线密集区，其位置与地面辐合线相对应，TBB≤-52 ℃区域的形成、发展、消失与暴雨的发生、发展、结束时段对应较好。

(4)雷达资料显示，MCS云团呈现高层辐散、低层辐合的垂直结构，降水区域出现在“人”型回波的头部，且整个降水过程中MCS云团回波强度>50 dBZ。卫星、雷达资料对MCS的发生、发展、移动、消亡等过程有较好的监测意义。

(5)暴雨发生前，巴州南部地区不断有水汽输送，在天山山区南侧受地形阻挡作用，将水汽和能量不断抬升至高空，有利于MCS的发展，为暴雨的发生提供了水汽和动力条件。

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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

新疆少数民族科技人才特殊培养科研项目(201423112)资助

王清平(1985- )，男，工程师，主要从事西北干旱区航空天气预测及灾害性天气研究. 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

王清平，彭军，茹仙古丽·克里木.新疆巴州“6.4”罕见短时暴雨的MCS特征分析[J].干旱气象，2016，34(4)：685-692, [WANG Qingping, PENG Jun, Ru Xian Gu Li. Characteristics of Mesoscale Convective System About a Rare Short-time Rainstorm in Bayangol Mongol Autonomous Prefecture of Xinjiang on 4 June 2012[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):685-692],