昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波特征分析

张俊兰，李 伟，郑育琳

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

短时强降水是指短时间内降水强度较大，降水量达到或超过某一量值的天气现象，具有突发性和局地性强、来势猛、降水集中等特征。新疆降水虽少，但暴雨过程中常伴有短时强降水[1-3]，根据《全国短时、临近预报业务规定》，新疆结合气候干旱的背景和实际业务需求，定义1 h降水量≥10.0 mm或3 h降水量≥20.0 mm的降水过程为一次短时强降水，本文选取1 h降水量≥10.0 mm的短时强降水标准进行分析。昆仑山脉位于青藏高原北部、南疆盆地南部，由喀喇昆仑山、昆仑山、阿尔金山组成，西部与帕米尔高原相接，东部与祁连山相连，昆仑山西窄东宽，总面积约50万km2，长约2 500 km，山脉北部平原区年降水量一般在50 mm左右。近20年来，南疆暴雨频发[4]，洪涝灾害呈明显增加趋势[5]，短时强降水常造成山洪、泥石流、山体滑坡等气象衍生灾害，严重影响农牧业生产、群众生活，甚至威胁生命，特别是近10年南疆短时强降水造成的灾害更大，如2019年6月24—26日，短时强降水造成昆仑山北坡部分居民房屋、乡村道路、农作物及牲畜家禽均不同程度受灾受损；2020年4月19—23日，和田地区策勒县、皮山县、洛浦县短时强降水引发泥石流和山体滑坡，三县经济损失达2 958.1万元。

研究短时强降水需摸清大尺度环流形势、掌握雷达回波演变特征，但目前关于昆仑山北坡短时强降水的环流形势未系统分析，对能捕捉中小尺度天气系统的雷达回波产品并未研究。国内关于短时强降水在环流形势、雷达分析等方面有许多成果[10-14]，天气分型主要以低槽型、低涡型、低槽+副高型，部分地区还有低涡倒槽型、西北气流型、切变线型及无系统型等。国内强降水雷达回波演变有移入型、合并加强型和本地发展型三种[9]，可应用雷达回波外推临近预报法预报北京短时降水[8]，东北冷涡背景下强单体风暴、甘肃中南部、重庆、南京、滇西北高原等地的短时强降水过程中雷达回波特征各有特点[10-14]；湖北宜昌峡口区暴雨不同天气型下可得出5种雷达回波暴雨概念模型[15]。上述成果为昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波研究提供了思路和借鉴。新疆短时强降水的天气分型研究方面，总结指出北疆夏季极端降水500 hPa环流形势主要特征[16]，哈密大降水的环流形势分为4型，分别为横槽型、低涡型、低槽（ω）型和不稳定小槽型[17]，归纳天山北坡短时强降水的环流系统高低空配置[18]以及中尺度天气系统、雷达回波特征[19]；南疆短时强降水研究主要针对天山南麓、帕米尔高原东部，较少涉及昆仑山北坡区域。得出影响南疆短时强降水的影响系统和探空环境参数[20]，对比分析了巴音郭楞蒙古自治州（简称“巴州”，下同）两次强降水的环流配置和干冷空气侵入特征[21]。在南疆西部降水天气中，研究指出南疆西部降雨和降雪的环流形势及雷达回波特征[22-24]，暴雨中雷达回波“逆风区”、垂直液态含水量大值区预警指示意义[3]。

近年来昆仑山北坡平原区和中浅山带新建了多个加密地面自动气象站，本文利用昆仑山北坡逐小时和分钟降水数据、和田多普勒天气雷达二次产品数据，从500 hPa影响系统的角度进行天气分型，总结归纳不同类型降水雷达回波产品特征量值，掌握雷达回波平面和垂直结构演变特征，希望对今后预报预警提供新的预报思路，更好地指导预报预警业务。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

研究区主要包括昆仑山北坡和田地区平原区及南部浅山、中山地带，本文选取气象站点包括皮山、墨玉、和田、洛浦、策勒、于田、民丰、塔中等8个国家气象站和154个加密区域自动气象站，平原区海拔1 200～1 500 m、浅山带海拔1 500～2 200 m、中山带2 200～3 166 m，研究区及气象站点分布见图1。

图1 昆仑山北坡8个国家气象站和154个区域自动气象站分布

1.2 数据来源与处理

选取和田地区7个、塔中1个国家气象站和154个加密区域自动气象站2013—2020年5—9月逐小时和分钟降水资料，依据新疆气象局“小时雨强≥10 mm·h-1为短时强降水”标准，统计时段内任一测站出现小时雨强≥10 mm·h-1就记为一次短时强降水，共统计出212站次短时强降水天气。依据和田C波段多普勒雷达逐6 min体扫数据，应用美国GR2Analyst雷达产品软件，筛选出38例短时强降水雷达回波个例，生成0.5°～19.5°共9个仰角的反射率因子（R）、径向速度（V）、回波顶高（ET）、垂直液态水含量（VIL）4类雷达二次产品。引入1.5°仰角R、ET、VIL的平均值、最大值平均和极大值表征雷达回波特征量值，逆风区依据定义[25]、参照不同尺度[26]进行分析。大气环流形势场资料来源于L波段雷达高空探测数据，环流形势中涉及地图底图来自中国气象信息综合分析处理系统（Micaps 4）。

1.3 天气分型方法及雷达降水回波判识标准

1.3.1天气分型方法

环流形势、影响系统及流型配置是降水预报的核心，根据500 hPa环流形势和影响系统给出天气分型，以短时强降水发生前后12 h槽脊位置为准，将38例短时强降水分为中亚低涡（槽）型、西风带短波型、高原低涡（槽）型3类天气分型。

1.3.2雷达降水回波判识标准

对比38例短时强降水时回波形态、水平尺度、垂直强度和尺度等差异，将和田地区38例短时强降水回波分为混合云和对流云两种类型。混合云降水回波是层状云与积状云相混合的降水回波，回波范围大，回波边缘支离破碎无明显边界，内夹若干个结实团块，呈棉絮状，结构不均匀；垂直结构中，回波顶高有起伏，层积特征共存；而对流云降水回波则由单个或多个分散的回波单体组成，单体孤立，结构密实，四周清晰，棱角分明，水平尺度较小，回波强度强，强度梯度大，回波演变和生消也快；垂直结构单体呈柱状，顶部突起，呈砧状，回波垂直高度高，生肖快，生命史一般＜1 h，对流云回波又根据水平、垂直结构和持续时间分为单单体、强单体、块状多单体和带状多单体4类。

2 短时强降水的雷达回波特征量值

2.1 混合云

表1显示了昆仑山北坡2013—2020年5—9月38例混合云和对流云降水回波主要特征量值。8例混合云降水回波中，最大平均R约52.8 dBZ，极大R达60.0 dBZ；回波顶高ET最大平均为7.0 km，极大ET约9.0 km；最大值VIL平均6.4 kg·m-2，极大VIL为13.1 kg·m-2。由于回波面积较大，降水范围也较大，持续时间较长。

表1 昆仑山北坡2013—2020年5—9月38例混合云和对流云降水回波的主要特征量值

2.2 对流云

单单体、强单体、块状多单体和带状多单体4类对流云降水回波共30例（表1），其中，块状多单体最多（11例），其次是强单体（7例），单单体和带状多单体回波较少（各6例）。强单体回波最强，单单体回波最弱。强单体最大平均R约60.0 dBZ，极大R达71.0 dBZ，回波顶高ET最高，最大平均ET为8.5 km，极大ET约12.0 km，最大值VIL为13.1 kg·m-2，极大VIL为26.2 kg·m-2。块状和带状多单体降水回波中，最大平均R为54.0 dBZ左右，极大R为62.5和57.0 dBZ；块状和带状多单体回波顶高ET最大平均为8.0和6.8 km，极大ET为10.0和9.0 km；块状和带状多单体VIL最大值平均11.7和10.9 kg·m-2，极大VIL为25.1和25.6 kg·m-2。

对流云和混合云降水回波的特征量值存在显著差异，主要表现在：对流云回波多于混合云回波，回波频次是混合云回波的4倍左右；对流云回波较混合云偏强3 dBZ左右（1.5°）、顶高较混合云偏高3 km左右，对流云顶高有时超过10 km，而混合云最高接近7 km；对流云回波的垂直液态水量是混合云的近2倍；混合云回波时间偏长，平均持续时间近5 h，而对流云回波仅55 min左右。

2.3 不同天气分型的短时强降水雷达回波频次

从表2中可看出，中亚低涡（槽）型是发生次数最多的天气形势，其次为西风带短波型，高原低涡（槽）型最少。2型降水回波频次中混合云8次（占21.1%）、对流云回波30次（占78.9%），对流云较混合云偏多近3倍。5类降水回波中，多单体（块状）对流回波最多。可见，中亚低涡（槽）天气流型下的对流云回波最为常见。

表2 昆仑山北坡短时强降水3类天气分型下2型5类雷达回波出现频次/次

3 短时强降水天气分型

3.1 中亚低涡（槽）型

表1中，中亚低涡（槽）型最多，共出现26次，占总短时强降水频次的68.4%，其中，混合云回波6次（占总比15.8%），对流云回波20次（占总比52.6%）。值得关注的是，此型天气形势下，对流云回波占50%以上，其中多单体（块状）回波最多，共9次，占对流云回波的45%。

此型天气形势及高低空天气系统有较好配置，500 hPa欧亚范围为经向环流，呈两脊一槽。60°～90°E、35°～55°N中亚低槽向南加深，伊朗副热带高压与里海、咸海高压脊叠加并北挺，贝加尔湖高压脊相对偏弱，中亚低槽向南加深时出现1～2条闭合等值线，发展为中亚低涡（槽），低涡（槽）内气旋式风场明显，低涡（槽）前西南气流有时加强为急流，低涡（槽）减弱移动或分裂短波中影响南疆（图2a）。200 hPa南疆为西南（偏西）急流，强降水在高空急流入口区右侧、出口区左侧均有发生。700～850 hPa南疆西部为西北风，盆地东部为偏东风，昆仑山北坡东西风辐合、有冷切变线（图2b、2c），强降水位于500 hPa槽前和700～850 hPa冷式切变线附近。

图2 2020年5月6日20：00昆仑山北坡短时强降水中亚低涡（槽）型500 hPa（a）、700 hPa（b）和850 hPa（c）位势高度（单位：dagpm）叠加风场（单位：m·s-1）

3.2 西风带短波型

西风带短波型短时强降水共9次，占23.7%，其中，混合云回波2次，占总比5.2%，对流云回波7次，占18.4%，此型对流云回波多于混合云回波。此型是昆仑山北坡短时强降水的重要流型，500 hPa中高纬为纬向环流，南疆受西风气流控制，境外有短波东移过境。高层200 hPa、低层700～850 hPa盆地东西两侧出现东风和西风，中层500 hPa西风带上有短波槽东移侵入（图3a）；700～850 hPa南疆盆地东部有偏东风，盆地西部出现中尺度气旋式环流、低压中心、冷式风切变及风速辐合区（图3b、3c），地面上昆仑山北坡为正变压区，系统移动较快。

图3 2014年6月21日08：00昆仑山北坡短时强降水中亚低涡（槽）型500 hPa（a）、700 hPa（b）和850 hPa（c）位势高度（单位：dagpm）叠加风场（单位：m·s-1）

3.3 高原低涡（槽）型

高原低涡（槽）型短时强降水共3次，占7.9%，均为对流云回波，无混合云回波（表1）。此型槽脊位置偏南，500 hPa上70°～110°E、27°～40°N内低槽、闭合等高线低压或3站风向呈气旋性的环流系统，中低纬呈“两高夹一低”经向环流，伊朗高压脊稳定，西太平洋副高西伸时加强，青藏高原西部为低值系统区（图4a）；高层200 hPa出现偏西急流，中低层600～850 hPa南疆盆地东部偏东风（有时会出现急流），盆地中部有气旋式低压环流（图4b、4c），强降水处于低涡（槽）前部和中低层西北风与偏东风的切变线附近。

图4 2015年7月1日08：00昆仑山北部短时强降水中亚低涡（槽）型500 hPa（a）、700 hPa（b）和850 hPa（c）位势高度（单位：dagpm）叠加风场（单位：m·s-1）

以上3类天气分型中，除500 hPa有中亚、高原低涡（槽）和西风带短波影响系统外，还有一个共同特点，即短时强降水落区和强度与高空锋区、低层中尺度气旋、切变线、辐合线等中尺度系统、东风气流（急流）等密切相关，取决于这些影响系统、高低空天气系统的配置及强度。另外，200 hPa急流强度、位置有所不同，中亚低涡（槽）型和高原低涡（槽）型的急流强度相当且强于西风带短波型；急流位置高原低涡（槽）型相对偏南，对应强降水落区也偏南，强降水大多位于昆仑山北坡，而中亚低涡（槽）型和西风带短波型由于急流略偏北，强降水落区主要位于喀什、克州和阿克苏地区。实际业务中，应细致分析高低空天气系统位置、强度以及空间配置，确定强降水落区、强度和时间。

4 短时强降水雷达回波特征雷达

4.1 混合云

选取2020年5月6—8日和田地区洛浦县暴雨过程，此过程天气分型为中亚低涡（槽）型，500 hPa上572 dagpm闭合线位于中亚境内，北疆和青藏高原北部均有低值系统配合。短时强降水代表站选取生态农业科技示范园和多鲁乡，5月6日23：56—7日00：56，两站1 h雨量为16.6和11.1 mm。图5给出两站6日23：44—8日01：02逐分钟降水变化，7日00：00后，两站降水均增强，生态农业科技示范园在00：02—00：14，12 min累计雨量8.3 mm，00：08和00：16，1 min雨量为1.2和1.0 mm；多鲁乡在00：02—00：14，12 min雨量为2.7mm，为00：12—00：14，1 min雨量均为0.5 mm（图5）。重点分析6日23：56—7日00：20较强降水内雷达回波演变特征。

图5 2020年5月6—8日洛浦县生态农业科技示范园和多鲁乡逐分钟降水变化

2020年5月6日夜间，和田多普勒雷达1.5°回波图像有混合云降水回波特点，随低层东北风楔入，混合云回波向西南方移动，6日23：20后，雷达站第一象限两条带状回波合并中缓慢西南压，大范围层状云中出现3～5个较强积状云块；径向速度上，低仰角回波移速快于高仰角，自低向高空间分布呈后倾结构。7日00：02，1.5°R上，＞30 dBZ回波西边界压至生态农业科技示范园和多鲁乡附近，最大R为52 dBZ（图6a）；1.5°V中，生态农业科技示范园北部气流间出现与环境水平风向相反方向的矢量—中-γ尺度逆风区（图6b），此逆风区北侧有气流辐合；R垂直结构ET最大5 km左右，2～3个＞40 dBZ回波中心ET为2～3 km（图6c）；V垂直结构中，4～7 km强回波云砧前沿存在来向风和去向风的径向辐合线（图6d），有利于对流天气发展与维持。00：02—00：08，生态农业科技示范园分钟降水不断增强，00：02和00：03分钟降水强度由0.4 mm·min-1增为0.6 mm·min-1、00：06和00：07由0.7 mm·min-1增为0.9 mm·min-1、00：08增至1.2 mm·min-1；多鲁乡分钟降水强度维持在0.1～0.2 mm·min-1，00：09—00：12，低层东风向西南方移动。00：13，1.5°R上，回波西南移过程中强度稳定，1.5°V中生态农业科技示范园西侧出现气旋式辐合，生态农业科技示范园分钟降水强度为0.4～0.9 mm·min-1，多鲁乡分钟降水增强，由0.1～0.2 mm·min-1增至0.4～0.5 mm·min-1。00：19逆风区和气旋式辐合减弱，降水逐渐减弱。

图6 2020年5月7日00：02和田多普勒雷达反射率因子R（单位：dBZ）、径向速度V（单位：m·s-1）及剖面

4.2 对流云

4.2.1单单体

2019年7月1日短时强降水是由青藏高原西北部的高原低涡（槽）型背景下、高原低涡减弱东移造成的。1日午后和田雷达站西北方单单体回波发展，该回波相对孤立，周边无＞40 dBZ回波，1日23：57，单单体较强，1.5°R上，最大R为52.0 dBZ（图7a），1.5°V的径向速度为离站风，R垂直结构中，最大ET约为10 km，高低层不同仰角的回波核心轴几乎与地面垂直、位置基本重叠，（图7b），最大VIL为12.5 kg·m-2，回波持续约45 min。

图7 2019年7月1日23：57和田多普勒雷达1.5°反射率因子R（a，单位：dBZ）、沿（a）白线R剖面（b，单位：dBZ）

4.2.2强单体

昆仑山北坡气候干旱，未出现过冰雹强对流天气，近8 a也未发现符合超级单体回波个例。本文将介于单单体和超级单体之间的回波称为强单体回波，是指在上升气流较强时，积云顶向上发展，积云在高空水平下风方加强伸展成砧状云高悬回波，由于无下垂结构，因此无有界和弱回波区、中气旋。强单体回波最显著的特点是积云垂直方向明显发展，高空有砧状高悬回波但不下垂，径向速度场上，有气旋性辐合和逆风区等结构。

2014年6月21日500 hPa为纬向环流，中亚短波系统活跃，西风带短波东移影响南疆，天气流型属西风带短波型。21日午后和田地区西北部、距雷达50～60 km内有一回波单体出现，缓慢向东南方移动，周边新对流并入单体中，回波强度、水平尺度、回波垂直高度等均有发展，单体明显加强。20：33，回波较旺盛，具备强单体回波特征，1.5°R上，最大R为59.0 dBZ（图8a）；1.5°V上，低层强回波附近出现正负速度对的中-γ尺度气旋性旋转，有径向速度辐合，23：57仍有旋转特征（图8b）；2.4°V中，气旋性旋转相近处出现逆风区，此逆风区可作为对流云降水天气的判据之一。

R垂直结构中，ET接近10 km，＞50 dBZ的ET伸展至5 km附近，低层R梯度和ET顶无明显偏移，但高层5～7 km出现高悬回波，最强高悬回波R＞40 dBZ（图8c），＞55 dBZ高质心回波下降，降至1～2 km；V垂直结构中，1～6 km出现向站风与离站风的辐合线，径向风辐合高度4 km左右（图8d），VIL增强，最大为26.2 kg·m-2，回波持续约35 min。

图8 2014年6月21日20：33和田多普勒雷达反射率因子R（单位：dBZ）、径向速度V（单位：m·s-1）及剖面1.5°R（a），1.5°V（b），沿（a）白线的R和V剖面（c、d）

4.2.3块状多单体

2019年6月28日短时强降水属中亚低涡（槽）天气环流型，伊朗高压脊向东北伸展，乌拉尔山低槽东移南下，南段在巴湖北部加强为中亚低涡（槽），印度北部低槽与中亚低涡（槽）部分结合。28日14：00后，中亚低涡前及低层切变线附近和雷达站东北部、距雷达60～100 km径圈内有零散块状新单体出现并东南移，14：46回波较强，1.5°R最大为52.5 dBZ（图9a），1.5°V中，2个径向方向的气旋式辐合对应回波加强或发展（图9b）。2.4°V中，出现2个中-γ尺度的逆风区（图9c），R垂直结构中，4～5个回波单体中个别单体发展旺盛，回波A为单单体，低层R梯度和ET顶无偏移，几乎与地面垂直，回波B较强，为强单体，中高层有高悬回波。块状多单体回波中有单单体或强单体同时存在，个别单体最强R超过50 dBZ、ET超过10 km，VIL较大，为15～20 kg·m-2，最大超过20 kg·m-2，回波持续近3 h。

图9 2019年6月28日和田14：46多普勒雷达反射率因子R（单位：dBZ）、径向速度V（单位：m·s-1）及剖面

4.2.4带状多单体

2015年7月1日短时强降水的天气流型属高原低涡（槽）型。随高原低涡减弱东移和低层西北风进入（图8），雷达站西侧多个弱单体东移时合并加强为带状回波，19：02，1.5°最大R为54.0 dBZ（图10a），1.5°V上，雷达站西北部低层西北风前沿风向对吹，出现东北风和西南风辐合（图10b），R垂直结构中，回波似墙，最大ET达8 km，＞50 dBZ强回波在3 km以下，出现3～4个＞50 dBZ低质心强回波（图10c），VIL极大值为15.6 kg·m-2，回波持续约1.5 h。

图10 和田2015年7月1日19：02新一代天气雷达反射率因子R（单位：dBZ）、径向速度V（单位：m·s-1）及剖面

5类短时强降水的雷达回波除特征量值不同外，其演变也不相同，主要表现为：（1）混合云降水回波当强度增强、顶高变高并出现逆风区和径向辐合等中-γ天气系统时，降水增强。（2）强单体50 dBZ以上强回波ET伸至5 km，高悬回波达5 km以上，强回波附近有中-γ气旋性旋转和逆风区出现，中低层径向风辐合厚度较厚，回波持续较短。（3）块状和带状多单体50 dBZ以上回波顶高伸至3～4 km，垂直液态含水量为15～20 kg·m-2，持续1.5～3 h，较单单体回波明显偏强、持续时间偏长。（4）未发现有超级单体回波，昆仑山北坡也无冰雹发生。

3类天气分型下均能出现较强回波，中亚低涡（槽）和高原低涡（槽）天气流型下的短时强降水回波强度未必较西风带短波型强。实际业务中，除需分析500 hPa影响系统、锋区位置和强度外，还应密切关注高层偏西急流、中低层切变线和辐合线、东风强度和西伸位置，重点分析高低空天气系统三维结构和空间配置，综合研判短时强降水回波的移向、强度变化及影响区域等。

5 结论

为进一步掌握昆仑山北坡短时强降水天气，本文将昆仑山北坡短时强降水分为中亚低涡（槽）型、西风带短波型、高原低涡（槽）型3类天气分型，分析短时强降水雷达回波特征值及典型个例，得出以下结论：

（1）两种类型的短时强降水回波中，对流云回波强度偏强（1.5°仰角偏强3 dBZ左右），回波顶高偏高（较混合云偏高3 km左右），垂直液态含水量偏高（是混合云的近2倍）；对流云回波持续时间偏短，平均持续时间55 min左右，而混合云持续近5 h。对流云降水回波频次较混合云偏多近3倍。

（2）5类降水回波的特征量值和演变特征不同。对雷达回波特征量值，混合云、强单体、块状和带状回波最大回波强度平均为52.8、60和54 dBZ，强单体极大回波强度达71.0 dBZ；5类降水回波顶高最大高度为6.8～8.5 km、极大为9.0～12.0 km，强单体回波最高；垂直液态含水量最大值平均为6.4～13.1 kg·m-2，极大值为13.1～26.2 kg·m-2，强单体回波最强。在回波演变过程中，强单体50 dBZ以上强回波顶高可伸至5 km，高悬回波在5 km以上，强回波附近有中-γ气旋性旋转和逆风区出现，中低层径向风辐合厚度较厚，回波持续较短；块状和带状多单体50 dBZ以上回波顶高可伸至3～4 km，垂直液态水含量为15～20 kg·m-2，持续1.5～3 h，较单单体回波偏强、持续时间偏长。对流云回波中以多单体（块状）回波居多；混合云降水回波中，当回波增强、顶高增高并出现中-γ天气系统时，分钟降水强度增强；未发现超级单体回波，昆仑山北坡无冰雹天气发生。

（3）3类天气分型中，中亚低涡（槽）型最多，短时强降水落区和强度与高空锋区、低层中尺度气旋、切变线、辐合线等中尺度系统、东风气流（急流）等密切相关，实际业务中应综合分析天气分型中高低空天气系统位置、强度的空间配置，严密监视雷达回波演变，及时发布暴雨等灾害性天气预警信号。

（4）由于和田地区多普勒天气雷达资料有限，对短时强降水雷达回波特征把握不够全面，有一定的局限性。今后随样本增多，应进一步修正和完善短时强降水雷达回波特征，在暴雨预报预警业务中发挥更大指导作用。