青海一次短时强降水中FY-4A 云型特征分析

谢天蓉，祁彩虹，张宁瑾

青海省气象局，青海西宁 810000

青海高原位于青藏高原东北部，年平均降水量不足700 mm且地域差异大，呈东多西少、南多北少的空间格局，属于高原大陆性气候。近十几年来，青海高原暖湿化现象愈加显著，夏季局地对流灾害频发，极端降水和雷击死亡事件增多，而大冰雹和对流性大风事件减少[1-6]。尽管当地短时强降水的地方标准较我国东部地区偏弱，但与大尺度降水配合下经常造成较严重的积涝，冲毁山地或农田等。由于青海生态环境和地质条件较为脆弱，高原大部分地区被指定为“重大地质灾害隐患点”[7-8]。

青海省面积为72万km2，位居全国第四，但全省仅有3部雷达。雷达责任区覆盖范围以青海东北部农业区为主，对于出现在责任区以外的强对流，尤其是短时强降水的监测预报预警，卫星云图资料具有明显优势[2]。汛期，我国最新的高分辨率地球同步轨道卫星—风云四号A星(FY-4A)加密观测模式能提供高时空分辨率的云图资料(每4 min更新1次云图资料)，这对雷达多盲区的青海高原意义重大。因此，为做好防灾减灾和预报服务，有必要利用FY-4A，对青海短时强降水云团的云图特征进行统计分析。并根据天气形势系统配置，结合风云四号A星云图云型演变特征，总结提炼出青海省短时强降水典型云型特征，提高预报员对气象卫星资料的应用能力[9-12]。

1 天气概况

2020 年6 月30 日08:00—7 月1 日08:00，青海省自西向东出现一次降水天气过程。西宁、海东、海南、黄南、果洛、玉树出现中雨(24 h降水量≥10 mm，272站次)，海南北部、黄南南部、果洛南部、玉树南部出现大雨(24 h降水量≥25 mm，18站次)，降水中心在果洛州达日县建设乡，降水量为40.8 mm；国家站为河南，降水量为38.0 mm。同时，青南地区雷电活动密集，并伴有短时强降水、大风、冰雹(达日地区出现最大直径10 mm的冰雹)。从降水性质来看，青海省北部以稳定性降水为主，南部以对流性降水为主。

2 灾情统计

根据中国气象局气象灾情管理系统，6月30日17:00～19:00，兴海因暴雨引发洪水导致230 m拦河坝冲毁，直接经济损失约43.4万元。

3 天气形势分析

2020年6月30日08:00，在500 hPa高空环流形势上，亚洲中高纬为两槽一脊型，青海大部受弱脊584位势米线控制，玉树北部至唐古拉山区有东北—西南走向的高原切变线，20:00高原切变线东移至海东—玉树南部一线(图1a)。6月30日08:00 700 hPa高空环流形势上，亚洲中高纬为两槽一脊型，柴达木盆地有高原控制，青海西部地区主要受冷平流影响，东部地区主要受暖平流影响，冷、暖平流交汇加上高原地形的抬升作用，有利于低层辐合抬升(图1c)。从30日14:00地面图分析可见，14:00青海北部受冷空气影响，其中，冷空气主力已达柴达木盆地(图1d)。

图1 2020年6月30日08:00(a)与20:00(b)500 hPa高空图，08:00 700 hPa高空图(c)与14:00地面图(d)

4 短时强降水云团特征分析

从FY-4A红外图像演变分析来看(图2)，这次短时强降水天气过程是由高原切变线附近的中尺度对流云团发展而来的。以达日建设乡短时强降水为例。

图2 MCS从形成到减弱各阶段中尺度云团≤-52 ℃冷云盖面积、最大降水强度(多要素自动气象站资料)、TBB最低温度随时间的演变

(1)形成阶段(30日11:00～14:00)：在500 hPa高原切变线东侧、玉树北部上空有对流云团A生成，尺度由MγCS发展至MβCS。TBB≤-52 ℃冷云盖面积即将达到2 100 km2，对流云团A中最低TBB为-73 ℃，最大小时降水强度7.9 mm。

(2)发展阶段(30日15:00～17:00)：对流云团A于16:00分裂为尺度均为MβCS的A1、A2，顺着200 hPa南亚高压北侧偏西风缓慢东移过程中，MβCS发展为MαCS。此时MαCSA1中TBB≤-52 ℃冷云盖面积迅速扩大，由6 000 km2发展至16 000 km2，呈椭圆形，-52 ℃线较为光滑，最大TBB梯度位于西侧；最低TBB为-78 ℃，最大小时降水强度34.9 mm，出现在其西侧、TBB梯度大值区。

(3)成熟阶段(30日18:00～19:00)：从MαCSA1≤-52 ℃冷云盖面积达到最大到MαCSA1≤-52 ℃冷云盖面积即将＜5 000 km2。18:00 MαCSA1、A2、E三者接触融合呈带状排列。此阶段MαCSA1呈椭圆形，≤-52 ℃冷云盖面积于19:00达到最大28 500 km2，之后逐渐减小，尺度也随之减小为MβCS；-52 ℃线开始出现锯齿状，说明对流减弱，边界变得不光滑，TBB各个方向变得均匀；最低TBB为-77 ℃，最大小时降水强度11.0 mm，仍出现在其西侧、TBB梯度大值区。

(4)减弱阶段(30日20:00开始)：从MβCSA1≤-52 ℃冷云盖面积＜5 000 km2开始。此阶段≤-52 ℃冷云盖面积迅速缩小，向东移动加快，TBB梯度各个方向均匀，β中尺度特征消失，最低TBB为-57 ℃，21:00降水强度已降至3.0 mm以下。

从各个阶段的云图和降水特征可以看出，MCS是由1个γ中尺度对流系统发展而来的，最终形成了α中尺度对流系统。MCS在500 hPa高原切变线东侧生成，发展过程中与多个MCS接触融合，呈带状排列。MCS形成、发展、成熟和减弱阶段，中尺度对流云团的长轴始终呈西北—东南向。

从FY-4A6.25 μm水汽图来看(图略)，至6月30日20:00，干带前沿到达河西走廊及海西西部，青南牧区无明显干带配合，由此判定此次短时强降水以暖区降水为主，高空干冷平流作用并不明显。

从图2可以看出，(1)≤-52 ℃冷云盖面积从形成到发展阶段增加较为平缓，最大达到6 000 km2；成熟阶段前期冷云盖面积迅速扩大，后期开始，冷云盖面积迅速缩小。

(2)云顶亮温，形成阶段，MCS迅速发展，云顶不断增高，TBB迅速下降；从发展到成熟阶段前期，TBB呈高低震荡，≤-70 ℃，15:00达最低(-78 ℃)；成熟阶段后期，TBB开始迅速升高。

(3)最大降水强度，从形成到发展阶段前期，强度变化较小，为2～9 mm，发展阶段后期迅速增大，最大降水强度34.9 mm；成熟到减弱阶段呈减小趋势。最大降水强度出现在MCS中TBB≤-77 ℃覆盖的区域，在≤-52 ℃冷云盖面积达到最大之前2 h，TBB最低-78 ℃出现在发展阶段，次低-77 ℃出现在成熟阶段，主要降水出现在MCS的发展和成熟阶段。

5 短时强降水云型特征分析

此次短时强降水过程发生在500 hPa高原切变线附近，现将其定义为“高原低涡切变线型”，其云型特征：由多个MαCS、MβCS排列而成的东北—西南走向带状云团，与高原切变线位置重合，随着高原切变线的发展移动而变化。组成带状云团的MCS外形有的近似圆形，有的近似椭圆，云系稠密，面积相差较大，在3 500～93 000 km2之间。带状云团后部为下沉的西北气流对应的无云区，前部为高原切变线右侧西南气流，为强正涡度平流区，对应强的上升运动。MCS形成阶段，TBB较高，≥-61 ℃；发展和成熟阶段，TBB为-78～-70 ℃，根据对流云分类方法，可将其归为“穿越对流层顶的强对流云”。MCS形成、发展、成熟和减弱阶段，中尺度对流云团的长轴始终呈西北—东南向。后期多个MαCS接触融合，最终形成具有东北—西南走向长轴的椭圆MαCS，面积最大可达228 000 km2。水汽图像上，高原切变线附近无明显干带配合。

6 短时强降水概念模型

高原低涡切变型短时强降水过程天气形势特征：青海大部受弱脊584位势米线控制，玉树上空有东北—西南走向的高原切变线，切变线西北侧为500 hPa冷平流，东南侧为500 hPa暖平流，同时青南牧区有湿舌，中心比湿为7 g/kg。500 hPa冷暖平流强烈交汇有利于对流不稳定能量释放，并启动抬升运动，是此类的主导因素。

7 结论

(1)此次短时强降水天气过程是由高原切变线附近产生的中尺度对流云团发展而来的，由γ中尺度对流系统发展形成了α中尺度对流系统。MαCS在500 hPa高原切变线东侧生成，发展过程中与多个MCS接触融合呈带状排列。MαCS形成、发展、成熟和减弱阶段，中尺度对流云团的长轴始终呈西北—东南向。

(2)短时强降水出现时间：最大降水强度出现在≤-52 ℃冷云盖面积达到最大之前2～3 h，为MCS发展和成熟阶段。

(3)青海高原上对流云团活动具有显著的日变化特征：对流云团活动主要发生在午后至午夜，这种变化充分展现了高原加热对对流活动的决定性作用。