雷达及卫星云图产品在昌吉州短时强降水中的特征及应用分析

摘 要：采用新疆气象信息中心资料库数据质量控制的2015—2019年6—8月（简称汛期）短时强降水高发期新疆昌吉州地区国家基本气象站和区域自动站逐时降水资料，筛选出35场短时强降水天气过程，并分析了乌鲁木齐市新一代天气雷达反演产品和国家卫星气象中心Fy－2G亮温产品在短时强降水中的应用及特征。结果表明 按照影响系统的分类及定义，分别概括了3类主要影响系统，即中亚低槽型、西西伯利亚低槽型和西北气流型；从35场短时强降水天气卫星云图TBB分析来看，TBB值一般为-36～57 ℃，在降水大值出现2 h前，云宏观参量TBB会出现数值上的跃增；根据天气雷达衍生产品统计特征分析，得出有利于强降水发生的阈值条件，如回波强度一般为45～55 dBz，回波顶高一般在5.0～6.0 km，具有反气旋特征，0～6 km垂直风切变风速为12～16×10-3/s。

关键词：雷达；卫星产品；短时强降水；西北气流

中图分类号：P456.1 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-04

短时强降水是指历时短、降水效率高的对流性降水，许多学者对短时强降水天气进行了研究，并取得了诸多研究成果。例如，段鹤等[1-3]分别从滇西、重庆、辽宁等地分析了短时强降水的时空分布特征及短时暴雨及大暴雨变化特征，从不同角度不同地域得出具有本地特点的短时强降水概念模型；于碧馨

等[4-5]则从短时强降水的中尺度特征进行了深入分析，总结出造成短时强降水中尺度条件是低空急流、低空切变线或辐合线及地面中尺度高压前的辐合线等因子，而影响甘肃陇南地区的短时强降水中尺度概念模型主要有低涡切变型、西北气流低槽东移型、副高外围西南气流型；刘艳杰等[6-10]分别从一次或几场强对流天气中雷达回波结构及特征进行分析，总结得出超级单体风暴一般发生在地面中尺度辐合线附近，中层短波槽前，高空有中空急流的环境下，触发的对流云团向偏东方向移动中，在不稳定层结和较强的垂直风切变作用下，对流风暴发生分裂且右移性对流风暴发展加强，分裂后右移风暴伴有深厚持久的中

气旋。

基于以上分析，在实际工作中，除了应用雷达资料对短时强降水进行判识，还需配合卫星资料进行判识。张鹏亮等[11-14]研究表明，受不同地域、气候影响，云宏微观特征参量有很大差异，同时也受纬度、海拔、季节影响。7、8月是高原东部中尺度对流系统（MCS）生成最活跃的季节，能够东移出高原的MCS（V－MCS）比不能移出的MCS（N－MCS）生命史更长，触发更早，短生命史个例占比更低。同时，利用葵花卫星（Himawari）TBB亮温资料，计算最低亮温、亮温梯度、红外与水汽亮温差及其随时间变化率、低亮温区面积及其随时间变化率等特征参量，来确定短时暴雨的卫星参数阈值。以上分析研究，为本地短时强降水预报研究提供了依据，为提高当地防灾减灾气象服务工作质量奠定了基础。

1 资料与方法

短时强降水具有较强的突发性、局地性和致灾性，常造成严重的洪水、泥石流和城市内涝等灾害，是气象预报的重点和难点。昌吉州地处天山北麓，地势南高北低，受自身独特的地理环境影响，短时强降水是该地区高影响天气之一，且主要出现在夏季，以山区居多，常会引发衍生地质灾害。本文主体研究区域为昌吉州辖区内分布的所有观测站点，天气雷达资料来自距昌吉市35 km处的乌鲁木齐市天气雷达，其覆盖区域为昌吉州玛纳斯县至阜康市，因而主要分析了上述地区雷达产品特征。

采用新疆气象信息中心资料库数据质量控制的2015—2019年6—8月短时强降水高发期新疆昌吉州地区国家基本气象站和区域自动站逐时降水资料、MICAPS常规资料、雷达资料以及Fy－2G卫星产品云顶亮温TBB资料，利用统计学、天气学方法分析35场短时强降水天气过程及其对应的雷达、卫星部分产品应用特征，为短时强降水临近预报预警提供一定的经验和依据。

2 结果与分析

2.1 短时强降水环流分型

分析35场短时强降水天气过程，按照影响系统的分类及定义，分别概述了3类主要影响系统，按其对应的短时强降水个例的500 hPa影响系统，将其分为中亚低槽型、西西伯利亚低槽型和西北气流型。

从表1中可以看出，中亚低槽型共出现21次，占总次数的60%，主要分布在6、8月；西西伯利亚低槽型出现9次，占总次数的26%，主要出现在6月；西北气流出现次数最少，仅为5次，占总次数的14%，主要分布在6、7月。由此看出，中亚低槽是昌吉州短时强降水的主要影响系统，其次是西西伯利亚低槽，但各月存在较大的差异。

2.2 黑体亮度温度分析

TBB等值线分析方法能细致地揭示MCS的形成过程，冷云盖周围TBB等值线疏密度所反映的云顶温度梯度对MCS的发展有很好的指示意义。阮悦等[15-17]利用卫星不同通道亮温差TBB＜0 ℃的阈值作为强对流云团识别指标、追踪方法等，通过以上研究配合雷达资料，进一步提高了短时强降水的准确性及精细化程度。基于以上分析研究，结合本地TBB阈值分析及变化特征，得出预报指标，为强对流天气、雷电防护及防汛抗涝提供科学的决策和依据。

从35场短时强降水对应天气卫星云图Fy－2G中的产品TBB分析来看，得出短时强降水TBB值一般为-57～-36 ℃，降水中心位于TBB大值区、TBB等值线梯度较大处，或TBB在西部逐渐发展的时段。在强降水发生前，云体黑体亮温都低于-36 ℃，在降水大值出现2 h前，云宏观参量TBB会出现数值上的跃增，对强降水有一定的提前指示作用。

3 雷达产品分析

利用乌市多普勒雷达资料，根据短时强降水发生时反射率因子回波演变形态，可将对流单体分为带状对流、孤立对流和合并加强3种发展形势。回波特征：合并加强型表现为由某个方位移入的对流单体受中尺度系统辐合影响，与本地原先存在的块状回波合并加强，具有范围较大，回波强度强，雨强较大的特点；带状回波稳定少动，呈静止状态，雨强相对较弱，持续时间较长。

3.1 有利的短时强降水发生时对应雷达特征

根据天气雷达衍生产品中的反射率因子、径向速度、回波顶高、垂直累积液态水含量等PUP产品的回波特征统计分析，总结出有利于短时强降水发生的短临预报预警指标。总体概括如下：

短时强降水回波强度较冰雹云弱，组合反射率（CR）一般为45～55 dBz，最大达65 dBz，最小40 dBz；回波顶高（ET）一般为5.0～6.0 km，最高8.0 km，最低3.0 km；液态含水量（VIL）一般大于普通雷暴，垂直累积液态含水量为3～6 kg/m2，最大10 kg/m2，最小3 kg/m2。短时强降水强回波中心伸展高度平均3.0 km，最高5.0 km，最低1.0 km；径向速度（V）图上一般具有反气旋特征，有逆风区；垂直风廓线图上0～6 km垂直风切变（VWF）风速为12～16×10-3/s，中低层有明显风速和风向的切变。

3.2 典型个例分析

基于2016年6月4日昌吉市庙尔沟短时强降水分析，从乌市雷达CR来看，6月4日20：01在昌吉市上游西北方有一东北－西南向的狭长带状回波发展，同时昌吉市本站周边覆盖了大片＞45 dBz的强回波；20：50，随着西北方的狭长带状回波东移南下，强度略有增强，于21：03与昌吉市本站覆盖的带状回波合并发展加强，中心强度达60～65 dBz，位于昌吉市南部地区，此时在21：00、22：00昌吉庙尔沟站分别出现了15.8 mm、18.1 mm的短时强降水。

20：07～20：52，从2.4°仰角V图上可以看出有气旋式辐合流场特征，低层有暖平流，并且有逆风区的存在，说明在逆风区附近有明显的水平风向的垂直风切变，处于逆风区内的对流单体发展剧烈，有利于低层暖湿空气向上输送。

基于垂直风廓线分析，20：07～20：57，8.5～10.5 km高空西南急流较强，且5.2～9.1 km为冷平流，中低层2.4～3.7 km为暖平流，并有风向切变存在（西北－偏东），0～6 km VWF为12～14×10-3/s。从该时段对应的强回波中心剖面图来看，回波为低质心结构对流单体，55 dBz的强回波在2 km以下接地，45 dBz回波顶高垂直伸展高度在4 km。

4 结论

（1）总结了短时强降水个例的500 hPa影响系统，大致可将其分为中亚低槽型、西西伯利亚低槽和西北气流型。

（2）从卫星云图TBB分析来看，TBB值一般在-57～-37 ℃，降水中心位于TBB大值区、TBB等值线梯度较大处，或TBB在西部逐渐发展的时段。

（3）根据短时强降水发生时反射率因子回波演变形态，可将对流单体分为带状、孤立对流和合并加强3种发展形势。根据天气雷达衍生产品中的基本反射率、组合反射率、基本速度、回波顶高、垂直累积液态水含量等统计分析得出，回波强度一般为45～55 dBz，最大达65 dBz，最小40 dBz；回波顶高一般在5.0～6.0 km，

最高8.0 km，最低3.0 km；垂直累积液态含水量为3～

6 kg/m2，最大10 kg/m2，最小3 kg/m2，强中心所在高度平均3.0 km；最高5.0 km，最低1.0 km，0～6 km垂直风切变风速在12～16×10-3/s，中低层有明显风速和风向的切变。

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