石河子地区夏季降雨过程探空资料和雷达产品特征分析

刘晓初 徐腊梅 李潇潇 赵胡笳

（1大连市气象台，辽宁大连 116001；2石河子气象台，新疆石河子 832000；3中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110116）

强对流天气是造成汛期气象灾害的重要天气类型[1-2]。行业内普遍认为落地直径不小于2 cm的冰雹、阵风风速达到17 m/s的对流性大风和雨强达到20 mm/h的短时强降水和任何强度的龙卷风均称为强对流天气[3-4]。石河子位于少雨内陆地区，短时强降雨标准为2个级别，分别为5和10 mm/h。因此，对流天气伴随的降雨为大陆型对流降雨，有必要从潜势预报和临近雷达产品对降雨过程进行分析，提升本地对流天气预报预警水平[5-6]。6～24 h的强对流潜势预报对落区和类型有一定指示作用[7-8]。研究发现，纯粹的短时强降雨天气与雷暴大风、冰雹天气的探空资料参数特征值存在明显差异[9-10]。李潇潇等[11]分析大连地区短时暴雨过程发现，某些探空参数对短时强降水有一定指示作用。另外，对流潜势分析有一些值得注意的问题，CAPE值对抬升气块的温湿状况和水汽变化都非常敏感[12-13]。实际分析中要动态地看待稳定度的变化[14]。对流降水过程中，大气一般处于中性热力层结，降水趋于结束时，大气处于稳定层结。除了潜势预报，0～2 h的临近预报对更加精细化的预报预警作用不可代替。不同类型强对流天气有对应的雷达产品参数特征[15-16]，天气雷达中降水估测产品与实况的偏差主要由不适当的Z-R关系造成[17-18]。新疆作为西部内陆地区，汛期降雨过程显示出大陆型强对流回波特征[19-20]。沿海地区短时暴雨的雷达回波多为介于稳定性和对流性之间的混合性降雨回波，呈现低质心特征[21-22]，且不同地区有独特变化规律[23-24]。以上研究对石河子地区汛期降雨过程预报预警有一定借鉴意义。

夏季降雨有突发性强，持续时间短，落区范围小等特点，容易致灾，另外，即使量级较低的降水对工农业生产也有一定帮助，因此，准确预报预警有非常重要的价值。本文利用常规观测资料和天气雷达资料，对石河子地区夏季降水过程做中尺度分析，发现特征参数，对当地的降雨和对流天气预报预警提供一定参考指标，帮助预报员识别本地强对流天气的系统结构及演变，促进强对流短临预警系统的本地化应用。

1 分析资料与方法

1.1 研究区概况

石河子位处北疆中段，东南高西北低，山地、沙漠、平原为石河子的主要地貌形态，全年降水稀少，气候干燥，属于温带大陆性干旱气候。石河子地区为灌溉农业区，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年降雨量180～270 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm。

1.2 资料选取及分析方法

该研究所用资料包括常规气象观测资料，即石河子地区地面观测资料和克拉玛依探空资料，探空资料时间分别为08：00和20：00；石河子C波段多普勒天气雷达资料，时间分辨率为6 min。按照石河子地区降水量等级业务规定，该研究划分如下，24 h降水量在6 mm以下为小雨，6～12 mm为小到中雨，＞12～24 mm为中到大雨，24 mm以上为暴雨。小时雨强分为5和10 mm 2个档次。关于落区，一共4个业务站，分别为石河子本站（356）、炮台（352）、莫索湾（353）、乌兰乌苏（358）。24 h内，2个站及以下出现小雨，划为局部小雨；3个站及以上出现小雨，划为全区小雨；3个站出现降雨，1个站及以上出现中雨量级，划为小到中雨，以此类推，直到全区出现降雨，1个站出现暴雨，划为暴雨过程。关于探空资料，石河子地区上游最近的探空站位于克拉玛依，与石河子直线距离160 km左右，海拔400 m，且周边为戈壁荒漠。

2 降水过程发生规律

对地面观测降水量实况统计分析发现，2018—2020年6—8月石河子地区共有53次降水过程。其中，局部小雨过程22次，约占42%；全区小雨过程21次，约占40%。由此可见，小雨过程占全部过程的82%。小到中雨过程5次，中到大雨过程4次，暴雨过程仅有1次。另外，从发生时段来看，发生在傍晚到夜间（17：00—次日08：00）的过程有43次，占81%，其中中雨以上量级仅有一次中到大雨过程发生在白天。

3 探空资料分析

3.1 能量参数

K指数是最常用的识别对流的参数之一，其定义为850与500 hPa温度差，加上850 hPa露点温度，减去700 hPa的温度露点差。通常，K指数小于25，不容易产生雷暴；25～30，雷暴概率较小；30以上，雷暴概率较大。从定义看，低层水汽（850 hPa露点温度）越大，层结越不稳定（850和500 hPa温差），以及700 hPa饱和度越大，K指数越大。53次降雨过程整体的K指数中位数为29（表1），按照降雨量级分类，各个量级过程的中位数都小于等于30。只有2019年7月10日暴雨过程，K指数为32。K指数对降水过程有一定指示作用。全部个例的850与500 hPa温差（T85）都达到28℃以上（表1），层结较为不稳定，指示作用强。克拉玛依为荒漠站点，低层大气水汽饱和度较低，850 hPa露点温度（Td850）较低，中位数全部小于5℃，并且700 hPa温度露点差较大，与东部沿海地区区别较大，降水指示作用不强。

CAPE值对抬升气块的温湿状况敏感，抬升气块的温度或者露点温度升高1℃，CAPE值分别平均增加200和500 J/kg，因此，当大多数降水过程发生在傍晚到夜间，而直接用08：00探空资料分析时，由于白天荒漠地区地表加热作用显著，傍晚近地面温度（Ts）和露点温度（Tds）与08：00的有明显差别，CAPE值发生较大变化，无法有效表征对流降水发生前的周围大气环境。从各量级降水过程的CAPE值中位数（表2）也能看到，指示对流降雨作用不大。

3.2 温湿状况参数

探空最底层位于海拔400 m左右。探空底层温度（Ts）中位数在23～27℃，露点温度（Tds）中位数在8～11℃（表1），表明探空最底层大气饱和度较差；而作为东部沿海平原地区的有利于降雨的低空水汽条件特征量，850 hPa露点温度（Td850）应该较大，850 hPa温度露点差（T-Td850）应该较小，此特征在西北地区概率很小。从各个量级降雨过程的中位数（表2）看，东部地区夏季降水前，850 hPa露点温度可能达到12℃，甚至16℃，但是石河子地区该特征量的中位数仅为2～5℃，850 hPa温度露点差中位数为12～20℃，表明探空底层400～1 500 m大多数为干层，对降雨指示作用不大。作为所在高度大气实际水汽含量的参数，各个量级降雨过程探空底层比湿（Q5）中位数为7.0～8.6 g/kg（表1），700 hPa在东部平原地区已是降水过程水汽顶层，其高度的比湿（Q700）中位数为5.4～7.8 g/kg，具体到每个过程的探空资料，53次过程中有27次700 hPa比湿（Q700）直接大于探空底层比湿（Qs）或者大于按照正常递减率到700 hPa的比湿，占比51%，表明特征湿层在700 hPa附近的指示作用更大。进一步分析发现，600～500 hPa的温度露点差（T-Td600）小于4℃的过程有50次，占94%。与降雨过程有非常好的对应关系。

表2 2018—2020年6—8月石河子地区各量级降雨过程前探空资料的部分物理量

高低空的温差反映了大气垂直温度梯度。700和500 hPa温差（T75）中位数在14.0～17.5℃，850和500 hPa温差（T85）中位数在28～32℃。与东部地区对流潜势特征值基本一致。

3.3 动力稳定度参数

中等强度以上的0～6 km深层垂直风切变（SHR0-6）与大冰雹、对流性强阵风和龙卷等强对流天气密切相关。另外，强对流天气系统如多单体强风暴、超级单体和飑线等也产生在较强的深层垂直风切变环境中。中等强度（大于10 m/s）以上过程31次，强垂直风切变过程(大于19 m/s）6次，分别占比58%和11%。由此可见，降水可能只是对流天气现象中的其中一种。环境潜势也有利于雷雨大风等灾害性强对流天气发生。

当0℃层高度附近大气饱和度较低时，湿球0℃层高度（H0）与0℃层高度差别较大。H0中位数在3.7～4.2 km（表1），很多过程干球0℃和湿球0℃的高度有较大差别，需要订正后使用。抬升凝结高度（HLCL）是未饱和湿空气块干绝热上升、刚开始凝结的高度。高度较低有利于强对流的发生和发展。HLCL中位数为0.8 km（表1）。

表1 2018—2020年6—8月石河子地区降雨过程前探空资料的部分物理量中位数

探空应用较好的例子是2019年7月27日过程（图1b）。K指数达到28；CAPE值为920 J/kg，接近中等强度；850与500 hPa温差高达32℃，大气层结不稳定；0～6 km垂直风切变为20 m/s，强度较大，温湿廓线呈上干下湿的“喇叭”形状，有利于强对流发生。降雨发生在22：00左右，从雷达回波上看，多单体对流风暴呈南北带状排列。潜势预报中探空特征参数指示作用较好。另外，2019年7月10日暴雨过程（图1a），K指数达到32，并且在600 hPa附近湿层相对深厚，对短时对流性降雨有一定指示作用。另外，分析各个过程的温湿廓线发现，近地面为西北风，大气饱和度较低，中层为西南风，大气饱和度较高。

图1 2019年7月10日08：00（a）和27日20：00（b）克拉玛依探空图

4 雷达产品特征分析

夏季对流降水的量级大小取决于降水效率和持续时间。较高的降水效率与暖云层厚度有关，另外，还需要低层水汽的持续输送。对流降雨通常分为大陆型和热带型，石河子地区明显属于大陆型。从图1的2个个例探空图看出，地面到850 hPa甚至700 hPa水汽饱和度都较差，600 hPa附近大气才接近饱和，并且湿层厚度比东部沿海地区更小。大陆型对流降水的特征是强回波发展高度较高，质心较高，大粒子较多（大雨滴、霰和冰雹），密度小。因此，降水效率不高，天气雷达中的降水估测产品与地面降水量实况的偏差就比较大。一般情况下，雷达有效的测雨范围不超过150 km。结合到石河子地区的实际情况，炮台和莫索湾测站位置相近，偏北；石河子和乌兰乌苏相近，相对偏南。一次降雨过程影响到各个站点的回波演变是不同，需要单独分析。因此，53次降雨过程对应142次雷达回波演变。

4.1 组合反射率和径向速度特征

组合反射率（CR）表示的是一个体扫中，定常仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上；优势是不用查看每个仰角就能快速查看到风暴中的最大反射率因子；缺点是无法识别某个仰角上的有用特征。如表3，同样按照降雨量级划分，最大强度的中位数为25～35 dBz，一般强度在35 dBz以上才达到对流强度，按此标准，局部小雨、全区小雨过程一般仅为层云降水，中雨以上才有对流特征。从整体上看，降雨过程最大强度中位数为30 dBz，与冰雹、雷暴大风等强对流天气有明显差异。

表3 2018—2020年6—8月石河子地区降雨过程雷达资料部分参数的中位数

径向速度（V）一般用来识别中小尺度速度对，中层高度具有一定速度的旋转、中气旋，或者不同仰角上大范围的辐散幅辐合锋面过境，判断系统的发展；或者可通过最低仰角上雷达站附近的入流和出流速度判断地面大风。雷达站附近距离地面1 km高度范围内，风速达到15 m/s的案例仅为7次，占比5%，表明到达地面产生8级以上大风的情况很少，降雨与地面大风的伴随关系也不强。

4.2 垂直累积液态水、回波顶高和雨量估测特征

垂直累积液态水（VIL）表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值。它的假设是所有的反射率因子返回都是由液态水滴引起的经验导出的关系，其实质是反射率因子的垂直累积，代表了雷暴的总体强度。VIL数值的突然增大对冰雹预警有较好的指示作用。全部降雨过程的VIL中位数为0～0.5 kg/m2，总体上降雨不会伴随冰雹。仅有2018年7月13日过程的VIL值达到20 kg/m2（表4），有可能伴随冰雹。

回波顶高（ETPPI）与0℃层高度比较，0℃层高度的中位数在3.7～4.2 km。夏季-20℃层高度一般在6 km左右，如果对流风暴发展旺盛，45或50 dBz以上的强回波高度达到-20℃层高度，容易出现灾害性冰雹，该研究的大部分降雨过程对应的回波顶高中位数都在6 km以下，只有中到大雨过程的回波顶高中位数达到7 km（表3），有可能出现强冰雹。

雨量估测中，如果降水粒子中的固态粒子（冰雹颗粒）较多，而不是密度较大、颗粒较小的暖云产生的液态水滴占多数，那雷达降水估测产品中的Z-R关系就偏差较大。在全部142次降雨实况与雷达产品的对比中，有19次回波顶高超过0℃层高度2 km以上，接近或超过-20℃层高度，占比13%，而近似于暖云降雨的回波占87%。因此，大部分产生降雨的雷达回波中，降水估测结果还是有参考价值的。从按照雨量划分的1 h降雨量估测产品看（表3），局部小雨的中位数为0.5 mm/h，按照量级依次增大，降雨估测产品中位数也大致增大，变化趋势基本一致，有一定参考价值。另外，产生暴雨不仅要有较长的持续时间，雨强也相对其他量级降雨过程更大。

以2019年7月10日的暴雨过程（图2和表4）为例，影响石河子（356）和莫索湾（358）的回波最大强度为40 dBz，所在高度最高仅为3～4 km，回波顶高为7 km，对流发展并不旺盛，VIL最大值仅为0.5 kg/m2，没有冰雹特征。从降水估测产品看，雨强达到6 mm/h，所有过程中最大，天气现象以短时强降雨为主，雷达站西侧上游不断有回波东移经过测站，降雨持续时间较长，造成局地暴雨。

表4 2018—2020年6—8月石河子地区各量级降雨过程雷达资料的部分参数

续表4 2018—2020年6—8月石河子地区部分降雨过程雷达参数

图2 石河子雷达2019年7月10日21∶51(a)和11日00∶15(b)0.5°基本反射率

从雷达产品特征上看，总体上，短时强降雨为主过程并不伴随冰雹和雷暴大风。

5 结论与讨论

石河子位于北疆中段，属于温带大陆性干旱气候。夏季降雨突发性强、持续时间短、落区范围小，有明显的大陆型对流降雨特征。该研究通过对石河子地区夏季降雨过程的探空和天气雷达资料研究发现：①53次降雨过程绝大多数量级为小雨，并且发生在傍晚到夜间。②探空资料上，K指数、850和500 hPa温差是对流降雨可靠指示参数。探空底层和850底层大气饱和度较差，指示作用不强。③600 hPa附近湿层为当地独特指标参数；600～500 hPa的温度露点差小于4℃的过程有50次，占94%。与降雨过程有非常好的对应关系。④短时强降雨过程通常不伴随冰雹和雷暴大风。⑤1 h降雨估测产品可靠度较高。西北内陆地区降雨效率不高，但是降雨持续时间较长，累积降雨量仍然有可能达到暴雨量级。

不足之处为大多数降雨过程发生在傍晚到夜间，08：00探空代表性较差。在现有条件基础上，结合实况和模式预报，对08：00探空资料进行订正，再检验预报预警的提升效果，可作为未来研究方向。