赵战成

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1 第 39 卷第 5 期 2016 年 9 月 ARID LAND GEOGRAPHY Vol. 39 No.5 Sep 库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 0 赵战成 ( 新疆巴州气象局, 新疆库尔勒 ) 摘要 : 利用高空地面观测资料及 NCEP 和 T639 资料, 对 2012 年 6 月 4 日发生在库尔勒的罕见暴雨进行综合诊断分析, 并总结了暴雨过程的中尺度云团及雷达回波特征发现强降水出现时段集中雨强大危害性强, 中亚低槽进入南疆盆地并在后部中层冷空气不断侵入, 三股气流在库尔勒附近发生绕流辐合, 高空急流产生抽气作用, 加上山前迎风坡的地形抬升, 产生局地强烈上升运动, 成为此次强降水的主要原因同时此次天气雷达回波图上具有明显地人字形雷达回波特征 ; 沿人字形的一撇一捺中有多个中小尺度对流云团存在, 并有短时的气旋式辐合体在中低层发展维持垂直螺旋度中心的变化对天气系统的演变有好地指示性, 其中心位置对强降水落区有很好的指示意义关键词 : 暴雨 ; 人字形雷达回波 ; 垂直螺旋度 ; 水汽中图分类号 : P 文献标识码 A 文章编号 (2016) (1070~1077) 2012 年 6 月 4 日, 地处天山南麓塔里木盆地北部边缘的城市库尔勒市突发暴雨, 在短短的 3 h 内降水量超过 70 mm, 历史罕见, 给当地的经济生产和生命安全带来了近上亿元的损失, 研究和掌握该类灾害事件的发生发展和准确预测具有十分重大 [1] 的现实意义近几年气象工作者对于局地暴雨的研究已经有了长足的发展, 譬如西北地区大降水时空分布特征环流特征 [2-3], 暴雨的灾害效应 [4], 以及新疆暴雨机制中低层水汽的输送和地形的辐合抬 [5] 升作用等等, 这些成果的取得对现实中的预报预测有很大的指导意义就此次暴雨天气过程从大气环流背景时空分布特征要素场的中小尺度特性, 结合当地的特殊地形, 综合分析其天气过程的形成机制, 探索该类天气事件发生发展的指标, 以期在当地的预报业务中更加准确地预测类似天气事件, 达到防灾减灾的效果 1 研究区概况库尔勒市地处 ( 图 1) 欧亚大陆和新疆腹心地带, 塔里木盆地东北边缘, 北倚天山支脉库鲁克山和霍拉山, 南距死亡之海世界第二大沙漠塔克拉玛干沙漠直线距离仅 70 km 地理位置位于 E N, 是古丝绸之路中道的咽喉之地及西域文化的发源地之一, 是新疆巴音郭楞蒙古自治州 ( 简称巴州 ) 的首府和南北疆重要的交通枢纽和物资集散地, 因盛产驰名中外的库尔勒香梨, 故又称梨城全市行政区域面积 km 2, 东西长 127 km, 南北宽 105 km, 常住人口人流动人口近人属暖温带大陆性干旱气候, 降水量稀少, 蒸发量大, 光热资源丰富, 总日照数 h, 无霜期平均 210 d, 全年平均气温在 11 左右, 最冷的 1 月平均气温为 -7, 极端最低气温 -25.3, 最热的 7 月平均气温为 26, 极端高温达 40 年平均降水量仅 59.2 mm, 年最大蒸发为 mm 左右, 常年盛行东北风 2 天气过程概述 2012 年 6 月 2~3 日夜间, 巴州各地普遍出现小雨, 其中库尔勒塔中及焉耆盆地出现中雨, 焉耆盆收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY ) 作者简介 : 赵战成 (1979-), 男, 河南民权县, 工程师, 从事短期预报和气候预测工作 @qq.com

2 5 期赵战成 : 库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 1071 地的局部地区达大雨 4 日上午, 库尔勒地区为晴间多云天气, 且气温迅速回升,14 时以后, 库尔勒市区出现雷电现象,15 时库尔勒和静突降大暴雨 15~17 时 3 h 降水量为 : 库尔勒达 73.8 mm 和静 75.8 mm( 表 1), 均超过历史极值同时库尔勒和静和硕出现了直径 15 mm 10 mm 和 5 mm 的冰雹 17 时以后, 降水明显减弱此次降水库尔勒市区内严重积水, 造成交通短时瘫痪, 最大积水深达 50 cm, 多处桥梁道路被水冲毁, 并引发短时性坡集洪水, 导致两人因高压漏电而死亡, 给当地居民的生命和财产造成了很大影响, 直接经济损失近亿元表年 6 月 4 日强降水天气实况统计 /mm Tab.1 Statistics of strong precipitation weather in June 4,2012/mm 地点库尔勒 15~16 时 ~17 时 ~18 时 1.3 总降水 73.8 和静和硕 / 5.6 塔什店环流演变特征 500 hpa 高空图上 ( 图 2a)6 月 3 日 08 时, 乌拉尔山至咸海为一高压脊, 巴尔喀什湖以南至喀什西侧为一低值区, 该低值区不断加深并缓慢东移,4 日 08 时 ( 图 2b) 巴尔喀什湖至乌拉尔山转为高压脊, 引导极地冷空气南下, 低值区进一步加深形成低槽进入南疆盆地, 且在巴州地区西侧阿克苏上空有明显的冷温槽配合, 库车库尔勒之间有 4 的温差, 冷温槽稍落后于高度槽, 有冷平流注入该短波槽, 该低槽继续加深 200 hpa 高空图上 ( 图略 )6 月 2 日 08 时巴尔喀什湖上空的低槽缓慢东移, 至 3 日 08 时移至国境线附近,4 日 08 时低槽南伸并进入南疆盆地, 库尔勒及若羌上空的风速带明显加强, 且由原来的偏西风转为西南风, 最大风速达 36 m s -1, 加剧高层辐散,5 日 08 时库尔勒上空的风速明显减弱, 预示系统结束 ;6 月 4 日 08 时 850 hpa 图上 ( 图略 ), 南疆盆地有一气旋性辐合中心, 且该辐合中心未来缓慢东移并北上, 高层辐散低层辐合的明显结构结合库尔勒市地形特点, 加剧抬升, 产生剧烈上升运动, 造成局地大降水 4 水汽特征分析 4.1 周边水汽的分析由于前期 6 月 2~3 日巴州普遍出现小到中量的降水,500 hpa 高空图上 ( 图略 ) 南疆大部分地区 T-T d < 4, 空气达到饱和, 北疆由于西北气流水汽的输送亦接近饱和状态, 而 4 日上午库尔勒出现晴天, 使得低层快速升温, 上空 T-T d = 11, 处于暖干状态, 但被大范围湿区包围, 这种梯度分布一定程度上加剧了四周水汽向干区的快速汇合温度场分析发现, 新疆大部地区 T 850-T 500 的值 >30, 库尔勒 K 指数 >25, 具有不稳定条件, 而 500 hpa 图上温度槽位于巴州上游地区, 温度槽的进一步东移将加剧温度层结的不稳定, 有利于对流性天气的发生发展 4.2 水汽通量特征从 08 时 850 hpa 的水汽通量场和风场的叠加来看 ( 图 3a b), 在 2~4 日巴州的东南部一直有一个高湿舌, 风向为弱的偏南风, 引导孟加拉湾水汽通过该地区不断北上到达巴州的南部若且地区 ( 若羌县和且末县简称若且 ), 从水汽通量场的中心变化来看,3 日中心值达 24 g cm -1 hpa -1 s -1, 较 2 日中心值变大, 且位置稍有北上结合地面观测站和区域自动站资料分析, 在 4 日 14 时地面流场中可以发现沿着巴州东部边缘有一条水汽输送带北上达到库尔勒地区, 另外库尔勒西北和东南均有山阻挡, 从塔里木盆地向焉耆盆地的水汽输送必经库尔勒, 且有一中尺度辐合中心位于和静附近, 大量水汽从四周向和静一带汇集, 而和静北部为天山, 有利于来自南部的水汽抬升, 这为库尔勒和静成为暴雨中心提供了必要条件 700 hpa 水汽通量和风场叠加图上,2 日 08 时有个暖湿中心在巴州的西南部民丰一带, 暖舌北伸至轮台县西南侧, 到 3 日 08 时该中心移至巴州境内南部若且一带,4 日 08 时暖湿中心明显加强, 并西扩北伸, 北伸至库尔勒和天山上空, 图 3c 所示图 4 可以清晰地看出在 4 日 08 时巴州地区上空整个被高湿区覆盖, 库尔勒市正上空有一个明显的大的水汽中心, 中心强度达 3.2 g cm -1 s -1, 且伸向高空形成一个高湿舌, 高度达到 500 hpa 以上, 这种高湿舌在以往的大降水个例中非常罕见, 充足的水汽也是形成大降水的必要条件

2 June 3 and 4 08 00 500 hpa high altitude circulation situation 图 3 6 月 2 4 日 08 时 850

3 Analysis of water vapor flux field and wind field superposition on June 2-4 08 00 850

3 干旱区地理 1072 图1 39 卷库尔勒和静等地理位置图 Fig.1 Location map of Korla City Hejing County etc 图 2 6 月 3 日 4 日 08 时 500 hpa 高空环流形势 Fig.2 June 3 and hpa high altitude circulation situation 图 3 6 月 2 4 日 08 时 850 hpa a b 和 700 hpa c 水汽通量场和风场叠加分析 Fig.3 Analysis of water vapor flux field and wind field superposition on June hpa a.b and 700 hpa c 5 动力条件旋度在大气科学方面自 20 世纪 80 年代开始研究其在大气运动中的贡献结果表明水平螺旋度对 5.1 螺旋度特征螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量可分为水平螺旋度和垂直螺预报强风暴更具有指示性而垂直螺旋度对系统的维持状况和系统发展以及天气现象的剧烈程度更有指导意义 6-11

4 5 期赵战成 : 库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 1073 结合 T639 原始场资料和再分析资料, 我们对 2012 年 6 月 4 日各个层次的水平螺旋度进行计算, 从 850 hpa 14~20 时水平螺旋度场中可以看出 ( 图略 ), 库尔勒西侧水平螺旋度的中心值逐渐变大, 与地面实况降水进行对比并不能很好地反映出降水强度的变化, 因 20 时库尔勒的降水基本结束, 但水平螺旋度的中心和强降水的落区有较好地对应关系从 200 hpa 14~20 时水平螺旋度场中可以看出 ( 图略 ), 库尔勒上空的水平螺旋度由负值区转向正值区, 结合实况资料, 库尔勒地区开始出现强降水, 再由正值区缓慢转向负值区, 降水趋于结束因而低层水平螺旋度中心位置对强天气发生区域有一定的指示性, 而高层水平螺旋度的正负变化对系统的发展有很好的指示性从图 5 中我们可以看出, 低层 850 hpa14 时 ( 图 5a) 库尔勒西侧出现一个大值垂直螺旋度中心,17 时 ( 图 5b) 该中心明显增大, 较 14 时增大 1 倍多, 该时刻库尔勒的降水也最大,1 h 降水量达 46.4 mm, 至 20 时 ( 图略 ) 该中心明显减弱, 库尔勒的降水也趋于结束, 垂直螺旋度中心值的变化由弱到强再到弱, 和降水的强度变化基本一致, 且强降水的落区在垂直螺旋度中心的前方, 这与晋建设等的结论 : 暴雨落区易出现在螺旋度中心的右前方两侧完全一致 [12], 和静县同时也出现了大到暴雨天气结合 200 hpa 高空图上的垂直螺旋度 ( 图 5c) 可以看出, 17 时, 库尔勒西侧的垂直螺旋度负值中心达到最大, [13] 变化规律亦是由弱到强再到弱, 这与孙兰东等利用 T106 数值预报产品研究垂直螺旋度的结论基本一致 : 暴雨区上空螺旋度的配置上层为负值下层为正值 5.2 散度场特征沿 86 E 做经向垂直散度剖面图, 从图中 ( 图 6) 可以看出在 4 日 08 时, 天山山区以北高层 200 hpa 以下几乎均为辐合层, 在 300 hpa 附近有个大的辐合中心, 南疆盆地整个为低层辐合, 高层辐散, 在 200 hpa 附近有一个强大的辐散中心, 而在这个大的系统之中又有一个中小尺度存在, 即库尔勒正上空 400 hpa 以下, 低层 850~700 hpa 之间有一个辐合中心, 在 700 hpa 以上为辐散层,500 hpa 有一辐散中心, 这种高层辐散低层辐合的良好配置, 是发生大降水的有利条件 [14-16] 随着系统的进一步东移南下, 触发了这个中小尺度天气系统的爆发, 造成了库尔勒及和静地区的暴雨发生 5.3 垂直速度场特征从垂直速度剖面图上 ( 图 7) 看出, 在 4 日 08 时库尔勒低层 (700 hpa 以下 ) 及以南地区为弱的上升气流, 高层则为明显的下沉气流, 这种高层冷干的下沉气流与低层暖湿上升气流的配置使得大气极其不 [17] 稳定, 很容易触发中小尺度对流性天气的发生随着高空系统的进一步发展和低层大气的快速升温, 结合地形的抬升作用, 在午后库尔勒与和静两地产生了短时强降水 6 卫星云图和雷达回波特征 6.1 卫星云图回波特征卫星云图上 4 日 14 时以前库尔勒地区上空为无云区,15 时 ( 图 8a) 开始库尔勒西侧和西南部有两个对流云团快速生成, 东侧则有大面积层状云系生成, 在该云系的上端即北侧有弱的对流云团发展, 有逗点云系的雏形, 这三个相对较高的回波体中心均近似椭圆结构, 且云顶亮温接近 -50, 具有中尺度对流云团的特征随着时间的推移, 西南部的云团与库尔勒西侧的云团快速结合, 并不断的东移北上, 移至库尔勒上空, 该地区开始出现降水, 而东部的云团北移西上, 逗点云系的前端与库尔勒西侧的前端云团在和静上空合并, 大面积高回波亮温体出现, 在 16 时云图 ( 图 8b) 中最大回波亮温达 -55, 库尔勒与和静两地开始出现强降水, 大面积高回波体在原地维持了近 2 h, 在短短 2 h(15 时 ~16 时 ) 的时间段两地降水均超过了 70 mm 以上,17 时过后, 云团主体东移北上, 移出库尔勒市上空, 高亮温回波体面积也明显减少, 强度也有所减弱, 大降水基本结束 ( 图 8c) 6.2 雷达回波特征 6 月 4 日下午 13 时开始, 库尔勒西北角霍拉山一带不断有高亮回波单体出现, 回波顶高达 10 km 以上, 对流发展非常旺盛, 在 15:18 分雷达组合反射率 (CR38) 回波图上出现明显的人字形回波 ( 图 9a), 人字形回波的一撇一捺的交汇处即人字形顶端刚好在库尔勒市上空, 最大回波强度达 71 dbz, 我们知道在人字形回波的交汇处容易产生冰雹等强对流天气的发生, 库尔勒恰巧出现了短时冰雹, 最大直径达 15 mm 左右, 配合地面区域自

干旱区地理 1074 39 卷动站资料发现地面辐合场恰好在库尔勒市区因维持了近 1 h 这种原地打转的气旋性环流也是造成而造成了库尔勒市区历年罕见的暴雨冰雹天气此次罕见暴雨的主要原因但环流的主体仍是异常

但回波强度有所增强最大由于地面无测站实际降水量无法得到但可以肯定的是地面一定有降水回波达 75 dbz 且强回波主体就在库尔勒市区正上空并原地维持近 1 h 在 16 54 分的雷达回波图上图略红色回波区域明显减小

字形回波中有许多的辐合单体存在尤其是在雷达站的正上空有一个气旋性环流存在雷达站的图 4 沿 42 N 纬向做 4 日 08 时水汽通量场垂直剖面东北部即和静上空也同时存在一个辐合体见图 Fig.

5 干旱区地理卷动站资料发现地面辐合场恰好在库尔勒市区因维持了近 1 h 这种原地打转的气旋性环流也是造成而造成了库尔勒市区历年罕见的暴雨冰雹天气此次罕见暴雨的主要原因但环流的主体仍是异常同时和静县上空亦有红色回波单体出现强度略小缓慢的东移到分主体已移出库尔勒测站上于库尔勒上空回波空有个相对较强的辐合体在雷达站的东南方向在分雷达回波图上图 9b 库尔勒上空的人字形回波消失但回波强度有所增强最大由于地面无测站实际降水量无法得到但可以肯定的是地面一定有降水回波达 75 dbz 且强回波主体就在库尔勒市区正上空并原地维持近 1 h 在分的雷达回波图上图略红色回波区域明显减小并已移至库尔勒市区的东南方回波强度略有减弱最大回波达 68 dbz 此时和静县上空的红色回波单体已消失两地测站的降水趋于结束在对应时刻的 V27 雷达产品图上分人字形回波中有许多的辐合单体存在尤其是在雷达站的正上空有一个气旋性环流存在雷达站的图 4 沿 42 N 纬向做 4 日 08 时水汽通量场垂直剖面东北部即和静上空也同时存在一个辐合体见图 Fig.4 42 N joy zonal moisture flux field 9c 到分时两测站上空的辐合体仍然存在 vertical profile at 4rd 图5 4 日时 850 hpa 200 hpa 垂直螺旋度分析 Fig.5 Analysis of the vertical helix of 850 hpa 200 hpa at June 4 图6 6 月 4 日 08 时散度场垂直剖面 86 E 图 7 6 月 4 日 08 时垂直速度场垂直剖面 86 E Fig.6 Vertical profile of divergence field at Fig.7 Vertical velocity field vertical profiles at June 4 86 E 08 June 4 86 E

5期赵战成库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 1075 图 8 4 日 15 17 时库尔勒上空卫星云图 Fig.8 June 4 15 00-17 00 satellite cloud images over Korla 图 9 雷达资料产品图分析 Fig.

低层有明显的风向切变存在并随着时间的推移中心和强降水的落区有好的对应关系但其中心值切变的中心在逐渐下移能够很清楚的看出强降水的变化并不能较好地反映天气系统的演变则高层的集中时段 15 16 时低层为西南风中层为东北可以弥补此缺陷垂直螺旋度中心的变化对天气系或偏北风高层为西南风或偏西风 17 时以后中层统的演变有好地指示性同时其中心位置对强降水

6 5期赵战成库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 1075 图 8 4 日时库尔勒上空卫星云图 Fig.8 June satellite cloud images over Korla 图 9 雷达资料产品图分析 Fig.9 Analysis of radar data products 注 CR38 为雷达组合反射率产品 V27 为雷达基本速度产品 Note CR38 is Radar Composite reflectivity product V27 is Radar basic speed product 从雷达产品 VAD48 风廓线图上看图略高 2 通过动力条件分析发现低层水平螺旋度低层有明显的风向切变存在并随着时间的推移中心和强降水的落区有好的对应关系但其中心值切变的中心在逐渐下移能够很清楚的看出强降水的变化并不能较好地反映天气系统的演变则高层的集中时段时低层为西南风中层为东北可以弥补此缺陷垂直螺旋度中心的变化对天气系或偏北风高层为西南风或偏西风 17 时以后中层统的演变有好地指示性同时其中心位置对强降水以上均转为西南偏南风或西南风降水趋于结束落区也有好地指示性高层冷干的下沉气流与低层暖湿上升气流的配置触发了此次中小尺度对流 7 结论性天气的发生 3 从卫星云图上看有 3 个明显的中尺度对流 1 此次强降水青藏高原南侧有明显低值区云团存在暴雨中心均出现在冷云盖的边缘其中存在间接传递孟加拉湾水汽到达巴州南部高湿心强度的变化与降水的强弱基本一致在前期雷区覆盖整个巴州地区在中亚低槽进入南疆盆地后达回波中出现了明显的人字形回波并在人字部中层冷空气不断侵入三股气流在库尔勒附近发形回波的一撇一捺交汇处产生了局地冰雹天气在生绕流辐合高空急流产生抽气作用加上山前迎速度场上有明显的中小尺度气旋式辐合体的发生风坡的地形抬升产生局地强烈上升运动成为此发展和维持不断的产生新的对流单体后期转为次强降水的主要原因带状回波

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8 5 期赵战成 : 库尔勒一次强对流大暴雨天气特征分析 1077 Characteristics of a strong onvective weather and heavy rainstorm in Korla City,Xinjiang ZHAO Zhan-cheng (Bazhou Meteorological Bureau of Xinjiang,Korla ,Xinjiang,China) Abstract Using the data of the high and the ground observation and the reanalysis data of NCEP and T639,this paper comprehensively analyzed the characteristics of weather,the conditions of water vapor,the dynamic conditions and the unstable conditions of the rare heavy rain process of Korla City,Xinjiang,China on June 4 th,2012, and the characteristics of the radar echo and the mesoscale cloud of the heavy rain process. Results show that in most southern Xinjiang area,t - T d was lower than 4 before precipitation,and the area was covered by high humidity,which was resulted from the indirectly transported vapor from Bay of Bengal;the index K was greater than 25 in Korla,providing favorable conditions for the convective weather; Central Asia low slotted into the South Xinjiang Basin and cold air intruded in the middle of its back,these three air flows converged around Korla,and produced strong local upward movement with the extraction effect of high altitude jet stream,and the air lifting effect of the windward side of mountain,which was the main original reason of the heavy rain. The intensity of weather radar echo(ppi)on the drawing had obviously T shape glyph radar echo; along the line of T, there were many medium and small scale convective clouds in glyph echo,and had a short cyclonic convergence keep fit in the low-level development;rainstorm center appeared on the edge of satellite cloud,and the change of the intensity was consistent with the strength of the precipitation. The center of the vertical spiral degree had a good indication to the evolution of the weather system and the area of heavy rain fall. Key Words rainstorm; T shaped radar echo;vertical spiral;water vapor 中国科学院新疆生态与地理研究所发明一种干旱荒漠区土质工程边坡鼠害防治方法 2016 年 6 月 23 日, 由中国科学院新疆生态与地理研究所赵振勇副研究员等科研人发明的一种干旱荒漠区土质工程边坡鼠害防治方法获国家发明专利授权 ( 专利号 : ZL ) 本发明涉及一种干旱荒漠区土质工程边坡鼠害防治方法, 该方法通过在边坡基础层上嵌入钢筋混凝土网格梁, 在混凝土网格梁充填砂砾石, 以破坏害鼠营巢环境, 达到边坡鼠害防治的效果本方法根据边坡害鼠的生态习性生存环境特点, 采用改变边坡表层基础结构, 创造不利于害鼠造穴的松散型地表结构, 以实现有效控制边坡鼠害发生的目的通过地面边坡实施混凝土网格梁结构加固边坡土体, 保障边坡稳定 ; 通过砼梁格内填充砂砾石填料来制约害鼠营巢并减弱雨水侵蚀冲刷作用本发明所述方法操作简便生态长效, 解决了荒漠环境背景下害鼠防控功效低的难题并符合大型渠系边坡鼠害防治生态环保要求, 为干旱区工程设施鼠害生态防治提供了技术支持

cm hpa hpa 2 45 N hpa ~ 12 Fig. 1 The observed rainfall distribution of Shanxi

cm hpa hpa 2 45 N hpa ~ 12 Fig. 1 The observed rainfall distribution of Shanxi 28 3 2010 9 1006-7639 2010-03 - 0332-06 Journal of Arid Meteorology Vol. 28 No. 3 Sept 2010 1 1 2 1 3 1. 046000 2. 030404 3. 034000 2009 11 10 ~ 12 1 10 11 2300 hpa 3500 hpa 41 500 m 2 850 hpa 5FY - 2C