ABSTRACT

The occurrence and development mechanism of the hail weather process that occurred in Alar City, Xinjiang Production and Construction Corps on September 4^th, 2015 were analyzed based on the routine data, sounding data, NCEP/NCAR 1˚ × 1˚ reanalysis data and new-generation weather radar data from the regional automatic weather station. The following results show: 1) The split shortwaves from the southern West Siberian Cold Trough were the primary contributing factors to the production of the local hail weather in western Tarim Basin, Xinjiang. 2) The short-term local heavy precipitation was caused by a combined action of the synoptic scale system with multiple small and mesoscale systems. The interaction between the disturbance of the upper-level shortwave and lower-level southwesterly flow, facilitated the generation of mesoscales and smaller, and resulted in local heavy precipitation and hailstorm in this region. 3) The headwind region might be used as an index for identification of the core area of heavy precipitation; there was a clear corresponding relationship between the headwine region and the strong echo center. (4) The strong center and maximum gradient area of the radar reflectivity factor are of indicative significance to the forecast of the hailing location. When a strong echo center > 50 dBZ reached 8 - 9 km long and the echo height reached 10 km, an obvious hail cloud structure would have been formed.

Keywords:Alar City, Reflectivity Factor, Headwind Region, Black Body Temperature (TBB)

新疆塔里木盆地西部一次强对流性天气的成因分析

周大胜¹，谢向阳^2*，陈艳丽³，周雪英⁴，秦榕⁵

¹新疆生产建设兵团第一师气象局气象雷达站，新疆 阿拉尔

²兵团五家渠市气象局，新疆 五家渠

³新疆铁门关市气象局，新疆 铁门关

⁴巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒

³新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐

收稿日期：2019年11月3日；录用日期：2019年11月18日；发布日期：2019年11月25日

摘 要

利用区域自动气象站常规资料、探空资料、NCEP/NCAR 1˚ × 1˚再分析资料及新一代天气雷达资料，对2015年9月4日出现在新疆兵团阿拉尔市的一次冰雹天气过程的发生、发展机理进行分析。结果表明：1) 西西伯利亚低槽南部的分裂短波是造成此次新疆塔里木盆地西部局地冰雹天气的主要影响系统。2) 局地短时强降水的产生是在天气尺度背景和多个中小尺度系统共同作用的结果。高空短波槽的扰动与低层西南气流的相互作用促使中小尺度的生成，导致此次该区域局地强降水、冰雹的发生。3) 逆风区可以作为强降水中心区域的一个判别指标；逆风区与强回波中心有较好的对应关系。4) 雷达反射率因子强中心和反射率因子梯度最大值区域对冰雹的落区预报有很好的指示作用，当>50 dBZ的强回波中心达8~9 km，回波顶高达到10 km左右时，已形成明显的冰雹云结构。

关键词 :阿拉尔市，反射率因子，逆风区，云顶亮温

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1. 引言

新疆兵团第一师阿拉尔市位于新疆塔里木盆地西部，地处欧亚大陆腹地，属温带典型大陆性气候，光照充足、雨热同季、无霜期长、昼夜温差较大。由于独特的地域环境和热力条件，大风、沙尘暴、局地短时强降水、冰雹等气象灾害频繁发生；近年来，局地暴雨和冰雹天气呈早发、频发的态势，给阿拉尔市经济和人民生命财产造成巨大损失。作为世界上冰雹灾害最严重的国家之一，国内诸多气象学者针对冰雹发生的天气环境条件、冰雹天气的判别等领域做了研究分析，同时也对冰雹探测和预警做了深入剖析，并取得了颇多科研成果 [1] - [6]。随着全球气候逐渐变暖，新疆局地发生短时强降水、冰雹等灾害性天气呈频发重发的态势；对此，新疆许多气象学者也从不同测重点、不同角度进行了分析和研究，并得出了诸多科学结论 [7] - [12]。

2. 天气实况及资料选择

2.1. 天气实况

2015年8月28日至9月4日，新疆兵团一师阿拉尔市的各垦区断续出现了降水天气，温度下降较明显，辖区内二团、四团、五团、六团、十六团等多个团场出现大雨加雹；其中，2015年9月4日19时10分至21时02分，新疆兵团第一师四团普遍遭受了暴雨和冰雹袭击，降水量为28.8毫米，致使该团玉米、马铃薯、果树等受灾严重，冰雹持续时间约5分钟，最大冰雹直径10毫米。

2.2. 资料选择

因新疆塔里木盆地西部的高空探测资料较少，且近年来南疆西部的短时强降水天气致灾重、降水成因复杂，预报难度较大，为不断提高该区域内强对流性天气的预报准确率，本文利用区域自动气象站常规资料、探空资料、NCEP/NCAR 1˚ × 1˚再分析资料及SCRXD-01型脉冲多普勒天气雷达资料(X波段)，对2015年9月4日出现在塔里木盆地西部一次强降水、冰雹天气过程的发生、发展机理进行分析，总结该区域内冰雹天气的预报经验，以期不断提高今后辖区内强对流性天气的预报预警水平。

3. 天气形势特征

受西伯利亚低槽南部短波扰动的影响，2015年8月末至9月初，新疆兵团一师阿拉尔垦区出现了一次较长时间的降水天气。

9月3日20时500 hPa形势场上(图1(a))巴尔喀什湖以东至贝加尔湖为高压脊，发展旺盛，其位稳定且少动，这使得低值系统维持时间相对较长。9月4日20时500 hPa形势场上(图1(b))，西西伯利亚南段的低槽在巴尔喀什湖一带加强并不断分裂短波，南疆盆地西部则位于低槽底前部，槽前正涡度平流易产生上升运动；当西西伯利亚低压槽开始影响新疆西部时，极易造成该区域对流性天气的发生。区域性短时强降水是在天气尺度背景下和多个中小尺度系统共同作用的结果。

图1. (a) 2015年9月3日20时500 hpa天气图；(b) 2015年9月4日20时500 hpa天气图

500 hpa风场上(图略)，南疆西部山区处于平直的西风环流中，极大风速14 m/s；中低层700 hpa至850 hpa风场上有4 m/s的弱西南气流，阿克苏地区到巴州区域还存在弱的偏东风气流，形成弱的风切变，中低层的风切变使得水汽和动量辐合得以维持。

9月4日14时700 hpa相对湿度场上(图略)，南疆西部山区相对湿度维持在60%~70%，4日20时该区域的相对湿度增大至70%~80%，这表明中低层水汽条件较好；加之本区域内前期的持续性降水，为9月4日强对流天气的发生提供了较好的水汽条件。

4. 探空资料分析

强对流天气的发生一般需要很大的潜在不稳定能量、充足的水汽和强烈的抬升条件，此外，冰雹天气的出现还需要适宜的0℃度层高度。通过制作2015年9月4日14时、20时新疆兵团第一师四团冰雹落区(79.3E，41.3N)的斜温图(skew-T/LogP) (图2(a)~(b))，从而得出该区域对应时段的对流参数(表1)可以看出：此次冰雹天气各项稳定度参数均达到该区域强对流天气的阈值。从k、LI、CAPE、CIN等物理量的时间变化可看出：9月4日14时K值为29℃，CAPE值为454 J/kg；4日20时K值增至30℃，CAPE值则增加到1091 J/kg，表明气层处于不稳定状态，说明冰雹发生前期大气中不稳定能量不断累积，为强冰雹的发生提供了十分有利的条件。伴随着对流的发生，CAPE值迅速减小，由此可见对流不稳定能量的迅速释放导致了强对流天气的发生。随着下垫面气温降低，边界层冷暖气流交汇产生剧烈的上升运动，造成该区域上空不稳定能量快速释放，则对应的地面新疆兵团一师四团出现冰雹，随之CAPE值明显减小。

图2. (a) 2015年9月4日14时新疆兵团第一师四团的斜温图(skew-T/LogP)；(b) 2015年9月4日20时新疆兵团第一师四团的斜温图(skew-T/LogP)

表1. 2015年9月4日08时至20时新疆兵团第一师四团冰雹落区的探空物理量参数

5. 多普勒雷达资料分析

所用雷达资料来自于新疆兵团第一师八团机械大队(121˚31'E，31˚20'N，拔海高度1015米)，雷达型号安徽四创电子股份有限公司SCRXD-01型脉冲多普勒天气雷达(X波段)。

9月4日19:03仰角为1.5℃ (图3(a))，300 km距离处监测到雷达站西北面距离120~180 km，方位270℃~315℃范围内出现强对流回波，呈西南—东北走向，沿纵向排列4个明显的单体风暴，其分布较均匀，大致相距30 km。最强一个单体风暴，其云顶高度达12 km，≥50 dbz强回波中心的垂直高度上升至9 km (图3(a))。经连续监测：位于西部阿合奇、乌什山区一带的云系不断发展并向东北方向移动，将影响其移动路径上的沙井子片区一团、二团、三团、四团和六团，阿克苏和温宿、5团等区域。19:03仰角3℃ 150 km距离档的强度PPI显示图上可以看到(图略)，沙井子片区以西至四团上空回波范围长度大约130 km，宽度近50 km (图3(a))，对流回波带在继续向东北方向推进过程中，基本保持着完整清晰的前边缘和外形轮廓，回波强度变化不大。

9月4日19:21大面积的强对流回波主体进入并开始影响兵团一师四团(图3(a))，1号、7号作业点降雹，19:31，1号作业点上空强中心回波顶高上升至12 km，≥50 dbz强回波中心的垂直高度达8 km (图3(b))，雷暴闪电频繁，1号点大雨夹带软雹，四团出现短时强降水，降水量为28.8 mm。随着强对流回波主体移出四团，并继续向东北方向推进，该区域的降水天气趋于结束。

图3. (a) 2015年9月4日19:21新疆兵团第一师四团的回波强度及剖面；(b) 2015年9月4日19:48新疆兵团第一师四团的回波强度及剖面

强对流发生时，在径向速度图像上显示(图4)：一师四团区域出现逆风区，受环境风影响，逆风区在整个发展演变过程中，其移动速度较慢，且维持时间较长，对应的地现一师四团出现短时强降水、冰雹天气；由此可见，逆风区可以作为强降水中心区域的一个判别指标。与此同时，经监测发现：逆风区与强回波中心有较好的对应关系。

6. 中尺度云团特征分析

高时空分辨率的云图资料能够较好地反映强天气落区中尺度云团的演变过程。利用FY-2G卫星高分辨率云顶亮温(TBB)资料，对此次发生在新疆兵团第一师四团的冰雹天气过程进行分析，可以看出强天气时段与中尺度云团的演变有较好的对应关系。

图4. 2015年9月4日19:20 新疆兵团第一师四团1.5℃径向速度图

2015年9月4日16时(图5(a))，南疆盆地西南部有近于圆形的α中尺度对流云团，其在向东北移动过程中不断加强，中心TBB ≤ −55℃。9月4日19时(图5(b))该中尺度云团进入兵团一师西部区域，两个对流单体合并增强，TBB梯度逐渐增大，一师四团则处于该中尺度云团前沿TBB梯度大值区(图5(c))，对应着强对流的发生时段。4日21时起(图5(d))，中尺度对流云团逐渐移出兵团一师四团，该区域的降水也随之减弱并逐渐停止。

图5. 2015年9月4日FY-2E (a~d)卫星云图TBB演变(单位：℃)；(a) 9月4日16时，(b) 9月4日19时，(c) 9月4日20时，(d) 9月4日21时；

7. 小结

1) 西西伯利亚低槽南部的分裂短波是造成此次新疆塔里木盆地西部局地冰雹天气的主要影响系统。

2) 局地短时强降水的产生是在天气尺度背景和多个中小尺度系统共同作用的结果。高空短波槽的扰动与低层西南气流的的相互作用促使中小尺度的生成，导致此次该区域局地强降水、冰雹的发生。

3) 逆风区可以作为强降水中心区域的一个判别指标；逆风区与强回波中心有较好的对应关系。

4) 雷达反射率因子强中心和反射率因子梯度最大值区域对冰雹的落区预报有很好的指示作用，当>50 dBZ的强回波中心达8~9 km，回波顶高达到10 km左右时，已形成明显的冰雹云结构。

基金项目

2018年度新疆南疆重点产业创新发展支撑项目(KJ2018SF01)；新疆气象局面上项目(MS201903)共同资助。

文章引用

周大胜,谢向阳,陈艳丽,周雪英,秦 榕. 新疆塔里木盆地西部一次强对流性天气的成因分析
Analysis on the Cause of a Severe Convective Weather in the West Tarim Basin-Cn[J]. 气候变化研究快报, 2019, 08(06): 821-827. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.86090

参考文献