巴彦淖尔市一次强降水过程卫星水汽图像上干湿特征分析

2015-04-05孙令东

中低纬山地气象 2015年4期

关键词：涡度对流层巴彦淖尔

孙令东

(内蒙古巴彦淖尔市气象局，内蒙古临河 015000)

巴彦淖尔市一次强降水过程卫星水汽图像上干湿特征分析

孙令东

(内蒙古巴彦淖尔市气象局，内蒙古临河 015000)

运用Micaps常规气象资料，从FY2E卫星水汽图像干湿特征等方面对2014年4月14—17日发生在内蒙古巴彦淖尔市一次强降水过程进行诊断分析。结果表明：①此次降水过程中，水汽带内有一条θse脊轴，其形状和范围与水汽带基本一致，水汽带所在的区域是一个深厚的湿区，低层有高θse脊轴维持，说明来自低纬的暖湿气流出现在水汽带下方，有利于大气层结不稳定出现，由于对流层中高层的干侵入存在，水汽带内部的θse比外部高5～10℃。②此次降水过程中水汽带范围内具有较明显的垂直上升运动，水汽带位置与200 hPa正散度、负涡度区和垂直速度上升运动区有较好的对应关系，西侧边界与对流层上层的负涡度带近于平行，暗区的位置出现了很强的正涡度带。

水汽图像；干湿特征；水汽带；强降水

1 引言

卫星云图是气象卫星最早进行的观测项目之一，卫星图像(可见光、红外云图和水汽图像)为天气预报提供云参数、大气流场和各种大气物理过程等重要气象信息可以直观清晰地展示出大气中发生的动力和热力过程，而这些过程恰恰是天气现象产生的原因所在。自从卫星云图出现以来，对卫星云图的解释和使用，便成为天气预报工作不可分割组成部分[1]。由于大气具有三度空间结构，预报人员不但关注对流层中低层的天气系统，同时不要忽略对流层中高层的系统。由于水汽图像能够有效地反应出对流层中上部的天气系统。水汽图像表现重要特征是干区、湿区和干湿边界。图像上暗灰色到近黑色的区域一般是干区，中等灰度到白亮色调的区域一般是湿区，干、湿区和天气尺度的下沉和上升运动区域相对应。水汽图像上的干湿边界变化，对天气系统的发展有明显的指示意义[2]。近年来，诸多气象科技工作者，从暴雨的形成机理到监测预测等理论方法，对不同地域的暴雨产生进行了深入探讨，得到了许多有价值的成果，诸如陶诗言[3]系统总结了中国暴雨发生、发展的天气尺度和中尺度特征；丁一汇[4]对暴雨和中尺度气象学进展进行了系统评述；侯瑞钦等[5]对“98·7”特大暴雨过程相关的700 hPa切变线低涡进行了螺旋度诊断分析。但是从卫星水汽图像表现特征方面对降水过程分析较少。由于巴彦淖尔市地处内陆深处的内蒙古高原，观测资料的时间和空间密度低，卫星资料的应用对当地天气预报尤为重要。

本文利用Micaps常规气象观测资料和FY2E卫星资料，从卫星水汽图像干湿特征角度，结合天气动力学、气象卫星学等分析方法，对2014年4月14—17日发生在巴彦淖尔市强降水天气过程进行分析，寻找水汽图像上干湿特征变化规律，提高预报人员对卫星水汽图像在强降水天气分析和预报中的应用水平。

2 气候概况及降水实况

巴彦淖尔市地处内陆深处的内蒙古高原[6]，全年降水量的分布自西北向东南逐渐增加，由西北部不到80 mm增大到东南部260 mm，其相差近180 mm，西部地区的海力素、乌后旗、前达门、杭后旗、磴口、临河全年降水量仅为127～146 mm；东部的乌兰、乌中旗、乌前旗、大佘太为全市降水量相对较多的地区，雨量在186～225 mm；与降水量形成鲜明对比的是巴彦淖尔市的蒸发量，阴山南部为1 992～2 351 mm，北部为2 435～3 305 mm，蒸发量与降水量的比值分布为：大佘太最小为9.6倍，河套地区居中为11.1～17.0倍，后山最大为12.2～26.1倍。全市春季(3—5月)降水量分布在15.1～24.4 mm之间，降水量在地域上由西北向东南递增。1971—2000年30 a中，全市平均降水量≤10 mm的年份共有8 a，依次为1971、1974、1978、1986、1989、1993、1995、2000年，占26.7%；降水量≥25 mm的年份为6 a，分别是1985、1988、1990、1991、1992、1998年，占20%。小于全市平均值的年份多达20 a，占66.7%，可见春雨少、干旱重是巴彦淖尔市春季降水的最大特点。2014年4月14日夜间—16日夜间巴彦淖尔市大部普降小—中雨(图1)，巴彦淖尔市127个雨情站中，3个站>20 mm，84个站>10 mm。最大降水量出现在杭锦后旗的沙海新胜达27.2 mm。此次降水过程发生在4月份，在当地该过程累计降水量级达到强降水标准。

3 对流层上部环流形势

图1 2014年4月15日08时—4月17日08时巴彦淖尔市降水分布(单位：mm)

大量研究表明[7-10]，暴雨、强对流等天气与对流层上部的环流密切相关。由2014年4月15日20时FY2E气象卫星水汽图像与300 hPa位势高度场和风场叠加(图2a)可见：欧亚大陆中高纬呈西低东高型，庞大的低涡从巴尔喀什湖东部一直延伸至新疆南部，蒙古国到河套地区为高脊区，巴彦淖尔市受该高压脊控制，脊线呈西北东南向，受低涡底部分裂高空槽东移影响，上游河西走廊、阿拉善盟西为一致的西南气流，由于槽前强辐散区，卫星云图上表现为比较均匀的大片湿区。随着高空槽缓慢东移，到16日08时(图2b)巴彦淖尔市受高空槽前大片云系控制，该云系呈片状南北向分布，色白而亮。由于巴彦淖尔市上空有明显的辐散气流，有利于低层辐合，产生强烈的上升运动，造成强降水。蒙古国到阿拉善盟是一弧状暗边界，表明北方有冷空气南下。从以上分析来看，水汽图像上的干湿特征明显。

图2 15日20时(a)和16日08时(b)FY2E气象卫星水汽图像与云导风叠加图(等值线为300 hPa位势高度场，单位：gpm)

4 水汽图像的干、湿特征分析

4.1 湿区特征

由2014年4月14—16日水汽图像连续演变得知：沿蒙古国到河套地区维持一条近于南北向分布的水汽带，水汽带上的亮度非均匀分布，云体西部边界清晰，东部边界有丝缕状卷云羽分布，表明水汽带上空辐散强烈，水汽带的西南侧有动力干点[11-12]，动力干点灰度逐渐加深，并自西南向东北方向移动，形状也从条形演变狭长带状，说明此次降水过程有干侵入。

能量锋区通常以θse的密集带来表示[11-13]，由于大气层结位势不稳定用θse的垂直分布表示，所以通过寻找低空θse脊轴可以断定大气层结明显不稳定区域，分析θse和水汽带的关系可以确定有利于中尺度对流系统(MCS)形成和发展的环境条件。降水过程中(4月16日08时)，水汽图像与850 hPa假相当位温的叠加(图3a)看出，θse的密集带位于蒙古国南部到阿拉善盟东南部一带，说明此处正是北方干(冷)空气与南方湿(暖)空气交汇处。此次降水过程中，水汽带的范围、形状基本与850 hPa的脊轴近于平行，说明这条水汽带是一条暖湿输送带[10-13]。水汽带的西部边界与θse强梯度带近于平行。

综合以上分析，在此次降水过程中，水汽带内有一条θse脊轴，其形状和范围与水汽带基本一致，表明水汽带所在的区域是一个深厚的湿区[12-14]。低层θse脊轴的维持表明来自低纬的暖湿气流出现在水汽带下方，有利于大气层结不稳定出现；此次降水过程中，由于对流层中高层的干侵入存在，水汽带内部的θse比外部高5～10℃。

图3 16日08时水汽图像与850 hPa假相当位温(a)(单位：℃)和700 hPa垂直速度(b)(单位：hPa·s-1)的叠加

水汽是大气运动的示踪物[8-13]，水汽图像能较好的反映其所在层的大气环流和垂直运动，因此可以通过垂直运动、涡度和散度来分析水汽带的动力特征[9-14]。由4月16日08时水汽图像与700 hPa垂直速度叠加(图3b)可知，此次降水过程中水汽带范围内具有较明显的垂直上升运动，并且云带的位置与垂直速度上升运动区有较好的对应关系。

图4 4月16日08时水汽图像与200 hPa散度(a)(单位：10-5 s-1)及涡度(b)(单位：10-5s-1)叠加图

由4月16日08时200 hPa散度和涡度与水汽图像的叠加(图4)可知，水汽带与正散度、负涡度区相对应，水汽带的西侧边界与对流层上层的负涡度带近于平行，暗区内出现了很强的正涡度带。200 hPa散度和涡度及700 hPa垂直速度的分布表明，水汽带所在区域有大尺度上升运动。

4.2 干区特征

众多研究表明，干侵入活动对降水具有明显的影响，它在水汽图像上表现为中等到近黑色灰度，而水汽图像是监测干侵入的有效工具[10-15]，由16日08时300 hPa相对湿度≤50%(代表干冷空气的活动)、正涡度和风场的叠加(图5)看出，干区内盛行西南气流，受其影响，干区向东北方向侵入，干区的位置与300 hPa的正涡度带近于重合。高层的正涡度中心则表明暗区高层有强的辐合下沉，并且正涡度中心由高层向低层输送(图略)。而随着暗区的减弱消失，降水趋于结束，这可能与干侵入带来的下曳气流中断有关[10-17]。由此可见，适度的干侵入对降水的产生十分有利。