藏北地区午后热对流天气过程特征

2021-07-05旺堆杰布旦增卓玛平措桑旦

高原山地气象研究 2021年2期

旺堆杰布,旦增卓玛 *,平措桑旦

（1.西藏自治区那曲市气象局，那曲 852000；2.西藏高原大气环境科学研究所，拉萨 850001）

引言

我国东部地区夏季西太平洋副热带高压是影响天气气候的主要系统之一，而副高中心控制下的地区盛行下沉气流，天气以晴好为主，干燥少雨[1]。然而，许多观测事实却表明，副高控制区域常常出现由热对流引发的对流性降水，这种局地热对流的突发性强、持续时间短，这与降水的水汽来源及其供应不足有关[2]。除降水外，热对流可以发展成深对流，并造成冰雹、下击暴流等灾害性强对流天气[3-5]。所以，热对流是一种局地性强，且危害性不容忽略的局地天气现象。由于其维持时间较短，以往高时空分辨率的观测资料又相对缺乏，所以有效的研究成果较少。在国内外已有的研究成果中，主要从观测分析与数值模拟两个方面开展了一些研究，缺乏系统性的研究，且对热对流降水以主观判别为主，缺乏客观判别方法[6]。

青藏高原作为隆起的台地，通过其热力和动力作用，影响着很大范围的天气气候与环境变化[7]。那曲市地处西藏高原北部，平均海拔超过4500m，地形复杂，气候干燥、日光充足、辐射强、昼夜温差大、年平均气温在-2℃左右，属于亚寒带半干旱高原季风气候区[8]。夏季午后经常出现因热力不稳定而引起的局地热对流天气，具有时空尺度较小、易多发、预报难等特点，往往不能满足临近预报等气象服务工作的需要。已有研究[9]表明，热对流降水云团水平尺度多为30～40km，平均垂直尺度超过10km。关于热对流降水的成因，李昀英等[10]研究认为，非均匀的地表感热加热导致低层空气块能够突破环境下沉气流而上升，周围空气补充形成辐合运动，达到触发对流的作用。探空分析是预报午后对流天气最常用到的手段，其中的对流温度是非常有代表性的一个物理量。吴洪星等[11]把对流温度定义为地面加热到刚能开始发展热对流的一个临界温度，运用对流温度预报局地热对流的常用方法是，把08时探空气球的对流温度（Tg）与当天最高温度（Tmax）做比较，如果Tmax＞Tg，则预报会产生局地热对流。考虑到热对流降水的主要特征是午后发生的局地短时降水，主要原因是地面辐射受热之后，因热力不稳定引起的对流。本文拟从天气学角度对那曲市午后发生的热对流降水进行研究，以期为提升高原地区午后热对流天气的预报能力提供科学支撑。

1 资料及研究对象

所用的资料包括：MICAPS各等压面观测资料，那曲站探空观测资料及常规地面观测资料，NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析资料等。

文中以藏北地区那曲（55299）为代表站，选取了2017～2019年6～8月08时500hPa上处于高压控制或者晴空少云的天空状况下，仅在午后（13～20时）出现降水的热对流天气，从天气学、统计学角度对其发生时的环流背景及要素场特征进行系统分析。

2 特征分析

2.1 降水的统计特征

那曲站在近三年夏季期间，总计有27天出现了因热力不稳定引起的对流性天气（图1）。其中，午后降水最集中的时段是16～17时（11次），其次是15～16时（8次），再次是14～15时（7次），这段时间是地面感热加热最强时段。

图1 2017～2019年夏季那曲地区热对流天气引发降水的时次分布

2.2 要素场特征

为客观表示地面感热加热的程度，用08时的气温、地温与当日最高气温与最高地温进行比较，图2（a）和图2（b）分别是上述27次样本的08时地温（a）、气温（b）与最高地温、气温之差。可以看出，地温差最高值达到了52.9℃，最低值为25.5℃，平均值为37.3℃。气温差最高值为13.8℃，最低值为6.9℃，平均值为10.4℃。巨大的温差会导致地表向大气边界层强烈的感热输送。

图2 08时温度与当日最高温度之差（a.地温，b.气温）

从热对流降水的日最高气温来看（图略），平均的日最高气温为17.2℃，最低的日最高气温为14.2℃，平均的日最高地温为44℃，最低的日最高地温为32℃，即日最高气温（地温）至少要达到14.2℃（32℃）才有可能出现午后热对流降水。

从环境参数上来看，对流有效位能（CAPE）可以很好的表现出对流发生前的层结稳定度，不稳定能量的储存状态，直接影响着大气对流发生的频率与强度。由于高原地区特殊的热力作用，强烈的太阳辐射使近地层的大气环境在早晨与午后有着巨大差别。因此，利用14时的气象要素对探空曲线进行订正尤为必要。通过对上述27天降水过程的探空曲线进行订正后发现，发生午后热对流天气时，早晨低层都存在逆温现象且基本上不存在不稳定能量（图3），而订正后CAPE值介于800～4270J·kg-1，平均值为1522J·kg-1，CAPE值较早晨有很明显的上升，所以订正后的CAPE值至少需要达到800J·kg-1。

图3 订正后14时CAPE值

从08时的温度露点差垂直分布情况（图4）来看，27次样本的中低层温度露点差均较小，其中除1次样本外，其余均≤5℃。这说明午后有热对流发生时，早晨中低层的湿度条件很好，最厚的湿层可达到300hPa，平均湿层在460hPa以下，而高层相对较干，具有上干下湿的特性，这给午后热对流的发生发展提供了有利的环境条件。

图4 08时温度露点差垂直分布

2.3 预报方法

从物理意义上看，对流温度可以看成是发展热对流的地面临界温度，当地面温度达到对流温度后则热对流有可能发展。在运用08时对流温度预报午后热对流时，前提条件就是假设Tg没有日变化。吴洪星等[12]的研究发现，事实也基本如此，这使得Tg在局地热对流的预报中具有实际意义。因此，在日常预报中应用Tg与当日最高气温（Tmax）的差值也是很常见的一种方法，下面通过对这27次样本降水过程的Tmax-Tg阈值进行分析，讨论热对流降水发生的概率分布。

从图5可以看出，在27次样本中Tmax-Tg值均＞0，其中最高值为7.8℃，最低值为1.2℃，平均值为4℃。从Tmax-Tg与热对流发生的关系（图6）来看，当Tmax-Tg处于（1.5～3.5]℃时是热对流降水出现频率最高的区间，达到了11次，其次是处于（3.5～5.5]℃时也达到了10次。在Tmax-Tg处于（5.5～7.5]℃、（7.5～8.0]℃、（1.0～1.5]℃时，分别发生了3次、2次、1次，出现热对流降水概率明显低于平均概率。而当Tmax-Tg值＜1℃及＞8℃时，出现热对流天气的概率为0。由此可见，并非Tmax-Tg值越大，热对流降水发生的概率就越大。

图5 Tmax-Tg的阈值分布

图6 热对流发生次数与Tmax-Tg的变化关系

3 热对流降水个例的合成分析

通过选取10次对生产生活影响较严重的降水个例，利用常规观测资料、NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析资料对其进行合成分析，旨在归纳出热对流发生发展过程的环境特点。

3.1 环流背景

从06时500hPa位势高度平均场（图7a）可以看出，中高纬为两槽一脊型，副热带高压较强，西伸脊点位于110°E左右，伊朗高压强度较强，东伸至青海南部。到12时（图7b）伊朗高压强度略微有减弱且西退，那曲市位于高压边缘偏北气流控制区，结合卫星云图（图略）那曲市处于无云或少云状况。

图7 10次个例合成的500 hPa位势高度场（a.06时，b.12时）

3.2 热力条件

从10次个例的气温及地温（图略）来看，08时开始气温、地温的上升速率很快。午后较08时气温的上升幅度达到了8.4～9.3℃，地温上升幅度甚至达到了34.5～42.7℃。巨大的温差必然导致低层的空气受力上升。最高气温与对流温度的差值在1.5～5.5℃，处于热对流降水出现的高频率区间。

3.3 动力条件

强烈的地表感热加热可导致低层空气突破高压控制下的下沉气流而上升，周围空气的补充形成辐合运动。从图8a中可以发现，08时之前整层表现为负散度，08～12时空气表现为辐散，12时之后低层有弱的辐合，到13时辐合开始增强，16～17时达到了最强阶段，低层辐合的厚度也发展到近450hPa。从垂直速度（图略）来看，08～12时那曲市上空主要以下沉气流为主，从13时左右开始有上升运动，14～16时上升运动处于最强阶段，垂直方向发展到近400hPa，中心值达到-1.2Pa·s-1，17时之后上升运动逐渐减弱。

图8 10次个例合成的动力和水汽时空剖面（a.平均散度（填色部分，单位：s-1）及垂直速度（黑色等值线，单位：Pa·s-1），b.平均相对湿度（填色部分，单位：%）及水汽通量散度（黑色等值线，单位：g·m-2·s-1））

3.4 水汽条件

随着地表感热增强，低层空气的辐合上升引起周围水汽的汇聚（图8b），13时之后低层水汽有明显的汇聚并逐渐向高层发展，到16时左右，水汽汇集情况最为明显。相对湿度与水汽通量散度表现较为一致，08时之前中低层相对湿度达到了80%以上，08～14时低层湿度稍有下降，15～17时中低层相对湿度又上升至80%，水汽趋于饱和。而水汽来源究竟是前期平流输送还是地表蒸发，这两者的水汽贡献率如何，还有待进一步研究。