2019, Vol. 38
2. 中亚大气科学研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830002;
3. 新疆五家渠市气象局, 新疆 五家渠 831300;
4. 新疆气象台, 新疆 乌鲁木齐 830002
中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, MCS)(Maddox, 1980; Zipser, 1982)是夏季暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷等灾害性天气的直接影响系统(Zheng et al, 2008; Fritsch et al, 1986; Doswell et al, 1996)。20世纪80年代以来, 国外学者对美洲、西太平洋、非洲和亚洲等全球范围内的MCS进行了普查(Velasco et al, 1987; Miller et al, 1990; Laing et al, 1993; Leary et al, 1987; Augustine et al, 1991; Anderson et al, 1998), 结果表明MCS最易在大山脉的背风坡发生。另外, 有利的大尺度环流背景, 如低空辐合、中层弱短波槽和高空辐散也是产生MCS的重要因素。由于无法承载太多积水, 山区形成的MCS常引起洪水、山体滑坡(Tripoli et al, 2009), 因此引起了更多的关注。Carbone et al (2002), Jirak et al (2003)和Tucker et al (2010)认为山体对MCS的生命史和空间位置的分布影响较大。
近年来, 随着卫星和天气雷达组网技术和观测精度的不断完善, 利用观测资料对研究区MCS进行普查以及对其触发机制、环境条件和降水评估等方面工作获得了大量的研究成果(王晓芳等, 2011; Parker et al, 1925)。这也促使国内气象学者对我国MCS分布特点进行了相关研究(段旭等, 2004; 岳治国等, 2008; 梁军等, 2015; 李改琴等, 2016; 赵桂香等, 2016; 赵庆云等, 2017; 陈传雷等, 2018), 而区域主要集中在青藏高原、长江和黄河中下游、云贵高原、东北及东部沿海地区。西北地区气候较干旱, 对流活动相对较弱, 因此MCS研究相对较少(王旭等, 2012), 对天山山区的研究就更少了。
天山山脉位于欧亚大陆腹地, 东西横跨中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦四国, 由于受到极锋锋区和副热带锋区的共同影响, 该地区是新疆乃至中亚降水较集中区域。在全球变暖背景下, 天山山区近年来夏季暴雨、冰雹、短时强降水等对流性天气的出现次数呈现增多趋势而受到广泛关注(张俊兰等, 2017; 姚俊强等, 2018)。因此对该地区开展MCS普查, 分析MCS发生、发展的时空分布特点不仅能进一步认识该区域MCS分布的气候规律, 也为山区降水的临近预报提供参考。
由于天山山区地形复杂, 地面气象自动站数量较少, 无法真实反映MCS发生时的气象要素变化。天气雷达虽然是研究MCS内部结构的重要手段, 但由于地物阻挡加上雷达站网稀疏, 无法及时跟踪云系的演变。MCS时空尺度较小且常发生在傍晚和夜间, 因此对于该地区来说, 地球静止卫星是研究MCS的主要监测手段。
2 资料来源及研究区域所用卫星资料为2010-2014年夏季(6-8月)FY-2E地球静止卫星相当黑体亮温(Black Body Temperature, TBB)资料, 由国家气象卫星中心提供, 共计大约有21300时次(部分时次由于卫星自身故障而缺失), 空间分辨率为0.1°×0.1°, 时间分辨率为1 h, 数据范围为45°E-165°E, 60°S-60°N。常规观测资料为中国气象局下发的地面和探空资料。
普查区域包含新疆境内及境外的天山山脉及其南北麓狭长地区, 具体范围为70°E-95°E, 40°N-45°N(图 1), 此区域山区海拔均在1000 m以上, 其中山脉北麓水汽相对充沛, 植被覆盖茂盛, 并有松柏、云杉等高大树种分布, 南麓气候较干燥, 植被稀疏; 靠近山脉主体为浅山区, 下垫面以草地为主, 地势相对平坦。普查对象为初生、成熟和消亡过程中经过该区域的MαCS。
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图 1 研究区域地理分布 黑色方框为研究区域 Fig. 1 Geographic distribution of study area. Black box stand for study area |
为了使分析结果更加客观, 对TBB产品进行了相应的图像增强处理以突出其中的对流云团, 并根据判定依据利用计算机程序对研究区内MαCS进行追踪, 并通过人工筛选确定符合条件的样本, 进行包括形状、TBB极小值、源地、时空分布等分析。所用时间均为北京时。
3 MαCS的判定自从Maddox (1980)对北美中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex, MCC)的判定标准做了详细的说明后, 国内外学者根据不同研究区域对MCS定义进行了不断地修订, 主要包括对MCS冷云盖面积、短轴长度(陶祖钰等, 1995; 马禹等, 1997)以及椭圆率大小等(郑永光等, 2007; 费增坪等, 2005)。考虑到天山山区易受上游北方冷空气影响, 冷锋云系出现频率较高, 造成冷云盖短轴纬距较小。另外, 该区域处于干旱半干旱区, 对流强度没有北美和中国南方地区那么明显, TBBmin≤-52 ℃冷云盖很难出现或者面积很小。为了使普查结果更加全面, 本文利用TBBmin≤-32℃冷云盖面积(S)大小来追踪MαCS的发展, 持续时间不限, 具体判定方法如表 1所示。基于项续康等(1995)对南方MCS的研究, 将MCS成熟期时椭圆率E≥ 0.6定义为圆形MαCS, 0.6＞E≥0.2定义为椭圆形MαCS。
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表 1 MαCS的判定标准 Table 1 The specification standard of MαCS |
基于以上的判定得到圆形MαCS16个, 椭圆形MαCS 24个, 说明天山山区椭圆形MαCS出现频率较高。表 1和表 2分别显示了圆形MαCS和椭圆形MαCS发生的日期、形成和消亡时间、最大面积以及持续时间等特征。
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表 2 2010-2014年天山山区圆形MαCS统计表 Table 2 Statistics of circular MαCS occurrences during 2010 to 2014 |
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表 3 2010-2014年天山山区椭圆形MαCS统计表 Table 3 Statistics of oval MαCS occurrences during 2010 to 2014 |
从夏季各月MαCS出现频次分布(图 2)可以看出, MαCS在6月易出现, 在7月和8月频次基本持平。从不同形状MαCS来看, 椭圆形MαCS在夏季频繁出现, 其中6月占比较高。从天气角度来看, 6月是该地区春夏交替的过渡期, 冷暖空气活动较频繁, 对流活动旺盛, 山区出现的MαCS也达到最大值。另外, 由于高大山体的阻挡, 对流云团在靠近山区时云系被拉长, 易形成椭圆形MαCS。
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图 2 2010-2014年夏季天山地区不同类型MαCS的月际频次变化 Fig. 2 Monthly frequency variation of MαCS in different types in summer of Tianshan Mountains from 2010 to 2014 |
为了深入分析MαCS的日变化特征, 以20 : 00为日界, 将每6 h MαCS出现的累积频次进行统计, 其中20 : 00-02 : 00、02 : 00-08 : 00、08 : 00-14 : 00和14 : 00-20 : 00分别代表前半夜、后半夜、午前和午后。从各时期日分布可以看出, MαCS形成高发期在午后和后半夜, 其中17 : 00左右达到日峰值[图 3(a)]。成熟期分布规律与形成期基本相同, 但08 : 00前后相对更为集中[图 3(b)]。消亡期主要集中在前半夜的19 : 00-23 : 00, 午前次之[图 3(c)]。从日峰值出现时间可以看出MαCS三个时期依次滞后大约2 h。
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图 3 天山地区MαCS不同发展时期日分布特征 Fig. 3 Daily distribution characteristics of MαCS in each development period of Tianshan Mountains |
从MαCS不同分类来看, 圆形MαCS日频次呈现单峰型变化特征, 形成期集中于午后, 并且在16 : 00-19 : 00发展到最强, 19 : 00-23 : 00趋于结束[图 4(a)]。椭圆形MαCS日变化具有多峰型, 形成在午后和夜间, 其中最大值出现分别在07 : 00和17 : 00;成熟期相对形成期频次集中时段向后推迟了1~2 h; 消亡期日分布较均匀, 其中14 : 00和21 : 00是椭圆形MαCS发生的高峰期, 比成熟期相对滞后1 h左右[图 4(b)]。
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图 4 天水地区MαCS不同类型的时间-频次分布 Fig. 4 Time-frequency distribution of MαCS in different types of Tianshan Mountains |
从维持时间来看, MαCS出现频次随持续时间呈现快速下降趋势, 持续时间主要集中在3~6 h, 占总样本数的75 %。从不同类型看, 圆形和椭圆形MαCS维持时间主要在3~8 h, 圆形MαCS最大值出现在4~6 h, 而椭圆形MαCS出现在3~5 h。维持时间在9~13 h的椭圆形MαCS有6次, 占总样本数的25 %, 而圆形MαCS鲜有出现[图 5(a)]。从月际分布看, 6月MαCS生命史集中于3~6 h和9 h以上; 7月MCS维持时间主要为3~8 h, 但频次相对较低; 8月主要集中在4~6 h[图 5(b)]。
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图 5 天山地区MαCS维持时间的频次分布 Fig. 5 The frequency distribution of MαCS sustained time in Tianshan Mountains |
通过分析MαCS各个阶段的维持时间分布[图 5(c)]可以看出, 圆形MαCS云团发展阶段(形成到成熟, 下同)的维持时间略长于消亡阶段(成熟到消亡, 下同), 椭圆形MαCS云团发展阶段则略短于消亡阶段。
从以上分析可以看出, 天山山区MαCS不仅具有夜发性特征, 而且各时段转变较快; 该地区夏季对流生消速度快, 大部分MαCS维持时间不超过9 h。
4.2 MαCS的空间分布从初生期的空间分布来看[图 6(a)], MαCS在新疆境内分布较密集, 在境外相对较少, 且主要分布在西天山区的边缘和北部平原区, 占总样本数的30 %, 其中圆形MαCS在天山南脉的内天山区南北两侧分布较密集; 椭圆形MαCS则分布较广, 整个山区都有出现, 特别是在西天山西部、天山南脉及其以东地区分布较集中。
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图 6 天山地区MαCS不同发展时期的空间分布 Fig. 6 The spatial distribution of MαCS in different stages of Tianshan Mountains |
对于形成期, MαCS表现为在位于中央天山区两侧的克特缅山和乌孙山、伊犁河谷北部分布较集中, 另外在阿克苏地区(天山南脉以东, 下同)中西部也是MCS易形成的区域。圆形MαCS在克特缅山和乌孙山及阿克苏地区西部出现频次较高, 在巴州北部(东天山区山脉南麓浅山区, 下同)也有分布; 椭圆形MαCS分布相对集中, 主要在克特缅山、乌孙山、伊犁河谷北部和巴州北部地区[图 6(b)]。
MαCS易在伊犁河谷南北界山、西部的克特缅山和乌孙山以及巴州北部浅山区上空达到成熟。在其中圆形MαCS主要分布在在克特缅山和乌孙山、伊犁河谷南部中央天山区、伊塞克湖东部山区; 椭圆形MαCS除了以上地区, 伊塞克湖西部和巴州北部也是椭圆形MαCS成熟时期出现的主要区域[图 6(c)]。
MαCS消亡时刻大部分在山区两侧的平原发生, 具体表现为在伊犁河谷平原地区和新疆境内的北疆沿天山一带, 其中圆形MαCS集中在伊犁河谷的西部平原区, 椭圆形MαCS除了上述地区外, 还在北疆沿天山一带易出现[图 6(d)]。
从上述分析可以看出, 天山山区MαCS多生成于地势起伏不大的山边平原或浅山区, 在山脉主体上空形成直至成熟, 在山区两侧平原区消亡。另外, 从MαCS各发展阶段的分布说明其移动路径基本与山脉主体西南—东北方向一致。由于天山山脉地形复杂, 空气易产生绕流, 造成MαCS不论在山区迎风坡还是背风坡都可以形成。
4.3 MαCS的尺度、椭圆率和速度分布通过对中尺度对流云团成熟时期的冷云盖长轴尺度进行分析发现, 天山山区夏季MαCS对流云团的长轴尺度集中于500~800 km, 其中圆形MαCS云团长轴在500~600 km分布较多, 随着长轴尺度的增加, 个数依次减小; 椭圆形MαCS云团长轴集中在600~800 km, 较圆形MαCS长度略有增加, 长轴大于900 km的椭圆形MαCS个数占比较少[图 7(a)]。
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图 7 天山地区MαCS的长轴长度(a)、云顶最大面积(b)、椭圆率(c)及云团平均速度(d)分布 Fig. 7 The scale distribution length of long axis (a), the maximum area of cloud cover (b), eccentricity (c) and average velocity of cloud cluster (d) of MαCS in Tianshan Mountains |
从不同类型MαCS成熟期时TBB≤-32 ℃冷云盖最大面积分布[图 7(b)]可以看出, 随着云顶面积的增大, MCS个数逐渐减少。椭圆形MαCS云顶面积分布区间较广, 圆形MαCS在1×105~2.5×105 km2较集中。从椭圆率的分布来看, 圆形MαCS主要在0.6~0.7分布, 椭圆形MαCS在0.3~0.4最普遍。这说明在天山山区MαCS的椭圆率主要在标准值(见表 1)小值区占比较多[图 7(c)]。从云团平均移动速度来看, 圆形MαCS云团发展阶段较消亡阶段移动较慢, 前者只有后者的1/3, 而椭圆形MαCS则并不相同, 其云团在两个阶段速度基本一致, 且和圆形MαCS发展阶段的平均速度持平[图 7(d)]。
从以上论述来看, 天山山区MαCS在长轴长度都成单峰分布, 云顶面积较小的MαCS所占比例越高, 大部分准圆形云团在山区主脉逐渐向椭圆转变。圆形MαCS发展时缓慢移动, 一旦成熟, 移速加快, 冷云盖面积变小, 直至消亡; 椭圆形MαCS自始至终移速缓慢。
4.4 MαCS云团TBB最小值和梯度分布云区TBB值越低, 表明云顶越高, 对流越旺盛(张婷, 2009), 因此根据TBB值可以分析和推断云团发展的强度。图 8(a)显示了不同类型MαCS的TBBmin分布情况, 可以看出圆形和椭圆形MαCS云团均呈现单峰型且近似正态分布, 即在-55~-46 ℃之间个数最多, 这说明虽然山脉对气团具有抬升作用, 但由于水汽输送相对较难, 因此云顶高度相对较低, 对流活动较弱。
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图 8 天山地区MαCS云团TBB最小值(a)和平均梯度(b)分布特征 Fig. 8 The distribution characteristic of cloud cluster TBB minimum value (a) and average TBB gradient (b) of MαCS in Tianshan Mountains |
对流云团TBB等值线梯度特征可以表示云团的边界, 判断云团的发展情况, 通常在整齐清晰的云团边界处, 产生的降水强度越强。因此, 对TBB等值线梯度的分析是判断MαCS强度的一个重要依据。对MCS的所有样本的TBB平均梯度进行统计, 并采用“四舍五入”的方法, 分析结果如图 8(b), 可以看出圆形和椭圆形MαCS分别在0.46~0.5 ℃·km-1和0.26~0.30 ℃·km-1分布最为集中。
从以上分析可以看出, 天山山区对流云顶TBBmin比中国东南和西南地区高10 ℃左右(段旭等, 2004; 徐玥, 2014), 圆形MαCS云团TBB等值线平均梯度集中区间值较椭圆形MαCS高, 云团平均梯度(0.36 ℃·km-1)也比椭圆形MαCS(0.33 ℃·km-1)略高, 这说明圆形MαCS云团在发展过程中强度相对较强。
5 MCS个例分析为了能全面了解天山山区MCS对流云团的发展过程, 选择一次典型个例分析其云团演变特征和环境条件。
5.1 MαCS的云图特征图 9显示了2012年6月4日发生在新疆境内东南天山区的一次圆形MαCS云团演变, 阿克苏东部A、B两个云团在16 : 00迅速向东北方向移动并与巴音郭楞蒙古自治州(下称巴州)北部的对流云团C合并[图 9(a)], 形成面积较大的冷云盖D, 并出现多个TBB≤-52 ℃的深对流区(图中数字表示, 下同)[图 9(b)]; 到18 : 00云团面积不断增大, 圆形MαCS达到成熟期[图 9(c)], TBBmin达到-55 ℃, 椭圆率达到最大值0.66; 23 : 00圆形MαCS逐渐消亡[图 9(d)]。
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图 9 2012年6月4日新疆东南天山区的一次圆形MαCS云团发展演变过程 图中数字表示深对流区 Fig. 9 The evolution of a circular MαCS in the southeastern Tianshan Mountains of Xinjiang on 4 June 2012. The number represents deep convective zone in the figure |
MαCS的发生、发展与其环流背景、所处的大气层结和水汽条件等环境条件有密切关系。利用EC-Interim 0.5°×0.5°再分析资料对此次MαCS的环境背景进行分析。环流形势显示4日14 : 00的500 hPa高度场上为稳定的“两涡一脊”环流配置, 即东欧低涡、蒙古低涡和西西伯利亚高压脊, 天山山区大部区域受蒙古切断低涡后部的长波槽影响。(图略); 20 : 00东欧低涡东移增强而蒙古低涡移速缓慢, 造成高压脊东移北伸, 新疆仍处于低槽内, 南疆中部出现西南—西北的气旋性风场辐合。200 hPa副热带急流于14 : 00-20 : 00在南疆中部地区增强, 最大风速增加到48 m·s-1, 巴州北部地区处于急流出口区的左前方, 气流强烈辐散[图 10(a)]。
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图 10 新疆天山地区2012年6月4日08 : 00大气环流500 hPa高度场(等值线, 单位: dagpm)、风场(风羽, 单位: m·s-1)及200 hPa急流区(阴影区, 单位: m·s-1; 黑色实线为槽线; D为低压中心)(a)、20 : 00 700 hPa水汽通量(矢量, 单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)和水汽通量散度场(阴影, 单位: ×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)(b)、库尔勒站垂直速度(等值线, 单位: Pa·s-1)和假相当位温(阴影区, 单位: K)时间—高度剖面(c)及4日14 : 00的对流有效位能(阴影区, 单位: J·kg-1), K指数(实线, 单位: ℃)和700 hPa比湿(虚线, 单位: g·kg-1)分布(d) Fig. 10 The atmospheric circulation configuration of 500 hPa geopotential height field (contour, unit: dagpm), wind field (barb, unit: m·s-1), 200 hPa jet region (the shaded, unit: m·s-1. the black solid line is trough line; D represents low pressure center) at 08 : 00 (a), the 700 hPa water vapor flux (vector, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1) and water vapor flux divergence (the shaded, unit: ×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1) at 20 : 00 (b), the height-time section of vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) and pseudo-equivalent temperature (the shaded, unit: K) at kurle station (c) and the CAPE (the shaded, unit: J·kg-1), K index (solid line, unit: ℃) and specific humidity on 700 hPa (dash line, unit: g·kg-1) at 14 : 00 on 4 June 2012. |
从水汽条件来看, 此次天气过程水汽主要来源于短波槽前部的西南气流和脊前西北气流, 而且西北方向的水汽携带所占比重较大。两股水汽在研究区上空汇合。水汽通量场表现为14 : 00巴州北部出现水汽通量散度辐合中心, 20 : 00辐合区面积逐渐增大, 中心强度增强到-5×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1, 这对于局地强对流的产生极为有利[图 10(b)]。
从新疆库尔勒站(86.13°E, 41.75°N, 海拔932.9 m)垂直速度随时间变化可以看出, 4日02 : 00近地面上升运动不断加强, 08 : 00负速度区扩展到600 hPa, 14 : 00-20 : 00中心速度值达到-0.4 Pa·s-1, 20 : 00以后以弱辐散下沉运动为主, MCS逐渐消亡。底层假相当位温θse 14 : 00前后相应逐渐增大, 出现明显的能量舌, θse梯度达到最大, 为局地MCS触发提供了较好的热力条件[图 10(c)]。
从该区域的对流有效位能CAPE和K指数变化趋势看, 从3日14 : 00开始CAPE值和K指数逐渐增大且大值区域逐渐北移, 至4日14 : 00库尔勒周边区域CAPE最大值超过450 J·kg-1, K指数在34~38 ℃, 说明大气处于不稳定层结, 圆形MαCS冷云盖面积和强度逐渐达到最大值。从湿度条件看, 4日02 : 00-14 : 00巴州北部地区700 hPa比湿维持6~8 g·kg-1, 表明大气低层湿度较大, 为短时强降水的发生提供了较好的水汽条件[图 10(d)]。
从以上实例可以看出, MαCS的形成主要是通过大面积层云带中多个独立的β中尺度对流云团合并形成。MαCS主要出现在地形起伏较大的山区或丘陵地带且移速较慢并在地势相对平坦的平原上空形成, 高大山体使MαCS云团的发展得以持续。从环境背景看, 此次MαCS形成于低槽内部的风场辐合区, 多通道水汽输送和水汽辐合造成巴州北部底层比湿增大, 垂直上升运动明显增大造成大气长时间处于不稳定层结, 对流有效位能聚集, 底层能量舌的形成和释放, 促使了MCS云系发展加强。此外, 天山南坡阻挡了云系向北发展, 云团椭圆率不断增大, 形成圆形MαCS。
6 结论和讨论利用2010-2014年夏季FY-2E TBB资料, 对天山山区及其南北麓狭长地区范围内的MαCS进行普查, 并通过典型个例分别对圆形和椭圆形MαCS的云系发展特点和触发的环境条件进行了探讨, 得出如下几点结论:
(1) 从月变化特征看, 6月为天山山区及其邻近地区MαCS出现的高发期, 其中椭圆形MαCS占多数。从日变化特征看, MαCS易形成和发展于午后和后半夜, 消亡集中在前半夜, MαCS三个发展时期易频发时间依次滞后大约2 h, 圆形和椭圆形MαCS日频次分布分别呈现单峰型和多峰型变化特征。MαCS生命史主要集中在3~6 h, 其中6月分布较广, 7-8月较集中; 大部分椭圆形MαCS较圆形MαCS生命史长, 消亡阶段维持也较长, 而圆形MαCS在形成阶段维持时间较长。
(2) MαCS多生成于在西(内)天山的山边平原或浅山区, 并在中央、东南和东北天山区主脉上空形成直至成熟, 在伊犁河谷和天山山脉以东地区两侧的平原区消亡。MαCS成熟期冷云盖长轴长度在500~800 km最为集中; 云顶面积随MαCS出现频次增加而减小。圆形MαCS发展时移动缓慢, 成熟后移速加快, 椭圆形MαCS自始至终移速缓慢。MαCS的TBBmin呈现单峰型且近似正态分布, 圆形较椭圆形MαCS的TBB平均梯度大。
(3) 天山山区MαCS的形成主要是通过大面积层云带中多个独立的β中尺度对流云团合并形成。MαCS易发生在高层急流带的抽吸区以及中层低槽前部的辐合上升区, 中低层西南和西北气流携带的充沛水汽在大气不稳定层结、不稳定能量持续聚集的背景下辐合上升, 促使MαCS不断发展。
本文统计结果主要基于FY-2E静止卫星TBB资料, 主要是考虑到卫星观测平台的一致性。但由于时间序列较短, 得出的MαCS时空分布仍还有一定的局限性, 因此下一步将开展多星相互校准工作, 使数据样本数相应增加, 分析得出的结论更具有通用性。文中不同形状的MαCS的判定标准与国际MCS标准有所不同, 主要是考虑了研究区的实际情况, 使分析结果更具代表性。另外, 本文研究对象主要为MαCS, 对MβCS还未涉及, 未来将继续开展此项研究。
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2. Center of Central Asia Atmospheric Science Research, Urumqi 830002, Xinjiang, China;
3. Wujiaqu Meteorological Bureau, Wujiaqu 831300, Xinjiang, China;
4. Xinjiang Meteorological Observatory, Urumqi 830002, Xinjiang, China