干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 新疆暴雨成因研究

Arid

	新疆暴雨成因研究
	杨莲梅; 杨青; 赵勇; 赵玲; 王敏仲
完成单位	中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所
登记(发布)日期	2013
中文摘要	1、研究背景 2007年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)公布的最新评估报告表明,过去50年中,极端天气事件特别是强降水、高温热浪等极端事件呈现不断增多增强的趋势,预计今后这种极端事件的出现将更加频繁。近20年新疆夏季降水出现增多的趋势,是由强降水频次增多造成的,如2007年乌鲁木齐年降水量突破50年极值,也是由于强降水频次增加导致的,新疆仅7月就出现了3次大范围的强降水,造成了巨大损失。新疆地处我国西北部,属典型的大陆性干旱气候,降水不受季风的直接影响,降水形成机理与季风区降水有很大差异,而目前国家、行业一系列项目对中国东部季风区暴雨形成机理和预报预警技术进行了大量的研究,取得了丰硕成果,对提高预报准确率起到了重要作用,而对干旱区暴雨研究却相对薄弱,致使新疆干旱区强降水预报水平提高缓慢。新疆降水时空分布不均匀,降水主要集中在5—8月,区域性强降水每年均有发生,造成的损失巨大,由此引发山区洪水、泥石流、山体滑坡,冲毁公路、铁路,阻断交通,给国民经济建设和人民财产造成巨大损失。2007年表现尤为突出,2007年5月8-9日新疆出现一次强降水天气过程,部分地区出现暴雨,乌鲁木齐降水量突破历年同期(5月)一日最大降水极值。2007年7月8－10日、16－18日、27－19日连续三次出现大范围强降水天气过程,其中在7月16-18日的强降水过程中,全疆六站日降水量突破历史极值,四站日降水量居历史第二位,和布克塞尔县出现罕见短时强降水,2小时雨量超过60 mm。据统计仅在2007年7月三次强降水天气所引发的山洪暴发,泥石流、山体滑坡等地质灾害中,受灾人口达16万人,农作物受灾面积达5万多公顷,直接经济损失达2.6×104亿元,对人民财产和国民经济造成巨大损失。新疆地处中纬西风带,夏季强降水受高、中、低纬系统的共同作用。观测资料的时、空分辨率较低一直是制约我们深入认识强降水发生、发展过程的瓶颈,制约了新疆强降水预报预警水平的提高。目前,随着探测系统的不断完善,风云二号气象卫星提供汛期(5月23日至8月22日)每十五分钟,非汛期每半个小时四个通道的图像资料,新疆已建成了106个自动气象站提供1小时一次的观测资料,乌鲁木齐沙漠气象研究所拥有系留探空系统、3部移动气象站和温度水汽廓线微波辐射仪,还有4个GPS水汽观测站提供每半小时一次观测,欧洲中心、美国、日本、中国均提供了高时空分辨率的客观分析和预报资料,观测资料日益丰富,同时大气科学理论有了长足的发展为我们深入研究干旱区强降水形成机理和预报技术提供了坚实基础和条件。新疆为典型的干旱区,强降水形成机理与季风区有很大差异,而我们对干旱区强降水形成机理的认识还很不够,强降水预报预警水平迫切需要提高。面对全球变暖,新疆强降水事件频发,且呈增加趋势,造成的损失日益加剧,加强对干旱区强降水形成机理和预测预警技术的研究已刻不容缓。由于暴雨造成的巨大损失,一直是研究的重点和难点,它的难点是暴雨的“突发”及其“转折”的关键时机难于捕捉。为此,1999年在国家科技部的支持下,由多个单位联合,组织了国内近80多名暴雨研究领域中的精英,实施了我国有史以来最大的暴雨研究计划—国家重点基础研究计划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”,初步了解梅雨锋中尺度暴雨系统及其大尺度环流异常背景的物理模型,提出一套探测中尺度系统的大气遥感理论和方法以及形成有应用前景的科研成果和遥感产品,提高了中尺度暴雨的监测能力,研发了有变分同化系统、有自主知识产权的中尺度暴雨数值预报模式系统。在此基础上,又实施了国家973项目“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”研究期限为5年(2004年10月-2009年10月),重点解决的科学问题是空间尺度几十至上百公里(中β尺度)的强对流系统(即暴雨云团)的三维结构与形成机理,有效监测和预测引发暴雨的强对流系统的理论和方法。围绕这一科学问题,开展三方面的研究工作：1)中尺度暴雨观测系统的研究与试验,包括如何通过多种定量遥感手段能有效地获取中尺度的气象信息资料,如何融合多种探测手段获取的资料,形成研究与模式预报所需要的中尺度气象再分析场;2)研究引发暴雨的中β尺度强对流系统形成机理与影响其发生发展的多种时空尺度的动力、物理过程以及大尺度气候背景;3)研究建立中尺度暴雨的短期、临近预报与预警系统的理论和方法。这些研究均针对我国东部季风区,取得了丰硕的成果,但新疆不受季风的直接影响,暴雨形成机理与季风区有很大差异,已有的成果提供了坚实的基础。 2、主要研究成果 (1)新疆暴雨气候特征基于1961－2007年新疆北部104站逐日降水资料,分析了天山山区、天山北麓、伊犁河谷和北疆北部汛期降水集中度和集中期的气候特征。采用百分位的方法定义极端降水事件的阈值,分析了北疆地区极端降水事件的区域性和持续性特征。分析了新疆北部汛期小雨、中雨和大雨的降水日数和降水强度的变化特征。新疆北部汛期降水的变化特征分析：新疆北部汛期小雨、中雨和大雨的降水日数和降水强度均呈增加和增强的趋势,大雨日数和强度的变化是显著的,尤其在2000年以后。湿时期(1987-2007)相对干时期(1961-1986),新疆北部汛期的总降水量均是增多的,北疆西北部降水量的增多主要是由于小雨和中雨的增加导致,而天山山区及其北麓,伊犁河谷地区降水量的增多是由大雨增加主导。极端干旱事件呈减少趋势,尤其在近10a,处在低发期,极端湿润事件呈增多趋势。春夏秋冬四季,大范围发生极端降水事件的区域分别位于北疆的东北部地区、北部地区、东北部地区和西北部地区以及东南地区。春夏秋冬四季,持续性发生较强的极端降水事件的频数大值中心分别集中在伊犁河谷、中东天山地区、北疆西南部和北疆盆地。持续一天的极端降水对总降水贡献,四季分布均匀,夏季略高。差异主要表现为由春季到冬季,大值中心呈现出从北疆的东天山地区向中天山和盆地地区移动的趋势。持续两天的极端降水对总降水贡献四季之间差异较显著：夏、冬季的较大,而春、秋季的则较小。各类持续性极端降水平均强度表明,北疆地区的强降水灾害多数是由持续时间较长的极端降水事件所造成的。四季北疆地区区域平均的持续性极端降水均为显著的线性上升趋势。新疆北部地区春夏季干旱的区域性和持续性特征分析：新疆北部春、夏季干旱发生较为频繁,尤其在北疆西北部地区,春旱平均3a一遇,夏旱为4-5年一遇。季节间的连旱概率较低,不足10﹪,主要以月际间的连旱为主,其中2个月的持续干旱次数占干旱总次数的20﹪左右。进一步的分析表明,春夏之交的5-6月,是2个月连续干旱发生次数相对最频繁的时期,北疆西北部地区此类连续干旱事件最多。伊犁河谷、北天山地区和北疆北部,春旱较夏旱频繁,春旱以北疆北部发生最多;夏旱3个区域发生频次相似,但北天山地区大旱发生频数较高。3个区域的春、夏季干旱程度均成减弱趋势,春旱在20世纪90年代中后期、夏旱在80年代中后期处在一个较低的发生期。 (2)新疆暴雨成因 ① 风廓线雷达在新疆暴雨中的应用及其预报指标于2010年7月20日～8月10日在新疆阿克苏地区开展了风廓线雷达探测暴雨的大气科学试验,分析了阿克苏“7·28”暴雨近地面气象要素演变、三维风随高度的分布、风廓线雷达回波强度、云体中含水量大小。(1)暴雨发生前,地面风向存在随时间的切变,暴雨开始后近地面主要受西风、西北风控制,风速和相对湿度迅速增大,温度降低,地面气压呈现“先降后升”的变化趋势。(2)风廓线雷达对于降水天气具有非常高的探测灵敏度,此次暴雨过程,高低空大气风场差异显著,温度平流变化剧烈。(3)垂直速度、SNR、谱宽时间～高度变化与暴雨过程的开始和结束、降水粒子形成的高度分布均有较好的对应关系。(4)暴雨过程雨滴主要形成于3000～3500米高度内,回波强度约在3～30dBZ范围变化。降水云体中含水量较大,最大值集中在3300m高度左右降雨时段内,约为190×10-3g/m3(反演结果需要验证)。 ② GPS水汽资料在新疆暴雨中的应用和预报指标分析了乌鲁木齐10次暴雨过程GPS水汽特征,暴雨发生GPS水汽变化幅度与降水发生和结束的对应关系,给出了GPS水汽预报阈值。乌鲁木齐地区出现强降水时都会发生一个PWV显著持续增强过程,该过程较长约为1—3 d,随着影响系统不同,水汽的增长时间有所差异,持续性大暴雨过程的水汽累积过程能长达3天,干旱区降水的水汽积累很重要和显著,大雨以上过程时会出现1—2次跃变过程,且降水开始前10h之内出现PWV在3—5h内增长7 mm以上的急升,降水往往随即出现在水汽总量的急速增加过程之后,且降水多发生在PWV最大值前后1—2小时,随着降水持续PWV维持在较高范围,降水时的最大PWV能达到各月气候平均值的2倍左右,由于5—8月PWV气候值有较大差异,5月强降水时最大PWV约为25—29 mm,当其下降到18—20 mm时降水结束,6月强降水时最大PWV约为35 mm左右,当其下降到30 mm时大雨结束,7、8月强降水时最大PWV分别约为35—42 mm和33—35 mm,当其下降到30 mm以下时降水结束,虽然PWV是一个变化量很小的量,但干旱区强降水时PWV却变化很剧烈,表明水汽出现一个由干到湿的增长过程显著,由于干旱区水汽缺乏,这种水汽显著增加过程为降水的发生提供了一个清晰的前期信号。 ③ 地基微波辐射计温、湿资料在新疆暴雨中的应用和预报指标通过对乌鲁木齐2010年微波辐射计与探空逐日探测温度、相对湿度、水汽密度和可降水量分析,初步得到以下结论：(1) 两者测量的温度及其随高度的变化趋势非常一致,且四季差异不大,微波辐射计测量温度比探空系统偏小,5500m以下春季、夏季微波辐射计的测量值平均比探空小0.4℃,秋季和冬季平均小0.8℃和0.9℃,6000m以上,春季、夏季、秋季和冬季微波辐射计测量值平均比探空小1.8℃、1.0℃、2.0℃和1.3℃,误差产生的原因可能与探空气球的漂移、反演算法误差等有关。(2) 微波辐射计测量水汽密度和相对湿度能很好地反映水汽随高度变化特征,且存在系统性偏大现象,水汽密度在2000m以下偏差相对较大,相对湿度在1000—2500 m偏差较大,春、冬季最大偏差达30%左右,夏、秋季最大偏差达20%左右。两种方法得到的PWV不同季节均有较好相关性,春季、夏季、秋季和冬季PWV平均偏差分别为2.6mm、4.9mm 2.9mm和1.1mm。 (3) 降水发生时微波辐射计反演的温湿度及其随高度变化趋势与探空一致,其中温度和2000m以上水汽密度受天气影响不明显,反演的温度、WVD、PWV和LWC能较好地反映降水天气发生和结束过程中热力和水汽参数的时空分布和剧烈变化特征。 ④ 不同类型暴雨天气动热力、水汽输送特征、环流系统相互配置和模型分析了三次暴雨过程水汽输送源地、路径、收支特征,给出了水汽输送的三维结构,揭示了一些新事实。分析了三次暴雨过程高、中、低纬和不同层次环流系统的三维配置,给出了环流配置物理模型,在已有认识基础上有所进步：雨型1(暴雨位于天山山区及其两侧)存在西风气流、河西走廊至新疆的低空偏东急流(LLEJ)和青藏高原向北气流三支水汽输送路径,西方路径水汽输送量最大,这3支水汽输送在天山山区及其北麓强辐合引发暴雨,这是由700 hPa贝加尔湖脊发展、对流层中亚低涡(MAV)强烈发展快速东移和500 hPa新疆脊逐渐东移配置所造成的; 雨型2(暴雨位于新疆东部地区)水汽输送为西方、东方、南方和北方路径,四支水汽在东—西和南—北向强辐合引发暴雨,这种异常的水汽输送是由700 hPa柴达木高压发展、500 hPa乌拉尔脊东北向发展、中亚低涡东南移动和新疆脊配置所致; 雨型3(暴雨位于北疆地区)主要为西风气流和贝加尔湖至新疆的LLEJ输送水汽,东、西方水汽在天山以北区域发生强辐合造成暴雨,偏东水汽输送来自于贝加尔湖、孟加拉湾、南海和热带西太平洋,其水汽输送量大于西方路径,这种异常水汽输送是由MAV的东移、西太平洋副热带高压(WPSH)北伸与贝加尔湖脊叠加且贝加尔湖脊西伸配置所造成的。暴雨区上空螺旋度的垂直分布特征是在对流层下层为正值区( 对应气旋式涡度区) , 在对流层上层为负值区( 对应反气旋式涡度区) , 这种垂直结构对形成像暴雨这样的中尺度天气系统而言,构成了低空强辐合、高空强辐散的深厚上升运动区,是十分有利于暴雨发展的一种形式,。在暴雨区上空700 hPa以下, 有两个θse 的大值区,其等值线向上凸,表现为两个高能舌,在这两个等值线的大值区＞0数值最大,为强的对流不稳定区,在暴雨区上空600 hPa以上都＜0,几乎都是对流稳定层,分析表明,暴雨发生时,暴雨区上空中低层大气处于强的对流不稳定状态,十分有利于暴雨的产生,暴雨发生后,不稳定能量得到了释放,不稳定度明显减小,大气层结逐渐趋于稳定。 ⑤ 多源卫星资料在暴雨预报预警中应用云在大气中的时空分布、云系内部结构及其发展演变过程是当前大气遥感、天气预报和气候预测的重要前沿课题。随着越来越多环境和气象卫星发射升空,揭示降水云的宏微观特性以及云和降水的关系已逐渐成为可能。本研究基于A-Train国际卫星编队中Aqua和CloudSat两颗卫星反演的云数据产品,分析了总云量和低层云的特性参量在新疆地区云的时空分布规律,在此基础上结合地面降水量资料针对天山山区选取了CloudSat卫星监测到的8次中到暴雨过程,对冰云的含水量、粒子有效半径和粒子数浓度的垂直分布特征进行了研究,并考察了这三个冰云参量与降水量之间的相关关系,结果如下： (a)新疆地区总云量和低层云的特性参量分布差异很大。三大山区的总云量和低层云云量的年变化趋势相似,春夏季云量值较高,而秋冬季云量减少,且两种云量的五年月平均变化显著相关;低层云的冰水柱含量春夏季高,秋冬季较少,而云水含量在冬季最丰富;三大山区低层云的水云粒子有效半径年变化相似,夏季和秋季有效半径相对较小,冬春季偏大,但波动幅度不大,且三大山区五年月平均的最大值和最小值相差不大;天山和阿勒泰山区冰粒子有效直径的年变化幅度很小,而昆仑山山区8月份的有效直径急剧变小,与水云粒子有效半径一样,两种粒子尺度的最小值都出现在夏季的8月份;受山区海拔高度的影响,昆仑山山区的低层云有效高度最大,其次是天山山区。云参量的多年平均空间分布表明,不管是云量,还是低层云的云水柱含量、粒子尺度,天山地区都是高值区。 (b)降雨云层的顶部和底部是冰水含量的低值区,冰水含量的高值区在云层中部6～7km高度处,并且在云的垂直高度上有最大峰值现象,但峰值出现的高度略有差异;冰水含量值域段越小,所占的分布比例越大。冰粒子有效半径的高值在云层的底部,并随着高度的上升呈变小的趋势;500～1000μm值域段的冰粒子有效半径所占比例较大,尤其是500～800μm值域段冰粒子有效半径占的比例最大,大于1500μm的冰粒子有效半径比例不超过1%。冰粒子数浓度随云层垂直高度的上升而增大,云层的底部是冰粒子数浓度的低值区,高值区出现在云层的中上部;8次降雨过程中有3次过程各个值域段(0～3513L-1)的冰粒子数浓度都有分布,2次过程中冰粒子数浓度的值域在0～2000L-1范围之间,另外2次过程在0～1500L-1的值域范围内。 (c)不考虑云层高度,分别用云中冰水含量、冰粒子有效半径和冰粒子数浓度值的区域平均值分别代表三个参量值,考察8次降雨过程的云参量和降水量的相关关系。结果8次个例中冰水含量和冰粒子数浓度与降水量低度相关,冰粒子有效半径与降水量的相关性相对较显著;在4～9km高度段(5个高度层)冰水含量和冰粒子有效半径与降水量的相关性较好,云层越高相关性越差,而冰粒子数浓度在云层的中上部与降水量相关性比低层的相关性高。 ⑥ 民丰夏季大气结构特征及塔里木盆地南缘上空的水汽：研究表明：(1)受高原地形热力影响,民丰夏季对流层高度可以达到16000米以上,其绝对高度与珠峰地区对流层绝对高度近似相同;0℃层高度约为3450米,略低于珠峰地区。(2)夏季副热带西风急流在高原北侧表现强劲,呈东西向分布,厚度约12000米,最大风速中心带位于10700～11400米高度,最大风速达到45米/秒以上。(3)受副热带西风急流底部西风和西西南风影响,夏季高原西北部上空水汽会被输送到塔里木盆地南缘,若羌、民丰、和田站上空3000～7500米高度存在湿度大值层,平均相对湿度约60～70%,最大湿度可达到85%以上。(4)民丰夏季白天对流边界层可达到3200m高度,夜间稳定边界层高度约为1200m,远远高于珠峰地区的观测结果,却低于敦煌地区的边界层高度。
中文关键词	暴雨 ; 降水形成机理 ; 大陆性干旱气候
成果类型	基础理论
中图法分类号	P458.121.1
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001740295
来源机构	中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243306
推荐引用方式 GB/T 7714	杨莲梅,杨青,赵勇,等. 新疆暴雨成因研究[Z]. 基础理论,2013.