2010～2011年西藏雷暴的雷达回波统计特征分析

王天义, 朱克云, 张 杰, 戴昌明, 徐 铖

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.成都军区空军气象中心,四川成都610041)

0 引言

西藏位于青藏高原,海拔高,地形复杂,由于青藏高原特殊的地形分布,其热力和动力作用强烈影响其上空的对流活动。乔全明等[1]指出,青藏高原受热力和动力影响,夏季雷暴活动频繁,是北半球同纬度地带雷暴最多的地区。李国平等[2]研究表明在内陆高原地区,随着海拔高度的增加,近地面大气变得越不稳定,更容易形成强对流。而强对流天气表现出突发性强、频率高、强度大、预报难的特点,尤其是雷暴天气。雷暴是一种伴有多种天气现象的中小尺度天气过程,雷暴天气不仅产生雷电,还常伴有大风和暴雨,有时甚至出现冰雹等灾害性天气。张翠华[3]研究指出,青藏高原雷暴天气层结为整层弱不稳定,不稳定能量较小,具有高原雷暴的特殊结构。Williams[4]指出,雷暴与气象要素之间的关系具有很大的可变性,因为不同的地理位置、气象条件、海拔高度都可能引起雷暴特征的差异。格央、任景轩、杨斌等[5-7]先后研究表明,西藏地区各年站雷暴总数呈现减少的趋势。次仁德吉、马虹旭、杨春荣、许薇、居丽玲等[8-12]分别对不同地区雷暴发生时雷达回波上的特点做了研究,结果表明雷达产品对雷暴的持续时间、移动方向等短临预报的重要作用。沈宏彬[13]指出,热雷暴和系统性雷暴在回波参数、时空分布、初生源地、移动路径以及演变过程都存在明显的差异。俞小鼎[14]指出中国需要加强对地形雷暴的个例研究,总结经验。陈洪宾等[15]指出目前的常规气象探测网和卫星遥感还难以跟踪监测雷暴,缺乏雷暴生命史的完整测量,尤其是缺乏雷暴促发机制和环境要素的精细监测,使当前雷暴的短临预报能力还很低,雷暴冰雹、大风、龙卷风等灾害天气的漏报和虚报率很高。新一代多普勒天气雷达除了测量雷达的回波强度、径向速度和速度谱宽外,还可以分析雷暴的详细结构特征,而这些在天气图上无法看到,它不仅为天气预报,尤其是短时(3～5小时)的天气预报提供了比较准确客观的实测资料,并且是监测强对流灾害性天气的发生发展的重要工具[16],从而提高了短临天气预报的精细度。目前关于青藏高原上利用新一代雷达资料对西藏地区夏季频繁旺盛的对流活动的相关研究仍较少,成了高原气象研究领域的一个薄弱环节。

为了更好的提高对西藏地区强雷暴的监测与预报预警水平,利用高分辨的新一代多普勒天气雷达C波段资料对西藏高原地区的雷暴进行研究,分析雷暴的雷达回波特征,为西藏地区防雷减灾提供一定的参考和依据。

1 资料与方法介绍

所用资料为2010、2011年6～9月Micaps常规资料和西藏日喀则站、拉萨站雷暴观测资料以及对应时刻C波段雷达探测资料。李国平[2]指出青藏高原夏季为热源,热力作用强,乔全明[1]和任景轩[6]等在研究中指出青藏高原受热力和动力影响。为了更好的区别西藏地区的动力作用和热力作用下的雷暴特征,根据西藏地区气候特征和天气动力学观点,将西藏夏季(6～9月)雷暴分为动力雷暴和热力雷暴。所谓动力雷暴是指有明显的天气系统相配合,如高原切变线、高原低涡、高原低槽和锋面等。当气压场均匀,地面发生与日变化规律相关的雷暴则为热力雷暴。

统计标准:雷暴发生前,以日喀则、拉萨站各为中心300km范围内,在500hPa高空天气图上有切变线、低槽、低涡等天气系统归类为动力雷暴;若500hPa高空天气图上气压场均匀,而地面观测站有雷暴记录且发生在午后的归类为热力雷暴。

西藏高原地形简介:西藏高原地势高,平均海拔高度在4000m以上,东部三江流域是南北走向的横断山脉,地势北高南低;藏东南是宽大的“∧”形;南部的喜马拉雅山脉,中部的冈底斯山脉、念青唐古拉山脉,北部的唐古拉山脉,这些东西向的山脉以及山脉之间的高原、湖泊、河谷构成西藏高原的主要部分。西藏高原大地形的特点还在于它处在温带的纬度,位于孟加拉湾北部大陆。

2 结果与分析

2.1 西藏热力雷暴和动力雷暴统计概况

普查2010、2011年6～9月发生在拉萨和日喀则周边100km范围内的雷暴,共有108个个例。图1给出了两地雷暴发生频数,其中,日喀则站观测到的热力雷暴出现的频数为47次,占日喀则雷暴总数的83.9%;拉萨站观测到的热力雷暴出现的频数为44次,占雷暴总次数的84.6%,这表明西藏日喀则和拉萨地区的雷暴主要以热力雷暴为主,动力雷暴较少。

从图1中看出,就热力雷暴而言,6月日喀则雷暴发生频数和拉萨相当,7、8月雷暴发生频数明显增加,为雷暴的高发期,日喀则的雷暴发生频数要比拉萨高,9月,雷暴频数明显减少,只有拉萨地区还有雷暴发生。就动力雷暴而言,6月日喀则地区雷暴比拉萨地区多,7月雷暴频数增加,拉萨地区雷暴发生频数比日喀则高,8月开始,日喀则和拉萨地区雷暴都开始减少。可见,西藏地区的热力雷暴和动力雷暴都有明显的月变化特征。

整体看,西藏地区热力雷暴和动力雷暴在7、8月最多,其中热力雷暴最多。原因是夏季高原为热源,太阳辐射强,温度高,地表热力作用强,热对流活动相对旺盛,这说明西藏地区热雷暴活动与高原地表热源有密切的关系。以上结论与前人所取得的研究成果[6]相一致。

2.2 西藏热力雷暴和动力雷暴日变化特征

对日喀则和拉萨站的108次雷暴过程的日变化进行统计,如图2所示。从图中可以看出,西藏地区的热力雷暴主要发生在午后14:00～22:00时(北京时,下同),17:00～20:00时雷暴发生频率最高,傍晚20:00时以后开始迅速减少,热力雷暴表现出了非常明显的日变化特征。日喀则地区热力雷暴在15:00～16:00时频数达到最大,如图2(a)所示为13次,拉萨地区热力雷暴在19:00～20:00时频数达到最大,如图2(b)所示为15次。这种以午后热力雷暴为主的原因可能和地面热源的日变化存在一定的关系。原因是青藏高原的午后地面热源强迫使得大气层结不稳定,诱导高原雷暴的频繁发生。李国平等[2]研究指出:高原地区的夏季午后近地面高度气层内温度垂直递减率经常是超绝热的,强大的温度垂直递减率必然伴随强对流活动。图2中的动力雷暴白天和夜里都有发生,日喀则地区动力雷暴白天多,如图2(a)所示,拉萨地区动力雷暴白天夜里频数相当,如图2(b)所示,这是因为动力雷暴多是由于天气系统引起的。

图1 2010、2011年6～9月西藏不同类型雷暴月分布

另外从发生雷暴的持续时间分布(图3)可以看出,日喀则和拉萨地区的一次雷暴过程持续时间大多数在40min以内,其中生命史在0～20min的雷暴最多。日喀则地区热力雷暴生命史0～20min占44.6%,但少数日喀则的热力雷暴生命史最长可达60～80min,如图3(a)所示;拉萨的热力雷暴生命史0～20min占75.1%,之后雷暴随着持续时间的增长,雷暴次数开始减少,如图3(b)所示。图3中日喀则和拉萨的动力雷暴生命史变化趋势不大。张廷龙[17]指出随着海拔高度的减小,雷暴的平均持续时间逐渐增加,中川与平凉地区雷暴持续时间为120min左右;青海地区的雷暴持续时间为101min左右。可知西藏地区大部分雷暴的生命史较短,这与内陆平原地区的雷暴有明显的区别。

图2 2010、2011年6～9月日喀则和拉萨雷暴日变化

图3 2010、2011年6～9月日喀则和拉萨雷暴持续时间频率分布

2.3 西藏热力雷暴和动力雷暴雷达回波特征

2.3.1 雷暴的雷达初始回波位置及回波区移动路径

在强对流短临预报中,强对流系统的移动方向是预报至关重要的因素。根据雷达资料对108次雷暴各站点发生的初始回波位置和移动路径进行统计,统计结果见表1、表2,从表1可知,日喀则地区大部分热力雷暴和动力雷暴的初始回波位置主要集中在南部(WS,S,ES),南部地区发生的雷暴占日喀则雷暴总数76.8%。就热力雷暴而言,日喀则西南地区(WS)占35.7%,东南地区(ES)占25.1%,东北方向(EN)占11.5%;日喀则地区动力雷暴西南方向占7.1%,东部占3.6%。拉萨地区热力雷暴和动力雷暴也主要集中在南部(WS,S,ES),占拉萨雷暴总数61.5%。其中热力雷暴在拉萨西南方向(WS)占32.7%,东南方向(ES)占19.2%,西面(W)和东北方向(EN)各占9.6%;拉萨地区动力雷暴东面和西南方向各占5.8%。

表1 雷达初始回波位置出现的次数

表2 雷达回波区移动方向出现的次数

从表2看出,西藏日喀则地区热力雷暴主要移动方向是自南(WS、S、ES)向北移动,其中,移动方向自西南向东北居首,占33.9%,位于第二位的是自东南向西北移动,占19.6%,位于第三位的是自南向北占17.8%,第四位的是自东北向西南占10.75%,这种雷暴移动方向有可能与地形分布有关,日喀则位于青藏高原南部,处于喜马拉雅山系中段与冈底斯-念青唐古拉山中段之间,其间为藏南高原和雅鲁藏布江流域,全区地形复杂多样,是由高山、宽谷和湖盆组成。日喀则动力雷暴的移动方向主要是自西(W、WS)向东移动,这可能与天气系统移动方向有关,原因是动力雷暴多是由天气系统引起,天气系统的移动引导着雷暴的走向。拉萨地区热力雷暴主要移动方向是自南(WS、S)向北移动,占71.2%,拉萨地区大部分动力雷暴移动方向也主要以自西向东(W-E、WS-NE)为主,占9.6%。因此,在西藏日喀则和拉萨雷暴的预报中,只要在雷达上确定雷暴的初始位置,就可以大致判别出雷暴可能有哪几种移动方向。

2.3.2 西藏热力雷暴和动力雷暴雷达回波形状及强度特征

从表3统计的西藏雷达回波形状分布来看,西藏地区雷暴的回波形状多表现为团状,其次是孤立的对流云回波。其中日喀则热力雷暴的回波形状主要表现为团状,占日喀则雷暴总数53.6%,其次是孤立的对流云回波,所占比例达到14.3%以上,剩余的是块状回波和带状回波,各占10.7%、5.3%左右;日喀则动力雷暴的回波形状多表现为团状,占总数10.7%,其次是带状,占5.3%左右。拉萨热力雷暴回波形状以团状为主,占总数的78.8%,其次是孤立的对流云回波,占5.7%左右;拉萨动力雷暴也主要是团状和带状,分别占13.4%和2%。在西藏夏季,雷暴多由局地热力作用引起,故多表现为团状、块状和孤立的回波,这与统计结果相一致。

图4为日喀则和拉萨地区雷暴回波强度分布图,可以看出,西藏日喀则地区热力雷暴雷达回波强度大部分在40～50dBz,占雷暴总数的37.5%,次之是50～70dBz的雷暴,占33.9%,动力雷暴主要位于40～60dBz,占雷暴总数8.9%,如图4(a)所示。拉萨地区的热力雷暴雷达回波强度主要在30～50dBz,占雷暴总数的82.7%,拉萨地区动力雷暴雷达回波强度也主要在30～50dBz,占雷暴总数的15.4%,如图4(b)所示。对比日喀则和拉萨地区的雷暴回波强度,可知拉萨地区比日喀则地区雷暴回波强度偏低。

表3 雷达回波形状的出现次数

图4 2010、2011年6～9月日喀则和拉萨雷暴雷达回波强度分布

图5 2010、2011年6～9月日喀则和拉萨雷暴最大回波强度日变化

图5给出了2010、2011年6～9月热力雷暴和动力雷暴整个回波区最大回波强度平均日变化趋势,从图5可以看出,就热力雷暴而言,日喀则和拉萨都表现出了显著的日变化特征,最大回波强度午后都有先增加后减小的变化趋势,日喀则雷暴在17:00达到最大,最大值接近75dBz,到0:00点左右降低到最低点,最弱的回波强度为41dBz,如图5(a)所示。拉萨热力雷暴在20:00点达到最大,最大值接近50dBz,24:00左右降到最小,最弱的回波强度为30.5dBz,如图5(b)所示。日喀则和拉萨动力雷暴的最大回波强度不具有日变化特征。

2.3.3 西藏热力雷暴和动力雷暴雷达回波顶高特征

回波顶高是雷达观测到的云区回波的最大高度,反映了云区中对流活动的强弱,回波顶高越大,对流活动越旺盛。图6为日喀则和拉萨地区热力雷暴和动力雷暴回波顶高的频数分布图,从图中可以看出,西藏地区的的热力雷暴雷达回波顶高最多出现在5km左右,回波顶高出现很高的几率较小,大多数集中在4～7km。日喀则地区热力雷暴雷达回波顶高平均5.07km,4～7km的热力雷暴占雷暴总数69.6%。拉萨地区热力雷暴雷达回波顶高平均4.79km,4～7km的热力雷暴占雷暴总数75%。日喀则和拉萨地区的动力雷暴雷达回波顶高主要集中在6～10km,日喀则动力雷暴雷达回波顶高平均7.43km,拉萨动力雷暴雷达回波顶高平均6.19km。可以看出西藏地区的热力雷暴雷达回波顶高比动力雷暴回波顶高偏低。原因是大多数动力雷暴往往是由大尺度天气系统引起,雷暴回波顶高偏高,而大多数热力雷暴主要是局地热力作用,雷暴回波顶高较低。因此,在天气预报中,对于西藏地区热力雷暴而言,当回波顶高日喀则地区大于5.07km、拉萨地区大于4.79km时,则说明雷暴的对流活动比较旺盛。

图6 日喀则和拉萨雷暴回波顶高

图7 日喀则和拉萨雷暴垂直液态含水量

2.3.4 西藏热力雷暴和动力雷暴垂直液态含水量特征

垂直液态水含量(简称VIL)反映降水云体中的垂直柱体内液态水总量,是判别强降水及降水能力、强对流天气和冰雹等灾害性天气的最有效的工具之一。图7给出了西藏日喀则和拉萨雷暴液态含水量的频数分布情况,可以看出,就热力雷暴而言,日喀则地区66.1%的热力雷暴垂直液态含水量在30kgm-2以下,30～50kgm-2占7.1%,大于50kgm-2占12.5%;拉萨地区44.2%的热力雷暴的垂直液态含水量为0,0～30kgm-2占32.7%。就动力雷暴而言,日喀则8.9%的动力雷暴垂直液态含水量在30kgm-2以下,30～50kgm-2占3.5%,50～70kgm-2占3.5%,拉萨地区15.4%的动力雷暴垂直液态含水量在30kgm-2以下,可知,拉萨地区雷暴垂直液态水含量比较小。需要说明的是,普查天气记录,日喀则地区垂直液态含水量大于50kgm-2的热力雷暴对应的都是暴雨、冰雹等灾害性天气,因此垂直液态含水量大于50kgm-2可以作为日喀则地区暴雨、冰雹等灾害性天气的预报指标之一。

3 结论

利用2010、2011年6～9月西藏雷暴资料和新一代多普勒天气雷达资料对西藏地区雷暴的活动特征进行了分析,得到如下结论:

(1)西藏高原地区雷暴类型多样,时空分布是不均匀的。以热力雷暴为主,动力雷暴较少。日喀则地区热力雷暴占雷暴总数83.9%;拉萨地区热力雷暴占雷暴总数84.6%;雷暴月际分布以7、8月最多,其次是6月和9月;热力雷暴的日变化较为明显,14:00～20:00时雷暴发生频率最高,傍晚20时以后开始迅速减少,这可能与地表热源有关系。雷暴生命史较短,大多数在40分钟以内,其中0～20min雷暴最多,这与平原雷暴有明显的区别。

(2)西藏雷暴天气雷达回波源地、移动等有一定的规律性。雷暴的生源地主要在日喀则和拉萨地区的南面,热力雷暴的主要移动路径是西南-东北走向,动力雷暴的主要移动路径是自西向东。

(3)强度、高度和垂直液态含水量是判别雷暴回波的主要参数。西藏地区雷暴的回波形状多表现为团状、块状,其次是孤立的对流云回波;日喀则热力雷暴雷达回波强度大部分在40～50dBz,次之是50～70dBz的雷暴,动力雷暴主要位于40～60dBz,拉萨热力雷暴雷达回波强度主要在30～50dBz,拉萨动力雷暴雷达回波强度也主要在30～50dBz,拉萨地区的雷暴回波强度整体比日喀则地区略低;热力雷暴雷达回波顶高一般比动力雷暴回波顶高偏低。日喀则地区热力雷暴雷达回波顶高平均5.07km,拉萨地区热力雷暴雷达回波顶高平均4.79km,日喀则和拉萨地区的动力雷暴雷达回波顶高主要集中在6～10km;西藏地区热力雷暴和动力雷暴的垂直液态含水量比较低,大部分在30kgm-2以下,但是如果出现比较高的垂直液态含水量,要注意灾害性天气(暴雨、冰雹等)的出现,如日喀则地区垂直液态含水量大于50kgm-2可以作为日喀则地区暴雨、冰雹等灾害性天气的预报指标之一。这些雷达回波统计参数为以后西藏地区雷暴的预报预警与监测提供了一定的客观依据和参考指标,对短临预报有一定的指示作用。

应用新一代多普勒雷达资料初步得出了西藏雷暴的雷达回波气候特征,进一步的动力学机制研究以及相关数值模拟,是下一步工作的研究内容。

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