鄧佩云，穆建華，舒志亮，李進玉，田 磊，楊 勇

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)氣象災害防御技術中心，寧夏銀川 750002；4.涇源縣氣象局，寧夏固原 756400）

六盤山區(qū)是重要的水源涵養(yǎng)林基地及雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，也是海洋暖濕氣流進入西北內陸的門戶，維系西北內陸地區(qū)空中水汽輸送的關鍵區(qū)域，對于陜、甘、寧三省區(qū)水源地供水有著重要作用。作為中國氣象局精準扶貧行動計劃示范區(qū)，其干旱少雨、災害性天氣多、區(qū)域降水差異大等氣候特征嚴重制約著當地經濟發(fā)展[1—2]。陳豫英等[3]發(fā)現(xiàn)近50 年來西北地區(qū)可利用降水總體呈東部減少趨勢（六盤山區(qū)尤甚），因此，明晰六盤山區(qū)降水過程的空間分布成因、水汽源地以及云-降水的宏觀特征，有利于評估區(qū)域空中水資源的利用潛力，為區(qū)域降水預測以及人工增雨作業(yè)方案提供可參考性依據，具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。已有研究表明，山地上空的云量較周邊區(qū)域偏多[4]，空氣的上升運動在較低海拔山脈可產生對流云[5]。崔洋等[6]發(fā)現(xiàn)六盤山地形對西北地區(qū)東部降水分布有著重要的影響。劉黎平等[7]用EOF（經驗正交分解法）和相關分析方法研究了平涼地區(qū)的對流云和降水的日、月變化規(guī)律及地理分布，得到了這些量與地形高度及坡度的關系，并揭示了六盤山對本地區(qū)云和降水影響的規(guī)律。李強等[8]對寧夏六盤山地區(qū)的一次區(qū)域性暴雨天氣過程進行了診斷分析，得出該區(qū)域低層輻合高層輻散，有利于強降水的發(fā)生、發(fā)展和維持。楊文海等[9]從環(huán)流背景、水汽動力等條件對固原地區(qū)出現(xiàn)的局地暴雨天氣過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)六盤山山脈地形輻合及地形抬升作用，加強了上升運動并引起了降水量的增幅。云作為地球大氣系統(tǒng)中氣候的重要影響因子，與降水的關系密切，二者的分布也可改變區(qū)域輻射狀況，進而影響大氣環(huán)流與天氣氣候[10—11]。劉屹岷等[12]基于衛(wèi)星資料對青藏高原上云宏觀和微觀結構特征、云與降水相關性、云輻射效應以及模式中的云-輻射問題等方面進行研究，指出高原上較少的水汽對云層厚度和層數有顯著壓縮作用，云對總降水的貢獻隨著云層數增多而減少。王亞敏等[13]研究指出，低云量與降水、相對濕度等呈顯著正相關。王小勇等[14]利用2005—2007年春季降水和MODIS 云資料對祁連山東部云參數特征與降水的關系進行分析，得出降雨（雪）量與低云量、低云冰水路徑、低云云頂-云底氣壓差呈明顯正相關。目前，有關降水天氣過程的雷達觀測相對較少，特別是利用高時空分辨率的垂直定向雷達研究降水天氣過程發(fā)生發(fā)展時云系的垂直結構與特征更為匱乏，針對六盤山區(qū)降水天氣過程的水汽源地及空間分布差異的成因以及云-降水宏觀特征的系統(tǒng)分析還鮮有研究。基于毫米波多普勒云雷達具有體積小、穿透性強、空間分辨力高等特點[15]，本文利用布設在六盤山站的Ka 波段毫米波云雷達資料，結合地面、高空資料、ERA-Interim 高時空分辨率的再分析資料，對2019 年8 月30—31 日發(fā)生在六盤山區(qū)的一次降水天氣過程的天氣背景和Ka 波段毫米波云雷達反演的云系宏觀特征進行研究，以期明晰此次降水天氣過程的成因，初步探討六盤山區(qū)云的宏觀參數特征與降水的相關性，為后續(xù)云和降水物理過程參數化方案等相關研究和應用提供可參考性依據。

1 資料及降水實況

1.1 資料來源

本文使用的資料包括2019 年8 月30—31 日HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達資料以及同期區(qū)域自動站（西吉站、隆德站、六盤山站、涇源站、固原站、彭陽站）逐時降水量觀測資料、探空資料、ERA-Interim 高分辨率再分析資料。具體說明如下：

（1）HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達，設置于寧夏六盤山氣象站（簡稱LPS，35.67°N，106.20°E，海拔2 842 m），數據采集頻率為5 s/次，垂直分辨率為30 m，探測范圍可達10 km 以上高空，主要包含云底高度、云頂高度、云層數、云厚度、回波強度、垂直速度以及速度譜寬氣象數據。

（2）地面實測逐時降水資料來自寧夏地面基礎氣象資料服務平臺，探空資料使用的MICAPS 4.0 高空實況資料。

（3）ERA-Interim 高分辨率再分析資料來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF），空間分辨率為0.125°×0.125°，垂直分為16 層等壓面。具體包括：位勢高度場、風場、相對濕度、表面氣溫、海平面氣壓場和垂直速度等。

1.2 降水實況

六盤山位于青藏高原東部，黃土高原的西北邊緣，近似南北走向，與南北向夾角近30°，范圍約在105.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，本文以六盤山站（2 872 m）為基準，向東至寧夏東部邊緣范圍為六盤山東坡區(qū)域，即106.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，西坡區(qū)域為六盤山站至寧夏西部邊緣范圍，即105.2°E～106.2°E，34.7°N～36.5°N，其中，西吉、隆德站位于六盤山的西坡，涇源、固原、彭陽站位于六盤山的東坡。

2019 年8 月30 日16:00 至31 日14:00，受東移冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，六盤山區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的降水天氣過程，見圖1。此次降水過程主要集中在六盤山區(qū)南部，累積雨量較大值集中在六盤山系附近，山系東坡的累積降水量高于西坡，此次降水過程六盤山區(qū)大部分區(qū)域降水量級以小到中雨（涇源、隆德兩縣及西吉縣南部）為主，其中六盤山氣象站降水量級達到了大雨，且出現(xiàn)的時間最早、持續(xù)時間最長（降水起止時間為30 日16:00—31 日14:00）、單站累積降水量最高（30.2 mm）。進一步由紅外云圖演變來看（圖略），此次降水過程云系整體由西北向西南方向移動，云圖色調均勻，云系覆蓋范圍大，屬于穩(wěn)定性層狀云降水，此次降水過程在六盤山區(qū)具有代表性，且大雨或將影響該山系山體滑坡、泥石流等自然災害。

圖1 2019 年8 月30 日16:00—8 月31 日14:00 六盤山區(qū)累積降水量分布圖

2 天氣背景分析

2.1 大尺度環(huán)流背景分析

2019 年8 月30 日08:00 500 hPa 歐亞范圍中高緯度環(huán)流形勢總體為“兩槽（巴爾喀什湖、東北地區(qū)）一脊（新疆到蒙古國西部）”，寧夏處于脊前西北氣流中，有冷空氣不斷從巴爾喀什湖槽底部穿脊東移，在脊區(qū)形成多個小波動，其中甘肅中東部到青海東南部有一短波槽，受脊前西北氣流引導，自西北向東南方向移動。30 日20:00，短波槽向東南方向移動，主體位于寧夏海原到青海東部一帶，短波槽前部開始影響六盤山區(qū)，受此影響，六盤山區(qū)開始出現(xiàn)降水，30 日21:00 至31 日07:00，受短波槽過境影響，六盤山區(qū)各站出現(xiàn)了第一次降水峰值。31 日08:00，短波槽移出，降水明顯減弱，此時在寧夏西北部地區(qū)又出現(xiàn)一短波橫槽，移速較快，主體于31 日10:00至13:00 影響寧夏六盤山區(qū)，造成六盤山區(qū)再次出現(xiàn)一次小的降水峰值，14:00 以后，橫槽移出，對六盤山地區(qū)影響結束，降水也趨于結束。

8 月30 日08:00 700 hPa 上河北—山西—陜西—寧夏南部有一明顯橫槽，六盤山區(qū)位于橫槽尾部，四川東部—陜西南部—寧夏南部—河西走廊一帶存在一支東南暖濕氣流，為此次降水提供了必要的水汽條件和熱力條件。30 日20:00，橫槽東移南壓，在六盤山區(qū)出現(xiàn)一東北風與東南風的切變，造成低層暖濕氣流的輻合抬升，配合500 hPa 短波槽，30 日后半夜六盤山區(qū)出現(xiàn)了明顯降水。31 日08:00，寧夏中南部地區(qū)繼續(xù)受一偏南風和偏東風的切變影響，有較好的低層水汽輸送和輻合條件，配合500 hPa橫槽，31 日中午前后，六盤山區(qū)再次出現(xiàn)一次小量降水過程（圖略）。

綜上所述，此次降水發(fā)生在“兩槽一脊”的環(huán)流背景下，主要的影響系統(tǒng)為500 hPa 短波槽和700 hPa切變，500 hPa 短波槽主要提供了冷空氣條件，低層切變和偏南氣流提供了水汽條件和輻合條件，在其共同影響下，六盤山區(qū)出現(xiàn)了明顯的降水。

2.2 動力、水汽和熱力條件分析

取此次六盤山區(qū)降水強盛階段對應的較強降水時刻（2019 年8 月31 日00:00），從水汽通量散度場的高低層配置對六盤山區(qū)此次降水過程的動力條件進行分析（圖2）。由圖2 可知，500 hPa 六盤山區(qū)整層的水汽通量散度在0.1～1 g/（s·hPa·cm2）范圍內，區(qū)域平均水汽通量散度值為0.53 g/（s·hPa·cm2），水汽輻散，其中，東坡區(qū)域整層的水汽通量散度在0.2～1 g/（s·hPa·cm2）范圍內，東坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.41 g/（s·hPa·cm2），西坡區(qū)域整層的水汽通量散度在0.1～0.9 g/（s·hPa·cm2）范圍內，西坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.53 g/（s·hPa·cm2）。而在800 hPa 六盤山的東坡范圍內水汽通量散度在-1～2 g/（s·hPa·cm2）范圍內，東坡區(qū)域平均水汽通量散度值為0.87 g/（s·hPa·cm2），尤其在六盤山東部南部區(qū)域，為負值區(qū)或弱正值區(qū)，為弱輻散或輻合，800 hPa水汽通量散度正值的大值區(qū)集中在六盤山系西坡，水汽通量散度在0.9～3.9 g/（s·hPa·cm2）范圍內，西坡區(qū)域平均水汽通量散度值為1.46 g/（s·hPa·cm2），水汽輻散降水偏少，受地形的抬升作用在東坡引起的低層輻合或弱輻散、高層輻散的動力場[16]，使東坡相較于西坡有著更為有利的較強降水發(fā)生發(fā)展條件，這種現(xiàn)象在六盤山區(qū)南部更為明顯，這也是此次降水過程中，降水發(fā)展以及東坡的降水量大于西坡降水量的重要成因之一。

圖2 2019 年8 月31 日00：00 水汽通量散度圖

六盤山區(qū)700 hPa 的水汽通量值在1～3 g/（s·hPa·cm），區(qū)域平均水汽通量為2.50 g/（s·hPa·cm），較周邊臨近平地區(qū)域具有更大的水汽通量值，為明晰此次降水過程的水汽來源，對2019 年8 月31 日00:00 的水汽通量進行分析（圖3）。由圖3 可知，此次降水過程的水汽主要來源于孟加拉灣、南海，孟加拉灣至南海有明顯的西南風水汽輸送帶，經云南、四川轉為向西北輸送，六盤山區(qū)處在青藏高原以及四川盆地的交界帶，在地形的影響下，水汽輸送帶經峽口地帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶，六盤山區(qū)的水汽較為充沛。進一步分析表明，六盤山區(qū)在700 hPa 以西南風水汽輸送為主，750 hPa 以下以東南風水汽輸送為主（圖略），六盤山東側為東南風迎風坡，受六盤山地形強迫影響，東南暖濕氣流在東坡抬升，加之700 hPa 西南風水汽輸送，造成此次六盤山系降水呈“東高西低”的分布特征。

3 Ka 毫米波云雷達宏觀特征分析

圖3 2019 年8 月31 日00:00 700 hPa 水汽通量圖

云垂直結構反映了云體內部熱力和動力以及微物理過程，在輻射收支、能量平衡、水汽循環(huán)等方面對地氣系統(tǒng)起著重要作用。為了分析此次降水過程六盤山站云系的垂直結構，對六盤山站Ka 波段毫米波云雷達的云底高、頂高、云層數等云宏觀特征進行數據處理分析，并與對應降雨時段中區(qū)域自動站的逐時雨量進行對比，見圖4a、圖4b。其中圖4b 統(tǒng)計的為六盤山基準站（2 872 m）以上的云高，Ka 波段云雷達距地300 m，故海拔高度為3 172 m 時即認定為云系接地。對比分析圖4a 和圖4b 可知，從30 日02:00 開始，六盤山站出現(xiàn)高云，隨著云系的發(fā)展，云層數呈波動性增加，于30 日08:00 云層數發(fā)展至3 層，隨后云系發(fā)展為以中低云為主的雙層云，30 日16:00，在降水過程發(fā)生時，云系底高開始接地，變?yōu)樵祈敻邽? 102 m，云厚度為3 930 m 的深厚的單層中云，隨著降水過程的發(fā)展，云厚度逐漸增大，小時降水量也增大，最大云厚出現(xiàn)在31 日00:00，即小時雨量最大值（4.7 mm/h）出現(xiàn)的前1 h，為5 760 m；此后，云頂高波動性下降，云厚度變薄至900 m，31日13:00，即降水過程結束前1 h，云層數由單層云變?yōu)殡p層云，此時小時雨量僅為0.1 mm/h，至31 日14:00，降水過程結束，此時云系變得淺薄，云系底高增高，隨著降水過程的結束，云系波動性消散。

綜上分析可見，此次降水前后云層數呈雙峰型，在降雨發(fā)生前，云系不斷發(fā)展，以多層云為主，降雨發(fā)生時，云系發(fā)展為云厚為3 930 m 的深厚單層云，在小時雨量最大值出現(xiàn)的前1 h，云系達最大云厚，為5 760 m。這一云的宏觀特征可為降雨的預測預警提供重要的參考依據。

進一步對小時降水量與低云云厚的相關性進行分析（圖5）可知，小時降水量與低云云厚的相關系數為0.55，通過了α=0.01 的信度檢驗，可見降水量與低云云厚呈正相關關系。云霧粒子在長大成降水粒子的過程中受到了多種因子的綜合作用，例如凝結增長和碰并增長等的影響，而降水是多種因子起作用的復雜物理過程，低云云厚越大表明低云發(fā)展越旺盛，為降水過程提供了更多的水汽，伴隨著上升運動，使水汽凝結為液態(tài)水，以降水形式降落到地面，因此，低云云厚的發(fā)展有利于促進降水過程的形成。對于高云而言，其云層較薄，且高度較高，對降水天氣過程影響不大。

圖4 2019 年8 月30—31 日六盤山站云宏觀特征圖

圖5 2019 年8 月30—31 日六盤山站小時雨量-低云云厚散點圖

4 結論

本文利用2019 年8 月30—31 日區(qū)域自動站逐時降水量觀測資料、探空資料、ERA-Interim 高分辨率再分析資料以及同期HT101 型全固態(tài)Ka 波段毫米波云雷達資料，對六盤山區(qū)一次降水天氣過程的天氣形勢及云宏觀特征進行分析，得出以下結論：

（1）此次降水天氣過程中，六盤山區(qū)處于“兩槽一脊”的環(huán)流背景下，主要的影響系統(tǒng)為500 hPa 短波槽和700 hPa 切變。

（2）六盤山區(qū)降水強盛階段，水汽通量散度在六盤山系東坡地區(qū)存在低層輻合（水汽通量散度：-1～0 g/（s·hPa·cm2））或弱輻散（區(qū)域平均水汽通量散度值為0.06 g/（s·hPa·cm2））、高層輻散（0.41 g/（s·hPa·cm2））的動力場，使東坡相較于西坡有著更為有利的降水發(fā)生發(fā)展條件。

（3）此次降水過程的水汽主要來源于孟加拉灣、南海，六盤山區(qū)處在青藏高原以及四川盆地的交界帶，在地形的影響下，水汽輸送帶經峽口地帶延伸至甘肅東南部、寧夏南部、陜西一帶，加之低層切變和偏南氣流，六盤山區(qū)的水汽較為充沛。

（4）此次降水前后云層數呈雙峰型，在降雨發(fā)生前，云系不斷發(fā)展，云層數最多達3 層云，降雨發(fā)生時，云系從雙層云變?yōu)樵坪駷? 930 m 的深厚單層云，且在小時雨量最大值出現(xiàn)的前1 h，云系達最大云厚，為5 760 m，降水過程結束前1 h，云系又從單層云變?yōu)殡p層云；進一步分析表明，低云云厚的發(fā)展有利于促進降水過程的形成。