旺堆杰布,旦增卓瑪 *,平措桑旦

（1.西藏自治區(qū)那曲市氣象局，那曲 852000；2.西藏高原大氣環(huán)境科學研究所，拉薩 850001）

引言

我國東部地區(qū)夏季西太平洋副熱帶高壓是影響天氣氣候的主要系統(tǒng)之一，而副高中心控制下的地區(qū)盛行下沉氣流，天氣以晴好為主，干燥少雨[1]。然而，許多觀測事實卻表明，副高控制區(qū)域常常出現(xiàn)由熱對流引發(fā)的對流性降水，這種局地熱對流的突發(fā)性強、持續(xù)時間短，這與降水的水汽來源及其供應不足有關[2]。除降水外，熱對流可以發(fā)展成深對流，并造成冰雹、下?lián)舯┝鞯葹暮π詮妼α魈鞖鈁3-5]。所以，熱對流是一種局地性強，且危害性不容忽略的局地天氣現(xiàn)象。由于其維持時間較短，以往高時空分辨率的觀測資料又相對缺乏，所以有效的研究成果較少。在國內(nèi)外已有的研究成果中，主要從觀測分析與數(shù)值模擬兩個方面開展了一些研究，缺乏系統(tǒng)性的研究，且對熱對流降水以主觀判別為主，缺乏客觀判別方法[6]。

青藏高原作為隆起的臺地，通過其熱力和動力作用，影響著很大范圍的天氣氣候與環(huán)境變化[7]。那曲市地處西藏高原北部，平均海拔超過4500m，地形復雜，氣候干燥、日光充足、輻射強、晝夜溫差大、年平均氣溫在-2℃左右，屬于亞寒帶半干旱高原季風氣候區(qū)[8]。夏季午后經(jīng)常出現(xiàn)因熱力不穩(wěn)定而引起的局地熱對流天氣，具有時空尺度較小、易多發(fā)、預報難等特點，往往不能滿足臨近預報等氣象服務工作的需要。已有研究[9]表明，熱對流降水云團水平尺度多為30～40km，平均垂直尺度超過10km。關于熱對流降水的成因，李昀英等[10]研究認為，非均勻的地表感熱加熱導致低層空氣塊能夠突破環(huán)境下沉氣流而上升，周圍空氣補充形成輻合運動，達到觸發(fā)對流的作用。探空分析是預報午后對流天氣最常用到的手段，其中的對流溫度是非常有代表性的一個物理量。吳洪星等[11]把對流溫度定義為地面加熱到剛能開始發(fā)展熱對流的一個臨界溫度，運用對流溫度預報局地熱對流的常用方法是，把08時探空氣球的對流溫度（Tg）與當天最高溫度（Tmax）做比較，如果Tmax＞Tg，則預報會產(chǎn)生局地熱對流?？紤]到熱對流降水的主要特征是午后發(fā)生的局地短時降水，主要原因是地面輻射受熱之后，因熱力不穩(wěn)定引起的對流。本文擬從天氣學角度對那曲市午后發(fā)生的熱對流降水進行研究，以期為提升高原地區(qū)午后熱對流天氣的預報能力提供科學支撐。

1 資料及研究對象

所用的資料包括：MICAPS各等壓面觀測資料，那曲站探空觀測資料及常規(guī)地面觀測資料，NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料等。

文中以藏北地區(qū)那曲（55299）為代表站，選取了2017～2019年6～8月08時500hPa上處于高壓控制或者晴空少云的天空狀況下，僅在午后（13～20時）出現(xiàn)降水的熱對流天氣，從天氣學、統(tǒng)計學角度對其發(fā)生時的環(huán)流背景及要素場特征進行系統(tǒng)分析。

2 特征分析

2.1 降水的統(tǒng)計特征

那曲站在近三年夏季期間，總計有27天出現(xiàn)了因熱力不穩(wěn)定引起的對流性天氣（圖1）。其中，午后降水最集中的時段是16～17時（11次），其次是15～16時（8次），再次是14～15時（7次），這段時間是地面感熱加熱最強時段。

圖1 2017～2019年夏季那曲地區(qū)熱對流天氣引發(fā)降水的時次分布

2.2 要素場特征

為客觀表示地面感熱加熱的程度，用08時的氣溫、地溫與當日最高氣溫與最高地溫進行比較，圖2（a）和圖2（b）分別是上述27次樣本的08時地溫（a）、氣溫（b）與最高地溫、氣溫之差。可以看出，地溫差最高值達到了52.9℃，最低值為25.5℃，平均值為37.3℃。氣溫差最高值為13.8℃，最低值為6.9℃，平均值為10.4℃。巨大的溫差會導致地表向大氣邊界層強烈的感熱輸送。

圖2 08時溫度與當日最高溫度之差（a.地溫，b.氣溫）

從熱對流降水的日最高氣溫來看（圖略），平均的日最高氣溫為17.2℃，最低的日最高氣溫為14.2℃，平均的日最高地溫為44℃，最低的日最高地溫為32℃，即日最高氣溫（地溫）至少要達到14.2℃（32℃）才有可能出現(xiàn)午后熱對流降水。

從環(huán)境參數(shù)上來看，對流有效位能（CAPE）可以很好的表現(xiàn)出對流發(fā)生前的層結穩(wěn)定度，不穩(wěn)定能量的儲存狀態(tài)，直接影響著大氣對流發(fā)生的頻率與強度。由于高原地區(qū)特殊的熱力作用，強烈的太陽輻射使近地層的大氣環(huán)境在早晨與午后有著巨大差別。因此，利用14時的氣象要素對探空曲線進行訂正尤為必要。通過對上述27天降水過程的探空曲線進行訂正后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生午后熱對流天氣時，早晨低層都存在逆溫現(xiàn)象且基本上不存在不穩(wěn)定能量（圖3），而訂正后CAPE值介于800～4270J·kg-1，平均值為1522J·kg-1，CAPE值較早晨有很明顯的上升，所以訂正后的CAPE值至少需要達到800J·kg-1。

圖3 訂正后14時CAPE值

從08時的溫度露點差垂直分布情況（圖4）來看，27次樣本的中低層溫度露點差均較小，其中除1次樣本外，其余均≤5℃。這說明午后有熱對流發(fā)生時，早晨中低層的濕度條件很好，最厚的濕層可達到300hPa，平均濕層在460hPa以下，而高層相對較干，具有上干下濕的特性，這給午后熱對流的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

圖4 08時溫度露點差垂直分布

2.3 預報方法

從物理意義上看，對流溫度可以看成是發(fā)展熱對流的地面臨界溫度，當?shù)孛鏈囟冗_到對流溫度后則熱對流有可能發(fā)展。在運用08時對流溫度預報午后熱對流時，前提條件就是假設Tg沒有日變化。吳洪星等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，事實也基本如此，這使得Tg在局地熱對流的預報中具有實際意義。因此，在日常預報中應用Tg與當日最高氣溫（Tmax）的差值也是很常見的一種方法，下面通過對這27次樣本降水過程的Tmax-Tg閾值進行分析，討論熱對流降水發(fā)生的概率分布。

從圖5可以看出，在27次樣本中Tmax-Tg值均＞0，其中最高值為7.8℃，最低值為1.2℃，平均值為4℃。從Tmax-Tg與熱對流發(fā)生的關系（圖6）來看，當Tmax-Tg處于（1.5～3.5]℃時是熱對流降水出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間，達到了11次，其次是處于（3.5～5.5]℃時也達到了10次。在Tmax-Tg處于（5.5～7.5]℃、（7.5～8.0]℃、（1.0～1.5]℃時，分別發(fā)生了3次、2次、1次，出現(xiàn)熱對流降水概率明顯低于平均概率。而當Tmax-Tg值＜1℃及＞8℃時，出現(xiàn)熱對流天氣的概率為0。由此可見，并非Tmax-Tg值越大，熱對流降水發(fā)生的概率就越大。

圖5 Tmax-Tg的閾值分布

圖6 熱對流發(fā)生次數(shù)與Tmax-Tg的變化關系

3 熱對流降水個例的合成分析

通過選取10次對生產(chǎn)生活影響較嚴重的降水個例，利用常規(guī)觀測資料、NCEP2.5°×2.5°及ERA-interim再分析資料對其進行合成分析，旨在歸納出熱對流發(fā)生發(fā)展過程的環(huán)境特點。

3.1 環(huán)流背景

從06時500hPa位勢高度平均場（圖7a）可以看出，中高緯為兩槽一脊型，副熱帶高壓較強，西伸脊點位于110°E左右，伊朗高壓強度較強，東伸至青海南部。到12時（圖7b）伊朗高壓強度略微有減弱且西退，那曲市位于高壓邊緣偏北氣流控制區(qū)，結合衛(wèi)星云圖（圖略）那曲市處于無云或少云狀況。

圖7 10次個例合成的500 hPa位勢高度場（a.06時，b.12時）

3.2 熱力條件

從10次個例的氣溫及地溫（圖略）來看，08時開始氣溫、地溫的上升速率很快。午后較08時氣溫的上升幅度達到了8.4～9.3℃，地溫上升幅度甚至達到了34.5～42.7℃。巨大的溫差必然導致低層的空氣受力上升。最高氣溫與對流溫度的差值在1.5～5.5℃，處于熱對流降水出現(xiàn)的高頻率區(qū)間。

3.3 動力條件

強烈的地表感熱加熱可導致低層空氣突破高壓控制下的下沉氣流而上升，周圍空氣的補充形成輻合運動。從圖8a中可以發(fā)現(xiàn)，08時之前整層表現(xiàn)為負散度，08～12時空氣表現(xiàn)為輻散，12時之后低層有弱的輻合，到13時輻合開始增強，16～17時達到了最強階段，低層輻合的厚度也發(fā)展到近450hPa。從垂直速度（圖略）來看，08～12時那曲市上空主要以下沉氣流為主，從13時左右開始有上升運動，14～16時上升運動處于最強階段，垂直方向發(fā)展到近400hPa，中心值達到-1.2Pa·s-1，17時之后上升運動逐漸減弱。

圖8 10次個例合成的動力和水汽時空剖面（a.平均散度（填色部分，單位：s-1）及垂直速度（黑色等值線，單位：Pa·s-1），b.平均相對濕度（填色部分，單位：%）及水汽通量散度（黑色等值線，單位：g·m-2·s-1））

3.4 水汽條件

隨著地表感熱增強，低層空氣的輻合上升引起周圍水汽的匯聚（圖8b），13時之后低層水汽有明顯的匯聚并逐漸向高層發(fā)展，到16時左右，水汽匯集情況最為明顯。相對濕度與水汽通量散度表現(xiàn)較為一致，08時之前中低層相對濕度達到了80%以上，08～14時低層濕度稍有下降，15～17時中低層相對濕度又上升至80%，水汽趨于飽和。而水汽來源究竟是前期平流輸送還是地表蒸發(fā)，這兩者的水汽貢獻率如何，還有待進一步研究。

4 結論

夏季藏北地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)午后熱對流降水，通過對2017～2019年6～8月的熱對流降水特征進行分析，結論如下：

（1）午后熱對流降水最集中的時段是15～17時，并非Tmax-Tg值越大，熱對流降水發(fā)生的概率就越大。當Tmax-Tg處于（1.5～5.5]℃時，熱對流降水出現(xiàn)頻率最高。當Tmax-Tg值＜1℃及＞8℃時，出現(xiàn)熱對流天氣的概率為0。

（2）發(fā)生熱對流時，日最高氣溫至少要達到14.2℃，日最高地溫至少要達到32℃，早晨Tlog-P圖上均存在逆溫層，且中低層的水汽條件較好，訂正后的CAPE值至少要達到800J·Kg-1。

（3）從個例合成分析中可以看出，早上那曲市處于高壓控制或晴空少云狀態(tài)，大概從12時開始，低層空氣輻合上升，低層的輻合上升引起周圍水汽的匯聚。從各要素場來看，熱對流系統(tǒng)發(fā)展高度為450hPa左右。水汽的來源是前期平流輸送或是地表蒸發(fā)有待進一步研究。