朱海斌 楊 婧 紀(jì)曉玲 楊苑媛 姚姍姍

1 中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750002 2 寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750002 3 寧夏氣象臺(tái),銀川 750002 4 吳忠市氣象局,吳忠 751100 5 銀川市氣象局,銀川 750002

提 要: 使用2011—2016年5—9月長(zhǎng)時(shí)間序列的銀川新一代多普勒天氣雷達(dá)導(dǎo)出產(chǎn)品,對(duì)寧夏北部暖季對(duì)流風(fēng)暴的氣候特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明:77%對(duì)流風(fēng)暴的生命史小于30 min,移動(dòng)速度在9～13 m·s-1,主要向偏東方向移動(dòng),且在該方向的移動(dòng)速度大于其他方向。對(duì)流風(fēng)暴最大反射率因子集中在35～50 dBz,回波頂高大多在5～9 km,垂直累積液態(tài)水含量普遍小于10 kg·m-2。500 hPa風(fēng)為寧夏北部對(duì)流風(fēng)暴的引導(dǎo)氣流。500 hPa、700 hPa受偏北風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較低;500 hPa、700 hPa受偏南風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率相對(duì)較高。逐月來(lái)看,每年7月對(duì)流風(fēng)暴核密度達(dá)到峰值;逐時(shí)來(lái)看,每日12時(shí)、13時(shí)達(dá)到峰值。賀蘭山是對(duì)流風(fēng)暴的高發(fā)區(qū),其次位于靈武中北部至以北的鄂托克前旗地區(qū)的沙地。對(duì)流風(fēng)暴在賀蘭山的分布并不均勻,在高山—深谷地帶對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生最多。

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣通常指由深厚濕對(duì)流產(chǎn)生的包括冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷、短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣(Newton,1967)。由于強(qiáng)對(duì)流天氣空間尺度小、生命史短、局地突發(fā)性強(qiáng),使用常規(guī)探測(cè)手段很難對(duì)其做出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警,這在當(dāng)前和可預(yù)見的未來(lái)仍是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)(鄭永光等,2015;俞小鼎和鄭永光,2020)。開展氣候統(tǒng)計(jì)分析,為短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供氣候背景資料,是強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)必要的基礎(chǔ)性工作。已有的研究使用常規(guī)觀測(cè)站、衛(wèi)星、閃電定位、重要天氣報(bào)、災(zāi)情報(bào)告等資料,開展不同地區(qū)不同種類強(qiáng)對(duì)流的氣候特征分析,取得了很多重要成果(Lin et al,2011;Zhang and Zhai,2011;陳國(guó)春等,2011;Chen et al,2013;范雯杰和俞小鼎,2015;王娟和諶蕓,2015;陳曉欣等,2022;周康輝等,2021;鄭永光等,2017)。多普勒天氣雷達(dá)資料具有更高的時(shí)空分辨率、包含三維空間信息,能夠揭示更豐富、更精細(xì)的強(qiáng)對(duì)流特征,開展強(qiáng)對(duì)流氣候統(tǒng)計(jì)分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),這也就是所謂的雷達(dá)氣候?qū)W研究。

目前雷達(dá)氣候?qū)W研究主要包含對(duì)流性降水和對(duì)流風(fēng)暴兩個(gè)方面(陳明軒等,2014;潘赫拉等,2020),前一方面的研究集中在對(duì)流性降水的周期變化特征以及與地形分布的關(guān)系。Carbone et al(2002)、Carbone and Tuttle(2008)和Ahijevych et al(2003;2004)使用美國(guó)自1988年開始布設(shè)的WSR-88D雷達(dá)站網(wǎng)多年累積資料,揭示了在太陽(yáng)輻射和地形強(qiáng)迫共同作用下,美國(guó)大陸暖季降水回波存在明顯的日循環(huán)和半日循環(huán)周期性傳播和山區(qū)新生向東傳播的特征。Lang et al(2007)和Rowe et al(2008)通過(guò)對(duì)墨西哥西北地區(qū)三部雷達(dá)觀測(cè)資料的分析,進(jìn)一步證實(shí)了地形強(qiáng)迫對(duì)降水回波每日新生和傳播起到的決定性作用。Chen X C et al(2014)和Chen(2015)研究了珠三角地區(qū)對(duì)流性降水日循環(huán)和傳播特征及其物理機(jī)制,發(fā)現(xiàn)珠三角南部的海岸線和東北部的迎風(fēng)山坡是對(duì)流性降水高發(fā)區(qū)。在對(duì)流風(fēng)暴的雷達(dá)氣候?qū)W研究方面,Murray and Colle(2011)、Chen et al(2012)和Chen M X(2014)和孫康遠(yuǎn)等(2017)以固定的回波強(qiáng)度(40 dBz或45 dBz)作為閾值提取對(duì)流風(fēng)暴,分析了對(duì)流風(fēng)暴日際、月際、年際變化特征以及與天氣尺度系統(tǒng)的關(guān)系。另一些學(xué)者充分應(yīng)用雷達(dá)資料的三維空間信息,使用對(duì)流風(fēng)暴單體識(shí)別和追蹤分析算法,進(jìn)一步給出了對(duì)流風(fēng)暴的生命史、移向、移速、頂高等定量化的氣候特征。Mohee and Miller(2010)使用風(fēng)暴質(zhì)心追蹤算法(storm cell identification and tracking,SCIT)(Johnson et al,1998),對(duì)美國(guó)北達(dá)科他州的對(duì)流風(fēng)暴分析發(fā)現(xiàn),對(duì)流風(fēng)暴平均生命史為23.6 min,平均行程為21.8 km,平均移速為16.4 m·s-1,移動(dòng)方向多為偏東北方向。Saxen et al(2008)使用風(fēng)暴三維屬性追蹤算法TITAN(Dixon and Wiener,1993),發(fā)現(xiàn)美國(guó)新墨西哥州南部多山地區(qū)絕大部分對(duì)流風(fēng)暴生命史小于30 min,面積小于25 km2,移動(dòng)速度小于4 m·s-1,頂高超過(guò)0℃層。Lock and Houston(2015)使用ThOR算法(Houston et al,2015)分析了美國(guó)中部對(duì)流風(fēng)暴初生點(diǎn)的時(shí)空分布特征。韓雷等(2009)使用改進(jìn)了的TITAN算法SMC-ST(Han et al,2008),在國(guó)內(nèi)首次開展了對(duì)流風(fēng)暴的雷達(dá)氣候?qū)W研究,發(fā)現(xiàn)京津及鄰近地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴生命史普遍小于30 min,大多從西南向東北移動(dòng),面積、體積等特征具有西弱東強(qiáng)的特點(diǎn)。管理等(2020)使用雷達(dá)導(dǎo)出產(chǎn)品,統(tǒng)計(jì)分析了發(fā)生在上海的三類對(duì)流風(fēng)暴在生命史、質(zhì)心高度、垂直液態(tài)含水量和最大反射率因子及高度方面存在的差異。還有一些學(xué)者,對(duì)于組織性更強(qiáng)的颮線(Hocker and Basara,2008;Meng et al,2013)、中尺度對(duì)流系統(tǒng)(Zheng et al,2013;Haberlie and Ashley,2019)等也開展了雷達(dá)氣候?qū)W研究。

目前我國(guó)在雷達(dá)氣候?qū)W方面的研究很少,主要集中在京津冀和珠三角地區(qū),基于對(duì)流風(fēng)暴單體識(shí)別和追蹤分析的雷達(dá)氣候?qū)W研究屈指可數(shù),地形對(duì)對(duì)流風(fēng)暴氣候分布影響的研究很不深入。寧夏位于西北地區(qū)東部,南北走向的賀蘭山給寧夏北部的強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),開展雷達(dá)氣候?qū)W研究,為強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)提供背景資料非常有必要。本文使用新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)生成的導(dǎo)出產(chǎn)品,研究寧夏北部對(duì)流風(fēng)暴的雷達(dá)氣候?qū)W特征,特別是賀蘭山對(duì)對(duì)流風(fēng)暴氣候分布的影響。

1 資料與方法

新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)提供了豐富的導(dǎo)出產(chǎn)品(俞小鼎等,2006),包含組合反射率產(chǎn)品(CR)、回波頂高產(chǎn)品(ET)、垂直累積液態(tài)水含量產(chǎn)品(VIL)、風(fēng)暴跟蹤信息產(chǎn)品(STI)等。本文使用的導(dǎo)出產(chǎn)品來(lái)源于寧夏銀川新一代多普勒天氣雷達(dá),雷達(dá)體掃模式為VCP21,數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2011—2016年5—9月。

STI采用SCIT算法(Johnson et al, 1998),顯示半徑為250 km,包含對(duì)流風(fēng)暴在當(dāng)前時(shí)刻以及過(guò)去最多10個(gè)連續(xù)時(shí)刻的位置信息,以及未來(lái)15～60 min位置預(yù)測(cè)信息等(俞小鼎等,2006)。通過(guò)讀取STI直接獲得每一個(gè)對(duì)流風(fēng)暴的位置信息,并進(jìn)行以下處理:(1)由于STI包含當(dāng)前和過(guò)去時(shí)刻對(duì)流風(fēng)暴的位置信息,為避免重復(fù)累計(jì),對(duì)于時(shí)間連續(xù)的STI,根據(jù)時(shí)間的前后順序以及對(duì)流風(fēng)暴當(dāng)前和過(guò)去的位置,將不同時(shí)刻STI中的同一對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)行合并,作為一個(gè)對(duì)流風(fēng)暴;(2)只在一個(gè)時(shí)刻被識(shí)別出的對(duì)流風(fēng)暴不記入統(tǒng)計(jì)結(jié)果。2011—2016年5—9月STI識(shí)別出對(duì)流風(fēng)暴71 848個(gè),舍棄只在一個(gè)時(shí)刻被識(shí)別出的對(duì)流風(fēng)暴36 367個(gè),對(duì)剩余35 481 個(gè)對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)流風(fēng)暴在不同時(shí)刻的回波強(qiáng)度、頂高、液態(tài)水含量,分別由同一時(shí)刻對(duì)流風(fēng)暴所在位置的CR、ET和VIL確定,上述三個(gè)產(chǎn)品的空間分辨率均為1 km,其中CR顯示半徑為250 km,ET和VIL顯示半徑為125 km。

使用銀川站每日 08時(shí)、20時(shí)(北京時(shí),下同)探空資料分析對(duì)流風(fēng)暴與高空風(fēng)之間的關(guān)系。使用核密度估計(jì)(KDE)方法分析對(duì)流風(fēng)暴的空間分布特征。選用通用性最強(qiáng)的ArcGIS進(jìn)行KDE,核函數(shù)為Epanechnikov核函數(shù),與正態(tài)分布類似。帶寬的選擇是KDE的關(guān)鍵,本文通過(guò)對(duì)比不同帶寬的分析結(jié)果,結(jié)合所研究區(qū)域的范圍大小,確定8 km為最終帶寬值。

2 對(duì)流風(fēng)暴的基本特征

2.1 對(duì)流風(fēng)暴的生命史及運(yùn)動(dòng)規(guī)律

將某一對(duì)流風(fēng)暴最初與最后被識(shí)別出的時(shí)間差作為該對(duì)流風(fēng)暴的生命史,從圖1展示的35 481個(gè)對(duì)流風(fēng)暴生命史的分布頻數(shù)看,生命史在5～10 min 的對(duì)流風(fēng)暴數(shù)量最多,占比為27%,生命史大于10 min的對(duì)流風(fēng)暴數(shù)量迅速減少。77%的對(duì)流風(fēng)暴生命史不超過(guò)30 min,超過(guò)60 min的對(duì)流風(fēng)暴僅占總數(shù)的5%。

圖1 2011—2016年5—9月對(duì)流風(fēng)暴生命史頻數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of convective storm duration from May to September in 2011-2016

按照16方位風(fēng)向?qū)?duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)方向進(jìn)行劃分和命名,圖2展示了對(duì)流風(fēng)暴不同移動(dòng)方向的頻數(shù)和移動(dòng)速度。整體看來(lái),對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向的頻數(shù)和移動(dòng)速度都呈單峰型分布,且波峰基本重合,移動(dòng)方向頻數(shù)的峰值出現(xiàn)在正東,最大移動(dòng)速度出現(xiàn)在東東北。從移動(dòng)方向上看,東東北、東、東東南三個(gè)方向的頻數(shù)在13%～15%,明顯高于其他方向,西南、西西南、西、西西北、西北五個(gè)方向的頻數(shù)較低,僅在2%～3%。從移動(dòng)速度上看,東北、東東北、東三個(gè)方向在12～13 m·s-1,明顯大于其他方向,西西南、西、西西北三個(gè)方向僅為9.0～9.5 m·s-1。

2.2 對(duì)流風(fēng)暴的屬性特征

CR能直觀地顯示對(duì)流風(fēng)暴的最大反射率因子,反映了風(fēng)暴的強(qiáng)度特征。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度呈單峰型分布,在40～45 dBz的對(duì)流風(fēng)暴占比最高,達(dá)30%,76%的對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度集中在35～50 dBz,大于55 dBz的不到6%(圖3a)。ET能夠反映對(duì)流風(fēng)暴在垂直方向上的發(fā)展程度,根據(jù)孫康遠(yuǎn)等(2017)的分類方法,回波頂高低于6 km的為淺對(duì)流,在6～12 km的為中深對(duì)流,高于12 km的為深對(duì)流。在寧夏北部,37%的對(duì)流風(fēng)暴屬于淺對(duì)流,62%屬于中深對(duì)流,只有不到1%屬于深對(duì)流(圖3b)。VIL反映了對(duì)流風(fēng)暴云中降水的水資源條件,從圖3c可以看出,隨著垂直累積液態(tài)水含量的升高,對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)迅速下降,垂直累積液態(tài)水含量在1～5 kg·m-2的對(duì)流風(fēng)暴占比最高,達(dá)47%,垂直累積液態(tài)水含量在5～10 kg·m-2的占比25%,大于40 kg·m-2的占比不到1%。

3 對(duì)流風(fēng)暴與高空風(fēng)的關(guān)系

3.1 高空風(fēng)風(fēng)向與對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生頻數(shù)的關(guān)系

以往研究表明,對(duì)流風(fēng)暴與高空風(fēng)有密切聯(lián)系(Chen M X et al,2014)。對(duì)于寧夏預(yù)報(bào)員,500 hPa風(fēng)場(chǎng)表征了大尺度環(huán)流形勢(shì),700 hPa風(fēng)場(chǎng)表征了暖濕空氣的輸送或低槽、切變等的影響。從圖4來(lái)看,寧夏北部暖季500 hPa主要受西西北(26%)、西北(22%)、西(18%)風(fēng)控制,其他各風(fēng)向頻數(shù)不超過(guò)10%;700 hPa各風(fēng)向分布相對(duì)均勻,西北風(fēng)頻數(shù)最高達(dá)15%,西風(fēng)(9%)次之,其他各風(fēng)向普遍在4%～8%。500 hPa、700 hPa不同風(fēng)向的頻數(shù)與對(duì)應(yīng)風(fēng)向下對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)總體呈成正比關(guān)系,說(shuō)明對(duì)流風(fēng)暴能夠廣泛地發(fā)生在不同的環(huán)流配置中。對(duì)于某一風(fēng)向,如果對(duì)流風(fēng)暴的頻數(shù)明顯高于該風(fēng)向的頻數(shù),說(shuō)明在該風(fēng)向控制下對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率相對(duì)較高,反之亦然,這反映了在不同的環(huán)流背景下對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的難易程度是不同的。當(dāng)500 hPa受北、北西北、西北風(fēng)控制時(shí),三個(gè)風(fēng)向頻數(shù)合計(jì)為32%,對(duì)應(yīng)槽后、脊前的大尺度環(huán)流形勢(shì),產(chǎn)生的對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)合計(jì)為14%,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較低;受西西南、西南、南西南、南風(fēng)控制時(shí),四個(gè)風(fēng)向頻數(shù)合計(jì)為17%,對(duì)應(yīng)著槽前的大尺度環(huán)流形勢(shì),產(chǎn)生的對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)合計(jì)可達(dá)37%,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較高(圖4a)。當(dāng)700 hPa受北、北西北、西北、西西北風(fēng)控制時(shí),四個(gè)風(fēng)向頻數(shù)合計(jì)為36%,對(duì)應(yīng)干冷空氣的輸送,產(chǎn)生的對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)合計(jì)為21%,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較低;受西西南、西南、南西南、南風(fēng)控制時(shí),四個(gè)風(fēng)向頻數(shù)合計(jì)為17%,對(duì)應(yīng)暖濕氣流的輸送或低槽、切變等的影響,配合賀蘭山地形強(qiáng)迫抬升作用,產(chǎn)生的對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)合計(jì)為27%,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較高(圖4b)。

表1進(jìn)一步展示了對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)由大到小排在前12的500 hPa和700 hPa的風(fēng)向配置情況,其中對(duì)流風(fēng)暴個(gè)數(shù)與該種風(fēng)向配置出現(xiàn)的次數(shù)之比表征了在某種風(fēng)向配置下對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生概率的高低?？梢钥闯?對(duì)流風(fēng)暴頻數(shù)排名靠前的風(fēng)向配置主要可以分為兩類:第一類是500 hPa是西西北風(fēng)、700 hPa是西北和西風(fēng),分別出現(xiàn)了83次和61次,風(fēng)向配置出現(xiàn)次數(shù)遠(yuǎn)多于其他,但對(duì)流風(fēng)暴個(gè)數(shù)與出現(xiàn)次數(shù)之比僅為16和15,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率低;第二類是500 hPa或700 hPa的風(fēng)向上有南風(fēng)分量,這種風(fēng)向配置的特點(diǎn)是出現(xiàn)次數(shù)較少,但對(duì)流風(fēng)暴個(gè)數(shù)與風(fēng)向個(gè)數(shù)比值大,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較高,特別是500 hPa西南風(fēng)、700 hPa東東南風(fēng)的配置只有9次,但對(duì)流風(fēng)暴個(gè)數(shù)與風(fēng)向配置次數(shù)之比達(dá)96,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率很高,產(chǎn)生了865個(gè)對(duì)流風(fēng)暴。

表1 2011—2016年5—9月對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)次數(shù)排名前12的500 hPa和700 hPa風(fēng)向配置Table 1 Wind direction configurations at 500 hPa and 700 hPa for the top 12 ranked occurrences of convective storms from May to September in 2011-2016

3.2 高空風(fēng)風(fēng)向與對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向的關(guān)系

通過(guò)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間序列對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)特征發(fā)現(xiàn),如果對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)方向與某一高度上的風(fēng)向較為一致,可以認(rèn)為該高度上的風(fēng)是對(duì)流風(fēng)暴的引導(dǎo)氣流。一般而言,700～500 hPa的風(fēng)代表了影響對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的引導(dǎo)氣流(陳明軒等,2014)。圖5對(duì)比了500 hPa和700 hPa不同風(fēng)向下對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向的分布,結(jié)合圖4可以看出,由于寧夏北部5—9月500 hPa盛行偏西風(fēng)(西西北、西北、西風(fēng)、西西南),在偏西風(fēng)控制下,對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)方向集中出現(xiàn)在偏東方向(東、東東北、東東南、東南)(圖5a);相較之下,700 hPa各風(fēng)向分布相對(duì)均勻,與對(duì)流風(fēng)暴的移動(dòng)方向?qū)?yīng)關(guān)系較差(圖5b)。因此,500 hPa風(fēng)為寧夏北部對(duì)流風(fēng)暴的引導(dǎo)氣流。

圖5 2011—2016年5—9月(a)500 hPa和(b)700 hPa各風(fēng)向下對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)方向頻數(shù)分布Fig.5 Frequency distribution of convective storm moving direction under different wind directions at (a) 500 hPa and (b) 700 hPa from May to September in 2011-2016

4 對(duì)流風(fēng)暴時(shí)空分布特征

寧夏北部海拔高度在1000 m以上,最顯著的特征是存在縱跨南北的賀蘭山。賀蘭山南北長(zhǎng)約為200 km,東西寬為20～40 km,海拔普遍在1600～3000 m,主峰高達(dá)3556 m。賀蘭山西側(cè)是騰格里沙漠,東側(cè)是銀川平原(圖6a)。賀蘭山還是我國(guó)荒漠草原與荒漠、季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)、外流區(qū)域與內(nèi)流區(qū)域的分界線,具有重要的氣候意義。為了方便描述賀蘭山地形對(duì)對(duì)流風(fēng)暴空間分布的影響,圖6b中根據(jù)高程標(biāo)注出了3個(gè)山峰(M1～M3)和11個(gè)山谷(V1～V11)。

注:AB和CD線段為圖9剖線,M1～M3:山峰,V1～V11:山谷;黑點(diǎn)為銀川雷達(dá)站,下同。圖6 寧夏北部高程圖Fig.6 The elevation map of northern Ningxia

4.1 對(duì)流風(fēng)暴逐月分布特征

核密度估計(jì)(KDE)分析結(jié)果能直觀反映對(duì)流風(fēng)暴空間數(shù)量分布的聚集程度,長(zhǎng)時(shí)間序列風(fēng)暴的KDE也就反映了對(duì)流風(fēng)暴空間分布的氣候特征,指示了對(duì)流風(fēng)暴在不同時(shí)段、不同區(qū)域發(fā)生概率的相對(duì)大小,能夠?yàn)槿粘?qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)提供背景支持。

圖7展示了寧夏北部5—9月逐月對(duì)流風(fēng)暴核密度分布特征,從整體看:(1)5—7月對(duì)流風(fēng)暴核密度迅速升高、范圍迅速增大,7月達(dá)到峰值,8月明顯減弱,9月與6月相當(dāng),這是由于7月日照輻射加熱作用最強(qiáng),平均氣溫最高,熱力抬升條件最好,6月、8月次之。另外,垂直探空資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,7月、8月700 hPa盛行偏南風(fēng)的頻數(shù)最高,水汽條件最好。(2)賀蘭山是對(duì)流風(fēng)暴核密度最高的區(qū)域,靈武以北的鄂托克前旗地區(qū)次之,上述兩個(gè)區(qū)域分別是山地和沙地,主要是由于熱力抬升作用產(chǎn)生的。(3)對(duì)流風(fēng)暴向山下平原地區(qū)傳播的特征不明顯,離開賀蘭山山麓地帶后,對(duì)流風(fēng)暴迅速減少。

圖7 2011—2016年寧夏北部5—9月逐月對(duì)流風(fēng)暴核密度分布Fig.7 The kernel density distribution of monthly convective storms in northern Ningxia from May to September in 2011-2016

逐月對(duì)流風(fēng)暴核密度分布顯示:(1)5月對(duì)流風(fēng)暴的核密度最低、范圍最小,對(duì)流風(fēng)暴主要出現(xiàn)在銀川、永寧。(2)6月賀蘭山賀蘭至銀川段成為對(duì)流風(fēng)暴核密度大值區(qū),大值中心出現(xiàn)在V7～V8一帶。(3)相較6月,7月賀蘭山對(duì)流風(fēng)暴核密度大值區(qū)向北、向南、向東三個(gè)方向擴(kuò)展,其最大值中心出現(xiàn)在V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶,次大值中心自北向南分別是V4、V7～V8一帶和M3～V11一帶,大值中心核密度值約為6月的2倍;在永寧與青銅峽交界處、靈武以北的鄂托克前旗地區(qū)核密度值也較高。(4)8月對(duì)流風(fēng)暴核密度大值中心出現(xiàn)在靈武以北的鄂托克前旗地區(qū),相較7月,賀蘭山一帶明顯減弱,靈武以北的鄂托克前旗地區(qū)有所加強(qiáng)。(5)9月風(fēng)暴的范圍迅速減小,銀川東部核密度值較高。

綜上,6—8月賀蘭山地形對(duì)對(duì)流風(fēng)暴能夠產(chǎn)生顯著影響,其中7月最為明顯。對(duì)流風(fēng)暴在賀蘭山的分布并不均勻,其中V4、V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶、V7～V8一帶、M3～V11一帶是對(duì)流風(fēng)暴的高發(fā)區(qū)。對(duì)流風(fēng)暴向山下平原地區(qū)傳播的特征不明顯。7-8月靈武以北的鄂托克前旗地區(qū)對(duì)對(duì)流風(fēng)暴能夠產(chǎn)生顯著影響,其中8月最為明顯。

4.2 對(duì)流風(fēng)暴逐時(shí)分布特征

寧夏北部5—9月的逐時(shí)對(duì)流風(fēng)暴核密度分布(圖8)可以分為三個(gè)階段:10—20時(shí)是對(duì)流風(fēng)暴最為活躍的時(shí)段,在太陽(yáng)輻射與山地、沙地共同作用下,賀蘭山仍然是對(duì)流風(fēng)暴核密度值最大的區(qū)域,其次是靈武北部至以北的鄂托克前旗地區(qū)。隨著太陽(yáng)輻射的減弱,20時(shí)至次日01時(shí)對(duì)流風(fēng)暴活動(dòng)明顯減弱,山地和沙地作用不再顯著,大值區(qū)(大于0.7 個(gè)·km-2)范圍縮小;01—10時(shí)對(duì)流風(fēng)暴活動(dòng)是全天最弱的時(shí)段,核密度值最大不超過(guò)0.7 個(gè)·km-2。下面主要分析賀蘭山和靈武中北部至以北的鄂托克前旗地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴核密度大值的分布特征。

圖8 2011—2016年寧夏北部5—9月逐小時(shí)對(duì)流風(fēng)暴核密度分布Fig.8 The kernel density distribution of hourly convective storms in northern Ningxia from May to September in 2011-2016

續(xù)圖8Continued

在賀蘭山,對(duì)流風(fēng)暴核密度大值區(qū)首先于10時(shí)開始出現(xiàn)在V6～賀蘭山平羅與賀蘭交界段東麓,11時(shí)出現(xiàn)在V7～V8一帶。12時(shí)、13時(shí)達(dá)到峰值,12時(shí)最大值中心出現(xiàn)在V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶,兩個(gè)次大值中心分別出現(xiàn)在V2和V7～V8一帶。13時(shí)對(duì)流風(fēng)暴核密度最大值中心相較12時(shí)有所南移,出現(xiàn)在V5～M1賀蘭北段～V6一帶,次大值中心出現(xiàn)在V3～M1平羅南段、V2和M3～V10一帶。相較12時(shí)、13時(shí),14時(shí)、15時(shí)對(duì)流風(fēng)暴核密度明顯減弱,大值區(qū)向南移。14時(shí)大值區(qū)出現(xiàn)在海拔較低的M2和M3附近,大值中心分別在M2西側(cè)的V9和M3西坡,次大值中心在V5和V1;15時(shí)大值中心出現(xiàn)在V7和V11,次大值中心在V5～M1賀蘭北段。16時(shí)對(duì)流風(fēng)暴核密度進(jìn)一步減弱,17時(shí)、18時(shí)又增強(qiáng)至與14時(shí)、15時(shí)相當(dāng)?shù)乃?16時(shí)、17時(shí)大值中心都出現(xiàn)在V4一帶,18時(shí)出現(xiàn)在V11～M3南坡。19時(shí)開始對(duì)流風(fēng)暴核密度迅速減弱,大值區(qū)出現(xiàn)在M2～M3和V6;20時(shí)最大值出現(xiàn)在V8和M1平羅與賀蘭交界段。

沿對(duì)流風(fēng)暴的主要移動(dòng)方向(偏東方向),從圖6a 中的AB、CD兩條緯向線段做對(duì)流風(fēng)暴核密度的時(shí)間-距離剖面圖(圖9),可以看出,核密度最大值區(qū)分布在賀蘭山山峰附近,并偏向西坡,也就是偏向盛行風(fēng)的迎風(fēng)坡。海拔較高山峰的核密度總體大于海拔較低的山峰,海拔較高的山峰出現(xiàn)核密度最大值的時(shí)間也早于海拔較低的山峰。

圖9 對(duì)流風(fēng)暴核密度沿圖6a(a)A(38.8°N、105.6°E)點(diǎn)到B(38.8°N、107.0°E)點(diǎn),(b)C(38.6°N、105.6°E)點(diǎn)到D(38.6°N、107.0°E)點(diǎn)的時(shí)間-距離剖面Fig.9 Time-distance profile of convective storm kernel density (a) from point A (38.8°N, 105.6°E) to point B (38.8°N, 107.0°E) and (b) from point C (38.6°N, 105.6°E) to point D (38.6°N, 107.0°E)

在靈武中北部至以北的鄂托克前旗地區(qū),13—18時(shí)是對(duì)流風(fēng)暴較為活躍的時(shí)段,對(duì)流風(fēng)暴核密度大值區(qū)首先于13時(shí)出現(xiàn),14時(shí)、15時(shí)達(dá)到最強(qiáng),對(duì)流風(fēng)暴核密度大值區(qū)自銀川以東的鄂托克前旗延伸至靈武中北部地區(qū),基本呈南北向的帶狀分布,從16時(shí)開始逐漸減弱。

綜上,賀蘭山在太陽(yáng)輻射加熱作用下,在10—20時(shí)對(duì)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生了顯著影響,其中12—13時(shí)最為明顯。賀蘭山的V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶、V3～M1平羅南段、V2、V7～V8、V4、M2和M3附近以及V11是對(duì)流風(fēng)暴的高發(fā)區(qū)。對(duì)流風(fēng)暴向山下平原地區(qū)傳播的特征仍不明顯。靈武中北部至以北的鄂托克前旗地區(qū)的對(duì)流風(fēng)暴在14時(shí)、15時(shí)最為活躍。對(duì)流風(fēng)暴在賀蘭山的分布并不均勻,但無(wú)論從逐月還是逐時(shí)來(lái)看,對(duì)流風(fēng)暴的最大值區(qū)都出現(xiàn)在賀蘭山的V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶,這里的山脈海拔最高,并且山脊兩側(cè)分布著很深的山谷(V5和V6)。

5 結(jié) 論

本文使用雷達(dá)導(dǎo)出產(chǎn)品對(duì)寧夏北部2011—2016年5—9月對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:

(1)對(duì)流風(fēng)暴的基本特征:寧夏北部77%的對(duì)流風(fēng)暴生命史小于30 min,超過(guò)60 min的對(duì)流風(fēng)暴僅占總數(shù)的5%;移動(dòng)速度集中分布在9～13 m·s-1,主要向偏東方向移動(dòng),且在該方向的速度大于其他方向。76%的對(duì)流風(fēng)暴最大反射率因子集中在35～50 dBz,大于55 dBz的不到6%;回波頂高集中在5～9 km,其中62%屬于中深對(duì)流,37%屬于淺對(duì)流;72%的對(duì)流風(fēng)暴垂直累積液態(tài)水含量小于10 kg·m-2,大于40 kg·m-2的占比不到1%。

(2)對(duì)流風(fēng)暴與高空風(fēng)的關(guān)系:當(dāng)500 hPa受北、北西北、西北風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較低;受西西南、西南、南西南、南風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率相對(duì)較高;當(dāng)700 hPa受北、北西北、西北、西西北風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率較低;受西西南、西南、南西南、南風(fēng)控制時(shí),對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的概率相對(duì)較高。產(chǎn)生對(duì)流風(fēng)暴較多的風(fēng)向配置分為兩類:第一類是500 hPa是西西北風(fēng)、700 hPa是西北或西風(fēng),第二類是500 hPa或700 hPa的風(fēng)向上存在南風(fēng)分量。第一類是由于此種風(fēng)向配置出現(xiàn)次數(shù)多,第二類是由于在此種風(fēng)向配置下,對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生概率較高。500 hPa風(fēng)為寧夏北部對(duì)流風(fēng)暴的引導(dǎo)氣流。

(3)對(duì)流風(fēng)暴的時(shí)空分布特征:從逐月分布看,7月對(duì)流風(fēng)暴核密度達(dá)到峰值,8月次之,7月賀蘭山是對(duì)流風(fēng)暴核密度的最大值區(qū),8月靈武以北的鄂托克前旗地區(qū)是對(duì)流風(fēng)暴的最大值區(qū)。從逐時(shí)分布看,核密度10—20時(shí)是對(duì)流風(fēng)暴核密度最為活躍的時(shí)段,12時(shí)、13時(shí)達(dá)到峰值,賀蘭山仍是對(duì)流風(fēng)暴的最大值區(qū),其次是靈武中北部至以北的鄂托克前旗地區(qū)的沙地。對(duì)流風(fēng)暴在賀蘭山的分布并不均勻,但無(wú)論從逐月還是逐時(shí)來(lái)看,對(duì)流風(fēng)暴核密度的最大值區(qū)都出現(xiàn)在“高山—深谷”的V5～M1平羅與賀蘭交界段～V6一帶。