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摘要 利用甘南州8个国家气象观测站和146个乡镇区域自动气象站2011—2012年5—9月降水观测资料，风云2E红外云图资料和合作、武都高空站高空观测资料，对甘南高原短时强降水天气的特征进行分析，建立了甘南州短时强降水过程的天气尺度和中尺度概念模型和甘南州分县短时强降水潜势预报方程。同时利用2013—2014年甘南新一代天气雷达资料对甘南高原短时强降水多普勒雷达回波特征进行统计分析。结果表明：5—9月甘南州各县市均可发生短时强降水，8月是短时强降水发生频次最高的月份，5月和7月次之，6月和9月相对较少。按照环流形势甘南高原短时强降水过程可以分为高原低槽切变型、槽后西北气流型和高压内部型3种类型。甘南短时强降水云顶亮温值在8月达到最低。甘南短时强降水大部分个例回波强度大于20 dbz，回波顶高度在3 km以上，垂直液态含水量在5 kg/m2，77%的短时强降水速度场有明显的辐合和中气旋。
关键词 短时强降水；潜势预报；雷达回波；甘南高原
中图分类号 P456 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）14-0197-04
Potential Forecast Research and Radar Echo Analysis of Short-time Strong Rainfall in Gannan Plateau
JI Zhe-jun AN Hua-yin HE Tao CHEN Yang ZHAO Hui-zhen LUO Wang-jun
（Gannan Tibetan Autonomous Prefecture Meteorological Bureau of Gansu Province，Hezuo Gansu 747000）
Abstract Based on the observation rain data of 8 national stations and 146 regional automatic meteorological stations from May to September in 2011—2012 and IR image data by FY-2E and upper-air observation data in Wudu Station，the characteristics of the short-time strong rainfall was analyzed.The conceptual model of both synoptic scale and meso-scale rainfall was established，the respective potential forecasting equations of the short-time strong rainfall was build corresponding to each county in Gannan.The Statistic and Analysis of Doppler radar echo by new weather radar at Gannan plateau form 2013 to 2014 were made at the same time.The results showed that the short-time strong rainfall occurs in all counties of Gannan from May to September and the highest frequency of the short-time strong rainfall occurrence was in October，and followed by May and July，and the least in June and September.According to the large scale circulation situation，the processes models of the short-time strong rainfall in Gannan plateau could be classified three patterns：pressure trough shear on the Qinghai-Xizang Plateau，northwesterly air flow after the trough and high-pressure internal field.The TBB value of cloud in which the short-time strong rainfall took place hit bottom in August.The echo intensity of the most cases was greater than 20 dbz，the top of the echo was higher than 3 km and the vertical liquid water content was about 5 kg/m2 and there existed apparent convergence and mesocyclone in velocity field in about 77 percent of the short-time strong rainfalls.
Key words the short-time strong rainfall；potential forecast；radar echo；Gannan plateau
短时强降水是一种强对流的重要形式，短时强降水易形成山洪和内涝，影响作物生长，影响人们正常工作和健康，甚至威胁人类的生命。同时，短时强降水又因其成因复杂，对其分析和预报历来是气象预报业务的重点和难点[1]。 甘南州地处青藏高原向黄士高原的过渡地带，地形复杂，天气多变，灾害性天气种类多、易发生，局地短时强降水及其引发的次生灾害是造成人民生命财产重大损失的主要原因，2010年 “8.8” 舟曲特大泥石流正是因为局地短时强降水引发山洪泥石流导致出现大量的人员伤亡和财产损失。因此，甘南高原短时强降水的预报、预警准确率和及时性显得非常重要。多普勒天气雷达是探测和分析短时强降水天气的有效工具[2]。随着全国多普勒天气雷达网的逐步建成，各地学者、预报员对于多普勒天气雷达产品在强对流天气的监测、预报、预警等方面做了大量的研究工作[3]。为了进一步加强对甘南高原强对流天气的监测预报预警能力，2013年甘肃省气象局在甘南投资建成了新一代多普勒天气雷达。我国多地总结制订了一些使用雷达识别短时强降水天气的预报指标，但因各地地理位置、海拔高度、气候属性的不同，各地在使用这些指标有很大的偏差[4]。由于前期甘南周边雷达探测距离有限，基本不能覆盖甘南高原，到目前为止仍没有建立一套基于雷达的、可以适合甘南高原的短时强降水预报预警指标。因此，本文通过对甘南州短时强降水特征进行分析，建成分县短时强降水潜势预报方程，同时对甘南高原短时强降水天气雷达产品特征统计分析，总结归纳出一套适合甘南高原的，可以向周边地区推广的高原短时强降水天气雷达预报预警指标，以期为预报员准确判断短时强降水天气发生发展，及时作出准确的预报预警提供了快速有效的雷达指标判别依据，充分发挥甘南天气雷达在短时强降水天气预报、监测中的作用，有效预防和减轻甘南高原短时强降水天气引发的自然灾害。
1 资料与方法
所用资料为甘南州8县市2011—2012年5—9月国家气象观测站和乡镇区域气象站逐小时降水观测资料，2011—2012年高空、地面、卫星云图等观测资料，2013—2015年5—9月甘南新一代天气雷达观测资料等。
2 结果与分析
2.1 甘南高原短时强降水的月分布特征
甘南各地短时强降水呈现出明显的月分布特征（图1），2011—2012年共出现290个短时强降水个例，5月63个，占21.7%；6月25个，占8.6%；7月61个，占21.0%；8月118个，占40.7%；9月23个，占7.9%。由此可以看出，甘南高原8月短时强降水出现频次最高，5月和7月次之，6月和9月相对较少，说明甘南高原盛夏和春夏之交对流比其他时间频繁[5]。
2.2 甘南高原短时强降水的概念模型
将3个及以上县市同时出现短时强降水记为一次短时强降水过程，2011—2012年全州共有短时强降水过程37次，按照环流形势可以分为3种类型，即高原低槽切变型、槽后西北气流型和高压内部型[6]。
2.2.1 高原低槽切变型。此种类型最多，占总数的72%，此种类型200 hPa南亚高压位于100°E以西，副热带高压跳上陆地，500 hPa 584高压外围偏南气流影响甘南，甘南大部处于高温高湿的环境，700 hPa切变活动频繁且有低值系统不断东移，高原低槽切变型触发系统主要考虑高原切变线、冷空气和低涡（图2）。
2.2.2 槽后西北气流型。此种类型占总数的25%，此种类型500 hPa本地受槽后西北气流控制，但700 hPa甘南高原主要受偏南气流影响，切变活动频繁，槽后偏北气流型的触发条件主要考虑干冷空气和底层切变线（图3）。
2.2.3 高压内部型。此种类型最少，仅占总数的3%，此种类型中南亚高压为于高原上空，200 hPa主体位于100°E以西，为西部型，本地处于高温高湿的环境，受浅薄的高压控制，500 hPa表现为明显闭合高压（588高压），本地受584高压控制，高压内部有明显的切变延伸至700 hPa，500 hPa高压至700 hPa减弱消失，地面和低层受低压控制，切变活动频繁，甘南高原整体处于上高下低的形势。巴湖槽底冷空气沿西北气流下滑影响本地。高压内部型的触发系统主要考虑冷空气和切变线（图 4）。
2.3 甘南高原短时强降水的云顶亮温特征
红外云图云顶亮温一定程度上能够反应对流的强弱[7]。将2011—2012年甘南州290个短时强降水个例发生前3 h的风云2E红外云图进行分析，找出强降水发生地及估计3 h内能移动到强降水发生地范围内的所有云系云顶亮温的最小值，建立分月最低云顶亮温序列。
5—9月发生短时强降水时的平均云顶亮温为-66.8 ℃，其中5月平均为-56.1 ℃，6月平均为-54.2 ℃，7月平均为-66.5 ℃，8月平均为-78.9 ℃，9月平均为-57.7 ℃，可以看出，8月云顶亮温值最低，7月次之，说明甘南高原盛夏对流的发展最为旺盛。
2.4 甘南高原短时强降水潜势预报模型的建立
利用合作和武都探空站每日8：00高空资料和各站当日14：00地面温度推算出当日各站14：00高空资料，并计算出影响对流发展的各个物理量，然后将各个物理量作为预报因子，利用spss软件的判别分析功能建立甘南各站分月短时强降水潜势预报模型（表1）。
2.5 甘南高原短时强降水的新一代雷达产品特征
利用2013—2015年的甘南新一代天气雷达资料，用回波强度、强回波底高、强回波顶高、VIL、速度场与实况资料进行对比分析，统计短时强降水发生时或发生前2 h的各种雷达产品，通过对2013—2015年甘南州出现短时强降水的90个过程、415站次的雷达资料统计分析，得出了甘南高原的雷达回波特征（表2）。
2.5.1 回波强度。通过对短时强降水发生前、发生站点附近的雷达回波强度应用累计频率发生法统计分析发现，回波强度在15～45 dBz之间发生短时强降水的站次占86%，而其中20～50 dBz之间的占77%。因此，把短时强降水发生前雷达回波强度阈值确定为20 dBz。通过统计分析发现，发生短时强降水时雷达回波的强度普遍较冰雹的弱，但回波持续时间较冰雹的长。 2.5.2 VIL及VIL跃变。VIL（垂直液态水含量）和VIL跃变是判别短时强降水的主要指标[8]。VIL值表示的是将反射率因子数据转化成等价的液态含水值，因此VIL值随着反射率因子的增强而增强[9]。通过对短时强降水发生时和发生前VIL以及VIL跃变统计分析，表明合作雷达监测范围内，所有个例中VIL≥0.5 kg/m2站次占85%，因此把发生短时强降水的VIL阈值确定为5 kg/m2。
2.5.3 强回波底高和顶高。对流的强弱和回波的伸展高度有关[10]。通过对所挑选的短时强降水个例的强回波顶高统计分析发现，强回波底高普遍在0～2 km，其中强回波底高度在0.5 km以内的站次有77.5%，在1 km范围内的有95%。回波顶高在1～11 km范围内，而回波顶高度在3～11 km的有站次81%，回波顶高大于4 km的有56%。因此，把强回波顶高的阈值确定为3 km。
2.5.4 速度场特征。利用甘南合作雷达资料，对短时强降水个列中的雷达速度场特征进行了分析。结果表明，60%的个例中，速度场伴有辐合、中气旋、逆风区、锋面等场特征，其中辐合和中气旋是最为明显的速度场特征，占所有个例中的77%。因此，配合其他雷达预警指标，当速度场有辐合和中气旋出现时，合作雷达监测境内出现短时强降水的可能性很大。
3 结论
（1）甘南高原短时强降水月变化显著，其中8月出现次数最多（占40.7%），5月和7月次之，6月和9月相对较少，说明甘南高原盛夏和春夏之交短时强降水较其他时间频繁。
（2）甘南高原短时强降水过程按照环流形势可以分为3种类型，即高原低槽切变型、槽后西北气流型和高压内部型，分别占总数的72%、25%和3%。
（3）甘南高原短时强降水时的平均云顶亮温为-66.8 ℃，8月云顶亮温值最低，7月次之，说明甘南高原盛夏短时强降水单体的发展最为旺盛。
（4）甘南高原短时强降水雷达回波强中心强度大于20 dbz，垂直发展旺盛，回波顶高都在3.0 km以上，85%的个例垂直液态水含量超过0.5 kg/m2，77%的短时强降水速度场有明显的辐合或中气旋特征。
4 参考文献
[1] 张之贤.陇东南地区短时强降水时空分布特征及短时临近预报技术研究[D].兰州：兰州大学，2013.
[2] 李军霞.多普勒天气雷达径向速度场中逆风区的分析与研究[D].南京：南京信息工程大学，2007.
[3] 刘惠云，李进忠，蒋军，等.乌鲁木齐市强降水雷达回波特征分析及预报研究[J].沙漠与绿洲气象，2007，1（2）：16-18.
[4] 范江琳.多普勒天气雷达在定量测量降水及短时强降水预报中的应用[D].成都：成都信息工程学院，2013.
[5] 王建兵，安华银，汪治桂，等.甘南高原秋季连阴雨的气候特征及主要环流形势[J].干旱气象，2013，31（1）：70-77.
[6] 白晓平.西北地区东部短时强降水特征及预报研究[D].兰州：兰州大学，2014.
[7] 张婷.云顶亮温与义乌市降水关系研究[D].杭州：浙江师范大学，2009.
[8] 东高红，吴涛.垂直积分液态水含量在地面大风预报中的应用[J].气象科技，2007，35（6）：877-881.
[9] CINRAD RPG使用手册V7.0.北京敏视达流动雷达有限公司，2003.
[10] 刘维成，杨晓军，史志娟，等.一次超级单体风暴的雷达回波特征分析[J].干旱气象，2009，27（4）：320-326.
关键词 短时强降水；潜势预报；雷达回波；甘南高原
中图分类号 P456 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）14-0197-04
Potential Forecast Research and Radar Echo Analysis of Short-time Strong Rainfall in Gannan Plateau
JI Zhe-jun AN Hua-yin HE Tao CHEN Yang ZHAO Hui-zhen LUO Wang-jun
（Gannan Tibetan Autonomous Prefecture Meteorological Bureau of Gansu Province，Hezuo Gansu 747000）
Abstract Based on the observation rain data of 8 national stations and 146 regional automatic meteorological stations from May to September in 2011—2012 and IR image data by FY-2E and upper-air observation data in Wudu Station，the characteristics of the short-time strong rainfall was analyzed.The conceptual model of both synoptic scale and meso-scale rainfall was established，the respective potential forecasting equations of the short-time strong rainfall was build corresponding to each county in Gannan.The Statistic and Analysis of Doppler radar echo by new weather radar at Gannan plateau form 2013 to 2014 were made at the same time.The results showed that the short-time strong rainfall occurs in all counties of Gannan from May to September and the highest frequency of the short-time strong rainfall occurrence was in October，and followed by May and July，and the least in June and September.According to the large scale circulation situation，the processes models of the short-time strong rainfall in Gannan plateau could be classified three patterns：pressure trough shear on the Qinghai-Xizang Plateau，northwesterly air flow after the trough and high-pressure internal field.The TBB value of cloud in which the short-time strong rainfall took place hit bottom in August.The echo intensity of the most cases was greater than 20 dbz，the top of the echo was higher than 3 km and the vertical liquid water content was about 5 kg/m2 and there existed apparent convergence and mesocyclone in velocity field in about 77 percent of the short-time strong rainfalls.
Key words the short-time strong rainfall；potential forecast；radar echo；Gannan plateau
短时强降水是一种强对流的重要形式，短时强降水易形成山洪和内涝，影响作物生长，影响人们正常工作和健康，甚至威胁人类的生命。同时，短时强降水又因其成因复杂，对其分析和预报历来是气象预报业务的重点和难点[1]。 甘南州地处青藏高原向黄士高原的过渡地带，地形复杂，天气多变，灾害性天气种类多、易发生，局地短时强降水及其引发的次生灾害是造成人民生命财产重大损失的主要原因，2010年 “8.8” 舟曲特大泥石流正是因为局地短时强降水引发山洪泥石流导致出现大量的人员伤亡和财产损失。因此，甘南高原短时强降水的预报、预警准确率和及时性显得非常重要。多普勒天气雷达是探测和分析短时强降水天气的有效工具[2]。随着全国多普勒天气雷达网的逐步建成，各地学者、预报员对于多普勒天气雷达产品在强对流天气的监测、预报、预警等方面做了大量的研究工作[3]。为了进一步加强对甘南高原强对流天气的监测预报预警能力，2013年甘肃省气象局在甘南投资建成了新一代多普勒天气雷达。我国多地总结制订了一些使用雷达识别短时强降水天气的预报指标，但因各地地理位置、海拔高度、气候属性的不同，各地在使用这些指标有很大的偏差[4]。由于前期甘南周边雷达探测距离有限，基本不能覆盖甘南高原，到目前为止仍没有建立一套基于雷达的、可以适合甘南高原的短时强降水预报预警指标。因此，本文通过对甘南州短时强降水特征进行分析，建成分县短时强降水潜势预报方程，同时对甘南高原短时强降水天气雷达产品特征统计分析，总结归纳出一套适合甘南高原的，可以向周边地区推广的高原短时强降水天气雷达预报预警指标，以期为预报员准确判断短时强降水天气发生发展，及时作出准确的预报预警提供了快速有效的雷达指标判别依据，充分发挥甘南天气雷达在短时强降水天气预报、监测中的作用，有效预防和减轻甘南高原短时强降水天气引发的自然灾害。
1 资料与方法
所用资料为甘南州8县市2011—2012年5—9月国家气象观测站和乡镇区域气象站逐小时降水观测资料，2011—2012年高空、地面、卫星云图等观测资料，2013—2015年5—9月甘南新一代天气雷达观测资料等。
2 结果与分析
2.1 甘南高原短时强降水的月分布特征
甘南各地短时强降水呈现出明显的月分布特征（图1），2011—2012年共出现290个短时强降水个例，5月63个，占21.7%；6月25个，占8.6%；7月61个，占21.0%；8月118个，占40.7%；9月23个，占7.9%。由此可以看出，甘南高原8月短时强降水出现频次最高，5月和7月次之，6月和9月相对较少，说明甘南高原盛夏和春夏之交对流比其他时间频繁[5]。
2.2 甘南高原短时强降水的概念模型
将3个及以上县市同时出现短时强降水记为一次短时强降水过程，2011—2012年全州共有短时强降水过程37次，按照环流形势可以分为3种类型，即高原低槽切变型、槽后西北气流型和高压内部型[6]。
2.2.1 高原低槽切变型。此种类型最多，占总数的72%，此种类型200 hPa南亚高压位于100°E以西，副热带高压跳上陆地，500 hPa 584高压外围偏南气流影响甘南，甘南大部处于高温高湿的环境，700 hPa切变活动频繁且有低值系统不断东移，高原低槽切变型触发系统主要考虑高原切变线、冷空气和低涡（图2）。
2.2.2 槽后西北气流型。此种类型占总数的25%，此种类型500 hPa本地受槽后西北气流控制，但700 hPa甘南高原主要受偏南气流影响，切变活动频繁，槽后偏北气流型的触发条件主要考虑干冷空气和底层切变线（图3）。
2.2.3 高压内部型。此种类型最少，仅占总数的3%，此种类型中南亚高压为于高原上空，200 hPa主体位于100°E以西，为西部型，本地处于高温高湿的环境，受浅薄的高压控制，500 hPa表现为明显闭合高压（588高压），本地受584高压控制，高压内部有明显的切变延伸至700 hPa，500 hPa高压至700 hPa减弱消失，地面和低层受低压控制，切变活动频繁，甘南高原整体处于上高下低的形势。巴湖槽底冷空气沿西北气流下滑影响本地。高压内部型的触发系统主要考虑冷空气和切变线（图 4）。
2.3 甘南高原短时强降水的云顶亮温特征
红外云图云顶亮温一定程度上能够反应对流的强弱[7]。将2011—2012年甘南州290个短时强降水个例发生前3 h的风云2E红外云图进行分析，找出强降水发生地及估计3 h内能移动到强降水发生地范围内的所有云系云顶亮温的最小值，建立分月最低云顶亮温序列。
5—9月发生短时强降水时的平均云顶亮温为-66.8 ℃，其中5月平均为-56.1 ℃，6月平均为-54.2 ℃，7月平均为-66.5 ℃，8月平均为-78.9 ℃，9月平均为-57.7 ℃，可以看出，8月云顶亮温值最低，7月次之，说明甘南高原盛夏对流的发展最为旺盛。
2.4 甘南高原短时强降水潜势预报模型的建立
利用合作和武都探空站每日8：00高空资料和各站当日14：00地面温度推算出当日各站14：00高空资料，并计算出影响对流发展的各个物理量，然后将各个物理量作为预报因子，利用spss软件的判别分析功能建立甘南各站分月短时强降水潜势预报模型（表1）。
2.5 甘南高原短时强降水的新一代雷达产品特征
利用2013—2015年的甘南新一代天气雷达资料，用回波强度、强回波底高、强回波顶高、VIL、速度场与实况资料进行对比分析，统计短时强降水发生时或发生前2 h的各种雷达产品，通过对2013—2015年甘南州出现短时强降水的90个过程、415站次的雷达资料统计分析，得出了甘南高原的雷达回波特征（表2）。
2.5.1 回波强度。通过对短时强降水发生前、发生站点附近的雷达回波强度应用累计频率发生法统计分析发现，回波强度在15～45 dBz之间发生短时强降水的站次占86%，而其中20～50 dBz之间的占77%。因此，把短时强降水发生前雷达回波强度阈值确定为20 dBz。通过统计分析发现，发生短时强降水时雷达回波的强度普遍较冰雹的弱，但回波持续时间较冰雹的长。 2.5.2 VIL及VIL跃变。VIL（垂直液态水含量）和VIL跃变是判别短时强降水的主要指标[8]。VIL值表示的是将反射率因子数据转化成等价的液态含水值，因此VIL值随着反射率因子的增强而增强[9]。通过对短时强降水发生时和发生前VIL以及VIL跃变统计分析，表明合作雷达监测范围内，所有个例中VIL≥0.5 kg/m2站次占85%，因此把发生短时强降水的VIL阈值确定为5 kg/m2。
2.5.3 强回波底高和顶高。对流的强弱和回波的伸展高度有关[10]。通过对所挑选的短时强降水个例的强回波顶高统计分析发现，强回波底高普遍在0～2 km，其中强回波底高度在0.5 km以内的站次有77.5%，在1 km范围内的有95%。回波顶高在1～11 km范围内，而回波顶高度在3～11 km的有站次81%，回波顶高大于4 km的有56%。因此，把强回波顶高的阈值确定为3 km。
2.5.4 速度场特征。利用甘南合作雷达资料，对短时强降水个列中的雷达速度场特征进行了分析。结果表明，60%的个例中，速度场伴有辐合、中气旋、逆风区、锋面等场特征，其中辐合和中气旋是最为明显的速度场特征，占所有个例中的77%。因此，配合其他雷达预警指标，当速度场有辐合和中气旋出现时，合作雷达监测境内出现短时强降水的可能性很大。
3 结论
（1）甘南高原短时强降水月变化显著，其中8月出现次数最多（占40.7%），5月和7月次之，6月和9月相对较少，说明甘南高原盛夏和春夏之交短时强降水较其他时间频繁。
（2）甘南高原短时强降水过程按照环流形势可以分为3种类型，即高原低槽切变型、槽后西北气流型和高压内部型，分别占总数的72%、25%和3%。
（3）甘南高原短时强降水时的平均云顶亮温为-66.8 ℃，8月云顶亮温值最低，7月次之，说明甘南高原盛夏短时强降水单体的发展最为旺盛。
（4）甘南高原短时强降水雷达回波强中心强度大于20 dbz，垂直发展旺盛，回波顶高都在3.0 km以上，85%的个例垂直液态水含量超过0.5 kg/m2，77%的短时强降水速度场有明显的辐合或中气旋特征。
4 参考文献
[1] 张之贤.陇东南地区短时强降水时空分布特征及短时临近预报技术研究[D].兰州：兰州大学，2013.
[2] 李军霞.多普勒天气雷达径向速度场中逆风区的分析与研究[D].南京：南京信息工程大学，2007.
[3] 刘惠云，李进忠，蒋军，等.乌鲁木齐市强降水雷达回波特征分析及预报研究[J].沙漠与绿洲气象，2007，1（2）：16-18.
[4] 范江琳.多普勒天气雷达在定量测量降水及短时强降水预报中的应用[D].成都：成都信息工程学院，2013.
[5] 王建兵，安华银，汪治桂，等.甘南高原秋季连阴雨的气候特征及主要环流形势[J].干旱气象，2013，31（1）：70-77.
[6] 白晓平.西北地区东部短时强降水特征及预报研究[D].兰州：兰州大学，2014.
[7] 张婷.云顶亮温与义乌市降水关系研究[D].杭州：浙江师范大学，2009.
[8] 东高红，吴涛.垂直积分液态水含量在地面大风预报中的应用[J].气象科技，2007，35（6）：877-881.
[9] CINRAD RPG使用手册V7.0.北京敏视达流动雷达有限公司，2003.
[10] 刘维成，杨晓军，史志娟，等.一次超级单体风暴的雷达回波特征分析[J].干旱气象，2009，27（4）：320-326.