1. 引言
强对流天气是夏季易发生的中尺度对流天气，其产生的大风、冰雹、短时强降水、龙卷等灾害天气对农业、交通造成严重影响，因此是夏季关注度较高的天气之一。我国的雷暴等强对流天气主要集中在华南和青藏高原、在春季，华北平原、华东地区也有不少。潘留杰等 [1]、闵晶晶等 [2] 研究了陕西、天津等地的冰雹、强对流天气过程成因，沈杭峰等 [3] 研究中国东部早春的一次强飑线造成的大风天气指出，在中国东部地区早春时节由于较强的冷暖空气交汇构成较强的水平温度梯度，致使飑线强度加强，有利于极端大风的出现。
新疆地区由于其独特的地形地貌特征，其强对流天气分布也很广泛，新疆的学者对强对流天气的研究也有不少。陈洪武等 [4] 统计了新疆区域1961~1999年的冰雹天气时空分布特征，指出新疆冰雹主要高发区在天山山脉西段的昭苏和巴音布鲁克，北疆降雹主要集中在5~8月，降雹一般出现在下午，傍晚是高峰期；60%的冰雹持续在6分钟以内。张俊兰等 [5]、赵俊荣等 [6] 研究了阿克苏、石河子等地的夏季对流天气，对新疆区域夏季对流天气预报有很好的参考。杨霞等 [7] 研究新疆深秋季节的暴雨天气，发现中尺度气旋的位置与TBB分布有较好的对应关系，其中心与TBB低值中心的移动方向一致。魏勇等 [8] 从环流形势、水汽通道、雷达回波特征等方面对天山北坡中部的冰雹、暴雨天气成因分析。李建刚等 [9] 研究天山山区夏季MCS时空分布特征，发现6月为MαCS出现的高发期且椭圆形MαCS占多数。MαCS发展期主要集中在午后和后半夜，消亡于前半夜。其生命史主要为3~6 h。王清平等 [10] 对新疆巴州地区一次罕见的短时暴雨MCS特征进行研究，发现暴雨主要发生再TBB等值线密集区，TBB ≤ −52℃区域的形成、发展、消失与暴雨的发生、发展、结束时段对应较好。刘晶等 [11] 研究乌鲁木齐短时强降水和冰雹的中小尺度特征，指出短时强降水和冰雹均发生在中尺度对流云团TBB梯度最大处。
乌鲁木齐处于天山山脉北坡中部，夏季经常受到由天山山区移出的强对流云团影响，造成冰雹、暴雨、大风等灾害性天气。乌鲁木齐机场作为民航交通运输部门，强对流天气对飞行的影响巨大，因此研究强对流天气的发展、发展演变，提高短时临近预报对于民航航班运行正常有非常重要的意义。
本文试图利用常规高空地面探测、新疆区域加密自动站、FY4A卫星TBB、乌鲁木齐机场多普勒天气雷达对2022年6月30日发生于乌鲁木齐机场的一次雷暴大风天气的β中尺度MCS特征发展演变特征进行分析研究，以期提高强探测资料在强对流天气预报业务中的应用。
2. 资料与方法
本文用到的研究资料主要有常规高空、地面观测资料、新疆区域地面加密自动气象站数据和FY-4A新一代静止气象卫星和乌鲁木齐机场雷达资料。
常规高空、地面资料是预报业务中重要的资料，高空资料每日08时、20时两次观测，地面资料每小时间隔，加密自动站数据时间分辨率为1小时间隔，使用Python进行数据绘图。
FY-4A静止气象卫星上的TBB (云顶黑体亮温)产品时间分辨率为1小时间隔，空间分辨率4 km。数据可从国家卫星气象中心网站(http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Default.aspx)获取，采用Python软件进行绘图。
乌鲁木齐机场雷达资料主要使用组合反射率数据，6分钟间隔，数据探测半径150 km。
3. 天气概述及环流形势
3.1. 天气概况
2022年6月30日，受高空低涡底部分裂的短波槽东移影响，北疆沿天山一带的石河子、昌吉、乌鲁木齐地区出现了大范围的雷暴、大风天气，最大风力达8级(17.2 m/s)。乌鲁木齐机场6月30日21:00开始风向维持偏西风(图1)，风速维持5 m∙s−1，气压逐渐缓慢上升。21:51 (北京时，以下同)机场出现雷暴，风速逐渐加大至8 m∙s−1左右，22:40开始，风向由西北偏西转西南风，风速最大增至12 m∙s−1，23:00开始气温逐渐下降，23:24开始气压陡升，气温陡降，此时风向再次转为西北风，风速最大达到17 m∙s−1以上，23:30机场实况出现西北大风和短时扬沙天气，能见度2000 m，自动观测站记录最大瞬时风速达20 m∙s−1，最大平均风速11 m∙s−1，7月1日00:30后转为积雨云伴随小阵雨，降水很短暂，过程降水量为0.0 mm。
受此次雷暴大风及扬沙天气影响，造成35架次航班延误，2架次航班备降，对飞行造成较大影响。
3.2. 环流形势
500 hPa等压面图中，雷暴发生前的6月28~29日，欧亚地区中纬度为“两槽一脊”经向环流，西西伯利亚、中国中东部地区为槽区，西北地区为脊区控制，新疆区域处于西西伯利亚低涡槽底偏西气流控制。30日08时，西西伯利亚低涡槽底部分裂的短波位于巴尔喀什湖附近，北疆地区上空为10~16 m∙s−1的偏西风，中亚地区咸海–巴尔喀什湖附近为24 m∙s−1及以上的偏西急流。30日20时(图2(a))急流带东移进入北疆西部，风速为22~28 m∙s−1，北疆沿天山一带处于急流出口右侧辐散区域。
Figure 1. The evolution of pressure (blue line) and temperature (red line) and relativity (green line) and wind field
图1. 乌鲁木齐机场气压(蓝线)、气温(红线)、湿度(绿线)和风场时间演变图
(a) 
(b)
Figure 2. Circulation pattern of 500 hPa (a) and wind field of 850 hPa, (b) at Jun 30th, 2022. Blue line represents geopotential height, unit: dagpm; red dotted line represents temperature field, uint: ˚C
图2. 2022年6月30日20时500 hPa环流形势和850 hPa风场。(a) 500 hPa；(b) 850 hPa。蓝色实线为等高线，单位：dagpm；红色虚线为温度线，单位：℃
700 hPa (图略)，6月28~29日形势与500 hPa较一致。30日08时，北疆上空风速较弱，为4~10 m∙s−1西南风及弱西北风，乌鲁木齐上空为4 m∙s−1西北风，中亚塔什干站上空为22 m∙s−1，其与新疆西部的伊宁站上空形成较强风速辐合，30日20时伊宁站风速由4 m∙s−1加强至8 m∙s−1，乌鲁木齐站上空由4 m∙s−1西北风加强至8 m∙s−1东南风，沿天山一带形成风向切变，有利于辐合上升运动。
850 hPa，巴尔喀什湖附近短波槽前偏东风较明显，伊宁站上空偏东风14 m∙s−1，北疆上空为暖脊控制，盆地上空克拉玛依–乌鲁木齐上空为23℃~26℃，且乌鲁木齐上空T850-500达到33℃，说明沿天山一带上空层结很不稳定。30日20时(图2(b))，盆地上空温度进一步升温，北疆盆地至巴尔喀什湖一带等温线密集，温度梯度加大，沿天山一带温度为27℃~32℃，乌鲁木齐站上空T850-500进一步上升至39℃，不稳定层结进一步加强。地面图中(图略)北疆盆地为热低压，北疆沿天山一带及准噶尔盆地持续升温，最高温度达35℃~40℃，为雷暴大风提供较好的热力条件。
4. MCS系统结构特征演变
FY-4A新一代静止气象卫星提供了较多的云定量产品，TBB能很好的反映出云顶亮度温度变化，可以用于分析对流发展旺盛程度的演变，本文使用云顶黑体亮温TBB产品分析中尺度对流系统结构特征及其演变。
Figure 3. The evolution of FY-4A satellite TBB. (a) 20:30; (b) 20:53; (c) 21:15; (d) 21:30; (e) 21:53; (f) 22:30; (g) 23:30; (h) 00:15; (i) 00:30. Blue solid square represents Urumqi Airport
图3. FY-4A卫星云顶亮温TBB时间演变图。图中蓝色色实心方块为乌鲁木齐机场。(a) 20:30；(b) 20:53；(c) 21:15；(d) 21:30；(e) 21:53；(f) 22:30；(g) 23:30；(h) 00:15；(i) 00:30
20:30 (图3(a))在乌鲁木齐机场西南部的昌吉州境内有对流云团A，其中心TBB值为−42℃，而在机场西北方向约300 km处的克拉玛依附近有一“西北–东南”向的对流云带B，其中心TBB ≤ −42℃的范围明显较对流云团A大，在高空偏西风和偏西南风的引导下，A和B云团不东移、发展。20:53 (图3(b))，对流云团A不断加强，中心TBB ≤ −42℃的区域快速加大，对流云团B的形状出现呈“弓”型，且其南端不断和主体合并加强，中心TBB ≤ −42℃区域不断加大。21:15 (图3(c))，对流云图A呈“椭圆”状，中心出现三个TBB ≤ −42℃中心，对流云团A在东移过程中发展加强，出现4个TBB ≤ −42℃中心，其前部进入石河子西部，南北长度达200 km，东西近100 km。21:30 (图3(d))，对流云团A维持椭圆状，3个中心TBB ≤ −42℃区域合并略有减小，而对流云团B在东移过程中不断发展加强，前沿已到达石河子。在偏西和西南风的作用下，21:53 (图3(e))，对流云团A和B连为一体，形成“西北–东南”向对流云带，长轴长度近300 Km，中心TBB ≤ −42℃区域加强，影响乌鲁木齐机场的对流云团中心主要位于昌吉州和石河子附近，此时机场出现雷暴。22:30 (图3(f))，石河子和昌吉州多个TBB ≤ −42℃中心合并加强，此时乌鲁木齐机场正处于TBB梯度大值区边缘，地面实况显示机场出现弱雷雨。23:30 (图3(g))，对流云团范围结构开始分裂，昌吉–乌鲁木齐地区的对流云团结构组织好依然完整，机场西侧TBB ≤ −42℃区域小时，但是在低空辐合线作用下再次发展，7月1日00:15，机场北侧TBB ≤ −42℃区域发展至最强，此时机场仍维持弱雷雨，00:30 (图3(i))以后，对流云团逐渐东移，乌鲁木齐机场转为小阵雨天气，云顶亮温也逐渐升高至−32℃以上。
综上所述，多个对流云团在发展过程中合并加强，TBB快速降低，旺盛阶段TBB ≤ −42℃，至成熟阶段多个对流云团合并且中心TBB逐渐上升至−32℃，云顶较均匀。
5. 雷达特征分析
Figure 4. The evolution of radar graph at 30th, Jul, 2022. (a) 20:30; (b) 21:01; (c) 21:13; (d) 22:02; (e) 22:39; (f) 23:34
图4. 2022年6月30日雷达图像演变分析。(a) 20:30；(b) 21:01；(c) 21:13；(d) 22:02；(e) 22:39；(f) 23:34
30日20:30 (图4(a))在乌鲁木齐机场偏西–西南侧80~120 km有分散的多个回波云团A，中心回波分别为40~45 dBZ，在机场西南方向240˚~270˚方位50~60 km处有30~35 dBZ的对流单体，此后A回波向东北移动，在移动过程中，触发其移动方向前部的对流单体，使得对流单体快速发展。21:01 (图4(b))在机场西南方向50 km处对流单体强度发展至35~40 dBZ。而回波云团A逐渐分裂多个中心，中心最大强度达45~50 dBZ。21:13 (图4(c))，对流回波云团A的西侧出现零散单体，回波20~25 dBZ，此后，这些零散单体不断东移发展并与回波云团A合并加强，回波强度发展至40~50 dBZ。22:02 (图4(d))，回波云团A前侧激发的对流回波已影响机场，机场出现干雷暴，但地面风速较弱，5~8 m∙s−1。而位于石河子附近的强回波云团范围较大，中心强度35~40 dBZ。22:14 (图略)，石河子附近回波前侧及上节中对流云团A西侧不断有新生的对流单体，且不断合并加强。22:39 (图4(e))，合并加强的回波强度达45~50 dBZ。23:34 (图4(f))，机场西侧主要以混合性层状云为主，对流回波维持短暂后减弱消失。雷雨天气转为小阵雨，很快便结束。
6. 中小尺度特征
地面加密风场
28日21:30 (图5(a))，乌鲁木齐附近风场较弱，风速为1~4 m∙s−1的偏西风为主，石河子至奎屯一线有较强的偏西风最大风速达14 m∙s−1，对应时次的卫星云图中可以明显看到强对流云团，云顶亮温TBB ≤ −42℃，随着强对流云团的发展加强，其前部的下沉气流造成的地面大风风速逐渐加大。21:50 (图5(b))，石河子附近风速逐渐加大，由2~4 m∙s−1加强至6~8 m∙s−1，而大风速核位于石河子西北侧、西南侧风速，风速为16~20 m∙s−1，乌鲁木齐机场西南方向出现偏西及西南风，风速为6~12 m∙s−1，这是上节中的强回波云团A前沿的风速区。22:30 (图5(c))，石河子附近的大风速区进一步东移至呼图壁县附近，最大风速达18 m∙s−1，与乌鲁木齐西南方向的强回波云团前部的地面风形成风向风速辐合，此时乌鲁木齐西南方向的强对流云团最大风速16 m∙s−1，乌鲁木齐机场地面风由3~4 m∙s−1的西北风转为230˚~260˚的西南风，风速加大至7 m∙s−1。23:00 (图5(d))，乌鲁木齐西南方向的对流云团前侧西南及偏西风已经影响乌鲁木齐市区及乌鲁木齐县区域，风速为8~12 m∙s−1，最大风速仍可达16 m∙s−1，此时乌鲁木齐受该对流云团影响，地面风向仍为西南风230˚，风速增大至9 m∙s−1，而位于昌吉、呼图壁境内的偏西风继续东移，地面辐合线已经位于昌吉市境内。23:30 (图5(e))，辐合线已影响乌鲁木齐机场及其北侧乌鲁木齐米东区，此时机场10分钟最大风速达20 m∙s−1，该时段对夜间乌鲁木齐进港高峰期的航班影响较大。1日00:00 (图5(f))，地面大风前沿已经影响乌鲁木齐市区，乌鲁木齐机场最大风速减小至15 m∙s−1。16:30以后，随着强对流云团的东移，地面大风速区也随之东移，机场风速减小至6 m∙s−1以下。
综上所述，乌鲁木齐西南方向强对流云团前部的西南风与偏西方向对流云团前部的偏西风形成的中尺度辐合线，有利于对流云团的发生、发展，对流云团经过辐合线处，快速发展加强。说明地面辐合线时对流云团和发展的触发因子，这于袁美英等 [12] 研究一致。
7. 结论
通过对2022年6月30日夜间乌鲁木齐机场的雷暴大风天气进行分析，发现：
1) 此次雷暴大风、扬沙天气是在高空低涡槽底部分裂的短波槽东移、高空处于急流出口右侧福散区，低层切变线的共同作用下产生的。850 hPa与500 hPa较强的温差反映出对流天气发生前层结非常不稳定。
2) 多个γ尺度对流云团在发展过程中合并加强生成β中尺度对流云团并逐渐东移影响机场及乌鲁木齐市区。对流发展至鼎盛时期MCS的长轴达300 km，短轴近100 km，较强的MCS中尺度系统造成沿天山一带出现雷暴大风天气。
3) 雷达图中可以明显看到强回波云团在发展过程中，在其移动方向前方不断激发新的回波云团发展并加强，多个强回波云团簇合并且发展加强形成成片的强对流回波，造成大范围、长时间雷暴大风天气。
4) 地面风场辐合线的存在有利于两个对流云团发展加强，促使地面风进一步加强，有较强正反馈作用。