伊犁河谷和天山北坡暴雨過程水汽特征分析

劉晶，曾勇，劉雯，楊蓮梅，*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002）

伊犁河谷和天山北坡暴雨過程水汽特征分析

劉晶1，2，曾勇1，2，劉雯1，2，楊蓮梅1，2，*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002）

選取4次伊犁河谷、天山北坡暴雨天氣過程，利用地面逐時降水、常規(guī)、NCEP/ NCAR 1°×1°再分析及地基GPS遙感的大氣水汽總量資料（GPS-PWV），通過合成分析方法得到暴雨期間大氣環(huán)流的基本配置，闡明了伊犁河谷、天山北坡地區(qū)強降水期間環(huán)流形勢及水汽輸送的異同，結果表明：（1）強降水過程中暴雨區(qū)上空200 hPa強輻散氣流、500 hPa槽前正渦度平流、西南氣流利于垂直運動的發(fā)展，低層偏西、偏東和偏北氣流為暴雨區(qū)提供水汽和不穩(wěn)定能量，低層輻合、高層輻散，配合地形輻合抬升，上升運動進一步增強，造成強降水發(fā)生；（2）深厚的西西伯利亞低渦低槽系統(tǒng)移速緩慢，停滯時間長，造成強降水前暴雨站增濕時間更長，比較發(fā)現(xiàn)強降水發(fā)生前暴雨站GPS-PWV均存在1～3 d的增濕過程，暴雨期間測站GPS出現(xiàn)明顯躍變，峰值可達到氣候平均值的2倍左右；（3）GPS大氣可降水量的演變與大尺度的水汽輸送、聚集有較好的對應關系，但GPS高值區(qū)并不代表降水大值區(qū)，還應和動力熱力等條件綜合判斷降水的強弱。

暴雨；水汽輸送；地基GPS

新疆地處我國西北部，屬典型大陸性干旱氣候，其降水不受季風的直接影響，但在“三山夾兩盆”的特殊地形下，每年夏季均會出現(xiàn)不同程度的降水天氣，局部地區(qū)往往有暴雨發(fā)生，其中伊犁河谷及天山北坡地區(qū)（天山北坡指西起精河、北起克拉瑪依，經(jīng)奎屯、沙灣、石河子、烏魯木齊、昌吉至木壘一線）受天山大地形的影響，是新疆夏季暴雨的頻發(fā)區(qū)，也是洪水和泥石流的高發(fā)區(qū)。隨著全球顯著變暖及水循環(huán)加快，新疆氣候由暖干向暖濕轉變[1]，暴雨發(fā)生的頻次也相應增多。針對暴雨產(chǎn)生的環(huán)流背景、形成機制、多尺度天氣系統(tǒng)配置、中尺度活動和水汽條件等方面國內(nèi)外已開展了大量的研究[2-9]，給出各類暴雨主要影響系統(tǒng)、多尺度系統(tǒng)活動特征及演變規(guī)律，闡明了暴雨的水汽來源、輸送特征和聚集機制。另外針對新疆暴雨天氣也有大量的研究成果[10-20]，利用多普勒雷達、風廓線雷達、衛(wèi)星等多元資料，對新疆暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景、動、熱力場及中小尺度活動特征進行了詳細的分析，但大多是針對一次天氣個例分析或從氣候角度闡述新疆強降水的時空分布及氣候背景特征，而針對某類特定影響系統(tǒng)（西西伯利亞低槽、低渦）環(huán)流場、水汽輸送特征分析研究工作相對較少，本文選取伊犁河谷和天山北坡2011—2016年6—8月4次由西西伯利亞低槽（渦）造成的暴雨天氣過程，利用合成分析法，結合地基GPS大氣可降水量資料，重點討論此類暴雨天氣過程中的大尺度環(huán)流場、水汽輸送和局地水汽精細變化特征的異同之處。

1 資料選取和方法介紹

本文利用地面氣象觀測站逐時降水、常規(guī)探測、NCEP/NCAR 1°×1°再分析、地基GPS大氣可降水量（GPS-PWV）資料，分別選取4次暴雨天氣過程中的6個暴雨日，應用合成分析和天氣動力學診斷方法對這兩個地區(qū)暴雨期間水汽輸送特征進行分析，探討發(fā)生期間水汽的精細演變特征，為更好地理解此類暴雨天氣提供一定的參考依據(jù)。

地基GPS遙感大氣水汽技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種大氣觀測手段，目前，新疆共有14個氣象觀測站可收集、整理和傳輸本站的GPS資料，已有研究[21-22]發(fā)現(xiàn)大氣可降水量和利用GAMIT軟件處理反演得到1 h間隔的GPS-PWV間的誤差在2 mm內(nèi)，說明GPS-PWV較高的準確性可補充常規(guī)探空資料在時間和空間密度上的不足。

新疆屬于干旱、半干旱區(qū)域，考慮到該區(qū)域降水特點及相應的災害記錄，本文采用新疆現(xiàn)行的降水業(yè)務標準：24 h降水量R，0.1＜R≤6.0 mm為小雨，6.1＜R≤12.0 mm為中雨，12.0＜R≤24.0 mm為大雨，24.0 mm＜R≤48.0 mm為暴雨，R≥48.1 mm為大暴雨。

表14 次暴雨天氣過程

圖1 伊犁河谷（a）和天山北坡（b）觀測站點暴雨發(fā)生頻次（單位：次）

2 降水基本概況和環(huán)流場分析

通過對2011—2016年4次暴雨天氣過程中的6個暴雨日進行分析（表1，將國家自動氣象觀測站2站及以上24 h降水量≥24.1 mm且3站以上12.0＜24 h降水量≤24.0 mm定義為一個暴雨日），發(fā)現(xiàn)4個暴雨日的暴雨區(qū)主要集中在中天山一帶，達到暴雨的站數(shù)26個，2個暴雨日的暴雨區(qū)主要集中在伊犁河谷，達到暴雨標準的站數(shù)13個。從暴雨發(fā)生頻次圖上可以看出，伊犁河谷暴雨天氣過程中（圖1 a）尼勒克站和鞏留站發(fā)生暴雨頻次最高，其中尼勒克發(fā)生大暴雨頻次最多（2次），而天山北坡地區(qū)（圖1 b）天池站和阜康站發(fā)生暴雨頻次最高，天池出現(xiàn)大暴雨的頻次最多（3次）。

2.1 伊犁河谷暴雨日環(huán)流形勢及水汽特征分析

伊犁河谷強降水發(fā)生期間200 hPa南亞高壓呈“偏西型”分布，中心位于印度半島北部—青藏高原上空（圖2a），西西伯利亞地區(qū)為東北—西南走向長波槽，槽底南伸至35°N，槽前副熱帶急流控制伊犁河谷地區(qū)，最大風速45 m/s，高層強烈的輻散抽吸，利于上升運動的發(fā)展，也使得大氣的不穩(wěn)定性增強，這是伊犁河谷暴雨發(fā)生的重要條件。

出現(xiàn)強降水時，500 hPa（圖2b）上伊朗副熱帶高壓向北發(fā)展，與烏拉爾山高壓脊同位相疊加，西西伯利亞地區(qū)為穩(wěn)定低槽系統(tǒng)，槽底南伸至35°N附近，伊犁河谷位于槽前西南氣流控制，一方面槽前正渦度平流增強利于垂直運動的發(fā)展，另一方面偏南氣流不斷將低緯度地區(qū)水汽輸送到暴雨區(qū)，為強降水的發(fā)生提供水汽輸送。相較于中亞低渦系統(tǒng)，低槽生命史較短，但當?shù)筒矍始哟?、強度增強時，自東向西位勢高度梯度增大，有利于槽前偏南氣流的增強，充沛的水汽也將不斷向暴雨區(qū)上空輸送，這是低槽系統(tǒng)背景下暴雨產(chǎn)生的另一重要原因。由于新疆遠離海洋且周圍均為高山，因而無法直接從洋面上獲得大量的水汽，而針對新疆大降水的研究指出，新疆境內(nèi)強降水的水汽先在境外集中，并在合適的環(huán)流條件下通過接力輸送機制輸送至降水區(qū)[13-14]。從700 hPa水汽通量合成分析圖上（圖2c）發(fā)現(xiàn)，強降水期間有一條明顯的偏西水汽輸送通道，將水汽經(jīng)巴爾喀什湖輸送至伊犁河谷，另外偏東水汽輸送通道將孟加拉灣水汽經(jīng)河西走廊向暴雨區(qū)上空輸送，兩支水汽通道為暴雨區(qū)提供充沛的水汽供應，這與已有的研究結論[13-14]較一致。從水汽通量散度場上（圖2d）可以看出，強降水期間850 hPa伊犁河谷存在明顯的水汽通量輻合大值區(qū)，輻合中心-4×10-7g/（cm2·hPa·s），大量水汽在伊犁河谷地區(qū)輻合，上升運動得以發(fā)展，造成河谷多站出現(xiàn)暴雨。

圖2 伊犁河谷暴雨期間環(huán)流場、水汽通量和水汽通量散度場合成圖

2.2 天山北坡暴雨日環(huán)流形勢及水汽特征分析

與伊犁河谷暴雨期間200 hPa環(huán)流形勢相似的是（圖3a），南亞高壓仍穩(wěn)定維持，長波槽底南伸至35°N，值得注意的是槽前副熱帶急流范圍有所擴大，天山北坡恰位于高空急流出口區(qū)的右側，高層強烈的輻散抽吸是垂直運動發(fā)展、強降水發(fā)生的重要因素之一。

500hPa天山北坡上空風速明顯增強，且逐漸由偏南氣流轉為西南氣流，暴雨區(qū)上空除了有低緯度地區(qū)水汽的輸送外，還有偏西路徑水汽的補充（圖3b）。從700 hPa水汽通量合成分析圖上（圖3c）發(fā)現(xiàn)，西北水汽輸送通道仍然活躍，且與偏東水汽在天山北坡匯集，為暴雨區(qū)上空提供了源源不斷的水汽供應，且強降水期間（圖3d）850 hPa水汽逐漸在天山北坡聚集，輻合中心-3×10-7g·cm-2·（hPa·s）-1，強烈的水汽輻合配合地形的抬升導致天山北坡出現(xiàn)暴雨。

高空輻散氣流分別位于伊犁河谷、天山北坡上空，另外強降水期間對流層中低層均存在偏西和偏東氣流，一方面在地形的輻合抬升下，使得上升氣流增強，另一方面為暴雨區(qū)提供源源不斷的水汽輸送，總之，從高層到低層大尺度天氣系統(tǒng)的環(huán)流配置都有利于上述地區(qū)暴雨天氣的發(fā)生。

2.3 暴雨區(qū)天氣模型概況圖

通過上述分析給出伊犁河谷和天山北坡暴雨發(fā)生期間天氣模型圖（圖4），200 hPa南亞高壓穩(wěn)定維持，長波槽加深，高空急流提供強烈的輻散場利于垂直運動的發(fā)展；500 hPa中緯度烏拉爾山高壓脊和貝加爾湖高壓脊穩(wěn)定少動，西西伯利亞低槽向南加深，移動緩慢，槽前正渦度平流增強利于上升運動進一步加強；700 hPa偏西、偏東氣流和850 hPa偏北氣流在暴雨區(qū)輻合，一方面加強了水汽的輸送，另一方面增加了大氣層結不穩(wěn)定性，有利于局地對流發(fā)展和上升運動的增強，配合地形的輻合抬升易造成暴雨區(qū)強降水。

圖3 伊犁河谷暴雨期間環(huán)流場、水汽通量和水汽通量散度場合成圖

圖4 伊犁河谷和中天山地區(qū)暴雨流型配置

3 2016年6月16日和2016年7月31日暴雨站GPS-PWV分析

從第二節(jié)可以得到伊犁河谷、天山北坡暴雨發(fā)生期間大尺度環(huán)流和水汽輸送、聚集的一些共性，為了更好地理解暴雨天氣過程中水汽演變的特性，選取2016年6月16日和2016年7月31日兩次典型的低渦和低槽天氣過程，通過分析伊犁河谷和中天山地區(qū)的GPS觀測站大氣可降水量的演變特征，探討暴雨站發(fā)生時GPS大氣可降水量的異同，為今后理解此類天氣過程水汽變化情況提供一定的參考。

3.1 伊犁河谷暴雨站GPS-PWV時間演變

伊犁河谷2016年6月、7月分別出現(xiàn)了一次強降水天氣過程，影響系統(tǒng)分別為西西伯利亞低渦和西西伯利亞低槽，同樣是深厚低值系統(tǒng)，暴雨站的GPS-PWV變化略有不同。2016年6月16—18日（圖5a）伊寧站出現(xiàn)暴雨，降水發(fā)生前（16日08：00—17日00：00，北京時，下同）測站GPS-PWV處于高值（30 mm）附近，這與西西伯利亞低渦穩(wěn)定少動，渦前西南氣流較早開始影響伊犁河谷地區(qū)有關。17日00：00開始，伊寧站GPS-PWV出現(xiàn)了一次迅速劇烈的增長，GPS-PWV值由38 mm增至42 mm，增幅達2 mm/h，GPS-PWV峰值達到氣候平均值的1.9倍，4 h后伊寧站開始出現(xiàn)強降水，降水持續(xù)8 h，降水結束后，伊寧站GPS-PWV并未下降至平均值附近，這與降水后近地面濕度較大有關，因而不能僅根據(jù)水汽條件判斷降水的開始和結束，還應參考動力、熱力等條件。

從圖5b可以看出受西西伯利亞低槽影響，伊寧站在強降水發(fā)生前GPS-PWV始終維持在氣候平均值（24 mm）附近，31日08：00—15：00，受低槽前部強西南氣流影響，伊寧站GPS-PWV由24.9 mm增至36.4 mm，出現(xiàn)一次持續(xù)快速增長過程，1 h后伊寧站開始出現(xiàn)強降水，降水持續(xù)了23 h，在此期間伊寧站GPS一直維持在較高值（28 mm～38.1 mm），其峰值（38.1 mm）達到氣候平均值的2倍左右。8月1日15：00后，伊寧站GPS-PWV迅速下降至氣候平均值附近，地面降水結束。由此可以看出伊寧站的GPS-PWV值的演變趨勢與大尺度的水汽輸送及環(huán)流形勢有較好的對應關系。

以上分析說明伊犁河谷GPS測站的GPS-PWV在強降水期間發(fā)生的躍變與低值系統(tǒng)的位置存在一定的對應關系，受低槽（渦）前西南氣流影響，伊犁河谷測站GPS大氣可降水量在強降水期間出現(xiàn)明顯的躍變，但低渦系統(tǒng)在暴雨區(qū)上游和上空停滯時間較低槽系統(tǒng)更長，因而對應降水前GPS-PWV較氣候平均值偏高，增濕時間更長。

3.2 中天山暴雨站GPS-PWV時間演變

由于天池站6月16—19日GPS大氣可降水量資料缺測，因而用烏魯木齊站GPS-PWV演變代表本次西西伯利亞低渦造成的中天山暴雨水汽大致演變趨勢。

圖5 強降水期間伊寧站GPS-PWV與降水量逐時演變

圖6 強降水期間烏魯木齊站（a）天池站（b）GPS-PWV與降水量的逐時演變曲線

從圖6a可以看出，和伊寧站相似的是，受西西伯利亞低渦影響，烏魯木齊強降水發(fā)生前GPS-PWV也存在2 d的增濕過程，且GPS-PWV處于25 mm附近，較歷史平均值偏高5 mm左右。16日20：00—17日18：00，烏魯木齊站GPS-PWV出現(xiàn)了一次持續(xù)增長，GPS-PWV由27 mm增至37 mm，峰值達氣候平均值的1.9倍，1 h后烏魯木齊站出現(xiàn)強降水。而在低槽影響下的強降水過程中，測站強降水發(fā)生前GPS-PWV增濕時間明顯比低渦系統(tǒng)增濕時間短（圖6b），8月1日11：00—19：00，天池出現(xiàn)一次持續(xù)的增濕過程，持續(xù)增濕時間7 h，GPS—PWV由23 mm增至28 mm，增加5 mm，隨后在動力抬升下，天池站強降水開始，降水持續(xù)14 h，累積降水量46 mm，達到暴雨標準。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，深厚低渦由于移速緩慢，停滯時間較低槽系統(tǒng)長，因而造成暴雨站強降水前增濕時間長。GPS大氣可降水量的演變與天氣尺度系統(tǒng)的位置和大尺度的水汽輸送、聚集有較好的對應關系，但GPS高值區(qū)并不代表降水大值區(qū)，還應和動力熱力等條件綜合判斷降水的強弱。

4 結論與討論

通過對天山北坡暴雨期間大尺度環(huán)流、水汽輸送和暴雨站GPS演變特征的分析，明確了深厚低槽（渦）系統(tǒng)造成的暴雨水汽輸送路徑，并得到以下結論：

（1）降水期間，暴雨區(qū)200 hPa南亞高壓穩(wěn)定維持，長波槽加深，高空急流提供強烈的輻散場有利于垂直運動的發(fā)展；500 hPa中緯度烏拉爾山高壓脊和貝加爾湖高壓脊穩(wěn)定少動，西西伯利亞低槽向南加深，移動緩慢，槽前正渦度平流增強利于上升運動進一步加強；700 hPa偏西、偏東氣流和850hPa偏北氣流在暴雨區(qū)匯合，一方面加強了水汽的輸送，另一方面增加了大氣層結不穩(wěn)定性，配合地形輻合和抬升，有利于局地對流發(fā)展和上升運動的增強，造成暴雨區(qū)強降水。

（2）深厚西西伯利亞低渦相較于低槽系統(tǒng)，其移速緩慢，停滯時間較低槽系統(tǒng)長，因而造成強降水前暴雨站增濕時間長。比較發(fā)現(xiàn)伊犁河谷和天山北坡強降水發(fā)生前GPS-PWV均存在1～3 d的增濕過程，且暴雨發(fā)生期間測站GPS出現(xiàn)明顯的躍變，峰值可達到氣候平均值的2倍左右。

（3）GPS大氣可降水量的演變與大尺度的水汽輸送、聚集有較好的對應關系，但GPS高值區(qū)并不代表降水大值區(qū)，還應和動力熱力等條件綜合判斷降水的強弱。

以上研究給出了深厚低槽（渦）系統(tǒng)造成的天山北坡暴雨環(huán)流形勢特征、水汽輸送路徑以及兩者在降水前水汽輸送、聚集的異同，但強降水的發(fā)生不僅與水汽有關。在今后的工作中還應關注暴雨的觸發(fā)、水汽輻合機制等問題，從而更好地理解此類暴雨的發(fā)生、發(fā)展機制，使該地區(qū)夏季低槽（渦）背景下暴雨定時、定量預報能夠得到實質性的進展。

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Analysis of Water Vapor Characteristics during the Rainstorm Process at the Ili River Valley and North Slope of Tianshan Mountains

LIU Jing1，2，ZENG Yong1，2，LIU Wen1，2，YANG Lianmei1，2
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center for Central Asia Atmosphere Science Research，Urumqi 830002，China）

Based on ground hourly rainfall，conventional observations，1°×1°NCEP/NCAR reanalysis and ground-based GPS atmospheric precipitation data，the basic configuration of atmosphericcirculationandthedifferencesandsimilaritiesinwatervaportransmission characteristics among them for four heavy rain process in the Ili river valley and the north slope of Tianshan Mountains were analyzed through synthetic analysis method in this study.It is showed that：（1）200 hPa strong divergence airflow，500 hPa positive vorticity advection and southwest airflow were in favor of vertical movement development，and 700 hPa west and east airflow which provided the water vapor and instability energy，were over the rainstorm area during the heavy rainfall period，low-level convergence and high-level divergence facilitated vertical movement further strengthen which was conducive to the rainstorm occurrence；（2）compared to the low trough system，the humidifying time of GPS was longer before the heavy rainfall occurred caused by the deep west of Siberian vortex，due to its slowly moving speed and the longer stagnation time.the stations’GPS PWV had 1-3 days humidifying process before the rainstorm occurred，appeared obvious jump during the period of precipitation，and the peak of GPS-PWV could achieve 2 times to climate average；（3）The evolution of GPS had good corresponding relation with the large-scale water vapor transport，but the GPS high value area was not representative the precipitation area of greater value，also with the dynamic and thermodynamic condition to comprehensive judge the strength of rainstorm.

heavy rain；water vapor transmission；ground-based GPS

P458.121.1

B

1002-0799（2017）03-0065-07

劉晶，曾勇，劉雯，等.伊犁河谷和天山北坡暴雨過程水汽特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2017，11（3）：65-71.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.009

2017-02-14；

2017-03-18

中國沙漠氣象科學研究基金項目（Sqj2016017）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（IDM2016001）；國家自然科學基金項目（41565003）共同資助。

劉晶（1991-），女，助理研究員，主要從事災害性天氣研究。E-mail：994365768@qq.com

楊蓮梅（1969-），女，研究員，主要從事災害性天氣研究。E-mail：yanglm@idm.cn